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)0,5tp​ = ?

Een systeem heeft de overdrachtsfunctie G(s) = 17,5/(s² + 3s + 35) en krijgt een eenheidsstap als ingang. Bepaal de piektijd tp van de stapresponsie.

G(s) = 17,5/(s² + 3s + 35)
tp = s
2.StapresponsieMoeilijk
k = 1000 N/mc = 28 N·s/mm = 5 kgF = 10 Nx(t)

Een massa m = 5 kg hangt aan een veer k = 1000 N/m met een viskeuze demper c = 28 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). In rust in evenwicht wordt plotseling een constante kracht F = 10 N aangelegd. Bepaal de grootste uitwijking xmax in mm.

m = 5 kgk = 1000 N/mc = 28 N·s/mF = 10 N
xmax = mm
3.Bodediagrammen en margesGemiddeld
vin​L = 2 mHC = 2,2 µFR = 2 Ωvout​

In het getoonde serie-RLC-banddoorlaatfilter staat de uitgang over R = 2 Ω, met L = 2 mH en C = 2,2 µF. Bepaal de −3 dB-bandbreedte BW in Hz.

R = 2 ΩL = 2 mHC = 2,2 µF
BW = Hz
4.Bodediagrammen en margesMoeilijk
|H| (dB)0,10,1111010100100−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

Een lus met eenheidsterugkoppeling heeft de open-lus-overdrachtsfunctie L(s) = 105/(s(s + 10)). Bepaal de versterkingsdoorsnijfrequentie ωc, waar |L(jω)| = 1.

L(s) = 105/(s(s + 10))
ωc = rad/s
5.Stabiliteit: Routh–Hurwitz en wortelbaanGemiddeld
R(s)+Ks + 7s(s + 2)(s + 4)C(s)−

Een lus met eenheidsterugkoppeling heeft L(s) = K(s + 7)/(s(s + 2)(s + 4)), met K > 0. Bepaal de grootste versterking Kmax waarvoor de gesloten lus stabiel is.

L(s) = K(s + 7)/(s(s + 2)(s + 4))
Kmax =
6.Stabiliteit: Routh–Hurwitz en wortelbaanMoeilijk
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−9−101j1j2

Een lus met eenheidsterugkoppeling heeft L(s) = K(s + 6)/(s(s + 1)(s + 8)). Bepaal het punt σa waar de asymptoten van de wortelbaan de reële as snijden.

L(s) = K(s + 6)/(s(s + 1)(s + 8))
σa =
7.Stationaire fout en PID-regelingGemiddeld
r(t) = 2 + 5t+2s(s + 1)(s + 5)C(s)−

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

G(s) = 2/(s(s + 1)(s + 5))r(t) = 2 + 5t
ess =
8.Stationaire fout en PID-regelingMoeilijk
R(s)+K10s(s + 6)C(s)−

Een proportionele regelaar K stuurt het proces G(s) = 10/(s(s + 6)) aan in een lus met eenheidsterugkoppeling. Bepaal de versterking K waarmee de gesloten lus een dempingsverhouding ζ = 0,5 krijgt.

G(s) = 10/(s(s + 6))ζ = 0,5
K =
9.Blokschema’sGemiddeld
R(s)+K(s + 4)(s + 7)G(s)C(s)−

Het proces G(s) = K/((s + 4)(s + 7)) staat in een lus met negatieve eenheidsterugkoppeling. Bepaal de versterking K waarvoor de gesloten lus kritisch gedempt is (twee gelijke reële polen).

G(s) = K/((s + 4)(s + 7))negatieve eenheidsterugkoppeling
K =
10.Blokschema’sMoeilijk
R(s)+2regelaar+D(s)+3s + 8procesC(s)−

Een proportionele regelaar K = 2 stuurt het proces G(s) = 3/(s + 8) aan in een lus met negatieve eenheidsterugkoppeling. Een verstoring D komt binnen aan de ingang van het proces (ze wordt opgeteld bij de uitgang van de regelaar). Bij R = 0 wordt een verstoringsstap van grootte 0,5 aangelegd. Bepaal de stationaire uitgang css.

