هندسة التحكم 2: تصميم التحكم بالتغذية الراجعة: حزمة المراجعة المكثفة

أوراق القوانين، وأهم خطوات الحل لكل موضوع، و10 مسألة تدريبية، مع الحلول الكاملة في الخلف.

مسائل جديدةالعودة إلى المقرّر

في نافذة الطباعة اختر «حفظ بصيغة PDF» لحفظ نسخة على جهازك.

1القوانين وطرق الحل

الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الاستقرار
جميع جذور كثير الحدود المميِّز في النصف الأيسر من المستوى
جدول راوث، عنصر الصف s¹ في كثير حدود تكعيبي
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
جذور النصف الأيمن من المستوى
عدد تغيّرات الإشارة في العمود الأول
كثير الحدود التكعيبي s³ + a₂s² + a₁s + a₀
مستقر حين a > 0 لجميع المعاملات وa₂·a₁ > a₀
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
المعادلة المميزة
1 + K·G(s) = 0
الخطوط المقاربة
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
نقطتا الانفصال والالتقاء
dK/ds = 0
شرط المقدار
K = 1/|G(s)|
زاوية المغادرة
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)

الطريقة

  1. اكتب كثير الحدود المميِّز للحلقة المغلقة: مقام 1 + K·G(s) = 0، بعد فكّه.
  2. ضع المعاملات بالتناوب في الصفين الأولين من جدول راوث وابنِ بقية الصفوف.
  3. عُدّ تغيّرات الإشارة في العمود الأول: كل تغيّر قطب في النصف الأيمن من المستوى. ومع وجود K في الجدول اشترط أن يبقى كل عنصر في العمود الأول موجبًا.
  4. للمحل الهندسي للجذور عيّن الأقطاب والأصفار وقطع المحور الحقيقي والخطوط المقاربة من المركز ونقاط الانفصال حيث dK/ds = 0. واستخدم K = 1/|G(s)| لإيجاد الكسب عند نقطة.

خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

نوع النظام
عدد أقطاب G(s) عند s = 0
ثوابت الخطأ
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
الخطوة A
ess = A/(1 + Kp)
المنحدر A·t
ess = A/Kv
القطع المكافئ A·t²/2
ess = A/Ka
المتحكم PID
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
الهدف من الرتبة الثانية
s² + 2ζωns + ωn²
التجاوز والتوقيت
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

الطريقة

  1. عُدّ أقطاب الحلقة المفتوحة C(s)·G(s) عند s = 0: فذلك هو نوع النظام.
  2. احسب ثابت الخطأ المناسب للدخل: Kp للخطوة، وKv للمنحدر، وKa للقطع المكافئ.
  3. طبّق ess = A/(1 + Kp) أو A/Kv أو A/Ka، أو حُلّها لإيجاد الكسب المطلوب.
  4. لمواصفة التخميد أو السرعة اكتب كثير الحدود المميِّز للحلقة المغلقة وطابقه مع s² + 2ζω_n·s + ω_n².

2مسائل تدريبية

1.الاستجابة الخطويةمتوسطة
t (s)y(t)2

لنظام دالة النقل G(s) = 182/(s² + 13s + 91) ويتلقى دخلًا خطويًا وحدويًا. أوجد التردد الطبيعي ωn بوحدة rad/s.

G(s) = 182/(s² + 13s + 91)
ωn = rad/s
2.الاستجابة الخطويةصعبة
R(s)+125s(s + 4)G(s)C(s)−

لحلقة تغذية عكسية سالبة وحدوية G(s) = 125/(s(s + 4)). أوجد زمن الاستقرار ts عند 2 % للاستجابة الخطوية للحلقة المغلقة باستخدام ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 125/(s(s + 4))
ts = s
3.مخططات بودي والهوامشمتوسطة
|H| (dB)0,11101001000−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 8

أوجد المقدار الدقيق |G(jω)| لـ G(s) = 357/((s + 3)(s + 17)) عند ω = 8 rad/s، بوحدة dB.

G(s) = 357/((s + 3)(s + 17))ω = 8 rad/s
|G(jω)| = dB
4.مخططات بودي والهوامشصعبة
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

حلقة تغذية عكسية وحدوية دالة نقلها المفتوحة L(s) = 596/(s(s + 7)(s + 10)). أوجد هامش الكسب GM بوحدة dB.

