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
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−81

F(s) = (4s + 29)/(s² + 3s + 2). Transformasi songsangnya berbentuk f(t) = A·e−t + B·e−2t. Cari pekali A dengan pecahan separa.

F(s) = (4s + 29)/(s² + 3s + 2)
A =
2.Transformasi LaplaceSukar
ReIm−5−10−15

Satu sistem diterangkan oleh persamaan pembezaan y″ + 9y′ + 18y = u′ + 17u, 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 = 0.4 s. Cari g(0.4).

y″ + 9y′ + 18y = u′ + 17ut = 0.4 s
g(0.4) =
3.Gambar rajah blokSederhana
R(s)+52s(s + 10)G(s)C(s)−

Gelung suap balik negatif unit mempunyai G(s) = 52/(s(s + 10)). Rujukannya ialah tanjakan r(t) = 10·t. Cari ralat keadaan mantap ess.

G(s) = 52/(s(s + 10))r(t) = 10·t
ess =
4.Gambar rajah blokSukar
R(s)+29pengawal+D(s)+5s + 7lojiC(s)−

Pengawal berkadar K = 29 memacu loji G(s) = 5/(s + 7) dalam gelung suap balik negatif unit. Satu gangguan D memasuki masukan loji (ia ditambah pada keluaran pengawal). Satu langkah rujukan bersaiz 1 dan satu langkah gangguan bersaiz 10 dikenakan serentak. Cari keluaran keadaan mantap css.

K = 29G(s) = 5/(s + 7)D = 10R = 1
css =
5.Sambutan langkahSederhana
t (s)y(t)2

Sesebuah sistem mempunyai fungsi pindah G(s) = 84/(s² + 10s + 42) dan menerima input langkah unit. Cari frekuensi tabii ωn dalam rad/s.

G(s) = 84/(s² + 10s + 42)
ωn = rad/s
6.Sambutan langkahSukar
k = 5000 N/mc = 224 N·s/mm = 10 kgF = 20 Nx(t)

Jisim m = 10 kg tergantung pada spring k = 5000 N/m dengan peredam likat c = 224 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Pada keadaan rehat dalam keseimbangan, daya malar F = 20 N dikenakan secara tiba-tiba. Cari sesaran terbesar xmax dalam mm.

m = 10 kgk = 5000 N/mc = 224 N·s/mF = 20 N
xmax = mm
7.Kestabilan: Routh–Hurwitz & lokus puncaSederhana
R(s)+K1s(s + 5)(s + 10)C(s)−

Gelung dalam rajah mempunyai fungsi pindahan gelung terbuka L(s) = K/(s(s + 5)(s + 10)). Gandaan dinaikkan sehingga gelung tertutup berada di tepi kestabilan. Cari frekuensi ω ayunan berterusan.

L(s) = K/(s(s + 5)(s + 10))
ω = rad/s
8.Kestabilan: Routh–Hurwitz & lokus puncaSukar
ReIm−2−4j2

Untuk L(s) = K/((s + 4)(s² + 6s + 18)), cari sudut berlepas θd lokus punca daripada kutub kompleks di separuh satah atas, diukur daripada paksi nyata positif.

L(s) = K/((s + 4)(s² + 6s + 18))
θd = °
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSederhana
R(s)+K = 92.52s + 1C(s)−

Proses G(s) = 2.5/(2s + 1) dikawal oleh gandaan berkadar K = 9 dalam gelung suap balik unit. Cari ralat keadaan mantap ess untuk langkah, sebagai peratusan saiz langkah.

G(s) = 2.5/(2s + 1)K = 9
ess = %
10.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSukar
R(s)+Kp​ + Ki​/s4s + 5C(s)−

Pengawal PI C(s) = Kp + Ki/s memacu loji G(s) = 4/(s + 5) dalam gelung suap balik unit. Gelung tertutup mesti mempunyai ωₙ = 10 rad/s dan ζ = 1. Cari gandaan kamiran Ki.

G(s) = 4/(s + 5)ωₙ = 10 rad/sζ = 1
Ki =
11.Plot Bode dan marginSederhana
|H| (dB)0.10.111101010010010001000−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 20

Cari fasa ∠G(jω) bagi G(s) = 34(s + 14)/(s(s + 5)) pada ω = 20 rad/s, dalam darjah.

G(s) = 34(s + 14)/(s(s + 5))ω = 20 rad/s
∠G(jω) = °
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) = K/(s(s + 5)(s + 8)). Cari gandaan K yang memberi margin gandaan 5 dB.

L(s) = K/(s(s + 5)(s + 8))GM = 5 dB
K =

3Larutan

1.Transformasi Laplace

Jawapan: A = 25

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 + 3s + 2 = (s + 1)(s + 2)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 2)

Petua tutup

Darabkan dengan (s + 1) dan tetapkan s = −1: sebutan B lenyap.

