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

Знайдіть f(t) для F(s) = (3s + 30)/(s² + 4s + 5), виділивши повний квадрат, і обчисліть f(0,5).

F(s) = (3s + 30)/(s² + 4s + 5)t = 0,5 s
f(0.5) =
2.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,3y(0,3) = ?

Система підпорядковується рівнянню y″ + 7y′ + 6y = 24·u(t) при y(0) = 2 і y′(0) = 0. У момент t = 0 подають вхідну сходинку u(t) = 5. За допомогою перетворення Лапласа знайдіть y(0,3).

y″ + 7y′ + 6y = 24·u(t)y(0) = 2y′(0) = 0u(t) = 5t = 0,3 s
y(0.3) =
3.Блок-схемиСередня
R(s)+4s + 6G(s)C(s)0,25H−

Об’єкт G(s) = 4/(s + 6) 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) = 4/(s + 6)H = 0,25R = 10
css =
4.Блок-схемиСкладна
R(s)+10s + 3G₁+2s + 4G₂C(s)2H₁−0,2H₂−

Згорніть блок-схему з G₁ = 10/(s + 3), G₂ = 2/(s + 4), внутрішнім від’ємним зворотним зв’язком H₁ = 2 навколо G₂ та зовнішнім від’ємним зворотним зв’язком H₂ = 0,2. Знайдіть статичний коефіцієнт підсилення T(0) для C(s)/R(s).

G₁ = 10/(s + 3)G₂ = 2/(s + 4)H₁ = 2H₂ = 0,2
T(0) =
5.Перехідна характеристикаСередня
t (s)y(t)0,5

Система має передатну функцію G(s) = 11,5/(s² + 6s + 23) і отримує на вході одиничну сходинку. Полюси: s = σ ± jωd. Знайдіть дійсну частину σ.

G(s) = 11,5/(s² + 6s + 23)
σ =
6.Перехідна характеристикаСкладна
+−5 VR = 57 ΩL = 50 mHC = 10 µFvC​

Послідовне RLC-коло з R = 57 Ω, L = 50 mH і C = 10 µF підключають до сходинки 5 V у момент t = 0. Конденсатор незаряджений, і до сходинки струм не тече. Знайдіть пікову напругу на конденсаторі vC,max.

R = 57 ΩL = 50 mHC = 10 µFV = 5 V
vC,max = V
7.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годографСередня
R(s)+K1(s + 3)(s + 4)(s + 6)C(s)−

Контур з одиничним зворотним зв’язком має L(s) = K/((s + 3)(s + 4)(s + 6)), K > 0. Знайдіть найбільше значення Kmax, за якого замкнена система стійка.

L(s) = K/((s + 3)(s + 4)(s + 6))
Kmax =
8.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годографСкладна
ReImζ = 0,6−2−4−6−8−10j2j4j6

Показано кореневий годограф L(s) = K/(s(s + 8)). Знайдіть коефіцієнт підсилення K, за якого полюси замкненої системи мають коефіцієнт демпфування ζ = 0,6.

L(s) = K/(s(s + 8))ζ = 0,6
K =
9.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСередня
r(t) = 10 + 1t+5(s + 1)s(s + 1)(s + 2)C(s)−

Вхід r(t) = 10 + 1t (східчастий сигнал плюс лінійно наростальний) подано на контур з одиничним зворотним зв’язком і G(s) = 5(s + 1)/(s(s + 1)(s + 2)). Знайдіть усталену похибку ess.

G(s) = 5(s + 1)/(s(s + 1)(s + 2))r(t) = 10 + 1t
ess =
10.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСкладна
r(t) = 2t+1 + 5/s2(s + 4)(s + 10)C(s)−

ПІ-регулятор C(s) = 1 + 5/s керує об’єктом G(s) = 2/((s + 4)(s + 10)) у контурі з одиничним зворотним зв’язком. Знайдіть усталену похибку ess для лінійно наростального входу r(t) = 2t.

C(s) = 1 + 5/sG(s) = 2/((s + 4)(s + 10))r(t) = 2t
ess =
11.Діаграми Боде та запасиСередня
vin​R = 1 kΩC = 100 nFvout​

RC-фільтр нижніх частот на рисунку має R = 1 kΩ, C = 100 nF. На вхід подають синусоїдний сигнал 400 Hz. Знайдіть фазовий зсув φ сигналу vout відносно vin, у градусах.

R = 1 kΩC = 100 nFf = 400 Hz
φ = °
12.Діаграми Боде та запасиСкладна
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Контур із одиничним зворотним зв’язком має передавальну функцію розімкненого кола L(s) = 1,5/(s(s + 1)). Знайдіть запас за фазою PM у градусах.

