Ch8. Time-domain Performance of Control Systems

hyeony·2024년 10월 23일
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8.1 Time-domain Performance of Control Systems

8.1.1 Response

y(t)=yt(t)+yss(t)y(t)=y_t(t)+y_{ss}(t)

yt(t)y_t(t): transient response
yss(t)y_{ss}(t): steady-state response

Recall) steady-state response

y()=lims0sG(s)U(s)y(\infty)=\lim_{s \rightarrow 0} sG(s)U(s)


제어 시스템에서 steady-state response는 시간이 충분히 경과했을 때 출력이 어디에 도달하는 지를 나타내므로 중요하다. 또한, transient response의 제어는 시스템의 dynamic behavior의 중요한 부분이기 때문에 필수적이다.

※ Unit step response
step은 time domain에서 transient response을 분석할 때 일반적으로 사용되는데, 시스템이 갑작스러운 입력 변화에 얼마나 빠르게 반응하는 지를 잘 보여주기 때문이다.

transfer function의 분모는 항상 1차 또는 2차 형태의 부분 분수로 전개 된다. 따라서 1차/2차 시스템의 step response을 이해하는 것이 중요하다. 참고로 고차 시스템의 response는 1차 and/or 2차 시스템의 response의 합으로 표현된다.

※ 1st order system

Y(s)=1τs+1U(s)=1τs+11s=1sττs+1Y(s)=\frac{1}{\tau s+1}U(s)=\frac{1}{\tau s+1}\frac{1}{s}=\frac{1}{s}-\frac{\tau}{\tau s+1}
y(t)=1etτ\Rightarrow y(t)=1-e^{-\frac{t}{\tau}}
y(0)=1e0=0,y()=1e=1,y˙(0)=1τy(0)=1-e^0=0, y(\infty)=1-e^{-\infty}=1, \dot{y}(0)=\frac{1}{\tau}


τ\tau가 커질수록 시스템 응답은 느려진다. 즉, pole의 위치가 점점 imaginary axis에 가까워진다. 이를 통해, time constant τ\tau은 시스템의 속도를 알려준다.

※ 2nd order system

wnw_n: natural frequency
ζ\zeta: damping ratio (0ζ<1)(0\le\zeta<1)

Unit-step response: Y(s)=wn2s2+2ζwns+wn21sY(s)=\frac{w_n^2}{s^2+2\zeta w_ns+w_n^2}\cdot\frac{1}{s}

(1) Undamped response(ζ=0\zeta=0)

y(t)=1cos(wnt)y(t)=1-\cos{(w_nt)}

(2) Underdamped response(0<ζ<10<\zeta<1)

y(t)=1eζwnt1ζ2sin(wd+β)y(t)=1-\frac{e^{-\zeta w_nt}}{\sqrt{1-\zeta^2}}\sin{(w_d+\beta)}

where wd=wn1ζ2w_d=w_n\sqrt{1-\zeta^2}, tanβ=1ζ2ζ\tan{\beta}=\frac{\sqrt{1-\zeta^2}}{\zeta}

(3) Critically damped response(ζ=1\zeta=1)

y(t)=1ewnt(1+wnt)y(t)=1-e^{-w_nt}(1+w_nt)

(4) Overdamped response(ζ>1\zeta>1)
→ partial-fractioned into two 1st order system

(5) Step response of 2nd order system - Critically damped case(ζ=1\zeta=1)

