Teknik Kontrol 2: Perancangan Kontrol Umpan Balik: paket kilat

Lembar rumus, langkah-langkah metode utama untuk setiap topik, dan 10 soal latihan, dengan pembahasan lengkap di bagian belakang.

Soal baruKembali ke mata kuliah

Di jendela cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan di perangkat Anda.

1Rumus dan metode

Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akar

Kestabilan
semua akar polinomial karakteristik berada di setengah bidang kiri
tabel Routh, entri s¹ dari polinomial kubik
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
Akar di setengah bidang kanan
jumlah perubahan tanda pada kolom pertama
Polinomial kubik s³ + a₂s² + a₁s + a₀
stabil bila semua a > 0 dan a₂·a₁ > a₀
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
Persamaan karakteristik
1 + K·G(s) = 0
Asimtot
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
Titik pencar dan titik temu
dK/ds = 0
Syarat besar
K = 1/|G(s)|
Sudut keberangkatan
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)

Metode

  1. Tulis polinomial karakteristik loop tertutup: penyebut dari 1 + K·G(s) = 0, setelah dijabarkan.
  2. Masukkan koefisien secara bergantian ke dua baris pertama tabel Routh lalu susun baris-baris sisanya.
  3. Hitung perubahan tanda pada kolom pertama: masing-masing adalah satu kutub di setengah bidang kanan. Dengan K dalam tabel, syaratkan bahwa setiap entri kolom pertama tetap positif.
  4. Untuk tempat kedudukan akar, tandai kutub dan nol, segmen sumbu real, asimtot dari titik berat, dan titik pisah di tempat dK/ds = 0. Gunakan K = 1/|G(s)| untuk penguatan di suatu titik.

Galat keadaan tunak & kendali PID

Tipe sistem
jumlah kutub G(s) di s = 0
Konstanta galat
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Undak A
ess = A/(1 + Kp)
Ramp A·t
ess = A/Kv
Parabola A·t²/2
ess = A/Ka
Pengendali PID
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Target orde dua
s² + 2ζωns + ωn²
Lewatan dan waktu
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

Metode

  1. Hitung kutub loop terbuka C(s)·G(s) di s = 0: itulah tipe sistem.
  2. Hitung konstanta galat yang sesuai dengan masukan: Kp untuk undak, Kv untuk ramp, Ka untuk parabola.
  3. Terapkan ess = A/(1 + Kp), A/Kv, atau A/Ka, atau selesaikan untuk penguatan yang Anda perlukan.
  4. Untuk spesifikasi redaman atau kecepatan, tulis polinomial karakteristik loop tertutup dan samakan dengan s² + 2ζω_n·s + ω_n².

2Soal latihan

1.Respons langkahSedang
t (s)y(t)2ts​ = ?

Sebuah sistem memiliki fungsi alih G(s) = 140/(s² + 6s + 70) dan menerima masukan langkah satuan. Tentukan waktu penetapan 2 % ts dari respons langkah, dengan ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 140/(s² + 6s + 70)
ts = s
2.Respons langkahSulit
+−5 VR = 85 ΩL = 50 mHC = 10 µFvC​

Rangkaian RLC seri dengan R = 85 Ω, L = 50 mH, dan C = 10 µF dihubungkan ke langkah 5 V pada t = 0. Kapasitor belum bermuatan dan tidak ada arus yang mengalir sebelum langkah. Tentukan tegangan puncak kapasitor vC,max.

R = 85 ΩL = 50 mHC = 10 µFV = 5 V
vC,max = V
3.Plot Bode dan marginSedang
|H| (dB)0,11101001000−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 3

Cari besar eksak |G(jω)| dari G(s) = 1729/((s + 7)(s + 19)) pada ω = 3 rad/s, dalam dB.

G(s) = 1729/((s + 7)(s + 19))ω = 3 rad/s
|G(jω)| = dB
4.Plot Bode dan marginSulit
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Lingkar umpan balik satuan memiliki fungsi alih lingkar terbuka L(s) = 36/(s(s + 1)(s + 8)). Cari margin penguatan GM dalam dB.

L(s) = 36/(s(s + 1)(s + 8))
GM = dB
5.Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akarSedang
R(s)+4801s(s + 2)(s + 10)C(s)−

Loop pada diagram memiliki umpan balik negatif dan L(s) = 480/(s(s + 2)(s + 10)). Berapa banyak kutub loop tertutup N yang terletak di setengah bidang kanan?

L(s) = 480/(s(s + 2)(s + 10))
N =
6.Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akarSulit
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−9−101j1j2

Tempat kedudukan akar dari L(s) = K(s + 8)/(s(s + 4)) meninggalkan sumbu real di antara s = 0 dan s = −4, melingkar, lalu bergabung kembali dengan sumbu real di sebelah kiri nol. Cari titik temu si.

