Reglerteknik AK. Tentamen kl

Relevanta dokument
Reglerteknik AK, FRT010

Reglerteknik AK. Tentamen 27 oktober 2015 kl 8-13

Reglerteknik AK. Tentamen 24 oktober 2016 kl 8-13

Reglerteknik AK. Tentamen 9 maj 2015 kl 08 13

Reglerteknik AK, FRTF05

Reglerteknik AK. Tentamen 16 mars 2016 kl 8 13

Figur 2: Bodediagrammets amplitudkurva i uppgift 1d

1RT490 Reglerteknik I 5hp Tentamen: Del B

TENTAMEN Reglerteknik 3p, X3

REGLERTEKNIK KTH. REGLERTEKNIK AK EL1000/EL1110/EL1120 Kortfattade lösningsförslag till tentamen , kl

REGLERTEKNIK KTH. REGLERTEKNIK AK EL1000/EL1110/EL1120 Tentamen , kl

ERE103 Reglerteknik D Tentamen

Reglerteknik AK, FRTF05

1RT490 Reglerteknik I 5hp Tentamen: Del B

TENTAMEN I REGLERTEKNIK TSRT03, TSRT19

1RT490 Reglerteknik I 5hp Tentamen: Del A Tid: Onsdag 23 augusti 2017, kl

Lösningar till Tentamen i Reglerteknik AK EL1000/EL1100/EL

1RT490 Reglerteknik I 5hp Tentamen: Del A Tid: Onsdag 22 augusti 2018, kl

REGLERTEKNIK KTH. REGLERTEKNIK AK EL1000/EL1110/EL1120 Tentamen , kl

REGLERTEKNIK KTH REGLERTEKNIK AK EL1000/EL1110/EL1120

1RT490 Reglerteknik I 5hp Tentamen: Del B

TENTAMEN: DEL B Reglerteknik I 5hp

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings universitet

1RT490 Reglerteknik I 5hp Tentamen: Del B

TENTAMEN I TSRT19 REGLERTEKNIK

TENTAMEN Reglerteknik 4.5hp X3

REGLERTEKNIK KTH. REGLERTEKNIK AK EL1000/EL1110/EL1120 Tentamen , kl

Lösningsförslag till tentamen i Reglerteknik (TSRT19)

TENTAMEN Reglerteknik 4.5hp X3

ERE 102 Reglerteknik D Tentamen

TENTAMEN I REGLERTEKNIK Y TSRT12 för Y3 och D3. Lycka till!

Reglerteknik AK Tentamen

TENTAMEN I TSRT91 REGLERTEKNIK

TENTAMEN Modellering av dynamiska system 5hp

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings universitet

1RT490 Reglerteknik I 5hp Tentamen: Del B

Lösningsförslag till tentamen i Reglerteknik Y/D (TSRT12)

REGLERTEKNIK KTH REGLERTEKNIK AK EL1000/EL1110/EL En tillståndsmodell ges t.ex. av den styrbara kanoniska formen: s 2 +4s +1.

TENTAMEN: DEL B Reglerteknik I 5hp

TENTAMEN I REGLERTEKNIK Y/D

TENTAMEN: DEL A Reglerteknik I 5hp

TENTAMEN I REGLERTEKNIK Y/D

TENTAMEN Reglerteknik I 5hp

TENTAMEN: DEL B Reglerteknik I 5hp

TENTAMEN I REGLERTEKNIK

TENTAMEN I TSRT91 REGLERTEKNIK

Reglerteknik AK, Period 2, 2013 Föreläsning 6. Jonas Mårtensson, kursansvarig

ÖVNINGSTENTAMEN Modellering av dynamiska system 5hp

TENTAMEN: DEL B Reglerteknik I 5hp

TENTAMEN Reglerteknik I 5hp

1RT490 Reglerteknik I 5hp Tentamen: Del A Tid: Torsdag 17 mars 2016, kl

TENTAMEN: DEL A Reglerteknik I 5hp

ÖVNINGSTENTAMEN Reglerteknik I 5hp

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings universitet

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings universitet

Figure 1: Blockdiagram. V (s) + G C (s)y ref (s) 1 + G O (s)

