Trong cửa sổ in, hãy chọn “Lưu dưới dạng PDF” để giữ một bản trên thiết bị của bạn.
1Công thức và phương pháp
Ổn định: Routh–Hurwitz và quỹ đạo nghiệm
Ổn định
mọi nghiệm của đa thức đặc trưng ở nửa mặt phẳng trái
bảng Routh, phần tử s¹ của đa thức bậc ba
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
Nghiệm ở nửa mặt phẳng phải
số lần đổi dấu trong cột đầu tiên
Đa thức bậc ba s³ + a₂s² + a₁s + a₀
ổn định khi mọi a > 0 và a₂·a₁ > a₀
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
Phương trình đặc trưng
1 + K·G(s) = 0
Đường tiệm cận
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
Điểm tách và điểm nhập
dK/ds = 0
Điều kiện biên độ
K = 1/|G(s)|
Góc xuất phát
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)
Phương pháp
Viết đa thức đặc trưng vòng kín: mẫu số của 1 + K·G(s) = 0, sau khi nhân ra.
Đặt các hệ số xen kẽ vào hai hàng đầu tiên của bảng Routh và lập các hàng còn lại.
Đếm số lần đổi dấu trong cột đầu tiên: mỗi lần là một cực ở nửa mặt phẳng phải. Khi K có trong bảng, hãy yêu cầu mọi phần tử của cột đầu tiên giữ dương.
Với quỹ đạo nghiệm, đánh dấu các cực và điểm không, các đoạn trên trục thực, các đường tiệm cận từ trọng tâm và các điểm tách/nhập nơi dK/ds = 0. Dùng K = 1/|G(s)| cho độ lợi tại một điểm.
Sai số xác lập và điều khiển PID
Loại của hệ
số cực của G(s) tại s = 0
Hằng số sai số
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Bước nhảy A
ess = A/(1 + Kp)
Tín hiệu dốc A·t
ess = A/Kv
Parabol A·t²/2
ess = A/Ka
Bộ điều khiển PID
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Mục tiêu bậc hai
s² + 2ζωns + ωn²
Độ vượt quá và thời gian
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)
Phương pháp
Đếm các cực của vòng hở C(s)·G(s) tại s = 0: đó là loại của hệ.
Tính hằng số sai số khớp với đầu vào: Kp cho bước nhảy, Kv cho tín hiệu dốc, Ka cho parabol.
Áp dụng ess = A/(1 + Kp), A/Kv hay A/Ka, hoặc giải nó theo độ lợi bạn cần.
Với yêu cầu về độ cản hoặc tốc độ, viết đa thức đặc trưng vòng kín và so sánh nó với s² + 2ζω_n·s + ω_n².
2Bài tập
1.Biến đổi LaplaceTrung bình
Tìm f(t) cho F(s) = 35/(s(s + 5)(s + 6)) bằng phân thức riêng, và tính f(0,2).
F(s) = 35/(s(s + 5)(s + 6))t = 0,2 s
f(0.2) =
2.Biến đổi LaplaceKhó
Một hệ thống được mô tả bởi phương trình vi phân y″ + 4y′ + 8y = 2u′ + 15u, với đầu vào u(t) và đầu ra y(t). Tìm hàm truyền G(s) = Y(s)/U(s) của nó (điều kiện ban đầu bằng không) và tính đáp ứng xung g(t) tại t = 0,3 s. Tìm g(0,3).
y″ + 4y′ + 8y = 2u′ + 15ut = 0,3 s
g(0.3) =
3.Sơ đồ khốiTrung bình
Một vòng hồi tiếp âm đơn vị có G(s) = 54/(s(s + 1)). Tín hiệu chuẩn là hàm dốc r(t) = 10·t. Tìm sai số xác lập ess.
G(s) = 54/(s(s + 1))r(t) = 10·t
ess =
4.Sơ đồ khốiKhó
Rút gọn sơ đồ khối với G₁ = 4/(s + 2), G₂ = 1/(s + 3), hồi tiếp âm trong H₁ = 1 quanh G₂ và hồi tiếp âm ngoài H₂ = 0,1. Tìm độ lợi một chiều (DC) T(0) của C(s)/R(s).
