Kejuruteraan Kawalan 1: pek ulang kaji kilat

Lembaran formula, langkah kaedah utama untuk setiap topik dan 12 soalan latihan, dengan penyelesaian penuh di bahagian belakang.

Soalan baharuKembali ke kursus

Dalam tetingkap cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan pada peranti anda.

1Formula dan kaedah

Kestabilan: Routh–Hurwitz & lokus punca

Kestabilan
semua punca polinomial ciri di separuh satah kiri
tatasusunan Routh, entri s¹ bagi kubik
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
Punca separuh satah kanan
bilangan perubahan tanda dalam lajur pertama
Kubik s³ + a₂s² + a₁s + a₀
stabil apabila semua a > 0 dan a₂·a₁ > a₀
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
Persamaan cirian
1 + K·G(s) = 0
Asimptot
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
Titik pemisahan dan penyertaan
dK/ds = 0
Syarat magnitud
K = 1/|G(s)|
Sudut berlepas
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)

Kaedah

  1. Tulis polinomial ciri gelung tertutup: penyebut 1 + K·G(s) = 0, setelah dikembangkan.
  2. Letakkan pekali secara berselang-seli dalam dua baris pertama tatasusunan Routh dan bina baris yang selebihnya.
  3. Kira perubahan tanda dalam lajur pertama: setiap satu ialah kutub di separuh satah kanan. Dengan K dalam tatasusunan, pastikan setiap entri lajur pertama kekal positif.
  4. Untuk lokus punca, tandakan kutub dan sifar, segmen paksi nyata, asimptot dari sentroid dan titik pemisahan di mana dK/ds = 0. Gunakan K = 1/|G(s)| untuk gandaan pada suatu titik.

Ralat keadaan mantap & kawalan PID

Jenis sistem
bilangan kutub G(s) pada s = 0
Pemalar ralat
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Langkah A
ess = A/(1 + Kp)
Tanjakan A·t
ess = A/Kv
Parabola A·t²/2
ess = A/Ka
Pengawal PID
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Sasaran tertib kedua
s² + 2ζωns + ωn²
Terlajak dan pemasaan
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

Kaedah

  1. Kira kutub gelung terbuka C(s)·G(s) pada s = 0: itulah jenis sistem.
  2. Hitung pemalar ralat yang sepadan dengan input: Kp untuk langkah, Kv untuk tanjakan, Ka untuk parabola.
  3. Gunakan ess = A/(1 + Kp), A/Kv atau A/Ka, atau selesaikannya untuk gandaan yang anda perlukan.
  4. Untuk spesifikasi redaman atau laju, tulis polinomial ciri gelung tertutup dan padankan dengan s² + 2ζω_n·s + ω_n².

2Soalan latihan

1.Transformasi LaplaceSederhana
t (s)f(t)t = 0.25f(0.25) = ?

Cari f(t) bagi F(s) = (3s + 8)/(s² + 10s + 25) dan nilaikan f(0.25).

F(s) = (3s + 8)/(s² + 10s + 25)t = 0.25 s
f(0.25) =
2.Transformasi LaplaceSukar
ReIm−22

Satu sistem diterangkan oleh persamaan pembezaan y″ + 4y′ + 13y = u′ + u, dengan masukan u(t) dan keluaran y(t). Cari fungsi pindahnya G(s) = Y(s)/U(s) (syarat awal sifar) dan nilaikan sambutan dedenyut g(t) pada t = 0.3 s. Cari g(0.3).

y″ + 4y′ + 13y = u′ + ut = 0.3 s
g(0.3) =
3.Gambar rajah blokSederhana
R(s)+28s + 3G(s)C(s)2H−

Loji G(s) = 28/(s + 3) dikawal dalam gelung suap balik negatif yang penderianya mempunyai gandaan H = 2. Cari pemalar masa τ gelung tertutup.

G(s) = 28/(s + 3)H = 2
τ = s
4.Gambar rajah blokSukar
R(s)+28s(s + 6)G(s)C(s)2H−

Loji G(s) = 28/(s(s + 6)) berada dalam gelung suap balik negatif dengan gandaan penderia H = 2. Kutub gelung tertutup adalah kompleks. Cari bahagian khayalnya ωd (nilai positif), dalam rad/s.

G(s) = 28/(s(s + 6))H = 2
ωd = rad/s
5.Sambutan langkahSederhana
t (s)y(t)2tp​ = ?

