תרגיל בית - Technion moodle
Transcription
תרגיל בית - Technion moodle
טכניון – הפקולטה להנדסת חשמל חורף תשע"ו מערכות בקרה )044191( 1 תרגיל בית 5 תרגיל בית :5תכן Root Locusותכן בתדר חלק יבש תרגיל ( 1שאלה ממבחן) נתונה מערכת משוב יחידה: H sהינו בקר טורי ,ואילו G sהינה פונקציית התמסורת של המערכת המבוקרת .נתון כי s 4 ( s 2)3 G s הערה :בחלק מהסעיפים העוסקים ב ,RL-שימוש מושכל בעקרון "שימור מרכז הכובד" עשוי לפשט חישובים. א .עבור בקר הגברK , , H sחשבו את תחום ההגברים שעבורם החוג הסגור יציב. ב .שרטטו דיאגרמת Root Locusשל המערכת (מיקום גיאומטרי של קטבי המערכת בחוג סגור) עבור הגבר K 0ועבור . K 0 הנחיה :יש לחשב את כל הפרמטרים הנדרשים לציור ,כולל אסימפטוטות ונקודות פיצול .ולסמן באופן ברור את הענפים וכיווניהם ,וכן זוויות יציאה מהקטבים. ג. על מנת לקבל זמן התייצבות של כ 3 -שניות עבור התגובה לכניסת מדרגה ,הוצע לבחור הגבר Kכך שיתקבלו בחוג הסגור קטבים דומיננטיים בעלי חלק ממשי 1.5 . .1מיצאו הגבר K 0אשר מבטיח זאת. .2חשבו את מיקום כל הקטבים והאפסים של החוג הסגור עבור הגבר זה. .3חשבו את קבוע שגיאת המצב המתמיד לכניסת מדרגה. .4ציירו בקרוב את התגובה למדרגה של המערכת (כולל הערך הסופי) .חוו את דעתכם לגבי השימוש במערכת כמערכת עקיבה. על מנת לשפר את שגיאת המצב המתמיד ,הוצע להוסיף למערכת בקר ,בעל פונקציית תמסורת: s 2 s H s K .1שרטטו דיאגרמת Root Locusשל המערכת עבור הגבר חיובי. .2האם קיים הגבר שעבורו מתקבל זמן התייצבות של כ 3 -שניות? נמקו. .5לקבלת התגובה הדינאמית הרצויה הוחלט לבסוף לתכנן את המערכת כך שיתקבלו קטבים דומיננטיים בנקודות j 2 2 c . p1,2 1 תרגיל בית 5 מערכות בקרה 1 .1תכננו רשת תיקון מתאימה מסדר נמוך ככל האפשר (בנוסף ,כלומר בטור ,לבקר מהסעיף הקודם עם ) K 1כך שיתקיימו הדרישות. .2שרטטו דיאגרמת ( Root Locusעבור הגבר חיובי) של המערכת עם הבקר שתכננתם ,ציינו על גבי הדיאגרמה את המיקום המקורב (אין צורך בערכים מספריים) של כל קטבי החוג הסגור. תרגיל ( 2שאלה ממבחן) נתונה מערכת משוב יחידה ,כבתרגיל הקודם. ) H ( sהינו בקר טורי ,ואילו )G( s הינה פונקציית התמסורת של המערכת המבוקרת ,כאשר 3 2s 5 בסעיפים א' עד ג' נתון כי K s s G s s2 .H א .שרטטו דיאגרמת R.L.של המערכת עבור 0 Kועבור 0 .K עבור כל שרטוט ,חשבו את :האסימפטוטות ומפגשן; ערכי נקודות הפיצול (אם יש); זוויות יציאה מקטבים מרוכבים.הקפידו על ציון כיווני הענפים בציור ,וכן על ציור נכון של זוויות כניסה\יציאה לציר הממשי. ב .מצאו את כל ערכי ההגבר | 0.05 K שעבורם שגיאת המצב המתמיד לכניסת מדרגת-יחידה מקיימת . | ess ג .מצאו את ערכי ההגבר (כלומר ,מהצורה ja K a שעבורם מתקבלים קטבים בחוג סגור בעלי ערך ממשי ומדומה זהים c p1,2 (. שרטטו עקרונית את התגובה למדרגה עבור ערכי הגבר אלה ,על מערכת צירים משותפת .ציינו בציור את ערך היציאה במצב המתמיד ,וכן בקירוב את הזמן שבו מתקבל השיא הראשון (מינימום \ מכסימום) של התגובה. איזו משתי התגובות דומה יותר לתגובה למדרגה של מערכת סטמדרטית מסדר שני? הסבירו. ד .על מנת להגדיל את רוחב הסרט של המערכת ולהקטין את שגיאות המצב המתמיד ,הוחלט לתכנן רשת תיקון H s כך שהקטבים הדומיננטיים של המערכת ימוקמו בנקודות 10 10 j רשת התיקון תורכב מרשתות פיגור\קידום בסיסיות (אחת או יותר) בעלות 10 תכננו רשת תיקון מתאימה .עם מספר דרגות קטן ככל האפשר. עבור הרשת שתכננתם חשבו את: .1שגיאת המצב המתמיד לכניסת מדרגה. .2מיקום כל הקטבים והאפסים של המערכת בחוג סגור. 2 . 0.1 . p1,2 תרגיל בית 5 מערכות בקרה 1 תרגיל ( 3שאלה ממבחן) נתונה המערכת הבאה: s 1 המערכת נתונה על ידי פונקצית התמסורת: s s 10 2 G s א .