Kỹ thuật điều khiển 2: Thiết kế điều khiển hồi tiếp: gói ôn nước rút

Bảng công thức, các bước phương pháp chính cho từng chủ đề và 10 bài tập, kèm lời giải đầy đủ ở cuối.

Bài mớiQuay lại môn học

Trong cửa sổ in, hãy chọn “Lưu dưới dạng PDF” để giữ một bản trên thiết bị của bạn.

1Công thức và phương pháp

Ổn định: Routh–Hurwitz và quỹ đạo nghiệm

Ổn định
mọi nghiệm của đa thức đặc trưng ở nửa mặt phẳng trái
bảng Routh, phần tử s¹ của đa thức bậc ba
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
Nghiệm ở nửa mặt phẳng phải
số lần đổi dấu trong cột đầu tiên
Đa thức bậc ba s³ + a₂s² + a₁s + a₀
ổn định khi mọi a > 0 và a₂·a₁ > a₀
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
Phương trình đặc trưng
1 + K·G(s) = 0
Đường tiệm cận
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
Điểm tách và điểm nhập
dK/ds = 0
Điều kiện biên độ
K = 1/|G(s)|
Góc xuất phát
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)

Phương pháp

  1. Viết đa thức đặc trưng vòng kín: mẫu số của 1 + K·G(s) = 0, sau khi nhân ra.
  2. Đặt các hệ số xen kẽ vào hai hàng đầu tiên của bảng Routh và lập các hàng còn lại.
  3. Đếm số lần đổi dấu trong cột đầu tiên: mỗi lần là một cực ở nửa mặt phẳng phải. Khi K có trong bảng, hãy yêu cầu mọi phần tử của cột đầu tiên giữ dương.
  4. Với quỹ đạo nghiệm, đánh dấu các cực và điểm không, các đoạn trên trục thực, các đường tiệm cận từ trọng tâm và các điểm tách/nhập nơi dK/ds = 0. Dùng K = 1/|G(s)| cho độ lợi tại một điểm.

Sai số xác lập và điều khiển PID

Loại của hệ
số cực của G(s) tại s = 0
Hằng số sai số
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Bước nhảy A
ess = A/(1 + Kp)
Tín hiệu dốc A·t
ess = A/Kv
Parabol A·t²/2
ess = A/Ka
Bộ điều khiển PID
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Mục tiêu bậc hai
s² + 2ζωns + ωn²
Độ vượt quá và thời gian
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

Phương pháp

  1. Đếm các cực của vòng hở C(s)·G(s) tại s = 0: đó là loại của hệ.
  2. Tính hằng số sai số khớp với đầu vào: Kp cho bước nhảy, Kv cho tín hiệu dốc, Ka cho parabol.
  3. Áp dụng ess = A/(1 + Kp), A/Kv hay A/Ka, hoặc giải nó theo độ lợi bạn cần.
  4. Với yêu cầu về độ cản hoặc tốc độ, viết đa thức đặc trưng vòng kín và so sánh nó với s² + 2ζω_n·s + ω_n².

2Bài tập

1.Đáp ứng bướcTrung bình
t (s)y(t)1tp​ = ?

Một hệ có hàm truyền G(s) = 100/(s² + 12s + 100) và nhận tín hiệu vào là bước nhảy đơn vị. Tìm thời gian đỉnh tp của đáp ứng bước.

G(s) = 100/(s² + 12s + 100)
tp = s
2.Đáp ứng bướcKhó
R(s)+Ks(s + 4)G(s)C(s)−

Một vòng hồi tiếp âm đơn vị có G(s) = K/(s(s + 4)). Tìm độ lợi K để đáp ứng bước có độ vọt lố 30 %.

G(s) = K/(s(s + 4))%OS = 30 %
K =
3.Biểu đồ Bode và độ dự trữTrung bình
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−90−450ω = 3

Tìm pha ∠G(jω) của G(s) = 25(s + 9)/(s(s + 16)) tại ω = 3 rad/s, theo độ.