L(s) = K(s + 8)/(s(s + 4))
si =
7.Galat keadaan tunak & kendali PIDSedang
r(t) = 5·t²/2+10(s + 1)s²(s + 1)C(s)−

Masukan parabola r(t) = 5·t²/2 diberikan ke loop umpan balik satuan dengan G(s) = 10(s + 1)/(s²(s + 1)). Cari galat keadaan tunak ess.

G(s) = 10(s + 1)/(s²(s + 1))r(t) = 5·t²/2
ess =
8.Galat keadaan tunak & kendali PIDSulit
R(s)+K = 85s(s + 6)C(s)−

Pengendali proporsional K = 8 mengendalikan plant G(s) = 5/(s(s + 6)) dalam loop umpan balik satuan. Tentukan waktu penetapan 2 % ts dari respons langkah, dengan ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 5/(s(s + 6))K = 8
ts = s
9.Diagram blokSedang
R(s)+6K+6s + 7G(s)C(s)5H₁−−

Plant G(s) = 6/(s + 7) memiliki loop umpan balik negatif dalam (minor) dengan penguatan H₁ = 5. Penguatan pengendali K = 6 dan loop umpan balik negatif satuan luar menutup sistem. Tentukan penguatan DC loop tertutup T(0).

G(s) = 6/(s + 7)H₁ = 5K = 6
T(0) =
10.Diagram blokSulit
R(s)+K(s + 1)(s + 5)(s + 7)G(s)C(s)−

Plant G(s) = K/((s + 1)(s + 5)(s + 7)) berada dalam loop umpan balik negatif satuan. Gunakan kriteria Routh–Hurwitz untuk mencari penguatan terbesar Kmax agar loop tertutup stabil.

G(s) = K/((s + 1)(s + 5)(s + 7))umpan balik negatif satuan
Kmax =

3Larutan

1.Respons langkah

Jawaban: ts = 1,333 s

Respons langkah: sistem orde satu G(s) = K/(τs + 1) menjawab masukan langkah berukuran U dengan y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): mencapai 63,2 % dari nilai akhir K·U setelah satu konstanta waktu τ dan 98 % setelah 4τ. Sistem orde dua G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) memiliki kutub s = −ζωₙ ± jωd dengan ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Untuk 0 < ζ < 1 respons langkahnya melampaui (overshoot): persen overshoot %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), waktu puncak tp = π/ωd, dan waktu penetapan 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Bandingkan penyebut dengan s² + 2ζωₙs + ωₙ² untuk membaca ωₙ dan ζ. Untuk massa–pegas–peredam ωₙ = √(k/m) dan ζ = c/(2√(km)); untuk rangkaian RLC seri ωₙ = 1/√(LC) dan ζ = (R/2)·√(C/L).

Bandingkan dengan bentuk baku

Penyebut harus cocok dengan s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 70 → ωₙ = 8,367 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·8,367) = 0,3586

Hasil

ζωₙ = 3 → ts ≈ 4/3 = 1,333 s

Jawaban

ts = 1,333 s
2.Respons langkah

Jawaban: vC,max = 5,471 V

Respons langkah: sistem orde satu G(s) = K/(τs + 1) menjawab masukan langkah berukuran U dengan y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): mencapai 63,2 % dari nilai akhir K·U setelah satu konstanta waktu τ dan 98 % setelah 4τ. Sistem orde dua G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) memiliki kutub s = −ζωₙ ± jωd dengan ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Untuk 0 < ζ < 1 respons langkahnya melampaui (overshoot): persen overshoot %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), waktu puncak tp = π/ωd, dan waktu penetapan 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Bandingkan penyebut dengan s² + 2ζωₙs + ωₙ² untuk membaca ωₙ dan ζ. Untuk massa–pegas–peredam ωₙ = √(k/m) dan ζ = c/(2√(km)); untuk rangkaian RLC seri ωₙ = 1/√(LC) dan ζ = (R/2)·√(C/L).

Frekuensi alami dan rasio redaman

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0,05·1 × 10⁻⁵) = 1414 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (85/2)·√(1 × 10⁻⁵/0,05) = 0,601

Hasil

%OS = 9,418 %
vC,max = 5·(1 + 0,09418) = 5,471 V

Jawaban

vC,max = 5,471 V
3.Plot Bode dan margin

Jawaban: |G(jω)| = 21,44 dB

Respons frekuensi: substitusikan s = jω ke fungsi alih. Besar dalam desibel adalah 20·log₁₀|H(jω)| dan fasa adalah jumlah sudut faktor pembilang dikurangi sudut faktor penyebut. Filter RC atau RL orde pertama memiliki frekuensi sudut (−3 dB) pada ωc = 1/(RC) atau R/L, dan fc = ωc/(2π); filter lolos rendah memberi |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) dan φ = −atan(ω/ωc). Pada plot Bode asimtotik (garis lurus) setiap kutub membengkokkan besar ke bawah sebesar 20 dB/dekade pada frekuensi sudutnya, setiap nol membengkokkannya ke atas sebesar 20 dB/dekade, dan integrator 1/s memberi −20 dB/dekade pada semua frekuensi. Persilangan penguatan ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margin fasa PM = 180° + ∠L(jωc). Persilangan fasa ω180: ∠L(jω) = −180°; margin penguatan GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Lingkar tertutup stabil bila kedua margin positif.

