הטכניון – מכון טכנולוגי לישראל, הפקולטה להנדסת מכונות
Transcription
הטכניון – מכון טכנולוגי לישראל, הפקולטה להנדסת מכונות
הטכניון – מכון טכנולוגי לישראל ,הפקולטה להנדסת מכונות TECHNION – Israel Institute of Technology, Faculty of Mechanical Engineering מבוא לבקרה )(034040 תרגול מס' – 13עיצוב החוג (תכן בקרי קידום – פיגור) – פתרון תכן בקרי קידום – פיגור בקר קידום :מגדיל את עודף הפאזה של המערכת על ידי קידום פאזה בתדר הנדרש. בוחרים , m cשם הבקר נותן קידום פאזה מרבי mולא משנה את ההגבר .לקידום גדול מ 60משתמשים בשני בקרי קידום. הבקר מקטין את הגבר החוג הפתוח בתדרים נמוכים ,ולכן פוגע בביצועי מצב מתמיד (פוגע בעקיבה ובוויסות). הבקר מגדיל את הגבר החוג הפתוח בתדרים גבוהים ,ולכן :מקטין עודף הגבר ,פוגע בהנחתת רעשים. Clead jm 1 1 Clead jm m sin 1 , 1 ; , 1 s m s m Clead s בקר פיגור :מגדיל את הגבר החוג הפתוח בתדרים נמוכים ועל ידי כך משפר תכונות עקיבה וויסות. בוחרים , m cשם הגבר הבקר הוא ,1ובתדרים קטנים מ mהגבר הבקר גבוה. הבקר מוסיף פיגור פאזה בתדרים נמוכים .בתדר mמתווסף פיגור פאזה עד 5.7ויש להתחשב בכך בתכן. Clag jm 5.7 ,0 Clag jm 1 , איור :Aימין – עקום בודה של בקר קידום ; , 1 10s m 10s m Clag s שמאל – עקום בודה של בקר פיגור 1 הטכניון – מכון טכנולוגי לישראל ,הפקולטה להנדסת מכונות TECHNION – Israel Institute of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Bode Diagram 50 0 -50 P -100 )Magnitude (dB System: P Frequency (rad/s): 10 Magnitude (dB): -28.5 -150 -90 -135 -180 )Phase (deg System: P Frequency (rad/s): 10 Phase (deg): -199 -225 -270 3 10 2 10 0 1 10 10 -1 10 -2 10 )Frequency (rad/s איור :1עקום בודה של התהליך בשאלה מס' 1 שאלה 1 60 עקום בודה של התהליך s s 5 s 10 P s נתון באיור .1 א .דרוש לבקר את התהליך בחוג סגור כך שתתקיימנה הדרישות הבאות: .1שגיאת מצב מתמיד אפס לכניסת מדרגה באות הייחוס .2רוחב סרט של חוג סגור b 12.5r s .3עודף פאזה ph 35 תכננו בקר מתאים ונתחו את ביצועי החוג הסגור תחת הפרעות מדרגה. פתרון שאלה 1סעיף א' דרישה :1מתקיימת ,כי בתהליך כבר קיים אינטגרטור ,לכן אין צורך להוסיף אינטגרטור בבקר. דרישה :2הדרישה היא על מהירות תגובה של החוג הסגור .נשתמש בכלל האצבע המקובל כדי לתרגם את הדרישה לחוג הפתוח (כאשר נבחר ערך מתוך התחום): b 1.2 1.5c c 12.5 / 1.25 10r s נשים לב כי עודפי היציבות של התהליך עצמו (כלומר של חוג עם בקר )C=1גדולים :עודף פאזה , ph 70 עודף הגבר , g 20dB 10עודף זמן מת . d ph c 1.22secהבעיה היא ש c 1r sנמוך מדי ,כי זה יגרור רוחב סרט קטן מדי של חוג סגור ,כלומר תגובות איטיות בזמן. 2 הטכניון – מכון טכנולוגי לישראל ,הפקולטה להנדסת מכונות TECHNION – Israel Institute of Technology, Faculty of Mechanical Engineering מעקום בודה של התהליך רואים כי דרישה זו לא מתקיימת ,כי הגבר התהליך בתדר c 10r sהוא . 