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 תורת הבקרה )(035188 תרגול מס' – 2עיצוב חוג במערכות גמישות ובקר עם שתי דרגות חופש שאלה 1 נתון תהליך המתאר מערכת גמישה. 2.5s3 s 4.25 s 2 0.035s 23 P( s ) התהליך בעל עקום בודה הבא: Bode Diagram 50 -50 )Magnitude (dB 0 -100 450 P 270 1 2 10 180 -1 10 0 10 )Phase (deg 360 10 )Frequency (rad/s הפיק הגבוה בתגובת התדר הוא תוצאה של ריסון מאוד נמוך של התהליך .תגובת ההלם ,למשל ,תתכנס מאוד לאט: Impulse Response 15 P 10 0 -5 10 9 8 7 6 4 5 )Time (seconds תכננו בקר אשר מגדיל את ריסון המערכת בחוג סגור. 1 3 2 1 0 -10 Amplitude 5 הפקולטה להנדסת מכונות,הטכניון – מכון טכנולוגי לישראל TECHNION – Israel Institute of Technology, Faculty of Mechanical Engineering 1 – דרך1 פתרון שאלה :עקום ניקולס של התהליך Nichols Chart 60 P Open-Loop Gain (dB) 40 0.25 dB 0.5 dB 20 1 dB 3 dB 6 dB 0 0 dB -1 dB -3 dB -6 dB -12 dB System: P Phase Margin (deg): -126 -20 1.33 dB Delay Margin (sec): At frequency (rad/s): 3.06 Closed loop stable? No -20 -40 -40 dB -60 -60 dB -80 -80 dB -100 180 -100 dB 225 270 315 360 405 450 495 540 Open-Loop Phase (deg) נקטין הגבר בתדרים.)1 הגבר המערכת גדול מ180 (בזוויתC s 1 המערכת אינה יציבה בחוג סגור עם הבקר נבחר מסנן אשר יוריד הגבר משמעותית. זה גם יחליק את מאמץ הבקרה.גבוהים באמצעות מסנן מעביר נמוכים : למשל. c 3r s ,בתדרים גבוהים אך מצד שני לא יקטין יותר מדי את תדר המעבר של התהליך Clpf s 6 s6 Magnitude (dB) Bode Diagram 0 -3 -5 Clpf -10 -15 -20 Phase (deg) -25 0 -45 -90 0.1 1 6 10 100 Frequency (rad/s) : L s Clpf s P s עקום ניקולס של 2 הפקולטה להנדסת מכונות,הטכניון – מכון טכנולוגי לישראל TECHNION – Israel Institute of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Nichols Chart 60 Open-Loop Gain (dB) 40 System: P*Clpf 0.25 dB 0.5 dB 1 dB 3 dB 6 dB Phase Margin (deg): -52.1 Delay Margin (sec): 0.36 20 At frequency (rad/s): 14.9 Closed loop stable? No 0 P P*Clpf 0 dB -1 dB -3 dB -6 dB -12 dB System: P*Clpf Phase Margin (deg): -155 Delay Margin (sec): 1.14 -20 dB At frequency (rad/s): 3.15 Closed loop stable? No -20 -40 -40 dB -60 -60 dB -80 -80 dB -100 -100 dB 0 45 90 135 180 225 270 315 360 405 450 495 540 Open-Loop Phase (deg) למערכת. לכן המערכת עדיין לא יציבה, הוסיף גם פיגור פאזהClpf s אך המסנן,ההגבר בתדרים גבוהים אמנם ירד לקבלת עודף פאזה טוב. הגבוה צריך להוסיף קידום פאזה על מנת לייצב את המערכתc באזור. c החדשה יש שני : נקבל את הבקר הבא. הנוכחיc 15r s נניח שנשמור על.נצטרך שני בקרי קידום s c 1.97 s 15 2 1 sin 2 52 25 77 , 3.89 , Clead s s s 29.6 1 sin 2 c 2 : L s Clead s Clpf s P s עקום ניקולס של Nichols Chart 60 40 0.25 dB 0.5 dB 1 dB 3 dB 6 dB 20 Open-Loop Gain (dB) 0 dB -20 -1 dB -3 dB -6 dB -12 dB -20 dB -40 -40 dB -60 -60 dB 0 -80 -100 -120 -80 dB P P*Clpf P*Clpf*Clead -100 dB -120 dB 0 45 90 135 180 225 270 315 360 Open-Loop Phase (deg) 3 405 450 495 540 הפקולטה להנדסת מכונות,הטכניון – מכון טכנולוגי לישראל TECHNION – Israel Institute of Technology, Faculty of Mechanical