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)1

Система має передатну функцію G(s) = 10/(s² + 4s + 10) і отримує на вході одиничну сходинку. Полюси: s = σ ± jωd. Знайдіть дійсну частину σ.

G(s) = 10/(s² + 4s + 10)
σ =
2.Перехідна характеристикаСкладна
k = 100 N/mc = 3 N·s/mm = 0,5 kgF = 5 Nx(t)

Маса m = 0,5 kg висить на пружині k = 100 N/m з в’язким демпфером c = 3 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 = 0,5 kgk = 100 N/mc = 3 N·s/mF = 5 N
xmax = mm
3.Діаграми Боде та запасиСередня
vin​C = 47 nFR = 10 kΩvout​

RC-фільтр верхніх частот на рисунку має R = 10 kΩ, C = 47 nF. На вхід подають синусоїдний сигнал 85 Hz. Знайдіть коефіцієнт підсилення |H| = |vout/vin| у dB.

R = 10 kΩC = 47 nFf = 85 Hz
|H| = dB
4.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) = 540/(s(s + 6)(s + 10)). Знайдіть запас за підсиленням GM у dB.

L(s) = 540/(s(s + 6)(s + 10))
GM = dB
5.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годографСередня
R(s)+K1s(s + 1)(s + 4)C(s)−

Контур на схемі має передавальну функцію розімкненої системи L(s) = K/(s(s + 1)(s + 4)). Знайдіть найбільше значення Kmax, за якого замкнена система стійка.

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 4))
Kmax =
6.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годографСкладна
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−3−3,5−40,5j0,5j1

Кореневий годограф L(s) = K(s + 3)/(s(s + 1)) відходить від дійсної осі між s = 0 і s = −1, описує коло й знову сходиться з дійсною віссю ліворуч від нуля. Знайдіть точку входу si.

L(s) = K(s + 3)/(s(s + 1))
si =
7.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСередня
r(t) = 5t+20s(s + 1)C(s)−

Лінійно наростальний сигнал r(t) = 5t подано на контур з одиничним зворотним зв’язком і G(s) = 20/(s(s + 1)). Знайдіть усталену похибку ess.

G(s) = 20/(s(s + 1))r(t) = 5t
ess =
8.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСкладна
R(s)+Kp​ + Ki​/s2s + 5C(s)−

ПІ-регулятор C(s) = Kp + Ki/s керує об’єктом G(s) = 2/(s + 5) у контурі з одиничним зворотним зв’язком. Замкнена система має мати ωₙ = 8 rad/s і ζ = 1. Знайдіть пропорційний коефіцієнт Kp.

G(s) = 2/(s + 5)ωₙ = 8 rad/sζ = 1
Kp =
9.Блок-схемиСередня
R(s)+22s + 3G(s)C(s)2H−

Об’єкт G(s) = 22/(s + 3) керується в контурі від’ємного зворотного зв’язку, датчик якого має коефіцієнт підсилення H = 2. На R подано сходинку розміром 24. Знайдіть усталений вихід css.

G(s) = 22/(s + 3)H = 2R = 24
css =
10.Блок-схемиСкладна
R(s)+Ks(s + 5)(s + 6)G(s)C(s)−

Об’єкт G(s) = K/(s(s + 5)(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 + 5)(s + 6))одиничний від’ємний зворотний зв’язок
Kmax =

3Розчини

1.Перехідна характеристика

Відповідь: σ = −2

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 = 10 → ωₙ = 3,162 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·3,162) = 0,6325

Результат

σ = −ζωₙ = −4/2 = −2

Відповідь

σ = −2
2.Перехідна характеристика

Відповідь: xmax = 75,28 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) = √(100/0,5) = 14,14 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 3/(2·√(100·0,5)) = 0,2121

Результат

xst = F/k = 5/100 m = 50 mm
%OS = 50,56 %
xmax = 50·(1 + 0,5056) = 75,28 mm

Відповідь

xmax = 75,28 mm
3.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: |H| = −12,27 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/(10000·4,7 × 10⁻⁸) = 2128 rad/s
fc = 338,6 Hz → f/fc = 85/338,6 = 0,251

Коефіцієнт підсилення

|H| = 0,251/√(1 + 0,251²) = 0,2435
20·log₁₀(0,2435) = −12,27 dB

Відповідь

|H| = −12,27 dB
4.Діаграми Боде та запаси

Відповідь: GM = 4,998 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/6)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(6·10) = 7,746 rad/s

Модуль на перетині за фазою

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 36)·√(ω² + 100)) = K/(6·10·(6 + 10)) = K/960

Запас за підсиленням

GM = 20·log₁₀(960/540) = 4,998 dB

Відповідь

GM = 4,998 dB
5.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годограф

Відповідь: Kmax = 20

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.

Характеристичне рівняння

s³ + 5s² + 4s + K = 0

Таблиця Рауса

s³: 1, 4
s²: 5, K
s¹: (5·4 − K)/5
s⁰: K

Умови

Кожен елемент першого стовпця має бути додатним.

K > 0
5·4 − K > 0 → K < 20

Відповідь

Kmax = 20

При K = 20 замкнена система коливається з частотою ω = √4 = 2 rad/s.

6.Стійкість: Раус–Гурвіц і кореневий годограф

Відповідь: si = −5,449

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) = −(s² + 1s)/(s + 3)

Стаціонарні точки

Продиференціюйте за правилом частки й прирівняйте чисельник до нуля.

(2s + 1)(s + 3) − (s² + 1s) = s² + 6s + 3 = 0
s = −3 ± √6 = −0,5505, −5,449

Точка входу

si = −5,449

Відповідь

si = −5,449

Між двома точками розгалуження годограф — коло з центром у нулі й радіусом √6 = 2,449.

7.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: ess = 0,25

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) = 20

Похибка за лінійно наростального сигналу

ess = 5/20 = 0,25

Відповідь

ess = 0,25
8.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: Kp = 5,5

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

1 + C(s)G(s) = 0, помножене на s(s + 5).

s² + (5 + 2Kp)s + 2Ki

Цільовий поліном

s² + 2·1·8s + 8² = s² + 16s + 64

Зіставте коефіцієнти

5 + 2Kp = 16 → Kp = 5,5

Відповідь

Kp = 5,5

Інтегральна складова робить контур типу 1, тож східчастий сигнал відпрацьовується без усталеної похибки.

9.Блок-схеми

Відповідь: css = 11,23

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) = 22/(s + 3 + 44) = 22/(s + 47)

Результат

css = R·T(0) = 24·22/47 = 11,23

Відповідь

css = 11,23
10.Блок-схеми

Відповідь: Kmax = 330

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 + 11s² + 30s + K = 0

Таблиця Рауса

s³ | 1 30
s² | 11 K
s¹ | (11·30 − K)/11
s⁰ | K

Межа стійкості

Усі елементи першого стовпця мають бути додатними.

Kmax = 11·30 = 330

Відповідь

Kmax = 330

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