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' – 5בקרה בחוג פתוח ,תגובה דינמית (המשך) -פתרון d y P s u C s r איור :Aמערכת בקרה בחוג פתוח שאלה 1 מערכת כלשהי מבוקרת בחוג פתוח (איור )Aכך שהתגובה מתנהגת לפי מודל ייחוס תת מרוסן מסדר שני ללא אפסים, K pn2 y . s Tr s 2 r s 2n s n2 ציירו את התחום בו נמצאים קטבי המערכת כך שבתגובה לכניסת מדרגה מתקיימות הדרישות הבאות: .1תדר תנודה טבעי בתחום1r s n 2r s : .2זמן דעיכה ל ST≤3.08[sec] :δ=2% .3תגובת יתרOS 10% : פתרון שאלה 1 קטבי המערכת הם. s n n 1 2 j : .1התדר הטבעי הוא הגודל של הקטבים , s n ,לכן במישור המרוכב מדובר בחצאי מעגלים שמרכזם בראשית. לפיכך ,עבור 1r s n 2r sעל הקטבים להימצא בין חצי מעגל ברדיוס 1לחצי מעגל ברדיוס .2 1 הטכניון – מכון טכנולוגי לישראל ,הפקולטה להנדסת מכונות TECHNION – Israel Institute of Technology, Faculty of Mechanical Engineering .2נרשום את התנאי על זמן הדעיכה במונחים של תדר טבעי ויחס ריסון: n 1.3 3.08 4 n ST2% המכפלה nהיא הגודל של החלק הממשי של קטבי המערכת .לפיכך ,על הקטבים להימצא משמאל לקו האנכי .-1.3 .3נרשום את התנאי על תגובת היתר במונחים של תדר טבעי ויחס ריסון: 0.6 ln 0.1 2 ln 2 0.1 2 ln OS 2 ln 2 OS 0.1 1 2 OS e הטכניון – מכון טכנולוגי לישראל ,הפקולטה להנדסת מכונות TECHNION – Israel Institute of Technology, Faculty of Mechanical Engineering יחס הריסון מגדיר את המנה בין החלק הממשי והחלק המדומה של הקטבים .לכן במישור המרוכב אלו קרניים שיוצאות מהראשית ויוצרות זווית קבועה עם הציר הממשי השלילי ,כאשר . cos עבור 0.6על הקטבים להימצא בין הקרניים היוצרות . arccos 0.6 53 היכן קרניים אלו יחתכו את המעגל ברדיוס , 2cos53 1.2 ?2כלומר במקרה זה התנאי על ה OSכבר מוכל בתוך התנאים האחרים. תגובת מדרגה של מערכת בעלת פרמטרים בתחום המקווקו ,למשל 0.737 : 1.92 s 2 2 1.4s 1.92 Step Response 1.4 System: P Peak amplitude: 1.03 Overshoot (%): 3.26 At time (seconds): 2.43 System: P Settling time (seconds): 3.07 1.2 1 0.6 0.4 0.2 5 4.5 4 3.5 3 2 2.5 )Time (seconds 3 1.5 1 0.5 0 0 Amplitude 0.8 , Tr s הטכניון – מכון טכנולוגי לישראל ,הפקולטה להנדסת מכונות TECHNION – Israel Institute of Technology, Faculty of Mechanical Engineering שאלה ( 2הגרפים מופיעים בדף השאלות) א .התאימו בין מפות הקטבים של התהליכים a15לתגובות המדרגה שלהם. b15 , פתרון שאלה 2סעיף א' ההתאמות הן: a1 b5 , a2 b4 , a3 b3 , a4 b2 , a5 b1 מערכות a1ו a5הינן מסדר ראשון ,לכן לתגובת המדרגה יהיה שיפוע גדול מאפס ב ( t=0אז זה רק b1או .) b5 ל a1קוטב יותר איטי (יותר קרוב לציר המדומה) מאשר ל ,p=-1/τ . a5לכן ל a1 קבוע זמן גדול יותר 1 מאשר ל 0.1 a5ותגובת המדרגה של a5מהירה יותר. מערכות a24הן מסדר שני ,לכן לתגובת המדרגה שלהן יש שיפוע אפס ב .t=0ל a2ו a4שני קטבים מרוכבים ולכן הן תת מרוסנות .