Теорія автоматичного керування 1: шпаргалка-підсумок

Аркуші з формулами, ключові кроки методів для кожної теми та 12 задач для практики, з повними розв’язками наприкінці.

Нові задачіНазад до курсу

У вікні друку виберіть «Зберегти як PDF», щоб зберегти копію на пристрої.

1Формули та методи

Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годограф

Стійкість
усі корені характеристичного полінома в лівій півплощині
таблиця Рауса, елемент s¹ кубічного полінома
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
Корені в правій півплощині
кількість змін знака в першому стовпці
Кубічний поліном s³ + a₂s² + a₁s + a₀
стійкий, коли всі a > 0 і a₂·a₁ > a₀
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
Характеристичне рівняння
1 + K·G(s) = 0
Асимптоти
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
Точки відходу й входу
dK/ds = 0
Умова модуля
K = 1/|G(s)|
Кут відходу
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)

Метод

  1. Запишіть характеристичний поліном замкненої системи: знаменник рівняння 1 + K·G(s) = 0, розкритий до кінця.
  2. Запишіть коефіцієнти по черзі в перші два рядки таблиці Рауса й побудуйте решту рядків.
  3. Підрахуйте зміни знака в першому стовпці: кожна з них — це полюс у правій півплощині. Якщо в таблиці є K, вимагайте, щоб кожен елемент першого стовпця залишався додатним.
  4. Для кореневого годографа позначте полюси й нулі, ділянки дійсної осі, асимптоти з центра та точки розгалуження, де dK/ds = 0. Для коефіцієнта підсилення в точці скористайтеся K = 1/|G(s)|.

Усталена похибка та ПІД-регулювання

Тип системи
кількість полюсів G(s) у точці s = 0
Константи похибок
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Східчастий сигнал A
ess = A/(1 + Kp)
Лінійно наростальний сигнал A·t
ess = A/Kv
Параболічний сигнал A·t²/2
ess = A/Ka
ПІД-регулятор
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Цільова система другого порядку
s² + 2ζωns + ωn²
Перерегулювання та часові показники
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

Метод

  1. Підрахуйте полюси розімкненого контуру C(s)·G(s) у точці s = 0: це тип системи.
  2. Знайдіть константу похибки, що відповідає входу: Kp для східчастого, Kv для лінійно наростального, Ka для параболічного сигналу.
  3. Застосуйте ess = A/(1 + Kp), A/Kv або A/Ka, або розв’яжіть це відносно потрібного коефіцієнта підсилення.
  4. Для вимоги щодо демпфування чи швидкодії запишіть характеристичний поліном замкненої системи й порівняйте його з s² + 2ζω_n·s + ω_n².

2Задачі для практики

1.Перетворення ЛапласаСередня
ReIm−55

Знайдіть f(t) для F(s) = (4s + 25)/(s² + 4s + 40), виділивши повний квадрат, і обчисліть f(0,1).

F(s) = (4s + 25)/(s² + 4s + 40)t = 0,1 s
f(0.1) =
2.Перетворення ЛапласаСкладна
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−30,51

Систему описано диференціальним рівнянням y″ + 4y′ + 3y = 10u із входом u(t) і виходом y(t). Знайдіть її передатну функцію G(s) = Y(s)/U(s) (нульові початкові умови) і обчисліть імпульсну характеристику g(t) при t = 1,5 s. Знайдіть g(1,5).

y″ + 4y′ + 3y = 10ut = 1,5 s
g(1.5) =
3.Блок-схемиСередня
R(s)+4(s + 7)(s + 5)(s + 6)G(s)C(s)−

Одиничний від’ємний зворотний зв’язок має G(s) = 4(s + 7)/((s + 5)(s + 6)). На задавальний сигнал подано сходинку розміром 1. Знайдіть усталену похибку ess.

G(s) = 4(s + 7)/((s + 5)(s + 6))R = 1
ess =
4.Блок-схемиСкладна
R(s)+14s + 4G₁+1s + 6G₂C(s)1H₁−0,25H₂−

Згорніть блок-схему з G₁ = 14/(s + 4), G₂ = 1/(s + 6), внутрішнім від’ємним зворотним зв’язком H₁ = 1 навколо G₂ та зовнішнім від’ємним зворотним зв’язком H₂ = 0,25. Знайдіть статичний коефіцієнт підсилення T(0) для C(s)/R(s).