G₁ = 4/(s + 2)G₂ = 1/(s + 3)H₁ = 1H₂ = 0,1
T(0) =
5.Đáp ứng bướcTrung bình
Một hệ có hàm truyền G(s) = 43/(s² + 13s + 86) và nhận tín hiệu vào là bước nhảy đơn vị. Các cực là s = σ ± jωd. Tìm phần thực σ.
G(s) = 43/(s² + 13s + 86)
σ =
6.Đáp ứng bướcKhó
Một vòng hồi tiếp âm đơn vị có G(s) = 300/(s(s + 20)). Tìm thời gian xác lập 2 % ts của đáp ứng bước vòng kín, dùng ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 300/(s(s + 20))
ts = s
7.Ổn định: Routh–Hurwitz và quỹ đạo nghiệmTrung bình
Vòng trong sơ đồ có hàm truyền vòng hở L(s) = K/(s(s + 5)(s + 6)). Độ lợi được tăng cho đến khi vòng kín ở bờ vực ổn định. Tìm tần số ω của dao động duy trì.
L(s) = K/(s(s + 5)(s + 6))
ω = rad/s
8.Ổn định: Routh–Hurwitz và quỹ đạo nghiệmKhó
Quỹ đạo nghiệm của L(s) = K/(s(s + 6)(s + 8)) rời trục thực giữa s = 0 và s = −6. Tìm điểm tách sb.
L(s) = K/(s(s + 6)(s + 8))
sb =
9.Sai số xác lập và điều khiển PIDTrung bình
Một vòng phản hồi đơn vị với G(s) = K/(s(s + 5)) phải bám theo tín hiệu dốc r(t) = 1t với sai số xác lập 0,05. Tìm độ lợi K.
G(s) = K/(s(s + 5))r(t) = 1tess = 0,05
K =
10.Sai số xác lập và điều khiển PIDKhó
Một bộ điều khiển PD C(s) = 4 + Kd·s điều khiển đối tượng G(s) = 5/(s(s + 2)) trong một vòng phản hồi đơn vị. Tìm độ lợi vi phân Kd cho vòng kín có tỷ số cản ζ = 0,707.
G(s) = 5/(s(s + 2))Kp = 4ζ = 0,707
Kd = s
11.Biểu đồ Bode và độ dự trữTrung bình
Trong bộ lọc thông dải RLC nối tiếp trong hình, đầu ra lấy trên R = 20 Ω, với L = 20 mH và C = 2,2 µF. Tìm hệ số phẩm chất Q.
R = 20 ΩL = 20 mHC = 2,2 µF
Q =
12.Biểu đồ Bode và độ dự trữKhó
Một vòng hồi tiếp đơn vị có hàm truyền vòng hở L(s) = K/(s(s + 4)(s + 7)). Tìm độ khuếch đại K cho độ dự trữ biên 15 dB.
L(s) = K/(s(s + 4)(s + 7))GM = 15 dB
K =
3Dung dịch
1.Biến đổi Laplace
Đáp số: f(0.2) = 0,3485
Biến đổi Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt biến đạo hàm thành phép nhân với s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Các cặp chuẩn: 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), và phép dịch s → s + σ nhân hàm theo thời gian với e−σt. Để biến đổi ngược một F(s) hữu tỉ, hãy tách thành các phân thức riêng: thặng dư của cực đơn p là A = [(s − p)·F(s)] tại s = p. Định lý giá trị cuối: f(∞) = lims→0 s·F(s), chỉ đúng khi mọi cực của s·F(s) nằm trong nửa mặt phẳng trái. Định lý giá trị đầu: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Biến đổi Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt biến đạo hàm thành phép nhân với s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Các cặp chuẩn: 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), và phép dịch s → s + σ nhân hàm theo thời gian với e−σt. Để biến đổi ngược một F(s) hữu tỉ, hãy tách thành các phân thức riêng: thặng dư của cực đơn p là A = [(s − p)·F(s)] tại s = p. Định lý giá trị cuối: f(∞) = lims→0 s·F(s), chỉ đúng khi mọi cực của s·F(s) nằm trong nửa mặt phẳng trái. Định lý giá trị đầu: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Đại số sơ đồ khối: các khối nối tiếp thì nhân (G₁·G₂), các khối song song thì cộng (G₁ + G₂), và một vòng có đường thuận G và đường hồi tiếp H rút gọn thành T = G/(1 + G·H) với hồi tiếp âm và G/(1 − G·H) với hồi tiếp dương. Rút gọn các vòng bên trong trước, rồi làm dần ra ngoài. Các cực vòng kín là nghiệm của phương trình đặc trưng 1 + G(s)H(s) = 0. Với vòng ổn định, đầu vào bậc thang có độ lớn A cho đầu ra xác lập A·T(0); với hồi tiếp đơn vị, sai số xác lập đối với bậc thang là A/(1 + Kp) với Kp = G(0).
