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 = 0.5f(0.5) = ?

Cari f(t) bagi F(s) = (s + 27)/(s² + 8s + 16) dan nilaikan f(0.5).

F(s) = (s + 27)/(s² + 8s + 16)t = 0.5 s
f(0.5) =
2.Transformasi LaplaceSukar
ReIm−0.5−1−1.5−2−2.5−3−3.5−4−4.50.51

Satu sistem diterangkan oleh persamaan pembezaan y″ + 5y′ + 4y = 4u, 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″ + 5y′ + 4y = 4ut = 0.3 s
g(0.3) =
3.Gambar rajah blokSederhana
R(s)+K(s + 6)(s + 11)G(s)C(s)−

Loji G(s) = K/((s + 6)(s + 11)) berada dalam gelung suap balik negatif unit. Cari gandaan K yang menjadikan gelung tertutup redaman genting (dua kutub nyata sama).

G(s) = K/((s + 6)(s + 11))suap balik negatif unit
K =
4.Gambar rajah blokSukar
R(s)+Ks(s + 1)(s + 4)G(s)C(s)−

Loji G(s) = K/(s(s + 1)(s + 4)) berada dalam gelung suap balik negatif unit. Pada gandaan stabil terbesar gelung berayun. Cari frekuensi ayunan ω dalam rad/s.

G(s) = K/(s(s + 1)(s + 4))suap balik negatif unit
ω = rad/s
5.Sambutan langkahSederhana
t (s)y(t)2tp​ = ?

Sesebuah sistem mempunyai fungsi pindah G(s) = 132/(s² + 11s + 66) dan menerima input langkah unit. Cari masa puncak tp bagi sambutan langkah.

G(s) = 132/(s² + 11s + 66)
tp = s
6.Sambutan langkahSukar
t (s)y(t)1tp​ = 0.1 s10 %

Sambutan langkah sistem peringkat kedua tanpa sifar menunjukkan lajakan 10 %, dan puncak pertama berlaku pada t = 0.1 s. Cari frekuensi tabii ωn.

%OS = 10 %tp = 0.1 s
ωn = rad/s
7.Kestabilan: Routh–Hurwitz & lokus puncaSederhana
R(s)+K = 281s(s + 2)(s + 5)C(s)−

Gelung dalam rajah beroperasi dengan K = 28 dan L(s) = K/(s(s + 2)(s + 5)). Dengan faktor berapakah m gandaan boleh dinaikkan sebelum gelung tertutup menjadi tidak stabil?

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 5))K = 28
m =
8.Kestabilan: Routh–Hurwitz & lokus puncaSukar
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−81j1j2

Lokus punca bagi L(s) = K(s + 7)/(s(s + 1)) meninggalkan paksi nyata antara s = 0 dan s = −1, membulat dan menyertai paksi nyata semula di sebelah kiri sifar. Cari titik pemisahan sb.

L(s) = K(s + 7)/(s(s + 1))
sb =
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSederhana
r(t) = 10t+Ks(s + 2)C(s)−

Gelung suap balik unit dengan G(s) = K/(s(s + 2)) mesti mengikut tanjakan r(t) = 10t dengan ralat keadaan mantap 0.01. Cari gandaan K.

G(s) = K/(s(s + 2))r(t) = 10tess = 0.01
K =
10.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSukar
R(s)+Kp​ + Ki​/s4s + 2C(s)−

Pengawal PI C(s) = Kp + Ki/s memacu loji G(s) = 4/(s + 2) dalam gelung suap balik unit. Gelung tertutup mesti mempunyai ωₙ = 6 rad/s dan ζ = 0.6. Cari gandaan kamiran Ki.

G(s) = 4/(s + 2)ωₙ = 6 rad/sζ = 0.6
Ki =
11.Plot Bode dan marginSederhana
vin​L = 47 mHR = 10 Ωvout​

penapis laluan rendah RL yang ditunjukkan mempunyai R = 10 Ω, L = 47 mH. Input sinusoid 17 Hz dikenakan. Cari gandaan |H| = |vout/vin| dalam dB.

R = 10 ΩL = 47 mHf = 17 Hz
|H| = dB
12.Plot Bode dan marginSukar
|H| (dB)0.10.111101010010010001000−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Gelung suap balik unit mempunyai fungsi pindah gelung terbuka L(s) = 340/(s(s + 5)). Cari margin fasa PM dalam darjah.

