Katsayıları Routh dizisinin ilk iki satırına dönüşümlü olarak yazın ve kalan satırları oluşturun.
İlk sütundaki işaret değişimlerini sayın: her biri sağ yarı düzlemde bir kutuptur. Dizide K varsa, ilk sütunun her elemanının pozitif kalmasını isteyin.
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
C(s)·G(s) açık çevriminin s = 0’daki kutuplarını sayın: sistem tipi budur.
Girişe uygun hata sabitini hesaplayın: basamak için Kp, rampa için Kv, parabol için Ka.
ess = A/(1 + Kp), A/Kv veya A/Ka formülünü uygulayın ya da ihtiyacınız olan kazanç için çözün.
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
F(s) = (s + 10)/(s² + 9s + 18). Ters dönüşümü f(t) = A·e−3t + B·e−6t biçimindedir. A katsayısını kısmi kesirlerle bulun.
F(s) = (s + 10)/(s² + 9s + 18)
A =
2.Laplace dönüşümleriZor
Bir sistem y″ + 7y′ + 6y = 12·u(t) denklemine uyuyor; y(0) = 2 ve y′(0) = 0’dır. t = 0 anında u(t) = 10 basamak girişi uygulanır. y(0,4) değerini Laplace dönüşümüyle bulun.
G(s) = 12/(s + 3) sistemi, algılayıcısının kazancı H = 0,5 olan bir negatif geri besleme çevriminde denetleniyor. Kapalı çevrimin zaman sabitini τ bulun.
G(s) = 12/(s + 3)H = 0,5
τ = s
4.Blok diyagramlarZor
G(s) = K/((s + 1)(s + 3)(s + 4)) sistemi birim negatif geri besleme çevrimindedir. En büyük kararlı kazançta çevrim salınım yapar. Salınım frekansını ω rad/s cinsinden bulun.
Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 44/(s² + 5s + 44)’dır ve birim basamak girişi alıyor. Doğal frekansı ωn rad/s cinsinden bulun.
G(s) = 44/(s² + 5s + 44)
ωn = rad/s
6.Basamak yanıtıZor
R = 42 Ω, L = 10 mH ve C = 2 µF olan bir seri RLC devresi, t = 0’da 5 V’luk bir basamağa bağlanıyor. Kondansatör yüksüzdür ve basamaktan önce akım akmıyor. Kondansatör geriliminin yüzde aşımını %OS bulun.
R = 42 ΩL = 10 mHC = 2 µFV = 5 V
%OS = %
7.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiOrta
Şemadaki çevrimin açık çevrim transfer fonksiyonu L(s) = K/(s(s + 3)(s + 4))’dır. Kapalı çevrimin kararlı olduğu en büyük kazancı (Kmax) bulun.
L(s) = K/(s(s + 3)(s + 4))
Kmax =
8.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiZor
L(s) = K/(s(s + 3)(s + 8)) çevrimi için s = −1 noktasına bir kapalı çevrim kutbu yerleştiren K kazancını bulun.
L(s) = K/(s(s + 3)(s + 8))s = −1
K =
9.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiOrta
r(t) = 2t rampası, G(s) = 4(s + 4)/(s(s + 1)(s + 4)) olan birim geri beslemeli bir çevrime uygulanıyor. Kalıcı durum hatasını (ess) bulun.
G(s) = 4(s + 4)/(s(s + 1)(s + 4))r(t) = 2t
ess =
10.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiZor
C(s) = 25 + Kd·s PD denetleyicisi, birim geri beslemeli bir çevrimde G(s) = 1/(s(s + 3)) sistemini sürmektedir. Kapalı çevrime ζ = 0,8 sönüm oranını veren türev kazancını (Kd) bulun.
G(s) = 1/(s(s + 3))Kp = 25ζ = 0,8
Kd = s
11.Bode diyagramları ve paylarOrta
Gösterilen RL alçak geçiren filtre için R = 470 Ω, L = 10 mH geçerlidir. 37 kHz değerinde sinüsoidal bir giriş uygulanır. vout’un vin’e göre φ faz kaymasını derece cinsinden bulun.