Engineering : למשל.) לכן נוסיף בקר פרופורציונאלי שיוריד הגבר (ולא ישנה את הפאזה,בקר קידום מגדיל הגבר בתדרים גבוהים K 0.5 : L s KClead s Clpf s P s עקום ניקולס של Nichols Chart 60 40 20 Open-Loop Gain (dB) 0 dB 0.25 dB 0.5 dB 1 dB 3 dB 6 dB 0 -1 dB -3 dB -6 dB System: P*Clpf*Clead*K -12 dB Phase Margin (deg):-20 46.5dB System: P*Clpf*Clead*K -20 Gain Margin (dB): 5.49 Delay Margin (sec): 0.143 At frequency (rad/s): 5.66 -40 dB Closed loop stable? Yes At frequency (rad/s): 24.5 -40 Closed loop stable? Yes -60 -60 dB P P*Clpf P*Clpf*Clead P*Clpf*Clead*K -80 -100 -120 0 45 90 135 180 225 270 315 -80 dB -100 dB -120 dB 360 405 450 495 540 Open-Loop Phase (deg) : Td s , נתבונן בתמסורת החוג הסגור להפרעה.ניתן להוריד את ההגבר עוד יותר אך זה יפגע בהנחת הפרעות Bode Diagram 50 0.5 0.3 0.1 P 40 Magnitude (dB) 30 20 10 0 -10 -20 -30 -40 0 10 1 10 2 10 Frequency (rad/s) אם נמשיך להקטין את ההגבר (כדי לשפר עודפי, אבל. שזה טוב,ניתן לראות כי בחוג הסגור הקטנו את ריסון התהליך : נראה את תגובת החוג להפרעת הלם.) נקבל דווקא הקטנה בריסון החוג (הפיק יגדל,) למשל,יציבות 4 הטכניון – מכון טכנולוגי לישראל ,הפקולטה להנדסת מכונות TECHNION – Israel Institute of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Impulse Response 40 30 20 10 Amplitude 0 -10 0.5 0.3 0.1 P 5 -20 -30 4.5 3.5 4 3 2 2.5 1.5 1 0 0.5 -40 )Time (seconds ככל שההגבר Kקטן יותר (ואז גם cהשני קטן יותר) ,כך אמנם עודפי היציבות טובים יותר (וגם מאמץ הבקרה יורד) ,אך המערכת מגבירה יותר את תדר הרזוננס שבא לידי ביטוי בתגובת הפרעה תונדת יותר ומתכנסת לאט יותר. פתרון שאלה – 1דרך 2 נוסיף לתהליך הנתון את הבקר ( C s 1כלומר ,משוב חיובי) .עקום ניקולס של : L s P s Nichols Chart 60 -P 0 dB -1 dB 0.25 dB 0.5 dB 1 dB 3 dB 6 dB 20 0 System: -P Phase Margin (deg): 53.8 Delay Margin (sec): 0.307 At frequency (rad/s): 3.06 Closed loop stable? No -20 dB -40 dB -20 -40 -60 dB -60 -80 dB -80 -100 dB 360 315 270 225 135 180 90 45 0 )Open-Loop Gain (dB -3 dB -6 dB -12 dB 40 -100 )Open-Loop Phase (deg 6 נוריד גם פה את ההגבר בתדרים גבוהים על ידי שימוש במסנן מעביר נמוכים כמו קודם, s6 5 . Clpf s נקבל: הפקולטה להנדסת מכונות,הטכניון – מכון טכנולוגי לישראל TECHNION – Israel Institute of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Nichols Chart 60 40 0.25 dB 0.5 dB 1 dB 3 dB 6 dB Open-Loop Gain (dB) 20 0 -P -P*Clpf 0 dB -1 dB -3 dB -6 dB -12 dB System: -P*Clpf Phase Margin (deg): 25.3 Delay Margin (sec): 0.14 At frequency (rad/s): 3.15 Closed loop stable? No -20 -40 -20 dB -40 dB -60 -60 dB -80 -80 dB -100 -180 -135 -90 -100 dB -45 0 45 90 135 180 225 270 315 360 Open-Loop Phase (deg) . c 3.15r s לשם כך יש להוסיף פיגור פאזה ב.