Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Dynamic_System_Modeling_and_Control.pdf
Скачиваний:
19
Добавлен:
23.03.2016
Размер:
5.61 Mб
Скачать

root locus - 11.14

11.5 PRACTICE PROBLEM SOLUTIONS

1.

 

 

+

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

3.0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

--------------------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( D + 1) 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-

 

 

 

 

 

 

 

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

KdD

 

 

 

+

 

 

 

 

3.0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-------------------------------------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( D + 1) 2 + K

d

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

---------------------------------------------------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D2 + D( K

d

+ 2)

+ 4.0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

D( Kd

+ 2) + 4.0

 

 

 

 

 

K

d

– 2 ±

 

( K

d

+ 2) 2

– 4( 4.0)

D +

= 0

 

D =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

--------------------------------------------------------------------------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

Kd

 

 

roots

 

 

 

D =

Kd

– 2 ±

 

Kd2 + 4Kd

– 12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

----------------------------------------------------------------

 

0

 

 

 

-1 +/- 1.732j

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

-1.5 +/- 1.323j

 

 

 

Critical points: (this is simple for a quadratic)

2

 

 

 

-2.000, -2.000

 

 

 

The roots becomes positive when

5

 

 

 

-0.628, -6.372

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 >

Kd – 2±

Kd2 + 4Kd – 12

10

 

 

-0.343, -11.657

 

 

 

100

 

-0.039, -102.0

 

 

 

 

 

2 + K

 

> ±

 

 

K2 + 4K

 

– 12

1000

 

-0.004, -1000

 

 

 

 

 

d

 

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

16 > 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 > – Kd – 2

 

 

 

 

Kd > –2

The roots becomes complex when

0 > K2

+ 4K

d

– 12

 

 

d

 

 

 

 

Kd =

– 4 ±

16 – 4

( –12) Kd = –6, 2

----------------------------------------------

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Gains larger than -2 will result in a stable system. Any gains between -4 and -2 will result in oscillations.

root locus - 11.15

2.

a)

200K

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

---------------------------------------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D2 + 2D + 200K

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b)

roots =

 

– 2 ± 4 – 4( 200K)

= – 1 ±

1 – 200K

 

-----------------------------------------------

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

Im

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

K

 

roots

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

0,-2

 

K=0.005

 

 

 

 

 

 

 

0.001

 

-0.1,-1.9

 

 

 

 

 

 

 

 

Re

 

0.005

 

-1,-1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.1

 

etc.

 

-2

 

-1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c) D2 + 2D + 200K = D2 + 2ζω nD + ω n2

ω n = 1

K = 0.005

From the root locus graph this value is critically stable.

 

root locus - 11.16

3.

a)D2 + D + 20K = 0

D =

--------------------------------------------1 ± 1 – 4( 20K)

 

 

2

 

K

 

roots

 

 

 

 

 

 

0

 

0.000, -1.000

1/80

 

-0.500, -0.500

1

 

-0.5 +/- 4.444j

10

 

-0.5 +/- 14.13j

1000

 

-0.5 +/- 141.4j

 

 

 

 

For complex roots 1 – 80K < 0

For negative real roots (stable)

– 1 ± 1 – 80K <

------------------------------------ 0 2

± 1 – 80K < 1

b)

Matching the second order forms,

2ω nξ = 1

ω n2 = 20K

The gain can only be used for the natural frequency

20

20

= 2.22

K = -----

= -----

ω n2

32

 

K >

1

-----

80

K > 0

root locus - 11.17

c)

θ o

 

 

20( 10)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

---- =

----------------------------------------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

θ d

D2 + D + 20( 10)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

θ··o + θ·d + θ d200 = 200θ

d

 

 

 

 

 

 

 

Homogeneous:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A2 + A + 200 = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A =

– 1 ± 1 – 4( 200)

A =

– 0.5 ±

14.1j

 

 

-------------------------------------------

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

θ o( t)

=

C1e–0.5t sin ( 14.1t + C2)

 

 

 

 

 

 

 

Particular:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

θ = A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 + 0 + A200 = 200( 1rad)

 

 

A = 1rad

 

 

θ o( t)

= 1rad

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Initial Conditions (assume at rest):

 

 

 

 

 

 

 

 

θ o( t)

= C1e–0.5t sin ( 14.1t + C2)

+ 1rad

 

 

 

 

 

 

θ o( 0)

= C1( 1) sin ( 14.1( 0) + C2) + 1rad = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C1 sin ( C2)

=

–1rad

(1)

 

 

θ '

o

( t)

=

–0.5C

1

e–0.5t sin ( 14.1t + C )

– 14.1C

1

e–0.5t cos ( 14.1t + C )

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

0

= –0.5C1 sin ( C2) – 14.1C1 cos ( C2)

 

 

 

 

 

 

 

 

14.1 cos ( C2) = –0.5 sin ( C2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

----------

 

 

 

 

 

 

 

C2 = –1.54

 

 

 

 

 

–0.5 = tan ( C2)

 

 