R = 470 ΩL = 10 mHf = 37 kHz
φ = °
12.Bode diyagramları ve paylarZor
Birim geri beslemeli bir çevrimin açık çevrim transfer fonksiyonu L(s) = 714/(s(s + 7)(s + 9))’dır. Kazanç payını GM dB cinsinden bulun.
L(s) = 714/(s(s + 7)(s + 9))
GM = dB
3Çözeltiler
1.Laplace dönüşümleri
Cevap: A = 2,333
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 + 9s + 18 = (s + 3)(s + 6)
F(s) = A/(s + 3) + B/(s + 6)
Kapatma kuralı
(s + 3) ile çarpın ve s = −3 koyun: B terimi yok olur.
A = (s + 10)/(s + 6) |s = −3 = 7/3 = 2,333
Cevap
A = 2,333
(B = −1,333, dolayısıyla f(t) = 2,333·e−3t − 1,333·e−6t)
2.Laplace dönüşümleri
Cevap: y(0.4) = 5,848
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 + 7s + 6)·Y(s) = 2s + 14 + 120/s
Y(s) = (2s² + 14s + 120)/(s(s + 1)(s + 6))
Kısmi kesirler
A = 120/(1·6) = 20
B = 108/((−1)·5) = −21,6
C = 108/((−6)·(−5)) = 3,6
Sonuç
y(t) = 20 − 21,6·e−t + 3,6·e−6t
y(0,4) = 5,848
Cevap
y(0,4) = 5,848
Kontrol: y(0) = A + B + C = 2.
3.Blok diyagramlar
Cevap: τ = 0,1111 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).
Kapalı çevrim transfer fonksiyonu
T(s) = G/(1 + G·H) = 12/(s + 3 + 6) = 12/(s + 9)
Sonuç
τ = 1/9 = 0,1111 s
Cevap
τ = 0,1111 s
4.Blok diyagramlar
Cevap: ω = 4,359 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 + 8s² + 19s + 12 + K = 0
Routh dizisi
s³ | 1 19
s² | 8 12 + K
s¹ | (8·19 − 12 − K)/8
s⁰ | 12 + K
Kararlılık sınırı
İlk sütunun tüm elemanları pozitif olmalıdır.
Kmax = 8·19 − 12 = 140
Salınım frekansı
8·(jω)² + 12 + 140 = 0 → ω² = 152/8 = 19
ω = 4,359 rad/s
Cevap
ω = 4,359 rad/s
5.Basamak yanıtı
Cevap: ωn = 6,633 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).
Standart biçimle karşılaştırın
Payda s² + 2ζωₙs + ωₙ² ile eşleşmelidir.
ωₙ² = 44 → ωₙ = 6,633 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·6,633) = 0,3769
Sonuç
ωₙ = 6,633 rad/s
Cevap
ωn = 6,633 rad/s
6.Basamak yanıtı
Cevap: %OS = 37,64 %
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).
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 denklem
s³ + 7s² + 12s + K = 0
Routh dizisi
s³: 1, 12
s²: 7, K
s¹: (7·12 − K)/7
s⁰: K
Koşullar
İlk sütunun her elemanı pozitif olmalıdır.
K > 0
7·12 − K > 0 → K < 84
Cevap
Kmax = 84
K = 84 değerinde kapalı çevrim ω = √12 = 3,464 rad/s ile salınır.
8.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisi
Cevap: K = 14
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 + 8|
Noktada hesaplayın
K = 1·2·7 = 14
Cevap
K = 14
Kontrol: s = −1 noktasında s(s + 3)(s + 8) + K sıfırdır.
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: Kd = 5 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 + 3) + 1(25 + Kds) = s² + (3 + 1Kd)s + 25
Doğal frekans
ωₙ = √25 = 5 rad/s
Türev kazancı
3 + 1Kd = 2·0,8·5 = 8
Kd = 5 s
Cevap
Kd = 5 s
Türev terimi, ωₙ’yi değiştirmeden sönüm ekler.
11.Bode diyagramları ve paylar
Cevap: φ = −78,57 °
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.
Köşe frekansı
ωc = R/L = 470/0,01 = 47000 rad/s
fc = 7480 Hz → f/fc = 37000/7480 = 4,946
Faz
φ = − atan(4,946) = −78,57°
Cevap
φ = −78,57°
12.Bode diyagramları ve paylar
Cevap: GM = 2,995 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.