Блок-схеми: задачі з покроковими розв’язками

Безкоштовні задачі з теми Блок-схеми з рисунками, підказками й повними розв’язками. Щоразу нові значення, трьох рівнів: послідовне, паралельне з’єднання та зворотний зв’язок, передатні функції замкненої системи та похибки, збурення, стійкість і полюси.

Безкоштовна задачаЛегка
R(s)11G₂8G₃++9G₁C(s)

Сигнал R розгалужується на два паралельні блоки G₂ = 11 і G₃ = 8. Їхні виходи зустрічаються в суматорі зі знаками, як показано (+ and +), а сума проходить через G₁ = 9. Знайдіть загальний коефіцієнт підсилення T = C/R.

G₁ = 9G₂ = 11G₃ = 8знаки: + G₂, + G₃
Наступна задача →

Що ви тренуєте

  1. Легкапослідовне, паралельне з’єднання та зворотний зв’язок
  2. Середняпередатні функції замкненої системи та похибки
  3. Складназбурення, стійкість і полюси

Вивчайте тему «Блок-схеми» з нуля

Перед цим: Перетворення Лапласа

1Що таке блок-схема

Система керування — це ланцюг частин: регулятор, двигун, датчик. Блок-схема зображує кожну частину як прямокутник, а кожен сигнал як стрілку.

Блок множить свій вхідний сигнал на свій коефіцієнт підсилення або передавальну функцію G. Якщо в блок G = 5 входить 3, виходить 15.

Суматор (коло) додає або віднімає сигнали. Знак біля кожної вхідної стрілки показує, що саме. Крапка — це точка відгалуження: сигнал копіюється, а не ділиться.

R+EGCH−

Це найважливіша картина в керуванні. Вихід C вимірюється через H і віднімається від завдання R. Різниця E = R − H·C — це похибка, що керує G.

Це від’ємний зворотний зв’язок: коли вихід надто високий, похибка зменшується й тягне його назад униз.

Самоперевірка На суматорі R входить із +, а сигнал зворотного зв’язку B входить із −. R = 10 і B = 4. Що виходить із суматора?
  1. 14
  2. 40
  3. 6
  4. −6

Відповідь: 6. Знаки на суматорі кажуть, що E = R − B = 10 − 4 = 6. 14 ігнорує мінус, а −6 віднімає навпаки.

2Три правила спрощення будь-якої схеми

Ви спрощуєте схему крок за кроком, доки не лишиться один блок. Його коефіцієнт T = C/R — це передавальна функція замкненої системи.

G₁G₂⇒G₁ · G₂G₁G₂+±⇒G₁ ± G₂+GH−⇒G1 + G·H
  • Послідовно: блоки один за одним множаться, G₁·G₂.
  • Паралельно: блоки, що живлять той самий суматор, додаються зі знаками на суматорі: G₁ + G₂ або G₁ − G₂.
  • Контур зворотного зв’язку: прямий блок G із від’ємним зворотним зв’язком H стає G/(1 + G·H).

Правило зворотного зв’язку випливає з двох рівнянь. На суматорі E = R − H·C, а блок дає C = G·E. Тож C = G·R − G·H·C, і отже:

T = C/R = G/(1 + G·H)

З додатним зворотним зв’язком сигнал додається на суматорі, і знак у знаменнику змінюється: T = G/(1 − G·H).

Добуток G·H — це коефіцієнт підсилення контуру. Коли він великий, T наближається до 1/H: коефіцієнт підсилення задає датчик, а не об’єкт керування.

Самоперевірка G₁ = 2 і G₂ = 5 з’єднані послідовно, з від’ємним зворотним зв’язком H = 0,3. Чому дорівнює T = C/R?
  1. 0,75
  2. 10
  3. 2,5
  4. −5

Відповідь: 2,5. G = 2·5 = 10 і G·H = 3, тож T = 10/(1 + 3) = 2,5. Значення 10 ігнорує контур, −5 використовує 1 − G·H, а 0,75 ставить H у чисельник.

3Контури з передавальними функціями

Реальні блоки залежать від s, наприклад двигун G(s) = b/(s + a). Діють ті самі правила. Потім ви усуваєте дроби всередині дробів.

