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
t (s)f(t)t = 0,5f(0,5) = ?

Знайдіть f(t) для F(s) = (4s + 31)/(s² + 4s + 4) і обчисліть f(0,5).

F(s) = (4s + 31)/(s² + 4s + 4)t = 0,5 s
f(0.5) =
2.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Розв’яжіть y″ + 9y′ + 18y = 0 при y(0) = −4 і y′(0) = −3 за допомогою перетворення Лапласа й знайдіть y(0,2).

y″ + 9y′ + 18y = 0y(0) = −4y′(0) = −3t = 0,2 s
y(0.2) =
3.Блок-схемиСередня
R(s)+Ks(s + 7)G(s)C(s)−

Об’єкт G(s) = K/(s(s + 7)) охоплено одиничним від’ємним зворотним зв’язком. Знайдіть коефіцієнт підсилення K, за якого замкнена система критично загасаюча (два рівні дійсні полюси).

G(s) = K/(s(s + 7))одиничний від’ємний зворотний зв’язок
K =
4.Блок-схемиСкладна
R(s)+12регулятор+D(s)+3s + 7об’єктC(s)−

Пропорційний регулятор K = 12 керує об’єктом G(s) = 3/(s + 7) 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 10. Знайдіть усталений вихід css.

K = 12G(s) = 3/(s + 7)D = 10R = 0
css =
5.Перехідна характеристикаСередня
t (s)y(t)0,5

Система має передатну функцію G(s) = 25,5/(s² + 10s + 51) і отримує на вході одиничну сходинку. Знайдіть власну частоту ωn в rad/s.

G(s) = 25,5/(s² + 10s + 51)
ωn = rad/s
6.Перехідна характеристикаСкладна
R(s)+115s(s + 12)G(s)C(s)−

Одиничний від’ємний зворотний зв’язок має G(s) = 115/(s(s + 12)). Знайдіть 2-відсотковий час встановлення ts перехідної характеристики замкненої системи за формулою ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 115/(s(s + 12))
ts = s
7.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годографСередня
R(s)+K = 881s(s + 3)(s + 8)C(s)−

Контур на схемі працює при K = 88, L(s) = K/(s(s + 3)(s + 8)). У скільки разів m можна збільшити коефіцієнт підсилення, перш ніж замкнена система стане нестійкою?

L(s) = K/(s(s + 3)(s + 8))K = 88
m =
8.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годографСкладна
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−9−101j1j2sb​

Показано кореневий годограф L(s) = K/((s + 6)(s + 8)). Знайдіть коефіцієнт підсилення K у точці відходу sb, де два полюси замкненої системи зустрічаються на дійсній осі.

L(s) = K/((s + 6)(s + 8))
K =
9.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСередня
R(s)+K(s + 1)(s + 5)C(s)−

Контур з одиничним зворотним зв’язком має G(s) = K/((s + 1)(s + 5)). Знайдіть коефіцієнт підсилення K, за якого усталена похибка для східчастого входу становить 20 %.

G(s) = K/((s + 1)(s + 5))ess = 20 %
K =
10.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСкладна
R(s)+10 + Kd​s5s(s + 1)C(s)−

ПД-регулятор C(s) = 10 + 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 = 0,707.

G(s) = 5/(s(s + 1))Kp = 10ζ = 0,707
Kd = s
11.Діаграми Боде та запасиСередня
vin​C = 4,7 nFR = 3,3 kΩvout​

RC-фільтр верхніх частот на рисунку має R = 3,3 kΩ, C = 4,7 nF. На вхід подають синусоїдний сигнал 41 kHz. Знайдіть фазовий зсув φ сигналу vout відносно vin, у градусах.

R = 3,3 kΩC = 4,7 nFf = 41 kHz
φ = °
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 + 6)(s + 9)). Знайдіть підсилення K, що дає запас за підсиленням 20 dB.

