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−2−4−6−8−102

Знайдіть f(t) для F(s) = (3s + 30)/(s² + 2s + 5), виділивши повний квадрат, і обчисліть f(0,5).

F(s) = (3s + 30)/(s² + 2s + 5)t = 0,5 s
f(0.5) =
2.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

Розв’яжіть y″ + 8y′ + 15y = 0 при y(0) = −10 і y′(0) = −9 за допомогою перетворення Лапласа й знайдіть y(0,1).

y″ + 8y′ + 15y = 0y(0) = −10y′(0) = −9t = 0,1 s
y(0.1) =
3.Блок-схемиСередня
R(s)+12(s + 3)(s + 6)(s + 7)G(s)C(s)−

Одиничний від’ємний зворотний зв’язок має G(s) = 12(s + 3)/((s + 6)(s + 7)). На задавальний сигнал подано сходинку розміром 2. Знайдіть усталену похибку ess.

G(s) = 12(s + 3)/((s + 6)(s + 7))R = 2
ess =
4.Блок-схемиСкладна
R(s)+5s + 1G₁+3s + 8G₂C(s)1H₁−1H₂−

Згорніть блок-схему з G₁ = 5/(s + 1), G₂ = 3/(s + 8), внутрішнім від’ємним зворотним зв’язком H₁ = 1 навколо G₂ та зовнішнім від’ємним зворотним зв’язком H₂ = 1. Знайдіть статичний коефіцієнт підсилення T(0) для C(s)/R(s).

G₁ = 5/(s + 1)G₂ = 3/(s + 8)H₁ = 1H₂ = 1
T(0) =
5.Перехідна характеристикаСередня
t (s)y(t)1ts​ = ?

Система має передатну функцію G(s) = 96/(s² + 6s + 96) і отримує на вході одиничну сходинку. Знайдіть 2-відсотковий час встановлення ts перехідної характеристики за формулою ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 96/(s² + 6s + 96)
ts = s
6.Перехідна характеристикаСкладна
R(s)+Ks(s + 5)G(s)C(s)−

Одиничний від’ємний зворотний зв’язок має G(s) = K/(s(s + 5)). Знайдіть коефіцієнт підсилення K, за якого перехідна характеристика має перерегулювання 15 %.

G(s) = K/(s(s + 5))%OS = 15 %
K =
7.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годографСередня
R(s)+K1(s + 2)(s + 3)(s + 5)C(s)−

Контур з одиничним зворотним зв’язком має L(s) = K/((s + 2)(s + 3)(s + 5)), K > 0. Знайдіть найбільше значення Kmax, за якого замкнена система стійка.

L(s) = K/((s + 2)(s + 3)(s + 5))
Kmax =
8.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годографСкладна
ReIm−5j5

Накреслено кореневий годограф L(s) = K/((s + 3)(s + 4)(s + 6)). Знайдіть частоту ω, за якої годограф перетинає уявну вісь.

L(s) = K/((s + 3)(s + 4)(s + 6))
ω = rad/s
9.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСередня
R(s)+K = 42,51s + 1C(s)−

Процес G(s) = 2,5/(1s + 1) регулюється пропорційним коефіцієнтом підсилення K = 4 у контурі з одиничним зворотним зв’язком. Знайдіть усталену похибку ess для східчастого сигналу у відсотках від величини східця.

G(s) = 2,5/(1s + 1)K = 4
ess = %
10.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСкладна
R(s)+K10s(s + 5)C(s)−

П-регулятор K керує об’єктом G(s) = 10/(s(s + 5)) у контурі з одиничним зворотним зв’язком. Знайдіть коефіцієнт підсилення K, за якого замкнена система має коефіцієнт демпфування ζ = 0,707.

G(s) = 10/(s(s + 5))ζ = 0,707
K =
11.Діаграми Боде та запасиСередня
vin​L = 2 mHC = 0,22 µFR = 5 Ωvout​

У показаному послідовному смуговому RLC-фільтрі вихід знімають з R = 5 Ω, при L = 2 mH і C = 0,22 µF. Знайдіть смугу пропускання за рівнем −3 dB BW у Hz.

R = 5 ΩL = 2 mHC = 0,22 µF
BW = Hz
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) = 84/(s(s + 3)(s + 7)). Знайдіть запас за підсиленням GM у dB.