28.5dBנוסיף בקר הגבר שיתקן זאת. C1 28.5dB 26.61 L1 s C1P s 26.61P s דרישה :3הפאזה של התהליך (או של ) L1 s בתדר c 10r sהיא , 198כלומר אם נסגור את החוג עם הבקר C1בלבד נקבל חוג סגור לא יציב .אנו צריכים חוג סגור יציב עם עודף פאזה של לפחות , 35לכן דרוש קידום פאזה של . 18 35 53נתכנן בקר קידום. s m s m C2 s Clead s על מנת לשמור על cשקבענו ,נבחר . m c 10r sההגבר של בקר הקידום בתדר זה הוא ,1והוא נותן בתדר 1 זה קידום פאזה מרבי של 1 . m sin 1 נוכל לחשב את במדויק ,או להוציא אותו מהגרף של . m 1 1 sin 53 8.93 9 1 1 sin 53 sin m sin 53 איור :2קידום פאזה של הבקר C2 s בתדר mכפונקציה של הבקר והחוג הפתוח המתקבלים ,הם 3s 10 3s 10 L s C1C2 P 26.61 Ps s 30 s 30 עקום בודה של החוג הפתוח יהיה כעת 3 9s 10 s 10 9 C2 s הפקולטה להנדסת מכונות,הטכניון – מכון טכנולוגי לישראל TECHNION – Israel Institute of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Bode Diagram 100 System: L=C1C2P Frequency (rad/s): 10 Magnitude (dB): 0.0325 Magnitude (dB) 50 0 -50 -100 -150 -90 System: L=C1C2P Frequency (rad/s): 10 Phase (deg): -145 Phase (deg) -135 -180 P -225 L=C1C2P -270 -2 -1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 10 Frequency (rad/s) 1 ' בשאלה מסL s C1C2 P עקום בודה של החוג הפתוח:3 איור . g 11dB 3.55 :נשים לב שהבקר הגדיל הגבר בתדרים גבוהים ולכן הקטין עודף הגבר מה שהתבטא, קיבלנו רוחב סרט מעט גדול יותר מהנדרש ופיק יחסית לא גבוהy/r בתגובת התדר של החוג הסגור .35% בתגובת מדרגה מהירה ועם תגובת יתר סבירה של כ Step Response Bode Diagram 1.4 10 Gyr 1.2 0 System: Gyr Frequency (rad/s): 16.8 Magnitude (dB): -3.01 1 Magnitude (dB) Amplitude -10 0.8 0.6 -20 -30 0.4 -40 0.2 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 -50 -1 10 0 1 10 10 Frequency (rad/s) Time (seconds) r t 1 t שמאל – תגובת החוג הסגור ל T s y r s ימין – בודה של:4 איור 4 2 10 הטכניון – מכון טכנולוגי לישראל ,הפקולטה להנדסת מכונות TECHNION – Israel Institute of Technology, Faculty of Mechanical Engineering כעת נבדוק את תגובת החוג הסגור לכניסת מדרגה בהפרעה ,ונצייר עקום בודה של התמסורת . Td s y d s Step Response Bode Diagram 0.12 -10 Gyd -20 0.1 -30 0.08 -60 0.06 Amplitude -50 )Magnitude (dB -40 0.04 -70 0.02 -80 2 10 0 1 10 10 -90 -1 10 1.8 1.6 1.4 1 1.2 )Frequency (rad/s 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 )Time (seconds שמאל – תגובת החוג הסגור ל d t 1 t איור :5ימין – בודה של Td s y d s מהבודה של Td s רואים כי ההגבר של Td 0 נמוך יחסית , Td 0 19dB 0.112 ,כלומר ההפרעה (שהיא אות בתדר עיקרי אפס) מונחתת על ידי המסנן Td s יחסית טוב .