Перехідна характеристика: задачі з покроковими розв’язками

Безкоштовні задачі з теми Перехідна характеристика з рисунками, підказками й повними розв’язками. Щоразу нові значення, трьох рівнів: системи першого порядку, параметри другого порядку, фізичні системи та проєктування.

Безкоштовна задачаЛегка
+−5 VR = 4,7 kΩC = 47 µFvC​

Незаряджений конденсатор C = 47 µF заряджається від джерела сходинки 5 V через резистор R = 4,7 kΩ. Знайдіть напругу на конденсаторі vC при t = 220,9 ms.

R = 4,7 kΩC = 47 µFV = 5 Vt = 220,9 ms
V
Наступна задача →

Що ви тренуєте

  1. Легкасистеми першого порядку
  2. Середняпараметри другого порядку
  3. Складнафізичні системи та проєктування

Вивчайте тему «Перехідна характеристика» з нуля

Перед цим: Перехідні процеси RC і RL, Перетворення Лапласа

1Що таке перехідна характеристика

Сходинка — це вхід, що стрибком переходить від 0 до сталого значення при t = 0 і потім лишається там. Уявіть вмикання нагрівача або натискання на педаль газу з утриманням.

Перехідна характеристика — це те, як вихід слідує за цим. Він не може змінитися миттєво: він рухається до нового кінцевого значення y(∞) і встановлюється там.

tyy(∞)ab

Крива a плавно зростає й ніколи не перерегульовує. Це система першого порядку, як RC-коло чи нагрітий резервуар.

Крива b перерегульовує, кілька разів коливається і потім встановлюється. Це недодемпфована система другого порядку, як підвіска автомобіля чи вантаж на пружині.

Кінцеве значення визначає DC-коефіцієнт G(0): сходинка розміром U встановлюється на y(∞) = G(0)·U. Це теорема про кінцеве значення з перетворень Лапласа.

Самоперевірка Система G(s) = 3/(2s + 1) отримує сходинку розміром 4. Чому дорівнює кінцеве значення y(∞)?
  1. 12
  2. 3
  3. 4
  4. 6

Відповідь: 12. G(0) = 3/(0 + 1) = 3, тож y(∞) = 3·4 = 12. Значення 4 забуває коефіцієнт, 3 забуває розмір сходинки, а 6 ділить на 2 в 2s, яке зникає при s = 0.

2Системи першого порядку

Система першого порядку має наведену нижче стандартну форму. K — це статичний коефіцієнт підсилення, а τ — стала часу в секундах.

G(s) = K/(τs + 1) y(t) = K·U·(1 − e−t/τ)

Якщо G(s) записано як b/(s + a), поділіть чисельник і знаменник на a. Тоді K = b/a і τ = 1/a.

ty(t)K·U0,63·K·Uτ2τ3τ4τ5τ
  • Через 1τ вихід виконав 63% своєї зміни, через 3τ — 95%, через 5τ — понад 99%.
  • Час досягнення частки x від кінцевого значення: t = −τ·ln(1 − x). Для 90%, t = τ·ln 10 = 2,3τ.
  • Час наростання від 10 до 90% дорівнює tr = τ·ln 9 ≈ 2,2τ.
  • Для RC-кола τ = R·C. Зауважте, що kΩ, помножені на µF, дають мілісекунди.

Якщо виміряти відгук, можна знайти τ у зворотному напрямку. Якщо вихід досяг частки x у момент t, то τ = −t/ln(1 − x).

Розв’язаний приклад

G(s) = 10/(s + 5) отримує сходинку розміром 2 при t = 0. Знайдіть кінцеве значення та час досягнення 90% від нього.

1

Стандартна форма

Поділіть чисельник і знаменник на 5:

G(s) = 2/(0,2s + 1) ⇒ K = 2, τ = 0,2 s
2

Кінцеве значення

y(∞) = K·U = 2·2 = 4
3

Час до 90%

Розв’яжіть 1 − e−t/τ = 0,9, тож e−t/τ = 0,1:

t = −τ·ln(0,1) = 0,2·2,303 = 0,461 s
Відповідь

y(∞) = 4, і вихід досягає 90% через t ≈ 0,461 s.

Самоперевірка Яка стала часу G(s) = 10/(s + 5)?
  1. 0,2 s
  2. 10 s
  3. 2 s
  4. 5 s

Відповідь: 0,2 s. Записана як 2/(0,2s + 1), стала часу τ = 1/5 = 0,2 s. 5 s плутає τ з a, а 2 — це коефіцієнт K, а не час.