G₁ = 14/(s + 4)G₂ = 1/(s + 6)H₁ = 1H₂ = 0,25
T(0) =
5.Перехідна характеристикаСередня
t (s)y(t)1

Система має передатну функцію G(s) = 36/(s² + 7s + 36) і отримує на вході одиничну сходинку. Знайдіть власну частоту ωn в rad/s.

G(s) = 36/(s² + 7s + 36)
ωn = rad/s
6.Перехідна характеристикаСкладна
k = 500 N/mc = 40 N·s/mm = 5 kgF = 100 Nx(t)

Маса m = 5 kg висить на пружині k = 500 N/m з в’язким демпфером c = 40 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). З положення рівноваги в спокої раптово прикладають сталу силу F = 100 N. Знайдіть найбільше зміщення xmax у mm.

m = 5 kgk = 500 N/mc = 40 N·s/mF = 100 N
xmax = mm
7.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годографСередня
R(s)+K1s(s + 2)(s + 5)C(s)−

Контур на схемі має передавальну функцію розімкненої системи L(s) = K/(s(s + 2)(s + 5)). Коефіцієнт підсилення збільшують, доки замкнена система не опиниться на межі стійкості. Знайдіть частоту ω незатухних коливань.

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 5))
ω = rad/s
8.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годографСкладна
ReIm−2−4−6−8−10−12−14−162j2j4

Кореневий годограф L(s) = K(s + 14)/(s(s + 7)) відходить від дійсної осі між s = 0 і s = −7, описує коло й знову сходиться з дійсною віссю ліворуч від нуля. Знайдіть точку входу si.

L(s) = K(s + 14)/(s(s + 7))
si =
9.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСередня
r(t) = 4t+50s(s + 2)C(s)−

Лінійно наростальний сигнал r(t) = 4t подано на контур з одиничним зворотним зв’язком і G(s) = 50/(s(s + 2)). Знайдіть усталену похибку ess.

G(s) = 50/(s(s + 2))r(t) = 4t
ess =
10.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСкладна
R(s)+K = 210s(s + 6)C(s)−

П-регулятор K = 2 керує об’єктом G(s) = 10/(s(s + 6)) у контурі з одиничним зворотним зв’язком. Знайдіть відсоток перерегулювання %OS перехідної характеристики.

G(s) = 10/(s(s + 6))K = 2
%OS = %
11.Діаграми Боде та запасиСередня
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 30

Знайдіть фазу ∠G(jω) функції G(s) = 29(s + 13)/(s(s + 8)) за ω = 30 rad/s, у градусах.

G(s) = 29(s + 13)/(s(s + 8))ω = 30 rad/s
∠G(jω) = °
12.Діаграми Боде та запасиСкладна
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Контур із одиничним зворотним зв’язком має передавальну функцію розімкненого кола L(s) = 266/(s(s + 5)(s + 7)). Знайдіть запас за підсиленням GM у dB.

L(s) = 266/(s(s + 5)(s + 7))
GM = dB

3Розчини

1.Перетворення Лапласа

Відповідь: f(0.1) = 4,013

Перетворення Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt перетворює похідні на множення на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартні пари: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), а зсув s → s + σ множить оригінал на e−σt. Щоб знайти оригінал раціональної F(s), розкладіть її на простіші дроби: коефіцієнт простого полюса p дорівнює A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема про кінцеве значення: f(∞) = lims→0 s·F(s), справедлива лише тоді, коли всі полюси s·F(s) лежать у лівій півплощині. Теорема про початкове значення: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Виділення повного квадрата

s² + 4s + 40 = (s + 2)² + 36 = (s + 2)² + 6²

Зіставлення чисельника

F(s) = 4·(s + 2)/((s + 2)² + 6²) + (17/6)·6/((s + 2)² + 6²)

Обернене перетворення

f(t) = e−2t·(4·cos 6t + 2,833·sin 6t)
f(0,1) = e−2·0,1·(4·cos(6·0,1) + 2,833·sin(6·0,1)) = 4,013

