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) = 27/(s² + 8s + 27) dan menerima input langkah unit. Cari frekuensi tabii ωn dalam rad/s.

G(s) = 27/(s² + 8s + 27)
ωn = rad/s
2.Sambutan langkahSukar
k = 100 N/mc = 3 N·s/mm = 1 kgF = 25 Nx(t)

Jisim m = 1 kg tergantung pada spring k = 100 N/m dengan peredam likat c = 3 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Pada keadaan rehat dalam keseimbangan, daya malar F = 25 N dikenakan secara tiba-tiba. Cari masa tp apabila sesaran paling besar.

m = 1 kgk = 100 N/mc = 3 N·s/mF = 25 N
tp = s
3.Plot Bode dan marginSederhana
vin​C = 4.7 nFR = 3.3 kΩvout​

penapis laluan tinggi RC yang ditunjukkan mempunyai R = 3.3 kΩ, C = 4.7 nF. Input sinusoid 31 kHz dikenakan. Cari gandaan |H| = |vout/vin| dalam dB.

R = 3.3 kΩC = 4.7 nFf = 31 kHz
|H| = dB
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 + 5)(s + 10)). Cari gandaan K yang memberi margin gandaan 12 dB.

L(s) = K/(s(s + 5)(s + 10))GM = 12 dB
K =
5.Kestabilan: Routh–Hurwitz & lokus puncaSederhana
R(s)+K = 801s(s + 2)(s + 8)C(s)−

Gelung dalam rajah beroperasi dengan K = 80 dan L(s) = K/(s(s + 2)(s + 8)). Dengan faktor berapakah m gandaan boleh dinaikkan sebelum gelung tertutup menjadi tidak stabil?

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 8))K = 80
m =
6.Kestabilan: Routh–Hurwitz & lokus puncaSukar
ReIm−2−4−6j2j4

Lokus punca bagi L(s) = K/((s + 1)(s + 4)(s + 5)) dilakar. Cari frekuensi ω di mana lokus memotong paksi khayal.

L(s) = K/((s + 1)(s + 4)(s + 5))
ω = rad/s
7.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSederhana
R(s)+K = 1015s + 1C(s)−

Proses G(s) = 1/(5s + 1) dikawal oleh gandaan berkadar K = 10 dalam gelung suap balik unit. Cari ralat keadaan mantap ess untuk langkah, sebagai peratusan saiz langkah.

G(s) = 1/(5s + 1)K = 10
ess = %
8.Ralat keadaan mantap & kawalan PIDSukar
R(s)+Kp​ + Ki​/s10s + 4C(s)−

Pengawal PI C(s) = Kp + Ki/s memacu loji G(s) = 10/(s + 4) dalam gelung suap balik unit. Gelung tertutup mesti mempunyai ωₙ = 4 rad/s dan ζ = 0.7. Cari gandaan berkadar Kp.

G(s) = 10/(s + 4)ωₙ = 4 rad/sζ = 0.7
Kp =
9.Gambar rajah blokSederhana
R(s)+38s(s + 6)G(s)C(s)−

Gelung suap balik negatif unit mempunyai G(s) = 38/(s(s + 6)). Rujukannya ialah tanjakan r(t) = 2·t. Cari ralat keadaan mantap ess.

G(s) = 38/(s(s + 6))r(t) = 2·t
ess =
10.Gambar rajah blokSukar
R(s)+K(s + 1)(s + 4)(s + 8)G(s)C(s)−

Loji G(s) = K/((s + 1)(s + 4)(s + 8)) berada dalam gelung suap balik negatif unit. Gunakan kriteria Routh–Hurwitz untuk mencari gandaan terbesar Kmax yang menjadikan gelung tertutup stabil.

G(s) = K/((s + 1)(s + 4)(s + 8))suap balik negatif unit
Kmax =

3Larutan

1.Sambutan langkah

Jawapan: ωn = 5.196 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 = 27 → ωₙ = 5.196 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·5.196) = 0.7698

Keputusan

ωₙ = 5.196 rad/s

Jawapan

ωn = 5.196 rad/s
2.Sambutan langkah

Jawapan: tp = 0.3178 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 = √(k/m) = √(100/1) = 10 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 3/(2·√(100·1)) = 0.15

Keputusan

ωd = 9.887 rad/s
tp = π/ωd = 0.3178 s

Jawapan

tp = 0.3178 s
3.Plot Bode dan margin

Jawapan: |H| = −0.4515 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 = 1/(RC) = 1/(3300·4.7 × 10⁻⁹) = 64475 rad/s
fc = 10261 Hz → f/fc = 31000/10261 = 3.021

Gandaan

|H| = 3.021/√(1 + 3.021²) = 0.9493
20·log₁₀(0.9493) = −0.4515 dB

Jawapan

|H| = −0.4515 dB
4.Plot Bode dan margin

Jawapan: K = 188.4

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/10) = 1 → ω180 = √(5·10) = 7.071 rad/s

Magnitud pada lintasan fasa

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 25)·√(ω² + 100)) = K/(5·10·(5 + 10)) = K/750

Gandaan yang diperlukan

750/K = 1012/20 = 3.981
K = 750/3.981 = 188.4

Jawapan

K = 188.4
5.Kestabilan: Routh–Hurwitz & lokus punca

Jawapan: m = 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.

Tatasusunan Routh

s³ + 10s² + 16s + K = 0
s³: 1, 16
s²: 10, K
s¹: (10·16 − K)/10
s⁰: K

Gandaan stabil terbesar

Kmax = 10·16 = 160

Faktor

m = 160/80 = 2

Jawapan

m = 2

Faktor ini ialah margin gandaan sebagai nisbah: 6.021 dB.

6.Kestabilan: Routh–Hurwitz & lokus punca

Jawapan: ω = 5.385 rad/s

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 genting

s³ + 10s² + 29s + 20 + K = 0
s¹: (10·29 − 20 − K)/10 = 0 → K = 270

Frekuensi persilangan

10s² + 20 + 270 = 10s² + 290 = 0 → s² = −29
ω = √29 = 5.385 rad/s

Jawapan

ω = 5.385 rad/s
7.Ralat keadaan mantap & kawalan PID

Jawapan: ess = 9.091 %

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 = 10·1 = 10

Ralat langkah

ess = 100/(1 + 10) = 9.091 %

Jawapan

ess = 9.091 %
8.Ralat keadaan mantap & kawalan PID

Jawapan: Kp = 0.16

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 + 4).

s² + (4 + 10Kp)s + 10Ki

Polinomial sasaran

s² + 2·0.7·4s + 4² = s² + 5.6s + 16

Padankan pekali

4 + 10Kp = 5.6 → Kp = 0.16

Jawapan

Kp = 0.16

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

9.Gambar rajah blok

Jawapan: ess = 0.3158

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) = 38/6 = 6.333

Ralat keadaan mantap

ess = A/Kᵥ = 2/6.333 = 0.3158

Jawapan

ess = 0.3158
10.Gambar rajah blok

Jawapan: Kmax = 540

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 + 13s² + 44s + 32 + K = 0

Tatasusunan Routh

s³ | 1 44
s² | 13 32 + K
s¹ | (13·44 − 32 − K)/13
s⁰ | 32 + K

Had kestabilan

Semua entri lajur pertama mesti positif.

Kmax = 13·44 − 32 = 540

Jawapan

Kmax = 540

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