3Системи другого порядку

Система другого порядку має квадратний знаменник. Порівняйте його зі стандартною формою:

G(s) = K/(s² + 2ζωns + ωn²)
  • Вільний член — це ωn², тож власна частота ωn = √(вільний член), у rad/s.
  • Коефіцієнт при s — це 2ζωn, тож коефіцієнт демпфування ζ = (коефіцієнт при s)/(2ωn).
  • Для 0 < ζ < 1 відгук перерегульовує й коливається. Менше ζ означає більше перерегулювання.

Для одиничної сходинки кінцеве значення — G(0) = K/ωn². Форму відгуку описують п’ять чисел:

ty(t)y(∞)tp​ymax​%OSts​
ωd = ωn·√(1 − ζ²) tp = π/ωd
%OS = 100·e−ζπ/√(1 − ζ²) ts ≈ 4/(ζωn)
  • ωd — це демпфована частота: як швидко відгук коливається.
  • tp — це час піка, коли вихід найвищий. %OS — відсоток перерегулювання над кінцевим значенням.
  • ts — це час встановлення, після якого вихід лишається в межах 2% від кінцевого значення.
ReImσjωd​ωn​θ

Два полюси: s = σ ± jωd, з дійсною частиною σ = −ζωn. Їхня відстань від початку координат дорівнює ωn, а cos θ = ζ.

Самоперевірка Система має знаменник s² + 4s + 25. Чому дорівнює коефіцієнт демпфування ζ?
  1. 0,08
  2. 0,4
  3. 0,8
  4. 2

Відповідь: 0,4. ωn = √25 = 5, а 2ζωn = 4 дає ζ = 4/(2·5) = 0,4. 0,8 забуває 2, 0,08 ділить на ωn² замість ωn, а 2 — це ζωn.

4Метод крок за кроком

  1. Визначте порядок: знаменник степеня 1 — перший порядок, степеня 2 — другий порядок.
  2. Перший порядок: запишіть G(s) як K/(τs + 1) і прочитайте K і τ.
  3. Другий порядок: порівняйте знаменник із s² + 2ζωns + ωn². Спершу знайдіть ωn, потім ζ.
  4. Знайдіть кінцеве значення y(∞) = G(0)·U.
  5. Застосуйте формулу для того, що запитано: y(t), час, tp, %OS, ts або σ.
  6. Перевірте одиниці: часи в секундах, ω у rad/s, а кут у формулах з e… та π — у радіанах.

5Розв’язаний приклад

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

Розв’язаний приклад

G(s) = 16/(s² + 4s + 16) отримує одиничну сходинку. Знайдіть ζ, ωn, відсоток перерегулювання та час піка.

1

Власна частота

Вільний член — це ωn² = 16.

ωn = √16 = 4 rad/s
2

Коефіцієнт демпфування

Коефіцієнт при s — це 2ζωn = 4.

ζ = 4/(2·4) = 0,5

ζ лежить між 0 і 1, тож відгук перерегульовує.

3

Відсоток перерегулювання

ζπ/√(1 − ζ²) = 0,5·π/√0,75 = 1,814
%OS = 100·e−1,814 = 16,3%
4

Час піка

ωd = 4·√(1 − 0,25) = 3,464 rad/s
tp = π/3,464 = 0,907 s
5

Перевірте відповідь

Кінцеве значення G(0) = 16/16 = 1, тож пік приблизно 1,163. Рисунок у попередньому розділі використовує цю саму систему.

Час встановлення 4/(ζωn) = 4/2 = 2 s пізніший за пік, як і має бути.

Відповідь

ωn = 4 rad/s, ζ = 0,5, %OS ≈ 16,3% і tp ≈ 0,907 s.

6Типові помилки

  • Вважати зростання лінійним. Експонента досягає 90% за 2,3τ, а не за 0,9τ: використовуйте t = −τ·ln(1 − x).
  • Використовувати ln(x) замість ln(1 − x). Логарифм береться від частини, якої ще бракує.
  • Читати τ = a з b/(s + a). Стала часу дорівнює 1/a.
  • Використовувати ωn² як ωn. Візьміть квадратний корінь із вільного члена.
  • Забувати 2 в 2ζωn або використовувати ωn замість ωd в tp = π/ωd.
  • Давати перерегулювання як частку (0,163), коли запитано відсотки (16,3%).
Самоперевірка G(s) = 2/(s + 4) отримує сходинку. Скільки часу вихід досягає 90% свого кінцевого значення?
  1. 0,026 s
  2. 0,225 s
  3. 0,576 s
  4. 9,21 s

Відповідь: 0,576 s. τ = 1/4 = 0,25 s і t = −0,25·ln(0,1) = 0,576 s. 0,225 s вважає зростання лінійним (0,9τ). 0,026 s використовує ln(0,9) замість ln(0,1). 9,21 s використовує a = 4 замість τ.

