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
Schrijf het karakteristieke polynoom van de gesloten lus op: de noemer van 1 + K·G(s) = 0, uitgewerkt.
Zet de coëfficiënten afwisselend in de eerste twee rijen van de Routh-tabel en bouw de overige rijen op.
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.
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
Tel de polen van de open lus C(s)·G(s) bij s = 0: dat is het systeemtype.
Bereken de foutconstante die bij de ingang hoort: Kp voor een stap, Kv voor een helling, Ka voor een parabool.
Pas ess = A/(1 + Kp), A/Kv of A/Ka toe, of los het op voor de versterking die je nodig hebt.
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
Bepaal f(t) voor F(s) = 25/(s(s + 2)(s + 3)) met partieelbreuken, en bereken f(0,6).
F(s) = 25/(s(s + 2)(s + 3))t = 0,6 s
f(0.6) =
2.LaplacetransformatiesMoeilijk
Een systeem voldoet aan y″ + 6y′ + 5y = 5·u(t), met y(0) = 6 en y′(0) = 0. Op t = 0 wordt een stap u(t) = 5 aangelegd. Gebruik de Laplacetransformatie om y(0,6) te bepalen.
Een lus met negatieve eenheidsterugkoppeling heeft G(s) = 12(s + 6)/((s + 4)(s + 5)). Op de referentie wordt een stap van grootte 2 aangelegd. Bepaal de stationaire fout ess.
G(s) = 12(s + 6)/((s + 4)(s + 5))R = 2
ess =
4.Blokschema’sMoeilijk
Het proces G(s) = K/(s(s + 1)(s + 5)) staat in een lus met negatieve eenheidsterugkoppeling. Gebruik het criterium van Routh–Hurwitz om de grootste versterking Kmax te vinden waarvoor de gesloten lus stabiel is.
Een systeem heeft de overdrachtsfunctie G(s) = 160/(s² + 4s + 80) en krijgt een eenheidsstap als ingang. De polen zijn s = σ ± jωd. Bepaal het reële deel σ.
G(s) = 160/(s² + 4s + 80)
σ =
6.StapresponsieMoeilijk
Een massa m = 2,5 kg hangt aan een veer k = 1000 N/m met een viskeuze demper c = 20 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). In rust in evenwicht wordt plotseling een constante kracht F = 10 N aangelegd. Vind de dempingsverhouding ζ.
m = 2,5 kgk = 1000 N/mc = 20 N·s/mF = 10 N
ζ =
7.Stabiliteit: Routh–Hurwitz en wortelbaanGemiddeld
Een lus met eenheidsterugkoppeling heeft L(s) = K/((s + 2)(s + 4)(s + 5)), met K > 0. Bepaal de grootste versterking Kmax waarvoor de gesloten lus stabiel is.
L(s) = K/((s + 2)(s + 4)(s + 5))
Kmax =
8.Stabiliteit: Routh–Hurwitz en wortelbaanMoeilijk
De wortelbaan van L(s) = K/(s(s + 5)) is weergegeven. Bepaal de versterking K waarvoor de gesloten-luspolen de dempingsverhouding ζ = 0,3 hebben.
L(s) = K/(s(s + 5))ζ = 0,3
K =
9.Stationaire fout en PID-regelingGemiddeld
Een lus met eenheidsterugkoppeling met G(s) = K/(s(s + 10)) moet de helling r(t) = 1t volgen met een stationaire fout van 0,2. Bepaal de versterking K.
G(s) = K/(s(s + 10))r(t) = 1tess = 0,2
K =
10.Stationaire fout en PID-regelingMoeilijk
Een PD-regelaar C(s) = 10 + Kd·s stuurt het proces G(s) = 5/(s(s + 2)) aan in een lus met eenheidsterugkoppeling. Bepaal de differentiërende versterking Kd die de gesloten lus een dempingsverhouding ζ = 0,8 geeft.
G(s) = 5/(s(s + 2))Kp = 10ζ = 0,8
Kd = s
11.Bodediagrammen en margesGemiddeld
Het getoonde RC-hoogdoorlaatfilter heeft R = 3,3 kΩ, C = 100 nF. Er wordt een sinusvormige ingang van 240 Hz aangelegd. Bepaal de faseverschuiving φ van vout ten opzichte van vin, in graden.
R = 3,3 kΩC = 100 nFf = 240 Hz
φ = °
12.Bodediagrammen en margesMoeilijk
Een lus met eenheidsterugkoppeling heeft de open-lus-overdrachtsfunctie L(s) = 520/(s(s + 20)). Bepaal de versterkingsdoorsnijfrequentie ωc, waar |L(jω)| = 1.
