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
t (s)f(t)t = 0,25f(0,25) = ?

F(s) = (4s + 31)/(s² + 10s + 25) için f(t)’yi bulun ve f(0,25) değerini hesaplayın.

F(s) = (4s + 31)/(s² + 10s + 25)t = 0,25 s
f(0.25) =
2.Laplace dönüşümleriZor
t (s)y(t)t = 0,5y(0,5) = ?

Bir sistem y″ + 6y′ + 8y = 32·u(t) denklemine uyuyor; y(0) = 4 ve y′(0) = 0’dır. t = 0 anında u(t) = 2 basamak girişi uygulanır. y(0,5) değerini Laplace dönüşümüyle bulun.

y″ + 6y′ + 8y = 32·u(t)y(0) = 4y′(0) = 0u(t) = 2t = 0,5 s
y(0.5) =
3.Blok diyagramlarOrta
R(s)+7(s + 5)(s + 4)(s + 6)G(s)C(s)−

Birim negatif geri besleme çevriminde G(s) = 7(s + 5)/((s + 4)(s + 6)). Referansa 5 büyüklüğünde bir basamak uygulanıyor. Kararlı hal hatasını ess bulun.

G(s) = 7(s + 5)/((s + 4)(s + 6))R = 5
ess =
4.Blok diyagramlarZor
R(s)+10denetleyici+D(s)+2s + 4sistemC(s)−

K = 10 oransal denetleyici, G(s) = 2/(s + 4) sistemini birim negatif geri besleme çevriminde sürüyor. Bir bozucu D sistem girişine girer (denetleyici çıkışına eklenir). R = 0 iken 0,5 büyüklüğünde bir bozucu basamağı uygulanıyor. Kararlı hal çıkışını css bulun.

K = 10G(s) = 2/(s + 4)D = 0,5R = 0
css =
5.Basamak yanıtıOrta
t (s)y(t)0,5tp​ = ?

Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 18,5/(s² + 4s + 37)’dır ve birim basamak girişi alıyor. Basamak yanıtının tepe zamanını tp bulun.

G(s) = 18,5/(s² + 4s + 37)
tp = s
6.Basamak yanıtıZor
R(s)+Ks(s + 2)G(s)C(s)−

Birim negatif geri beslemeli bir çevrimde G(s) = K/(s(s + 2)). %5 aşımlı bir basamak yanıtı veren K kazancını bulun.

G(s) = K/(s(s + 2))%OS = 5 %
K =
7.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiOrta
R(s)+1201s(s + 2)(s + 3)C(s)−

Şemadaki çevrim negatif geri beslemelidir ve L(s) = 120/(s(s + 2)(s + 3))’dir. Sağ yarı düzlemde kaç kapalı çevrim kutbu (N) vardır?

L(s) = 120/(s(s + 2)(s + 3))
N =
8.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiZor
ReIm−1−2−3−4−5−6−71j1j2−1,5

L(s) = K/(s(s + 3)(s + 6)) çevrimi için s = −1,5 noktasına bir kapalı çevrim kutbu yerleştiren K kazancını bulun.

L(s) = K/(s(s + 3)(s + 6))s = −1,5
K =
9.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiOrta
r(t) = 2t+4(s + 4)s(s + 4)(s + 5)C(s)−

r(t) = 2t rampası, G(s) = 4(s + 4)/(s(s + 4)(s + 5)) olan birim geri beslemeli bir çevrime uygulanıyor. Kalıcı durum hatasını (ess) bulun.

G(s) = 4(s + 4)/(s(s + 4)(s + 5))r(t) = 2t
ess =
10.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiZor
R(s)+Kp​ + Ki​/s1s + 2C(s)−

C(s) = Kp + Ki/s PI denetleyicisi, birim geri beslemeli bir çevrimde G(s) = 1/(s + 2) sistemini sürmektedir. Kapalı çevrim ωₙ = 3 rad/s ve ζ = 0,5 değerlerine sahip olmalıdır. İntegral kazancını (Ki) bulun.

G(s) = 1/(s + 2)ωₙ = 3 rad/sζ = 0,5
Ki =
11.Bode diyagramları ve paylarOrta
|H| (dB)0,11101001000−60−40−20020ω (rad/s)ω = 4

G(s) = 1600/((s + 10)(s + 20)) fonksiyonunun ω = 4 rad/s’deki tam |G(jω)| genliğini dB cinsinden bulun.

G(s) = 1600/((s + 10)(s + 20))ω = 4 rad/s
|G(jω)| = dB
12.Bode diyagramları ve paylarZor
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​ = ?