L(s) = 596/(s(s + 7)(s + 10))
GM = dB
5.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورمتوسطة
R(s)+Ks + 7s(s + 1)(s + 3)C(s)−

لحلقة تغذية عكسية وحدوية L(s) = K(s + 7)/(s(s + 1)(s + 3)) مع K > 0. أوجد أكبر كسب Kmax تكون الحلقة المغلقة عنده مستقرة.

L(s) = K(s + 7)/(s(s + 1)(s + 3))
Kmax =
6.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذورصعبة
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−9−101j1j2

لحلقة تغذية عكسية وحدوية L(s) = K(s + 2)/(s(s + 4)(s + 6)(s + 8)). أوجد النقطة σa التي تقطع فيها الخطوط المقاربة للمحل الهندسي للجذور المحور الحقيقي.

L(s) = K(s + 2)/(s(s + 4)(s + 6)(s + 8))
σa =
7.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDمتوسطة
r(t) = 5t+Ks(s + 4)C(s)−

يجب أن تتبع حلقة تغذية عكسية وحدوية فيها G(s) = K/(s(s + 4)) المنحدر r(t) = 5t بخطأ حالة مستقرة قدره 0,05. أوجد الكسب K.

G(s) = K/(s(s + 4))r(t) = 5tess = 0,05
K =
8.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDصعبة
R(s)+K5s(s + 6)C(s)−

يتحكم متحكم تناسبي K في المحطة G(s) = 5/(s(s + 6)) ضمن حلقة تغذية عكسية وحدوية. أوجد الكسب K الذي يعطي الحلقة المغلقة نسبة تخميد ζ = 0,707.

G(s) = 5/(s(s + 6))ζ = 0,707
K =
9.المخططات الصندوقيةمتوسطة
R(s)+14K+1s + 4G(s)C(s)1H₁−−

للنظام المُتحكَّم فيه G(s) = 1/(s + 4) حلقة تغذية راجعة سالبة داخلية (ثانوية) كسبها H₁ = 1. كسب متحكّم K = 14 وحلقة تغذية راجعة سالبة أحادية خارجية يُغلقان النظام. أوجد كسب التيار المستمر للحلقة المغلقة T(0).

G(s) = 1/(s + 4)H₁ = 1K = 14
T(0) =
10.المخططات الصندوقيةصعبة
R(s)+Kالمتحكّم+D(s)+10s + 1النظام المُتحكَّم فيهC(s)−

متحكّم تناسبي K يقود النظام G(s) = 10/(s + 1) في حلقة تغذية راجعة سالبة أحادية. تدخل خطوة اضطراب مقدارها 1 عند دخل النظام بينما R = 0. أوجد أصغر كسب K يُبقي خرج الحالة المستقرة عند 0,2 أو دونه.

G(s) = 10/(s + 1)D = 1css ≤ 0,2
K =

3المحاليل

1.الاستجابة الخطوية

الإجابة: ωn = 9,539 rad/s

الاستجابة للدخل الخطوي: النظام من الرتبة الأولى G(s) = K/(τs + 1) يستجيب لخطوة مقدارها U بالعلاقة y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): يبلغ 63,2 % من القيمة النهائية K·U بعد ثابت زمني واحد τ و98 % بعد 4τ. والنظام من الرتبة الثانية G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) له القطبان s = −ζωₙ ± jωd مع ωd = ωₙ√(1 − ζ²). وعندما 0 < ζ < 1 تتجاوز الاستجابة الخطوية القيمة النهائية: النسبة المئوية للتجاوز %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²)، وزمن الذروة tp = π/ωd، وزمن الاستقرار عند 2 % هو ts ≈ 4/(ζωₙ). قارن المقام مع s² + 2ζωₙs + ωₙ² لقراءة ωₙ وζ. وفي نظام كتلة–نابض–مخمّد ωₙ = √(k/m) وζ = c/(2√(km))؛ وفي دائرة RLC على التسلسل ωₙ = 1/√(LC) وζ = (R/2)·√(C/L).

