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) = 45/(s(s + 5)(s + 6)) için f(t)’yi kısmi kesirlerle bulun ve f(0,25) değerini hesaplayın.

F(s) = 45/(s(s + 5)(s + 6))t = 0,25 s
f(0.25) =
2.Laplace dönüşümleriZor
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Bir sistem y″ + 3y′ + 2y = 2·u(t) denklemine uyuyor; y(0) = 3 ve y′(0) = 0’dır. t = 0 anında u(t) = 2 basamak girişi uygulanır. y(0,25) değerini Laplace dönüşümüyle bulun.

y″ + 3y′ + 2y = 2·u(t)y(0) = 3y′(0) = 0u(t) = 2t = 0,25 s
y(0.25) =
3.Blok diyagramlarOrta
R(s)+42s(s + 1)G(s)C(s)−

Birim negatif geri besleme çevriminde G(s) = 42/(s(s + 1)). Referans r(t) = 5·t rampasıdır. Kararlı hal hatasını ess bulun.

G(s) = 42/(s(s + 1))r(t) = 5·t
ess =
4.Blok diyagramlarZor
R(s)+18s(s + 5)G(s)C(s)1H−

G(s) = 18/(s(s + 5)) sistemi, algılayıcı kazancı H = 1 olan negatif geri besleme çevrimindedir. Kapalı çevrim kutupları karmaşıktır. Bunların sanal kısmını ωd (pozitif değer) rad/s cinsinden bulun.

G(s) = 18/(s(s + 5))H = 1
ωd = rad/s
5.Basamak yanıtıOrta
t (s)y(t)1?

Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 53/(s² + 11s + 53)’dır ve birim basamak girişi alıyor. Basamak yanıtının yüzde aşımını %OS bulun.

G(s) = 53/(s² + 11s + 53)
%OS = %
6.Basamak yanıtıZor
t (s)y(t)1tp​ = 0,2 s30 %

Sıfırı olmayan ikinci dereceden bir sistemin basamak yanıtı %30 aşım gösteriyor ve ilk tepe t = 0,2 s anında oluşuyor. Doğal frekansı ωn bulun.

%OS = 30 %tp = 0,2 s
ωn = rad/s
7.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiOrta
R(s)+601s(s + 2)(s + 3)C(s)−

Şemadaki çevrim negatif geri beslemelidir ve L(s) = 60/(s(s + 2)(s + 3))’dir. Sağ yarı düzlemde kaç kapalı çevrim kutbu (N) vardır?

L(s) = 60/(s(s + 2)(s + 3))
N =
8.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiZor
ReIm−2−4−6−8−10−12j2

Birim geri beslemeli bir çevrimde L(s) = K/(s(s + 10)(s + 6))’dır. Kök yer eğrisinin asimptotlarının gerçel ekseni kestiği noktayı (σa) bulun.

L(s) = K/(s(s + 10)(s + 6))
σa =
9.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiOrta
r(t) = 4·t²/2+10(s + 3)s²(s + 4)C(s)−

r(t) = 4·t²/2 parabolik girişi, G(s) = 10(s + 3)/(s²(s + 4)) olan birim geri beslemeli bir çevrime uygulanıyor. Kalıcı durum hatasını (ess) bulun.

G(s) = 10(s + 3)/(s²(s + 4))r(t) = 4·t²/2
ess =
10.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiZor
R(s)+Kp​ + Ki​/s2s + 4C(s)−

C(s) = Kp + Ki/s PI denetleyicisi, birim geri beslemeli bir çevrimde G(s) = 2/(s + 4) sistemini sürmektedir. Kapalı çevrim ωₙ = 4 rad/s ve ζ = 1 değerlerine sahip olmalıdır. Orantılı kazancı (Kp) bulun.

G(s) = 2/(s + 4)ωₙ = 4 rad/sζ = 1
Kp =
11.Bode diyagramları ve paylarOrta
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−90−450ω = 1

G(s) = 46(s + 2)/(s(s + 11)) fonksiyonunun ω = 1 rad/s’deki ∠G(jω) fazını derece cinsinden bulun.

G(s) = 46(s + 2)/(s(s + 11))ω = 1 rad/s
∠G(jω) = °
12.Bode diyagramları ve paylarZor
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Birim geri beslemeli bir çevrimin açık çevrim transfer fonksiyonu L(s) = 160/(s(s + 20))’dır. Faz payını PM derece cinsinden bulun.

