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)0,5

Een systeem heeft de overdrachtsfunctie G(s) = 48/(s² + 3s + 96) en krijgt een eenheidsstap als ingang. De polen zijn s = σ ± jωd. Bepaal het reële deel σ.

G(s) = 48/(s² + 3s + 96)
σ =
2.StapresponsieMoeilijk
k = 400 N/mc = 40 N·s/mm = 4 kgF = 20 Nx(t)

Een massa m = 4 kg hangt aan een veer k = 400 N/m met een viskeuze demper c = 40 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). In rust in evenwicht wordt plotseling een constante kracht F = 20 N aangelegd. Bepaal de procentuele overshoot %OS van de uitwijking.

m = 4 kgk = 400 N/mc = 40 N·s/mF = 20 N
%OS = %
3.Bodediagrammen en margesGemiddeld
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ω = 8

Bepaal de fase ∠G(jω) van G(s) = (s + 13)/(s(s + 1)) bij ω = 8 rad/s, in graden.

G(s) = (s + 13)/(s(s + 1))ω = 8 rad/s
∠G(jω) = °
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) = 2,5/(s(s + 1)). Bepaal de fasemarge PM in graden.

L(s) = 2,5/(s(s + 1))
PM = °
5.Stabiliteit: Routh–Hurwitz en wortelbaanGemiddeld
R(s)+K1s(s + 5)(s + 10)C(s)−

De lus in het schema heeft de open-lusoverdrachtsfunctie L(s) = K/(s(s + 5)(s + 10)). Bepaal de grootste versterking Kmax waarvoor de gesloten lus stabiel is.

L(s) = K/(s(s + 5)(s + 10))
Kmax =
6.Stabiliteit: Routh–Hurwitz en wortelbaanMoeilijk
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−9−101j1j2−1,5

Bepaal voor de lus L(s) = K/(s(s + 2)(s + 8)) de versterking K die een gesloten-luspool op s = −1,5 plaatst.

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

Een lus met eenheidsterugkoppeling met G(s) = K/(s(s + 2)) moet de helling r(t) = 1t volgen met een stationaire fout van 0,05. Bepaal de versterking K.

G(s) = K/(s(s + 2))r(t) = 1tess = 0,05
K =
8.Stationaire fout en PID-regelingMoeilijk
R(s)+8 + Kd​s1s(s + 1)C(s)−

Een PD-regelaar C(s) = 8 + Kd·s stuurt het proces G(s) = 1/(s(s + 1)) aan in een lus met eenheidsterugkoppeling. Bepaal de differentiërende versterking Kd die de gesloten lus een dempingsverhouding ζ = 0,6 geeft.

G(s) = 1/(s(s + 1))Kp = 8ζ = 0,6
Kd = s
9.Blokschema’sGemiddeld
R(s)+1(s + 1)(s + 2)(s + 4)G(s)C(s)−

Een lus met negatieve eenheidsterugkoppeling heeft G(s) = 1(s + 1)/((s + 2)(s + 4)). Op de referentie wordt een stap van grootte 10 aangelegd. Bepaal de stationaire fout ess.

G(s) = 1(s + 1)/((s + 2)(s + 4))R = 10
ess =
10.Blokschema’sMoeilijk
R(s)+13s + 2G₁+7s + 6G₂C(s)0,5H₁−0,5H₂−

Reduceer het blokschema met G₁ = 13/(s + 2), G₂ = 7/(s + 6), een binnenste negatieve terugkoppeling H₁ = 0,5 om G₂ en een buitenste negatieve terugkoppeling H₂ = 0,5. Bepaal de gelijkstroomversterking T(0) van C(s)/R(s).

G₁ = 13/(s + 2)G₂ = 7/(s + 6)H₁ = 0,5H₂ = 0,5
T(0) =

3Oplossingen

1.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 = 96 → ωₙ = 9,798 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·9,798) = 0,1531

Resultaat

σ = −ζωₙ = −3/2 = −1,5

Antwoord

σ = −1,5
2.Stapresponsie

Antwoord: %OS = 16,3 %

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) = √(400/4) = 10 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 40/(2·√(400·4)) = 0,5

Resultaat

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 16,3 %

Antwoord

%OS = 16,3 %
3.Bodediagrammen en marges

Antwoord: ∠G(jω) = −141,3 °

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.

Tel de hoeken op

∠G = atan(8/13) − 90° − atan(8/1) = 31,61° − 90° − 82,87°

Resultaat

∠G(j8) = −141,3°

Antwoord

∠G(jω) = −141,3°
4.Bodediagrammen en marges

Antwoord: PM = 34,93 °

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 + 1ω² − 6,25 = 0
ω² = (−1 + √(1 + 4·6,25))/2 = 2,05
ωc = 1,432 rad/s

Fasemarge

∠L(jωc) = −90° − atan(1,432/1) = −145,1°
PM = 180° + ∠L = 34,93°

Antwoord

PM = 34,93°
5.Stabiliteit: Routh–Hurwitz en wortelbaan

Antwoord: Kmax = 750

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 + 15s² + 50s + K = 0

Routh-schema

s³: 1, 50
s²: 15, K
s¹: (15·50 − K)/15
s⁰: K

Voorwaarden

Elk element van de eerste kolom moet positief zijn.

K > 0
15·50 − K > 0 → K < 750

Antwoord

Kmax = 750

Bij K = 750 oscilleert de gesloten lus met ω = √50 = 7,071 rad/s.

6.Stabiliteit: Routh–Hurwitz en wortelbaan

Antwoord: K = 4,875

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.

Modulusvoorwaarde

K = |s|·|s + 2|·|s + 8|

Bereken in het punt

K = 1,5·0,5·6,5 = 4,875

Antwoord

K = 4,875

Controle: s(s + 2)(s + 8) + K is nul bij s = −1,5.

7.Stationaire fout en PID-regeling

Antwoord: K = 40

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 = 1/0,05 = 20

Versterking

K = 2·Kv = 40

Antwoord

K = 40

Een grote versterking maakt deze lus zeer licht gedempt: ζ = 0,1581. Dat conflict is de reden dat compensatoren worden gebruikt.

8.Stationaire fout en PID-regeling

Antwoord: Kd = 2,394 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) + 1(8 + Kds) = s² + (1 + 1Kd)s + 8

Eigenfrequentie

ωₙ = √8 = 2,828 rad/s

Differentiërende versterking

1 + 1Kd = 2·0,6·2,828 = 3,394
Kd = 2,394 s

Antwoord

Kd = 2,394 s

De differentiërende term voegt demping toe zonder ωₙ te veranderen.

9.Blokschema’s

Antwoord: ess = 8,889

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) = 1·1/(2·4) = 0,125

Stationaire fout

ess = A/(1 + Kₚ) = 10/(1 + 0,125) = 8,889

Antwoord

ess = 8,889
10.Blokschema’s

Antwoord: T(0) = 1,411

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 = G₂/(1 + G₂H₁) = 7/(s + 9,5)

Buitenste lus

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 91/((s + 2)(s + 9,5) + 45,5)

Gelijkstroomversterking

T(0) = 91/(2·9,5 + 45,5) = 91/64,5 = 1,411

Antwoord

T(0) = 1,411

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