R+bs + aC−

З одиничним зворотним зв’язком (H = 1) помножте чисельник і знаменник G/(1 + G) на (s + a):

T(s) = b/(s + a + b)
  • Полюс замкненої системи — це корінь знаменника: p = −(a + b). Він лежить лівіше за полюс розімкненої системи −a, тож контур швидший.
  • Стала часу дорівнює τ = 1/(a + b).
  • Коефіцієнт підсилення на постійному струмі (DC) — це T(0) = b/(a + b). Сходинка розміром A встановлюється на css = A·T(0).
  • З коефіцієнтом датчика H знаменник стає s + a + b·H.

Усталена похибка ess — це те, що лишається від R − C після встановлення. З одиничним зворотним зв’язком використовують константи похибок:

  • Для сходинки розміром A: ess = A/(1 + Kp), де константа положення Kp = G(0).
  • Для лінійно зростаючого сигналу r(t) = A·t: ess = A/Kv, де константа швидкості Kv = lims→0 s·G(s).

Для G(s) = 8/(s(s + 4)) множник s скорочується: Kv = 8/4 = 2. Тоді лінійно зростаючий сигнал r(t) = 1·t дає ess = 1/2 = 0,5.

Для контуру другого порядку, як-от G(s) = K/(s(s + 6)), замкнена система має s² + 6s + K = 0. Два рівні дійсні полюси (критичне демпфування) потребують 6² = 4K, тож K = 9.

Розв’язаний приклад

G(s) = 6/(s + 2) поміщено в контур з одиничним від’ємним зворотним зв’язком. Знайдіть полюс замкненої системи, сталу часу й усталений вихід для сходинки розміром 4.

1

Замкніть контур

T(s) = G/(1 + G) = 6/(s + 2 + 6) = 6/(s + 8)
2

Полюс і стала часу

Полюс — це корінь s + 8 = 0.

p = −8, τ = 1/8 = 0,125 s
3

Усталений вихід

Покладіть s = 0 для DC-коефіцієнта, потім помножте на розмір сходинки.

T(0) = 6/8 = 0,75, css = 4·0,75 = 3

Похибка дорівнює 4 − 3 = 1. Константа Kp = G(0) = 3 дає те саме: 4/(1 + 3) = 1.

Відповідь

p = −8, τ = 0,125 s і css = 3.

Самоперевірка G(s) = 6/(s + 2) у контурі з одиничним від’ємним зворотним зв’язком. Яке число є полюсом замкненої системи?
  1. 8
  2. −0,125
  3. −2
  4. −8

Відповідь: −8. T(s) = 6/(s + 8), тож полюс дорівнює −8. −2 — це полюс розімкненої системи до зворотного зв’язку. Полюс — це значення s, тож тут він від’ємний, а −0,125 плутає його з τ = 1/8.

4Метод крок за кроком

  1. Знайдіть найвнутрішній контур. Спершу спростіть його за G/(1 + G·H) або G/(1 − G·H) для додатного зворотного зв’язку.
  2. Об’єднайте блоки послідовно (множення) і паралельно (додавання зі знаками на суматорі).
  3. Повторюйте, доки не лишиться один блок. Цей блок — T(s) = C/R.
  4. Усуньте дроби: помножте чисельник і знаменник на знаменники G(s).
  5. Прочитайте, що запитано: полюси зі знаменника, T(0) для усталеного режиму, τ = 1/(модуль полюса) для контуру першого порядку.

Швидка перевірка: за s = 0 схему можна спростити звичайними числами. Це одразу дає T(0) і ловить більшість алгебраїчних помилок.

5Розв’язаний приклад

Це типове запитання середнього рівня з малим контуром. Спробуйте кожен крок, перш ніж його відкрити.

Розв’язаний приклад

Об’єкт керування G(s) = 3/(s + 1) має внутрішній контур з від’ємним зворотним зв’язком H₁ = 1. Регулятор K = 4 і зовнішній контур з одиничним від’ємним зворотним зв’язком замикають систему. Знайдіть полюс замкненої системи p і DC-коефіцієнт T(0).