A = (4s + 29)/(s + 2) |s = −1 = 25/1 = 25

Jawapan

A = 25
(B = −21, maka f(t) = 25·e−t − 21·e−2t)
2.Transformasi Laplace

Jawapan: g(0.4) = 1.073

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 + 17)/(s² + 9s + 18)

Pecahan separa

s² + 9s + 18 = (s + 3)(s + 6)
A = 4.667, B = −3.667

Sambutan dedenyut

g(t) = 4.667·e−3t − 3.667·e−6t
g(0.4) = 1.073

Jawapan

g(0.4) = 1.073
3.Gambar rajah blok

Jawapan: ess = 1.923

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 halaju

Kᵥ = lims→0 s·G(s) = 52/10 = 5.2

Ralat keadaan mantap

ess = A/Kᵥ = 10/5.2 = 1.923

Jawapan

ess = 1.923
4.Gambar rajah blok

Jawapan: css = 1.283

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

C/D = G/(1 + K·G) = 5/(s + 7 + 145)
C/R = K·G/(1 + K·G) = 145/(s + 7 + 145)

Keadaan mantap

css = 1·145/152 + 10·5/152 = 1.283

Jawapan

css = 1.283

K yang lebih besar mengurangkan kesan gangguan, tetapi tidak pernah kepada sifar dengan pengawal berkadar.

5.Sambutan langkah

Jawapan: ωn = 6.481 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).

Bandingkan dengan bentuk piawai

Penyebut mesti sepadan dengan s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 42 → ωₙ = 6.481 rad/s
2ζωₙ = 10 → ζ = 10/(2·6.481) = 0.7715

Keputusan

ωₙ = 6.481 rad/s

Jawapan

ωn = 6.481 rad/s
6.Sambutan langkah

Jawapan: xmax = 4.649 mm

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).

Frekuensi tabii dan nisbah redaman

ωₙ = √(k/m) = √(5000/10) = 22.36 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 224/(2·√(5000·10)) = 0.5009

Keputusan

xst = F/k = 20/5000 m = 4 mm
%OS = 16.23 %
xmax = 4·(1 + 0.1623) = 4.649 mm

Jawapan

xmax = 4.649 mm
7.Kestabilan: Routh–Hurwitz & lokus punca

Jawapan: ω = 7.071 rad/s

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 + 15s² + 50s + K = 0
s³: 1, 50
s²: 15, K
s¹: (15·50 − K)/15
s⁰: K

Gandaan genting

K = 15·50 = 750

Persamaan tambahan

Pada gandaan genting baris s¹ ialah sifar; baris s² memberikan kutub pada paksi khayal.

15s² + 750 = 0 → s = ±j√50
ω = 7.071 rad/s

Jawapan

ω = 7.071 rad/s
8.Kestabilan: Routh–Hurwitz & lokus punca

Jawapan: θd = 18.43 °

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.

Kedudukan kutub

s² + 6s + 18 = 0 → s = −3 ± j3
s = −4

Sudut daripada kutub lain

∠(−3 + j3 + 4) = atan2(3, 1) = 71.57°
∠(−3 + j3 − (−3 − j3)) = ∠(j6) = 90°

Sudut berlepas

θd = 180° − 71.57° − 90° = 18.43°

Jawapan

θd = 18.43°
9.Ralat keadaan mantap & kawalan PID

Jawapan: ess = 4.255 %

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 = 9·2.5 = 22.5

Ralat langkah

ess = 100/(1 + 22.5) = 4.255 %

Jawapan

ess = 4.255 %
10.Ralat keadaan mantap & kawalan PID

Jawapan: Ki = 25

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 + 5).

s² + (5 + 4Kp)s + 4Ki

Polinomial sasaran

s² + 2·1·10s + 10² = s² + 20s + 100

Padankan pekali

4Ki = 100 → Ki = 25

Jawapan

Ki = 25

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

11.Plot Bode dan margin

Jawapan: ∠G(jω) = −111 °

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.

Tambah sudut

∠G = atan(20/14) − 90° − atan(20/5) = 55.01° − 90° − 75.96°

Keputusan

∠G(j20) = −111°

Jawapan

∠G(jω) = −111°
12.Plot Bode dan margin

Jawapan: K = 292.4

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/5)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(5·8) = 6.325 rad/s

Magnitud pada lintasan fasa

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 25)·√(ω² + 64)) = K/(5·8·(5 + 8)) = K/520

Gandaan yang diperlukan

520/K = 105/20 = 1.778
K = 520/1.778 = 292.4

Jawapan

K = 292.4

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