שרטטו דיאגרמת בודה (הגבר ופאזה) של המערכת .ציינו שיפועים ונקודות שבירה. ב .נתונודת דרישות הבאות עבור המערכת בחוג סגור: rad .1רוחב סרט: B 1 sec .2מקדם ריסון שקול 0.5 : .3שגיאת מצב מתמיד ,עבור כניסת ריצהessv 0.01 : דרישות 1ו 2-תורגמו לדרישות על החוג הפתוח באופן הבא: .1 rad sec co 0.5 PM 500 .2 רשמו את הנוסחאות שמתרגמות בקירוב את דרישות החוג הסגור לאלה של החוג הפתוח. תכננו בקר H s המורכב מרשתות קידום ו\או פיגור בלבד ,פשוט ככל הניתן ,אשר ייצב את המערכת ויקיים את התרישות הנ"ל. הערה :אין להסתמך על הקירוב האסימפטוטי של דיאגרמת בודה בחישוב עודף הפאזה. ג. האם הבקר שתכננתם מקיים את הדרישה הראשונה עבור רוחב הסרט? הראו זאת בסימולציה וכן מחישוב פשוט – ללא עזרת מחשב ,כפי שעשינו בתרגול .10קבעו בעזרת חישוב זה האם רוחב הסרט גדול או קטן ממה שתכננתם. ד .נניח שקיבלתם רוחב סרט בפועל הקטן מרוחב הסרט הדרוש .כיצד הדבר יבוא לידי ביטוי בתגובת החוג הסגור למדרגה? כיצד תשנו את הדרישות על החוג הפתוח מסעיף ב' כדי לקבל בקר הנותן את רוחב הסרט הדרוש? ה .נניח שבסימולציה התקבלה תגובה למדרגה בעלת תגובת יתר גדולה מדי .ניתן לבצוע סינון מקדים בעזרת המסנן Fכפי שניתן לראות באיור הבא: 1 sa כאשר המסנן Fמהצורה: 100 s 0.01a F s הציעו ערך של הפרמטר aאשר צפוי להקטין את תגובת היתר .הסבירו את תשובתכם. 3 תרגיל בית 5 מערכות בקרה 1 תרגיל 4 sz נתון בקר קידום מהצורה: s p z גדול או קטן מ ?1-נמקו. .1האם היחס p , H s בעל אפס וקוטב יציבים – בחצי המישור השמאלי. .2פתחו את הביטויz p : max לפי השלבים הבאים: א .מצאו ביטוי לפאזה שתורם בקר הקידום. ב .גזרו את הביטוי שקיבלתם למציאת התדר בו מתקבלת תוספת הפאזה המקסימלית. .3מצאו את תוספת הפאזה , m ,על ידי הצבת maxבביטוי של פאזת הבקר. x y .4פשטו את הביטוי על ידי שימוש בזהות : 1 xy . tan 1 x tan 1 y tan 1 .5הציבו את בביטוי שמצאתם ומצאו את הקשר בין לבין . sin m השתמשו בנוסחה: x 1 x2 . sin tan 1 x 4 תרגיל בית 5 מערכות בקרה 1 חלק רטוב 1 K0 תכנון בקר המנוע :בתרגיל הקודם ראינו שתמסורת המנוע מהצורה: s s m 1 V M תזכורת :הכניסה היא מתח והמוצא זווית. מהנדס אפיין את המערכת ומצא שתגובת התדר של המערכת מתאימה לערכים הבאים: m 0.01 K0 35 א .הציעו ניסוי שיאפיין את תגובת התדר של מערכת זו. מוצע לייצב את התמסורת הזו בחוג פנימי כחלק מהמערכת הכוללת ,לפי השרטוט הסכמטי: דרישות התכנון על החוג: r תדר חצייה. co 50 : s PM 800 ב .תכננו בקר קידום בתחום התדר ,מינימלי ככל הניתן ,כך שתתקיימנה הדרישות. oבסעיף זה יש להציג את כל החישובים האנליטיים והסבירו את השלבים. ג .הציגו את תגובת התדר של הבקר שתכננתם (הגבר ופאזה). ד .בחנו את ה RL-בחוג הפתוח. ה .הציגו את התגובה למדרגה של החוג שתכננתם .מהו זמן ההתייצבות? ts 2% , ו .הציגו את תגובת התדר של המערכת בחוג סגור .חשבו את רוחב הסרט. ז .מהו היחס בין תדר החציה לרוחב הסרט? הבקר והמנוע הם חלק מהמערכת הבאה: הערה :במשובי היחידה הניחו שקיים הגבר יחידה בעל היחידות המתאימות. ח .מה צריך להיות רוחב הסרט של החוג הפנימי ביחס לחוג החיצוני? תנו תשובה איכותית והסבירו. ט .רשמו את הביטוי למערכת הנ"ל .האם היא יציבה? 5 תרגיל בית 5 מערכות בקרה 1 נסגור חוג באופן הבא: כאן ה Plant-הוא כמובן מערכת ה .Ball & Beam י .תכננו בקר מהצורה s z s p H 2 Kכך שתתקיימנה הדרישות הבאות: זמן התכנסות כוללts 2% 0.75sec : תגובת יתרOS 10% : התנסו עם הכלי הגרפי Sisotoolותכננו בקר שיעמוד בדרישות. יא .הציגו את תגובת התדר של המערכת הכוללת בחוג סגור ,הגבר ופאזה. יב .חשבו את רוחב הסרט של המערכת. יג .האם רוחב הסרט תואם את ההנחה מסעיף ח'? בהצלחה! 6