L(s) = 160/(s(s + 20))
PM = °

3Çözeltiler

1.Laplace dönüşümleri

Cevap: f(0.25) = 0,5949

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).

Kısmi kesirler

F(s) = A/s + B/(s + 5) + C/(s + 6)
A = 45/(5·6) = 1,5
B = 45/((−5)·1) = −9
C = 45/((−6)·(−1)) = 7,5

Ters dönüşüm

f(t) = 1,5 − 9·e−5t + 7,5·e−6t

Hesaplayın

f(0,25) = 1,5 − 9·e−5·0,25 + 7,5·e−6·0,25 = 0,5949

Cevap

f(0,25) = 0,5949
2.Laplace dönüşümleri

Cevap: y(0.25) = 2,951

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 + 3s + 2)·Y(s) = 3s + 9 + 4/s
Y(s) = (3s² + 9s + 4)/(s(s + 1)(s + 2))

Kısmi kesirler

A = 4/(1·2) = 2
B = −2/((−1)·1) = 2
C = −2/((−2)·(−1)) = −1

Sonuç

y(t) = 2 + 2·e−t − e−2t
y(0,25) = 2,951

Cevap

y(0,25) = 2,951

Kontrol: y(0) = A + B + C = 3.

3.Blok diyagramlar

Cevap: ess = 0,119

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).

Hız hata sabiti

Kᵥ = lims→0 s·G(s) = 42/1 = 42

Kararlı hal hatası

ess = A/Kᵥ = 5/42 = 0,119

Cevap

ess = 0,119
4.Blok diyagramlar

Cevap: ωd = 3,428 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

s(s + 5) + 18·1 = 0 → s² + 5s + 18 = 0

Kökler

s = −2,5 ± j·√(18 − 6,25) = −2,5 ± j3,428
ωd = 3,428 rad/s

Cevap

ωd = 3,428 rad/s
5.Basamak yanıtı

Cevap: %OS = 2,671 %

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 = 53 → ωₙ = 7,28 rad/s
2ζωₙ = 11 → ζ = 11/(2·7,28) = 0,7555

Sonuç

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−3,623 = 2,671 %

Cevap

%OS = 2,671 %
6.Basamak yanıtı

Cevap: ωn = 16,82 rad/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).

Sönüm oranı

ζ = −ln(0,3)/√(π² + ln²(0,3)) = 1,204/√(9,87 + 1,45) = 0,3579

Doğal frekans

ωd = π/tp = π/0,2 = 15,71 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 15,71/0,9338 = 16,82 rad/s

Cevap

ωn = 16,82 rad/s
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 + 60 = 0

Routh dizisi

s³: 1, 6
s²: 5, 60
s¹: −6
s⁰: 60

İlk sütundaki işaret değişimleri

1 → 5 → −6 → 60
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: σa = −5,333

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.

Kutuplar ve sıfırlar

kutup: 0, −10, −6
n − m = 3 − 0 = 3

Ağırlık merkezi

σa = (−16)/3 = −5,333

Cevap

σa = −5,333

3 asimptot, ağırlık merkezinden 60°, 180°, 300° açılarıyla çıkar.

9.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi

Cevap: ess = 0,5333

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.

İvme sabiti

Ka = 10·3/4 = 7,5

Parabol hatası

ess = 4/7,5 = 0,5333

Cevap

ess = 0,5333
10.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi

Cevap: Kp = 2

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 + 4) ile çarpılmış hâlde.

s² + (4 + 2Kp)s + 2Ki

Hedef polinom

s² + 2·1·4s + 4² = s² + 8s + 16

Katsayıları eşleştirin

4 + 2Kp = 8 → Kp = 2

Cevap

Kp = 2

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

11.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: ∠G(jω) = −68,63 °

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.

Açıları toplayın

∠G = atan(1/2) − 90° − atan(1/11) = 26,57° − 90° − 5,194°

Sonuç

∠G(j1) = −68,63°

Cevap

∠G(jω) = −68,63°
12.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: PM = 69,46 °

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.

Kazanç kesişimi

ω⁴ + 400ω² − 25600 = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·25600))/2 = 56,12
ωc = 7,492 rad/s

Faz payı

∠L(jωc) = −90° − atan(7,492/20) = −110,5°
PM = 180° + ∠L = 69,46°

Cevap

PM = 69,46°

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