قارن مع الصيغة القياسية

يجب أن يطابق المقام s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 91 → ωₙ = 9,539 rad/s
2ζωₙ = 13 → ζ = 13/(2·9,539) = 0,6814

النتيجة

ωₙ = 9,539 rad/s

الإجابة

ωn = 9,539 rad/s
2.الاستجابة الخطوية

الإجابة: ts = 2 s

الاستجابة للدخل الخطوي: النظام من الرتبة الأولى G(s) = K/(τs + 1) يستجيب لخطوة مقدارها U بالعلاقة y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): يبلغ 63,2 % من القيمة النهائية K·U بعد ثابت زمني واحد τ و98 % بعد 4τ. والنظام من الرتبة الثانية G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) له القطبان s = −ζωₙ ± jωd مع ωd = ωₙ√(1 − ζ²). وعندما 0 < ζ < 1 تتجاوز الاستجابة الخطوية القيمة النهائية: النسبة المئوية للتجاوز %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²)، وزمن الذروة tp = π/ωd، وزمن الاستقرار عند 2 % هو ts ≈ 4/(ζωₙ). قارن المقام مع s² + 2ζωₙs + ωₙ² لقراءة ωₙ وζ. وفي نظام كتلة–نابض–مخمّد ωₙ = √(k/m) وζ = c/(2√(km))؛ وفي دائرة RLC على التسلسل ωₙ = 1/√(LC) وζ = (R/2)·√(C/L).

دالة تحويل الحلقة المغلقة

T(s) = 125/(s² + 4s + 125): ωₙ = 11,18 rad/s, ζ = 0,1789

زمن الاستقرار

ζωₙ = 4/2 = 2
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 2 s

الإجابة

ts = 2 s

في هذه الحلقة ζωₙ = a/2 مهما كانت K: زيادة K تزيد التجاوز لكنها لا تقصّر زمن الاستقرار.

3.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: |G(jω)| = 6,942 dB

الاستجابة الترددية: عوّض s = jω في دالة النقل. المقدار بالديسيبل هو 20·log₁₀|H(jω)| والطور هو مجموع زوايا عوامل البسط ناقص زوايا عوامل المقام. مرشح RC أو RL من الرتبة الأولى له تردد الركن (−3 dB) عند ωc = 1/(RC) أو R/L، وfc = ωc/(2π)؛ ومرشح تمرير الترددات المنخفضة يعطي |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) وφ = −atan(ω/ωc). وفي مخطط بودي التقريبي (الخطوط المستقيمة) ينحني كل قطب بالمقدار إلى الأسفل بـ 20 dB/decade عند تردد ركنه، وينحني كل صفر إلى الأعلى بـ 20 dB/decade، ويعطي المكامل 1/s ميلًا قدره −20 dB/decade عند كل الترددات. تردد تقاطع الكسب ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB)؛ وهامش الطور PM = 180° + ∠L(jωc). تردد تقاطع الطور ω180: ∠L(jω) = −180°؛ وهامش الكسب GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. تكون الحلقة المغلقة مستقرة حين يكون الهامشان موجبين.

اضرب المقادير

|G(j8)| = 357/(√(8² + 3²)·√(8² + 17²)) = 357/(8,544·18,79) = 2,224

النتيجة

20·log₁₀(2,224) = 6,942 dB

الإجابة

|G(jω)| = 6,942 dB
4.مخططات بودي والهوامش

الإجابة: GM = 6,006 dB

الاستجابة الترددية: عوّض s = jω في دالة النقل. المقدار بالديسيبل هو 20·log₁₀|H(jω)| والطور هو مجموع زوايا عوامل البسط ناقص زوايا عوامل المقام. مرشح RC أو RL من الرتبة الأولى له تردد الركن (−3 dB) عند ωc = 1/(RC) أو R/L، وfc = ωc/(2π)؛ ومرشح تمرير الترددات المنخفضة يعطي |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) وφ = −atan(ω/ωc). وفي مخطط بودي التقريبي (الخطوط المستقيمة) ينحني كل قطب بالمقدار إلى الأسفل بـ 20 dB/decade عند تردد ركنه، وينحني كل صفر إلى الأعلى بـ 20 dB/decade، ويعطي المكامل 1/s ميلًا قدره −20 dB/decade عند كل الترددات. تردد تقاطع الكسب ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB)؛ وهامش الطور PM = 180° + ∠L(jωc). تردد تقاطع الطور ω180: ∠L(jω) = −180°؛ وهامش الكسب GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. تكون الحلقة المغلقة مستقرة حين يكون الهامشان موجبين.

