Letakkan pekali secara berselang-seli dalam dua baris pertama tatasusunan Routh dan bina baris yang selebihnya.
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.
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
Kira kutub gelung terbuka C(s)·G(s) pada s = 0: itulah jenis sistem.
Hitung pemalar ralat yang sepadan dengan input: Kp untuk langkah, Kv untuk tanjakan, Ka untuk parabola.
Gunakan ess = A/(1 + Kp), A/Kv atau A/Ka, atau selesaikannya untuk gandaan yang anda perlukan.
Untuk spesifikasi redaman atau laju, tulis polinomial ciri gelung tertutup dan padankan dengan s² + 2ζω_n·s + ω_n².
2Soalan latihan
1.Transformasi LaplaceSederhana
Cari f(t) bagi F(s) = 30/(s(s + 1)(s + 2)) dengan pecahan separa, dan nilaikan f(0.3).
F(s) = 30/(s(s + 1)(s + 2))t = 0.3 s
f(0.3) =
2.Transformasi LaplaceSukar
Selesaikan y″ + 8y′ + 15y = 0 dengan y(0) = 2 dan y′(0) = −2 menggunakan transformasi Laplace, dan cari y(0.3).
y″ + 8y′ + 15y = 0y(0) = 2y′(0) = −2t = 0.3 s
y(0.3) =
3.Gambar rajah blokSederhana
Gelung suap balik negatif unit mempunyai G(s) = 4(s + 6)/((s + 8)(s + 9)). Satu langkah bersaiz 5 dikenakan pada rujukan. Cari ralat keadaan mantap ess.
G(s) = 4(s + 6)/((s + 8)(s + 9))R = 5
ess =
4.Gambar rajah blokSukar
Loji G(s) = K/((s + 2)(s + 4)(s + 6)) berada dalam gelung suap balik negatif unit. Pada gandaan stabil terbesar gelung berayun. Cari frekuensi ayunan ω dalam rad/s.
G(s) = K/((s + 2)(s + 4)(s + 6))suap balik negatif unit
ω = rad/s
5.Sambutan langkahSederhana
Sesebuah sistem mempunyai fungsi pindah G(s) = 30/(s² + 5s + 30) dan menerima input langkah unit. Cari masa pengenapan 2 % ts bagi sambutan langkah, menggunakan ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 30/(s² + 5s + 30)
ts = s
6.Sambutan langkahSukar
Sistem peringkat kedua tanpa sifar mesti mempunyai sambutan langkah dengan lajakan 20 %. Cari nisbah redaman ζ.
Gelung dalam rajah beroperasi dengan K = 27 dan L(s) = K/(s(s + 3)(s + 6)). Dengan faktor berapakah m gandaan boleh dinaikkan sebelum gelung tertutup menjadi tidak stabil?
L(s) = K/(s(s + 3)(s + 6))K = 27
m =
8.Kestabilan: Routh–Hurwitz & lokus puncaSukar
Lokus punca bagi L(s) = K/(s(s + 4)(s + 10)) meninggalkan paksi nyata antara s = 0 dan s = −4. Cari titik pemisahan sb.
L(s) = K/(s(s + 4)(s + 10))
sb =
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSederhana
Proses G(s) = 2.5/(2s + 1) dikawal oleh gandaan berkadar K = 5 dalam gelung suap balik unit. Cari ralat keadaan mantap ess untuk langkah, sebagai peratusan saiz langkah.
G(s) = 2.5/(2s + 1)K = 5
ess = %
10.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSukar
Pengawal PD C(s) = 10 + Kd·s memacu loji G(s) = 2/(s(s + 3)) dalam gelung suap balik unit. Cari gandaan terbitan Kd yang memberikan gelung tertutup nisbah redaman ζ = 0.8.
G(s) = 2/(s(s + 3))Kp = 10ζ = 0.8
Kd = s
11.Plot Bode dan marginSederhana
Dalam penapis laluan jalur RLC sesiri yang ditunjukkan output diambil merentasi R = 5 Ω, dengan L = 1 mH dan C = 0.22 µF. Cari faktor kualiti Q.
R = 5 ΩL = 1 mHC = 0.22 µF
Q =
12.Plot Bode dan marginSukar
Gelung suap balik unit mempunyai fungsi pindah gelung terbuka L(s) = 50/(s(s + 5)). Cari frekuensi lintasan gandaan ωc, di mana |L(jω)| = 1.
