Kontrol Mühendisliği 1: hızlı tekrar paketi

Formül kâğıtları, her konunun temel yöntem adımları ve 12 alıştırma sorusu; tam çözümler en sonda.

Yeni sorularDerse dön

Yazdırma penceresinde, bir kopyayı cihazınızda saklamak için “PDF olarak kaydet” seçeneğini seçin.

1Formüller ve yöntemler

Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisi

Kararlılık
karakteristik polinomun tüm kökleri sol yarı düzlemde
Routh dizisi, üçüncü dereceden bir polinomun s¹ elemanı
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
Sağ yarı düzlem kökleri
ilk sütundaki işaret değişimi sayısı
Üçüncü dereceden s³ + a₂s² + a₁s + a₀
tüm a > 0 ve a₂·a₁ > a₀ olduğunda kararlı
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
Karakteristik denklem
1 + K·G(s) = 0
Asimptotlar
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
Ayrılma ve birleşme noktaları
dK/ds = 0
Büyüklük koşulu
K = 1/|G(s)|
Ayrılma açısı
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)

Yöntem

  1. Kapalı çevrim karakteristik polinomunu yazın: 1 + K·G(s) = 0 denkleminin paydası, açılmış hâliyle.
  2. Katsayıları Routh dizisinin ilk iki satırına dönüşümlü olarak yazın ve kalan satırları oluşturun.
  3. İlk sütundaki işaret değişimlerini sayın: her biri sağ yarı düzlemde bir kutuptur. Dizide K varsa, ilk sütunun her elemanının pozitif kalmasını isteyin.
  4. Bir kök yer eğrisi için kutupları ve sıfırları, gerçel eksen parçalarını, ağırlık merkezinden çıkan asimptotları ve dK/ds = 0 olan kırılma noktalarını işaretleyin. Bir noktadaki kazanç için K = 1/|G(s)| kullanın.

Kalıcı durum hatası ve PID denetimi

Sistem tipi
G(s)’in s = 0’daki kutup sayısı
Hata sabitleri
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Basamak A
ess = A/(1 + Kp)
Rampa A·t
ess = A/Kv
Parabol A·t²/2
ess = A/Ka
PID denetleyici
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
İkinci dereceden hedef
s² + 2ζωns + ωn²
Aşım ve zamanlama
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

Yöntem

  1. C(s)·G(s) açık çevriminin s = 0’daki kutuplarını sayın: sistem tipi budur.
  2. Girişe uygun hata sabitini hesaplayın: basamak için Kp, rampa için Kv, parabol için Ka.
  3. ess = A/(1 + Kp), A/Kv veya A/Ka formülünü uygulayın ya da ihtiyacınız olan kazanç için çözün.
  4. Bir sönüm veya hız özelliği için kapalı çevrim karakteristik polinomunu yazın ve s² + 2ζω_n·s + ω_n² ile eşleştirin.

2Alıştırma soruları

1.Laplace dönüşümleriOrta
ReIm−5−10−15−205

F(s) = (2s + 40)/(s² + 8s + 41) için f(t)’yi tam kareye tamamlayarak bulun ve f(0,1) değerini hesaplayın.

F(s) = (2s + 40)/(s² + 8s + 41)t = 0,1 s
f(0.1) =
2.Laplace dönüşümleriZor
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Bir sistem y″ + 10y′ + 24y = 48·u(t) denklemine uyuyor; y(0) = 4 ve y′(0) = 0’dır. t = 0 anında u(t) = 4 basamak girişi uygulanır. y(0,2) değerini Laplace dönüşümüyle bulun.

y″ + 10y′ + 24y = 48·u(t)y(0) = 4y′(0) = 0u(t) = 4t = 0,2 s
y(0.2) =
3.Blok diyagramlarOrta
R(s)+4K+10s + 4G(s)C(s)3H₁−−

G(s) = 10/(s + 4) sisteminin H₁ = 3 kazançlı bir iç (minör) negatif geri besleme çevrimi vardır. K = 4 denetleyici kazancı ve dış birim negatif geri besleme çevrimi sistemi kapatır. Kapalı çevrim DC kazancını T(0) bulun.

G(s) = 10/(s + 4)H₁ = 3K = 4
T(0) =
4.Blok diyagramlarZor
R(s)+Ks(s + 3)(s + 4)G(s)C(s)−

G(s) = K/(s(s + 3)(s + 4)) sistemi birim negatif geri besleme çevrimindedir. En büyük kararlı kazançta çevrim salınım yapar. Salınım frekansını ω rad/s cinsinden bulun.