K = 2G(s) = 3/(s + 8)D = 0,5R = 0
css =

3Oplossingen

1.Stapresponsie

Antwoord: tp = 0,549 s

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 = 35 → ωₙ = 5,916 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·5,916) = 0,2535

Resultaat

ωd = 5,916·√(1 − 0,2535²) = 5,723 rad/s → tp = π/ωd = 0,549 s

Antwoord

tp = 0,549 s
2.Stapresponsie

Antwoord: xmax = 15,3 mm

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) = √(1000/5) = 14,14 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 28/(2·√(1000·5)) = 0,198

Resultaat

xst = F/k = 10/1000 m = 10 mm
%OS = 53,02 %
xmax = 10·(1 + 0,5302) = 15,3 mm

Antwoord

xmax = 15,3 mm
3.Bodediagrammen en marges

Antwoord: BW = 159,2 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/√(0,002·2,2 × 10⁻⁶) = 15076 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 2399 Hz

Bandbreedte

BW = R/L = 2/0,002 = 1000 rad/s = 159,2 Hz

Antwoord

BW = 159,2 Hz
4.Bodediagrammen en marges

Antwoord: ωc = 8,142 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.

Versterkingsdoorsnijding

ω⁴ + 100ω² − 11025 = 0
ω² = (−100 + √(10000 + 4·11025))/2 = 66,3
ωc = 8,142 rad/s

Antwoord

ωc = 8,142 rad/s
5.Stabiliteit: Routh–Hurwitz en wortelbaan

Antwoord: Kmax = 48

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

s(s + 2)(s + 4) + K(s + 7) = s³ + 6s² + (8 + K)s + 7K

Routh-schema

s³: 1, 8 + K
s²: 6, 7K
s¹: (6·(8 + K) − 7K)/6
s⁰: 7K

Voorwaarde

48 − 1K > 0
K < 48/1 = 48

Antwoord

Kmax = 48

Met de zero rechts van s = −6 zou de lus stabiel blijven voor elke K > 0.

6.Stabiliteit: Routh–Hurwitz en wortelbaan

Antwoord: σa = −1,5

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.

Polen en zeros

polen: 0, −1, −8
nullen: −6
n − m = 3 − 1 = 2

Zwaartepunt

σa = (−9 − (−6))/2 = −1,5

Antwoord

σa = −1,5

De 2 asymptoten vertrekken vanuit het zwaartepunt onder hoeken van 90°, 270°.

7.Stationaire fout en PID-regeling

Antwoord: ess = 12,5

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) = 0,4

Stapdeel

Kp = ∞ → estep = 0

Hellingsfout

ess = 5/0,4 = 12,5

Antwoord

ess = 12,5
8.Stationaire fout en PID-regeling

Antwoord: K = 3,6

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 + 6) + 10K = s² + 6s + 10K

Eigenfrequentie

2·0,5·ωₙ = 6 → ωₙ = 6 rad/s

Versterking

10K = ωₙ² = 36 → K = 3,6

Antwoord

K = 3,6
9.Blokschema’s

Antwoord: K = 2,25

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

1 + K/((s + 4)(s + 7)) = 0 → s² + 11s + 28 + K = 0

Dubbele wortel

Een kwadratische vergelijking s² + βs + γ heeft een dubbele wortel als β² = 4γ.

11² = 4(28 + K) → K = 121/4 − 28 = 2,25

Antwoord

K = 2,25
Beide gesloten-luspolen liggen dan bij s = −5,5.
10.Blokschema’s

Antwoord: css = 0,1071

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).

Overdrachtsfuncties

C/D = G/(1 + K·G) = 3/(s + 8 + 6)

Stationaire toestand

css = 0,5·3/14 = 0,1071

Antwoord

css = 0,1071

Een grotere K verkleint het effect van de verstoring, maar met een proportionele regelaar nooit tot nul.

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