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−2−4−6−8−10

F(s) = (4s + 39)/(s² + 7s + 10). Її оригінал має вигляд f(t) = A·e−2t + B·e−5t. Знайдіть коефіцієнт A розкладом на простіші дроби.

F(s) = (4s + 39)/(s² + 7s + 10)
A =
2.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Система підпорядковується рівнянню y″ + 10y′ + 24y = 72·u(t) при y(0) = 3 і y′(0) = 0. У момент t = 0 подають вхідну сходинку u(t) = 5. За допомогою перетворення Лапласа знайдіть y(0,2).

y″ + 10y′ + 24y = 72·u(t)y(0) = 3y′(0) = 0u(t) = 5t = 0,2 s
y(0.2) =
3.Блок-схемиСередня
R(s)+6K+3s + 2G(s)C(s)5H₁−−

Об’єкт G(s) = 3/(s + 2) має внутрішній (малий) контур від’ємного зворотного зв’язку з коефіцієнтом H₁ = 5. Коефіцієнт регулятора K = 6 і зовнішній одиничний від’ємний зворотний зв’язок замикають систему. Знайдіть полюс замкненої системи p.

G(s) = 3/(s + 2)H₁ = 5K = 6
p =
4.Блок-схемиСкладна
R(s)+9регулятор+D(s)+1s + 10об’єктC(s)−

Пропорційний регулятор K = 9 керує об’єктом G(s) = 1/(s + 10) в одиничному від’ємному зворотному зв’язку. Збурення D діє на вході об’єкта (додається до виходу регулятора). За R = 0 подають сходинку збурення розміром 1. Знайдіть усталений вихід css.

K = 9G(s) = 1/(s + 10)D = 1R = 0
css =
5.Перехідна характеристикаСередня
t (s)y(t)2tp​ = ?

Система має передатну функцію G(s) = 194/(s² + 7s + 97) і отримує на вході одиничну сходинку. Знайдіть час піку tp перехідної характеристики.

G(s) = 194/(s² + 7s + 97)
tp = s
6.Перехідна характеристикаСкладна
R(s)+Ks(s + 6)G(s)C(s)−

Одиничний від’ємний зворотний зв’язок має G(s) = K/(s(s + 6)). Знайдіть коефіцієнт підсилення K, за якого перехідна характеристика має перерегулювання 30 %.

G(s) = K/(s(s + 6))%OS = 30 %
K =
7.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годографСередня
R(s)+K1s(s + 3)(s + 4)C(s)−

Контур на схемі має передавальну функцію розімкненої системи L(s) = K/(s(s + 3)(s + 4)). Знайдіть найбільше значення Kmax, за якого замкнена система стійка.

L(s) = K/(s(s + 3)(s + 4))
Kmax =
8.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годографСкладна
ReImζ = 0,707−1−2−3−4−5j1j2

Показано кореневий годограф L(s) = K/(s(s + 4)). Знайдіть коефіцієнт підсилення K, за якого полюси замкненої системи мають коефіцієнт демпфування ζ = 0,707.

L(s) = K/(s(s + 4))ζ = 0,707
K =
9.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСередня
r(t) = 3t+50(s + 3)s(s + 2)C(s)−

Лінійно наростальний сигнал r(t) = 3t подано на контур з одиничним зворотним зв’язком і G(s) = 50(s + 3)/(s(s + 2)). Знайдіть усталену похибку ess.

G(s) = 50(s + 3)/(s(s + 2))r(t) = 3t
ess =
10.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСкладна
R(s)+5 + Kd​s5s(s + 1)C(s)−

ПД-регулятор C(s) = 5 + Kd·s керує об’єктом G(s) = 5/(s(s + 1)) у контурі з одиничним зворотним зв’язком. Знайдіть диференціальний коефіцієнт Kd, за якого замкнена система має коефіцієнт демпфування ζ = 0,6.

G(s) = 5/(s(s + 1))Kp = 5ζ = 0,6
Kd = s
11.Діаграми Боде та запасиСередня
vin​L = 2 mHC = 0,47 µFR = 10 Ωvout​

У показаному послідовному смуговому RLC-фільтрі вихід знімають з R = 10 Ω, при L = 2 mH і C = 0,47 µF. Знайдіть добротність Q.

R = 10 ΩL = 2 mHC = 0,47 µF
Q =
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) = K/(s(s + 3)(s + 9)). Знайдіть підсилення K, що дає запас за підсиленням 20 dB.

L(s) = K/(s(s + 3)(s + 9))GM = 20 dB
K =

3Розчини

1.Перетворення Лапласа

Відповідь: A = 10,33

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).

