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 = 0,3f(0,3) = ?

F(s) = 40/(s(s + 3)(s + 6)) için f(t)’yi kısmi kesirlerle bulun ve f(0,3) değerini hesaplayın.

F(s) = 40/(s(s + 3)(s + 6))t = 0,3 s
f(0.3) =
2.Laplace dönüşümleriZor
t (s)y(t)t = 1y(1) = ?

y″ + 5y′ + 4y = 0 denklemini y(0) = −10 ve y′(0) = −2 ile Laplace dönüşümü kullanarak çözün ve y(1) değerini bulun.

y″ + 5y′ + 4y = 0y(0) = −10y′(0) = −2t = 1 s
y(1) =
3.Blok diyagramlarOrta
R(s)+26s(s + 6)G(s)C(s)−

Birim negatif geri besleme çevriminde G(s) = 26/(s(s + 6)). Referans r(t) = 5·t rampasıdır. Kararlı hal hatasını ess bulun.

G(s) = 26/(s(s + 6))r(t) = 5·t
ess =
4.Blok diyagramlarZor
R(s)+54s(s + 8)G(s)C(s)0,5H−

G(s) = 54/(s(s + 8)) sistemi, algılayıcı kazancı H = 0,5 olan negatif geri besleme çevrimindedir. Kapalı çevrim kutupları karmaşıktır. Bunların gerçek kısmını σ bulun.

G(s) = 54/(s(s + 8))H = 0,5
σ =
5.Basamak yanıtıOrta
t (s)y(t)2tp​ = ?

Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 126/(s² + 8s + 63)’dır ve birim basamak girişi alıyor. Basamak yanıtının tepe zamanını tp bulun.

G(s) = 126/(s² + 8s + 63)
tp = s
6.Basamak yanıtıZor
t (s)y(t)1tp​ = 1,5 s4,3 %

Sıfırı olmayan ikinci dereceden bir sistemin basamak yanıtı %4,3 aşım gösteriyor ve ilk tepe t = 1,5 s anında oluşuyor. Doğal frekansı ωn bulun.

%OS = 4,3 %tp = 1,5 s
ωn = rad/s
7.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiOrta
R(s)+K1(s + 1)(s + 3)(s + 6)C(s)−

Birim geri beslemeli bir çevrimde L(s) = K/((s + 1)(s + 3)(s + 6)) ve K > 0’dır. Kapalı çevrimin kararlı olduğu en büyük kazancı (Kmax) bulun.

L(s) = K/((s + 1)(s + 3)(s + 6))
Kmax =
8.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiZor
ReIm−2−4−6j2

L(s) = K/((s + 6)(s² + 2s + 10)) için kök yer eğrisinin, üst yarı düzlemdeki karmaşık kutuptan ayrılma açısını (θd) pozitif gerçel eksenden ölçerek bulun.

L(s) = K/((s + 6)(s² + 2s + 10))
θd = °
9.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiOrta
r(t) = 2 + 1t+4s(s + 1)C(s)−

r(t) = 2 + 1t girişi (bir basamak artı bir rampa), 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) = 2 + 1t
ess =
10.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiZor
R(s)+10 + Kd​s10s(s + 4)C(s)−

C(s) = 10 + Kd·s PD denetleyicisi, birim geri beslemeli bir çevrimde G(s) = 10/(s(s + 4)) sistemini sürmektedir. Kapalı çevrime ζ = 0,5 sönüm oranını veren türev kazancını (Kd) bulun.

G(s) = 10/(s(s + 4))Kp = 10ζ = 0,5
Kd = s
11.Bode diyagramları ve paylarOrta
|H| (dB)0,11101001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 15

G(s) = 1000/((s + 5)(s + 10)) fonksiyonunun ω = 15 rad/s’deki tam |G(jω)| genliğini dB cinsinden bulun.

G(s) = 1000/((s + 5)(s + 10))ω = 15 rad/s
|G(jω)| = dB
12.Bode diyagramları ve paylarZor
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

Birim geri beslemeli bir çevrimin açık çevrim transfer fonksiyonu L(s) = 30/(s(s + 10))’dır. |L(jω)| = 1 olduğu kazanç kesişim frekansını ωc bulun.