Hằng số sai số vận tốc
Kᵥ = lims→0 s·G(s) = 54/1 = 54
Sai số xác lập
ess = A/Kᵥ = 10/54 = 0,1852
Đáp số
ess = 0,1852
4.Sơ đồ khối
Đáp số: T(0) = 0,4762
Đại số sơ đồ khối: các khối nối tiếp thì nhân (G₁·G₂), các khối song song thì cộng (G₁ + G₂), và một vòng có đường thuận G và đường hồi tiếp H rút gọn thành T = G/(1 + G·H) với hồi tiếp âm và G/(1 − G·H) với hồi tiếp dương. Rút gọn các vòng bên trong trước, rồi làm dần ra ngoài. Các cực vòng kín là nghiệm của phương trình đặc trưng 1 + G(s)H(s) = 0. Với vòng ổn định, đầu vào bậc thang có độ lớn A cho đầu ra xác lập A·T(0); với hồi tiếp đơn vị, sai số xác lập đối với bậc thang là A/(1 + Kp) với Kp = G(0).
Đáp ứng bước: một hệ bậc nhất G(s) = K/(τs + 1) đáp ứng với một bước nhảy có biên độ U là y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): nó đạt 63,2 % giá trị cuối K·U sau một hằng số thời gian τ và 98 % sau 4τ. Một hệ bậc hai G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) có các cực s = −ζωₙ ± jωd với ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Với 0 < ζ < 1, đáp ứng bước có độ vọt lố: độ vọt lố phần trăm %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), thời gian đỉnh tp = π/ωd, và thời gian xác lập 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). So sánh mẫu số với s² + 2ζωₙs + ωₙ² để suy ra ωₙ và ζ. Với hệ khối lượng–lò xo–giảm chấn ωₙ = √(k/m) và ζ = c/(2√(km)); với mạch RLC nối tiếp ωₙ = 1/√(LC) và ζ = (R/2)·√(C/L).
So sánh với dạng chuẩn
Mẫu số phải khớp với s² + 2ζωₙs + ωₙ².
ωₙ² = 86 → ωₙ = 9,274 rad/s
2ζωₙ = 13 → ζ = 13/(2·9,274) = 0,7009
Kết quả
σ = −ζωₙ = −13/2 = −6,5
Đáp số
σ = −6,5
6.Đáp ứng bước
Đáp số: ts = 0,4 s
Đáp ứng bước: một hệ bậc nhất G(s) = K/(τs + 1) đáp ứng với một bước nhảy có biên độ U là y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): nó đạt 63,2 % giá trị cuối K·U sau một hằng số thời gian τ và 98 % sau 4τ. Một hệ bậc hai G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) có các cực s = −ζωₙ ± jωd với ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Với 0 < ζ < 1, đáp ứng bước có độ vọt lố: độ vọt lố phần trăm %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), thời gian đỉnh tp = π/ωd, và thời gian xác lập 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). So sánh mẫu số với s² + 2ζωₙs + ωₙ² để suy ra ωₙ và ζ. Với hệ khối lượng–lò xo–giảm chấn ωₙ = √(k/m) và ζ = c/(2√(km)); với mạch RLC nối tiếp ωₙ = 1/√(LC) và ζ = (R/2)·√(C/L).