 

 

 

 

C1 =

–1rad

 

 

–1rad

1.000rad

 

 

 

 

 

------------------ =

------------------------- =

 

 

 

 

 

 

 

 

sin ( C2)

 

 

sin ( –1.54)

 

 

 

 

 

 

 

θ o( t)

= ( e–0.5t sin ( 14.1t – 1.54) + 1) ( rad)

 

 

 

 

 

root locus - 11.18

d)

θ

o

20( 0.01)

 

 

 

 

---- =

--------------------------------------------

 

 

 

 

 

θ

d

D2 + D + 20( 0.01)

 

 

 

 

 

 

θ··o + θ·d + θ d0.2 = 0.2θ d

 

 

 

 

 

 

Homogeneous:

 

 

 

 

 

 

 

A2 + A + 0.2 = 0

 

 

 

 

 

 

 

A =

– 1 ± 1 – 4( 0.2)

 

A = –0.7236068, –0.2763932

 

 

 

------------------------------------------

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

θ o( t)

= C1e–0.724t + C2e–0.276t

 

 

 

Particular:

 

 

 

 

 

 

 

 

θ = A

 

 

 

 

 

 

 

0 + 0 + A0.2 = 0.2( 1rad)

 

A = 1rad

 

 

 

 

θ o( t)

= 1rad

 

 

 

 

 

 

Initial Conditions (assume at rest):

 

 

 

 

 

 

θ o( t)

= C1e–0.724t

+ C2e–0.276t

+ 1rad

 

 

 

 

θ o( 0)

= C1e–0.724t

+ C2e–0.276t

+ 1rad = 0

 

 

 

 

 

 

 

C1 + C2 = –1rad

(1)

 

 

 

θ 'o( t)

= – 0.724( C1e–0.724t)

– 0.276( C2e–0.276t)

 

 

 

 

C1 = –0.381C2

 

 

 

 

 

 

 

– 0.381C2 + C2 = –1rad

 

C2 = –1.616rad

 

 

 

 

C1 = –0.381( –1.616rad)

= 0.616rad

 

 

 

θ o( t)

= ( 0.616) e–0.724t + ( –1.616) e–0.276t + 1rad

 

4.

(ans. X +

-

X +

-

X

X

root locus - 11.19

 

 

 

KpD + Ki + KdD

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

------------------------------------------

 

D

 

 

 

 

 

 

 

-------------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D + 9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3KpD + 3Ki

+ 3KdD2

 

 

 

 

 

 

----------------------------------------------------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D( D + 9)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3KpD + 3Ki + 3KdD2

 

 

 

 

-------------------------------------------------------------------------------------------

 

 

 

 

 

 

D( D + 9) + 12K

D + 12K

+ 12K

D2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

i

 

 

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3KpD + 3Ki

+ 3KdD2

 

 

 

 

 

 

----------------------------------------------------------------------------------------------

 

 

 

 

 

 

D2( 12K

d

+ 1) + D( 9 + 12K ) + ( 12K )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

root locus - 11.20

b)D2( 12Kd + 1) + D( 9 + 12Kp) + ( 12Ki) = 0

 

– 9 – 12K

p

±

( 9 + 12K ) 2

– 4( 12K

d

+ 1) 12K

i

D =

 

 

 

p

 

 

 

 

 

--------------

-----------

---

---------

------2---(---12------K----d----+-----1---)------------------

----

----------

-----------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Kd

 

roots

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-100

 

-0.092, 0.109

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-10

 

-0.241, 0.418

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-1

 

-0.46, 2.369

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-0.1

 

-0.57, 105.6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

-0.588, -20.41

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

-0.808 +/- 0.52j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

 

-0.087 +/- 0.303j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

100

 

-0.0087 +/- 0.1j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Stable for, – 9 – 12Kp ± ( 9 + 12Kp) 2 – 4( 12Kd + 1) 12Ki < 0

± ( 9 + 12Kp) 2 – 4( 12Kd + 1) 12Ki < 9 + 12Kp

( 9 + 12Kp) 2 – 4( 12Kd + 1) 12Ki < ( 9 + 12Kp) 2

–4( 12Kd + 1) 12Ki < 0

Kd >

–1

-----

 

12

Becomes complex at,

0 > ( 9 + 12Kp) 2 – 4( 12Kd + 1) 12Ki 576KdKi > ( 9 + 12Kp) 2 – 48Ki

 

>

( 9 + 12K ) 2

– 48K

i

 

Kd

p

 

> 0.682

----------------------------------------------576KdKi

Kd

 

 

 

 

root locus - 11.21

c)

Kp = 1

 

Ki = 1

 

Kd = 1

 

 

 

 

 

Y

=

 

 

 

 

3KpD + 3Ki

+ 3KdD2

 

 

 

 

--

----------------------------------------------------------------------------------------------

 

 

 

X

 

D

2

( 12Kd + 1) + D( 9 + 12Kp) + ( 12Ki)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y

=

 

3D2 + 3D + 3

=

 

 

3

 

