78
เรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ แกไข 25 ตลาคม 2547 หนา 1 240-209 : Time Response Chapter 5 Time Response

Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

  • Upload
    others

  • View
    3

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 1240-209 : Time Response

Chapter 5

Time Response

Page 2: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 2240-209 : Time Response

Outline

1 Poles, Zeros, and System Response2 First order systems3 Second order systems4 Time domain Solution of State equations

Page 3: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 3240-209 : Time Response

Poles of a Transfer Function

The values of the Laplace transform variable,s, that cause the transfer function to infinite.Any roots of the denominator of transfer function that are common to roots of the numerator.

Page 4: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 4240-209 : Time Response

Zeros of a Transfer Function

The values of the Laplace transform variable,s, that cause the transfer function to zero.Any roots of the numerator of transfer function that are common to roots of the denominator.

Page 5: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 5240-209 : Time Response

C s =s2s s5

Unit step response of systems

Page 6: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 6240-209 : Time Response

Pole–Zero plot of the system on s-plane

Page 7: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 7240-209 : Time Response

C s =s2s s5

=As

Bs5

A=[ s2s5]s 0

= 25

By using Partial Fraction Expansion

B=[ s2s ]

s 5= 3

5

Page 8: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 8240-209 : Time Response

c t = 25

35 e−5t

By Inverse Laplace transform

C s = 2 /5s 3/5

s5

Page 9: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 9240-209 : Time Response

System response and response component generated by the pole or zero.

Page 10: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 10240-209 : Time Response

Effect of a real-axis pole upon transient response

Page 11: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 11240-209 : Time Response

First-Order Systems

Page 12: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 12240-209 : Time Response

Pole plot of first order system

Page 13: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 13240-209 : Time Response

Unit-step response of First-Order System

C s =R s G s = as sa

c t =c f t c n t =1−e−at

By Inverse Laplace Transform

Page 14: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 14240-209 : Time Response

At t = 1/a , 2/a and 3/a

Unit-step response of First-Order System

c(t) = 1 – e-at

c(t) = 0.63, 0.86 and 0.95

Page 15: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 15240-209 : Time Response

Time response definition

Rise time is define as the time for the waveform to go from 0.1 to 0.9 of its final value.

Tr = 2.31/a – 0.11/a

Settling time is the time for the response to reach, and stay within 2% of its final value.

Ts = 4/a

Page 16: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 16240-209 : Time Response

First-order system response to a unit step

Page 17: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 17240-209 : Time Response

Laboratory results of a system unit step response test

Page 18: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 18240-209 : Time Response

Second-Order Systems

Page 19: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 19240-209 : Time Response

Overdamped Response

Page 20: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 20240-209 : Time Response

Poles plot of Overdamped System

Page 21: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 21240-209 : Time Response

Overdamped Response

C s = 9s s29s9

= 9s s7.854s1.146

c t =K 1K 2 e−7.854tK 3 e

−1.146t

By Inverse Laplace Transform

Page 22: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 22240-209 : Time Response

Overdamped Response

Page 23: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 23240-209 : Time Response

Underdamped Response

Page 24: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 24240-209 : Time Response

Poles plot of Underdamped Response

Page 25: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 25240-209 : Time Response

Underdamped Response

C s = 9s s22s9

s=−1± j 8

C s =K 1

s K 2

s−1 j 8

K 3

s−1− j 8

c t =1−e−t cos8 t88 sin8 t

c t =1−1.06 e−t cos8 t−19.470

By Inverse Laplace Transform

Page 26: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 26240-209 : Time Response

Underdamped Response

Page 27: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 27240-209 : Time Response

Second-order unit step response components generated by complex poles

Page 28: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 28240-209 : Time Response

Undamped Response

Page 29: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 29240-209 : Time Response

Poles plot of Undamped Response

Page 30: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 30240-209 : Time Response

Undamped Response

C s = 9s s29

s=± j3

c t =K 1K 4 cos 3t−

Page 31: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 31240-209 : Time Response