L(s) = 50/(s(s + 5))
ωc = rad/s
3Larutan
1.Transformasi Laplace
Jawapan: f(0.3) = 1.008
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).
Pecahan separa
F(s) = A/s + B/(s + 1) + C/(s + 2)
A = 30/(1·2) = 15
B = 30/((−1)·1) = −30
C = 30/((−2)·(−1)) = 15
Transformasi songsang
f(t) = 15 − 30·e−t + 15·e−2t
Nilaikan
f(0.3) = 15 − 30·e−0.3 + 15·e−2·0.3 = 1.008
Jawapan
f(0.3) = 1.008
2.Transformasi Laplace
Jawapan: y(0.3) = 1.18
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).
Transformasikan persamaan
s²Y − 2s − (−2) + 8(sY − 2) + 15Y = 0
Y(s) = (2s + 14)/((s + 3)(s + 5))
Pecahan separa
A = 8/2 = 4
B = 4/(−2) = −2
Keputusan
y(t) = 4·e−3t − 2·e−5t
y(0.3) = 1.18
Jawapan
y(0.3) = 1.18
Semak: y(0) = A + B = 2.
3.Gambar rajah blok
Jawapan: ess = 3.75
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).
Pemalar ralat kedudukan
Kₚ = G(0) = 4·6/(8·9) = 0.3333
Ralat keadaan mantap
ess = A/(1 + Kₚ) = 5/(1 + 0.3333) = 3.75
Jawapan
ess = 3.75
4.Gambar rajah blok
Jawapan: ω = 6.633 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
s³ + 12s² + 44s + 48 + K = 0
Tatasusunan Routh
s³ | 1 44
s² | 12 48 + K
s¹ | (12·44 − 48 − K)/12
s⁰ | 48 + K
Had kestabilan
Semua entri lajur pertama mesti positif.
Kmax = 12·44 − 48 = 480
Frekuensi ayunan
12·(jω)² + 48 + 480 = 0 → ω² = 528/12 = 44
ω = 6.633 rad/s
Jawapan
ω = 6.633 rad/s
5.Sambutan langkah
Jawapan: ts = 1.6 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 = 30 → ωₙ = 5.477 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·5.477) = 0.4564
Keputusan
ζωₙ = 2.5 → ts ≈ 4/2.5 = 1.6 s
Jawapan
ts = 1.6 s
6.Sambutan langkah
Jawapan: ζ = 0.4559
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).
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.
Tatasusunan Routh
s³ + 9s² + 18s + K = 0
s³: 1, 18
s²: 9, K
s¹: (9·18 − K)/9
s⁰: K
Gandaan stabil terbesar
Kmax = 9·18 = 162
Faktor
m = 162/27 = 6
Jawapan
m = 6
Faktor ini ialah margin gandaan sebagai nisbah: 15.56 dB.
8.Kestabilan: Routh–Hurwitz & lokus punca
Jawapan: sb = −1.761
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 di sepanjang paksi nyata
K(s) = −s(s + 4)(s + 10) = −(s³ + 14s² + 40s)
Titik pegun
dK/ds = −(3s² + 28s + 40) = 0
s = (−28 ± √(784 − 480))/6 = −1.761, −7.573
Pilih titik pada lokus
Lokus terletak pada paksi nyata antara 0 dan −4; punca yang satu lagi tidak terletak pada lokus.
sb = −1.761
Jawapan
sb = −1.761
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PID
Jawapan: ess = 7.407 %
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 kedudukan
Kp = 5·2.5 = 12.5
Ralat langkah
ess = 100/(1 + 12.5) = 7.407 %
Jawapan
ess = 7.407 %
10.Ralat keadaan mantap & kawalan PID
Jawapan: Kd = 2.078 s
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
s(s + 3) + 2(10 + Kds) = s² + (3 + 2Kd)s + 20
Frekuensi tabii
ωₙ = √20 = 4.472 rad/s
Gandaan terbitan
3 + 2Kd = 2·0.8·4.472 = 7.155
Kd = 2.078 s
Jawapan
Kd = 2.078 s
Sebutan terbitan menambah redaman tanpa mengubah ωₙ.
11.Plot Bode dan margin
Jawapan: Q = 13.48
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.
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.