G(s) = K/(s(s + 3)(s + 4))birim negatif geri besleme
ω = rad/s
5.Basamak yanıtıOrta
t (s)y(t)3

Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 105/(s² + 5s + 35)’dır ve birim basamak girişi alıyor. Sönüm oranı ζ değerini bulun.

G(s) = 105/(s² + 5s + 35)
ζ =
6.Basamak yanıtıZor
t (s)y(t)115 %

Sıfırı olmayan ikinci dereceden bir sistemin basamak yanıtı %15 aşım yapmalıdır. Sönüm oranını ζ bulun.

%OS = 15 %
ζ =
7.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiOrta
R(s)+K1(s + 4)(s + 5)(s + 6)C(s)−

Birim geri beslemeli bir çevrimde L(s) = K/((s + 4)(s + 5)(s + 6)) ve K > 0’dır. Kapalı çevrimin kararlı olduğu en büyük kazancı (Kmax) bulun.

L(s) = K/((s + 4)(s + 5)(s + 6))
Kmax =
8.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiZor
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−9−101j1j2

L(s) = K/(s(s + 5)(s + 8)) için kök yer eğrisi, s = 0 ile s = −5 arasında gerçel eksenden ayrılır. Ayrılma noktasını (sb) bulun.

L(s) = K/(s(s + 5)(s + 8))
sb =
9.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiOrta
r(t) = 2t+4s(s + 1)C(s)−

r(t) = 2t rampası, G(s) = 4/(s(s + 1)) olan birim geri beslemeli bir çevrime uygulanıyor. Kalıcı durum hatasını (ess) bulun.

G(s) = 4/(s(s + 1))r(t) = 2t
ess =
10.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiZor
R(s)+K = 105s(s + 4)C(s)−

K = 10 orantılı denetleyicisi, birim geri beslemeli bir çevrimde G(s) = 5/(s(s + 4)) sistemini sürmektedir. Basamak yanıtının yüzde aşımını %OS bulun.

G(s) = 5/(s(s + 4))K = 10
%OS = %
11.Bode diyagramları ve paylarOrta
vin​L = 2 mHC = 2,2 µFR = 5 Ωvout​

Gösterilen seri RLC bant geçiren filtrede çıkış R = 5 Ω üzerinden alınır, L = 2 mH ve C = 2,2 µF ile. Hz cinsinden −3 dB bant genişliğini BW bulun.

R = 5 ΩL = 2 mHC = 2,2 µF
BW = Hz
12.Bode diyagramları ve paylarZor
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​ = ?

Birim geri beslemeli bir çevrimin açık çevrim transfer fonksiyonu L(s) = 962/(s(s + 9)(s + 10))’dır. ∠L(jω) = −180° olduğu faz kesişim frekansını ω180 bulun.

L(s) = 962/(s(s + 9)(s + 10))
ω180 = rad/s

3Çözeltiler

1.Laplace dönüşümleri

Cevap: f(0.1) = 3,233

Laplace dönüşümü: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt türevleri s ile çarpmaya çevirir: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Standart çiftler: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²); s → s + σ kayması zaman fonksiyonunu e−σt ile çarpar. Rasyonel bir F(s)’in ters dönüşümünü almak için onu kısmi kesirlere ayırın: basit bir p kutbunun kalıntısı A = [(s − p)·F(s)] değerinin s = p’deki değeridir. Son değer teoremi: f(∞) = lims→0 s·F(s); yalnızca s·F(s)’in tüm kutupları sol yarı düzlemdeyse geçerlidir. Başlangıç değeri teoremi: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Tam kareye tamamlayın

s² + 8s + 41 = (s + 4)² + 25 = (s + 4)² + 5²

Payı eşleştirin

F(s) = 2·(s + 4)/((s + 4)² + 5²) + (32/5)·5/((s + 4)² + 5²)

Ters dönüşüm

f(t) = e−4t·(2·cos 5t + 6,4·sin 5t)
f(0,1) = e−4·0,1·(2·cos(5·0,1) + 6,4·sin(5·0,1)) = 3,233

