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)3ts​ = ?

Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 138/(s² + 10s + 46)’dır ve birim basamak girişi alıyor. ts ≈ 4/(ζωₙ) kullanarak basamak yanıtının %2 yerleşme süresini ts bulun.

G(s) = 138/(s² + 10s + 46)
ts = s
2.Basamak yanıtıZor
R(s)+Ks(s + 10)G(s)C(s)−

Birim negatif geri beslemeli bir çevrimde G(s) = K/(s(s + 10)). %20 aşımlı bir basamak yanıtı veren K kazancını bulun.

G(s) = K/(s(s + 10))%OS = 20 %
K =
3.Bode diyagramları ve paylarOrta
vin​R = 4,7 kΩC = 22 nFvout​

Gösterilen RC alçak geçiren filtre için R = 4,7 kΩ, C = 22 nF geçerlidir. 4,6 kHz değerinde sinüsoidal bir giriş uygulanır. vout’un vin’e göre φ faz kaymasını derece cinsinden bulun.

R = 4,7 kΩC = 22 nFf = 4,6 kHz
φ = °
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) = 36/(s(s + 2))’dır. |L(jω)| = 1 olduğu kazanç kesişim frekansını ωc bulun.

L(s) = 36/(s(s + 2))
ωc = rad/s
5.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiOrta
R(s)+K1s(s + 5)(s + 8)C(s)−

Şemadaki çevrimin açık çevrim transfer fonksiyonu L(s) = K/(s(s + 5)(s + 8))’dır. Kapalı çevrimin kararlı olduğu en büyük kazancı (Kmax) bulun.

L(s) = K/(s(s + 5)(s + 8))
Kmax =
6.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiZor
ReIm−1−2−3−4−5−6j1

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 5)) için kök yer eğrisi, s = 0 ile s = −1 arasında gerçel eksenden ayrılır. Ayrılma noktasını (sb) bulun.

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

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

G(s) = 4(s + 5)/(s²(s + 4))r(t) = 0,5·t²/2
ess =
8.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiZor
R(s)+Kp​ + Ki​/s5s + 1C(s)−

C(s) = Kp + Ki/s PI denetleyicisi, birim geri beslemeli bir çevrimde G(s) = 5/(s + 1) sistemini sürmektedir. Kapalı çevrim ωₙ = 8 rad/s ve ζ = 0,7 değerlerine sahip olmalıdır. Orantılı kazancı (Kp) bulun.

G(s) = 5/(s + 1)ωₙ = 8 rad/sζ = 0,7
Kp =
9.Blok diyagramlarOrta
R(s)+Ks(s + 11)G(s)C(s)−

G(s) = K/(s(s + 11)) sistemi birim negatif geri besleme çevrimindedir. Kapalı çevrimin kritik sönümlü olduğu (iki eşit gerçek kutup) K kazancını bulun.

G(s) = K/(s(s + 11))birim negatif geri besleme
K =
10.Blok diyagramlarZor
R(s)+Ks(s + 5)(s + 9)G(s)C(s)−

G(s) = K/(s(s + 5)(s + 9)) sistemi birim negatif geri besleme çevrimindedir. Kapalı çevrimin kararlı olduğu en büyük Kmax kazancını bulmak için Routh–Hurwitz kriterini kullanın.

G(s) = K/(s(s + 5)(s + 9))birim negatif geri besleme
Kmax =

3Çözeltiler

1.Basamak yanıtı

Cevap: ts = 0,8 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 = 46 → ωₙ = 6,782 rad/s
2ζωₙ = 10 → ζ = 10/(2·6,782) = 0,7372

Sonuç

ζωₙ = 5 → ts ≈ 4/5 = 0,8 s

Cevap

ts = 0,8 s
2.Basamak yanıtı

Cevap: K = 120,3

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).

Kapalı çevrim transfer fonksiyonu

T(s) = K/(s² + 10s + K)

Aşımdan sönüm oranı

ζ = −ln(0,2)/√(π² + ln²(0,2)) = 0,4559

Kazanç

ωₙ = 10/(2ζ) = 10,97 rad/s
K = ωₙ² = 120,3

Cevap

K = 120,3
3.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: φ = −71,5 °

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/(4700·2,2 × 10⁻⁸) = 9671 rad/s
fc = 1539 Hz → f/fc = 4600/1539 = 2,989

Faz

φ = − atan(2,989) = −71,5°

Cevap

φ = −71,5°
4.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: ωc = 5,836 rad/s

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 − 1296 = 0
ω² = (−4 + √(16 + 4·1296))/2 = 34,06
ωc = 5,836 rad/s

Cevap

ωc = 5,836 rad/s
5.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisi

Cevap: Kmax = 520

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 + 13s² + 40s + K = 0

Routh dizisi

s³: 1, 40
s²: 13, K
s¹: (13·40 − K)/13
s⁰: K

Koşullar

İlk sütunun her elemanı pozitif olmalıdır.

K > 0
13·40 − K > 0 → K < 520

Cevap

Kmax = 520

K = 520 değerinde kapalı çevrim ω = √40 = 6,325 rad/s ile salınır.

6.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisi

Cevap: sb = −0,4725

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.

Gerçel eksen boyunca kazanç

K(s) = −s(s + 1)(s + 5) = −(s³ + 6s² + 5s)

Durağan noktalar

dK/ds = −(3s² + 12s + 5) = 0
s = (−12 ± √(144 − 60))/6 = −0,4725, −3,528

Eğri üzerindeki noktayı seçin

Eğri, gerçel eksende 0 ile −1 arasındadır; diğer kök eğri üzerinde değildir.

sb = −0,4725

Cevap

sb = −0,4725
7.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi

Cevap: ess = 0,1

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 = 4·5/4 = 5

Parabol hatası

ess = 0,5/5 = 0,1

Cevap

ess = 0,1
8.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi

Cevap: Kp = 2,04

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 + 1) ile çarpılmış hâlde.

s² + (1 + 5Kp)s + 5Ki

Hedef polinom

s² + 2·0,7·8s + 8² = s² + 11,2s + 64

Katsayıları eşleştirin

1 + 5Kp = 11,2 → Kp = 2,04

Cevap

Kp = 2,04

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

9.Blok diyagramlar

Cevap: K = 30,25

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

1 + K/(s(s + 11)) = 0 → s² + 11s + K = 0

Tekrarlanan kök

s² + βs + γ ikinci derece ifadesi, β² = 4γ olduğunda çift köke sahiptir.

11² = 4K → K = 121/4 = 30,25

Cevap

K = 30,25
Bu durumda iki kapalı çevrim kutbu da s = −5,5 noktasındadır.
10.Blok diyagramlar

Cevap: Kmax = 630

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 + 45s + K = 0

Routh dizisi

s³ | 1 45
s² | 14 K
s¹ | (14·45 − K)/14
s⁰ | K

Kararlılık sınırı

İlk sütunun tüm elemanları pozitif olmalıdır.

Kmax = 14·45 = 630

Cevap

Kmax = 630

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