تقاطع الطور

(ω/7)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(7·10) = 8,367 rad/s

المقدار عند تقاطع الطور

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 49)·√(ω² + 100)) = K/(7·10·(7 + 10)) = K/1190

هامش الكسب

GM = 20·log₁₀(1190/596) = 6,006 dB

الإجابة

GM = 6,006 dB
5.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: Kmax = 4

معيار راوث–هرفيتز: يكون النظام الخطي مستقرًا حين يقع كل جذر من جذور كثير حدوده المميِّز في النصف الأيسر من المستوى s. اكتب المعاملات بالتناوب في الصفين الأولين من جدول راوث. يأتي كل عنصر في صف جديد من الصفين اللذين فوقه؛ وبالنسبة إلى كثير حدود تكعيبي a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀ يكون عنصر الصف s¹ هو b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂. عدد تغيّرات الإشارة في العمود الأول يساوي عدد الجذور في النصف الأيمن من المستوى. وحين يدخل الكسب K في المعاملات يجب أن يبقى كل عنصر في العمود الأول موجبًا: الكسب الذي يجعل عنصر الصف s¹ صفرًا هو حدّ الاستقرار، ثم يعطي الصف s² تردد التذبذب المستمر.

كثير الحدود المميِّز

s(s + 1)(s + 3) + K(s + 7) = s³ + 4s² + (3 + K)s + 7K

جدول روث

s³: 1, 3 + K
s²: 4, 7K
s¹: (4·(3 + K) − 7K)/4
s⁰: 7K

الشرط

12 − 3K > 0
K < 12/3 = 4

الإجابة

Kmax = 4

لو وقع الصفر على يمين s = −4 لبقيت الحلقة مستقرة لكل K > 0.

6.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور

الإجابة: σa = −5,333

المحل الهندسي للجذور: حين يتغير الكسب K من 0 إلى ∞ تتحرك أقطاب الحلقة المغلقة، وهي جذور 1 + K·G(s) = 0، من أقطاب الحلقة المفتوحة إلى أصفار الحلقة المفتوحة أو إلى ما لا نهاية. تنتمي نقطة على المحور الحقيقي إلى المحل الهندسي حين يكون عدد الأقطاب والأصفار الحقيقية على يمينها فرديًا. تتبع الفروع n − m المتجهة إلى ما لا نهاية خطوطًا مقاربة بالزوايا (2q + 1)·180°/(n − m)، وتنطلق من المركز σₐ = (Σ الأقطاب − Σ الأصفار)/(n − m). تغادر الفروع المحور الحقيقي أو تنضم إليه حيث dK/ds = 0. يحدد شرط الزاوية ∠G(s) = 180° الشكل، ويعطي شرط المقدار K = 1/|G(s)| الكسب عند أي نقطة من المحل الهندسي.

الأقطاب والأصفار

الأقطاب: 0, −4, −6, −8
أصفار: −2
n − m = 4 − 1 = 3

المركز

σa = (−18 − (−2))/3 = −5,333

الإجابة

σa = −5,333

تنطلق الخطوط المقاربة الـ 3 من المركز بزوايا 60°, 180°, 300°.

7.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: K = 400

خطأ الحالة المستقرة: في حلقة تغذية عكسية وحدوية بدالة نقل الحلقة المفتوحة G(s) يكون الخطأ E(s) = R(s)/(1 + G(s))، وبنظرية القيمة النهائية ess = lims→0 s·E(s). نوع النظام هو عدد أقطاب G(s) عند s = 0. ثوابت الخطأ هي Kp = lim G(s) وKv = lim s·G(s) وKa = lim s²·G(s)، كلها عندما s → 0. تعطي دالة خطوة بحجم A الخطأ ess = A/(1 + Kp)، وتعطي دالة منحدرة A·t الخطأ A/Kv، وتعطي دالة قطع مكافئ A·t²/2 الخطأ A/Ka. تتبع حلقة من النوع 0 دالة الخطوة بخطأ منتهٍ، أما حلقة من النوع 1 فتتبعها تمامًا وتتبع دالة المنحدر بخطأ منتهٍ.