Cevap

f(0,1) = 3,233
2.Laplace dönüşümleri

Cevap: y(0.2) = 5,018

Laplace dönüşümü: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt türevleri s ile çarpmaya çevirir: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Standart çiftler: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²); s → s + σ kayması zaman fonksiyonunu e−σt ile çarpar. Rasyonel bir F(s)’in ters dönüşümünü almak için onu kısmi kesirlere ayırın: basit bir p kutbunun kalıntısı A = [(s − p)·F(s)] değerinin s = p’deki değeridir. Son değer teoremi: f(∞) = lims→0 s·F(s); yalnızca s·F(s)’in tüm kutupları sol yarı düzlemdeyse geçerlidir. Başlangıç değeri teoremi: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Denklemi dönüştürün

(s² + 10s + 24)·Y(s) = 4s + 40 + 192/s
Y(s) = (4s² + 40s + 192)/(s(s + 4)(s + 6))

Kısmi kesirler

A = 192/(4·6) = 8
B = 96/((−4)·2) = −12
C = 96/((−6)·(−2)) = 8

Sonuç

y(t) = 8 − 12·e−4t + 8·e−6t
y(0,2) = 5,018

Cevap

y(0,2) = 5,018

Kontrol: y(0) = A + B + C = 4.

3.Blok diyagramlar

Cevap: T(0) = 0,5405

Blok diyagram cebiri: seri bloklar çarpılır (G₁·G₂), paralel bloklar toplanır (G₁ + G₂) ve ileri yolu G, geri besleme yolu H olan bir çevrim, negatif geri beslemede T = G/(1 + G·H), pozitif geri beslemede G/(1 − G·H) olarak sadeleşir. Önce iç çevrimleri sadeleştirin, sonra dışa doğru ilerleyin. Kapalı çevrim kutupları 1 + G(s)H(s) = 0 karakteristik denkleminin kökleridir. Kararlı bir çevrimde A büyüklüğündeki basamak girişi, A·T(0) kararlı hal çıkışını verir; birim geri beslemede basamağa kararlı hal hatası A/(1 + Kp)’dir, Kp = G(0).

İç çevrim

Gᵢ = G/(1 + G·H₁) = 10/(s + 4 + 10·3) = 10/(s + 34)

Dış çevrim

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 40/(s + 34 + 40) = 40/(s + 74)

Sonuç

T(0) = 40/74 = 0,5405

Cevap

T(0) = 0,5405
4.Blok diyagramlar

Cevap: ω = 3,464 rad/s

Blok diyagram cebiri: seri bloklar çarpılır (G₁·G₂), paralel bloklar toplanır (G₁ + G₂) ve ileri yolu G, geri besleme yolu H olan bir çevrim, negatif geri beslemede T = G/(1 + G·H), pozitif geri beslemede G/(1 − G·H) olarak sadeleşir. Önce iç çevrimleri sadeleştirin, sonra dışa doğru ilerleyin. Kapalı çevrim kutupları 1 + G(s)H(s) = 0 karakteristik denkleminin kökleridir. Kararlı bir çevrimde A büyüklüğündeki basamak girişi, A·T(0) kararlı hal çıkışını verir; birim geri beslemede basamağa kararlı hal hatası A/(1 + Kp)’dir, Kp = G(0).

Karakteristik denklem

s³ + 7s² + 12s + K = 0

Routh dizisi

s³ | 1 12
s² | 7 K
s¹ | (7·12 − K)/7
s⁰ | K

Kararlılık sınırı

İlk sütunun tüm elemanları pozitif olmalıdır.

Kmax = 7·12 = 84

Salınım frekansı

7·(jω)² + 84 = 0 → ω² = 84/7 = 12
ω = 3,464 rad/s

Cevap

ω = 3,464 rad/s
5.Basamak yanıtı

Cevap: ζ = 0,4226

Basamak yanıtı: birinci dereceden bir G(s) = K/(τs + 1) sistemi, U büyüklüğündeki basamağa y(t) = K·U·(1 − e−t/τ) ile yanıt verir: bir zaman sabiti τ sonra K·U son değerinin %63,2’sine, 4τ sonra %98’ine ulaşır. İkinci dereceden bir G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) sisteminin kutupları s = −ζωₙ ± jωd’dir; ωd = ωₙ√(1 − ζ²). 0 < ζ < 1 için basamak yanıtı aşım yapar: yüzde aşım %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tepe zamanı tp = π/ωd ve %2 yerleşme süresi ts ≈ 4/(ζωₙ). ωₙ ve ζ’yi okumak için paydayı s² + 2ζωₙs + ωₙ² ile karşılaştırın. Kütle–yay–sönümleyici için ωₙ = √(k/m) ve ζ = c/(2√(km)); seri RLC devresi için ωₙ = 1/√(LC) ve ζ = (R/2)·√(C/L).

