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)1ts​ = ?

Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 81/(s² + 13s + 81)’dır ve birim basamak girişi alıyor. ts ≈ 4/(ζωₙ) kullanarak basamak yanıtının %2 yerleşme süresini ts bulun.

G(s) = 81/(s² + 13s + 81)
ts = s
2.Basamak yanıtıZor
k = 500 N/mc = 27 N·s/mm = 1 kgF = 20 Nx(t)

m = 1 kg kütle, k = 500 N/m yay ve c = 27 N·s/m viskoz sönümleyici ile asılıdır (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Denge durumunda dururken aniden sabit bir F = 20 N kuvvet uygulanıyor. En büyük yer değiştirmeyi xmax mm cinsinden bulun.

m = 1 kgk = 500 N/mc = 27 N·s/mF = 20 N
xmax = mm
3.Bode diyagramları ve paylarOrta
|H| (dB)1101001000−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 10

G(s) = 540/((s + 10)(s + 18)) fonksiyonunun ω = 10 rad/s’deki tam |G(jω)| genliğini dB cinsinden bulun.

G(s) = 540/((s + 10)(s + 18))ω = 10 rad/s
|G(jω)| = dB
4.Bode diyagramları ve paylarZor
|H| (dB)0,10,111101010010010001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Birim geri beslemeli bir çevrimin açık çevrim transfer fonksiyonu L(s) = 180/(s(s + 20))’dır. Faz payını PM derece cinsinden bulun.

L(s) = 180/(s(s + 20))
PM = °
5.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiOrta
R(s)+2701s(s + 4)(s + 5)C(s)−

Şemadaki çevrim negatif geri beslemelidir ve L(s) = 270/(s(s + 4)(s + 5))’dir. Sağ yarı düzlemde kaç kapalı çevrim kutbu (N) vardır?

L(s) = 270/(s(s + 4)(s + 5))
N =
6.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiZor
ReIm−5j5

L(s) = K/((s + 4)(s + 5)(s + 6)) için kök yer eğrisi çizilmiştir. Eğrinin sanal ekseni kestiği frekansı (ω) bulun.

L(s) = K/((s + 4)(s + 5)(s + 6))
ω = rad/s
7.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiOrta
R(s)+K = 52,50,5s + 1C(s)−

G(s) = 2,5/(0,5s + 1) prosesi, birim geri beslemeli bir çevrimde K = 5 orantılı kazancıyla denetlenmektedir. Bir basamak için kalıcı durum hatasını (ess), basamak büyüklüğünün yüzdesi olarak bulun.

G(s) = 2,5/(0,5s + 1)K = 5
ess = %
8.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiZor
R(s)+8 + Kd​s4s(s + 4)C(s)−

C(s) = 8 + Kd·s PD denetleyicisi, birim geri beslemeli bir çevrimde G(s) = 4/(s(s + 4)) sistemini sürmektedir. Kapalı çevrime ζ = 0,5 sönüm oranını veren türev kazancını (Kd) bulun.

G(s) = 4/(s(s + 4))Kp = 8ζ = 0,5
Kd = s
9.Blok diyagramlarOrta
R(s)+15s + 9G(s)C(s)0,25H−

G(s) = 15/(s + 9) sistemi, algılayıcısının kazancı H = 0,25 olan bir negatif geri besleme çevriminde denetleniyor. R girişine 1 büyüklüğünde bir basamak uygulanıyor. Kararlı hal çıkışını css bulun.

G(s) = 15/(s + 9)H = 0,25R = 1
css =
10.Blok diyagramlarZor
R(s)+K(s + 2)(s + 4)(s + 8)G(s)C(s)−

G(s) = K/((s + 2)(s + 4)(s + 8)) sistemi birim negatif geri besleme çevrimindedir. Kapalı çevrimin kararlı olduğu en büyük Kmax kazancını bulmak için Routh–Hurwitz kriterini kullanın.

G(s) = K/((s + 2)(s + 4)(s + 8))birim negatif geri besleme
Kmax =

3Çözeltiler

1.Basamak yanıtı

Cevap: ts = 0,6154 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 = 81 → ωₙ = 9 rad/s
2ζωₙ = 13 → ζ = 13/(2·9) = 0,7222

Sonuç

ζωₙ = 6,5 → ts ≈ 4/6,5 = 0,6154 s

Cevap

ts = 0,6154 s
2.Basamak yanıtı

Cevap: xmax = 43,7 mm

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) = √(500/1) = 22,36 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 27/(2·√(500·1)) = 0,6037

Sonuç

xst = F/k = 20/500 m = 40 mm
%OS = 9,262 %
xmax = 40·(1 + 0,09262) = 43,7 mm

Cevap

xmax = 43,7 mm
3.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: |G(jω)| = 5,364 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(j10)| = 540/(√(10² + 10²)·√(10² + 18²)) = 540/(14,14·20,59) = 1,854

Sonuç

20·log₁₀(1,854) = 5,364 dB

Cevap

|G(jω)| = 5,364 dB
4.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: PM = 67,43 °

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 + 400ω² − 32400 = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·32400))/2 = 69,07
ωc = 8,311 rad/s

Faz payı

∠L(jωc) = −90° − atan(8,311/20) = −112,6°
PM = 180° + ∠L = 67,43°

Cevap

PM = 67,43°
5.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisi

Cevap: N = 2

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 + 9s² + 20s + 270 = 0

Routh dizisi

s³: 1, 20
s²: 9, 270
s¹: −10
s⁰: 270

İlk sütundaki işaret değişimleri

1 → 9 → −10 → 270
N = 2

Cevap

N = 2

Kazanç K = 180 sınırının üzerindedir; bu yüzden bir karmaşık çift sağ yarı düzleme geçmiştir.

6.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisi

Cevap: ω = 8,602 rad/s

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.

Kritik kazanç

s³ + 15s² + 74s + 120 + K = 0
s¹: (15·74 − 120 − K)/15 = 0 → K = 990

Kesişim frekansı

15s² + 120 + 990 = 15s² + 1110 = 0 → s² = −74
ω = √74 = 8,602 rad/s

Cevap

ω = 8,602 rad/s
7.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi

Cevap: ess = 7,407 %

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.

Konum sabiti

Kp = 5·2,5 = 12,5

Basamak hatası

ess = 100/(1 + 12,5) = 7,407 %

Cevap

ess = 7,407 %
8.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi

Cevap: Kd = 0,4142 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) + 4(8 + Kds) = s² + (4 + 4Kd)s + 32

Doğal frekans

ωₙ = √32 = 5,657 rad/s

Türev kazancı

4 + 4Kd = 2·0,5·5,657 = 5,657
Kd = 0,4142 s

Cevap

Kd = 0,4142 s

Türev terimi, ωₙ’yi değiştirmeden sönüm ekler.

9.Blok diyagramlar

Cevap: css = 1,176

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) = 15/(s + 9 + 3,75) = 15/(s + 12,75)

Sonuç

css = R·T(0) = 1·15/12,75 = 1,176

Cevap

css = 1,176
10.Blok diyagramlar

Cevap: Kmax = 720

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 + 14s² + 56s + 64 + K = 0

Routh dizisi

s³ | 1 56
s² | 14 64 + K
s¹ | (14·56 − 64 − K)/14
s⁰ | 64 + K

Kararlılık sınırı

İlk sütunun tüm elemanları pozitif olmalıdır.

Kmax = 14·56 − 64 = 720

Cevap

Kmax = 720

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