Sesebuah sistem mempunyai fungsi pindah G(s) = 126/(s² + 6s + 63) dan menerima input langkah unit. Cari masa puncak tp bagi sambutan langkah.

G(s) = 126/(s² + 6s + 63)
tp = s
6.Sambutan langkahSukar
R(s)+Ks(s + 2)G(s)C(s)−

Gelung suap balik negatif unit mempunyai G(s) = K/(s(s + 2)). Cari gandaan K yang memberi sambutan langkah dengan lajakan 2 %.

G(s) = K/(s(s + 2))%OS = 2 %
K =
7.Kestabilan: Routh–Hurwitz & lokus puncaSederhana
R(s)+Ks + 11s(s + 1)(s + 4)C(s)−

Gelung suap balik unit mempunyai L(s) = K(s + 11)/(s(s + 1)(s + 4)), dengan K > 0. Cari gandaan terbesar Kmax yang menjadikan gelung tertutup stabil.

L(s) = K(s + 11)/(s(s + 1)(s + 4))
Kmax =
8.Kestabilan: Routh–Hurwitz & lokus puncaSukar
ReIm−5j5

Lokus punca bagi L(s) = K/((s + 4)(s + 5)(s + 6)) dilakar. Cari frekuensi ω di mana lokus memotong paksi khayal.

L(s) = K/((s + 4)(s + 5)(s + 6))
ω = rad/s
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSederhana
R(s)+K(s + 5)(s + 10)C(s)−

Gelung suap balik unit mempunyai G(s) = K/((s + 5)(s + 10)). Cari gandaan K yang memberikan ralat keadaan mantap 10 % untuk input langkah.

G(s) = K/((s + 5)(s + 10))ess = 10 %
K =
10.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSukar
R(s)+Kp​ + Ki​/s1s + 2C(s)−

Pengawal PI C(s) = Kp + Ki/s memacu loji G(s) = 1/(s + 2) dalam gelung suap balik unit. Gelung tertutup mesti mempunyai ωₙ = 4 rad/s dan ζ = 1. Cari gandaan kamiran Ki.

G(s) = 1/(s + 2)ωₙ = 4 rad/sζ = 1
Ki =
11.Plot Bode dan marginSederhana
vin​C = 100 nFR = 3.3 kΩvout​

penapis laluan tinggi RC yang ditunjukkan mempunyai R = 3.3 kΩ, C = 100 nF. Input sinusoid 120 Hz dikenakan. Cari gandaan |H| = |vout/vin| dalam dB.

R = 3.3 kΩC = 100 nFf = 120 Hz
|H| = dB
12.Plot Bode dan marginSukar
|H| (dB)0.10.1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Gelung suap balik unit mempunyai fungsi pindah gelung terbuka L(s) = 274/(s(s + 6)(s + 7)). Cari margin gandaan GM dalam dB.

L(s) = 274/(s(s + 6)(s + 7))
GM = dB

3Larutan

1.Transformasi Laplace

Jawapan: f(0.25) = 0.3581

Transformasi Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt menukarkan terbitan kepada pendaraban dengan s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pasangan piawai: 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), dan anjakan s → s + σ mendarabkan fungsi masa dengan e−σt. Untuk menyongsangkan F(s) nisbah, pecahkan kepada pecahan separa: reja bagi kutub ringkas p ialah A = [(s − p)·F(s)] pada s = p. Teorem nilai akhir: f(∞) = lims→0 s·F(s), sah hanya apabila semua kutub s·F(s) terletak dalam separuh satah kiri. Teorem nilai awal: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Faktorkan penyebut

s² + 10s + 25 = (s + 5)²

Pecahan separa

3s + 8 = 3(s + 5) + −7
F(s) = 3/(s + 5) − 7/(s + 5)²

Transformasi songsang

f(t) = 3·e−5t − 7·t·e−5t
f(0.25) = (3 − 7·0.25)·e−5·0.25 = 0.3581

Jawapan

f(0.25) = 0.3581
2.Transformasi Laplace

Jawapan: g(0.3) = 0.1978

Transformasi Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt menukarkan terbitan kepada pendaraban dengan s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Pasangan piawai: 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), dan anjakan s → s + σ mendarabkan fungsi masa dengan e−σt. Untuk menyongsangkan F(s) nisbah, pecahkan kepada pecahan separa: reja bagi kutub ringkas p ialah A = [(s − p)·F(s)] pada s = p. Teorem nilai akhir: f(∞) = lims→0 s·F(s), sah hanya apabila semua kutub s·F(s) terletak dalam separuh satah kiri. Teorem nilai awal: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Fungsi pindah

