Regeltechniek 1: samenvattingspakket

Formuleoverzichten, de belangrijkste methodestappen voor elk onderwerp en 12 oefenopgaven, met volledige oplossingen achterin.

Nieuwe opgavenTerug naar het vak

Kies in het printvenster “Opslaan als pdf” om een kopie op je apparaat te bewaren.

1Formules en methoden

Stabiliteit: Routh–Hurwitz en wortelbaan

Stabiliteit
alle wortels van het karakteristieke polynoom in het linkerhalfvlak
Routh-tabel, s¹-element van een derdegraadspolynoom
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
Wortels in het rechterhalfvlak
aantal tekenwisselingen in de eerste kolom
Derdegraadspolynoom s³ + a₂s² + a₁s + a₀
stabiel als alle a > 0 en a₂·a₁ > a₀
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
Karakteristieke vergelijking
1 + K·G(s) = 0
Asymptoten
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
Vertrek- en aankomstpunten
dK/ds = 0
Modulusvoorwaarde
K = 1/|G(s)|
Vertrekhoek
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)

Methode

  1. Schrijf het karakteristieke polynoom van de gesloten lus op: de noemer van 1 + K·G(s) = 0, uitgewerkt.
  2. Zet de coëfficiënten afwisselend in de eerste twee rijen van de Routh-tabel en bouw de overige rijen op.
  3. Tel de tekenwisselingen in de eerste kolom: elke wisseling is een pool in het rechterhalfvlak. Eis met K in de tabel dat elk element van de eerste kolom positief blijft.
  4. Markeer voor een wortelbaan de polen en zeros, de segmenten op de reële as, de asymptoten vanuit het zwaartepunt en de splitsingspunten waar dK/ds = 0. Gebruik K = 1/|G(s)| voor de versterking in een punt.

Stationaire fout en PID-regeling

Systeemtype
aantal polen van G(s) bij s = 0
Foutconstanten
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Stap A
ess = A/(1 + Kp)
Helling A·t
ess = A/Kv
Parabool A·t²/2
ess = A/Ka
PID-regelaar
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Tweedegraads doel
s² + 2ζωns + ωn²
Overshoot en timing
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

Methode

  1. Tel de polen van de open lus C(s)·G(s) bij s = 0: dat is het systeemtype.
  2. Bereken de foutconstante die bij de ingang hoort: Kp voor een stap, Kv voor een helling, Ka voor een parabool.
  3. Pas ess = A/(1 + Kp), A/Kv of A/Ka toe, of los het op voor de versterking die je nodig hebt.
  4. Schrijf voor een eis aan demping of snelheid het karakteristieke polynoom van de gesloten lus op en laat het overeenkomen met s² + 2ζω_n·s + ω_n².

2Oefenopgaven

1.LaplacetransformatiesGemiddeld
ReIm−2−4−6−8−10−12

F(s) = (2s + 24)/(s² + 11s + 24). De inverse transformatie heeft de vorm f(t) = A·e−3t + B·e−8t. Bepaal de coëfficiënt A met partieelbreuken.

F(s) = (2s + 24)/(s² + 11s + 24)
A =
2.LaplacetransformatiesMoeilijk
ReIm−1−2−3−4−5−61

Een systeem wordt beschreven door de differentiaalvergelijking y″ + 9y′ + 18y = 3u′ + 13u, met ingang u(t) en uitgang y(t). Bepaal de overdrachtsfunctie G(s) = Y(s)/U(s) (beginvoorwaarden nul) en bereken de impulsresponsie g(t) bij t = 0,2 s. Bepaal g(0,2).

y″ + 9y′ + 18y = 3u′ + 13ut = 0,2 s
g(0.2) =
3.Blokschema’sGemiddeld
R(s)+3K+4s + 7G(s)C(s)2H₁−−

Het proces G(s) = 4/(s + 7) heeft een binnenste negatieve terugkoppellus met versterking H₁ = 2. Een regelaarversterking K = 3 en een buitenste lus met negatieve eenheidsterugkoppeling sluiten het systeem. Bepaal de gesloten-luspool p.

G(s) = 4/(s + 7)H₁ = 2K = 3
p =
4.Blokschema’sMoeilijk
R(s)+Ks(s + 2)(s + 4)G(s)C(s)−

Het proces G(s) = K/(s(s + 2)(s + 4)) staat in een lus met negatieve eenheidsterugkoppeling. Bij de grootste stabiele versterking oscilleert de lus. Bepaal de oscillatiefrequentie ω in rad/s.