G(s) = 25(s + 9)/(s(s + 16))ω = 3 rad/s
∠G(jω) = °
4.Biểu đồ Bode và độ dự trữKhó
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Một vòng hồi tiếp đơn vị có hàm truyền vòng hở L(s) = 24/(s(s + 4)). Tìm độ dự trữ pha PM theo độ.

L(s) = 24/(s(s + 4))
PM = °
5.Ổn định: Routh–Hurwitz và quỹ đạo nghiệmTrung bình
R(s)+K = 0,61s(s + 1)(s + 2)C(s)−

Vòng trong sơ đồ chạy với K = 0,6 và L(s) = K/(s(s + 1)(s + 2)). Có thể tăng độ lợi lên bao nhiêu lần m trước khi vòng kín mất ổn định?

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 2))K = 0,6
m =
6.Ổn định: Routh–Hurwitz và quỹ đạo nghiệmKhó
ReIm−1−2−3−4−5−6−71j1j2

Với L(s) = K/((s + 6)(s² + 8s + 20)), tìm góc xuất phát θd của quỹ đạo nghiệm từ cực phức ở nửa mặt phẳng trên, đo từ trục thực dương.

L(s) = K/((s + 6)(s² + 8s + 20))
θd = °
7.Sai số xác lập và điều khiển PIDTrung bình
R(s)+K(s + 5)(s + 10)C(s)−

Một vòng phản hồi đơn vị có G(s) = K/((s + 5)(s + 10)). Tìm độ lợi K cho sai số xác lập 2 % với đầu vào bước nhảy.

G(s) = K/((s + 5)(s + 10))ess = 2 %
K =
8.Sai số xác lập và điều khiển PIDKhó
r(t) = 5t+1 + 10/s4(s + 5)(s + 10)C(s)−

Một bộ điều khiển PI C(s) = 1 + 10/s điều khiển đối tượng G(s) = 4/((s + 5)(s + 10)) trong một vòng phản hồi đơn vị. Tìm sai số xác lập ess cho đầu vào tín hiệu dốc r(t) = 5t.

C(s) = 1 + 10/sG(s) = 4/((s + 5)(s + 10))r(t) = 5t
ess =
9.Sơ đồ khốiTrung bình
R(s)+K(s + 2)(s + 12)G(s)C(s)−

Đối tượng G(s) = K/((s + 2)(s + 12)) nằm trong vòng hồi tiếp âm đơn vị. Tìm độ lợi K để vòng kín tắt dần tới hạn (hai cực thực bằng nhau).

G(s) = K/((s + 2)(s + 12))hồi tiếp âm đơn vị
K =
10.Sơ đồ khốiKhó
R(s)+18s(s + 5)G(s)C(s)2H−

Đối tượng G(s) = 18/(s(s + 5)) nằm trong vòng hồi tiếp âm với độ lợi cảm biến H = 2. Các cực vòng kín là số phức. Tìm phần ảo ωd của chúng (giá trị dương), theo rad/s.

G(s) = 18/(s(s + 5))H = 2
ωd = rad/s

3Dung dịch

1.Đáp ứng bước

Đáp số: tp = 0,3927 s

Đáp ứng bước: một hệ bậc nhất G(s) = K/(τs + 1) đáp ứng với một bước nhảy có biên độ U là y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): nó đạt 63,2 % giá trị cuối K·U sau một hằng số thời gian τ và 98 % sau 4τ. Một hệ bậc hai G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) có các cực s = −ζωₙ ± jωd với ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Với 0 < ζ < 1, đáp ứng bước có độ vọt lố: độ vọt lố phần trăm %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), thời gian đỉnh tp = π/ωd, và thời gian xác lập 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). So sánh mẫu số với s² + 2ζωₙs + ωₙ² để suy ra ωₙ và ζ. Với hệ khối lượng–lò xo–giảm chấn ωₙ = √(k/m) và ζ = c/(2√(km)); với mạch RLC nối tiếp ωₙ = 1/√(LC) và ζ = (R/2)·√(C/L).