Birim geri beslemeli bir çevrimin açık çevrim transfer fonksiyonu L(s) = 96/(s(s + 6)(s + 10))’dır. ∠L(jω) = −180° olduğu faz kesişim frekansını ω180 bulun.

L(s) = 96/(s(s + 6)(s + 10))
ω180 = rad/s

3Çözeltiler

1.Laplace dönüşümleri

Cevap: f(0.25) = 1,934

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).

Paydayı çarpanlarına ayırın

s² + 10s + 25 = (s + 5)²

Kısmi kesirler

4s + 31 = 4(s + 5) + 11
F(s) = 4/(s + 5) + 11/(s + 5)²

Ters dönüşüm

f(t) = 4·e−5t + 11·t·e−5t
f(0,25) = (4 + 11·0,25)·e−5·0,25 = 1,934

Cevap

f(0,25) = 1,934
2.Laplace dönüşümleri

Cevap: y(0.5) = 5,598

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 + 6s + 8)·Y(s) = 4s + 24 + 64/s
Y(s) = (4s² + 24s + 64)/(s(s + 2)(s + 4))

Kısmi kesirler

A = 64/(2·4) = 8
B = 32/((−2)·2) = −8
C = 32/((−4)·(−2)) = 4

Sonuç

y(t) = 8 − 8·e−2t + 4·e−4t
y(0,5) = 5,598

Cevap

y(0,5) = 5,598

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

3.Blok diyagramlar

Cevap: ess = 2,034

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).

Konum hata sabiti

Kₚ = G(0) = 7·5/(4·6) = 1,458

Kararlı hal hatası

ess = A/(1 + Kₚ) = 5/(1 + 1,458) = 2,034

Cevap

ess = 2,034
4.Blok diyagramlar

Cevap: css = 0,04167

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).

Transfer fonksiyonları

C/D = G/(1 + K·G) = 2/(s + 4 + 20)

Kararlı hâl

css = 0,5·2/24 = 0,04167

Cevap

css = 0,04167

Daha büyük K bozucunun etkisini azaltır, ama oransal denetleyiciyle asla sıfıra indirmez.

5.Basamak yanıtı

Cevap: tp = 0,5469 s

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 = 37 → ωₙ = 6,083 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·6,083) = 0,3288

Sonuç

ωd = 6,083·√(1 − 0,3288²) = 5,745 rad/s → tp = π/ωd = 0,5469 s

Cevap

tp = 0,5469 s
6.Basamak yanıtı

Cevap: K = 2,1

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).

Kapalı çevrim transfer fonksiyonu

T(s) = K/(s² + 2s + K)

Aşımdan sönüm oranı

ζ = −ln(0,05)/√(π² + ln²(0,05)) = 0,6901

Kazanç

ωₙ = 2/(2ζ) = 1,449 rad/s
K = ωₙ² = 2,1

Cevap

K = 2,1
7.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisi

Cevap: N = 2

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 + 5s² + 6s + 120 = 0

Routh dizisi

s³: 1, 6
s²: 5, 120
s¹: −18
s⁰: 120

İlk sütundaki işaret değişimleri

1 → 5 → −18 → 120
N = 2

Cevap

N = 2

Kazanç K = 30 sınırının üzerindedir; bu yüzden bir karmaşık çift sağ yarı düzleme geçmiştir.

8.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisi

Cevap: K = 10,13

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.

Büyüklük koşulu

K = |s|·|s + 3|·|s + 6|

Noktada hesaplayın

K = 1,5·1,5·4,5 = 10,13

Cevap

K = 10,13

Kontrol: s = −1,5 noktasında s(s + 3)(s + 6) + K sıfırdır.

9.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi

Cevap: ess = 2,5

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) = 0,8

Rampa hatası

ess = 2/0,8 = 2,5

Cevap

ess = 2,5
10.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi

Cevap: Ki = 9

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

1 + C(s)G(s) = 0, s(s + 2) ile çarpılmış hâlde.

s² + (2 + 1Kp)s + 1Ki

Hedef polinom

s² + 2·0,5·3s + 3² = s² + 3s + 9

Katsayıları eşleştirin

1Ki = 9 → Ki = 9

Cevap

Ki = 9

İntegral terimi çevrimi 1 tipi yapar; bu yüzden basamak kalıcı durum hatası olmadan izlenir.

11.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: |G(jω)| = 17,25 dB

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.

Büyüklükleri çarpın

|G(j4)| = 1600/(√(4² + 10²)·√(4² + 20²)) = 1600/(10,77·20,4) = 7,284

Sonuç

20·log₁₀(7,284) = 17,25 dB

Cevap

|G(jω)| = 17,25 dB
12.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: ω180 = 7,746 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/6)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(6·10) = 7,746 rad/s

Cevap

ω180 = 7,746 rad/s

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