G(s) = K/(s(s + 2)(s + 4))negatieve eenheidsterugkoppeling
ω = rad/s
5.StapresponsieGemiddeld
t (s)y(t)0,5

Een systeem heeft de overdrachtsfunctie G(s) = 11,5/(s² + 3s + 23) en krijgt een eenheidsstap als ingang. De polen zijn s = σ ± jωd. Bepaal het reële deel σ.

G(s) = 11,5/(s² + 3s + 23)
σ =
6.StapresponsieMoeilijk
k = 5000 N/mc = 100 N·s/mm = 2 kgF = 20 Nx(t)

Een massa m = 2 kg hangt aan een veer k = 5000 N/m met een viskeuze demper c = 100 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). In rust in evenwicht wordt plotseling een constante kracht F = 20 N aangelegd. Vind de dempingsverhouding ζ.

m = 2 kgk = 5000 N/mc = 100 N·s/mF = 20 N
ζ =
7.Stabiliteit: Routh–Hurwitz en wortelbaanGemiddeld
R(s)+K1s(s + 8)(s + 10)C(s)−

De lus in het schema heeft de open-lusoverdrachtsfunctie L(s) = K/(s(s + 8)(s + 10)). Bepaal de grootste versterking Kmax waarvoor de gesloten lus stabiel is.

L(s) = K/(s(s + 8)(s + 10))
Kmax =
8.Stabiliteit: Routh–Hurwitz en wortelbaanMoeilijk
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−3−3,5−40,5j0,5j1sb​

De wortelbaan van L(s) = K/((s + 1)(s + 3)) is weergegeven. Bepaal de versterking K in het vertrekpunt sb, waar de twee gesloten-luspolen op de reële as samenkomen.

L(s) = K/((s + 1)(s + 3))
K =
9.Stationaire fout en PID-regelingGemiddeld
r(t) = 1t+50(s + 3)s(s + 2)(s + 10)C(s)−

Een helling r(t) = 1t wordt aangelegd op een lus met eenheidsterugkoppeling met G(s) = 50(s + 3)/(s(s + 2)(s + 10)). Bepaal de stationaire fout ess.

G(s) = 50(s + 3)/(s(s + 2)(s + 10))r(t) = 1t
ess =
10.Stationaire fout en PID-regelingMoeilijk
R(s)+8 + Kd​s4s(s + 1)C(s)−

Een PD-regelaar C(s) = 8 + Kd·s stuurt het proces G(s) = 4/(s(s + 1)) aan in een lus met eenheidsterugkoppeling. Bepaal de differentiërende versterking Kd die de gesloten lus een dempingsverhouding ζ = 0,9 geeft.

G(s) = 4/(s(s + 1))Kp = 8ζ = 0,9
Kd = s
11.Bodediagrammen en margesGemiddeld
|H| (dB)0,11101001000−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 1

Bepaal de exacte grootte |G(jω)| van G(s) = 720/((s + 10)(s + 12)) bij ω = 1 rad/s, in dB.

G(s) = 720/((s + 10)(s + 12))ω = 1 rad/s
|G(jω)| = dB
12.Bodediagrammen en margesMoeilijk
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Een lus met eenheidsterugkoppeling heeft de open-lus-overdrachtsfunctie L(s) = K/(s(s + 3)(s + 9)). Bepaal de versterking K die een versterkingsmarge van 2 dB geeft.

L(s) = K/(s(s + 3)(s + 9))GM = 2 dB
K =

3Oplossingen

1.Laplacetransformaties

Antwoord: A = 3,6

Laplacetransformatie: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt maakt van afgeleiden vermenigvuldigingen met s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Standaardparen: 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), en een verschuiving s → s + σ vermenigvuldigt de tijdfunctie met e−σt. Om een rationale F(s) terug te transformeren, splits je haar in partieelbreuken: het residu van een enkelvoudige pool p is A = [(s − p)·F(s)] bij s = p. Eindwaardestelling: f(∞) = lims→0 s·F(s), alleen geldig als alle polen van s·F(s) in het linkerhalfvlak liggen. Beginwaardestelling: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Ontbind de noemer

s² + 11s + 24 = (s + 3)(s + 8)
F(s) = A/(s + 3) + B/(s + 8)

Afdekregel

Vermenigvuldig met (s + 3) en vul s = −3 in: de B-term valt weg.