So sánh với dạng chuẩn

Mẫu số phải khớp với s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 100 → ωₙ = 10 rad/s
2ζωₙ = 12 → ζ = 12/(2·10) = 0,6

Kết quả

ωd = 10·√(1 − 0,6²) = 8 rad/s → tp = π/ωd = 0,3927 s

Đáp số

tp = 0,3927 s
2.Đáp ứng bước

Đáp số: K = 31,23

Đáp ứng bước: một hệ bậc nhất G(s) = K/(τs + 1) đáp ứng với một bước nhảy có biên độ U là y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): nó đạt 63,2 % giá trị cuối K·U sau một hằng số thời gian τ và 98 % sau 4τ. Một hệ bậc hai G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) có các cực s = −ζωₙ ± jωd với ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Với 0 < ζ < 1, đáp ứng bước có độ vọt lố: độ vọt lố phần trăm %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), thời gian đỉnh tp = π/ωd, và thời gian xác lập 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). So sánh mẫu số với s² + 2ζωₙs + ωₙ² để suy ra ωₙ và ζ. Với hệ khối lượng–lò xo–giảm chấn ωₙ = √(k/m) và ζ = c/(2√(km)); với mạch RLC nối tiếp ωₙ = 1/√(LC) và ζ = (R/2)·√(C/L).

Hàm truyền vòng kín

T(s) = K/(s² + 4s + K)

Hệ số tắt dần từ độ vọt lố

ζ = −ln(0,3)/√(π² + ln²(0,3)) = 0,3579

Độ khuếch đại

ωₙ = 4/(2ζ) = 5,589 rad/s
K = ωₙ² = 31,23

Đáp số

K = 31,23
3.Biểu đồ Bode và độ dự trữ

Đáp số: ∠G(jω) = −82,18 °

Đáp ứng tần số: thay s = jω vào hàm truyền. Độ lớn theo decibel là 20·log₁₀|H(jω)| và pha là tổng các góc của các nhân tử ở tử trừ đi các góc của các nhân tử ở mẫu. Một bộ lọc RC hoặc RL bậc nhất có tần số góc (−3 dB) tại ωc = 1/(RC) hoặc R/L, và fc = ωc/(2π); bộ lọc thông thấp cho |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) và φ = −atan(ω/ωc). Trong biểu đồ Bode tiệm cận (đường thẳng), mỗi cực bẻ độ lớn xuống 20 dB/decade tại tần số góc của nó, mỗi điểm không bẻ nó lên 20 dB/decade, và một bộ tích phân 1/s cho −20 dB/decade ở mọi tần số. Tần số cắt biên ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); độ dự trữ pha PM = 180° + ∠L(jωc). Tần số cắt pha ω180: ∠L(jω) = −180°; độ dự trữ biên GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Vòng kín ổn định khi cả hai độ dự trữ đều dương.

Cộng các góc

∠G = atan(3/9) − 90° − atan(3/16) = 18,43° − 90° − 10,62°

Kết quả

∠G(j3) = −82,18°

Đáp số

∠G(jω) = −82,18°
4.Biểu đồ Bode và độ dự trữ

Đáp số: PM = 43,88 °

Đáp ứng tần số: thay s = jω vào hàm truyền. Độ lớn theo decibel là 20·log₁₀|H(jω)| và pha là tổng các góc của các nhân tử ở tử trừ đi các góc của các nhân tử ở mẫu. Một bộ lọc RC hoặc RL bậc nhất có tần số góc (−3 dB) tại ωc = 1/(RC) hoặc R/L, và fc = ωc/(2π); bộ lọc thông thấp cho |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) và φ = −atan(ω/ωc). Trong biểu đồ Bode tiệm cận (đường thẳng), mỗi cực bẻ độ lớn xuống 20 dB/decade tại tần số góc của nó, mỗi điểm không bẻ nó lên 20 dB/decade, và một bộ tích phân 1/s cho −20 dB/decade ở mọi tần số. Tần số cắt biên ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); độ dự trữ pha PM = 180° + ∠L(jωc). Tần số cắt pha ω180: ∠L(jω) = −180°; độ dự trữ biên GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Vòng kín ổn định khi cả hai độ dự trữ đều dương.

