INC 341 Feedback Control Systems

1. INC 341 Feedback Control Systems อาจารย์ผู้สอน ผศ.ดร. พจน์ ตั้งงามจิตต์ ดร. เบญจมาศ พนมรัตนรักษ์

2. เกี่ยวกับอาจารย์ผู้สอนเกี่ยวกับอาจารย์ผู้สอน Office: ห้องพักอาจารย์ INC CB40603 (CB4 ชั้น 6) Tel: x-9094, x-9101 E-mail: poj.tan@kmutt.ac.th benjamas.pan@kmutt.ac.th Office hours: ส่ง e-mail มาขอพบหรือนัดเวลา ลักษณะการ lecture: น.ศ. ต้องจด lecture ตามที่พูดด้วยตัวเอง

3. Course Webpage http://www.inc.eng.kmutt.ac.th/inc341/

4. รายละเอียดวิชา • 3 หน่วยกิต • Lecture 3 ชั่วโมงต่อสัปดาห์ • ทบทวน และทำการบ้าน 3ชั่วโมงต่อสัปดาห์ • Prerequisites • INC212 Signals and Systems • (ให้น.ศ.ไปทบทวนถึงความสัมพันธ์ระหว่าง • time-domain และ frequency-domain)

5. การให้คะแนนและตัดเกรดการให้คะแนนและตัดเกรด สัดส่วนของคะแนน Midterm exam 40% Final exam 40% Assignments 20% เกรด จะใช้การตัดแบบ distribution curve ตามหลักเกณฑ์ของคณะวิศวกรรมศาสตร์

6. Textbooks • "Control Systems Engineering", Norman Nise, 4th Edition, John-Wiley & Sons, Inc., ISBN 0-471-445770 , 2003.

7. Textbooks • หนังสือหลัก • Control Systems Engineering, Norman S. Nise, John Wiley & Son • หนังสือเสริม • Control Systems Principles and Design, M. Gopal, McGrawHill • Modern Control Engineering, Katsuhiko Ogata, Prentice Hall • Feedback Control Systems, Charles L. Phillips and Royce D. Harbor, • Prentice Hall

8. Topics Week 1 Introduction to Feedback Control System Week 2 Differential equation to transfer function Week 3 Differential equation to transfer function (cont.) Week 4 Differential equation to state space model Week 5 First-order & Second-order systems Week 6 Stability Week 7 Steady-State Errors Midterm Exam Week 8 Root locus 1 Week 9 Root locus 2 Week 10 Lead-lag compensation 1 Week 11 Lead-lag compensation 2 Week 12 Intro to Freq Response Week 13 Freq Response (Nyquist’s Criterion) Week 14 Freq Response (Bode plot) FinalExam

9. Global View Obtaining Math Models week 1-3 Transfer function State Equation Characteristic of Systems week 4-7 Basic Properties Stability Steady state error Analysis Methods Root locus week 8-11 Frequency Response week 11-14

10. e-learning Materials Full archives of lecture VDO are available. One DVD disc will be given to the representative of class.

11. Important! Watch VDO before coming to class !!!!

12. คำถาม ?

13. What is a control system? • “Subsystems and processes (plants) assembles for the purpose of controlling the outputs of the process.” • Example: AC, elevator, antenna system, remote controlled robot • Why do we need to study??? • Example: student performance (input=study time, output = grade)

14. Overall picture of the class? แปลงเป็นสมการทางคณิตศาสตร์ วิเคราะห์ผลของระบบที่เกิดขึ้นจาก input ต่างๆ และสามารถกำหนดค่าของ input เพื่อให้ได้ output ตามต้องการได้

15. Block diagram แปลงระบบทางกายภาพให้เป็น block diagram Output y Input, u 'System' or 'Plant' โดยทั่วไปจะอยู่ในลักษณะ input/output ปัญหาก็คือต้องใส่ input เท่าไหร่จึงจะได้ output ตามต้องการ

16. Block Diagram Transfer function: คือ อัตราส่วนความสัมพันธ์ ของ output ต่อ input ที่ กำหนดอยู่ใน frequency domain Input Output System H(s) X(s) Y(s) Transfer function

17. How to get a block diagram? Physic Theorem Electric Circuits Mechanics ……

18. Examples Output, ระยะทาง Input, แรง Elevator F x

19. การมองเป็น system ในทาง control Newton’s Second Law Force = Mass x Acceleration Input = แรง Output = ระยะทาง Question: how is acceleration related to distance? Now, we know how much force to put in to get a desired distance

20. Control Systemscan be viewed as • Open-loop Systems • Closed-loop Systems

21. Open-loop system • Disturbance can easily be found in most systems • Need a controller to adjust input to plant • Called it as ‘open-loop system’

22. Open-loop system (cont.) • Advantage: • Cheap and easy to design • Disadvantages: • Sensitivity to disturbances • Inability to correct disturbances • Example: toasters