G(s) = Y(s)/U(s) = (s + 1)/(s² + 4s + 13)

Pecahan separa

s² + 4s + 13 = (s + 2)² + 3²
G(s) = 1·(s + 2)/((s + 2)² + 3²) + (−1/3)·3/((s + 2)² + 3²)

Sambutan dedenyut

g(t) = e−2t·(cos 3t − 0.3333·sin 3t)
g(0.3) = 0.1978

Jawapan

g(0.3) = 0.1978
3.Gambar rajah blok

Jawapan: τ = 0.01695 s

Aljabar gambar rajah blok: blok bersiri didarab (G₁·G₂), blok selari ditambah (G₁ + G₂), dan gelung dengan laluan hadapan G dan laluan suap balik H dipermudah kepada T = G/(1 + G·H) bagi suap balik negatif dan G/(1 − G·H) bagi suap balik positif. Permudahkan gelung dalam dahulu, kemudian bergerak ke luar. Kutub gelung tertutup ialah punca persamaan cirian 1 + G(s)H(s) = 0. Bagi gelung yang stabil, masukan langkah bersaiz A memberikan keluaran keadaan mantap A·T(0); dengan suap balik unit, ralat keadaan mantap kepada langkah ialah A/(1 + Kp) dengan Kp = G(0).

Fungsi pindah gelung tertutup

T(s) = G/(1 + G·H) = 28/(s + 3 + 56) = 28/(s + 59)

Keputusan

τ = 1/59 = 0.01695 s

Jawapan

τ = 0.01695 s
4.Gambar rajah blok

Jawapan: ωd = 6.856 rad/s

Aljabar gambar rajah blok: blok bersiri didarab (G₁·G₂), blok selari ditambah (G₁ + G₂), dan gelung dengan laluan hadapan G dan laluan suap balik H dipermudah kepada T = G/(1 + G·H) bagi suap balik negatif dan G/(1 − G·H) bagi suap balik positif. Permudahkan gelung dalam dahulu, kemudian bergerak ke luar. Kutub gelung tertutup ialah punca persamaan cirian 1 + G(s)H(s) = 0. Bagi gelung yang stabil, masukan langkah bersaiz A memberikan keluaran keadaan mantap A·T(0); dengan suap balik unit, ralat keadaan mantap kepada langkah ialah A/(1 + Kp) dengan Kp = G(0).

Persamaan cirian

s(s + 6) + 28·2 = 0 → s² + 6s + 56 = 0

Punca

s = −3 ± j·√(56 − 9) = −3 ± j6.856
ωd = 6.856 rad/s

Jawapan

ωd = 6.856 rad/s
5.Sambutan langkah

Jawapan: tp = 0.4275 s

Sambutan langkah: sistem peringkat pertama G(s) = K/(τs + 1) menyambut langkah bersaiz U dengan y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): ia mencapai 63.2 % daripada nilai akhir K·U selepas satu pemalar masa τ dan 98 % selepas 4τ. Sistem peringkat kedua G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) mempunyai kutub s = −ζωₙ ± jωd dengan ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Untuk 0 < ζ < 1 sambutan langkah melajak: peratusan lajakan %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), masa puncak tp = π/ωd, dan masa pengenapan 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Bandingkan penyebut dengan s² + 2ζωₙs + ωₙ² untuk mendapatkan ωₙ dan ζ. Bagi sistem jisim–spring–peredam ωₙ = √(k/m) dan ζ = c/(2√(km)); bagi litar RLC sesiri ωₙ = 1/√(LC) dan ζ = (R/2)·√(C/L).

Bandingkan dengan bentuk piawai

Penyebut mesti sepadan dengan s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 63 → ωₙ = 7.937 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·7.937) = 0.378

Keputusan

ωd = 7.937·√(1 − 0.378²) = 7.348 rad/s → tp = π/ωd = 0.4275 s

Jawapan

tp = 0.4275 s
6.Sambutan langkah

Jawapan: K = 1.645

Sambutan langkah: sistem peringkat pertama G(s) = K/(τs + 1) menyambut langkah bersaiz U dengan y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): ia mencapai 63.2 % daripada nilai akhir K·U selepas satu pemalar masa τ dan 98 % selepas 4τ. Sistem peringkat kedua G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) mempunyai kutub s = −ζωₙ ± jωd dengan ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Untuk 0 < ζ < 1 sambutan langkah melajak: peratusan lajakan %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), masa puncak tp = π/ωd, dan masa pengenapan 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Bandingkan penyebut dengan s² + 2ζωₙs + ωₙ² untuk mendapatkan ωₙ dan ζ. Bagi sistem jisim–spring–peredam ωₙ = √(k/m) dan ζ = c/(2√(km)); bagi litar RLC sesiri ωₙ = 1/√(LC) dan ζ = (R/2)·√(C/L).