 

2

D2 + D + 1

 

 

--

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-----------------------------------------

 

 

 

-----

 

--------------------------------------------------

 

X

 

D 13 + D21 + 12

 

 

 

13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D + D1.615 + 0.923

 

final gain

=

20log

 

3

=

–12.7

 

 

 

 

 

 

-----

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

initial gain

=

20log

3

 

=

–12.0

 

 

 

 

 

-----

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

for the numerator,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω

n

=

1

 

= 1

 

 

 

1

=

0.5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ξ = ---------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2ω n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω

d

= ω

n

 

1 – ξ 2

=

1 – 0.52

= 0.866

for the denominator,

 

 

 

 

 

 

 

 

ω

n

=

0.923 =

0.961

ξ

=

1.615

= 0.840

------------

 

 

 

 

 

 

 

2ω

n

 

ω

d

= ω

n 1 – ξ 2

= 0.961

1 – 0.8402

= 0.521

-12dB

 

 

 

 

 

 

 

 

 

root locus - 11.22

Y

=

 

3KpD + 3Ki + 3KdD2

---

-------

--------------------------

-------------------------------------------------------------

X

 

2

( 12Kd + 1) + D( 9 + 12Kp) + ( 12Ki)

 

 

D

ω n

=

12Ki

= 2

12-------K----d----+-----1-

 

 

 

 

2ξω

 

n =

9 + 12Kp

= 20.5( 2)

 

---------------------

 

 

 

12Kd + 1

 

12Ki = 48Kd + 4

24Kd = 7 + 12Kp

At this point there are two equations and two unknowns, one value must be selected to continue, therefore,

Kp = 10

 

 

 

 

24Kd

= 7 + 12Kp = 7 + 12( 10) = 127

Kd

= 5.292

12Ki

= 48Kd + 4 = 48( 5.292) + 4 = 258.0

Ki

= 21.5

Now to check for stability

 

 

 

 

D2( 12( 5.292) + 1) + D( 9 + 12( 10) )

+ ( 12( 21.5) ) = 0

64.504D2 + 129D + 258 = 0

 

 

 

 

D =

– 129 ± 1292 – 4( 64.5) 258

=

– 1 ± 1.73j

 

--------------------------------------------------------------------

 

 

2( 64.5)

 

 

 

 

root locus - 11.23

e) Cannot be found without an assumed input and initial conditions

f)

Y

=

 

 

 

 

3( 0) D + 3( 0) + 3( 1) D2

 

 

 

---

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

D2( 12( 1) + 1) + D( 9 + 12( 0) ) + ( 12( 0) )

 

 

Y

=

 

3D2

 

 

 

 

 

 

---

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

13D

2

+ 9D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y( 13D2 + 9D) = X( 3D2)

 

 

 

 

 

··

 

·

 

 

 

··

 

X = t

·

··

 

Y13 + Y9 = X3

 

X = 1

X = 0

 

··

·

9

 

= 0

 

 

 

 

 

 

Y + Y-----

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

It is a first order system,

 

 

 

 

 

 

Y( t) = C

 

–-

-9---t

 

 

 

 

 

 

1

e

13 + C

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y( 0) = 0

 

 

 

Y'( 0)

= 0

 

starts at rest/undeflected

 

0 = C11 + C2

 

C1 = C2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9

 

 

 

 

 

 

Y'( t) = –-----

9

C e13-----t

 

 

 

 

 

 

 

 

13

1

 

 

 

 

 

 

0 = –

-----9

C 1

 

C1

= 0

 

 

 

 

 

13

 

1

 

 

 

 

no response

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C2

= 0

 

root locus - 11.24

5.

X

+

 

 

1

 

 

+

 

 

 

0.1

 

Y

 

5 +

 

 

--------------------------------------

 

 

 

K

D---

+ D

 

 

 

D

2

+ 10D + 100

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-

 

 

 

 

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-----

 

 

 

 

0.01

 

 

 

 

 

 

 

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

+

5D + 1

2

 

 

 

0.1

 

Y

 

+ D

----------------------------------------------------------------

 

 

 

K -----------------------------

 

D

 

 

D

2

+ 10D + 100 + 0.1

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-----

 

 

 

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.01

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

+

 

 

 

 

 

 

K( 0.5D + 0.1 + 0.1D2)

 

 

 

 

Y

 

 

 

 

-------------------------------------------------------

 

 

 

 

 

 

 

 

-

 

 

 

 

 

D3 + 10D2 + 100D + 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

0.01

 

 

 

 

 

 

Y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

K( 0.5D + 0.1 + 0.1D2)

 

 

 

 

 

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

 

 

 

 

 

 

 

 

D3 + 10D2 + 100D + 1 + 0.01( K( 0.5D + 0.1 + 0.1D2) )

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

K( 0.5D + 0.1 + 0.1D2)

 

 

 

 

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

 

 

 

 

 

 

 

D3 + D2( 10 + 0.001K) + D( 100 + 0.005K) + ( 1 + 0.001K)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]