L(s) = K/(s(s + 6)(s + 9))GM = 20 dB
K =

3Розчини

1.Перетворення Лапласа

Відповідь: f(0.5) = 5,702

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 + 4s + 4 = (s + 2)²

Простіші дроби

4s + 31 = 4(s + 2) + 23
F(s) = 4/(s + 2) + 23/(s + 2)²

Обернене перетворення

f(t) = 4·e−2t + 23·t·e−2t
f(0,5) = (4 + 23·0,5)·e−2·0,5 = 5,702

Відповідь

f(0,5) = 5,702
2.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.2) = −3,433

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 − (−4)s − (−3) + 9(sY − (−4)) + 18Y = 0
Y(s) = (−4s − 39)/((s + 3)(s + 6))

Простіші дроби

A = −27/3 = −9
B = −15/(−3) = 5

Результат

y(t) = −9·e−3t + 5·e−6t
y(0,2) = −3,433

Відповідь

y(0,2) = −3,433

Перевірка: y(0) = A + B = −4.

3.Блок-схеми

Відповідь: K = 12,25

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

1 + K/(s(s + 7)) = 0 → s² + 7s + K = 0

Кратний корінь

Квадратний тричлен s² + βs + γ має подвійний корінь, коли β² = 4γ.

7² = 4K → K = 49/4 = 12,25

Відповідь

K = 12,25
Обидва полюси замкненої системи тоді лежать у s = −3,5.
4.Блок-схеми

Відповідь: css = 0,6977

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) = 3/(s + 7 + 36)

Усталений режим

css = 10·3/43 = 0,6977

Відповідь

css = 0,6977

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

5.Перехідна характеристика

Відповідь: ωn = 7,141 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 = 51 → ωₙ = 7,141 rad/s
2ζωₙ = 10 → ζ = 10/(2·7,141) = 0,7001

Результат

ωₙ = 7,141 rad/s

Відповідь

ωn = 7,141 rad/s
6.Перехідна характеристика

Відповідь: ts = 0,6667 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).

Передатна функція замкненої системи

T(s) = 115/(s² + 12s + 115): ωₙ = 10,72 rad/s, ζ = 0,5595

Час встановлення

ζωₙ = 12/2 = 6
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 0,6667 s

Відповідь

ts = 0,6667 s

Для цього контуру ζωₙ = a/2 за будь-якого K: збільшення K додає перерегулювання, але не скорочує час встановлення.

7.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годограф

Відповідь: m = 3

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 + 11s² + 24s + K = 0
s³: 1, 24
s²: 11, K
s¹: (11·24 − K)/11
s⁰: K

Найбільший стійкий коефіцієнт підсилення

Kmax = 11·24 = 264

Кратність

m = 264/88 = 3

Відповідь

m = 3

Ця кратність — запас за коефіцієнтом підсилення як відношення: 9,542 dB.

8.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годограф

Відповідь: K = 1

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.

Точка відходу

dK/ds = 0 для K = −(s + 6)(s + 8) дає 2s + 14 = 0.

sb = −7

Умова модуля

K = |−7 + 6|·|−7 + 8| = 1·1 = 1

Відповідь

K = 1

За такого коефіцієнта підсилення замкнена система критично демпфована (ζ = 1).

9.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: K = 20

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 константа похибки

1/(1 + Kp) = 0,2 → Kp = 4

Коефіцієнт підсилення

K/5 = 4 → K = 20

Відповідь

K = 20

Перевірте також стійкість замкненої системи: для цього контуру другого порядку будь-яке K > 0 стійке.

10.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: Kd = 1,8 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(10 + Kds) = s² + (1 + 5Kd)s + 50

Власна частота

ωₙ = √50 = 7,071 rad/s

Диференціальний коефіцієнт підсилення

1 + 5Kd = 2·0,707·7,071 = 9,998
Kd = 1,8 s

Відповідь

Kd = 1,8 s

Диференціальна складова додає демпфування, не змінюючи ωₙ.

11.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: φ = 14,05 °

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/(3300·4,7 × 10⁻⁹) = 64475 rad/s
fc = 10261 Hz → f/fc = 41000/10261 = 3,996

Фаза

φ = 90° − atan(3,996) = 14,05°

Відповідь

φ = 14,05°
12.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: K = 81

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/6)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(6·9) = 7,348 rad/s

Модуль на перетині за фазою

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 36)·√(ω² + 81)) = K/(6·9·(6 + 9)) = K/810

Потрібне підсилення

810/K = 1020/20 = 10
K = 810/10 = 81

Відповідь

K = 81

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