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)2tp​ = ?

Sesebuah sistem mempunyai fungsi pindah G(s) = 74/(s² + 2s + 37) dan menerima input langkah unit. Cari masa puncak tp bagi sambutan langkah.

G(s) = 74/(s² + 2s + 37)
tp = s
2.Sambutan langkahSukar
+−12 VR = 60 ΩL = 100 mHC = 10 µFvC​

Litar RLC sesiri dengan R = 60 Ω, L = 100 mH dan C = 10 µF disambungkan kepada langkah 12 V pada t = 0. Pemuat tanpa cas dan tiada arus mengalir sebelum langkah itu. Cari frekuensi tabii tak teredam ωn dalam rad/s.

R = 60 ΩL = 100 mHC = 10 µFV = 12 V
ωn = rad/s
3.Plot Bode dan marginSederhana
vin​R = 3.3 kΩC = 1 nFvout​

penapis laluan rendah RC yang ditunjukkan mempunyai R = 3.3 kΩ, C = 1 nF. Input sinusoid 190 kHz dikenakan. Cari anjakan fasa φ bagi vout relatif kepada vin, dalam darjah.

R = 3.3 kΩC = 1 nFf = 190 kHz
φ = °
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) = K/(s(s + 1)(s + 7)). Cari gandaan K yang memberi margin gandaan 8 dB.

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 7))GM = 8 dB
K =
5.Kestabilan: Routh–Hurwitz & lokus puncaSederhana
R(s)+K1(s + 3)(s + 4)(s + 5)C(s)−

Gelung suap balik unit mempunyai L(s) = K/((s + 3)(s + 4)(s + 5)), dengan K > 0. Cari gandaan terbesar Kmax yang menjadikan gelung tertutup stabil.

L(s) = K/((s + 3)(s + 4)(s + 5))
Kmax =
6.Kestabilan: Routh–Hurwitz & lokus puncaSukar
ReIm−1−2−3−4−5−6j1

Gelung suap balik unit mempunyai L(s) = K/(s(s + 1)(s + 5)). Cari titik σa di mana asimptot lokus punca memotong paksi nyata.

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 5))
σa =
7.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSederhana
r(t) = 10 + 4t+4s(s + 10)C(s)−

Input r(t) = 10 + 4t (langkah tambah tanjakan) dikenakan pada gelung suap balik unit dengan G(s) = 4/(s(s + 10)). Cari ralat keadaan mantap ess.

G(s) = 4/(s(s + 10))r(t) = 10 + 4t
ess =
8.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSukar
R(s)+Kp​ + Ki​/s2s + 5C(s)−

Pengawal PI C(s) = Kp + Ki/s memacu loji G(s) = 2/(s + 5) dalam gelung suap balik unit. Gelung tertutup mesti mempunyai ωₙ = 6 rad/s dan ζ = 1. Cari gandaan berkadar Kp.

G(s) = 2/(s + 5)ωₙ = 6 rad/sζ = 1
Kp =
9.Gambar rajah blokSederhana
R(s)+13s + 4G(s)C(s)0.2H−

Loji G(s) = 13/(s + 4) dikawal dalam gelung suap balik negatif yang penderianya mempunyai gandaan H = 0.2. Cari pemalar masa τ gelung tertutup.

G(s) = 13/(s + 4)H = 0.2
τ = s
10.Gambar rajah blokSukar
R(s)+3pengawal+D(s)+8s + 9lojiC(s)−

Pengawal berkadar K = 3 memacu loji G(s) = 8/(s + 9) dalam gelung suap balik negatif unit. Satu gangguan D memasuki masukan loji (ia ditambah pada keluaran pengawal). Dengan R = 0, satu langkah gangguan bersaiz 2 dikenakan. Cari keluaran keadaan mantap css.

K = 3G(s) = 8/(s + 9)D = 2R = 0
css =

3Larutan

1.Sambutan langkah

Jawapan: tp = 0.5236 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 = 37 → ωₙ = 6.083 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·6.083) = 0.1644

Keputusan

ωd = 6.083·√(1 − 0.1644²) = 6 rad/s → tp = π/ωd = 0.5236 s

Jawapan

tp = 0.5236 s
2.Sambutan langkah

Jawapan: ωn = 1000 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).

Frekuensi tabii dan nisbah redaman

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0.1·1 × 10⁻⁵) = 1000 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (60/2)·√(1 × 10⁻⁵/0.1) = 0.3

Keputusan

ωₙ = 1000 rad/s

Jawapan

ωn = 1000 rad/s
3.Plot Bode dan margin

Jawapan: φ = −75.76 °

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 = 1/(RC) = 1/(3300·1 × 10⁻⁹) = 303030 rad/s
fc = 48229 Hz → f/fc = 190000/48229 = 3.94

Fasa

φ = − atan(3.94) = −75.76°

Jawapan

φ = −75.76°
4.Plot Bode dan margin

Jawapan: K = 22.29

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

Gandaan yang diperlukan

56/K = 108/20 = 2.512
K = 56/2.512 = 22.29

Jawapan

K = 22.29
5.Kestabilan: Routh–Hurwitz & lokus punca

Jawapan: Kmax = 504

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 + 12s² + 47s + 60 + K = 0

Tatasusunan Routh

s³: 1, 47
s²: 12, 60 + K
s¹: (12·47 − 60 − K)/12
s⁰: 60 + K

Syarat

Entri s¹ mesti kekal positif.

K < 12·47 − 60 = 504

Jawapan

Kmax = 504

Pada had gelung berayun pada ω = √47 = 6.856 rad/s.

6.Kestabilan: Routh–Hurwitz & lokus punca

Jawapan: σa = −2

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.

Kutub dan sifar

kutub: 0, −1, −5
n − m = 3 − 0 = 3

Sentroid

σa = (−6)/3 = −2

Jawapan

σa = −2

3 asimptot meninggalkan sentroid pada sudut 60°, 180°, 300°.

7.Ralat keadaan mantap & kawalan PID

Jawapan: ess = 10

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

Kv = lim s·G(s) = 0.4

Bahagian langkah

Kp = ∞ → estep = 0

Ralat tanjakan

ess = 4/0.4 = 10

Jawapan

ess = 10
8.Ralat keadaan mantap & kawalan PID

Jawapan: Kp = 3.5

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 + 2Kp)s + 2Ki

Polinomial sasaran

s² + 2·1·6s + 6² = s² + 12s + 36

Padankan pekali

5 + 2Kp = 12 → Kp = 3.5

Jawapan

Kp = 3.5

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

9.Gambar rajah blok

Jawapan: τ = 0.1515 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).

Fungsi pindah gelung tertutup

T(s) = G/(1 + G·H) = 13/(s + 4 + 2.6) = 13/(s + 6.6)

Keputusan

τ = 1/6.6 = 0.1515 s

Jawapan

τ = 0.1515 s
10.Gambar rajah blok

Jawapan: css = 0.4848

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) = 8/(s + 9 + 24)

Keadaan mantap

css = 2·8/33 = 0.4848

Jawapan

css = 0.4848

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

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