נבדוק את ההבדל בין שתי המערכות: כיוון ש ,cosθ=ζיחס הריסון של a2גדול יותר ,לכן תגובת המדרגה של a2בעלת OSקטן יותר והיא תונדת פחות. כמו כן ,קטבי a2רחוקים יותר מהציר המדומה ,ולכן תגובתה מתכנסת מהר יותר. למערכת a3שני קטבים ממשיים ,לכן היא על מרוסנת ואין לה תגובת יתר או תנודות. ב .כעת לתהליכים בסעיף א' נוסף אפס ב -3והתקבלו תגובות מדרגה חדשות .חזרו על סעיף א'. פתרון שאלה 2סעיף ב' למערכת המקורית נוסף אפס ב .-3ההתאמות הן: a1 b5 , a2 b4 , a3 b3 , a4 b2 , a5 b1 4 הטכניון – מכון טכנולוגי לישראל ,הפקולטה להנדסת מכונות TECHNION – Israel Institute of Technology, Faculty of Mechanical Engineering תוספת אפס למערכת מסדר 1פירושה שתגובת המדרגה מתחילה מערך שונה מאפס .לכן תגובות b1ו b5 מתאימות למערכות a1ו . a5ניתן לחשב זאת ממשפט הערך ההתחלתי: 1 1 s 1 s 1 1 1 1 10 lim s Pa1 s lim 3 0.33 ; lim s Pa5 s lim 3 3.33 s s s s 1 s s s 1 3 s 1 3 10 כמו כן ,תגובה b1מהירה יותר מתגובה b5גם כי קבוע הזמן של a5יותר קטן מזה של ( a1בגלל הקוטב הרחוק) וגם כי שהאפס במערכת a5קרוב יותר לציר המדומה (בניגוד למערכת ) a1ולכן משפיע יותר על התגובה (מזרז אותה). תוספת אפס למערכת מסדר 2גורמת לשיפוע ברגע t=0להיות גדול מאפס .כמו כן ,באופן כללי ,האפס מגדיל OS ומקטין . T pבמקרה שלנו ,האפס נמצא קרוב מאוד לאחד הקטבים (כמעט צמצום) ולכן הוא כמעט מבטל את השפעת קוטב זה .לפיכך ,המערכת a3תתנהג כמעט כמו מערכת מסדר ראשון עם קוטב ב .-10 תגובה b2שהייתה מאוד תונדת ועם OSדי גדול תקבל OSגדול עוד יותר. תגובה b4שהייתה בעלת OSנמוך ,תקבל OSמאוד גבוה כי האפס של a2מאוד דומיננטי יחסית לקטבים (אך התנודתיות תישאר קטנה כי גבוה). ג .כעת לתהליכים בסעיף א' נוסף קוטב ב ,-5והתקבלו תגובות מדרגה חדשות .חזרו על סעיף א'. פתרון שאלה 2סעיף ג' למערכת המקורית נוסף קוטב ב .-5ההתאמות הן: a1 b5 , a2 b4 , a3 b3 , a4 b2 , a5 b1 הוספת קוטב הופכת מע' מסדר ראשון לשני ומע' מסדר שני לשלישי .ככל שההפרש בין דרגת המונה והמכנה גדול יותר כך הגרף ב t=0שטוח יותר (יותר נגזרות מתאפסות) .לכן תגובות b24מתאימות למע' מסדר .3תגובת המדרגה של ( a3שלושה קטבים ממשיים) תהיה כמו תגובתה ללא הקוטב הנוסף ,רק יותר מונמכת ואיטית יותר. מערכות a1ו a5הינן מסדר שני ועל מרוסנות ,אך במע' a1הקטבים קרובים יותר לציר המדומה מאשר ב a5 והתגובה תהיה איטית יותר .