Kalikan besar

|G(j3)| = 1729/(√(3² + 7²)·√(3² + 19²)) = 1729/(7,616·19,24) = 11,8

Hasil

20·log₁₀(11,8) = 21,44 dB

Jawaban

|G(jω)| = 21,44 dB
4.Plot Bode dan margin

Jawaban: GM = 6,021 dB

Respons frekuensi: substitusikan s = jω ke fungsi alih. Besar dalam desibel adalah 20·log₁₀|H(jω)| dan fasa adalah jumlah sudut faktor pembilang dikurangi sudut faktor penyebut. Filter RC atau RL orde pertama memiliki frekuensi sudut (−3 dB) pada ωc = 1/(RC) atau R/L, dan fc = ωc/(2π); filter lolos rendah memberi |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) dan φ = −atan(ω/ωc). Pada plot Bode asimtotik (garis lurus) setiap kutub membengkokkan besar ke bawah sebesar 20 dB/dekade pada frekuensi sudutnya, setiap nol membengkokkannya ke atas sebesar 20 dB/dekade, dan integrator 1/s memberi −20 dB/dekade pada semua frekuensi. Persilangan penguatan ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margin fasa PM = 180° + ∠L(jωc). Persilangan fasa ω180: ∠L(jω) = −180°; margin penguatan GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Lingkar tertutup stabil bila kedua margin positif.

Persilangan fasa

(ω/1)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(1·8) = 2,828 rad/s

Besar pada persilangan fasa

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 64)) = K/(1·8·(1 + 8)) = K/72

Margin penguatan

GM = 20·log₁₀(72/36) = 6,021 dB

Jawaban

GM = 6,021 dB
5.Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akar

Jawaban: N = 2

Kriteria Routh–Hurwitz: sistem linear stabil bila setiap akar polinomial karakteristiknya terletak di setengah bidang kiri pada bidang-s. Tulis koefisien secara bergantian ke dua baris pertama tabel Routh. Setiap entri baris baru berasal dari dua baris di atasnya; untuk polinomial kubik a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀ entri s¹ adalah b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂. Jumlah perubahan tanda pada kolom pertama sama dengan jumlah akar di setengah bidang kanan. Dengan penguatan K pada koefisien, setiap entri kolom pertama harus tetap positif: penguatan yang membuat entri s¹ sama dengan nol adalah batas kestabilan, dan baris s² kemudian memberikan frekuensi osilasi yang terus-menerus.

Polinomial karakteristik

s³ + 12s² + 20s + 480 = 0

Larik Routh

s³: 1, 20
s²: 12, 480
s¹: −20
s⁰: 480

Perubahan tanda pada kolom pertama

1 → 12 → −20 → 480
N = 2

Jawaban

N = 2

Penguatan berada di atas batas K = 240, sehingga sepasang kutub kompleks telah menyeberang ke setengah bidang kanan.

6.Kestabilan: Routh–Hurwitz & tempat kedudukan akar

Jawaban: si = −13,66

Tempat kedudukan akar: saat penguatan K bergerak dari 0 ke ∞, kutub loop tertutup, yaitu akar 1 + K·G(s) = 0, bergerak dari kutub loop terbuka menuju nol loop terbuka atau menuju tak hingga. Suatu titik pada sumbu real termasuk dalam tempat kedudukan bila jumlah kutub dan nol real di sebelah kanannya ganjil. n − m cabang yang menuju tak hingga mengikuti asimtot pada sudut (2q + 1)·180°/(n − m), yang berawal dari titik berat σₐ = (Σ kutub − Σ nol)/(n − m). Cabang meninggalkan atau bergabung dengan sumbu real di tempat dK/ds = 0. Syarat sudut ∠G(s) = 180° menentukan bentuknya, dan syarat besar K = 1/|G(s)| memberikan penguatan di titik mana pun pada tempat kedudukan.

Penguatan sepanjang sumbu real

K(s) = −(s² + 4s)/(s + 8)

Titik stasioner

Turunkan dengan aturan hasil bagi dan samakan pembilang dengan nol.