Standart biçimle karşılaştırın

Payda s² + 2ζωₙs + ωₙ² ile eşleşmelidir.

ωₙ² = 35 → ωₙ = 5,916 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·5,916) = 0,4226

Sonuç

ζ = 0,4226

Cevap

ζ = 0,4226
6.Basamak yanıtı

Cevap: ζ = 0,5169

Basamak yanıtı: birinci dereceden bir G(s) = K/(τs + 1) sistemi, U büyüklüğündeki basamağa y(t) = K·U·(1 − e−t/τ) ile yanıt verir: bir zaman sabiti τ sonra K·U son değerinin %63,2’sine, 4τ sonra %98’ine ulaşır. İkinci dereceden bir G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) sisteminin kutupları s = −ζωₙ ± jωd’dir; ωd = ωₙ√(1 − ζ²). 0 < ζ < 1 için basamak yanıtı aşım yapar: yüzde aşım %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tepe zamanı tp = π/ωd ve %2 yerleşme süresi ts ≈ 4/(ζωₙ). ωₙ ve ζ’yi okumak için paydayı s² + 2ζωₙs + ωₙ² ile karşılaştırın. Kütle–yay–sönümleyici için ωₙ = √(k/m) ve ζ = c/(2√(km)); seri RLC devresi için ωₙ = 1/√(LC) ve ζ = (R/2)·√(C/L).

Sönüm oranı

ζ = −ln(0,15)/√(π² + ln²(0,15)) = 1,897/√(9,87 + 3,599) = 0,5169

Cevap

ζ = 0,5169
7.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisi

Cevap: Kmax = 990

Routh–Hurwitz kriteri: doğrusal bir sistem, karakteristik polinomunun tüm kökleri s-düzleminin sol yarısında olduğunda kararlıdır. Katsayıları Routh dizisinin ilk iki satırına dönüşümlü olarak yazın. Yeni bir satırın her elemanı, üstündeki iki satırdan elde edilir; üçüncü dereceden a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀ için s¹ elemanı b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂’dir. İlk sütundaki işaret değişimi sayısı, sağ yarı düzlemdeki kök sayısına eşittir. Katsayılarda bir K kazancı varsa, ilk sütunun her elemanı pozitif kalmalıdır: s¹ elemanını sıfır yapan kazanç kararlılık sınırıdır ve s² satırı, bu durumdaki sürekli salınımın frekansını verir.

Karakteristik polinom

s³ + 15s² + 74s + 120 + K = 0

Routh dizisi

s³: 1, 74
s²: 15, 120 + K
s¹: (15·74 − 120 − K)/15
s⁰: 120 + K

Koşul

s¹ elemanı pozitif kalmalıdır.

K < 15·74 − 120 = 990

Cevap

Kmax = 990

Sınırda çevrim ω = √74 = 8,602 rad/s ile salınır.

8.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisi

Cevap: sb = −2

Kök yer eğrisi: K kazancı 0’dan ∞’a giderken kapalı çevrim kutupları, yani 1 + K·G(s) = 0 denkleminin kökleri, açık çevrim kutuplarından açık çevrim sıfırlarına veya sonsuza doğru hareket eder. Gerçek eksen üzerindeki bir nokta, sağındaki gerçek kutup ve sıfırların sayısı tek ise eğriye aittir. Sonsuza giden n − m kol, σₐ = (Σ kutuplar − Σ sıfırlar)/(n − m) ağırlık merkezinden başlayan ve (2q + 1)·180°/(n − m) açılarındaki asimptotları izler. Kollar, dK/ds = 0 olan yerlerde gerçek eksenden ayrılır veya eksene katılır. ∠G(s) = 180° açı koşulu eğrinin şeklini belirler; |G(s)| büyüklük koşulundan K = 1/|G(s)| ise eğrinin herhangi bir noktasındaki kazancı verir.

