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)1tp​ = ?

Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 4/(s² + s + 4)’dır ve birim basamak girişi alıyor. Basamak yanıtının tepe zamanını tp bulun.

G(s) = 4/(s² + s + 4)
tp = s
2.Basamak yanıtıZor
k = 1000 N/mc = 170 N·s/mm = 20 kgF = 20 Nx(t)

m = 20 kg kütle, k = 1000 N/m yay ve c = 170 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. Yer değiştirmenin en büyük olduğu zamanı tp bulun.

m = 20 kgk = 1000 N/mc = 170 N·s/mF = 20 N
tp = s
3.Bode diyagramları ve paylarOrta
vin​L = 5 mHC = 0,1 µFR = 100 Ωvout​

Gösterilen seri RLC bant geçiren filtrede çıkış R = 100 Ω üzerinden alınır, L = 5 mH ve C = 0,1 µF ile. Hz cinsinden −3 dB bant genişliğini BW bulun.

R = 100 ΩL = 5 mHC = 0,1 µF
BW = Hz
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) = 125/(s(s + 5))’dır. |L(jω)| = 1 olduğu kazanç kesişim frekansını ωc bulun.

L(s) = 125/(s(s + 5))
ωc = rad/s
5.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiOrta
R(s)+K = 32,41s(s + 3)(s + 6)C(s)−

Şemadaki çevrim K = 32,4 ve L(s) = K/(s(s + 3)(s + 6)) ile çalışmaktadır. Kapalı çevrim kararsız olmadan önce kazanç kaç katına (m) çıkarılabilir?

L(s) = K/(s(s + 3)(s + 6))K = 32,4
m =
6.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiZor
ReIm−2−4−6−8−10−12−14−16−182j2j4

L(s) = K(s + 15)/(s(s + 7)) için kök yer eğrisi, s = 0 ile s = −7 arasında gerçel eksenden ayrılır, bir daire çizer ve sıfırın solunda gerçel eksene yeniden katılır. Ayrılma noktasını (sb) bulun.

L(s) = K(s + 15)/(s(s + 7))
sb =
7.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiOrta
r(t) = 1t+5(s + 4)s(s + 1)(s + 4)C(s)−

r(t) = 1t rampası, G(s) = 5(s + 4)/(s(s + 1)(s + 4)) olan birim geri beslemeli bir çevrime uygulanıyor. Kalıcı durum hatasını (ess) bulun.

G(s) = 5(s + 4)/(s(s + 1)(s + 4))r(t) = 1t
ess =
8.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiZor
R(s)+25 + Kd​s1s(s + 3)C(s)−

C(s) = 25 + Kd·s PD denetleyicisi, birim geri beslemeli bir çevrimde G(s) = 1/(s(s + 3)) sistemini sürmektedir. Kapalı çevrime ζ = 0,6 sönüm oranını veren türev kazancını (Kd) bulun.

G(s) = 1/(s(s + 3))Kp = 25ζ = 0,6
Kd = s
9.Blok diyagramlarOrta
R(s)+9(s + 4)(s + 8)(s + 9)G(s)C(s)−

Birim negatif geri besleme çevriminde G(s) = 9(s + 4)/((s + 8)(s + 9)). Referansa 5 büyüklüğünde bir basamak uygulanıyor. Kararlı hal hatasını ess bulun.

G(s) = 9(s + 4)/((s + 8)(s + 9))R = 5
ess =
10.Blok diyagramlarZor
R(s)+Kdenetleyici+D(s)+9s + 4sistemC(s)−

K oransal denetleyicisi, G(s) = 9/(s + 4) sistemini birim negatif geri besleme çevriminde sürüyor. R = 0 iken sistem girişine 5 büyüklüğünde bir bozucu basamağı giriyor. Kararlı hal çıkışını 0,225 değerinin altında ya da eşit tutan en küçük K kazancını bulun.

G(s) = 9/(s + 4)D = 5css ≤ 0,225
K =

3Çözeltiler

1.Basamak yanıtı

Cevap: tp = 1,622 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 = 4 → ωₙ = 2 rad/s
2ζωₙ = 1 → ζ = 1/(2·2) = 0,25

Sonuç

ωd = 2·√(1 − 0,25²) = 1,936 rad/s → tp = π/ωd = 1,622 s

Cevap

tp = 1,622 s
2.Basamak yanıtı

Cevap: tp = 0,5559 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).

Doğal frekans ve sönüm oranı

ωₙ = √(k/m) = √(1000/20) = 7,071 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 170/(2·√(1000·20)) = 0,601

Sonuç

ωd = 5,651 rad/s
tp = π/ωd = 0,5559 s

Cevap

tp = 0,5559 s
3.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: BW = 3183 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/√(0,005·1 × 10⁻⁷) = 44721 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 7118 Hz

Bant genişliği

BW = R/L = 100/0,005 = 20000 rad/s = 3183 Hz

Cevap

BW = 3183 Hz
4.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: ωc = 10,64 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 + 25ω² − 15625 = 0
ω² = (−25 + √(625 + 4·15625))/2 = 113,1
ωc = 10,64 rad/s

Cevap

ωc = 10,64 rad/s
5.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisi

Cevap: m = 5

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 + 18s + K = 0
s³: 1, 18
s²: 9, K
s¹: (9·18 − K)/9
s⁰: K

En büyük kararlı kazanç

Kmax = 9·18 = 162

Çarpan

m = 162/32,4 = 5

Cevap

m = 5

Bu çarpan, oran olarak kazanç payıdır: 13,98 dB.

6.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisi

Cevap: sb = −4,046

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 + 7s)/(s + 15)

Durağan noktalar

Bölüm kuralıyla türev alın ve payı sıfıra eşitleyin.

(2s + 7)(s + 15) − (s² + 7s) = s² + 30s + 105 = 0
s = −15 ± √120 = −4,046, −25,95

Ayrılma noktası

sb = −4,046

Cevap

sb = −4,046

İki kırılma noktası arasında eğri, merkezi sıfırda olan ve yarıçapı √120 = 10,95 olan bir dairedir.

7.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi

Cevap: ess = 0,2

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.

Hız sabiti

Kv = lim s·G(s) = 5

Rampa hatası

ess = 1/5 = 0,2

Cevap

ess = 0,2
8.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi

Cevap: Kd = 3 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 + 3) + 1(25 + Kds) = s² + (3 + 1Kd)s + 25

Doğal frekans

ωₙ = √25 = 5 rad/s

Türev kazancı

3 + 1Kd = 2·0,6·5 = 6
Kd = 3 s

Cevap

Kd = 3 s

Türev terimi, ωₙ’yi değiştirmeden sönüm ekler.

9.Blok diyagramlar

Cevap: ess = 3,333

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) = 9·4/(8·9) = 0,5

Kararlı hal hatası

ess = A/(1 + Kₚ) = 5/(1 + 0,5) = 3,333

Cevap

ess = 3,333
10.Blok diyagramlar

Cevap: K = 21,78

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).

Bozucu yanıtı

css = D·G(0)/(1 + K·G(0)) = 5·9/(4 + 9K)

K için çözün

4 + 9K = 5·9/0,225 = 200
K = (200 − 4)/9 = 21,78

Cevap

K = 21,78

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