A = (2s + 24)/(s + 8) |s = −3 = 18/5 = 3,6

Antwoord

A = 3,6
(B = −1,6, dus f(t) = 3,6·e−3t − 1,6·e−8t)
2.Laplacetransformaties

Antwoord: g(0.2) = 1,234

Laplacetransformatie: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt maakt van afgeleiden vermenigvuldigingen met s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Standaardparen: 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), en een verschuiving s → s + σ vermenigvuldigt de tijdfunctie met e−σt. Om een rationale F(s) terug te transformeren, splits je haar in partieelbreuken: het residu van een enkelvoudige pool p is A = [(s − p)·F(s)] bij s = p. Eindwaardestelling: f(∞) = lims→0 s·F(s), alleen geldig als alle polen van s·F(s) in het linkerhalfvlak liggen. Beginwaardestelling: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Overdrachtsfunctie

G(s) = Y(s)/U(s) = (3s + 13)/(s² + 9s + 18)

Partieelbreuken

s² + 9s + 18 = (s + 3)(s + 6)
A = 1,333, B = 1,667

Impulsresponsie

g(t) = 1,333·e−3t + 1,667·e−6t
g(0,2) = 1,234

Antwoord

g(0,2) = 1,234
3.Blokschema’s

Antwoord: p = −27

Blokschema-algebra: blokken in serie vermenigvuldig je (G₁·G₂), blokken parallel tel je op (G₁ + G₂), en een lus met voorwaarts pad G en terugkoppelpad H reduceert tot T = G/(1 + G·H) bij negatieve terugkoppeling en G/(1 − G·H) bij positieve terugkoppeling. Reduceer eerst de binnenste lussen en werk dan naar buiten. De gesloten-lus-polen zijn de wortels van de karakteristieke vergelijking 1 + G(s)H(s) = 0. Voor een stabiele lus geeft een stapingang van grootte A de stationaire uitgang A·T(0); bij eenheidsterugkoppeling is de stationaire fout op een stap A/(1 + Kp) met Kp = G(0).

Binnenste lus

Gᵢ = G/(1 + G·H₁) = 4/(s + 7 + 4·2) = 4/(s + 15)

Buitenste lus

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 12/(s + 15 + 12) = 12/(s + 27)

Resultaat

p = −27

Antwoord

p = −27
4.Blokschema’s

Antwoord: ω = 2,828 rad/s

Blokschema-algebra: blokken in serie vermenigvuldig je (G₁·G₂), blokken parallel tel je op (G₁ + G₂), en een lus met voorwaarts pad G en terugkoppelpad H reduceert tot T = G/(1 + G·H) bij negatieve terugkoppeling en G/(1 − G·H) bij positieve terugkoppeling. Reduceer eerst de binnenste lussen en werk dan naar buiten. De gesloten-lus-polen zijn de wortels van de karakteristieke vergelijking 1 + G(s)H(s) = 0. Voor een stabiele lus geeft een stapingang van grootte A de stationaire uitgang A·T(0); bij eenheidsterugkoppeling is de stationaire fout op een stap A/(1 + Kp) met Kp = G(0).

Karakteristieke vergelijking

s³ + 6s² + 8s + K = 0

Routh-schema

s³ | 1 8
s² | 6 K
s¹ | (6·8 − K)/6
s⁰ | K

Stabiliteitsgrens

Alle elementen van de eerste kolom moeten positief zijn.

Kmax = 6·8 = 48

Oscillatiefrequentie

6·(jω)² + 48 = 0 → ω² = 48/6 = 8
ω = 2,828 rad/s

Antwoord

ω = 2,828 rad/s
5.Stapresponsie

Antwoord: σ = −1,5

Stapresponsie: een eerste-ordesysteem G(s) = K/(τs + 1) beantwoordt een stap van grootte U met y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): het bereikt 63,2 % van de eindwaarde K·U na één tijdconstante τ en 98 % na 4τ. Een tweede-ordesysteem G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) heeft de polen s = −ζωₙ ± jωd met ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Voor 0 < ζ < 1 schiet de stapresponsie door: procentuele overshoot %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), piektijd tp = π/ωd, en de 2%-insteltijd ts ≈ 4/(ζωₙ). Vergelijk de noemer met s² + 2ζωₙs + ωₙ² om ωₙ en ζ af te lezen. Voor een massa-veer-demper is ωₙ = √(k/m) en ζ = c/(2√(km)); voor een serie-RLC-schakeling is ωₙ = 1/√(LC) en ζ = (R/2)·√(C/L).