L(s) = 84/(s(s + 3)(s + 7))
GM = dB

3Розчини

1.Перетворення Лапласа

Відповідь: f(0.5) = 7,873

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) = 3·(s + 1)/((s + 1)² + 2²) + (27/2)·2/((s + 1)² + 2²)

Обернене перетворення

f(t) = e−t·(3·cos 2t + 13,5·sin 2t)
f(0,5) = e−0,5·(3·cos(2·0,5) + 13,5·sin(2·0,5)) = 7,873

Відповідь

f(0,5) = 7,873
2.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.1) = −10,03

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 − (−10)s − (−9) + 8(sY − (−10)) + 15Y = 0
Y(s) = (−10s − 89)/((s + 3)(s + 5))

Простіші дроби

A = −59/2 = −29,5
B = −39/(−2) = 19,5

Результат

y(t) = −29,5·e−3t + 19,5·e−5t
y(0,1) = −10,03

Відповідь

y(0,1) = −10,03

Перевірка: y(0) = A + B = −10.

3.Блок-схеми

Відповідь: ess = 1,077

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) = 12·3/(6·7) = 0,8571

Усталена похибка

ess = A/(1 + Kₚ) = 2/(1 + 0,8571) = 1,077

Відповідь

ess = 1,077
4.Блок-схеми

Відповідь: T(0) = 0,5769

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) = 3/(s + 11)

Зовнішній контур

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 15/((s + 1)(s + 11) + 15)

Статичний коефіцієнт підсилення

T(0) = 15/(1·11 + 15) = 15/26 = 0,5769

Відповідь

T(0) = 0,5769
5.Перехідна характеристика

Відповідь: ts = 1,333 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 = 96 → ωₙ = 9,798 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·9,798) = 0,3062

Результат

ζωₙ = 3 → ts ≈ 4/3 = 1,333 s

Відповідь

ts = 1,333 s
6.Перехідна характеристика

Відповідь: K = 23,39

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 + 5s + K)

Коефіцієнт демпфування за перерегулюванням

ζ = −ln(0,15)/√(π² + ln²(0,15)) = 0,5169

Коефіцієнт підсилення

ωₙ = 5/(2ζ) = 4,836 rad/s
K = ωₙ² = 23,39

Відповідь

K = 23,39
7.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годограф

Відповідь: Kmax = 280

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 + 10s² + 31s + 30 + K = 0

Таблиця Рауса

s³: 1, 31
s²: 10, 30 + K
s¹: (10·31 − 30 − K)/10
s⁰: 30 + K

Умова

Елемент рядка s¹ має залишатися додатним.

K < 10·31 − 30 = 280

Відповідь

Kmax = 280

На межі контур коливається з частотою ω = √31 = 5,568 rad/s.

8.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годограф

Відповідь: ω = 7,348 rad/s

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.

Критичний коефіцієнт підсилення

s³ + 13s² + 54s + 72 + K = 0
s¹: (13·54 − 72 − K)/13 = 0 → K = 630

Частота перетину

13s² + 72 + 630 = 13s² + 702 = 0 → s² = −54
ω = √54 = 7,348 rad/s

Відповідь

ω = 7,348 rad/s
9.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: ess = 9,091 %

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.

Позиційна константа

Kp = 4·2,5 = 10

Похибка за східчастого сигналу

ess = 100/(1 + 10) = 9,091 %

Відповідь

ess = 9,091 %
10.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: K = 1,25

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 + 5) + 10K = s² + 5s + 10K

Власна частота

2·0,707·ωₙ = 5 → ωₙ = 3,536 rad/s

Коефіцієнт підсилення

10K = ωₙ² = 12,5 → K = 1,25

Відповідь

K = 1,25
11.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: BW = 397,9 Hz

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/√(0,002·2,2 × 10⁻⁷) = 47673 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 7587 Hz

Смуга пропускання

BW = R/L = 5/0,002 = 2500 rad/s = 397,9 Hz

Відповідь

BW = 397,9 Hz
12.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: GM = 7,959 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/3)·(ω/7) = 1 → ω180 = √(3·7) = 4,583 rad/s

Модуль на перетині за фазою

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 9)·√(ω² + 49)) = K/(3·7·(3 + 7)) = K/210

Запас за підсиленням

GM = 20·log₁₀(210/84) = 7,959 dB

Відповідь

GM = 7,959 dB

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