Розкладіть знаменник на множники

s² + 7s + 10 = (s + 2)(s + 5)
F(s) = A/(s + 2) + B/(s + 5)

Правило закривання

Помножте на (s + 2) і покладіть s = −2: доданок із B зникає.

A = (4s + 39)/(s + 5) |s = −2 = 31/3 = 10,33

Відповідь

A = 10,33
(B = −6,333, тож f(t) = 10,33·e−2t − 6,333·e−5t)
2.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.2) = 6,053

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).

Перетворіть рівняння

(s² + 10s + 24)·Y(s) = 3s + 30 + 360/s
Y(s) = (3s² + 30s + 360)/(s(s + 4)(s + 6))

Простіші дроби

A = 360/(4·6) = 15
B = 288/((−4)·2) = −36
C = 288/((−6)·(−2)) = 24

Результат

y(t) = 15 − 36·e−4t + 24·e−6t
y(0,2) = 6,053

Відповідь

y(0,2) = 6,053

Перевірка: y(0) = A + B + C = 3.

3.Блок-схеми

Відповідь: p = −35

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 = G/(1 + G·H₁) = 3/(s + 2 + 3·5) = 3/(s + 17)

Зовнішній контур

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 18/(s + 17 + 18) = 18/(s + 35)

Результат

p = −35

Відповідь

p = −35
4.Блок-схеми

Відповідь: css = 0,05263

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).

Передатні функції

C/D = G/(1 + K·G) = 1/(s + 10 + 9)

Усталений режим

css = 1·1/19 = 0,05263

Відповідь

css = 0,05263

Більше K зменшує вплив збурення, але з пропорційним регулятором ніколи не до нуля.

5.Перехідна характеристика

Відповідь: tp = 0,3413 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 = 97 → ωₙ = 9,849 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·9,849) = 0,3554

Результат

ωd = 9,849·√(1 − 0,3554²) = 9,206 rad/s → tp = π/ωd = 0,3413 s

Відповідь

tp = 0,3413 s
6.Перехідна характеристика

Відповідь: K = 70,28

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).

Передатна функція замкненої системи

T(s) = K/(s² + 6s + K)

Коефіцієнт демпфування за перерегулюванням

ζ = −ln(0,3)/√(π² + ln²(0,3)) = 0,3579

Коефіцієнт підсилення

ωₙ = 6/(2ζ) = 8,383 rad/s
K = ωₙ² = 70,28

Відповідь

K = 70,28
7.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годограф

Відповідь: Kmax = 84

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.

Характеристичне рівняння

s³ + 7s² + 12s + K = 0

Таблиця Рауса

s³: 1, 12
s²: 7, K
s¹: (7·12 − K)/7
s⁰: K

Умови

Кожен елемент першого стовпця має бути додатним.

K > 0
7·12 − K > 0 → K < 84

Відповідь

Kmax = 84

При K = 84 замкнена система коливається з частотою ω = √12 = 3,464 rad/s.

8.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годограф

Відповідь: K = 8,002

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.

Порівняйте зі стандартною формою

s² + 4s + K = s² + 2ζωₙs + ωₙ²
2·0,707·ωₙ = 4 → ωₙ = 2,829 rad/s

Коефіцієнт підсилення

K = ωₙ² = 2,829² = 8,002

Відповідь

K = 8,002

Полюси замкненої системи лежать там, де лінія ζ перетинає вертикальну гілку s = −2.

9.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: ess = 0,04

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) = 75

Похибка за лінійно наростального сигналу

ess = 3/75 = 0,04

Відповідь

ess = 0,04
10.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: Kd = 1 s

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 + 1) + 5(5 + Kds) = s² + (1 + 5Kd)s + 25

Власна частота

ωₙ = √25 = 5 rad/s

Диференціальний коефіцієнт підсилення

1 + 5Kd = 2·0,6·5 = 6
Kd = 1 s

Відповідь

Kd = 1 s

Диференціальна складова додає демпфування, не змінюючи ωₙ.

11.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: Q = 6,523

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.

Резонансна частота

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,002·4,7 × 10⁻⁷) = 32616 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 5191 Hz

Добротність

BW = R/L = 10/0,002 = 5000 rad/s = 795,8 Hz
Q = ω₀/BW = 32616/5000 = 6,523

Відповідь

Q = 6,523
12.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: K = 32,4

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/3)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(3·9) = 5,196 rad/s

Модуль на перетині за фазою

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 9)·√(ω² + 81)) = K/(3·9·(3 + 9)) = K/324

Потрібне підсилення

324/K = 1020/20 = 10
K = 324/10 = 32,4

Відповідь

K = 32,4

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