G(s)=Y(s)U(s)=wn2s2+2ζwns+wn2G(s)=\frac{Y(s)}{U(s)}=\frac{w_n^2}{s^2+2\zeta w_ns+w_n^2}
G(s)=wn2s2+2wns+wn2(ζ=1)=wn2(s+wn)2\Rightarrow G(s)=\frac{w_n^2}{s^2+2w_ns+w_n^2}(\because \zeta=1)\\ = \frac{w_n^2}{(s+w_n)^2}
Y(s)=wn2(s+wn)21s=As+Bs+wn+C(s+wn)2Y(s)=\frac{w_n^2}{(s+w_n)^2}\cdot\frac{1}{s}=\frac{A}{s}+\frac{B}{s+w_n}+\frac{C}{(s+w_n)^2}
A=sY(s)s=0=wn2(s+wn)2s=0=1A=sY(s)\vert_{s=0}=\left.\frac{w_n^2}{(s+w_n)^2}\right|_{s=0}=1
C=(s+wn)2Y(s)s=wn=wn2ss=wn=wnC=(s+w_n)^2Y(s)\vert_{s=-w_n}=\left.\frac{w_n^2}{s}\right|_{s=-w_n}=-w_n
B=dds(s+wn)2Y(s)s=wn=ddswn2ss=wn=wn2s2s=wn=1B=\frac{d}{ds}(s+w_n)^2Y(s)\vert_{s=-w_n}=\frac{d}{ds}\left.\frac{w_n^2}{s}\right|_{s=-w_n}=-\left.\frac{w_n^2}{s^2}\right|_{s=-w_n}=-1
Y(s)=1s1s+wnwn(s+wn)2\Rightarrow Y(s)=\frac{1}{s}-\frac{1}{s+w_n}-\frac{w_n}{(s+w_n)^2}
y(t)=1ewntwntewnt=1ewnt(1+wnt)\Rightarrow \therefore y(t)=1-e^{-w_nt}-w_nte^{-w_nt}=1-e^{-w_nt}(1+w_nt)

※ Transient Response Specification

%overshoot=ymaxyfinalyfinal×100%=eζπ1ζ2×100%\% overshoot = \frac{y_{max}-y_{final}}{y_{final}}\times100 \%=e^{-\frac{\zeta\pi}{\sqrt{1-\zeta^2}}}\times100 \%

Rise time: tr1.8wnt_r\approx\frac{1.8}{w_n}
step response가 final value의 10%에서 90%까지 도달하는데 걸린 시간

Peak time: tp=πwd=πwn1ζ2t_p=\frac{\pi}{w_d}=\frac{\pi}{w_n\sqrt{1-\zeta^2}}
peak 도달 시간

% settling time: 2%ts4ζwn2 \% t_s\approx \frac{4}{\zeta w_n}
출력이 주어진 오차 범위 내에서 steady-state 값에 도달하여 머무르는 데 필요한 시간

※ Transient Response specifications for the 2nd order system

% overshoot은 damping ratio만으로 구성된 함수이다. 그래서 damping ratio가 클수록, % overshoot는 작아진다.

※ Pole locations on s-plane

Y(s)U(s)=wn2s2+2ζwns+wn2\frac{Y(s)}{U(s)}=\frac{w_n^2}{s^2+2\zeta w_ns+w_n^2}

위 함수에서 특성 방정식은 다음과 같다.

s2+2ζwns+wn2=0s^2+2\zeta w_ns+w_n^2=0

i) ζ=0\zeta=0: s=±wnjs=\pm w_nj

ii) ζ=1\zeta=1: s=wn,wns=-w_n, -w_n

iii) 0<ζ<10<\zeta<1: s=ζwn±wn1ζ2js=-\zeta w_n\pm w_n\sqrt{1-\zeta^2}j

※ Settling time-pole location
- For 1st order system
2 % settling time

y(t)=1etτy(t)=1-e^{-\frac{t}{\tau}}
1etsτ=0.98etsτ=0.021-e^{-\frac{t_s}{\tau}}=0.98 \Leftrightarrow e^{-\frac{t_s}{\tau}}=0.02
tsτ=ln0.02ts=ln10.02τ4τ\Leftrightarrow -\frac{t_s}{\tau}=\ln{0.02} \Leftrightarrow t_s=\ln{\frac{1}{0.02}}\tau\approx4\tau