TENTAMEN I REGLERTEKNIK Y/D

Överföringsfunktion 21

TENTAMEN I REGLERTEKNIK Y/D

REGLERTEKNIK, KTH. REGLERTEKNIK AK EL1000, EL1110 och EL1120

Frekvenssvaret är utsignalen då insginalen är en sinusvåg med frekvens ω och amplitud A,

TENTAMEN I TSRT91 REGLERTEKNIK

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings universitet

Lösningar till Tentamen i Reglerteknik AK EL1000/EL1100/EL

TENTAMEN I REGLERTEKNIK

TENTAMEN: DEL A Reglerteknik I 5hp

Lösningar Reglerteknik AK Tentamen

1RT490 Reglerteknik I 5hp Tentamen: Del A Tid: Torsdag 15 december 2016, kl

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings universitet

TSIU61: Reglerteknik. Sammanfattning från föreläsning 5 (2/4) Stabilitet Specifikationer med frekvensbeskrivning

Tentamen i Systemteknik/Processreglering

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings universitet

TENTAMEN I TSRT91 REGLERTEKNIK

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings universitet

Tentamen i Systemteknik/Processreglering

Välkomna till TSRT19 Reglerteknik Föreläsning 7

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings universitet

TENTAMEN I REGLERTEKNIK I

Övningar i Reglerteknik

Lösningsförslag TSRT09 Reglerteori

TENTAMEN REGLERTEKNIK TSRT15

övningstentamen I DYNAMISKA SYSTEM OCH REGLERING

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings universitet

Reglerteknik I: F10. Tillståndsåterkoppling med observatörer. Dave Zachariah. Inst. Informationsteknologi, Avd. Systemteknik

Transkript:

Institutionen för REGLERTEKNIK Reglerteknik AK Tentamen 20 0 20 kl 8.00 3.00 Poängberäkning och betygssättning Lösningar och svar till alla uppgifter skall vara klart motiverade. Tentamen omfattar totalt 25 poäng. Poängberäkningen finns markerad vid varje uppgift. Preliminära betygsgränser: Betyg3: 2poäng 4: 7poäng 5: 22poäng Tillåtna hjälpmedel Matematiska tabeller(tefyma eller motsvarande), formelsamling i reglerteknik samt icke förprogrammerade räknare. Tentamensresultat Resultatet anslås onsdag 2/ på institutionens anslagstavla på första våningen i Maskinhuset samt på institutionens hemsida. Visning samma dag kl 2.00 2.30 i labbet på första våningen.

Pole Zero Map 5 4 3 2 Imaginary Axis 0 2 3 4 5 5 4 3 2 0 2 3 4 5 Real Axis Figur Singularitetsdiagram för systemet() Lösningar till tentamen 20-0-20 kl 8.00-3.00. Ett system har överföringsfunktionen G(s)= 6 s 2 +4.5s+2 2 2s+. a. Beräkna systemets poler och nollställen och sätt ut dessa i ett singularitetsdiagram. (.5 p) b. Är systemet asymptotisk stabilt, stabilt eller instabilt? Motivera. (0.5 p) a. Systemet() kan skrivas som G(s)= 6 s 2 +4.5s+2 2 2s+ = s+2 (s+4)(s+/2) Polernaliggeris= 4ochs= 0.5.Nollställetliggeris=2. b. Systemet är assymptotiskt stabilt eftersom samtliga poler för systemet ligger i vänster halvplan. 2

