Kontrol Mühendisliği 2: Geri Beslemeli Kontrol Tasarımı: hızlı tekrar paketi

Formül kâğıtları, her konunun temel yöntem adımları ve 10 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.Basamak yanıtıOrta
t (s)y(t)2?

Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 40/(s² + 4s + 20)’dır ve birim basamak girişi alıyor. Basamak yanıtının yüzde aşımını %OS bulun.

G(s) = 40/(s² + 4s + 20)
%OS = %
2.Basamak yanıtıZor
+−10 VR = 40 ΩL = 10 mHC = 1 µFvC​

R = 40 Ω, L = 10 mH ve C = 1 µF olan bir seri RLC devresi, t = 0’da 10 V’luk bir basamağa bağlanıyor. Kondansatör yüksüzdür ve basamaktan önce akım akmıyor. İlk gerilim tepesinin zamanını tp ms cinsinden bulun.

R = 40 ΩL = 10 mHC = 1 µFV = 10 V
tp = ms
3.Bode diyagramları ve paylarOrta
vin​L = 22 mHR = 10 Ωvout​

Gösterilen RL alçak geçiren filtre için R = 10 Ω, L = 22 mH geçerlidir. 290 Hz değerinde sinüsoidal bir giriş uygulanır. dB cinsinden |H| = |vout/vin| kazancını bulun.

R = 10 ΩL = 22 mHf = 290 Hz
|H| = dB
4.Bode diyagramları ve paylarZor
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Birim geri beslemeli bir çevrimin açık çevrim transfer fonksiyonu L(s) = 272/(s(s + 8))’dır. Faz payını PM derece cinsinden bulun.

L(s) = 272/(s(s + 8))
PM = °
5.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiOrta
R(s)+Ks + 7s(s + 1)(s + 2)C(s)−

Birim geri beslemeli bir çevrimde L(s) = K(s + 7)/(s(s + 1)(s + 2)) ve K > 0’dır. Kapalı çevrimin kararlı olduğu en büyük kazancı (Kmax) bulun.

L(s) = K(s + 7)/(s(s + 1)(s + 2))
Kmax =
6.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiZor
ReIm−2−4−6−8−10j2

L(s) = K/((s + 8)(s² + 4s + 13)) için kök yer eğrisinin, üst yarı düzlemdeki karmaşık kutuptan ayrılma açısını (θd) pozitif gerçel eksenden ölçerek bulun.

L(s) = K/((s + 8)(s² + 4s + 13))
θd = °
7.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiOrta
r(t) = 0,5·t²/2+4(s + 5)s²(s + 1)C(s)−

r(t) = 0,5·t²/2 parabolik girişi, G(s) = 4(s + 5)/(s²(s + 1)) olan birim geri beslemeli bir çevrime uygulanıyor. Kalıcı durum hatasını (ess) bulun.

G(s) = 4(s + 5)/(s²(s + 1))r(t) = 0,5·t²/2
ess =
8.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiZor
R(s)+Kp​ + Ki​/s4s + 5C(s)−

C(s) = Kp + Ki/s PI denetleyicisi, birim geri beslemeli bir çevrimde G(s) = 4/(s + 5) sistemini sürmektedir. Kapalı çevrim ωₙ = 8 rad/s ve ζ = 1 değerlerine sahip olmalıdır. İntegral kazancını (Ki) bulun.

G(s) = 4/(s + 5)ωₙ = 8 rad/sζ = 1
Ki =
9.Blok diyagramlarOrta
R(s)+20s(s + 8)G(s)C(s)−

Birim negatif geri besleme çevriminde G(s) = 20/(s(s + 8)). Referans r(t) = 10·t rampasıdır. Kararlı hal hatasını ess bulun.