Fungsi pindah gelung tertutup

T(s) = K/(s² + 2s + K)

Nisbah redaman daripada lajakan

ζ = −ln(0.02)/√(π² + ln²(0.02)) = 0.7797

Gandaan

ωₙ = 2/(2ζ) = 1.283 rad/s
K = ωₙ² = 1.645

Jawapan

K = 1.645
7.Kestabilan: Routh–Hurwitz & lokus punca

Jawapan: Kmax = 3.333

Kriteria Routh–Hurwitz: sistem linear stabil apabila setiap punca polinomial cirinya terletak di separuh kiri satah-s. Tulis pekali secara berselang-seli ke dalam dua baris pertama tatasusunan Routh. Setiap entri baris baharu datang daripada dua baris di atasnya; untuk kubik a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀ entri s¹ ialah b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂. Bilangan perubahan tanda dalam lajur pertama sama dengan bilangan punca di separuh satah kanan. Dengan gandaan K dalam pekali, setiap entri lajur pertama mesti kekal positif: gandaan yang menjadikan entri s¹ sifar ialah had kestabilan, dan baris s² kemudian memberikan frekuensi ayunan berterusan.

Polinomial ciri

s(s + 1)(s + 4) + K(s + 11) = s³ + 5s² + (4 + K)s + 11K

Tatasusunan Routh

s³: 1, 4 + K
s²: 5, 11K
s¹: (5·(4 + K) − 11K)/5
s⁰: 11K

Syarat

20 − 6K > 0
K < 20/6 = 3.333

Jawapan

Kmax = 3.333

Dengan sifar di sebelah kanan s = −5, gelung akan kekal stabil untuk setiap K > 0.

8.Kestabilan: Routh–Hurwitz & lokus punca

Jawapan: ω = 8.602 rad/s

Lokus punca: apabila gandaan K berubah dari 0 ke ∞, kutub gelung tertutup, punca 1 + K·G(s) = 0, bergerak daripada kutub gelung terbuka ke sifar gelung terbuka atau ke infiniti. Titik pada paksi nyata tergolong dalam lokus apabila bilangan kutub dan sifar nyata di sebelah kanannya ialah ganjil. Cabang n − m yang menuju ke infiniti mengikut asimptot pada sudut (2q + 1)·180°/(n − m), yang bermula dari sentroid σₐ = (Σ kutub − Σ sifar)/(n − m). Cabang meninggalkan atau menyertai paksi nyata di mana dK/ds = 0. Syarat sudut ∠G(s) = 180° menentukan bentuk, dan syarat magnitud K = 1/|G(s)| memberikan gandaan pada mana-mana titik lokus.

Gandaan genting

s³ + 15s² + 74s + 120 + K = 0
s¹: (15·74 − 120 − K)/15 = 0 → K = 990

Frekuensi persilangan

15s² + 120 + 990 = 15s² + 1110 = 0 → s² = −74
ω = √74 = 8.602 rad/s

Jawapan

ω = 8.602 rad/s
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PID

Jawapan: K = 450

Ralat keadaan mantap: dalam gelung suap balik unit dengan fungsi pindahan gelung terbuka G(s) ralatnya ialah E(s) = R(s)/(1 + G(s)), dan melalui teorem nilai akhir ess = lims→0 s·E(s). Jenis sistem ialah bilangan kutub G(s) pada s = 0. Pemalar ralat ialah Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) dan Ka = lim s²·G(s), semuanya untuk s → 0. Langkah bersaiz A memberikan ess = A/(1 + Kp), tanjakan A·t memberikan A/Kv dan parabola A·t²/2 memberikan A/Ka. Gelung jenis-0 mengikut langkah dengan ralat terhingga, gelung jenis-1 mengikutnya dengan tepat dan tanjakan dengan ralat terhingga.

Pemalar ralat yang diperlukan

1/(1 + Kp) = 0.1 → Kp = 9

Gandaan

K/50 = 9 → K = 450

Jawapan

K = 450

Semak juga kestabilan gelung tertutup: untuk gelung tertib kedua ini sebarang K > 0 adalah stabil.