2. Pelle får i uppgift att bestämma en tillståndsbeskrivning för differentialekvationen ÿ+3ẏ 5 u=7y+u Pelle ser att det är en andra ordningens differentialekvation och inser därför att han behöver två tillstånd, och ansätter { x =y x 2 =ẏ Genom detta val kommer han slutligen fram till beskrivningen [ ] [ ] [ ] 0 0 0 ẋ= x+ u+ u 3 7 5 [ ] y= 0 x a. Pellehartyvärrgjortlitefel,vad? (p) b. Hjälp Pelle att ta fram en korrekt tillståndsbeskrivning. ( p) a. Pelle har gjort två fel: Det viktigaste är att en tillståndsbeskrivning ska vara på formen { ẋ=ax+bu y=cx+du Detta är uppenbart inte fallet för beskrivningen i uppgiften. DetandrafeletPellegjortäratt7anoch-3aniA-matrisenskabytaplats. b. Ett rättframt sätt att få fram en tillståndsbeskrivning är att gå omvägen via överföringsfunktionen. Laplacetransformeras diff. ekvationen erhålls () s 2 Y(s)+3sY(s) 5sU(s)=7Y(s)+U(s) (2) Y(s)= 5s+ U(s) s 2 +3s 7 (3) G(s)= 5s+ s 2 +3s 7 (4) Genom att t.ex. använda formeln för en observerbar kanonisk form fås tillståndsbeskrivningen [ ] [ ] 3 5 ẋ= x+ u 7 0 [ ] y= 0 x (5) 3

3. Stegsvaret för ett system ges av tidsfunktionen y(t)=2( e 3t ) Bestäm systemets överföringsfunktion. (2 p) Laplace-transformen av insignalen(ett steg) ges av U(s)= s, (6) och Laplace-transformen av utsignalen ges av ( Y(s)=2 s ) = 2(s+3 s) = s+3 s(s+3) 6 s(s+3) (7) Överföringsfunktionen ges av förhållandet mellan utsignal och insignal enligt G(s)= Y(s) U(s) = 6 s(s+3) s = 6 s+3. (8) 4. Insignal och utsignal från ett system med överföringsfunktion enligt G(s)= b s+a ärgivetifigur2(senästasida).bestämmodellparametrarnaaochb. (2p) 4

2.5 u y 0.5 0 0.5.5 2 0 0. 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Tid [s] Figur2 Insignalu(t)ochutsignaly(t)försystemetiuppgift4. Ifigurensermanattavståndetmellantvåtopparär0.5s(dvs.periodtiden T=0.5s),vilketgervinkelfrekvensen ω= 2π T =4πrad/s.Vidarekanman läsa av att amplituden på utsignalen är en fjärdedel av amplituden på insignalen, och överföringsfunktionens förstärkning är därför 0.25. Slutligen kan även förskjutningen mellan in- och utsignal läsas av till 0. s, vilket ger fasförskjutningen ϕ = ω 0. = 0.4π, eftersom utsignalen ligger efter insignalen kommer fasförskjutningen att vara negativ. Då en sinussignal skickas in till ett linjärt och tidsinvariant system kommer utsignalen också att vara en sinussignal med samma frekvens, men medamplituden G(iω) A 0 omamplitudenpåinsignalenär A 0,insignalen har vinkelfrekvensen ω och systemet har överföringsfunktionen G(s). Utsignalen kommer dessutom att ha fasförskjutningen argg(iω). För överföringsfunktionen gäller (9) och (0) vid vinkelfrekvensen ω = 4π rad/s: G(i4π) = argg(i4π) = arctan b (4π)2 +a 2 (9) ( ) 4π a (0) Den från figuren uppmätta fasförskjutningen tillsammans med(0) ger ().Parameternakandåräknasutenligt(2). 5

( ) 4π 0.4π = arctan a () a= 4π 4. (2) tan(0.4π) Den uppmätta förstärkningen tillsammans med(9) ger(3). Parametern b kandåräknasutenligt(4). 0.25= b (4π)2 +a 2 (3) b=0.25 (4π) 2 +a 2 3.3 (4) 5. Vilka av följande påståenden är korrekta? Korta motiveringar krävs för poäng. a. Polerna för ett linjärt dynamiskt system är lika med egenvärdena för systemets A-matris i kvadrat. (0.5 p) b. Omduvillminskadetstationärafeletförettregleratsystemärdetlämpligt att införa en fasretarderande kompenseringslänk. (0.5 p) c. G(s)= s2 +7s 5 s 3 +as 2 +2s+9 ärstabilför0<a<5. (0.5p) d. Amplitudmarginalen för ett system är alltid lika med sinus av fasmarginalen. (0.5 p) e. NärregulatornG R (s)= s2 +6s+5 styrprocesseng s 2 P (s)= 3 s+2 kandetslutna systemetföljareferensenr(t)=t,t 0utannågotstationärtfel.Detslutna systemet är stabilt. (0.5 p) f. Slutvärdesteoremet kan tillämpas på alla system för att t.ex. bestämma stationär förstärkning. (0.5 p) a. Falskt. Polerna för ett linjärt dynamiskt system är lika med egenvärdena för systemets A-matris. b. Sant. Med en fasretarderande kompenseringslänk höjs förstärkningen för låga frekvenser och därmed minskas stationära fel. c. Falskt. Med stabilitetsvillkoret för en tredje ordningens överföringsfunktion gesattg(s)ärstabilföra>4.5. d. Falskt. Det råder inget direkt samband mellan amplitudmarginalen och fasmarginalen. e. Sant. Eftersom det slutna systemet blir stabilt(kontrolleras lätt genom att beräkna ut det slutna systemets överföringsfunktion) och det öppna systemet har två stycken integratorer kan rampreferenser följas utan stationära fel. f. Falskt. För att slutvärdesteoremet ska gälla måste sy(s) vara asymptotisktstabil,omdetärtidsvaretföry(s)=g(s)u(s)manvillundersöka slutvärdet för. 6