נחשב במדויק את השגיאה ,כאשר . yd ed P 0 1e 60 1 1 lim 0.112 s sd 1 C 0 P 0 s 0 s s 5 s 10 60C 0 C 0 26.61 3s 10 s 30 s 0 edss lim s s 0 על מנת להקטין את השגיאה לכניסת מדרגה בהפרעה דרוש להגדיל את ההגבר הסטטי של הבקר. C 0 , ב .כעת ,בנוסף על הדרישות בסעיף א' ,דרוש כי השגיאה לכניסת מדרגה בהפרעה לא תעלה על .1% פתרון שאלה 1סעיף ב' C1 כאמור ,עלינו להגדיל את , C 0 כאשר עבור הבקר שתכננו מהנדרש ,ואילו אם נגדיל את C1נגדיל את . cבהרצאה למדנו שקיימת דרך להגדיל את הגבר החוג הפתוח בתדרים . C 0 אם נקטין את נקבל עודף פאזה קטן נמוכים מבלי לפגוע הרבה בהגבר ובפאזה בתדרים גבוהים יותר .נתכנן בקר פיגור ושוב נבחר . m c 10r s Clag jm 5.7 Clag jm 1 , 5 ; 10s m 10s m C3 s Clag s הטכניון – מכון טכנולוגי לישראל ,הפקולטה להנדסת מכונות TECHNION – Israel Institute of Technology, Faculty of Mechanical Engineering נשים לב כי בקר הפיגור יכול להוסיף פיגור פאזה מרבי של 5.7בתדר , m cלכן נצטרך לתקן מעט את בקר הקידום שתכננו .נתכנן בקר קידום חדש שמקדם . 53 6 59מהגרף של m מקבלים כי דרוש . 13 לקיום דרישת הוויסות , edss 0.01על ההגבר הסטטי של הבקר השקול לקיים 1 100 0.01 C 0 1 0.01 C 0 edss ובהצבת הבקרים שתכננו ,נקבל את ההגבר הסטטי הנדרש של בקר הפיגור. 100 13 13.6 26.61 1 100 new 13s 10 s 1 s 10 13 s 0.0735 לסיכום ,הבקר השקול הינו: C 0 C1C2 0 C3 0 C1 C s C1C2 _ new s C3 s 26.61 רואים כי הבקר הגדיל את הגבר החוג הפתוח בתדרים נמוכים ,אך בסביבות נקודת העבודה , 10r s ,אין שינויים. Bode Diagram 100 P L=C1C2P 50 0 -50 )Magnitude (dB Ln=C1C2nC3P -100 -150 -90 -135 )Phase (deg -180 -225 -270 3 10 2 10 0 1 10 10 -1 10 -2 10 )Frequency (rad/s איור :6עקום בודה של החוג הפתוח L s C1C2 _ newC3 Pבשאלה מס' 1 בתמסורת Td s הקטנו את , Td 0 אך בתדרים גבוהים יותר ההגבר של Td s לא השתנה ,לכן קיבלנו מעין פיק בבודה של . Td s כעת גם בתגובת החוג להפרעת מדרגה רואים תגובת יתר .הערך הסופי של התגובה החדשה ,הוא , ydss 0.01כמתוכנן ,כאשר . Td 0 40dB 0.01 6 הפקולטה להנדסת מכונות,הטכניון – מכון טכנולוגי לישראל TECHNION – Israel Institute of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Step Response Bode Diagram 0.12 0 Gyd Gydn 0.1 Gyd Gydn -50 Magnitude (dB) Amplitude 0.08 0.06 -100 0.04 0.02 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 -150 -2 10 9 -1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 Frequency (rad/s) Time (seconds) d t 1 t שמאל – תגובת החוג הסגור ל Td _ new s y d s ימין – בודה של:7 איור . כעת דרוש שהשגיאה לכניסת מדרגה בהפרעה תתאפס לגמרי.