ככלל ,הוספת קוטב מאיטה תגובה ,אך ב a1הקוטב הנוסף רחוק מאוד מהקוטב המקורי לכן כמעט ולא ישפיע. במע' a4הקוטב רחוק יותר מהקטבים המרוכבים ,לכן הוא ינמיך מעט את תגובת היתר אך עדיין נראה תנודות. במע' a2הקוטב הנוסף דומיננטי יותר ,ואם במע' המקורית היה OSנמוך ,אז כעת בכלל לא נצפה ל .OS תגובת a2צפויה להיות מהירה יותר מתגובת a3כי ל a3יש קוטב ב -2.9ש ל a2אין (וכך נבדיל בין b3ל .) b4 5 הטכניון – מכון טכנולוגי לישראל ,הפקולטה להנדסת מכונות TECHNION – Israel Institute of Technology, Faculty of Mechanical Engineering שאלה 3 𝑛𝑖𝑞 𝑡𝑢𝑜𝑞 𝑅 𝐴 איור :1המערכת בשאלה 3 נתונה המערכת שבאיור .1למיכל נכנס נוזל עם ספיקה נפחית ] הנוזל במיכל הינו ] [ ) ( ושטח החתך של המיכל הוא .הקשר (בקירוב ליניארי) בין הספיקה היוצאת לבין ) ( .הכניסה מוגדרת כ ) ( הגובה במיכל נתון ע"י ) ( ) ( .נתונים מספריים] : ] [ [) ( [ ] [ ,ויוצאת ספיקה ] [) ( .גובה ) ( והיציאה מוגדרת כ ) ( . א .רשמו את המשוואה הדינמית ומצאו את פונקציית התמסורת ) ( של המערכת. פתרון שאלה 3סעיף א' מאזן ספיקות (שימור נפח הנוזל במיכל) והקשר להתנגדות השסתום ,הם: h t R qin t qout t Ah t , qout t נציב את הגדרת הכניסה והיציאה ,נפעיל התמרת לפלס ונקבל: u t y t y 1 Ay t ARy t y t u t s R u ARs 1 קיבלנו מערכת מסדר ראשון עם קבוע הזמן . AR 5sec 6 . הטכניון – מכון טכנולוגי לישראל ,הפקולטה להנדסת מכונות TECHNION – Israel Institute of Technology, Faculty of Mechanical Engineering ב .תכננו בקר כך שהחוג הפתוח יתנהג לפי מודל הייחוס: , 0.8 n2 y s Tr s 2 r s 2n s n2 . פתרון שאלה 3סעיף ב' התהליך אמנם יציב אך קבוע הזמן גדול וצפויה תגובה איטית ,ואילו אנו מעוניינים שהמערכת תגיע לגובה מסוים בזמן קצר .לכן מבקרים את המערכת עם מודל ייחוס (היפוך מקורב של התהליך) שמאפשר שליטה על מהירות התגובה. n2 s 1 . C s Tr s P s 2 הבקר יהיה מהצורה: s 2n s n2 1 את הפרמטר nנבחר כרצוננו על מנת להאיץ את התגובה .באיור 2נתונות תגובות מדרגה של המערכת המבוקרת עם הבקר הנ"ל עבור ערכי nשונים. Step Respone 1 0.8 )Without C(s n = 1 0.4 )Output, y(t 0.6 n = 2 n = 4 0.2 n = 8 10 8 4 6 )Time, t (seconds 2 0 0 איור :2תגובות המערכת בחוג פתוח לכניסת מדרגה. ג .בדקו כיצד זירוז התגובה משפיע על מאמץ הבקרה. פתרון שאלה 3סעיף ג' נצייר את תגובת אות הבקרה עבור ערכי nהנ"ל וכן את מפת הקטבים של הבקר (איור .)3 7 הטכניון – מכון טכנולוגי לישראל ,הפקולטה להנדסת מכונות TECHNION – Israel Institute of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Step Respone 18 n = 1 n = 2 16 n = 1 14 n = 2 n = 8 10 8 6 8 6 0.8 n = 4 n = 8 4 4 2 2 1 0 1 -2 2 4 -4 4 0.8 2 3 4 2 )Time, t (seconds -6 0 0 1 -8 8 5 0 -5 )Real Axis (seconds -1 איור :3ימין – מאמץ הבקרה בתגובה לכניסת מדרגה ,שמאל – מפת קטבים ואפסים של u/r ניתן לראות כי ככל שהפרמטר שנדרש להכניס למיכל) גדול יותר. גדול יותר ,כך הקטבים של הבקר ,שהם גם הקטבים של ) ( ,רחוקים יותר מהראשית ולכן כמו כן ,ככל ש גדל. נהיה יותר ויותר דומיננטי ולכן ה- התגובה מהירה יותר .