(2s + 4)(s + 8) − (s² + 4s) = s² + 16s + 32 = 0
s = −8 ± √32 = −2,343, −13,66

Titik temu

si = −13,66

Jawaban

si = −13,66

Di antara titik pencar dan titik temu, tempat kedudukan berupa lingkaran yang berpusat di nol, dengan jari-jari √32 = 5,657.

7.Galat keadaan tunak & kendali PID

Jawaban: ess = 0,5

Galat keadaan tunak: dalam loop umpan balik satuan dengan fungsi alih loop terbuka G(s), galatnya adalah E(s) = R(s)/(1 + G(s)), dan menurut teorema nilai akhir ess = lims→0 s·E(s). Tipe sistem adalah jumlah kutub G(s) di s = 0. Konstanta galat adalah Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) dan Ka = lim s²·G(s), semuanya untuk s → 0. Masukan undak berukuran A memberikan ess = A/(1 + Kp), ramp A·t memberikan A/Kv dan parabola A·t²/2 memberikan A/Ka. Loop tipe 0 mengikuti undak dengan galat terhingga, loop tipe 1 mengikutinya dengan tepat dan mengikuti ramp dengan galat terhingga.

Konstanta percepatan

Ka = 10·1/1 = 10

Galat parabola

ess = 5/10 = 0,5

Jawaban

ess = 0,5
8.Galat keadaan tunak & kendali PID

Jawaban: ts = 1,333 s

Kendali P, PI, dan PID: pengendali C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s bekerja pada galat. Penguatan proporsional membuat loop lebih cepat dan mengurangi galat plant tipe 0, tetapi tidak pernah menghilangkannya. Suku integral menambahkan kutub di s = 0: tipe sistem naik satu, dan undak diikuti tanpa galat. Suku turunan menambah redaman. Untuk memilih penguatan, tulis polinomial karakteristik loop tertutup dan bandingkan dengan s² + 2ζωns + ωn². Maka %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd dengan ωd = ωn√(1 − ζ²), dan ts ≈ 4/(ζωn).

Polinomial karakteristik

s(s + 6) + 8·5 = s² + 6s + 40

ωₙ dan ζ

ωₙ = √40 = 6,325 rad/s
ζ = 6/(2·6,325) = 0,4743

Waktu penetapan

ζωₙ = 6/2 = 3
ts ≈ 4/3 = 1,333 s

Jawaban

ts = 1,333 s

Waktu penetapan di sini tidak bergantung pada K: menaikkan K hanya membuat respons berosilasi lebih cepat.

9.Diagram blok

Jawaban: T(0) = 0,4932

Aljabar diagram blok: blok yang seri dikalikan (G₁·G₂), blok yang paralel dijumlahkan (G₁ + G₂), dan loop dengan lintasan maju G dan lintasan umpan balik H direduksi menjadi T = G/(1 + G·H) untuk umpan balik negatif dan G/(1 − G·H) untuk umpan balik positif. Reduksi loop dalam terlebih dahulu, lalu bekerja ke luar. Kutub loop tertutup adalah akar persamaan karakteristik 1 + G(s)H(s) = 0. Untuk loop yang stabil, masukan langkah berukuran A memberi keluaran keadaan tunak A·T(0); dengan umpan balik satuan, galat keadaan tunak terhadap langkah adalah A/(1 + Kp) dengan Kp = G(0).

Loop dalam

Gᵢ = G/(1 + G·H₁) = 6/(s + 7 + 6·5) = 6/(s + 37)

Loop luar

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 36/(s + 37 + 36) = 36/(s + 73)

Hasil

T(0) = 36/73 = 0,4932

Jawaban

T(0) = 0,4932
10.Diagram blok

Jawaban: Kmax = 576

Aljabar diagram blok: blok yang seri dikalikan (G₁·G₂), blok yang paralel dijumlahkan (G₁ + G₂), dan loop dengan lintasan maju G dan lintasan umpan balik H direduksi menjadi T = G/(1 + G·H) untuk umpan balik negatif dan G/(1 − G·H) untuk umpan balik positif. Reduksi loop dalam terlebih dahulu, lalu bekerja ke luar. Kutub loop tertutup adalah akar persamaan karakteristik 1 + G(s)H(s) = 0. Untuk loop yang stabil, masukan langkah berukuran A memberi keluaran keadaan tunak A·T(0); dengan umpan balik satuan, galat keadaan tunak terhadap langkah adalah A/(1 + Kp) dengan Kp = G(0).

Persamaan karakteristik

s³ + 13s² + 47s + 35 + K = 0

Larik Routh

s³ | 1 47
s² | 13 35 + K
s¹ | (13·47 − 35 − K)/13
s⁰ | 35 + K

Batas kestabilan

Semua entri kolom pertama harus positif.

Kmax = 13·47 − 35 = 576

Jawaban

Kmax = 576

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