ג ' סעיף ג1 פתרון שאלה הבקר השקול החדש יהיה. לכן נתכנן בקר פיגור חדש עם,כעת דרוש אינטגרטור בבקר C1C2 _ new s C3_ new s 26.61 13s 10 s 1 s 10 13 s 7 הטכניון – מכון טכנולוגי לישראל ,הפקולטה להנדסת מכונות TECHNION – Israel Institute of Technology, Faculty of Mechanical Engineering שאלה 2 איור :8עקום בודה של התהליך בשאלה מס' 2 דיאגרמת בודה של תהליך כלשהו ללא קטבים ב ORHPנתונה באיור .8 א .תכננו בקר פשוט ככל האפשר וללא אינטגרטורים כך שהחוג הסגור עונה על הדרישות הבאות: .1שגיאת מצב מתמיד למדרגה באות הייחוס קטנה מ 10%של גובה המדרגה. .2תדירות מעבר הגבר . 10r s .3עודף פאזה . 45 מהו עודף הזמן המת של המערכת עם הבקר שתכננתם? פתרון שאלה 2סעיף א' מעקום בודה של התהליך רואים כי בתדר 10r sישנו עודף פאזה של , 51אך ההגבר של התהליך בתדר זה הוא , 20dBלכן נבחר בקר הגבר K 20dB 10ובכך נקיים דרישות 2ו .3 את קיומה של דרישה 1נבדוק מתוך משפט הערך הסופי ,כאשר ההגבר הסטטי של התהליך הינו . 4.3dB 0.61 1 1 1 1 0.14 0.1 s 1 C s P s 1 10P 0 1 10 0.61 erss lim s s 0 כפי שרואים ,דרישה 1לא מתקיימת .על מנת להקטין את השגיאה דרוש להגדיל את הגבר החוג הפתוח בתדר אפס. 8 הטכניון – מכון טכנולוגי לישראל ,הפקולטה להנדסת מכונות TECHNION – Israel Institute of Technology, Faculty of Mechanical Engineering 0.61C 0 1 10 C 0 P 0 1 10 1 0.1 1 C 0 P 0 erss כדי לא לפגוע בקיום דרישות 2ו ,3נתכנן בקר פיגור .נשים לב כי בקר פיגור יכול להוסיף פיגור פאזה של עד , 5.7 אך עדיין יהיה לנו מספיק עודף פאזה ,כי . 51 6 45 C 0 K 10 9 s 1 1.5 C s 10 6.1 s 0.667 ph 4 עם בקר זה ,למערכת זמן מת של 0.0785sec c 10 ; 10s m 10s m C s K 6.1 1 10 6.1 1 10 . d ב .חזרו על סעיף א' בהינתן שלתהליך נוספה השהייה של 0.080שניות. פתרון שאלה 2סעיף ב' ההשהיה שנוספה גדולה מההשהיה המרבית המותרת ,לכן החוג הסגור עם הבקר שתכננו בסעיף א' יהיה לא יציב. בתדר 10r sההשהיה מוסיפה פיגור פאזה של 0.089 10 180 51ולא משנה את ההגבר בשום תדר .כיוון שללא ההשהיה יש לנו את עודף הפאזה הנדרש ,נתכנן בקר קידום שיקדם בתדר 10r sב . 51לפיכך: 8s 10 s 10 8 8 ; Clead s אבל ,נשים לב כי בקר קידום מקטין הגברים בתדרים נמוכים לכן כנראה קלקל את דרישת העקיבה (דרישה .)1נצטרך לתקן זאת על ידי שדרוג של בקר הפיגור .הבקר כעת הוא 1 8 C 0 K new s 1 8s 10 s 1 new s 10 8 C s K נציב את C 0 בתנאי העקיבה שרשמנו בפתרון סעיף א' ונקבל 1 9 8 new 1 10 new 4.24 1.5 6.1 8 6.1 והבקר הסופי הוא: s 1 8s 10 s 1 4.24 s 10 8 9 C s 10