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−5−10−15−20−25

Знайдіть f(t) для F(s) = (s + 22)/(s² + 2s + 5), виділивши повний квадрат, і обчисліть f(0,5).

F(s) = (s + 22)/(s² + 2s + 5)t = 0,5 s
f(0.5) =
2.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,5y(0,5) = ?

Розв’яжіть y″ + 6y′ + 5y = 0 при y(0) = 5 і y′(0) = 2 за допомогою перетворення Лапласа й знайдіть y(0,5).

y″ + 6y′ + 5y = 0y(0) = 5y′(0) = 2t = 0,5 s
y(0.5) =
3.Блок-схемиСередня
R(s)+32s + 9G(s)C(s)0,25H−

Об’єкт G(s) = 32/(s + 9) керується в контурі від’ємного зворотного зв’язку, датчик якого має коефіцієнт підсилення H = 0,25. На R подано сходинку розміром 10. Знайдіть усталений вихід css.

G(s) = 32/(s + 9)H = 0,25R = 10
css =
4.Блок-схемиСкладна
R(s)+Ks(s + 2)(s + 6)G(s)C(s)−

Об’єкт G(s) = K/(s(s + 2)(s + 6)) охоплено одиничним від’ємним зворотним зв’язком. За критерієм Рауса–Гурвіца знайдіть найбільший коефіцієнт підсилення Kmax, за якого замкнена система стійка.

G(s) = K/(s(s + 2)(s + 6))одиничний від’ємний зворотний зв’язок
Kmax =
5.Перехідна характеристикаСередня
t (s)y(t)2ts​ = ?

Система має передатну функцію G(s) = 172/(s² + 4s + 86) і отримує на вході одиничну сходинку. Знайдіть 2-відсотковий час встановлення ts перехідної характеристики за формулою ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 172/(s² + 4s + 86)
ts = s
6.Перехідна характеристикаСкладна
+−24 VR = 41 ΩL = 200 mHC = 4,7 µFvC​

Послідовне RLC-коло з R = 41 Ω, L = 200 mH і C = 4,7 µF підключають до сходинки 24 V у момент t = 0. Конденсатор незаряджений, і до сходинки струм не тече. Знайдіть відсоток перерегулювання %OS напруги на конденсаторі.

R = 41 ΩL = 200 mHC = 4,7 µFV = 24 V
%OS = %
7.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годографСередня
R(s)+Ks + 10(s − 4)(s + 2)C(s)−

Об’єкт G(s) = (s + 10)/((s − 4)(s + 2)) має нестійкий полюс у точці s = 4. Пропорційний коефіцієнт підсилення K замикає навколо нього контур з одиничним зворотним зв’язком. Знайдіть найменше значення Kmin, за якого замкнена система стійка.

G(s) = (s + 10)/((s − 4)(s + 2))
Kmin =
8.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годографСкладна
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−81j1j2

Для L(s) = K/((s + 7)(s² + 4s + 8)) знайдіть кут відходу θd кореневого годографа від комплексного полюса у верхній півплощині, відміряний від додатного напряму дійсної осі.

L(s) = K/((s + 7)(s² + 4s + 8))
θd = °
9.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСередня
r(t) = 1t+Ks(s + 10)C(s)−

Контур з одиничним зворотним зв’язком і G(s) = K/(s(s + 10)) має відпрацьовувати лінійно наростальний сигнал r(t) = 1t з усталеною похибкою 0,02. Знайдіть коефіцієнт підсилення K.

G(s) = K/(s(s + 10))r(t) = 1tess = 0,02
K =
10.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСкладна
r(t) = 5t+5 + 5/s5(s + 2)(s + 10)C(s)−

ПІ-регулятор C(s) = 5 + 5/s керує об’єктом G(s) = 5/((s + 2)(s + 10)) у контурі з одиничним зворотним зв’язком. Знайдіть усталену похибку ess для лінійно наростального входу r(t) = 5t.

C(s) = 5 + 5/sG(s) = 5/((s + 2)(s + 10))r(t) = 5t
ess =
11.Діаграми Боде та запасиСередня
vin​L = 4,7 mHR = 47 Ωvout​

RL-фільтр нижніх частот на рисунку має R = 47 Ω, L = 4,7 mH. На вхід подають синусоїдний сигнал 3,2 kHz. Знайдіть коефіцієнт підсилення |H| = |vout/vin| у dB.