10.Ralat keadaan mantap & kawalan PID

Jawapan: Ki = 16

Kawalan P, PI dan PID: pengawal C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s bertindak ke atas ralat. Gandaan berkadar menjadikan gelung lebih pantas dan mengurangkan ralat loji jenis-0, tetapi tidak pernah menghapuskannya. Sebutan kamiran menambah kutub pada s = 0: jenis sistem meningkat satu, dan langkah diikuti tanpa ralat. Sebutan terbitan menambah redaman. Untuk memilih gandaan, tulis polinomial ciri gelung tertutup dan bandingkannya dengan s² + 2ζωns + ωn². Maka %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd dengan ωd = ωn√(1 − ζ²), dan ts ≈ 4/(ζωn).

Polinomial ciri

1 + C(s)G(s) = 0, didarab dengan s(s + 2).

s² + (2 + 1Kp)s + 1Ki

Polinomial sasaran

s² + 2·1·4s + 4² = s² + 8s + 16

Padankan pekali

1Ki = 16 → Ki = 16

Jawapan

Ki = 16

Sebutan kamiran menjadikan gelung jenis-1, jadi langkah diikuti tanpa ralat keadaan mantap.

11.Plot Bode dan margin

Jawapan: |H| = −12.34 dB

Sambutan frekuensi: gantikan s = jω dalam fungsi pindah. Magnitud dalam desibel ialah 20·log₁₀|H(jω)| dan fasa ialah hasil tambah sudut faktor pengatas tolak sudut faktor penyebut. Penapis RC atau RL peringkat pertama mempunyai frekuensi sudut (−3 dB) pada ωc = 1/(RC) atau R/L, dan fc = ωc/(2π); penapis laluan rendah memberi |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) dan φ = −atan(ω/ωc). Dalam plot Bode asimptot (garis lurus) setiap kutub membengkokkan magnitud ke bawah sebanyak 20 dB/dekad pada frekuensi sudutnya, setiap sifar membengkokkannya ke atas sebanyak 20 dB/dekad, dan pengamir 1/s memberi −20 dB/dekad pada semua frekuensi. Lintasan gandaan ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margin fasa PM = 180° + ∠L(jωc). Lintasan fasa ω180: ∠L(jω) = −180°; margin gandaan GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Gelung tertutup stabil apabila kedua-dua margin positif.

Frekuensi sudut

ωc = 1/(RC) = 1/(3300·1 × 10⁻⁷) = 3030 rad/s
fc = 482.3 Hz → f/fc = 120/482.3 = 0.2488

Gandaan

|H| = 0.2488/√(1 + 0.2488²) = 0.2415
20·log₁₀(0.2415) = −12.34 dB

Jawapan

|H| = −12.34 dB
12.Plot Bode dan margin

Jawapan: GM = 5.989 dB

Sambutan frekuensi: gantikan s = jω dalam fungsi pindah. Magnitud dalam desibel ialah 20·log₁₀|H(jω)| dan fasa ialah hasil tambah sudut faktor pengatas tolak sudut faktor penyebut. Penapis RC atau RL peringkat pertama mempunyai frekuensi sudut (−3 dB) pada ωc = 1/(RC) atau R/L, dan fc = ωc/(2π); penapis laluan rendah memberi |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) dan φ = −atan(ω/ωc). Dalam plot Bode asimptot (garis lurus) setiap kutub membengkokkan magnitud ke bawah sebanyak 20 dB/dekad pada frekuensi sudutnya, setiap sifar membengkokkannya ke atas sebanyak 20 dB/dekad, dan pengamir 1/s memberi −20 dB/dekad pada semua frekuensi. Lintasan gandaan ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); margin fasa PM = 180° + ∠L(jωc). Lintasan fasa ω180: ∠L(jω) = −180°; margin gandaan GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Gelung tertutup stabil apabila kedua-dua margin positif.

Lintasan fasa

(ω/6)·(ω/7) = 1 → ω180 = √(6·7) = 6.481 rad/s

Magnitud pada lintasan fasa

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 36)·√(ω² + 49)) = K/(6·7·(6 + 7)) = K/546

Margin gandaan

GM = 20·log₁₀(546/274) = 5.989 dB

Jawapan

GM = 5.989 dB

ExamProblems · examproblems.com/courses/control-engineering-1