Tần số cắt biên

ω⁴ + 16ω² − 576 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·576))/2 = 17,3
ωc = 4,159 rad/s

Độ dự trữ pha

∠L(jωc) = −90° − atan(4,159/4) = −136,1°
PM = 180° + ∠L = 43,88°

Đáp số

PM = 43,88°
5.Ổn định: Routh–Hurwitz và quỹ đạo nghiệm

Đáp số: m = 10

Tiêu chuẩn Routh–Hurwitz: một hệ tuyến tính ổn định khi mọi nghiệm của đa thức đặc trưng của nó nằm ở nửa trái của mặt phẳng s. Viết các hệ số xen kẽ vào hai hàng đầu tiên của bảng Routh. Mỗi phần tử của một hàng mới đến từ hai hàng phía trên nó; với đa thức bậc ba a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀ phần tử s¹ là b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂. Số lần đổi dấu trong cột đầu tiên bằng số nghiệm ở nửa mặt phẳng phải. Với độ lợi K trong các hệ số, mọi phần tử của cột đầu phải dương: độ lợi làm phần tử s¹ bằng không là giới hạn ổn định, và hàng s² khi đó cho tần số của dao động duy trì.

Bảng Routh

s³ + 3s² + 2s + K = 0
s³: 1, 2
s²: 3, K
s¹: (3·2 − K)/3
s⁰: K

Độ lợi ổn định lớn nhất

Kmax = 3·2 = 6

Hệ số

m = 6/0,6 = 10

Đáp số

m = 10

Hệ số này là biên độ lợi dưới dạng tỷ số: 20 dB.

6.Ổn định: Routh–Hurwitz và quỹ đạo nghiệm

Đáp số: θd = 45 °

Quỹ đạo nghiệm số: khi độ lợi K đi từ 0 đến ∞, các cực vòng kín, tức các nghiệm của 1 + K·G(s) = 0, di chuyển từ các cực vòng hở đến các điểm không vòng hở hoặc đến vô cực. Một điểm trên trục thực thuộc quỹ đạo khi số cực và điểm không thực ở bên phải nó là số lẻ. n − m nhánh đi đến vô cực theo các đường tiệm cận ở các góc (2q + 1)·180°/(n − m), xuất phát từ trọng tâm σₐ = (Σ cực − Σ điểm không)/(n − m). Các nhánh rời hoặc nhập vào trục thực tại nơi dK/ds = 0. Điều kiện góc ∠G(s) = 180° quyết định hình dạng, và điều kiện biên độ K = 1/|G(s)| cho độ lợi tại bất kỳ điểm nào của quỹ đạo.

Vị trí các cực

s² + 8s + 20 = 0 → s = −4 ± j2
s = −6

Các góc từ những cực khác

∠(−4 + j2 + 6) = atan2(2, 2) = 45°
∠(−4 + j2 − (−4 − j2)) = ∠(j4) = 90°

Góc xuất phát

θd = 180° − 45° − 90° = 45°

Đáp số

θd = 45°
7.Sai số xác lập và điều khiển PID

Đáp số: K = 2450

Sai số xác lập: trong một vòng phản hồi đơn vị với hàm truyền vòng hở G(s), sai số là E(s) = R(s)/(1 + G(s)), và theo định lý giá trị cuối ess = lims→0 s·E(s). Loại của hệ là số cực của G(s) tại s = 0. Các hằng số sai số là Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) và Ka = lim s²·G(s), đều với s → 0. Một bước nhảy có độ lớn A cho ess = A/(1 + Kp), một tín hiệu dốc A·t cho A/Kv và một parabol A·t²/2 cho A/Ka. Một vòng loại 0 bám theo bước nhảy với sai số hữu hạn, một vòng loại 1 bám theo nó chính xác và bám theo tín hiệu dốc với sai số hữu hạn.