R = 47 ΩL = 4,7 mHf = 3,2 kHz
|H| = dB
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) = 148/(s(s + 4)(s + 9)). Знайдіть частоту перетину за фазою ω180, де ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 148/(s(s + 4)(s + 9))
ω180 = rad/s

3Розчини

1.Перетворення Лапласа

Відповідь: f(0.5) = 5,687

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 + 2s + 5 = (s + 1)² + 4 = (s + 1)² + 2²

Зіставлення чисельника

F(s) = 1·(s + 1)/((s + 1)² + 2²) + (21/2)·2/((s + 1)² + 2²)

Обернене перетворення

f(t) = e−t·(cos 2t + 10,5·sin 2t)
f(0,5) = e−0,5·(cos(2·0,5) + 10,5·sin(2·0,5)) = 5,687

Відповідь

f(0,5) = 5,687
2.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.5) = 3,95

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

s²Y − 5s − 2 + 6(sY − 5) + 5Y = 0
Y(s) = (5s + 32)/((s + 1)(s + 5))

Простіші дроби

A = 27/4 = 6,75
B = 7/(−4) = −1,75

Результат

y(t) = 6,75·e−t − 1,75·e−5t
y(0,5) = 3,95

Відповідь

y(0,5) = 3,95

Перевірка: y(0) = A + B = 5.

3.Блок-схеми

Відповідь: css = 18,82

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).

Передатна функція замкненої системи

T(s) = G/(1 + G·H) = 32/(s + 9 + 8) = 32/(s + 17)

Результат

css = R·T(0) = 10·32/17 = 18,82

Відповідь

css = 18,82
4.Блок-схеми

Відповідь: Kmax = 96

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).

Характеристичне рівняння

s³ + 8s² + 12s + K = 0

Таблиця Рауса

s³ | 1 12
s² | 8 K
s¹ | (8·12 − K)/8
s⁰ | K

Межа стійкості

Усі елементи першого стовпця мають бути додатними.

Kmax = 8·12 = 96

Відповідь

Kmax = 96
5.Перехідна характеристика

Відповідь: ts = 2 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 = 86 → ωₙ = 9,274 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·9,274) = 0,2157

Результат

ζωₙ = 2 → ts ≈ 4/2 = 2 s

Відповідь

ts = 2 s
6.Перехідна характеристика

Відповідь: %OS = 73,07 %

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 = 1/√(LC) = 1/√(0,2·4,7 × 10⁻⁶) = 1031 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (41/2)·√(4,7 × 10⁻⁶/0,2) = 0,09938

Результат

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 73,07 %

Відповідь

%OS = 73,07 %
7.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годограф

Відповідь: Kmin = 2

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.

Характеристичний поліном

(s − 4)(s + 2) + K(s + 10) = s² + (-2 + K)s + (10K − 8)

Умови

Для s² + c₁s + c₀ усі корені лежать у лівій півплощині саме тоді, коли c₁ > 0 і c₀ > 0.

-2 + K > 0 → K > 2
10K − 8 > 0 → K > 0,8
Kmin = 2

Відповідь

Kmin = 2
8.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годограф

Відповідь: θd = 68,2 °

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.

Положення полюсів

s² + 4s + 8 = 0 → s = −2 ± j2
s = −7

Кути від інших полюсів

∠(−2 + j2 + 7) = atan2(2, 5) = 21,8°
∠(−2 + j2 − (−2 − j2)) = ∠(j4) = 90°

Кут відходу

θd = 180° − 21,8° − 90° = 68,2°

Відповідь

θd = 68,2°
9.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: K = 500

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.

Потрібна швидкісна константа

Kv = A/ess = 1/0,02 = 50

Коефіцієнт підсилення

K = 10·Kv = 500

Відповідь

K = 500

Великий коефіцієнт підсилення робить цей контур дуже слабко демпфованим: ζ = 0,2236. Саме через цю суперечність застосовують коригувальні ланки.

10.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: ess = 4

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).

Швидкісна константа

s·C(s) = 5s + 5 → 5 при s → 0.

Kv = 5·5/20 = 1,25

Похибка за лінійно наростального сигналу

ess = 5/1,25 = 4

Відповідь

ess = 4

ПІ-регулятор повністю усуває похибку за східчастого сигналу; лінійно наростальний сигнал відпрацьовується з незмінним відставанням.

11.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: |H| = −7,027 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.

Частота зрізу

ωc = R/L = 47/0,0047 = 10000 rad/s
fc = 1592 Hz → f/fc = 3200/1592 = 2,011

Коефіцієнт підсилення

|H| = 1/√(1 + 2,011²) = 0,4453
20·log₁₀(0,4453) = −7,027 dB

Відповідь

|H| = −7,027 dB
12.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: ω180 = 6 rad/s

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/4)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(4·9) = 6 rad/s

Відповідь

ω180 = 6 rad/s

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