L(s) = 520/(s(s + 20))
ωc = rad/s
3Oplossingen
1.Laplacetransformaties
Antwoord: f(0.6) = 1,779
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).
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).
Transformeer de vergelijking
(s² + 6s + 5)·Y(s) = 6s + 36 + 25/s
Y(s) = (6s² + 36s + 25)/(s(s + 1)(s + 5))
Partieelbreuken
A = 25/(1·5) = 5
B = −5/((−1)·4) = 1,25
C = −5/((−5)·(−4)) = −0,25
Resultaat
y(t) = 5 + 1,25·e−t − 0,25·e−5t
y(0,6) = 5,674
Antwoord
y(0,6) = 5,674
Controle: y(0) = A + B + C = 6.
3.Blokschema’s
Antwoord: ess = 0,4348
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).
Positiefoutconstante
Kₚ = G(0) = 12·6/(4·5) = 3,6
Stationaire fout
ess = A/(1 + Kₚ) = 2/(1 + 3,6) = 0,4348
Antwoord
ess = 0,4348
4.Blokschema’s
Antwoord: Kmax = 30
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 + 5s + K = 0
Routh-schema
s³ | 1 5
s² | 6 K
s¹ | (6·5 − K)/6
s⁰ | K
Stabiliteitsgrens
Alle elementen van de eerste kolom moeten positief zijn.
Kmax = 6·5 = 30
Antwoord
Kmax = 30
5.Stapresponsie
Antwoord: σ = −2
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 = 80 → ωₙ = 8,944 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·8,944) = 0,2236
Resultaat
σ = −ζωₙ = −4/2 = −2
Antwoord
σ = −2
6.Stapresponsie
Antwoord: ζ = 0,2
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) = √(1000/2,5) = 20 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 20/(2·√(1000·2,5)) = 0,2
Resultaat
ζ = 0,2
Antwoord
ζ = 0,2
7.Stabiliteit: Routh–Hurwitz en wortelbaan
Antwoord: Kmax = 378
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.
Karakteristiek polynoom
s³ + 11s² + 38s + 40 + K = 0
Routh-schema
s³: 1, 38
s²: 11, 40 + K
s¹: (11·38 − 40 − K)/11
s⁰: 40 + K
Voorwaarde
Het s¹-element moet positief blijven.
K < 11·38 − 40 = 378
Antwoord
Kmax = 378
Op de grens oscilleert de lus met ω = √38 = 6,164 rad/s.
8.Stabiliteit: Routh–Hurwitz en wortelbaan
Antwoord: K = 69,44
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.
Vergelijk met de standaardvorm
s² + 5s + K = s² + 2ζωₙs + ωₙ²
2·0,3·ωₙ = 5 → ωₙ = 8,333 rad/s
Versterking
K = ωₙ² = 8,333² = 69,44
Antwoord
K = 69,44
De gesloten-luspolen liggen waar de ζ-lijn de verticale tak bij s = −2,5 snijdt.
9.Stationaire fout en PID-regeling
Antwoord: K = 50
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.
Vereiste snelheidsconstante
Kv = A/ess = 1/0,2 = 5
Versterking
K = 10·Kv = 50
Antwoord
K = 50
Een grote versterking maakt deze lus zeer licht gedempt: ζ = 0,7071. Dat conflict is de reden dat compensatoren worden gebruikt.
10.Stationaire fout en PID-regeling
Antwoord: Kd = 1,863 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 + 2) + 5(10 + Kds) = s² + (2 + 5Kd)s + 50
Eigenfrequentie
ωₙ = √50 = 7,071 rad/s
Differentiërende versterking
2 + 5Kd = 2·0,8·7,071 = 11,31
Kd = 1,863 s
Antwoord
Kd = 1,863 s
De differentiërende term voegt demping toe zonder ωₙ te veranderen.
11.Bodediagrammen en marges
Antwoord: φ = 63,54 °
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.
Kantelfrequentie
ωc = 1/(RC) = 1/(3300·1 × 10⁻⁷) = 3030 rad/s
fc = 482,3 Hz → f/fc = 240/482,3 = 0,4976
Fase
φ = 90° − atan(0,4976) = 63,54°
Antwoord
φ = 63,54°
12.Bodediagrammen en marges
Antwoord: ωc = 18,9 rad/s
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.