Gerçel eksen boyunca kazanç

K(s) = −s(s + 5)(s + 8) = −(s³ + 13s² + 40s)

Durağan noktalar

dK/ds = −(3s² + 26s + 40) = 0
s = (−26 ± √(676 − 480))/6 = −2, −6,667

Eğri üzerindeki noktayı seçin

Eğri, gerçel eksende 0 ile −5 arasındadır; diğer kök eğri üzerinde değildir.

sb = −2

Cevap

sb = −2
9.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi

Cevap: ess = 0,5

Kalıcı durum hatası: birim geri beslemeli bir çevrimde, açık çevrim transfer fonksiyonu G(s) ise hata E(s) = R(s)/(1 + G(s))’dir ve son değer teoremine göre ess = lims→0 s·E(s). Sistem tipi, G(s)’in s = 0’daki kutup sayısıdır. Hata sabitleri Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) ve Ka = lim s²·G(s)’dir; hepsi s → 0 içindir. A büyüklüğündeki bir basamak ess = A/(1 + Kp), bir A·t rampası A/Kv ve bir A·t²/2 parabolü A/Ka verir. 0 tipi bir çevrim basamağı sonlu bir hatayla izler; 1 tipi bir çevrim basamağı tam olarak, rampayı ise sonlu bir hatayla izler.

Hız sabiti

Kv = lim s·G(s) = 4

Rampa hatası

ess = 2/4 = 0,5

Cevap

ess = 0,5
10.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi

Cevap: %OS = 39,6 %

P, PI ve PID denetimi: C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s denetleyicisi hata üzerinde etki eder. Orantılı kazanç çevrimi hızlandırır ve 0 tipi bir sistemin hatasını azaltır, ancak onu hiçbir zaman ortadan kaldırmaz. İntegral terimi s = 0’da bir kutup ekler: sistem tipi bir artar ve basamak hatasız izlenir. Türev terimi sönüm ekler. Kazançları seçmek için kapalı çevrim karakteristik polinomunu yazın ve s² + 2ζωns + ωn² ile karşılaştırın. Ardından %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd (ωd = ωn√(1 − ζ²)) ve ts ≈ 4/(ζωn) olur.

Karakteristik polinom

s(s + 4) + 10·5 = s² + 4s + 50

ωₙ ve ζ

ωₙ = √50 = 7,071 rad/s
ζ = 4/(2·7,071) = 0,2828

Aşım

%OS = 100·e−0,2828π/√(1 − 0,2828²) = 39,6 %

Cevap

%OS = 39,6 %
11.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: BW = 397,9 Hz

Frekans yanıtı: transfer fonksiyonunda s = jω koyun. Desibel cinsinden genlik 20·log₁₀|H(jω)|’dır ve faz, payın çarpanlarının açıları toplamından paydanınkilerin çıkarılmasıdır. Birinci dereceden bir RC ya da RL filtresinin köşe (−3 dB) frekansı ωc = 1/(RC) ya da R/L ve fc = ωc/(2π)’dir; bir alçak geçiren filtre |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) ve φ = −atan(ω/ωc) verir. Asimptotik (doğru parçalı) Bode diyagramında her kutup genliği köşe frekansında 20 dB/dekad aşağı büker, her sıfır 20 dB/dekad yukarı büker ve bir integratör 1/s her frekansta −20 dB/dekad verir. Kazanç kesişimi ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); faz payı PM = 180° + ∠L(jωc). Faz kesişimi ω180: ∠L(jω) = −180°; kazanç payı GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. İki pay da pozitifse kapalı çevrim kararlıdır.

Rezonans frekansı

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,002·2,2 × 10⁻⁶) = 15076 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 2399 Hz

Bant genişliği

BW = R/L = 5/0,002 = 2500 rad/s = 397,9 Hz

Cevap

BW = 397,9 Hz
12.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: ω180 = 9,487 rad/s

Frekans yanıtı: transfer fonksiyonunda s = jω koyun. Desibel cinsinden genlik 20·log₁₀|H(jω)|’dır ve faz, payın çarpanlarının açıları toplamından paydanınkilerin çıkarılmasıdır. Birinci dereceden bir RC ya da RL filtresinin köşe (−3 dB) frekansı ωc = 1/(RC) ya da R/L ve fc = ωc/(2π)’dir; bir alçak geçiren filtre |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) ve φ = −atan(ω/ωc) verir. Asimptotik (doğru parçalı) Bode diyagramında her kutup genliği köşe frekansında 20 dB/dekad aşağı büker, her sıfır 20 dB/dekad yukarı büker ve bir integratör 1/s her frekansta −20 dB/dekad verir. Kazanç kesişimi ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); faz payı PM = 180° + ∠L(jωc). Faz kesişimi ω180: ∠L(jω) = −180°; kazanç payı GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. İki pay da pozitifse kapalı çevrim kararlıdır.

Faz kesişimi

(ω/9)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(9·10) = 9,487 rad/s

Cevap

ω180 = 9,487 rad/s

ExamProblems · examproblems.com/courses/control-engineering-1