G(s) = 20/(s(s + 8))r(t) = 10·t
ess =
10.Blok diyagramlarZor
R(s)+Kdenetleyici+D(s)+8s + 5sistemC(s)−

K oransal denetleyicisi, G(s) = 8/(s + 5) sistemini birim negatif geri besleme çevriminde sürüyor. R = 0 iken sistem girişine 10 büyüklüğünde bir bozucu basamağı giriyor. Kararlı hal çıkışını 0,16 değerinin altında ya da eşit tutan en küçük K kazancını bulun.

G(s) = 8/(s + 5)D = 10css ≤ 0,16
K =

3Çözeltiler

1.Basamak yanıtı

Cevap: %OS = 20,79 %

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 = 20 → ωₙ = 4,472 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·4,472) = 0,4472

Sonuç

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1,571 = 20,79 %

Cevap

%OS = 20,79 %
2.Basamak yanıtı

Cevap: tp = 0,3206 ms

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/√(0,01·1 × 10⁻⁶) = 10000 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (40/2)·√(1 × 10⁻⁶/0,01) = 0,2

Sonuç

ωd = 9798 rad/s
tp = π/ωd = 0,3206 ms

Cevap

tp = 0,3206 ms
3.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: |H| = −12,32 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.

Köşe frekansı

ωc = R/L = 10/0,022 = 454,5 rad/s
fc = 72,34 Hz → f/fc = 290/72,34 = 4,009

Kazanç

|H| = 1/√(1 + 4,009²) = 0,242
20·log₁₀(0,242) = −12,32 dB

Cevap

|H| = −12,32 dB
4.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: PM = 27,22 °

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 + 64ω² − 73984 = 0
ω² = (−64 + √(4096 + 4·73984))/2 = 241,9
ωc = 15,55 rad/s

Faz payı

∠L(jωc) = −90° − atan(15,55/8) = −152,8°
PM = 180° + ∠L = 27,22°

Cevap

PM = 27,22°
5.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisi

Cevap: Kmax = 1,5

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

s(s + 1)(s + 2) + K(s + 7) = s³ + 3s² + (2 + K)s + 7K

Routh dizisi

s³: 1, 2 + K
s²: 3, 7K
s¹: (3·(2 + K) − 7K)/3
s⁰: 7K

Koşul

6 − 4K > 0
K < 6/4 = 1,5

Cevap

Kmax = 1,5

Sıfır s = −3’ın sağında olsaydı çevrim her K > 0 için kararlı kalırdı.

6.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisi

Cevap: θd = 63,43 °

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 + 4s + 13 = 0 → s = −2 ± j3
s = −8

Diğer kutuplardan gelen açılar

∠(−2 + j3 + 8) = atan2(3, 6) = 26,57°
∠(−2 + j3 − (−2 − j3)) = ∠(j6) = 90°

Ayrılma açısı

θd = 180° − 26,57° − 90° = 63,43°

Cevap

θd = 63,43°
7.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi

Cevap: ess = 0,025

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 = 4·5/1 = 20

Parabol hatası

ess = 0,5/20 = 0,025

Cevap

ess = 0,025
8.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi

Cevap: Ki = 16

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 + 5) ile çarpılmış hâlde.

s² + (5 + 4Kp)s + 4Ki

Hedef polinom

s² + 2·1·8s + 8² = s² + 16s + 64

Katsayıları eşleştirin

4Ki = 64 → Ki = 16

Cevap

Ki = 16

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

9.Blok diyagramlar

Cevap: ess = 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).

Hız hata sabiti

Kᵥ = lims→0 s·G(s) = 20/8 = 2,5

Kararlı hal hatası

ess = A/Kᵥ = 10/2,5 = 4

Cevap

ess = 4
10.Blok diyagramlar

Cevap: K = 61,88

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)) = 10·8/(5 + 8K)

K için çözün

5 + 8K = 10·8/0,16 = 500
K = (500 − 5)/8 = 61,88

Cevap

K = 61,88

ExamProblems · examproblems.com/courses/control-engineering-2