23. Closed-loop system • วัดค่า output, ป้อนค่าที่วัดได้กลับเข้าสู่ feedback path, เปรียบเทียบค่าที่วัดได้ กับ input

24. Closed-loop system (cont.) • Advantages: • Less sensitive to noise, disturbances, changes in environment • More flexibility to control system • Disadvantage: • More expensive!!! • Example: air condition (AC)

25. Open-loop vs Close-loop Open-loop เป็นรูป input/output block diagram ไม่มีการนำ output สุดท้ายไปใช้ต่อ Close-loop มีการนำ/อ่านค่า output ไปเพื่อเปรียบเทียบ กับปริมาณที่ต้องการเพื่อใช้ในการควบคุม

26. 3 terms needed to know • Transient response: ผลของระบบที่เกิดขึ้นในช่วงแรก • Steady state response: ผลของระบบที่เกิดขึ้นเมื่อเวลาผ่านไปซักพัก (หลังจาก transient response has decayed to zero) และoutput ของระบบเริ่มนิ่ง • Stability:most important thing in analysis and design objectives

27. Transient and steady state response ช่วงลิฟท์สั่น ช่วงลิฟท์หยุดในชั้นที่ต้องการ

28. กรรมวิธีการ Design ด้วย control system หา specification ของระบบ แบ่งเป็นส่วนๆและวาด Block Diagram มองระบบรวมและเขียน Schematics วิเคราะห์ด้วย ทฤษฎี ลดรูป Block Diagram หา transfer function ของแต่ละ block Diagram มาจากหนังสือของ Norman S. Nise

29. Analysis and design of FCS Analysis and design Classical Control วิเคราะห์ระบบใน Frequency domain (Ch. 2) Modern Control วิเคราะห์ระบบใน Time domain (Ch. 3)

30. Analysis and design of FCS Analysis and design Classical Control วิเคราะห์ระบบใน Frequency domain (Ch. 2) Modern Control วิเคราะห์ระบบใน Time domain (Ch. 3)

31. Chapter 2

32. Block diagram to differential equation • สมการความสัมพันธ์ระหว่าง input และ output ของระบบจะอยู่ในรูปของ differential equation, i.e. • ต้องการทราบว่าระยะทางจะเคลื่อนไปได้เท่าไร เมื่อใส่แรงค่าใดๆลงไป หรือพูดอีกนัยน์หนึ่งก็คือ ต้องการเขียนสมการ output ให้อยู่ในรูปของ input Input = แรง Output = ระยะทาง

33. Solution to differential equation • Easy way: Matlab • Labored way: solve by hand • In frequency domain: Laplace (Ch 2) • In time domain: • state space representation (Ch 3) • homogenous and non-homogenous solution(จะไม่พูดถึงใน class นี้)

34. Analysis Frequency Domain Convolution Time domain solution Linear differential equation Time Domain Laplace Transform Inverse Laplace Transform Freq Domain Laplace Solution Laplace transformed Equation Algebraic manipulation

35. Metaphor of Laplace Transform (1,1,1) (2,-3,0)

36. Laplace Transform • Use formula: • table

38. Laplace transform properties

39. example ใช้ Laplace transform หาความสัมพันธ์ของ (assume zero initial condition) Solution:

40. Inverse Laplace • Formula: • โดยส่วนมากจะใช้ดูจากตาราง ซึ่งจะอยู่ในรูปเศษส่วน Polynomial

41. example ใช้ตาราง Laplace transform หา differential equation ของ transfer function (assume zero initial condition) solution:

42. กรรมวิธีการ Design ด้วย Control system หา specification ของระบบ แบ่งเป็นส่วนๆและวาด Block Diagram มองระบบรวมและเขียน Schematics วิเคราะห์ด้วย ทฤษฎี ลดรูป Block Diagram หา transfer function ของแต่ละ block Diagram มาจากหนังสือของ Norman S. Nise

43. Transfer Function of Subsystems • Electrical Systems • Mechanical Systems • Translational • Rotational • Electromechanical Systems

44. อย่าลืม !! Transfer function คือความสัมพันธ์ของ input, output ใน frequency domain

45. Procedure • กำหนดว่า input และ output คืออะไร • ใช้ทฤษฎีที่เรียนมาในการหาความสัมพันธ์ระหว่าง input และ output • Ohm’s law: V=IR • Kirchoff’s law • Newton’s laws of motion: f=ma, etc. • Hooke’s law of stiffness: f=kx • Damper characteristics: f=cv

46. Electrical System Components Impedance Admittance

47. Example ระบบมี input คือ v(t) output ที่วัดออกไปใช้คือ vc(t)

48. ใช้ impedance ของแต่ละอุปกรณ์ (แปลงทุกอย่างเป็น frequency domain)

49. Kirchoff’s Voltage Law