אנו רוצים "לדחוס" את עקום ניקולס בין שתי הנקודות הקריטיות בבקר פיגור סטנדרטי לא כדאי להשתמש. וניקח את ההופכי שלו75 נשתמש בבקר קידום שמוסיף קידום פאזה של כ . פיגור6 הוא מוסיף רק עד כc פה כי בתדר s c 1 sin 2 25 50 75 , 4.14 , Clead s s 1 sin 2 c 2 s 6.41 2.03s 3.15 2 : L s Clag s Clpf s P s עקום ניקולס של Nichols Chart 60 40 0.25 dB 0.5 dB 1 dB 3 dB 6 dB 20 Open-Loop Gain (dB) 0 -20 -40 0 dB System: -P*Clpf*Clag Phase Margin (deg): -50 Delay Margin (sec): 1.72 At frequency (rad/s): 3.15 Closed loop stable? Yes -40 dB -60 -60 dB -80 -80 dB -P -P*Clpf -P*Clpf*Clag -100 -120 -180 -135 -90 -1 dB -3 dB -6 dB -12 dB -20 dB -45 0 45 90 -100 dB -120 dB 135 180 225 270 315 360 Open-Loop Phase (deg) : Td s ,נתבונן בעקום בודה (הגבר) של תמסורת החוג הסגור להפרעה 6 הטכניון – מכון טכנולוגי לישראל ,הפקולטה להנדסת מכונות TECHNION – Israel Institute of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Bode Diagram 50 P Td )Magnitude (dB 0 -50 2 3 10 1 10 -100 -1 10 0 10 10 )Frequency (rad/s הפיק אכן הונחת משמעותית ,כלומר הריסון גדל .תגובת החוג להפרעת הלם: Impulse Response 20 Td P 15 10 Amplitude 5 0 -5 5 4.5 4 3.5 3 2 2.5 1.5 1 0.5 0 -10 )Time (seconds שאלה 2 נתון המנוע מהתרגול הקודם בעל פונקציית התמסורת: 20.773 111.4 s s 0.269s 1 111.4 s P s בתרגול הקודם דרשנו שבחוג הסגור יתקיים: .1זמן עלייה בעקיבה אחר מדרגה באות הייחוס קטן ככל האפשר. .2שגיאת מצב מתמיד אפס להפרעת מדרגה. .3עודף פאזה . PM 35 .4שגיאת מצב מתמיד קטנה מ 5%להפרעות מחזוריות בתחום התדרים . 0, 0.03r s 7 הטכניון – מכון טכנולוגי לישראל ,הפקולטה להנדסת מכונות TECHNION – Israel Institute of Technology, Faculty of Mechanical Engineering כעת ,בנוסף לדרישות אלו ,דרוש כי החוג הסגור יתנהג על פי מודל ייחוס 1 2 s 1 . Tr s פתרון שאלה 2 הבקר שתכננו בתרגול הקודם ענה על דרישות 1 – 4עם מהירות תגובה סבירה: 2 s 3 1.76s 30 C s 10.1 s s 52.8 נבחן קונפיגורציה של חוג סגור עם בקר בעל שתי דרגות חופש: המטרה של הבקר C s היא לייצב את המערכת .המטרה של המפצה המקדים F s היא לשפר עקיבה ,למשל באמצעות מודל ייחוס. F s נמצא מחוץ לחוג ,לכן אינו משפיע על התגובה להפרעות F s .חייב להיות יציב וסיבתי. פונקציית הרגישות המשלימה עם הבקר C s הנ"ל ,היא: C s P s )2568( s 111.4)( s 16.63)2 (s 3 )1 C s P s ( s 160.9)(s 3.033)(s 2 22.66s 253.1)(s 2 36.75s 1922 T s המערכת מסדר ,strictly proper ,6ולא מינימום פאזה (בעלת אפס ימני) .לקבלת מודל הייחוס הדרוש: y s Tr s F s T s F s Tr s T 1 s r דרגת Tr s היא ,2לכן נקבל ( proper F s ולכן סיבתי) ,אך כיוון ש T s מכיל אפס ימני ,זה יהיה קוטב של , F s לכן F s יהיה לא יציב .לפיכך ,אין ברירה ועל מודל הייחוס להכיל את האפס הימני של התהליך ,אך עלינו גם להעלות את הסדר של מודל הייחוס כדי ש F s יהיה סיבתי .כלומר: 111.4 s 111.4 s 1 3 )( s 160.9)( s 3.033)( s 2 22.66s 253.1)( s 2 36.75s 1922 2568( s 16.63)2 ( s 3) s 1 3 s 1 F s Tr s T נתבונן בתגובות המדרגה המתקבלות עם מודל הייחוס עבור ערכי שונים לעומת התגובה ללא מודל ייחוס: 8 Tr s הטכניון – מכון טכנולוגי לישראל ,הפקולטה להנדסת מכונות TECHNION – Israel Institute of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Step Response 1.6 1.4 1.2 1 0.6 0.4 0.2 0.04 0.01 0.005 Gyr 0.5 0.45 Amplitude 0.8 0 -0.2 0.4 0.35 0.3 0.2 0.25 0.15 0.1 0.05 0 -0.4 )Time (seconds ככל שנבחר קטן יותר נקבל תגובה מהירה יותר (וגם USעמוק יותר) ,אך נזכור כי מאמץ הבקרה יעלה גם הוא. 9