ثابت السرعة المطلوب

Kv = A/ess = 5/0,05 = 100

الكسب

K = 4·Kv = 400

الإجابة

K = 400

الكسب الكبير يجعل هذه الحلقة قليلة التخميد جدًا: ζ = 0,1. وهذا التعارض هو سبب استخدام المعوِّضات.

8.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID

الإجابة: K = 3,601

التحكم P وPI وPID: يعمل المتحكم C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s على الخطأ. الكسب التناسبي يجعل الحلقة أسرع ويقلل خطأ محطة من النوع 0، لكنه لا يزيله أبدًا. يضيف الحد التكاملي قطبًا عند s = 0: فيرتفع نوع النظام بواحد، وتُتبع الخطوة دون خطأ. ويضيف الحد التفاضلي تخميدًا. لاختيار الكسوب اكتب كثير الحدود المميِّز للحلقة المغلقة وقارنه بـ s² + 2ζωns + ωn². عندئذٍ %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²)، وtp = π/ωd مع ωd = ωn√(1 − ζ²)، وts ≈ 4/(ζωn).

كثير الحدود المميِّز

s(s + 6) + 5K = s² + 6s + 5K

التردد الطبيعي

2·0,707·ωₙ = 6 → ωₙ = 4,243 rad/s

الكسب

5K = ωₙ² = 18,01 → K = 3,601

الإجابة

K = 3,601
9.المخططات الصندوقية

الإجابة: T(0) = 0,7368

جبر المخططات الصندوقية: الصناديق على التوالي تُضرب (G₁·G₂)، والصناديق على التوازي تُجمع (G₁ + G₂)، والحلقة ذات المسار الأمامي G ومسار التغذية الراجعة H تُختزل إلى T = G/(1 + G·H) للتغذية الراجعة السالبة و G/(1 − G·H) للتغذية الراجعة الموجبة. اختزل الحلقات الداخلية أولًا، ثم اتجه إلى الخارج. أقطاب الحلقة المغلقة هي جذور المعادلة المميّزة 1 + G(s)H(s) = 0. لحلقة مستقرة، دخل خطوة مقداره A يعطي خرج الحالة المستقرة A·T(0)؛ ومع التغذية الراجعة الأحادية يكون خطأ الحالة المستقرة لخطوة A/(1 + Kp) مع Kp = G(0).

الحلقة الداخلية

Gᵢ = G/(1 + G·H₁) = 1/(s + 4 + 1·1) = 1/(s + 5)

الحلقة الخارجية

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 14/(s + 5 + 14) = 14/(s + 19)

النتيجة

T(0) = 14/19 = 0,7368

الإجابة

T(0) = 0,7368
10.المخططات الصندوقية

الإجابة: K = 4,9

جبر المخططات الصندوقية: الصناديق على التوالي تُضرب (G₁·G₂)، والصناديق على التوازي تُجمع (G₁ + G₂)، والحلقة ذات المسار الأمامي G ومسار التغذية الراجعة H تُختزل إلى T = G/(1 + G·H) للتغذية الراجعة السالبة و G/(1 − G·H) للتغذية الراجعة الموجبة. اختزل الحلقات الداخلية أولًا، ثم اتجه إلى الخارج. أقطاب الحلقة المغلقة هي جذور المعادلة المميّزة 1 + G(s)H(s) = 0. لحلقة مستقرة، دخل خطوة مقداره A يعطي خرج الحالة المستقرة A·T(0)؛ ومع التغذية الراجعة الأحادية يكون خطأ الحالة المستقرة لخطوة A/(1 + Kp) مع Kp = G(0).

استجابة الاضطراب

css = D·G(0)/(1 + K·G(0)) = 1·10/(1 + 10K)

حلّ لإيجاد K

1 + 10K = 1·10/0,2 = 50
K = (50 − 1)/10 = 4,9

الإجابة

K = 4,9

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