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−2−4−6−8

F(s) = (3s + 26)/(s² + 8s + 12). Ters dönüşümü f(t) = A·e−2t + B·e−6t biçimindedir. A katsayısını kısmi kesirlerle bulun.

F(s) = (3s + 26)/(s² + 8s + 12)
A =
2.Laplace dönüşümleriZor
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

y″ + 9y′ + 20y = 0 denklemini y(0) = 4 ve y′(0) = −14 ile Laplace dönüşümü kullanarak çözün ve y(0,1) değerini bulun.

y″ + 9y′ + 20y = 0y(0) = 4y′(0) = −14t = 0,1 s
y(0.1) =
3.Blok diyagramlarOrta
R(s)+Ks(s + 7)G(s)C(s)−

G(s) = K/(s(s + 7)) sistemi birim negatif geri besleme çevrimindedir. Kapalı çevrimin kritik sönümlü olduğu (iki eşit gerçek kutup) K kazancını bulun.

G(s) = K/(s(s + 7))birim negatif geri besleme
K =
4.Blok diyagramlarZor
R(s)+Ks(s + 2)(s + 3)G(s)C(s)−

G(s) = K/(s(s + 2)(s + 3)) sistemi birim negatif geri besleme çevrimindedir. Kapalı çevrimin kararlı olduğu en büyük Kmax kazancını bulmak için Routh–Hurwitz kriterini kullanın.

G(s) = K/(s(s + 2)(s + 3))birim negatif geri besleme
Kmax =
5.Basamak yanıtıOrta
t (s)y(t)1

Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 38/(s² + 5s + 38)’dır ve birim basamak girişi alıyor. Kutuplar s = σ ± jωd’dir. Gerçek kısmı σ bulun.

G(s) = 38/(s² + 5s + 38)
σ =
6.Basamak yanıtıZor
+−12 VR = 120 ΩL = 100 mHC = 10 µFvC​

R = 120 Ω, L = 100 mH ve C = 10 µF olan bir seri RLC devresi, t = 0’da 12 V’luk bir basamağa bağlanıyor. Kondansatör yüksüzdür ve basamaktan önce akım akmıyor. Kondansatörün tepe gerilimini vC,max bulun.

R = 120 ΩL = 100 mHC = 10 µFV = 12 V
vC,max = V
7.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiOrta
R(s)+K1(s + 2)(s + 3)(s + 5)C(s)−

Birim geri beslemeli bir çevrimde L(s) = K/((s + 2)(s + 3)(s + 5)) ve K > 0’dır. Kapalı çevrimin kararlı olduğu en büyük kazancı (Kmax) bulun.

L(s) = K/((s + 2)(s + 3)(s + 5))
Kmax =
8.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiZor
ReIm−2−4−6−8−10−12−14j2j4sb​

L(s) = K/((s + 4)(s + 12)) için kök yer eğrisi gösterilmiştir. İki kapalı çevrim kutbunun gerçel eksende buluştuğu ayrılma noktasındaki (sb) kazancı (K) bulun.

L(s) = K/((s + 4)(s + 12))
K =
9.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiOrta
r(t) = 4·t²/2+4(s + 5)s²(s + 10)C(s)−

r(t) = 4·t²/2 parabolik girişi, G(s) = 4(s + 5)/(s²(s + 10)) olan birim geri beslemeli bir çevrime uygulanıyor. Kalıcı durum hatasını (ess) bulun.

G(s) = 4(s + 5)/(s²(s + 10))r(t) = 4·t²/2
ess =
10.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiZor
R(s)+K4s(s + 6)C(s)−

Bir K orantılı denetleyicisi, birim geri beslemeli bir çevrimde G(s) = 4/(s(s + 6)) sistemini sürmektedir. Kapalı çevrimin sönüm oranını ζ = 0,4 yapan kazancı (K) bulun.

G(s) = 4/(s(s + 6))ζ = 0,4
K =
11.Bode diyagramları ve paylarOrta
vin​L = 5 mHC = 0,22 µFR = 50 Ωvout​

Gösterilen seri RLC bant geçiren filtrede çıkış R = 50 Ω üzerinden alınır, L = 5 mH ve C = 0,22 µF ile. Hz cinsinden −3 dB bant genişliğini BW bulun.

R = 50 ΩL = 5 mHC = 0,22 µF
BW = Hz
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) = 33/(s(s + 10))’dır. Faz payını PM derece cinsinden bulun.

