Regeltechniek 2: ontwerp van terugkoppeling: samenvattingspakket

Formuleoverzichten, de belangrijkste methodestappen voor elk onderwerp en 10 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.StapresponsieGemiddeld
t (s)y(t)1?

Een systeem heeft de overdrachtsfunctie G(s) = 83/(s² + 7s + 83) en krijgt een eenheidsstap als ingang. Bepaal de procentuele overshoot %OS van de stapresponsie.

G(s) = 83/(s² + 7s + 83)
%OS = %
2.StapresponsieMoeilijk
+−5 VR = 83 ΩL = 200 mHC = 4,7 µFvC​

Een serie-RLC-schakeling met R = 83 Ω, L = 200 mH en C = 4,7 µF wordt op t = 0 aangesloten op een stap van 5 V. De condensator is ongeladen en er loopt voor de stap geen stroom. Bepaal het tijdstip tp van de eerste spanningspiek, in ms.

R = 83 ΩL = 200 mHC = 4,7 µFV = 5 V
tp = ms
3.Bodediagrammen en margesGemiddeld
vin​L = 5 mHC = 10 µFR = 1 Ωvout​

In het getoonde serie-RLC-banddoorlaatfilter staat de uitgang over R = 1 Ω, met L = 5 mH en C = 10 µF. Bepaal de −3 dB-bandbreedte BW in Hz.

R = 1 ΩL = 5 mHC = 10 µF
BW = Hz
4.Bodediagrammen en margesMoeilijk
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Een lus met eenheidsterugkoppeling heeft de open-lus-overdrachtsfunctie L(s) = 6,8/(s(s + 2)). Bepaal de fasemarge PM in graden.

L(s) = 6,8/(s(s + 2))
PM = °
5.Stabiliteit: Routh–Hurwitz en wortelbaanGemiddeld
R(s)+K = 2241s(s + 4)(s + 10)C(s)−

De lus in het schema draait met K = 224 en L(s) = K/(s(s + 4)(s + 10)). Met welke factor m kan de versterking worden verhoogd voordat de gesloten lus instabiel wordt?

L(s) = K/(s(s + 4)(s + 10))K = 224
m =
6.Stabiliteit: Routh–Hurwitz en wortelbaanMoeilijk
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−3−3,5−40,5j0,5j1

De wortelbaan van L(s) = K/(s(s + 1)(s + 3)) verlaat de reële as tussen s = 0 en s = −1. Bepaal het vertrekpunt sb.

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 3))
sb =
7.Stationaire fout en PID-regelingGemiddeld
r(t) = 1 + 5t+5(s + 2)s(s + 1)C(s)−

De ingang r(t) = 1 + 5t (een stap plus een helling) wordt aangelegd op een lus met eenheidsterugkoppeling met G(s) = 5(s + 2)/(s(s + 1)). Bepaal de stationaire fout ess.

G(s) = 5(s + 2)/(s(s + 1))r(t) = 1 + 5t
ess =
8.Stationaire fout en PID-regelingMoeilijk
R(s)+K = 504s(s + 10)C(s)−

Een proportionele regelaar K = 50 stuurt het proces G(s) = 4/(s(s + 10)) aan in een lus met eenheidsterugkoppeling. Bepaal de piektijd tp van de stapresponsie.

G(s) = 4/(s(s + 10))K = 50
tp = s
9.Blokschema’sGemiddeld
R(s)+28s + 6G(s)C(s)0,2H−

Een proces G(s) = 28/(s + 6) wordt geregeld in een lus met negatieve terugkoppeling waarvan de sensor de versterking H = 0,2 heeft. Op R wordt een stap van grootte 10 aangelegd. Bepaal de stationaire uitgang css.

G(s) = 28/(s + 6)H = 0,2R = 10
css =
10.Blokschema’sMoeilijk
R(s)+K(s + 2)(s + 3)(s + 8)G(s)C(s)−

Het proces G(s) = K/((s + 2)(s + 3)(s + 8)) 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.