Với vòng này ζωₙ = a/2 bất kể K bằng bao nhiêu: tăng K làm tăng độ vọt lố nhưng không rút ngắn thời gian xác lập.
7.Ổn định: Routh–Hurwitz và quỹ đạo nghiệm
Đáp số: ω = 5,477 rad/s
Tiêu chuẩn Routh–Hurwitz: một hệ tuyến tính ổn định khi mọi nghiệm của đa thức đặc trưng của nó nằm ở nửa trái của mặt phẳng s. Viết các hệ số xen kẽ vào hai hàng đầu tiên của bảng Routh. Mỗi phần tử của một hàng mới đến từ hai hàng phía trên nó; với đa thức bậc ba a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀ phần tử s¹ là b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂. Số lần đổi dấu trong cột đầu tiên bằng số nghiệm ở nửa mặt phẳng phải. Với độ lợi K trong các hệ số, mọi phần tử của cột đầu phải dương: độ lợi làm phần tử s¹ bằng không là giới hạn ổn định, và hàng s² khi đó cho tần số của dao động duy trì.
Bảng Routh
s³ + 11s² + 30s + K = 0
s³: 1, 30
s²: 11, K
s¹: (11·30 − K)/11
s⁰: K
Độ lợi tới hạn
K = 11·30 = 330
Phương trình phụ
Tại độ lợi tới hạn hàng s¹ bằng không; hàng s² cho các cực trên trục ảo.
11s² + 330 = 0 → s = ±j√30
ω = 5,477 rad/s
Đáp số
ω = 5,477 rad/s
8.Ổn định: Routh–Hurwitz và quỹ đạo nghiệm
Đáp số: sb = −2,263
Quỹ đạo nghiệm số: khi độ lợi K đi từ 0 đến ∞, các cực vòng kín, tức các nghiệm của 1 + K·G(s) = 0, di chuyển từ các cực vòng hở đến các điểm không vòng hở hoặc đến vô cực. Một điểm trên trục thực thuộc quỹ đạo khi số cực và điểm không thực ở bên phải nó là số lẻ. n − m nhánh đi đến vô cực theo các đường tiệm cận ở các góc (2q + 1)·180°/(n − m), xuất phát từ trọng tâm σₐ = (Σ cực − Σ điểm không)/(n − m). Các nhánh rời hoặc nhập vào trục thực tại nơi dK/ds = 0. Điều kiện góc ∠G(s) = 180° quyết định hình dạng, và điều kiện biên độ K = 1/|G(s)| cho độ lợi tại bất kỳ điểm nào của quỹ đạo.
Độ lợi dọc theo trục thực
K(s) = −s(s + 6)(s + 8) = −(s³ + 14s² + 48s)
Các điểm dừng
dK/ds = −(3s² + 28s + 48) = 0
s = (−28 ± √(784 − 576))/6 = −2,263, −7,07
Chọn điểm trên quỹ đạo
Quỹ đạo nằm trên trục thực giữa 0 và −6; nghiệm còn lại không thuộc quỹ đạo.
sb = −2,263
Đáp số
sb = −2,263
9.Sai số xác lập và điều khiển PID
Đáp số: K = 100
Sai số xác lập: trong một vòng phản hồi đơn vị với hàm truyền vòng hở G(s), sai số là E(s) = R(s)/(1 + G(s)), và theo định lý giá trị cuối ess = lims→0 s·E(s). Loại của hệ là số cực của G(s) tại s = 0. Các hằng số sai số là Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) và Ka = lim s²·G(s), đều với s → 0. Một bước nhảy có độ lớn A cho ess = A/(1 + Kp), một tín hiệu dốc A·t cho A/Kv và một parabol A·t²/2 cho A/Ka. Một vòng loại 0 bám theo bước nhảy với sai số hữu hạn, một vòng loại 1 bám theo nó chính xác và bám theo tín hiệu dốc với sai số hữu hạn.