L(s) = 340/(s(s + 5))
PM = °

3Larutan

1.Transformasi Laplace

Jawapan: f(0.5) = 1.692

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 + 8s + 16 = (s + 4)²

Pecahan separa

s + 27 = 1(s + 4) + 23
F(s) = 1/(s + 4) + 23/(s + 4)²

Transformasi songsang

f(t) = e−4t + 23·t·e−4t
f(0.5) = (1 + 23·0.5)·e−4·0.5 = 1.692

Jawapan

f(0.5) = 1.692
2.Transformasi Laplace

Jawapan: g(0.3) = 0.5862

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) = 4/(s² + 5s + 4)

Pecahan separa

s² + 5s + 4 = (s + 1)(s + 4)
A = 1.333, B = −1.333

Sambutan dedenyut

g(t) = 1.333·e−t − 1.333·e−4t
g(0.3) = 0.5862

Jawapan

g(0.3) = 0.5862
3.Gambar rajah blok

Jawapan: K = 6.25

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

1 + K/((s + 6)(s + 11)) = 0 → s² + 17s + 66 + K = 0

Punca berulang

Kuadratik s² + βs + γ mempunyai punca berganda apabila β² = 4γ.

17² = 4(66 + K) → K = 289/4 − 66 = 6.25

Jawapan

K = 6.25
Kedua-dua kutub gelung tertutup kemudian berada pada s = −8.5.
4.Gambar rajah blok

Jawapan: ω = 2 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 + 5s² + 4s + K = 0

Tatasusunan Routh

s³ | 1 4
s² | 5 K
s¹ | (5·4 − K)/5
s⁰ | K

Had kestabilan

Semua entri lajur pertama mesti positif.

Kmax = 5·4 = 20

Frekuensi ayunan

5·(jω)² + 20 = 0 → ω² = 20/5 = 4
ω = 2 rad/s

Jawapan

ω = 2 rad/s
5.Sambutan langkah

Jawapan: tp = 0.5254 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 = 66 → ωₙ = 8.124 rad/s
2ζωₙ = 11 → ζ = 11/(2·8.124) = 0.677

Keputusan

ωd = 8.124·√(1 − 0.677²) = 5.979 rad/s → tp = π/ωd = 0.5254 s

Jawapan

tp = 0.5254 s
6.Sambutan langkah

Jawapan: ωn = 38.95 rad/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).

Nisbah redaman

ζ = −ln(0.1)/√(π² + ln²(0.1)) = 2.303/√(9.87 + 5.302) = 0.5912

Frekuensi tabii

ωd = π/tp = π/0.1 = 31.42 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 31.42/0.8066 = 38.95 rad/s

Jawapan

ωn = 38.95 rad/s
7.Kestabilan: Routh–Hurwitz & lokus punca

Jawapan: m = 2.5

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 + 7s² + 10s + K = 0
s³: 1, 10
s²: 7, K
s¹: (7·10 − K)/7
s⁰: K

Gandaan stabil terbesar

Kmax = 7·10 = 70

Faktor

m = 70/28 = 2.5

Jawapan

m = 2.5

Faktor ini ialah margin gandaan sebagai nisbah: 7.959 dB.

8.Kestabilan: Routh–Hurwitz & lokus punca

Jawapan: sb = −0.5193

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) = −(s² + 1s)/(s + 7)

Titik pegun

Bezakan dengan petua hasil bahagi dan tetapkan pengangka kepada sifar.

(2s + 1)(s + 7) − (s² + 1s) = s² + 14s + 7 = 0
s = −7 ± √42 = −0.5193, −13.48

Titik pemisahan

sb = −0.5193

Jawapan

sb = −0.5193

Antara dua titik itu lokus ialah bulatan yang berpusat pada sifar, dengan jejari √42 = 6.481.

9.Ralat keadaan mantap & kawalan PID

Jawapan: K = 2000

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 halaju yang diperlukan

Kv = A/ess = 10/0.01 = 1000

Gandaan

K = 2·Kv = 2000

Jawapan

K = 2000

Gandaan yang besar menjadikan gelung ini sangat kurang teredam: ζ = 0.02236. Konflik itulah sebab pemampas digunakan.

10.Ralat keadaan mantap & kawalan PID

Jawapan: Ki = 9

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 + 4Kp)s + 4Ki

Polinomial sasaran

s² + 2·0.6·6s + 6² = s² + 7.2s + 36

Padankan pekali

4Ki = 36 → Ki = 9

Jawapan

Ki = 9

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

11.Plot Bode dan margin

Jawapan: |H| = −0.9761 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 = R/L = 10/0.047 = 212.8 rad/s
fc = 33.86 Hz → f/fc = 17/33.86 = 0.502

Gandaan

|H| = 1/√(1 + 0.502²) = 0.8937
20·log₁₀(0.8937) = −0.9761 dB

Jawapan

|H| = −0.9761 dB
12.Plot Bode dan margin

Jawapan: PM = 15.44 °

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 gandaan

ω⁴ + 25ω² − 115600 = 0
ω² = (−25 + √(625 + 4·115600))/2 = 327.7
ωc = 18.1 rad/s

Margin fasa

∠L(jωc) = −90° − atan(18.1/5) = −164.6°
PM = 180° + ∠L = 15.44°

Jawapan

PM = 15.44°

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