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)1?

Sesebuah sistem mempunyai fungsi pindah G(s) = 33/(s² + 6s + 33) dan menerima input langkah unit. Cari peratusan lajakan %OS bagi sambutan langkah.

G(s) = 33/(s² + 6s + 33)
%OS = %
2.Sambutan langkahSukar
R(s)+Ks(s + 4)G(s)C(s)−

Gelung suap balik negatif unit mempunyai G(s) = K/(s(s + 4)). Cari gandaan K yang memberi sambutan langkah dengan lajakan 15 %.

G(s) = K/(s(s + 4))%OS = 15 %
K =
3.Plot Bode dan marginSederhana
vin​L = 2 mHC = 4.7 µFR = 5 Ωvout​

Dalam penapis laluan jalur RLC sesiri yang ditunjukkan output diambil merentasi R = 5 Ω, dengan L = 2 mH dan C = 4.7 µF. Cari lebar jalur −3 dB BW dalam Hz.

R = 5 ΩL = 2 mHC = 4.7 µF
BW = Hz
4.Plot Bode dan marginSukar
|H| (dB)0.10.1111010100100−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Gelung suap balik unit mempunyai fungsi pindah gelung terbuka L(s) = K/(s(s + 6)(s + 10)). Cari gandaan K yang memberi margin gandaan 2 dB.

L(s) = K/(s(s + 6)(s + 10))GM = 2 dB
K =
5.Kestabilan: Routh–Hurwitz & lokus puncaSederhana
R(s)+15001s(s + 5)(s + 10)C(s)−

Gelung dalam rajah mempunyai suap balik negatif dan L(s) = 1500/(s(s + 5)(s + 10)). Berapa banyak kutub gelung tertutup N terletak di separuh satah kanan?

L(s) = 1500/(s(s + 5)(s + 10))
N =
6.Kestabilan: Routh–Hurwitz & lokus puncaSukar
ReImζ = 0.3−5j5

Lokus punca bagi L(s) = K/(s(s + 5)) ditunjukkan. Cari gandaan K yang menjadikan kutub gelung tertutup mempunyai nisbah redaman ζ = 0.3.

L(s) = K/(s(s + 5))ζ = 0.3
K =
7.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSederhana
R(s)+K(s + 1)(s + 4)C(s)−

Gelung suap balik unit mempunyai G(s) = K/((s + 1)(s + 4)). Cari gandaan K yang memberikan ralat keadaan mantap 20 % untuk input langkah.

G(s) = K/((s + 1)(s + 4))ess = 20 %
K =
8.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSukar
r(t) = 1t+1 + 0.5/s5(s + 4)(s + 5)C(s)−

Pengawal PI C(s) = 1 + 0.5/s memacu loji G(s) = 5/((s + 4)(s + 5)) dalam gelung suap balik unit. Cari ralat keadaan mantap ess untuk input tanjakan r(t) = 1t.

C(s) = 1 + 0.5/sG(s) = 5/((s + 4)(s + 5))r(t) = 1t
ess =
9.Gambar rajah blokSederhana
R(s)+48s(s + 2)G(s)C(s)−

Gelung suap balik negatif unit mempunyai G(s) = 48/(s(s + 2)). Rujukannya ialah tanjakan r(t) = 5·t. Cari ralat keadaan mantap ess.

G(s) = 48/(s(s + 2))r(t) = 5·t
ess =
10.Gambar rajah blokSukar
R(s)+64s(s + 12)G(s)C(s)2H−

Loji G(s) = 64/(s(s + 12)) 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) = 64/(s(s + 12))H = 2
ωd = rad/s

3Larutan

1.Sambutan langkah

Jawapan: %OS = 14.6 %

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 = 33 → ωₙ = 5.745 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·5.745) = 0.5222

Keputusan

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1.924 = 14.6 %

Jawapan

%OS = 14.6 %
2.Sambutan langkah

Jawapan: K = 14.97

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 + 4s + K)

Nisbah redaman daripada lajakan

ζ = −ln(0.15)/√(π² + ln²(0.15)) = 0.5169

Gandaan

ωₙ = 4/(2ζ) = 3.869 rad/s
K = ωₙ² = 14.97

Jawapan

K = 14.97
3.Plot Bode dan margin

Jawapan: BW = 397.9 Hz

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 salunan

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.002·4.7 × 10⁻⁶) = 10314 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 1642 Hz

Lebar jalur

BW = R/L = 5/0.002 = 2500 rad/s = 397.9 Hz

Jawapan

BW = 397.9 Hz
4.Plot Bode dan margin

Jawapan: K = 762.6

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/10) = 1 → ω180 = √(6·10) = 7.746 rad/s

Magnitud pada lintasan fasa

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 36)·√(ω² + 100)) = K/(6·10·(6 + 10)) = K/960

Gandaan yang diperlukan

960/K = 102/20 = 1.259
K = 960/1.259 = 762.6

Jawapan

K = 762.6
5.Kestabilan: Routh–Hurwitz & lokus punca

Jawapan: N = 2

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

s³ + 15s² + 50s + 1500 = 0

Tatasusunan Routh

s³: 1, 50
s²: 15, 1500
s¹: −50
s⁰: 1500

Perubahan tanda dalam lajur pertama

1 → 15 → −50 → 1500
N = 2

Jawapan

N = 2

Gandaan melebihi had K = 750, jadi pasangan kompleks telah melintas ke separuh satah kanan.

6.Kestabilan: Routh–Hurwitz & lokus punca

Jawapan: K = 69.44

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 + 5s + K = s² + 2ζωₙs + ωₙ²
2·0.3·ωₙ = 5 → ωₙ = 8.333 rad/s

Gandaan

K = ωₙ² = 8.333² = 69.44

Jawapan

K = 69.44

Kutub gelung tertutup berada di tempat garis ζ memotong cabang mencancang pada s = −2.5.

7.Ralat keadaan mantap & kawalan PID

Jawapan: K = 16

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) = 0.2 → Kp = 4

Gandaan

K/4 = 4 → K = 16

Jawapan

K = 16

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

8.Ralat keadaan mantap & kawalan PID

Jawapan: ess = 8

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).

Pemalar halaju

s·C(s) = 1s + 0.5 → 0.5 apabila s → 0.

Kv = 0.5·5/20 = 0.125

Ralat tanjakan

ess = 1/0.125 = 8

Jawapan

ess = 8

Pengawal PI menghapuskan ralat langkah sepenuhnya; tanjakan diikuti dengan ketinggalan malar.

9.Gambar rajah blok

Jawapan: ess = 0.2083

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) = 48/2 = 24

Ralat keadaan mantap

ess = A/Kᵥ = 5/24 = 0.2083

Jawapan

ess = 0.2083
10.Gambar rajah blok

Jawapan: ωd = 9.592 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 + 12) + 64·2 = 0 → s² + 12s + 128 = 0

Punca

s = −6 ± j·√(128 − 36) = −6 ± j9.592
ωd = 9.592 rad/s

Jawapan

ωd = 9.592 rad/s

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