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) = (5s + 6)/(s² + 8s + 32) için f(t)’yi tam kareye tamamlayarak bulun ve f(0,4) değerini hesaplayın.
F(s) = (5s + 6)/(s² + 8s + 32)t = 0,4 s
f(0.4) =
2.Laplace dönüşümleriZor
Bir sistem y″ + 9y′ + 18y = 18·u(t) denklemine uyuyor; y(0) = 3 ve y′(0) = 0’dır. t = 0 anında u(t) = 4 basamak girişi uygulanır. y(0,1) değerini Laplace dönüşümüyle bulun.
Birim negatif geri besleme çevriminde G(s) = 6(s + 4)/((s + 2)(s + 3)). Referansa 1 büyüklüğünde bir basamak uygulanıyor. Kararlı hal hatasını ess bulun.
G(s) = 6(s + 4)/((s + 2)(s + 3))R = 1
ess =
4.Blok diyagramlarZor
K oransal denetleyicisi, G(s) = 7/(s + 2) sistemini birim negatif geri besleme çevriminde sürüyor. R = 0 iken sistem girişine 0,5 büyüklüğünde bir bozucu basamağı giriyor. Kararlı hal çıkışını 0,0875 değerinin altında ya da eşit tutan en küçük K kazancını bulun.
G(s) = 7/(s + 2)D = 0,5css ≤ 0,0875
K =
5.Basamak yanıtıOrta
Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 11,5/(s² + 6s + 23)’dır ve birim basamak girişi alıyor. ts ≈ 4/(ζωₙ) kullanarak basamak yanıtının %2 yerleşme süresini ts bulun.
G(s) = 11,5/(s² + 6s + 23)
ts = s
6.Basamak yanıtıZor
m = 4 kg kütle, k = 2000 N/m yay ve c = 107 N·s/m viskoz sönümleyici ile asılıdır (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Denge durumunda dururken aniden sabit bir F = 50 N kuvvet uygulanıyor. Yer değiştirmenin yüzde aşımını %OS bulun.
m = 4 kgk = 2000 N/mc = 107 N·s/mF = 50 N
%OS = %
7.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiOrta
Şemadaki çevrimin açık çevrim transfer fonksiyonu L(s) = K/(s(s + 3)(s + 5))’dır. Kapalı çevrimin kararlı olduğu en büyük kazancı (Kmax) bulun.
L(s) = K/(s(s + 3)(s + 5))
Kmax =
8.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiZor
Birim geri beslemeli bir çevrimde L(s) = K/(s(s + 8)(s + 2))’dır. Kök yer eğrisinin asimptotlarının gerçel ekseni kestiği noktayı (σa) bulun.
L(s) = K/(s(s + 8)(s + 2))
σa =
9.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiOrta
Birim geri beslemeli bir çevrimde G(s) = K/((s + 1)(s + 5))’dır. Basamak girişi için kalıcı durum hatasını % 4 yapan kazancı (K) bulun.
G(s) = K/((s + 1)(s + 5))ess = 4 %
K =
10.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiZor
C(s) = 10 + Kd·s PD denetleyicisi, birim geri beslemeli bir çevrimde G(s) = 5/(s(s + 4)) sistemini sürmektedir. Kapalı çevrime ζ = 0,9 sönüm oranını veren türev kazancını (Kd) bulun.
G(s) = 5/(s(s + 4))Kp = 10ζ = 0,9
Kd = s
11.Bode diyagramları ve paylarOrta
Gösterilen RC yüksek geçiren filtre için R = 2,2 kΩ, C = 4,7 nF geçerlidir. 77 kHz değerinde sinüsoidal bir giriş uygulanır. vout’un vin’e göre φ faz kaymasını derece cinsinden bulun.
R = 2,2 kΩC = 4,7 nFf = 77 kHz
φ = °
12.Bode diyagramları ve paylarZor
Birim geri beslemeli bir çevrimin açık çevrim transfer fonksiyonu L(s) = 174/(s(s + 4)(s + 7))’dır. Kazanç payını GM dB cinsinden bulun.