Vergelijk met de standaardvorm

De noemer moet overeenkomen met s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 23 → ωₙ = 4,796 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·4,796) = 0,3128

Resultaat

σ = −ζωₙ = −3/2 = −1,5

Antwoord

σ = −1,5
6.Stapresponsie

Antwoord: ζ = 0,5

Stapresponsie: een eerste-ordesysteem G(s) = K/(τs + 1) beantwoordt een stap van grootte U met y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): het bereikt 63,2 % van de eindwaarde K·U na één tijdconstante τ en 98 % na 4τ. Een tweede-ordesysteem G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) heeft de polen s = −ζωₙ ± jωd met ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Voor 0 < ζ < 1 schiet de stapresponsie door: procentuele overshoot %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), piektijd tp = π/ωd, en de 2%-insteltijd ts ≈ 4/(ζωₙ). Vergelijk de noemer met s² + 2ζωₙs + ωₙ² om ωₙ en ζ af te lezen. Voor een massa-veer-demper is ωₙ = √(k/m) en ζ = c/(2√(km)); voor een serie-RLC-schakeling is ωₙ = 1/√(LC) en ζ = (R/2)·√(C/L).

Eigenfrequentie en dempingsfactor

ωₙ = √(k/m) = √(5000/2) = 50 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 100/(2·√(5000·2)) = 0,5

Resultaat

ζ = 0,5

Antwoord

ζ = 0,5
7.Stabiliteit: Routh–Hurwitz en wortelbaan

Antwoord: Kmax = 1440

Routh–Hurwitz-criterium: een lineair systeem is stabiel als elke wortel van zijn karakteristieke polynoom in het linkerhalfvlak van het s-vlak ligt. Schrijf de coëfficiënten afwisselend in de eerste twee rijen van de Routh-tabel. Elk element van een nieuwe rij volgt uit de twee rijen erboven; voor een derdegraads a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀ is het s¹-element b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂. Het aantal tekenwisselingen in de eerste kolom is gelijk aan het aantal wortels in het rechterhalfvlak. Met een versterking K in de coëfficiënten moet elk element van de eerste kolom positief blijven: de versterking waarbij het s¹-element nul wordt, is de stabiliteitsgrens, en de s²-rij geeft dan de frequentie van de aanhoudende oscillatie.

Karakteristieke vergelijking

s³ + 18s² + 80s + K = 0

Routh-schema

s³: 1, 80
s²: 18, K
s¹: (18·80 − K)/18
s⁰: K

Voorwaarden

Elk element van de eerste kolom moet positief zijn.

K > 0
18·80 − K > 0 → K < 1440

Antwoord

Kmax = 1440

Bij K = 1440 oscilleert de gesloten lus met ω = √80 = 8,944 rad/s.

8.Stabiliteit: Routh–Hurwitz en wortelbaan

Antwoord: K = 1

Wortelbaan: als de versterking K van 0 naar ∞ gaat, bewegen de gesloten-luspolen, de wortels van 1 + K·G(s) = 0, van de open-luspolen naar de open-luszeros of naar oneindig. Een punt op de reële as hoort bij de wortelbaan als het aantal reële polen en zeros rechts ervan oneven is. De n − m takken die naar oneindig gaan, volgen asymptoten onder de hoeken (2q + 1)·180°/(n − m), die beginnen in het zwaartepunt σₐ = (Σ polen − Σ zeros)/(n − m). Takken verlaten of bereiken de reële as waar dK/ds = 0. De hoekvoorwaarde ∠G(s) = 180° bepaalt de vorm, en de modulusvoorwaarde K = 1/|G(s)| geeft de versterking in elk punt van de wortelbaan.

Vertrekpunt

dK/ds = 0 voor K = −(s + 1)(s + 3) geeft 2s + 4 = 0.

sb = −2

Modulusvoorwaarde

K = |−2 + 1|·|−2 + 3| = 1·1 = 1

Antwoord

K = 1

Bij deze versterking is de gesloten lus kritisch gedempt (ζ = 1).

9.Stationaire fout en PID-regeling

Antwoord: ess = 0,1333

Stationaire fout: in een lus met eenheidsterugkoppeling en open-lusoverdrachtsfunctie G(s) is de fout E(s) = R(s)/(1 + G(s)), en volgens de eindwaardestelling is ess = lims→0 s·E(s). Het systeemtype is het aantal polen van G(s) bij s = 0. De foutconstanten zijn Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) en Ka = lim s²·G(s), allemaal voor s → 0. Een stap van grootte A geeft ess = A/(1 + Kp), een helling A·t geeft A/Kv en een parabool A·t²/2 geeft A/Ka. Een type-0-lus volgt een stap met een eindige fout, een type-1-lus volgt een stap exact en een helling met een eindige fout.

