Теорія керування 2: проєктування зворотного зв’язку: шпаргалка-підсумок

Аркуші з формулами, ключові кроки методів для кожної теми та 10 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.Перехідна характеристикаСередня
t (s)y(t)3

Система має передатну функцію G(s) = 150/(s² + 6s + 50) і отримує на вході одиничну сходинку. Знайдіть коефіцієнт демпфування ζ.

G(s) = 150/(s² + 6s + 50)
ζ =
2.Перехідна характеристикаСкладна
k = 100 N/mc = 4 N·s/mm = 1 kgF = 5 Nx(t)

Маса m = 1 kg висить на пружині k = 100 N/m з в’язким демпфером c = 4 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). З положення рівноваги в спокої раптово прикладають сталу силу F = 5 N. Знайдіть найбільше зміщення xmax у mm.

m = 1 kgk = 100 N/mc = 4 N·s/mF = 5 N
xmax = mm
3.Діаграми Боде та запасиСередня
vin​C = 100 nFR = 1 kΩvout​

RC-фільтр верхніх частот на рисунку має R = 1 kΩ, C = 100 nF. На вхід подають синусоїдний сигнал 400 Hz. Знайдіть коефіцієнт підсилення |H| = |vout/vin| у dB.

R = 1 kΩC = 100 nFf = 400 Hz
|H| = dB
4.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) = 9/(s(s + 1)). Знайдіть частоту зрізу за підсиленням ωc, де |L(jω)| = 1.

L(s) = 9/(s(s + 1))
ωc = rad/s
5.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годографСередня
R(s)+K = 151s(s + 2)(s + 3)C(s)−

Контур на схемі працює при K = 15, L(s) = K/(s(s + 2)(s + 3)). У скільки разів m можна збільшити коефіцієнт підсилення, перш ніж замкнена система стане нестійкою?

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 3))K = 15
m =
6.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годографСкладна
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−3−3,5−4−4,5−50,5j0,5j1

Кореневий годограф L(s) = K/(s(s + 1)(s + 4)) відходить від дійсної осі між s = 0 і s = −1. Знайдіть точку відходу sb.

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 4))
sb =
7.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСередня
r(t) = 10 + 1t+2(s + 2)s(s + 5)(s + 10)C(s)−

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

G(s) = 2(s + 2)/(s(s + 5)(s + 10))r(t) = 10 + 1t
ess =
8.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСкладна
R(s)+K = 401s(s + 6)C(s)−

П-регулятор K = 40 керує об’єктом G(s) = 1/(s(s + 6)) у контурі з одиничним зворотним зв’язком. Знайдіть відсоток перерегулювання %OS перехідної характеристики.

G(s) = 1/(s(s + 6))K = 40
%OS = %
9.Блок-схемиСередня
R(s)+28s(s + 2)G(s)C(s)−

Одиничний від’ємний зворотний зв’язок має G(s) = 28/(s(s + 2)). Завдання — лінійно наростаючий сигнал r(t) = 10·t. Знайдіть усталену похибку ess.

G(s) = 28/(s(s + 2))r(t) = 10·t
ess =
10.Блок-схемиСкладна
R(s)+Kрегулятор+D(s)+2s + 1об’єктC(s)−

Пропорційний регулятор K керує об’єктом G(s) = 2/(s + 1) в одиничному від’ємному зворотному зв’язку. Сходинка збурення розміром 0,5 діє на вході об’єкта за R = 0. Знайдіть найменший коефіцієнт підсилення K, за якого усталений вихід не перевищує 0,1.

G(s) = 2/(s + 1)D = 0,5css ≤ 0,1
K =

3Розчини

1.Перехідна характеристика

Відповідь: ζ = 0,4243

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 = 50 → ωₙ = 7,071 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·7,071) = 0,4243

Результат

ζ = 0,4243

Відповідь

ζ = 0,4243
2.Перехідна характеристика

Відповідь: xmax = 76,33 mm

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 = √(k/m) = √(100/1) = 10 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 4/(2·√(100·1)) = 0,2

Результат

xst = F/k = 5/100 m = 50 mm
%OS = 52,66 %
xmax = 50·(1 + 0,5266) = 76,33 mm

Відповідь

xmax = 76,33 mm
3.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: |H| = −12,26 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 = 1/(RC) = 1/(1000·1 × 10⁻⁷) = 10000 rad/s
fc = 1592 Hz → f/fc = 400/1592 = 0,2513

Коефіцієнт підсилення

|H| = 0,2513/√(1 + 0,2513²) = 0,2437
20·log₁₀(0,2437) = −12,26 dB

Відповідь

|H| = −12,26 dB
4.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: ωc = 2,918 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.

Зріз за підсиленням

ω⁴ + 1ω² − 81 = 0
ω² = (−1 + √(1 + 4·81))/2 = 8,514
ωc = 2,918 rad/s

Відповідь

ωc = 2,918 rad/s
5.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годограф

Відповідь: m = 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.

Таблиця Рауса

s³ + 5s² + 6s + K = 0
s³: 1, 6
s²: 5, K
s¹: (5·6 − K)/5
s⁰: K

Найбільший стійкий коефіцієнт підсилення

Kmax = 5·6 = 30

Кратність

m = 30/15 = 2

Відповідь

m = 2

Ця кратність — запас за коефіцієнтом підсилення як відношення: 6,021 dB.

6.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годограф

Відповідь: sb = −0,4648

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.

Коефіцієнт підсилення вздовж дійсної осі

K(s) = −s(s + 1)(s + 4) = −(s³ + 5s² + 4s)

Стаціонарні точки

dK/ds = −(3s² + 10s + 4) = 0
s = (−10 ± √(100 − 48))/6 = −0,4648, −2,869

Оберіть точку на годографі

Годограф лежить на дійсній осі між 0 і −1; другий корінь годографу не належить.

sb = −0,4648

Відповідь

sb = −0,4648
7.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: ess = 12,5

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) = 0,08

Східчаста частина

Kp = ∞ → estep = 0

Похибка за лінійно наростального сигналу

ess = 1/0,08 = 12,5

Відповідь

ess = 12,5
8.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: %OS = 18,4 %

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).

Характеристичний поліном

s(s + 6) + 40·1 = s² + 6s + 40

ωₙ і ζ

ωₙ = √40 = 6,325 rad/s
ζ = 6/(2·6,325) = 0,4743

Перерегулювання

%OS = 100·e−0,4743π/√(1 − 0,4743²) = 18,4 %

Відповідь

%OS = 18,4 %
9.Блок-схеми

Відповідь: ess = 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).

Стала похибки за швидкістю

Kᵥ = lims→0 s·G(s) = 28/2 = 14

Усталена похибка

ess = A/Kᵥ = 10/14 = 0,7143

Відповідь

ess = 0,7143
10.Блок-схеми

Відповідь: K = 4,5

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).

Відгук на збурення

css = D·G(0)/(1 + K·G(0)) = 0,5·2/(1 + 2K)

Розв’яжіть відносно K

1 + 2K = 0,5·2/0,1 = 10
K = (10 − 1)/2 = 4,5

Відповідь

K = 4,5

ExamProblems · examproblems.com/courses/control-engineering-2