L(s) = 33/(s(s + 10))
PM = °

3Çözeltiler

1.Laplace dönüşümleri

Cevap: A = 5

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 + 8s + 12 = (s + 2)(s + 6)
F(s) = A/(s + 2) + B/(s + 6)

Kapatma kuralı

(s + 2) ile çarpın ve s = −2 koyun: B terimi yok olur.

A = (3s + 26)/(s + 6) |s = −2 = 20/4 = 5

Cevap

A = 5
(B = −2, dolayısıyla f(t) = 5·e−2t − 2·e−6t)
2.Laplace dönüşümleri

Cevap: y(0.1) = 2,809

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 − 4s − (−14) + 9(sY − 4) + 20Y = 0
Y(s) = (4s + 22)/((s + 4)(s + 5))

Kısmi kesirler

A = 6/1 = 6
B = 2/(−1) = −2

Sonuç

y(t) = 6·e−4t − 2·e−5t
y(0,1) = 2,809

Cevap

y(0,1) = 2,809

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

3.Blok diyagramlar

Cevap: K = 12,25

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

1 + K/(s(s + 7)) = 0 → s² + 7s + K = 0

Tekrarlanan kök

s² + βs + γ ikinci derece ifadesi, β² = 4γ olduğunda çift köke sahiptir.

7² = 4K → K = 49/4 = 12,25

Cevap

K = 12,25
Bu durumda iki kapalı çevrim kutbu da s = −3,5 noktasındadır.
4.Blok diyagramlar

Cevap: Kmax = 30

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 + 5s² + 6s + K = 0

Routh dizisi

s³ | 1 6
s² | 5 K
s¹ | (5·6 − K)/5
s⁰ | K

Kararlılık sınırı

İlk sütunun tüm elemanları pozitif olmalıdır.

Kmax = 5·6 = 30

Cevap

Kmax = 30
5.Basamak yanıtı

Cevap: σ = −2,5

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 = 38 → ωₙ = 6,164 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·6,164) = 0,4056

Sonuç

σ = −ζωₙ = −5/2 = −2,5

Cevap

σ = −2,5
6.Basamak yanıtı

Cevap: vC,max = 13,14 V

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).

Doğal frekans ve sönüm oranı

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0,1·1 × 10⁻⁵) = 1000 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (120/2)·√(1 × 10⁻⁵/0,1) = 0,6

Sonuç

%OS = 9,478 %
vC,max = 12·(1 + 0,09478) = 13,14 V

Cevap

vC,max = 13,14 V
7.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisi

Cevap: Kmax = 280

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 + 31s + 30 + K = 0

Routh dizisi

s³: 1, 31
s²: 10, 30 + K
s¹: (10·31 − 30 − K)/10
s⁰: 30 + K

Koşul

s¹ elemanı pozitif kalmalıdır.

K < 10·31 − 30 = 280

Cevap

Kmax = 280

Sınırda çevrim ω = √31 = 5,568 rad/s ile salınır.

8.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisi

Cevap: K = 16

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.

Ayrılma noktası

K = −(s + 4)(s + 12) için dK/ds = 0 şunu verir: 2s + 16 = 0.

sb = −8

Büyüklük koşulu

K = |−8 + 4|·|−8 + 12| = 4·4 = 16

Cevap

K = 16

Bu kazançta kapalı çevrim kritik sönümlüdür (ζ = 1).

9.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi

Cevap: ess = 2

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 = 4·5/10 = 2

Parabol hatası

ess = 4/2 = 2

Cevap

ess = 2
10.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi

Cevap: K = 14,06

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 + 6) + 4K = s² + 6s + 4K

Doğal frekans

2·0,4·ωₙ = 6 → ωₙ = 7,5 rad/s

Kazanç

4K = ωₙ² = 56,25 → K = 14,06

Cevap

K = 14,06
11.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: BW = 1592 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/√(0,005·2,2 × 10⁻⁷) = 30151 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 4799 Hz

Bant genişliği

BW = R/L = 50/0,005 = 10000 rad/s = 1592 Hz

Cevap

BW = 1592 Hz
12.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: PM = 72,53 °

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 − 1089 = 0
ω² = (−100 + √(10000 + 4·1089))/2 = 9,908
ωc = 3,148 rad/s

Faz payı

∠L(jωc) = −90° − atan(3,148/10) = −107,5°
PM = 180° + ∠L = 72,53°

Cevap

PM = 72,53°

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