Відповідь

f(0,1) = 4,013
2.Перетворення Лапласа

Відповідь: g(1.5) = 1,06

Перетворення Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt перетворює похідні на множення на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартні пари: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), а зсув s → s + σ множить оригінал на e−σt. Щоб знайти оригінал раціональної F(s), розкладіть її на простіші дроби: коефіцієнт простого полюса p дорівнює A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема про кінцеве значення: f(∞) = lims→0 s·F(s), справедлива лише тоді, коли всі полюси s·F(s) лежать у лівій півплощині. Теорема про початкове значення: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Передатна функція

G(s) = Y(s)/U(s) = 10/(s² + 4s + 3)

Простіші дроби

s² + 4s + 3 = (s + 1)(s + 3)
A = 5, B = −5

Імпульсна характеристика

g(t) = 5·e−t − 5·e−3t
g(1,5) = 1,06

Відповідь

g(1,5) = 1,06
3.Блок-схеми

Відповідь: ess = 0,5172

Алгебра блок-схем: блоки, з’єднані послідовно, перемножуються (G₁·G₂), блоки, з’єднані паралельно, додаються (G₁ + G₂), а контур із прямим шляхом G і шляхом зворотного зв’язку H зводиться до T = G/(1 + G·H) для від’ємного зворотного зв’язку та G/(1 − G·H) для додатного. Спершу згортайте внутрішні контури, потім рухайтеся назовні. Полюси замкненої системи — корені характеристичного рівняння 1 + G(s)H(s) = 0. Для стійкого контуру вхідна сходинка розміром A дає усталений вихід A·T(0); за одиничного зворотного зв’язку усталена похибка на сходинку дорівнює A/(1 + Kp), де Kp = G(0).

Стала похибки за положенням

Kₚ = G(0) = 4·7/(5·6) = 0,9333

Усталена похибка

ess = A/(1 + Kₚ) = 1/(1 + 0,9333) = 0,5172

Відповідь

ess = 0,5172
4.Блок-схеми

Відповідь: T(0) = 0,4444

Алгебра блок-схем: блоки, з’єднані послідовно, перемножуються (G₁·G₂), блоки, з’єднані паралельно, додаються (G₁ + G₂), а контур із прямим шляхом G і шляхом зворотного зв’язку H зводиться до T = G/(1 + G·H) для від’ємного зворотного зв’язку та G/(1 − G·H) для додатного. Спершу згортайте внутрішні контури, потім рухайтеся назовні. Полюси замкненої системи — корені характеристичного рівняння 1 + G(s)H(s) = 0. Для стійкого контуру вхідна сходинка розміром A дає усталений вихід A·T(0); за одиничного зворотного зв’язку усталена похибка на сходинку дорівнює A/(1 + Kp), де Kp = G(0).

Внутрішній контур

Gᵢ = G₂/(1 + G₂H₁) = 1/(s + 7)

Зовнішній контур

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 14/((s + 4)(s + 7) + 3,5)

Статичний коефіцієнт підсилення

T(0) = 14/(4·7 + 3,5) = 14/31,5 = 0,4444

Відповідь

T(0) = 0,4444
5.Перехідна характеристика

Відповідь: ωn = 6 rad/s

Перехідна характеристика: система першого порядку G(s) = K/(τs + 1) відповідає на сходинку розміром U як y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): вона досягає 63,2 % кінцевого значення K·U за одну сталу часу τ і 98 % за 4τ. Система другого порядку G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) має полюси s = −ζωₙ ± jωd, де ωd = ωₙ√(1 − ζ²). За 0 < ζ < 1 перехідна характеристика має перерегулювання: відсоток перерегулювання %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), час піку tp = π/ωd, а 2-відсотковий час встановлення ts ≈ 4/(ζωₙ). Порівняйте знаменник із s² + 2ζωₙs + ωₙ², щоб знайти ωₙ і ζ. Для системи маса–пружина–демпфер ωₙ = √(k/m) і ζ = c/(2√(km)); для послідовного RLC-кола ωₙ = 1/√(LC) і ζ = (R/2)·√(C/L).