6. Betrakta systemet vars blockschema är givet i figur 3. r + P(s) y C(s) Figur 3 Blockschema för systemet i uppgift 6. a. Vad blir överföringsfunktionen från r till y? ( p) b. Anta att processens överföringsfunktion P(s) är given enligt P(s)= s+ Designa en regulator C(s) så att det slutna systemets överföringsfunktion blir. (p) c. Varför kan det vara svårt att rent praktiskt använda regulatorn designad i föregående uppgift? ( p) a. ÖverföringsfunktionenG(s)frånrtillyförblockschematiFigur3gesav (5). G(s)= P(s) P(s)C(s) (5) b. Överföringsfunktionen ges nu av(6). G(s)= s+ s+ C(s)= s+ C(s) Väljs C(s) = s erhålls det önskade slutna systemet. (6) c. AttväljaC(s)=sinnebäritidsplanetenrenderivering,vilketintebrukar vara så bra att implementera p.g.a. den stora bruskänsligheten. 7. Ett system är givet på tillståndsform enligt ( ) ( 0 ẋ= x+ 0 2 ( ) y= 0 x 0 ) u a. Kan man med tillståndsåterkoppling godtyckligt placera det slutna systemets poler? ( p) b. Bestäm en tillståndsåterkoppling så att det slutna systemet får samtliga poleris= 3.Antagattallatillståndkanmätas. (2p) 7

c. Antagnuattdetendastärmöjligtattmätautsignaleny.Ärdetmöjligtatt ta fram ett Kalmanfilter så att skattningsfelen avtar godtyckligt snabbt? Vad är en lämplig polplacering för systemet i denna uppgift?(obs. inget Kalmanfilter behöver beräknas) ( p) a. Att det ska vara möjligt att placera det slutna systemets poler godtyckligt är ekvivalent med att systemet är styrbart. Styrbarhetsmatrisen ges av(7). ( ) ( ) 0 W s = B AB = 2 VillkoretförstyrbarhetärattW s skahafullrang,ochdetenklastesättet attkonstateraattsåärfalletärattberäknadeterminanten,idethärfallet blirden ocheftersomdenärskildfrån0harw s fullrangochsystemet är styrbart. ( b. Vid tillståndsåterkoppling används styrlagen u = Lx, där L = l l 2 ). DetslutnasystemetspolergesavegenvärdenatillmatrisenA BL,och dessakanplacerasgenomattväljal ochl 2.Egenvärdenagenomattlösa den karaktäristiska ekvationen(8). (7) ( ) (( ) ( ) det(si (A BL))= s 0 0 0 ( ) ) l l 2 0 0 2 = ( ) s = l s+2+l 2 =s2 +(2+l 2 )s+l =0 (8) Attpolernaförslutnasystemetskahamnais= 3innebärattdenkaraktäristiskaekvationenskaseutenligt(s+3) 2 =s 2 +6s+9=0.Jämförelse med(8)gerdåattl =9ochl 2 =4. c. För att det ska vara möjligt att konstruera ett Kalmanfilter där skattningsfelen avtar godtyckligt snabbt måste systemet vara observerbart. Detta undersöks genom att beräkna rangen för observerbarhetsmatrisen(9). DeterminantenförW o ärochdärmedhardenfullrangochsystemetär observerbart. W o = ( C CA ) = ( 0 0 ) (9) Polerna för Kalmanfiltret bör väljas snabbare än de för regulatorn, och en lämpligplaceringkandärförvaraattplaceradembådais= 6. 8. Bektrakta systemet givet i figur 4. Vad blir det stationära felet för systemet närinsignalernar(t)och f(t)bådaärsteg? (3p) 8