Undamped Response

Page 32: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 32240-209 : Time Response

Critically Damped Response

Page 33: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 33240-209 : Time Response

Critically Damped Response

Page 34: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 34240-209 : Time Response

Critically Damped Response

C s = 9s s26s9

s=−3

c t =K 1K 2e−3tK 3 te

−3t

K 1=1

Page 35: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 35240-209 : Time Response

Critically Damped Response

Two real poles at same point

c t =K 1e−1 tK 2 t e

−2 t

c t =1−3te−3t−e−3t

Then

Page 36: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 36240-209 : Time Response

Critically Damped Response

Page 37: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 37240-209 : Time Response

Natural responses of second order system

1. Overdamped response

c t =K 1e−p 1 tK 2e

−p 2 t

Poles : two real at - 1 ,

2

Natural response :

Page 38: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 38240-209 : Time Response

2. Underdamped response

c t =K 1e−d t cosd t−

Poles : two real at - d ± j

d

Natural response :

Page 39: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 39240-209 : Time Response

3. Undamped response

c t =A cos1 t−

Poles : two real at ± jn

Natural response :

Page 40: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 40240-209 : Time Response

4. Critically damped responses

c t =K 1e−p 1 tK 2 t e

−p 1 t

Poles : two real at - 1

Natural response :

Page 41: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 41240-209 : Time Response

Step responses for second-order system damping cases

Page 42: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 42240-209 : Time Response

The General Second-Order Systems

G s =n

2

s22n sn2

Transfer function

- Natural Frequency- Damping Ratio

n

Page 43: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 43240-209 : Time Response

Poles of the Transfer function

s1,2=−n±n 2−1

Page 44: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 44240-209 : Time Response

The General Second-Order Systems Second-order response as a function of damping ratio.

=0

Poles Response

Page 45: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 45240-209 : Time Response

Poles Response

01

Page 46: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 46240-209 : Time Response

Poles Response

=1

Page 47: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 47240-209 : Time Response

Poles Response

1

Page 48: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 48240-209 : Time Response

Step response for the general second-order system

C s =n

2

s s22n sn2

C s = 1s−

sn

1−2n1−2

sn2n

2 1−2

Page 49: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 49240-209 : Time Response

Inverse Laplace Transform

c t =1−e−n tcosn1−2 t

1−2sin n1−2 t

=1− 1

1−2e−n t cosn1−2 t−

=tan−1/1−2

Page 50: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 50240-209 : Time Response

Underdamped Second-Order Systems

Second-orderunderdampedresponses fordamping ratio values

Page 51: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 51240-209 : Time Response

Second-order underdamped response specifications

Page 52: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 52240-209 : Time Response

Natural FrequencyNatural Frequency of a second order system is the frequency of oscillation of the system without damping.

Damping ratioDamping ratio is the proportion between exponential decay frequency and natural frequency (rad/second)

= Exponentialdecay frequencyNatural frequency rad / second

= 12

natural period seconds Exponential time constant

Page 53: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 53240-209 : Time Response

Peak timePeak time is the time require to reach the first, or maximum, peak.

T P=

n1−2

Settling timeSettling time is the time it takes for the amplitude of the output c(t) to reach 0,98 or 98%

T s=−ln 0.021−2

n

Page 54: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 54240-209 : Time Response

Percent overshootPercent overshoot is a ratio between the different between system time response and final value.

OS=c max−c final

c final×100

OS=e−/1−2×100

%

%

= −ln OS /100

2ln2 OS /100

%

%

Page 55: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 55240-209 : Time Response

Percent overshoot vs. damping ratio

Page 56: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 56240-209 : Time Response

Time constantTime constant has the units (1 seconds), or frequency, thus we call the parameter a the exponential frequency.

c t =1−e−at

t= 1a

Time constantTime constant is the time require for step response to rise to 63% of its final value.

Page 57: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 57240-209 : Time Response

Delay timeDelay time is the time require for the system time response y(t) to reach 50% of final value.