Hằng số sai số yêu cầu

1/(1 + Kp) = 0,02 → Kp = 49

Độ khuếch đại

K/50 = 49 → K = 2450

Đáp số

K = 2450

Cũng hãy kiểm tra sự ổn định của vòng kín: với vòng bậc hai này mọi K > 0 đều ổn định.

8.Sai số xác lập và điều khiển PID

Đáp số: ess = 6,25

Điều khiển P, PI và PID: bộ điều khiển C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s tác động lên sai số. Một độ lợi tỉ lệ làm vòng nhanh hơn và giảm sai số của đối tượng loại 0, nhưng không bao giờ loại bỏ nó. Thành phần tích phân thêm một cực tại s = 0: loại của hệ tăng thêm một, và một bước nhảy được bám theo không có sai số. Thành phần vi phân thêm sự cản. Để chọn các độ lợi, viết đa thức đặc trưng vòng kín và so sánh nó với s² + 2ζωns + ωn². Khi đó %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd với ωd = ωn√(1 − ζ²), và ts ≈ 4/(ζωn).

Hằng số vận tốc

s·C(s) = 1s + 10 → 10 khi s → 0.

Kv = 10·4/50 = 0,8

Sai số tín hiệu dốc

ess = 5/0,8 = 6,25

Đáp số

ess = 6,25

Bộ điều khiển PI loại bỏ hoàn toàn sai số bước nhảy; một tín hiệu dốc được bám theo với độ trễ không đổi.

9.Sơ đồ khối

Đáp số: K = 25

Đại số sơ đồ khối: các khối nối tiếp thì nhân (G₁·G₂), các khối song song thì cộng (G₁ + G₂), và một vòng có đường thuận G và đường hồi tiếp H rút gọn thành T = G/(1 + G·H) với hồi tiếp âm và G/(1 − G·H) với hồi tiếp dương. Rút gọn các vòng bên trong trước, rồi làm dần ra ngoài. Các cực vòng kín là nghiệm của phương trình đặc trưng 1 + G(s)H(s) = 0. Với vòng ổn định, đầu vào bậc thang có độ lớn A cho đầu ra xác lập A·T(0); với hồi tiếp đơn vị, sai số xác lập đối với bậc thang là A/(1 + Kp) với Kp = G(0).

Phương trình đặc trưng

1 + K/((s + 2)(s + 12)) = 0 → s² + 14s + 24 + K = 0

Nghiệm kép

Tam thức s² + βs + γ có nghiệm kép khi β² = 4γ.

14² = 4(24 + K) → K = 196/4 − 24 = 25

Đáp số

K = 25
Khi đó cả hai cực vòng kín đều tại s = −7.
10.Sơ đồ khối

Đáp số: ωd = 5,454 rad/s

Đại số sơ đồ khối: các khối nối tiếp thì nhân (G₁·G₂), các khối song song thì cộng (G₁ + G₂), và một vòng có đường thuận G và đường hồi tiếp H rút gọn thành T = G/(1 + G·H) với hồi tiếp âm và G/(1 − G·H) với hồi tiếp dương. Rút gọn các vòng bên trong trước, rồi làm dần ra ngoài. Các cực vòng kín là nghiệm của phương trình đặc trưng 1 + G(s)H(s) = 0. Với vòng ổn định, đầu vào bậc thang có độ lớn A cho đầu ra xác lập A·T(0); với hồi tiếp đơn vị, sai số xác lập đối với bậc thang là A/(1 + Kp) với Kp = G(0).

Phương trình đặc trưng

s(s + 5) + 18·2 = 0 → s² + 5s + 36 = 0

Các nghiệm

s = −2,5 ± j·√(36 − 6,25) = −2,5 ± j5,454
ωd = 5,454 rad/s

Đáp số

ωd = 5,454 rad/s

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