f(t) r(t) e u y(t) Σ Σ 4 s 0.7 s+7 0. 3s+ Figur 4 Blockdiagram för systemet i uppgift 8. Felet för systemet ges av E(s)= s(s+7)(3s+) s(s+7)(3s+)+0.028 R(s) 0.07s F(s) (20) s(s+7)(3s+)+0.028 Laplace-transformenavinsignalernablirbåda s,ochdetstationärafelet gesave( )=lim s 0 se(s)=0(förasymptotisktstabilasystem).feletblir i detta fallet noll. 9

9. Nilsärnypåjobbet somreglerteknikerochfårsomförstauppdragatt förbättra regleringen av ett rullband. Den nuvarande regulatorn har länge ansetts vara lite för långsam, dvs. att den inte följer referensvärdet tillräckligt snabbt. Försök har gjorts för att justera parametrarna i den nuvarande regulatorn, en PI-regulator, men har endast resulterat i ett dåligt dämpat system. Nils tänker förbättra regleringen genom att använda en lämplig kompenseringslänk, men inser att han behöver ett bodediagram för det öppna systemet. a. Rullbandetärenstabilprocess.GeettförslagpåexperimentsomNilskan göra för att få sitt bodediagram. ( p) Nilslyckastillslutfåframettbodediagram,sefigur5,mennärhanska designa sin kompenseringslänk drabbas han av en blackout och är därför i desperat behov av din hjälp. Nils chef har sagt att snabbheten på systemet ska tredubblas (dvs. att systemets skärfrekvens ska bli 3 gånger så stor) utan att fasmarginalen förändras. b. Designa en kompenseringslänk som uppfyller chefens specifikationer. (3p) Bode Diagram 0 3 0 2 Magnitude (abs) 0 0 0 0 20 Phase (deg) 50 80 0 0 0 Frequency (rad/s) Figur 5 Bodediagram för det öppna systemet i uppgift 9. 0

a. Han kan t.ex. skicka sinussignaler med varierande frekvens till systemet och mäta amplitud(ger bodediagrammets amplitudkurva) och fasförskjutning(ger bodediagrammets faskurva) på utsignalen. b. Den nuvarande skärfrekvensen kan i bodediagrammet läsas av till 2 rad/s ochdennuvarandefasmarginalentill30.dennyaskärfrekvensenskavara 3gångersåstorsomdengamla,denskaalltsåvara6rad/s.Viddennya skärfrekvensenhardetöppnasystemetenfasförskjutningpåungefär-90, vilketinnebärattkompenseringslänkenmåstegeettfaslyftpå40 föratt fasmarginalen ska förbli oförändrad. Eftersom skärfrekvensen ska ökas är det en fasavancerande kompenseringslänk som ska användas: G K (s)=k K N s+b s+bn (2) Ettfaslyftpå40 motsvarasdåavparameternn 4.5.Faskurvanstopp villviskahamnapådennyaskärfrekvensen,ochparameternbkandåväljasenligtb= ωny c N =6/ 4.5.SlutligenskaK K väljassåattförstärkningen vid den nya skärfrekvensen verkligen blir, dvs.(förstärkningen för det öppnasystemetförfrekvensen ωc ny =6rad/släsesavtill L(6i) 0.3,där L betecknar det öppna systemet): Kompenseringslänken ges alltså av: G K (iω ny c )L(iω ny c ) = (22) K K N L(6i) = (23) K K 4.5 0.3= (24) K K =/(0.3 4.5) (25) G K (s)=/(0.3 s+6/ 4.5 4.5) 5 s+6/ 4.5 4.5 7.07 s+2.83 s+2.73 (26)