L(s) = 174/(s(s + 4)(s + 7))
GM = dB
3Çözeltiler
1.Laplace dönüşümleri
Cevap: f(0.4) = −0,7358
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).
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 + 9s + 18)·Y(s) = 3s + 27 + 72/s
Y(s) = (3s² + 27s + 72)/(s(s + 3)(s + 6))
Kısmi kesirler
A = 72/(3·6) = 4
B = 18/((−3)·3) = −2
C = 18/((−6)·(−3)) = 1
Sonuç
y(t) = 4 − 2·e−3t + e−6t
y(0,1) = 3,067
Cevap
y(0,1) = 3,067
Kontrol: y(0) = A + B + C = 3.
3.Blok diyagramlar
Cevap: ess = 0,2
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) = 6·4/(2·3) = 4
Kararlı hal hatası
ess = A/(1 + Kₚ) = 1/(1 + 4) = 0,2
Cevap
ess = 0,2
4.Blok diyagramlar
Cevap: K = 5,429
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).
Bozucu yanıtı
css = D·G(0)/(1 + K·G(0)) = 0,5·7/(2 + 7K)
K için çözün
2 + 7K = 0,5·7/0,0875 = 40
K = (40 − 2)/7 = 5,429
Cevap
K = 5,429
5.Basamak yanıtı
Cevap: ts = 1,333 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 = 23 → ωₙ = 4,796 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·4,796) = 0,6255
Sonuç
ζωₙ = 3 → ts ≈ 4/3 = 1,333 s
Cevap
ts = 1,333 s
6.Basamak yanıtı
Cevap: %OS = 9,586 %
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 = √(k/m) = √(2000/4) = 22,36 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 107/(2·√(2000·4)) = 0,5981
Sonuç
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 9,586 %
Cevap
%OS = 9,586 %
7.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisi
Cevap: Kmax = 120
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 + 8s² + 15s + K = 0
Routh dizisi
s³: 1, 15
s²: 8, K
s¹: (8·15 − K)/8
s⁰: K
Koşullar
İlk sütunun her elemanı pozitif olmalıdır.
K > 0
8·15 − K > 0 → K < 120
Cevap
Kmax = 120
K = 120 değerinde kapalı çevrim ω = √15 = 3,873 rad/s ile salınır.
8.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisi
Cevap: σa = −3,333
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, −8, −2
n − m = 3 − 0 = 3
Ağırlık merkezi
σa = (−10)/3 = −3,333
Cevap
σa = −3,333
3 asimptot, ağırlık merkezinden 60°, 180°, 300° açılarıyla çıkar.
9.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi
Cevap: K = 120
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.
Gerekli hata sabiti
1/(1 + Kp) = 0,04 → Kp = 24
Kazanç
K/5 = 24 → K = 120
Cevap
K = 120
Kapalı çevrim kararlılığını da kontrol edin: bu ikinci dereceden çevrimde her K > 0 kararlıdır.
10.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi
Cevap: Kd = 1,746 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) + 5(10 + Kds) = s² + (4 + 5Kd)s + 50
Doğal frekans
ωₙ = √50 = 7,071 rad/s
Türev kazancı
4 + 5Kd = 2·0,9·7,071 = 12,73
Kd = 1,746 s
Cevap
Kd = 1,746 s
Türev terimi, ωₙ’yi değiştirmeden sönüm ekler.
11.Bode diyagramları ve paylar
Cevap: φ = 11,3 °
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 = 1/(RC) = 1/(2200·4,7 × 10⁻⁹) = 96712 rad/s
fc = 15392 Hz → f/fc = 77000/15392 = 5,003
Faz
φ = 90° − atan(5,003) = 11,3°
Cevap
φ = 11,3°
12.Bode diyagramları ve paylar
Cevap: GM = 4,96 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.