Snelheidsconstante

Kv = lim s·G(s) = 7,5

Hellingsfout

ess = 1/7,5 = 0,1333

Antwoord

ess = 0,1333
10.Stationaire fout en PID-regeling

Antwoord: Kd = 2,296 s

P-, PI- en PID-regeling: de regelaar C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s werkt op de fout. Een proportionele versterking maakt de lus sneller en verkleint de fout van een type-0-proces, maar neemt die nooit weg. De integrerende term voegt een pool toe bij s = 0: het systeemtype gaat met één omhoog en een stap wordt zonder fout gevolgd. De differentiërende term voegt demping toe. Om de versterkingen te kiezen, schrijf je het karakteristieke polynoom van de gesloten lus op en vergelijk je het met s² + 2ζωns + ωn². Dan geldt %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd met ωd = ωn√(1 − ζ²), en ts ≈ 4/(ζωn).

Karakteristiek polynoom

s(s + 1) + 4(8 + Kds) = s² + (1 + 4Kd)s + 32

Eigenfrequentie

ωₙ = √32 = 5,657 rad/s

Differentiërende versterking

1 + 4Kd = 2·0,9·5,657 = 10,18
Kd = 2,296 s

Antwoord

Kd = 2,296 s

De differentiërende term voegt demping toe zonder ωₙ te veranderen.

11.Bodediagrammen en marges

Antwoord: |G(jω)| = 15,49 dB

Frequentierespons: substitueer s = jω in de overdrachtsfunctie. De grootte in decibel is 20·log₁₀|H(jω)| en de fase is de som van de hoeken van de tellerfactoren min die van de noemerfactoren. Een eerste-orde RC- of RL-filter heeft zijn kantelfrequentie (−3 dB) bij ωc = 1/(RC) of R/L, en fc = ωc/(2π); een laagdoorlaatfilter geeft |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) en φ = −atan(ω/ωc). In het asymptotische (rechte-lijn-)Bodediagram buigt elke pool de grootte met 20 dB/decade omlaag bij zijn kantelfrequentie, buigt elk nulpunt haar met 20 dB/decade omhoog, en geeft een integrator 1/s −20 dB/decade bij alle frequenties. Versterkingsdoorsnijding ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); fasemarge PM = 180° + ∠L(jωc). Faseomslag ω180: ∠L(jω) = −180°; versterkingsmarge GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. De gesloten lus is stabiel als beide marges positief zijn.

Vermenigvuldig de groottes

|G(j1)| = 720/(√(1² + 10²)·√(1² + 12²)) = 720/(10,05·12,04) = 5,95

Resultaat

20·log₁₀(5,95) = 15,49 dB

Antwoord

|G(jω)| = 15,49 dB
12.Bodediagrammen en marges

Antwoord: K = 257,4

Frequentierespons: substitueer s = jω in de overdrachtsfunctie. De grootte in decibel is 20·log₁₀|H(jω)| en de fase is de som van de hoeken van de tellerfactoren min die van de noemerfactoren. Een eerste-orde RC- of RL-filter heeft zijn kantelfrequentie (−3 dB) bij ωc = 1/(RC) of R/L, en fc = ωc/(2π); een laagdoorlaatfilter geeft |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) en φ = −atan(ω/ωc). In het asymptotische (rechte-lijn-)Bodediagram buigt elke pool de grootte met 20 dB/decade omlaag bij zijn kantelfrequentie, buigt elk nulpunt haar met 20 dB/decade omhoog, en geeft een integrator 1/s −20 dB/decade bij alle frequenties. Versterkingsdoorsnijding ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); fasemarge PM = 180° + ∠L(jωc). Faseomslag ω180: ∠L(jω) = −180°; versterkingsmarge GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. De gesloten lus is stabiel als beide marges positief zijn.

Faseomslag

(ω/3)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(3·9) = 5,196 rad/s

Grootte bij de faseomslag

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 9)·√(ω² + 81)) = K/(3·9·(3 + 9)) = K/324

Vereiste versterking

324/K = 102/20 = 1,259
K = 324/1,259 = 257,4

Antwoord

K = 257,4

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