1

Подивіться на схему

R+4+3s + 1C1−−

Є два контури. Внутрішній контур охоплює лише об’єкт керування. Зовнішній контур охоплює все, від C назад до R.

2

Спростіть внутрішній контур

Використайте G/(1 + G·H₁) і помножте чисельник і знаменник на (s + 1):

Gᵢ = 3/(s + 1 + 3·1) = 3/(s + 4)
3

Послідовно з регулятором

K і Gᵢ тепер з’єднані послідовно, тож перемножте:

K·Gᵢ = 4·3/(s + 4) = 12/(s + 4)
4

Замкніть зовнішній контур

Одиничний зворотний зв’язок навколо 12/(s + 4):

T(s) = 12/(s + 4 + 12) = 12/(s + 16)

Полюс p = −16, а T(0) = 12/16 = 0,75.

5

Перевірте відповідь

Повторіть за s = 0 лише з числами. G(0) = 3, внутрішній контур дає 3/(1 + 3) = 0,75, а K робить це 3.

Зовнішній контур дає 3/(1 + 3) = 0,75. Це збігається з T(0).

Відповідь

T(s) = 12/(s + 16), тож p = −16 і T(0) = 0,75.

6Типові помилки

  • Використовувати 1 − G·H для від’ємного зворотного зв’язку. Від’ємний зворотний зв’язок дає 1 + G·H, додатний дає 1 − G·H.
  • Ставити H у чисельник. T = G/(1 + G·H): H з’являється лише в коефіцієнті підсилення контуру.
  • Замикати зовнішній контур перед внутрішнім. Завжди працюйте зсередини назовні.
  • Забувати коефіцієнт датчика H у полюсі: знаменник — s + a + b·H, а не s + a + b.
  • Давати полюс розімкненої системи −a або її коефіцієнт підсилення G(0). Зворотний зв’язок змінює обидва.
  • Використовувати A/Kp для похибки сходинки. Правильна формула — A/(1 + Kp).
Самоперевірка Підсилювач G = 10 має додатний зворотний зв’язок H = 0,05: сигнал зворотного зв’язку додається на суматорі. Чому дорівнює T = C/R?
  1. 0,5
  2. 10
  3. 20
  4. 6,67

Відповідь: 20. Додатний зворотний зв’язок дає T = G/(1 − G·H) = 10/(1 − 0,5) = 20. Значення 6,67 використовує формулу від’ємного зворотного зв’язку 10/1,5. 10 ігнорує контур, а 0,5 — це лише коефіцієнт підсилення контуру G·H.

7Як виглядають екзаменаційні запитання

  • Легко: послідовне, паралельне з’єднання та зворотний зв’язок. Ви спрощуєте коефіцієнти в контурі, паралельні блоки зі знаками або додатний зворотний зв’язок. Або замикаєте одиничний контур навколо b/(s + a) і даєте полюс, τ, T(0) чи css.
  • Середньо: передавальні функції замкненої системи та похибки. Малий контур, як у прикладі, коефіцієнт датчика H, коефіцієнт K для критичного демпфування або усталена похибка для сходинки чи лінійно зростаючого сигналу.
  • Складно: збурення, стійкість і полюси. Збурення D, додане на вході об’єкта, або найбільший коефіцієнт Kmax для стійкості за критерієм Раута–Гурвіца.

Для збурення використайте суперпозицію: знайдіть C від R за D = 0, потім C від D за R = 0 і додайте обидва.

Вивчайте крок за кроком у застосункуВивчайте крок за кроком у застосунку

Розв’язані приклади

Приклад 1Легка
R(s)7G₂12G₃+−10G₁C(s)

Сигнал R розгалужується на два паралельні блоки G₂ = 7 і G₃ = 12. Їхні виходи зустрічаються в суматорі зі знаками, як показано (+ and −), а сума проходить через G₁ = 10. Знайдіть загальний коефіцієнт підсилення T = C/R.