מאידך ,האפס גדול יותר ,כך התגובה מהירה יותר אך מאמץ הבקרה הנדרש (הספיקה שאלה 4 איור :4המערכת בשאלה 4 באיור 4נתונה מערכת הכוללת שתי משקולות בעלות מסה m 1 kg אשר קשורות על ידי חוט העובר דרך גלגלת. המשקולת השמאלית מחוברת לחוט דרך קפיץ בעל קבוע . k 1 N mכפי שמתואר בציור ,קיים מגע בין המשקולות כאשר מקדם החיכוך הויסקוזי במגע זה הוא . c 0.5 N sec תזוזת המשקולת הימנית מסומנת ב uומוגדרת ככניסה. m תזוזת המשקולת הימנית מסומנת ב yומוגדרת כיציאה. 8 )Imaginary Axis (seconds-1 12 )Control Effort, u(t n = 4 Pole-Zero Map 8 הטכניון – מכון טכנולוגי לישראל ,הפקולטה להנדסת מכונות TECHNION – Israel Institute of Technology, Faculty of Mechanical Engineering y 0.5s 1 ניתן להראות שהמערכת מתוארת על ידי התמסורת s 2 u s 0.5s 1 . P s א .ציירו את תגובת המדרגה של התהליך. פתרון שאלה 4סעיף א' למערכת קיים אפס ימני ,לכן בתגובת המדרגה נקבל ,undershootכמתואר באיור .5 Step Response 1.6 1.4 1.2 1 0.6 Amplitude 0.8 0.4 0.2 0 25 20 10 15 5 0 -0.2 )Time (seconds איור :5תגובת מדרגה של התהליך בשאלה 4 y 1 ב .מציעים לבקר את התהליך בחוג פתוח עם מודל ייחוס s Tr1 s r s 1 והאם ניתן להשתמש בו? .איזה בקר יענה על הדרישה פתרון שאלה 4סעיף ב' s 2 0.5s 1 הבקר שיענה על הדרישה הוא: s 1 0.5s 1 . C s Tr1 s P 1 s בקר זה סיבתי אך לא יציב ,לכן לא ניתן להשתמש בו בחוג פתוח .נקבל התבדרות של אות הבקרה למרות שהיציאה מתנהגת לכאורה על פי מודל הייחוס. n2 0.5s 1 y . s Tr 2 s 2תכננו בקר שיענה על הדרישה וציירו את ג .כעת מודל הייחוס הרצוי הינו r s 2n s n2 תגובת המדרגה של המערכת עבור 2ו . n 1, 2 9 הטכניון – מכון טכנולוגי לישראל ,הפקולטה להנדסת מכונות TECHNION – Israel Institute of Technology, Faculty of Mechanical Engineering פתרון שאלה 4סעיף ג' האפס הימני מופיע במודל הייחוס ולכן הבקר לא צריך לצמצם אותו .נקבל בקר יציב: s 2 0.5s 1 s 2 2n s n2 n2 . C s Step Response 1.2 1 w n=1 0.8 w n=2 0.4 Amplitude 0.6 0.2 0 20 25 10 15 5 0 -0.2 )Time (seconds Step Response 4 w n=1 w n=2 3.5 3 2.5 Amplitude 2 1.5 1 0.5 25 20 10 15 5 0 0 )Time (seconds איור :6עליון – תגובת מדרגה של ,y/rתחתון – אות הבקרה (תגובת )u/r מהגרפים רואים כי דרישת תגובה מהירה יותר גוררת undershootגדול יותר (האפס הימני יותר דומיננטי עבור קטבים רחוקים יותר מהראשית) ומאמץ בקרה גדול יותר. 10