Katsayıları Routh dizisinin ilk iki satırına dönüşümlü olarak yazın ve kalan satırları oluşturun.
İlk sütundaki işaret değişimlerini sayın: her biri sağ yarı düzlemde bir kutuptur. Dizide K varsa, ilk sütunun her elemanının pozitif kalmasını isteyin.
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
C(s)·G(s) açık çevriminin s = 0’daki kutuplarını sayın: sistem tipi budur.
Girişe uygun hata sabitini hesaplayın: basamak için Kp, rampa için Kv, parabol için Ka.
ess = A/(1 + Kp), A/Kv veya A/Ka formülünü uygulayın ya da ihtiyacınız olan kazanç için çözün.
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
Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 96/(s² + 9s + 96)’dır ve birim basamak girişi alıyor. Kutuplar s = σ ± jωd’dir. Gerçek kısmı σ bulun.
G(s) = 96/(s² + 9s + 96)
σ =
2.Basamak yanıtıZor
m = 10 kg kütle, k = 5000 N/m yay ve c = 67 N·s/m viskoz sönümleyici ile asılıdır (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Denge durumunda dururken aniden sabit bir F = 100 N kuvvet uygulanıyor. En büyük yer değiştirmeyi xmax mm cinsinden bulun.
m = 10 kgk = 5000 N/mc = 67 N·s/mF = 100 N
xmax = mm
3.Bode diyagramları ve paylarOrta
Gösterilen RC alçak geçiren filtre için R = 47 kΩ, C = 2,2 nF geçerlidir. 4,6 kHz değerinde sinüsoidal bir giriş uygulanır. dB cinsinden |H| = |vout/vin| kazancını bulun.
R = 47 kΩC = 2,2 nFf = 4,6 kHz
|H| = dB
4.Bode diyagramları ve paylarZor
Birim geri beslemeli bir çevrimin açık çevrim transfer fonksiyonu L(s) = 140/(s(s + 20))’dır. Faz payını PM derece cinsinden bulun.
L(s) = 140/(s(s + 20))
PM = °
5.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiOrta
Şemadaki çevrim negatif geri beslemelidir ve L(s) = 360/(s(s + 3)(s + 5))’dir. Sağ yarı düzlemde kaç kapalı çevrim kutbu (N) vardır?
L(s) = 360/(s(s + 3)(s + 5))
N =
6.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiZor
Birim geri beslemeli bir çevrimde L(s) = K/(s(s + 4)(s + 3))’dır. Kök yer eğrisinin asimptotlarının gerçel ekseni kestiği noktayı (σa) bulun.
L(s) = K/(s(s + 4)(s + 3))
σa =
7.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiOrta
r(t) = 2·t²/2 parabolik girişi, G(s) = 5(s + 3)/(s²(s + 5)) olan birim geri beslemeli bir çevrime uygulanıyor. Kalıcı durum hatasını (ess) bulun.
G(s) = 5(s + 3)/(s²(s + 5))r(t) = 2·t²/2
ess =
8.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiZor
K = 40 orantılı denetleyicisi, birim geri beslemeli bir çevrimde G(s) = 10/(s(s + 10)) sistemini sürmektedir. Basamak yanıtının yüzde aşımını %OS bulun.
G(s) = 10/(s(s + 10))K = 40
%OS = %
9.Blok diyagramlarOrta
Birim negatif geri besleme çevriminde G(s) = 1(s + 2)/((s + 1)(s + 5)). Referansa 10 büyüklüğünde bir basamak uygulanıyor. Kararlı hal hatasını ess bulun.
G(s) = 1(s + 2)/((s + 1)(s + 5))R = 10
ess =
10.Blok diyagramlarZor
K = 15 oransal denetleyici, G(s) = 7/(s + 5) sistemini birim negatif geri besleme çevriminde sürüyor. Bir bozucu D sistem girişine girer (denetleyici çıkışına eklenir). 5 büyüklüğünde bir referans basamağı ve 1 büyüklüğünde bir bozucu basamağı birlikte uygulanıyor. Kararlı hal çıkışını css bulun.
K = 15G(s) = 7/(s + 5)D = 1R = 5
css =
3Çözeltiler
1.Basamak yanıtı
Cevap: σ = −4,5
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 = 96 → ωₙ = 9,798 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·9,798) = 0,4593
Sonuç
σ = −ζωₙ = −9/2 = −4,5
Cevap
σ = −4,5
2.Basamak yanıtı
Cevap: xmax = 32,42 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) = √(5000/10) = 22,36 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 67/(2·√(5000·10)) = 0,1498
Sonuç
xst = F/k = 100/5000 m = 20 mm
%OS = 62,12 %
xmax = 20·(1 + 0,6212) = 32,42 mm
Cevap
xmax = 32,42 mm
3.Bode diyagramları ve paylar
Cevap: |H| = −9,97 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 = 1/(RC) = 1/(47000·2,2 × 10⁻⁹) = 9671 rad/s
fc = 1539 Hz → f/fc = 4600/1539 = 2,989
Kazanç
|H| = 1/√(1 + 2,989²) = 0,3173
20·log₁₀(0,3173) = −9,97 dB
Cevap
|H| = −9,97 dB
4.Bode diyagramları ve paylar
Cevap: PM = 71,63 °
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 − 19600 = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·19600))/2 = 44,13
ωc = 6,643 rad/s
Faz payı
∠L(jωc) = −90° − atan(6,643/20) = −108,4°
PM = 180° + ∠L = 71,63°
Cevap
PM = 71,63°
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 + 8s² + 15s + 360 = 0
Routh dizisi
s³: 1, 15
s²: 8, 360
s¹: −30
s⁰: 360
İlk sütundaki işaret değişimleri
1 → 8 → −30 → 360
N = 2
Cevap
N = 2
Kazanç K = 120 sınırının üzerindedir; bu yüzden bir karmaşık çift sağ yarı düzleme geçmiştir.
6.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisi
Cevap: σa = −2,333
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.
Kutuplar ve sıfırlar
kutup: 0, −4, −3
n − m = 3 − 0 = 3
Ağırlık merkezi
σa = (−7)/3 = −2,333
Cevap
σa = −2,333
3 asimptot, ağırlık merkezinden 60°, 180°, 300° açılarıyla çıkar.
7.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi
Cevap: ess = 0,6667
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 = 5·3/5 = 3
Parabol hatası
ess = 2/3 = 0,6667
Cevap
ess = 0,6667
8.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi
Cevap: %OS = 44,43 %
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 + 10) + 40·10 = s² + 10s + 400
ωₙ ve ζ
ωₙ = √400 = 20 rad/s
ζ = 10/(2·20) = 0,25
Aşım
%OS = 100·e−0,25π/√(1 − 0,25²) = 44,43 %
Cevap
%OS = 44,43 %
9.Blok diyagramlar
Cevap: ess = 7,143
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) = 1·2/(1·5) = 0,4
Kararlı hal hatası
ess = A/(1 + Kₚ) = 10/(1 + 0,4) = 7,143
Cevap
ess = 7,143
10.Blok diyagramlar
Cevap: css = 4,836
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).
Transfer fonksiyonları
C/D = G/(1 + K·G) = 7/(s + 5 + 105)
C/R = K·G/(1 + K·G) = 105/(s + 5 + 105)
Kararlı hâl
css = 5·105/110 + 1·7/110 = 4,836
Cevap
css = 4,836
Daha büyük K bozucunun etkisini azaltır, ama oransal denetleyiciyle asla sıfıra indirmez.