G₁ = 10G₂ = 7G₃ = 12знаки: + G₂, − G₃

Знайти: T

Показати підказки
  1. Паралельні блоки, що живлять суматор, додаються зі знаками в суматорі.
  2. Ця комбінація з’єднана послідовно з G₁, тож перемножте.
  3. G₂ − G₃ = -5.
Показати відповідь і покроковий розв’язок

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).

Паралельні блоки

G₂ − G₃ = 7 − 12 = −5

Послідовно з G₁

T = G₁·(G₂ − G₃) = 10·(−5) = −50

Відповідь

T = −50
Приклад 2Середня
R(s)+1(s + 3)(s + 2)(s + 4)G(s)C(s)−

Одиничний від’ємний зворотний зв’язок має G(s) = 1(s + 3)/((s + 2)(s + 4)). На задавальний сигнал подано сходинку розміром 2. Знайдіть усталену похибку ess.

G(s) = 1(s + 3)/((s + 2)(s + 4))R = 2

Знайти: ess

Показати підказки
  1. Стала похибки за положенням Kₚ = G(0).
  2. Усталена похибка для сходинки розміром A: A/(1 + Kₚ).
  3. Kₚ = 1·3/(2·4) = 0,375.
Показати відповідь і покроковий розв’язок

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) = 1·3/(2·4) = 0,375

Усталена похибка

ess = A/(1 + Kₚ) = 2/(1 + 0,375) = 1,455

Відповідь

ess = 1,455
Приклад 3Складна
R(s)+5s + 2G₁+10s + 4G₂C(s)4H₁−1H₂−

Згорніть блок-схему з G₁ = 5/(s + 2), G₂ = 10/(s + 4), внутрішнім від’ємним зворотним зв’язком H₁ = 4 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 + 2)G₂ = 10/(s + 4)H₁ = 4H₂ = 1

Знайти: T(0)

Показати підказки
  1. Внутрішній контур: G₂/(1 + G₂·H₁). Тоді T = G₁·Gᵢ/(1 + G₁·Gᵢ·H₂).
  2. Загалом T = G₁G₂/(1 + G₂H₁ + G₁G₂H₂). Для статичного коефіцієнта підсилення покладіть s = 0 у кожному блоці.
  3. G₁(0) = 2,5, G₂(0) = 2,5.
Показати відповідь і покроковий розв’язок

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) = 10/(s + 44)

Зовнішній контур

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 50/((s + 2)(s + 44) + 50)

Статичний коефіцієнт підсилення

T(0) = 50/(2·44 + 50) = 50/138 = 0,3623

Відповідь

T(0) = 0,3623

Запитання й відповіді

Блок-схеми: що це?

Система керування — це ланцюг частин: регулятор, двигун, датчик. Блок-схема зображує кожну частину як прямокутник, а кожен сигнал як стрілку.

Це найважливіша картина в керуванні. Вихід C вимірюється через H і віднімається від завдання R. Різниця E = R − H·C — це похибка, що керує G.

Блок-схеми: як розв’язувати задачі крок за кроком?

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).

Блок-схеми: які помилки найпоширеніші?
  • Перевірте знак у суматорі: шлях G₃ входить зі знаком −.
  • Додаються лише паралельні блоки; G₁ з’єднаний із ними послідовно й множиться.
  • Паралельні блоки додаються (з їхніми знаками); вони не перемножуються.
Блок-схеми: що ви тренуєте?
  • Легка: послідовне, паралельне з’єднання та зворотний зв’язок
  • Середня: передатні функції замкненої системи та похибки
  • Складна: збурення, стійкість і полюси

Кожна задача має нові значення, тож ви вивчаєте метод, а не відповідь. Застрягли? Спершу відкрийте невелику підказку, а повне пояснення — лише коли воно знадобиться.

Як проходить тренування

  • Кожна задача має нові значення, тож ви вивчаєте метод, а не відповідь.
  • Застрягли? Спершу відкрийте невелику підказку, а повне пояснення — лише коли воно знадобиться.
  • Ваш прогрес, помилки та збережені задачі зберігаються, тож перед іспитом ви зможете все повторити.

Теми до і після цієї

Спочатку вивчіть

Далі

Курси з цією темою

Інші теми: Електротехніка

Робочий аркуш для друку