Page 58: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 58240-209 : Time Response

Normalized risetime vs. damping ratio for a second-order underdamped response

Page 59: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 59240-209 : Time Response

Pole plot for an underdamped second-order system

Page 60: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 60240-209 : Time Response

Note: Ts2 < Ts

1 ; Tp

2 < Tp

1; %OS1 < %OS2

Lines of constant peak time,Tp , settlingtime,Ts , and percent overshoot, %OS

Page 61: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 61240-209 : Time Response

Constant real part

Step responses of second-order underdamped systems as poles move

Page 62: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 62240-209 : Time Response

Constant imaginary part

Page 63: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 63240-209 : Time Response

Constant damping ratio

Page 64: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 64240-209 : Time Response

System Response with Additional Poles

Component responses of a three-pole system : Case I : non-dominant pole is near dominant second-order poles pair. Case II : non-dominant pole is far from the pair. Case III : non-dominant pole is at infinity.

Page 65: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 65240-209 : Time Response

Page 66: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 66240-209 : Time Response

Example 4.8 (Nise)

T 1s =24.542

s24s24.542

T 2 s=24.542

s10s 24s24.542

T 3s =24.542

s3s24s24.542

Page 67: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 67240-209 : Time Response

c 1t =1−1.09 e−2t cos4.532t−23.8

c 2 t =1−0.29e−10t−1.189e−2t cos4.532t−53.34

c 3t =1−1.14 e−3t−0.707 e−2t cos4.532t78.63

Page 68: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 68240-209 : Time Response

Step responsesof system T1(s),system T2(s), andsystem T3(s)

Page 69: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 69240-209 : Time Response

T s =sa

sb sc =A

sbB

sc

T s =−ba/−bc

sb −ca /−cb

sc

If zero is far from poles, then a is large compared to b and c.

T s = asb sc

System Response with Zeros

Page 70: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 70240-209 : Time Response

Effect of addinga zero to a two-pole system

System Response with Zeros

p 1,2=−1± j2.282

Page 71: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 71240-209 : Time Response

Step response of a nonminimum-phase system

Page 72: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 72240-209 : Time Response

a. Effect of amplifiersaturation on loadangular velocityresponse;b. Simulink blockdiagram

Effects of Non-linearities Upon Time Response

Page 73: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 73240-209 : Time Response

a. Effect ofdeadzone onload angulardisplacementresponse;b. Simulink blockdiagram

Page 74: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 74240-209 : Time Response

a. Effect of backlashon load angulardisplacementresponse;b. Simulink blockdiagram

Page 75: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 75240-209 : Time Response

Time domain Solution of State equations

e at=1at 12! a

2 t 2... 1k ! a

k t k...

e A t=IA t 12! A

2 t 2... 1k ! A

k t k...

x.=ax x t =e at x 0

Scalar differential equation

x.=Ax x t =eAt x 0

Vector-matrix differential equation

Page 76: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 76240-209 : Time Response

x.=Ax t Bu t

e−A t [x.t −Ax t ]=e−A t Bu t

Rearrange and multiply both sides by e−A t

ddt [e

−A t x t ]=e−A t x.t −Ae−A t x t

Derivative of the product e−A t x t

Page 77: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 77240-209 : Time Response

Integrating both sides yields

[e−A t x t ]0t=e−A t x t −x 0=∫0

te−A Bu d

We obtain

x t =e A t x 0∫0

te A t−Bu d

t =e A t - state-transition matrix

=t x 0∫0

tt−Bu d

Page 78: Chapter 5 Time Response - Prince of Songkla Universityfivedots.coe.psu.ac.th/.../240-209/Slides/controlch5.pdf · 2006. 11. 17. · Chapter 5 Time Response. 240-209: Time Response

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 25 ต�ลาคม 2547 หน�า 78240-209 : Time Response

s I−A−1 is the Laplace transform of the state-transtion

matrix t

L−1[s I−A−1]=t

det s I−A=0 - characteristic equation