7Як виглядають екзаменаційні запитання

  • Легко: системи першого порядку. Ви знаходите y(∞), вихід у заданий момент, час досягнення певного відсотка, τ за виміряною точкою або час заряджання RC-кола.
  • Середньо: параметри другого порядку. З G(s) = K/(s² + a₁s + a₀) ви знаходите ζ, ωn, %OS, tp, ts або дійсну частину σ полюсів.
  • Складно: фізичні системи та проєктування. Система маса–пружина–демпфер або RLC-коло, або ζ і ωn, знайдені з виміряного перерегулювання та часу піка.

Для маси m, демпфера c і пружини k рівняння m·x″ + c·x′ + k·x = F дає:

ωn = √(k/m) ζ = c/(2√(k·m)) x(∞) = F/k

Щоб знайти ζ за заданим перерегулюванням, розв’яжіть формулу %OS відносно ζ:

ζ = −ln(OS)/√(π² + ln²(OS)), OS = %OS/100

Вивчайте крок за кроком у застосункуВивчайте крок за кроком у застосунку

Розв’язані приклади

Приклад 1Легка
t (s)y(t)y(∞) = ?

Система першого порядку G(s) = 2/(2s + 1) отримує на вході сходинку розміром 2 при t = 0, починаючи зі стану спокою. Знайдіть кінцеве значення y(∞) виходу.

G(s) = 2/(2s + 1)U = 2

Знайти: y(∞)

Показати підказки
  1. Теорема про кінцеве значення: y(∞) = lim s·G(s)·U/s = G(0)·U.
  2. G(0) — це статичний коефіцієнт підсилення.
  3. G(0) = 2.
Показати відповідь і покроковий розв’язок

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).

Статичний коефіцієнт підсилення

G(0) = 2

Кінцеве значення

y(∞) = G(0)·U = 2·2 = 4

Відповідь

y(∞) = 4
Приклад 2Середня
t (s)y(t)3?

Система має передатну функцію G(s) = 213/(s² + 8s + 71) і отримує на вході одиничну сходинку. Знайдіть відсоток перерегулювання %OS перехідної характеристики.

G(s) = 213/(s² + 8s + 71)

Знайти: %OS (%)

Показати підказки
  1. Порівняйте знаменник із s² + 2ζωₙs + ωₙ².
  2. ωₙ = √71 = 8,426 rad/s, ζ = 8/(2ωₙ).
  3. ζ = 0,4747.
Показати відповідь і покроковий розв’язок

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 = 71 → ωₙ = 8,426 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·8,426) = 0,4747

Результат

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1,694 = 18,37 %

Відповідь

%OS = 18,37 %
Приклад 3Складна
k = 800 N/mc = 9 N·s/mm = 2,5 kgF = 10 Nx(t)

Маса m = 2,5 kg висить на пружині k = 800 N/m з в’язким демпфером c = 9 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). З положення рівноваги в спокої раптово прикладають сталу силу F = 10 N. Знайдіть момент tp, коли зміщення найбільше.

m = 2,5 kgk = 800 N/mc = 9 N·s/mF = 10 N

Знайти: tp (s)

Показати підказки
  1. Поділіть на m: x″ + (c/m)·x′ + (k/m)·x = F/m, тож ωₙ = √(k/m) і ζ = c/(2√(km)).
  2. ωₙ = 17,89 rad/s, ζ = 0,1006.
  3. Кінцеве зміщення дорівнює F/k = 12,5 mm.
Показати відповідь і покроковий розв’язок

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) = √(800/2,5) = 17,89 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 9/(2·√(800·2,5)) = 0,1006

Результат

ωd = 17,8 rad/s
tp = π/ωd = 0,1765 s

Відповідь

tp = 0,1765 s

Запитання й відповіді

Перехідна характеристика: що це?

Крива a плавно зростає й ніколи не перерегульовує. Це система першого порядку, як RC-коло чи нагрітий резервуар.

Крива b перерегульовує, кілька разів коливається і потім встановлюється. Це недодемпфована система другого порядку, як підвіска автомобіля чи вантаж на пружині.

Перехідна характеристика: як розв’язувати задачі крок за кроком?

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).

Перехідна характеристика: які помилки найпоширеніші?
  • Вихід встановлюється на K·U, а не на U: статичний коефіцієнт підсилення G(0) = 2.
  • Виразіть перерегулювання у відсотках: помножте на 100.
  • Показник степеня дорівнює −ζπ/√(1 − ζ²).
Перехідна характеристика: що ви тренуєте?
  • Легка: системи першого порядку
  • Середня: параметри другого порядку
  • Складна: фізичні системи та проєктування

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