L(s) = 1,5/(s(s + 1))
PM = °

3Розчини

1.Перетворення Лапласа

Відповідь: f(0.5) = 5,201

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 + 5 = (s + 2)² + 1 = (s + 2)² + 1²

Зіставлення чисельника

F(s) = 3·(s + 2)/((s + 2)² + 1²) + (24/1)·1/((s + 2)² + 1²)

Обернене перетворення

f(t) = e−2t·(3·cos 1t + 24·sin 1t)
f(0,5) = e−2·0,5·(3·cos(1·0,5) + 24·sin(1·0,5)) = 5,201

Відповідь

f(0,5) = 5,201
2.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.3) = 4,593

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 + 7s + 6)·Y(s) = 2s + 14 + 120/s
Y(s) = (2s² + 14s + 120)/(s(s + 1)(s + 6))

Простіші дроби

A = 120/(1·6) = 20
B = 108/((−1)·5) = −21,6
C = 108/((−6)·(−5)) = 3,6

Результат

y(t) = 20 − 21,6·e−t + 3,6·e−6t
y(0,3) = 4,593

Відповідь

y(0,3) = 4,593

Перевірка: y(0) = A + B + C = 2.

3.Блок-схеми

Відповідь: css = 5,714

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) = 4/(s + 6 + 1) = 4/(s + 7)

Результат

css = R·T(0) = 10·4/7 = 5,714

Відповідь

css = 5,714
4.Блок-схеми

Відповідь: T(0) = 0,7143

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) = 2/(s + 8)

Зовнішній контур

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 20/((s + 3)(s + 8) + 4)

Статичний коефіцієнт підсилення

T(0) = 20/(3·8 + 4) = 20/28 = 0,7143

Відповідь

T(0) = 0,7143
5.Перехідна характеристика

Відповідь: σ = −3

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 = 23 → ωₙ = 4,796 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·4,796) = 0,6255

Результат

σ = −ζωₙ = −6/2 = −3

Відповідь

σ = −3
6.Перехідна характеристика

Відповідь: vC,max = 6,253 V

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/√(0,05·1 × 10⁻⁵) = 1414 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (57/2)·√(1 × 10⁻⁵/0,05) = 0,4031

Результат

%OS = 25,07 %
vC,max = 5·(1 + 0,2507) = 6,253 V

Відповідь

vC,max = 6,253 V
7.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годограф

Відповідь: Kmax = 630

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

s³ + 13s² + 54s + 72 + K = 0

Таблиця Рауса

s³: 1, 54
s²: 13, 72 + K
s¹: (13·54 − 72 − K)/13
s⁰: 72 + K

Умова

Елемент рядка s¹ має залишатися додатним.

K < 13·54 − 72 = 630

Відповідь

Kmax = 630

На межі контур коливається з частотою ω = √54 = 7,348 rad/s.

8.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годограф

Відповідь: K = 44,44

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 + 8s + K = s² + 2ζωₙs + ωₙ²
2·0,6·ωₙ = 8 → ωₙ = 6,667 rad/s

Коефіцієнт підсилення

K = ωₙ² = 6,667² = 44,44

Відповідь

K = 44,44

Полюси замкненої системи лежать там, де лінія ζ перетинає вертикальну гілку s = −4.

9.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: ess = 0,4

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) = 2,5

Східчаста частина

Kp = ∞ → estep = 0

Похибка за лінійно наростального сигналу

ess = 1/2,5 = 0,4

Відповідь

ess = 0,4
10.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: ess = 8

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) = 1s + 5 → 5 при s → 0.

Kv = 5·2/40 = 0,25

Похибка за лінійно наростального сигналу

ess = 2/0,25 = 8

Відповідь

ess = 8

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

11.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: φ = −14,11 °

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 = 1/(RC) = 1/(1000·1 × 10⁻⁷) = 10000 rad/s
fc = 1592 Hz → f/fc = 400/1592 = 0,2513

Фаза

φ = − atan(0,2513) = −14,11°

Відповідь

φ = −14,11°
12.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: PM = 43,88 °

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.

Зріз за підсиленням

ω⁴ + 1ω² − 2,25 = 0
ω² = (−1 + √(1 + 4·2,25))/2 = 1,081
ωc = 1,04 rad/s

Запас за фазою

∠L(jωc) = −90° − atan(1,04/1) = −136,1°
PM = 180° + ∠L = 43,88°

Відповідь

PM = 43,88°

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