Hằng số vận tốc yêu cầu
Kv = A/ess = 1/0,05 = 20
Độ khuếch đại
K = 5·Kv = 100
Đáp số
K = 100
Một độ lợi lớn làm vòng này cản rất yếu: ζ = 0,25. Mâu thuẫn đó là lý do dùng các bộ bù.
10.Sai số xác lập và điều khiển PID
Đáp số: Kd = 0,8647 s
Điều khiển P, PI và PID: bộ điều khiển C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s tác động lên sai số. Một độ lợi tỉ lệ làm vòng nhanh hơn và giảm sai số của đối tượng loại 0, nhưng không bao giờ loại bỏ nó. Thành phần tích phân thêm một cực tại s = 0: loại của hệ tăng thêm một, và một bước nhảy được bám theo không có sai số. Thành phần vi phân thêm sự cản. Để chọn các độ lợi, viết đa thức đặc trưng vòng kín và so sánh nó với s² + 2ζωns + ωn². Khi đó %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd với ωd = ωn√(1 − ζ²), và ts ≈ 4/(ζωn).
Đa thức đặc trưng
s(s + 2) + 5(4 + Kds) = s² + (2 + 5Kd)s + 20
Tần số riêng
ωₙ = √20 = 4,472 rad/s
Độ lợi vi phân
2 + 5Kd = 2·0,707·4,472 = 6,324
Kd = 0,8647 s
Đáp số
Kd = 0,8647 s
Thành phần vi phân thêm sự cản mà không làm đổi ωₙ.
11.Biểu đồ Bode và độ dự trữ
Đáp số: Q = 4,767
Đáp ứng tần số: thay s = jω vào hàm truyền. Độ lớn theo decibel là 20·log₁₀|H(jω)| và pha là tổng các góc của các nhân tử ở tử trừ đi các góc của các nhân tử ở mẫu. Một bộ lọc RC hoặc RL bậc nhất có tần số góc (−3 dB) tại ωc = 1/(RC) hoặc R/L, và fc = ωc/(2π); bộ lọc thông thấp cho |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) và φ = −atan(ω/ωc). Trong biểu đồ Bode tiệm cận (đường thẳng), mỗi cực bẻ độ lớn xuống 20 dB/decade tại tần số góc của nó, mỗi điểm không bẻ nó lên 20 dB/decade, và một bộ tích phân 1/s cho −20 dB/decade ở mọi tần số. Tần số cắt biên ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); độ dự trữ pha PM = 180° + ∠L(jωc). Tần số cắt pha ω180: ∠L(jω) = −180°; độ dự trữ biên GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Vòng kín ổn định khi cả hai độ dự trữ đều dương.
Tần số cộng hưởng
ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,02·2,2 × 10⁻⁶) = 4767 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 758,7 Hz
Hệ số phẩm chất
BW = R/L = 20/0,02 = 1000 rad/s = 159,2 Hz
Q = ω₀/BW = 4767/1000 = 4,767
Đáp số
Q = 4,767
12.Biểu đồ Bode và độ dự trữ
Đáp số: K = 54,77
Đáp ứng tần số: thay s = jω vào hàm truyền. Độ lớn theo decibel là 20·log₁₀|H(jω)| và pha là tổng các góc của các nhân tử ở tử trừ đi các góc của các nhân tử ở mẫu. Một bộ lọc RC hoặc RL bậc nhất có tần số góc (−3 dB) tại ωc = 1/(RC) hoặc R/L, và fc = ωc/(2π); bộ lọc thông thấp cho |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) và φ = −atan(ω/ωc). Trong biểu đồ Bode tiệm cận (đường thẳng), mỗi cực bẻ độ lớn xuống 20 dB/decade tại tần số góc của nó, mỗi điểm không bẻ nó lên 20 dB/decade, và một bộ tích phân 1/s cho −20 dB/decade ở mọi tần số. Tần số cắt biên ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); độ dự trữ pha PM = 180° + ∠L(jωc). Tần số cắt pha ω180: ∠L(jω) = −180°; độ dự trữ biên GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Vòng kín ổn định khi cả hai độ dự trữ đều dương.