Порівняйте зі стандартною формою

Знаменник має збігатися з s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 36 → ωₙ = 6 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·6) = 0,5833

Результат

ωₙ = 6 rad/s

Відповідь

ωn = 6 rad/s
6.Перехідна характеристика

Відповідь: xmax = 250,8 mm

Перехідна характеристика: система першого порядку G(s) = K/(τs + 1) відповідає на сходинку розміром U як y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): вона досягає 63,2 % кінцевого значення K·U за одну сталу часу τ і 98 % за 4τ. Система другого порядку G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) має полюси s = −ζωₙ ± jωd, де ωd = ωₙ√(1 − ζ²). За 0 < ζ < 1 перехідна характеристика має перерегулювання: відсоток перерегулювання %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), час піку tp = π/ωd, а 2-відсотковий час встановлення ts ≈ 4/(ζωₙ). Порівняйте знаменник із s² + 2ζωₙs + ωₙ², щоб знайти ωₙ і ζ. Для системи маса–пружина–демпфер ωₙ = √(k/m) і ζ = c/(2√(km)); для послідовного RLC-кола ωₙ = 1/√(LC) і ζ = (R/2)·√(C/L).

Власна частота й коефіцієнт демпфування

ωₙ = √(k/m) = √(500/5) = 10 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 40/(2·√(500·5)) = 0,4

Результат

xst = F/k = 100/500 m = 200 mm
%OS = 25,38 %
xmax = 200·(1 + 0,2538) = 250,8 mm

Відповідь

xmax = 250,8 mm
7.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годограф

Відповідь: ω = 3,162 rad/s

Критерій Рауса–Гурвіца: лінійна система стійка, коли всі корені її характеристичного полінома лежать у лівій півплощині s-площини. Запишіть коефіцієнти по черзі в перші два рядки таблиці Рауса. Кожен елемент нового рядка отримують із двох рядків над ним; для кубічного a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀ елемент рядка s¹ дорівнює b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂. Кількість змін знака в першому стовпці дорівнює кількості коренів у правій півплощині. Якщо коефіцієнти містять коефіцієнт підсилення K, усі елементи першого стовпця мають залишатися додатними: значення K, за якого елемент рядка s¹ обертається на нуль, — це межа стійкості, а рядок s² тоді дає частоту незатухних коливань.

Таблиця Рауса

s³ + 7s² + 10s + K = 0
s³: 1, 10
s²: 7, K
s¹: (7·10 − K)/7
s⁰: K

Критичний коефіцієнт підсилення

K = 7·10 = 70

Допоміжне рівняння

При критичному коефіцієнті підсилення рядок s¹ нульовий; рядок s² дає полюси на уявній осі.

7s² + 70 = 0 → s = ±j√10
ω = 3,162 rad/s

Відповідь

ω = 3,162 rad/s
8.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годограф

Відповідь: si = −23,9

Кореневий годограф: зі зростанням коефіцієнта підсилення K від 0 до ∞ полюси замкненої системи, тобто корені рівняння 1 + K·G(s) = 0, рухаються від полюсів розімкненої системи до її нулів або до нескінченності. Точка дійсної осі належить годографу, коли кількість дійсних полюсів і нулів праворуч від неї непарна. n − m віток, що йдуть у нескінченність, прямують уздовж асимптот під кутами (2q + 1)·180°/(n − m), які виходять із центра σₐ = (Σ полюсів − Σ нулів)/(n − m). Гілки відходять від дійсної осі або сходяться на ній там, де dK/ds = 0. Умова кута ∠G(s) = 180° визначає форму годографа, а умова модуля K = 1/|G(s)| дає значення K у будь-якій точці годографа.

Коефіцієнт підсилення вздовж дійсної осі

K(s) = −(s² + 7s)/(s + 14)

Стаціонарні точки

Продиференціюйте за правилом частки й прирівняйте чисельник до нуля.

(2s + 7)(s + 14) − (s² + 7s) = s² + 28s + 98 = 0
s = −14 ± √98 = −4,101, −23,9

Точка входу

si = −23,9

Відповідь

si = −23,9

Між двома точками розгалуження годограф — коло з центром у нулі й радіусом √98 = 9,899.

9.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: ess = 0,16

Усталена похибка: у контурі з одиничним зворотним зв’язком і передавальною функцією розімкненої системи G(s) похибка дорівнює E(s) = R(s)/(1 + G(s)), а за теоремою про кінцеве значення ess = lims→0 s·E(s). Тип системи — це кількість полюсів G(s) у точці s = 0. Константи похибок: Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) і Ka = lim s²·G(s), усі при s → 0. Східчастий сигнал величини A дає ess = A/(1 + Kp), лінійно наростальний A·t дає A/Kv, а параболічний A·t²/2 дає A/Ka. Контур типу 0 відпрацьовує східчастий сигнал зі скінченною похибкою, контур типу 1 відпрацьовує його точно, а лінійно наростальний — зі скінченною похибкою.