G(s) = K/((s + 2)(s + 3)(s + 8))negatieve eenheidsterugkoppeling
Kmax =

3Oplossingen

1.Stapresponsie

Antwoord: %OS = 27,06 %

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 = 83 → ωₙ = 9,11 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·9,11) = 0,3842

Resultaat

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1,307 = 27,06 %

Antwoord

%OS = 27,06 %
2.Stapresponsie

Antwoord: tp = 3,109 ms

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 = 1/√(LC) = 1/√(0,2·4,7 × 10⁻⁶) = 1031 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (83/2)·√(4,7 × 10⁻⁶/0,2) = 0,2012

Resultaat

ωd = 1010 rad/s
tp = π/ωd = 3,109 ms

Antwoord

tp = 3,109 ms
3.Bodediagrammen en marges

Antwoord: BW = 31,83 Hz

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.

Resonantiefrequentie

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,005·1 × 10⁻⁵) = 4472 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 711,8 Hz

Bandbreedte

BW = R/L = 1/0,005 = 200 rad/s = 31,83 Hz

Antwoord

BW = 31,83 Hz
4.Bodediagrammen en marges

Antwoord: PM = 41,56 °

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.

Versterkingsdoorsnijding

ω⁴ + 4ω² − 46,24 = 0
ω² = (−4 + √(16 + 4·46,24))/2 = 5,088
ωc = 2,256 rad/s

Fasemarge

∠L(jωc) = −90° − atan(2,256/2) = −138,4°
PM = 180° + ∠L = 41,56°

Antwoord

PM = 41,56°
5.Stabiliteit: Routh–Hurwitz en wortelbaan

Antwoord: m = 2,5

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.

Routh-schema

s³ + 14s² + 40s + K = 0
s³: 1, 40
s²: 14, K
s¹: (14·40 − K)/14
s⁰: K

Grootste stabiele versterking

Kmax = 14·40 = 560

Factor

m = 560/224 = 2,5

Antwoord

m = 2,5

Deze factor is de versterkingsmarge als verhouding: 7,959 dB.

6.Stabiliteit: Routh–Hurwitz en wortelbaan

Antwoord: sb = −0,4514

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.

Versterking langs de reële as

K(s) = −s(s + 1)(s + 3) = −(s³ + 4s² + 3s)

Stationaire punten

dK/ds = −(3s² + 8s + 3) = 0
s = (−8 ± √(64 − 36))/6 = −0,4514, −2,215

Kies het punt op de wortelbaan

De wortelbaan ligt op de reële as tussen 0 en −1; de andere wortel ligt niet op de wortelbaan.

sb = −0,4514

Antwoord

sb = −0,4514
7.Stationaire fout en PID-regeling

Antwoord: ess = 0,5

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) = 10

Stapdeel

Kp = ∞ → estep = 0

Hellingsfout

ess = 5/10 = 0,5

Antwoord

ess = 0,5
8.Stationaire fout en PID-regeling

Antwoord: tp = 0,2375 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 + 10) + 50·4 = s² + 10s + 200

ωₙ en ζ

ωₙ = √200 = 14,14 rad/s
ζ = 10/(2·14,14) = 0,3536

Piektijd

ωd = 14,14·√(1 − 0,3536²) = 13,23 rad/s
tp = π/13,23 = 0,2375 s

Antwoord

tp = 0,2375 s
9.Blokschema’s

Antwoord: css = 24,14

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).

Gesloten-lusoverdrachtsfunctie

T(s) = G/(1 + G·H) = 28/(s + 6 + 5,6) = 28/(s + 11,6)

Resultaat

css = R·T(0) = 10·28/11,6 = 24,14

Antwoord

css = 24,14
10.Blokschema’s

Antwoord: Kmax = 550

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 + 13s² + 46s + 48 + K = 0

Routh-schema

s³ | 1 46
s² | 13 48 + K
s¹ | (13·46 − 48 − K)/13
s⁰ | 48 + K

Stabiliteitsgrens

Alle elementen van de eerste kolom moeten positief zijn.

Kmax = 13·46 − 48 = 550

Antwoord

Kmax = 550

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