L(s) = 30/(s(s + 10))
ωc = rad/s

3Çözeltiler

1.Laplace dönüşümleri

Cevap: f(0.3) = 0,7826

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 + 3) + C/(s + 6)
A = 40/(3·6) = 2,222
B = 40/((−3)·3) = −4,444
C = 40/((−6)·(−3)) = 2,222

Ters dönüşüm

f(t) = 2,222 − 4,444·e−3t + 2,222·e−6t

Hesaplayın

f(0,3) = 2,222 − 4,444·e−3·0,3 + 2,222·e−6·0,3 = 0,7826

Cevap

f(0,3) = 0,7826
2.Laplace dönüşümleri

Cevap: y(1) = −5,077

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

s²Y − (−10)s − (−2) + 5(sY − (−10)) + 4Y = 0
Y(s) = (−10s − 52)/((s + 1)(s + 4))

Kısmi kesirler

A = −42/3 = −14
B = −12/(−3) = 4

Sonuç

y(t) = −14·e−t + 4·e−4t
y(1) = −5,077

Cevap

y(1) = −5,077

Kontrol: y(0) = A + B = −10.

3.Blok diyagramlar

Cevap: ess = 1,154

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) = 26/6 = 4,333

Kararlı hal hatası

ess = A/Kᵥ = 5/4,333 = 1,154

Cevap

ess = 1,154
4.Blok diyagramlar

Cevap: σ = −4

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 + 8) + 54·0,5 = 0 → s² + 8s + 27 = 0

Kökler

s = −4 ± j·√(27 − 16) = −4 ± j3,317
σ = −4

Cevap

σ = −4
5.Basamak yanıtı

Cevap: tp = 0,4582 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 = 63 → ωₙ = 7,937 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·7,937) = 0,504

Sonuç

ωd = 7,937·√(1 − 0,504²) = 6,856 rad/s → tp = π/ωd = 0,4582 s

Cevap

tp = 0,4582 s
6.Basamak yanıtı

Cevap: ωn = 2,964 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(0,043)/√(π² + ln²(0,043)) = 3,147/√(9,87 + 9,901) = 0,7077

Doğal frekans

ωd = π/tp = π/1,5 = 2,094 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 2,094/0,7065 = 2,964 rad/s

Cevap

ωn = 2,964 rad/s
7.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisi

Cevap: Kmax = 252

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 + 10s² + 27s + 18 + K = 0

Routh dizisi

s³: 1, 27
s²: 10, 18 + K
s¹: (10·27 − 18 − K)/10
s⁰: 18 + K

Koşul

s¹ elemanı pozitif kalmalıdır.

K < 10·27 − 18 = 252

Cevap

Kmax = 252

Sınırda çevrim ω = √27 = 5,196 rad/s ile salınır.

8.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisi

Cevap: θd = 59,04 °

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.

Kutup konumları

s² + 2s + 10 = 0 → s = −1 ± j3
s = −6

Diğer kutuplardan gelen açılar

∠(−1 + j3 + 6) = atan2(3, 5) = 30,96°
∠(−1 + j3 − (−1 − j3)) = ∠(j6) = 90°

Ayrılma açısı

θd = 180° − 30,96° − 90° = 59,04°

Cevap

θd = 59,04°
9.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi

Cevap: ess = 0,25

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

Basamak kısmı

Kp = ∞ → estep = 0

Rampa hatası

ess = 1/4 = 0,25

Cevap

ess = 0,25
10.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi

Cevap: Kd = 0,6 s

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(10 + Kds) = s² + (4 + 10Kd)s + 100

Doğal frekans

ωₙ = √100 = 10 rad/s

Türev kazancı

4 + 10Kd = 2·0,5·10 = 10
Kd = 0,6 s

Cevap

Kd = 0,6 s

Türev terimi, ωₙ’yi değiştirmeden sönüm ekler.

11.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: |G(jω)| = 10,9 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(j15)| = 1000/(√(15² + 5²)·√(15² + 10²)) = 1000/(15,81·18,03) = 3,508

Sonuç

20·log₁₀(3,508) = 10,9 dB

Cevap

|G(jω)| = 10,9 dB
12.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: ωc = 2,883 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.

Kazanç kesişimi

ω⁴ + 100ω² − 900 = 0
ω² = (−100 + √(10000 + 4·900))/2 = 8,31
ωc = 2,883 rad/s

Cevap

ωc = 2,883 rad/s

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