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) = 10/(s² + 5s + 10)’dır ve birim basamak girişi alıyor. Basamak yanıtının yüzde aşımını %OS bulun.

G(s) = 10/(s² + 5s + 10)
%OS = %
2.Basamak yanıtıZor
R(s)+Ks(s + 4)G(s)C(s)−

Birim negatif geri beslemeli bir çevrimde G(s) = K/(s(s + 4)). %30 aşımlı bir basamak yanıtı veren K kazancını bulun.

G(s) = K/(s(s + 4))%OS = 30 %
K =
3.Bode diyagramları ve paylarOrta
vin​L = 100 mHC = 1 µFR = 10 Ωvout​

Gösterilen seri RLC bant geçiren filtrede çıkış R = 10 Ω üzerinden alınır, L = 100 mH ve C = 1 µF ile. Kalite faktörünü Q bulun.

R = 10 ΩL = 100 mHC = 1 µF
Q =
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) = 144/(s(s + 8))’dır. Faz payını PM derece cinsinden bulun.

L(s) = 144/(s(s + 8))
PM = °
5.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiOrta
R(s)+K = 91s(s + 1)(s + 8)C(s)−

Şemadaki çevrim K = 9 ve L(s) = K/(s(s + 1)(s + 8)) ile çalışmaktadır. Kapalı çevrim kararsız olmadan önce kazanç kaç katına (m) çıkarılabilir?

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 8))K = 9
m =
6.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiZor
ReIm−2−4−6−8−10−12j2

L(s) = K(s + 10)/(s(s + 2)) için kök yer eğrisi, s = 0 ile s = −2 arasında gerçel eksenden ayrılır, bir daire çizer ve sıfırın solunda gerçel eksene yeniden katılır. Ayrılma noktasını (sb) bulun.

L(s) = K(s + 10)/(s(s + 2))
sb =
7.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiOrta
r(t) = 0,5·t²/2+5(s + 5)s²(s + 1)C(s)−

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

G(s) = 5(s + 5)/(s²(s + 1))r(t) = 0,5·t²/2
ess =
8.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiZor
R(s)+K = 21s(s + 2)C(s)−

K = 2 orantılı denetleyicisi, birim geri beslemeli bir çevrimde G(s) = 1/(s(s + 2)) sistemini sürmektedir. Basamak yanıtının tepe zamanını tp bulun.

G(s) = 1/(s(s + 2))K = 2
tp = s
9.Blok diyagramlarOrta
R(s)+Ks(s + 3)G(s)C(s)−

G(s) = K/(s(s + 3)) sistemi birim negatif geri besleme çevrimindedir. Kapalı çevrimin kritik sönümlü olduğu (iki eşit gerçek kutup) K kazancını bulun.

G(s) = K/(s(s + 3))birim negatif geri besleme
K =
10.Blok diyagramlarZor
R(s)+K(s + 1)(s + 5)(s + 6)G(s)C(s)−

G(s) = K/((s + 1)(s + 5)(s + 6)) sistemi birim negatif geri besleme çevrimindedir. En büyük kararlı kazançta çevrim salınım yapar. Salınım frekansını ω rad/s cinsinden bulun.

G(s) = K/((s + 1)(s + 5)(s + 6))birim negatif geri besleme
ω = rad/s

3Çözeltiler

1.Basamak yanıtı

Cevap: %OS = 1,732 %

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 = 10 → ωₙ = 3,162 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·3,162) = 0,7906

Sonuç

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−4,056 = 1,732 %

Cevap

%OS = 1,732 %
2.Basamak yanıtı

Cevap: K = 31,23

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 + 4s + K)

Aşımdan sönüm oranı

ζ = −ln(0,3)/√(π² + ln²(0,3)) = 0,3579

Kazanç

ωₙ = 4/(2ζ) = 5,589 rad/s
K = ωₙ² = 31,23

Cevap

K = 31,23
3.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: Q = 31,62

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/√(0,1·1 × 10⁻⁶) = 3162 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 503,3 Hz

Kalite faktörü

BW = R/L = 10/0,1 = 100 rad/s = 15,92 Hz
Q = ω₀/BW = 3162/100 = 31,62

Cevap

Q = 31,62
4.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: PM = 36,66 °

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 − 20736 = 0
ω² = (−64 + √(4096 + 4·20736))/2 = 115,5
ωc = 10,75 rad/s

Faz payı

∠L(jωc) = −90° − atan(10,75/8) = −143,3°
PM = 180° + ∠L = 36,66°

Cevap

PM = 36,66°
5.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisi

Cevap: m = 8

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.

Routh dizisi

s³ + 9s² + 8s + K = 0
s³: 1, 8
s²: 9, K
s¹: (9·8 − K)/9
s⁰: K

En büyük kararlı kazanç

Kmax = 9·8 = 72

Çarpan

m = 72/9 = 8

Cevap

m = 8

Bu çarpan, oran olarak kazanç payıdır: 18,06 dB.

6.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisi

Cevap: sb = −1,056

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) = −(s² + 2s)/(s + 10)

Durağan noktalar

Bölüm kuralıyla türev alın ve payı sıfıra eşitleyin.

(2s + 2)(s + 10) − (s² + 2s) = s² + 20s + 20 = 0
s = −10 ± √80 = −1,056, −18,94

Ayrılma noktası

sb = −1,056

Cevap

sb = −1,056

İki kırılma noktası arasında eğri, merkezi sıfırda olan ve yarıçapı √80 = 8,944 olan bir dairedir.

7.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi

Cevap: ess = 0,02

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 = 5·5/1 = 25

Parabol hatası

ess = 0,5/25 = 0,02

Cevap

ess = 0,02
8.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi

Cevap: tp = 3,142 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 + 2) + 2·1 = s² + 2s + 2

ωₙ ve ζ

ωₙ = √2 = 1,414 rad/s
ζ = 2/(2·1,414) = 0,7071

Tepe zamanı

ωd = 1,414·√(1 − 0,7071²) = 1 rad/s
tp = π/1 = 3,142 s

Cevap

tp = 3,142 s
9.Blok diyagramlar

Cevap: K = 2,25

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 + 3)) = 0 → s² + 3s + K = 0

Tekrarlanan kök

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

3² = 4K → K = 9/4 = 2,25

Cevap

K = 2,25
Bu durumda iki kapalı çevrim kutbu da s = −1,5 noktasındadır.
10.Blok diyagramlar

Cevap: ω = 6,403 rad/s

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 + 12s² + 41s + 30 + K = 0

Routh dizisi

s³ | 1 41
s² | 12 30 + K
s¹ | (12·41 − 30 − K)/12
s⁰ | 30 + K

Kararlılık sınırı

İlk sütunun tüm elemanları pozitif olmalıdır.

Kmax = 12·41 − 30 = 462

Salınım frekansı

12·(jω)² + 30 + 462 = 0 → ω² = 492/12 = 41
ω = 6,403 rad/s

Cevap

ω = 6,403 rad/s

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