Kejuruteraan Kawalan 2: Reka Bentuk Kawalan Suap Balik: pek ulang kaji kilat

Lembaran formula, langkah kaedah utama untuk setiap topik dan 10 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.Sambutan langkahSederhana
t (s)y(t)3ts​ = ?

Sesebuah sistem mempunyai fungsi pindah G(s) = 120/(s² + 3s + 40) dan menerima input langkah unit. Cari masa pengenapan 2 % ts bagi sambutan langkah, menggunakan ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 120/(s² + 3s + 40)
ts = s
2.Sambutan langkahSukar
R(s)+Ks(s + 12)G(s)C(s)−

Gelung suap balik negatif unit mempunyai G(s) = K/(s(s + 12)). Cari gandaan K yang memberi sambutan langkah dengan lajakan 30 %.

G(s) = K/(s(s + 12))%OS = 30 %
K =
3.Plot Bode dan marginSederhana
|H| (dB)0.10.111101010010010001000−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 20

Cari fasa ∠G(jω) bagi G(s) = (s + 10)/(s(s + 6)) pada ω = 20 rad/s, dalam darjah.

G(s) = (s + 10)/(s(s + 6))ω = 20 rad/s
∠G(jω) = °
4.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) = 14/(s(s + 1)(s + 7)). Cari margin gandaan GM dalam dB.

L(s) = 14/(s(s + 1)(s + 7))
GM = dB
5.Kestabilan: Routh–Hurwitz & lokus puncaSederhana
R(s)+Ks + 10s(s + 2)(s + 3)C(s)−

Gelung suap balik unit mempunyai L(s) = K(s + 10)/(s(s + 2)(s + 3)), dengan K > 0. Cari gandaan terbesar Kmax yang menjadikan gelung tertutup stabil.

L(s) = K(s + 10)/(s(s + 2)(s + 3))
Kmax =
6.Kestabilan: Routh–Hurwitz & lokus puncaSukar
ReImζ = 0.6−2−4−6j2j4

Lokus punca bagi L(s) = K/(s(s + 6)) ditunjukkan. Cari gandaan K yang menjadikan kutub gelung tertutup mempunyai nisbah redaman ζ = 0.6.

L(s) = K/(s(s + 6))ζ = 0.6
K =
7.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSederhana
R(s)+K = 52.55s + 1C(s)−

Proses G(s) = 2.5/(5s + 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/(5s + 1)K = 5
ess = %
8.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSukar
R(s)+4 + Kd​s4s(s + 1)C(s)−

Pengawal PD C(s) = 4 + Kd·s memacu loji G(s) = 4/(s(s + 1)) dalam gelung suap balik unit. Cari gandaan terbitan Kd yang memberikan gelung tertutup nisbah redaman ζ = 0.6.

G(s) = 4/(s(s + 1))Kp = 4ζ = 0.6
Kd = s
9.Gambar rajah blokSederhana
R(s)+8K+9s + 3G(s)C(s)0.5H₁−−

Loji G(s) = 9/(s + 3) mempunyai gelung suap balik negatif dalam (minor) dengan gandaan H₁ = 0.5. Gandaan pengawal K = 8 dan gelung suap balik negatif unit luar menutup sistem itu. Cari gandaan AT gelung tertutup T(0).

G(s) = 9/(s + 3)H₁ = 0.5K = 8
T(0) =
10.Gambar rajah blokSukar
R(s)+16s + 4G₁+7s + 7G₂C(s)0.5H₁−1H₂−

Permudahkan gambar rajah blok dengan G₁ = 16/(s + 4), G₂ = 7/(s + 7), suap balik negatif dalam H₁ = 0.5 mengelilingi G₂ dan suap balik negatif luar H₂ = 1. Cari gandaan AT T(0) bagi C(s)/R(s).

G₁ = 16/(s + 4)G₂ = 7/(s + 7)H₁ = 0.5H₂ = 1
T(0) =

3Larutan

1.Sambutan langkah

Jawapan: ts = 2.667 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 = 40 → ωₙ = 6.325 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·6.325) = 0.2372

Keputusan

ζωₙ = 1.5 → ts ≈ 4/1.5 = 2.667 s

Jawapan

ts = 2.667 s
2.Sambutan langkah

Jawapan: K = 281.1

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 + 12s + K)

Nisbah redaman daripada lajakan

ζ = −ln(0.3)/√(π² + ln²(0.3)) = 0.3579

Gandaan

ωₙ = 12/(2ζ) = 16.77 rad/s
K = ωₙ² = 281.1

Jawapan

K = 281.1
3.Plot Bode dan margin

Jawapan: ∠G(jω) = −99.87 °

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(20/10) − 90° − atan(20/6) = 63.43° − 90° − 73.3°

Keputusan

∠G(j20) = −99.87°

Jawapan

∠G(jω) = −99.87°
4.Plot Bode dan margin

Jawapan: GM = 12.04 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/1)·(ω/7) = 1 → ω180 = √(1·7) = 2.646 rad/s

Magnitud pada lintasan fasa

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 49)) = K/(1·7·(1 + 7)) = K/56

Margin gandaan

GM = 20·log₁₀(56/14) = 12.04 dB

Jawapan

GM = 12.04 dB
5.Kestabilan: Routh–Hurwitz & lokus punca

Jawapan: Kmax = 6

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 + 2)(s + 3) + K(s + 10) = s³ + 5s² + (6 + K)s + 10K

Tatasusunan Routh

s³: 1, 6 + K
s²: 5, 10K
s¹: (5·(6 + K) − 10K)/5
s⁰: 10K

Syarat

30 − 5K > 0
K < 30/5 = 6

Jawapan

Kmax = 6

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

6.Kestabilan: Routh–Hurwitz & lokus punca

Jawapan: K = 25

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.

Bandingkan dengan bentuk piawai

s² + 6s + K = s² + 2ζωₙs + ωₙ²
2·0.6·ωₙ = 6 → ωₙ = 5 rad/s

Gandaan

K = ωₙ² = 5² = 25

Jawapan

K = 25

Kutub gelung tertutup berada di tempat garis ζ memotong cabang mencancang pada s = −3.

7.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 %
8.Ralat keadaan mantap & kawalan PID

Jawapan: Kd = 0.95 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 + 1) + 4(4 + Kds) = s² + (1 + 4Kd)s + 16

Frekuensi tabii

ωₙ = √16 = 4 rad/s

Gandaan terbitan

1 + 4Kd = 2·0.6·4 = 4.8
Kd = 0.95 s

Jawapan

Kd = 0.95 s

Sebutan terbitan menambah redaman tanpa mengubah ωₙ.

9.Gambar rajah blok

Jawapan: T(0) = 0.9057

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).

Gelung dalam

Gᵢ = G/(1 + G·H₁) = 9/(s + 3 + 9·0.5) = 9/(s + 7.5)

Gelung luar

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 72/(s + 7.5 + 72) = 72/(s + 79.5)

Keputusan

T(0) = 72/79.5 = 0.9057

Jawapan

T(0) = 0.9057
10.Gambar rajah blok

Jawapan: T(0) = 0.7273

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).

Gelung dalam

Gᵢ = G₂/(1 + G₂H₁) = 7/(s + 10.5)

Gelung luar

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 112/((s + 4)(s + 10.5) + 112)

Gandaan AT

T(0) = 112/(4·10.5 + 112) = 112/154 = 0.7273

Jawapan

T(0) = 0.7273

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