Швидкісна константа

Kv = lim s·G(s) = 25

Похибка за лінійно наростального сигналу

ess = 4/25 = 0,16

Відповідь

ess = 0,16
10.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: %OS = 5,833 %

П-, ПІ- і ПІД-регулювання: регулятор C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s діє на похибку. Пропорційний коефіцієнт підсилення робить контур швидшим і зменшує похибку об’єкта типу 0, але ніколи не усуває її. Інтегральна складова додає полюс у точці s = 0: тип системи зростає на одиницю, і східчастий сигнал відпрацьовується без похибки. Диференціальна складова додає демпфування. Щоб підібрати коефіцієнти, запишіть характеристичний поліном замкненої системи й порівняйте його з s² + 2ζωns + ωn². Тоді %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd при ωd = ωn√(1 − ζ²), а ts ≈ 4/(ζωn).

Характеристичний поліном

s(s + 6) + 2·10 = s² + 6s + 20

ωₙ і ζ

ωₙ = √20 = 4,472 rad/s
ζ = 6/(2·4,472) = 0,6708

Перерегулювання

%OS = 100·e−0,6708π/√(1 − 0,6708²) = 5,833 %

Відповідь

%OS = 5,833 %
11.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: ∠G(jω) = −98,5 °

Частотна характеристика: підставте s = jω у передавальну функцію. Модуль у децибелах дорівнює 20·log₁₀|H(jω)|, а фаза — сумі кутів множників чисельника мінус кути множників знаменника. Фільтр першого порядку RC або RL має частоту зрізу (−3 dB) ωc = 1/(RC) або R/L, а fc = ωc/(2π); фільтр нижніх частот дає |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) і φ = −atan(ω/ωc). На асимптотичній (ламаній) діаграмі Боде кожен полюс згинає модуль вниз на 20 dB/decade на своїй частоті зламу, кожен нуль згинає його вгору на 20 dB/decade, а інтегратор 1/s дає −20 dB/decade на всіх частотах. Частота зрізу за коефіцієнтом підсилення ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); запас за фазою PM = 180° + ∠L(jωc). Частота перетину за фазою ω180: ∠L(jω) = −180°; запас за підсиленням GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Замкнена система стійка, коли обидва запаси додатні.

Додайте кути

∠G = atan(30/13) − 90° − atan(30/8) = 66,57° − 90° − 75,07°

Результат

∠G(j30) = −98,5°

Відповідь

∠G(jω) = −98,5°
12.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: GM = 3,967 dB

Частотна характеристика: підставте s = jω у передавальну функцію. Модуль у децибелах дорівнює 20·log₁₀|H(jω)|, а фаза — сумі кутів множників чисельника мінус кути множників знаменника. Фільтр першого порядку RC або RL має частоту зрізу (−3 dB) ωc = 1/(RC) або R/L, а fc = ωc/(2π); фільтр нижніх частот дає |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) і φ = −atan(ω/ωc). На асимптотичній (ламаній) діаграмі Боде кожен полюс згинає модуль вниз на 20 dB/decade на своїй частоті зламу, кожен нуль згинає його вгору на 20 dB/decade, а інтегратор 1/s дає −20 dB/decade на всіх частотах. Частота зрізу за коефіцієнтом підсилення ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); запас за фазою PM = 180° + ∠L(jωc). Частота перетину за фазою ω180: ∠L(jω) = −180°; запас за підсиленням GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Замкнена система стійка, коли обидва запаси додатні.

Перетин за фазою

(ω/5)·(ω/7) = 1 → ω180 = √(5·7) = 5,916 rad/s

Модуль на перетині за фазою

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 25)·√(ω² + 49)) = K/(5·7·(5 + 7)) = K/420

Запас за підсиленням

GM = 20·log₁₀(420/266) = 3,967 dB

Відповідь

GM = 3,967 dB

ExamProblems · examproblems.com/courses/control-engineering-1