- For 2nd order system

※ Unit step responses of the 2nd order system based on damping ratio

※ Unit step responses of the 2nd order system with various damping ratio

※ Transient responses with respect to pole locations

8.1.2 Dominant Pole

Example)

Y(s)U(s)=10(s+1)(s+10),U(s)=1s\frac{Y(s)}{U(s)}=\frac{10}{(s+1)(s+10)}, U(s)=\frac{1}{s}
Y(s)=1s1091s+1+191s+10\Rightarrow Y(s)=\frac{1}{s}-\frac{10}{9}\frac{1}{s+1}+\frac{1}{9}\frac{1}{s+10}
y(t)=1109et+19e10t\Rightarrow y(t)=1-\frac{10}{9}e^{-t}+\frac{1}{9}e^{-10t}
A1,B109et,C19e10tA\triangleq1, B\triangleq\frac{10}{9}e^{-t}, C\triangleq\frac{1}{9}e^{-10t}

다른 것에 비하면 CC는 total response에 미치는 영향이 미미하다.

반면, BB의 영향은 크다. 이를 dominant pole이라고 한다.

Dominant pole의 real part 값이 다른 poles보다 충분히 크면, 다른 poles이 total response에 미치는 영향은 무시할 수 있다.

그런데 어느 정도로 커야 dominant라고 간주할 수 있을지에 대해 정량적인 기준이 필요하다. 실제로, pole의 real part 크기가 dominant pole의 크기 보다 최소 5배 ~ 10배 정도 크면, 그 pole은 무시할 수 있다.

8.1.3 Minimum Vs. non-Minimum phase systems

※ Minimum phase system: RHP 상에 zeros 또는 poles의 부재

※ Effect of minimum phase zero
예) U(s)=1sU(s)=\frac{1}{s}

1) Y(s)U(s)=1s2+2s+1Y(s)=1s2+2s+11s\frac{Y(s)}{U(s)}=\frac{1}{s^2+2s+1} \Rightarrow Y(s)=\frac{1}{s^2+2s+1}\cdot\frac{1}{s}

2) Y(s)U(s)=2s+1s2+2s+1Y(s)=2s2+2s+1+1s2+2s+11s\frac{Y(s)}{U(s)}=\frac{2s+1}{s^2+2s+1} \Rightarrow Y(s)=\frac{2}{s^2+2s+1}+\frac{1}{s^2+2s+1}\cdot\frac{1}{s}

- LHP zero는 더 많은 overshoot을 유발한다.
- LHP zero는 settling time에 영향을 미치지 않는다.
- non-minimum phase system: 적어도 하나의 pole 또는 zero가 RHP에 존재한다.
- non-minimum phase system의 특성: 종종 delay와 관련이 있으며, controller 설계가 어렵다.

8.1.4 Steady-state error

- open-loop control

G(s)=1s+5,U(s)=3sG(s)=\frac{1}{s+5}, U(s)=\frac{3}{s}
Y(s)=G(s)U(s)=1s+53sY(s)=G(s)U(s)=\frac{1}{s+5}\cdot\frac{3}{s}

By Final Value Theorem

lims0sY(s)=35=0.6\lim_{s\rightarrow0}sY(s)=\frac{3}{5}=0.6

Steady-state error:

30.6=2.43-0.6=2.4

- feedback control

e(t)=r(t)y(t)e(t)=r(t)-y(t)
E(s)=R(s)Y(s)=R(s)kG(s)E(s)E(s)=R(s)-Y(s)=R(s)-kG(s)E(s)
E(s)=11+kG(s)R(s)\Leftrightarrow E(s)=\frac{1}{1+kG(s)}R(s)

Steady-state error:

ess=lims0sE(s)=lims0s11+k1s+53s=0.1(k=145)e_{ss}=\lim_{s\rightarrow0}sE(s)=\lim_{s\rightarrow0}s\frac{1}{1+k\frac{1}{s+5}}\frac{3}{s}=0.1(k=145)
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Chung-Ang Univ. EEE.

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