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)1

Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 91/(s² + 5s + 91)’dır ve birim basamak girişi alıyor. Kutuplar s = σ ± jωd’dir. Gerçek kısmı σ bulun.

G(s) = 91/(s² + 5s + 91)
σ =
2.Basamak yanıtıZor
+−10 VR = 9 ΩL = 100 mHC = 47 µFvC​

R = 9 Ω, L = 100 mH ve C = 47 µF olan bir seri RLC devresi, t = 0’da 10 V’luk bir basamağa bağlanıyor. Kondansatör yüksüzdür ve basamaktan önce akım akmıyor. Kondansatörün tepe gerilimini vC,max bulun.

R = 9 ΩL = 100 mHC = 47 µFV = 10 V
vC,max = V
3.Bode diyagramları ve paylarOrta
vin​L = 10 mHC = 0,1 µFR = 20 Ωvout​

Gösterilen seri RLC bant geçiren filtrede çıkış R = 20 Ω üzerinden alınır, L = 10 mH ve C = 0,1 µF ile. Hz cinsinden −3 dB bant genişliğini BW bulun.

R = 20 ΩL = 10 mHC = 0,1 µF
BW = Hz
4.Bode diyagramları ve paylarZor
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Birim geri beslemeli bir çevrimin açık çevrim transfer fonksiyonu L(s) = 32/(s(s + 2))’dır. Faz payını PM derece cinsinden bulun.

L(s) = 32/(s(s + 2))
PM = °
5.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiOrta
R(s)+51s(s + 3)(s + 10)C(s)+

Şemadaki çevrim pozitif geri besleme kullanır ve L(s) = 5/(s(s + 3)(s + 10))’dir. Sağ yarı düzlemde kaç kapalı çevrim kutbu (N) vardır?

L(s) = 5/(s(s + 3)(s + 10))
N =
6.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiZor
ReImζ = 0,5−2−4−6j2j4

L(s) = K/(s(s + 5)) için kök yer eğrisi gösterilmiştir. Kapalı çevrim kutuplarının sönüm oranının ζ = 0,5 olduğu kazancı (K) bulun.

L(s) = K/(s(s + 5))ζ = 0,5
K =
7.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiOrta
r(t) = 1t+Ks(s + 4)C(s)−

G(s) = K/(s(s + 4)) olan birim geri beslemeli bir çevrim, r(t) = 1t rampasını 0,01 kalıcı durum hatasıyla izlemelidir. Kazancı (K) bulun.

G(s) = K/(s(s + 4))r(t) = 1tess = 0,01
K =
8.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiZor
R(s)+K = 502s(s + 6)C(s)−

K = 50 orantılı denetleyicisi, birim geri beslemeli bir çevrimde G(s) = 2/(s(s + 6)) sistemini sürmektedir. ts ≈ 4/(ζωₙ) kullanarak basamak yanıtının %2 yerleşme süresini ts bulun.

G(s) = 2/(s(s + 6))K = 50
ts = s
9.Blok diyagramlarOrta
R(s)+11(s + 7)(s + 4)(s + 6)G(s)C(s)−

Birim negatif geri besleme çevriminde G(s) = 11(s + 7)/((s + 4)(s + 6)). Referansa 5 büyüklüğünde bir basamak uygulanıyor. Kararlı hal hatasını ess bulun.

G(s) = 11(s + 7)/((s + 4)(s + 6))R = 5
ess =
10.Blok diyagramlarZor
R(s)+15s + 5G₁+7s + 1G₂C(s)0,5H₁−0,1H₂−

G₁ = 15/(s + 5), G₂ = 7/(s + 1), G₂ çevresinde H₁ = 0,5 iç negatif geri besleme ve H₂ = 0,1 dış negatif geri besleme olan blok diyagramı sadeleştirin. C(s)/R(s)’nin DC kazancını T(0) bulun.

G₁ = 15/(s + 5)G₂ = 7/(s + 1)H₁ = 0,5H₂ = 0,1
T(0) =

3Çözeltiler

1.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 = 91 → ωₙ = 9,539 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·9,539) = 0,2621

Sonuç

σ = −ζωₙ = −5/2 = −2,5

Cevap

σ = −2,5
2.Basamak yanıtı

Cevap: vC,max = 17,35 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/√(0,1·4,7 × 10⁻⁵) = 461,3 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (9/2)·√(4,7 × 10⁻⁵/0,1) = 0,09756

Sonuç

%OS = 73,49 %
vC,max = 10·(1 + 0,7349) = 17,35 V

Cevap

vC,max = 17,35 V
3.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: BW = 318,3 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/√(0,01·1 × 10⁻⁷) = 31623 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 5033 Hz

Bant genişliği

BW = R/L = 20/0,01 = 2000 rad/s = 318,3 Hz

Cevap

BW = 318,3 Hz
4.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: PM = 20,04 °

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 + 4ω² − 1024 = 0
ω² = (−4 + √(16 + 4·1024))/2 = 30,06
ωc = 5,483 rad/s

Faz payı

∠L(jωc) = −90° − atan(5,483/2) = −160°
PM = 180° + ∠L = 20,04°

Cevap

PM = 20,04°
5.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisi

Cevap: N = 1

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 + 13s² + 30s − 5 = 0

Routh dizisi

s³: 1, 30
s²: 13, −5
s¹: 30,38
s⁰: −5

İlk sütundaki işaret değişimleri

1 → 13 → 30,38 → −5
N = 1

Cevap

N = 1

Pozitif geri besleme sabit katsayıyı negatif yapar: bir gerçel kutup her zaman sağ yarı düzleme geçer.

6.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisi

Cevap: K = 25

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.

Standart biçimle karşılaştırın

s² + 5s + K = s² + 2ζωₙs + ωₙ²
2·0,5·ωₙ = 5 → ωₙ = 5 rad/s

Kazanç

K = ωₙ² = 5² = 25

Cevap

K = 25

Kapalı çevrim kutupları, ζ doğrusunun s = −2,5’daki dikey kolu kestiği yerdedir.

7.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi

Cevap: K = 400

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 hız sabiti

Kv = A/ess = 1/0,01 = 100

Kazanç

K = 4·Kv = 400

Cevap

K = 400

Büyük bir kazanç bu çevrimi çok az sönümlü yapar: ζ = 0,1. Kompanzatörlerin kullanılma nedeni bu çelişkidir.

8.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi

Cevap: ts = 1,333 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 + 6) + 50·2 = s² + 6s + 100

ωₙ ve ζ

ωₙ = √100 = 10 rad/s
ζ = 6/(2·10) = 0,3

Yerleşme süresi

ζωₙ = 6/2 = 3
ts ≈ 4/3 = 1,333 s

Cevap

ts = 1,333 s

Yerleşme süresi burada K’ya bağlı değildir: K’yı artırmak yalnızca yanıtın daha hızlı salınmasını sağlar.

9.Blok diyagramlar

Cevap: ess = 1,188

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) = 11·7/(4·6) = 3,208

Kararlı hal hatası

ess = A/(1 + Kₚ) = 5/(1 + 3,208) = 1,188

Cevap

ess = 1,188
10.Blok diyagramlar

Cevap: T(0) = 3,182

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).

İç çevrim

Gᵢ = G₂/(1 + G₂H₁) = 7/(s + 4,5)

Dış çevrim

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 105/((s + 5)(s + 4,5) + 10,5)

DC kazanç

T(0) = 105/(5·4,5 + 10,5) = 105/33 = 3,182

Cevap

T(0) = 3,182

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