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)1ts​ = ?

Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 82/(s² + 10s + 82)’dır ve birim basamak girişi alıyor. ts ≈ 4/(ζωₙ) kullanarak basamak yanıtının %2 yerleşme süresini ts bulun.

G(s) = 82/(s² + 10s + 82)
ts = s
2.Basamak yanıtıZor
k = 1000 N/mc = 54 N·s/mm = 2 kgF = 100 Nx(t)

m = 2 kg kütle, k = 1000 N/m yay ve c = 54 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. Yer değiştirmenin en büyük olduğu zamanı tp bulun.

m = 2 kgk = 1000 N/mc = 54 N·s/mF = 100 N
tp = s
3.Bode diyagramları ve paylarOrta
vin​L = 10 mHC = 0,22 µFR = 50 Ωvout​

Gösterilen seri RLC bant geçiren filtrede çıkış R = 50 Ω üzerinden alınır, L = 10 mH ve C = 0,22 µF ile. Hz cinsinden merkez (rezonans) frekansını f0 bulun.

R = 50 ΩL = 10 mHC = 0,22 µF
f0 = Hz
4.Bode diyagramları ve paylarZor
|H| (dB)11101010010010001000−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Birim geri beslemeli bir çevrimin açık çevrim transfer fonksiyonu L(s) = 3400/(s(s + 20))’dır. Faz payını PM derece cinsinden bulun.

L(s) = 3400/(s(s + 20))
PM = °
5.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiOrta
R(s)+K1s(s + 1)(s + 5)C(s)−

Şemadaki çevrimin açık çevrim transfer fonksiyonu L(s) = K/(s(s + 1)(s + 5))’dır. Kazanç, kapalı çevrim kararlılığın sınırına gelene kadar artırılıyor. Sürekli salınımın frekansını (ω) bulun.

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 5))
ω = rad/s
6.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiZor
ReImζ = 0,8−1−2−3−4−5j1

L(s) = K/(s(s + 4)) için kök yer eğrisi gösterilmiştir. Kapalı çevrim kutuplarının sönüm oranının ζ = 0,8 olduğu kazancı (K) bulun.

L(s) = K/(s(s + 4))ζ = 0,8
K =
7.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiOrta
r(t) = 0,5·t²/2+10(s + 1)s²(s + 10)C(s)−

r(t) = 0,5·t²/2 parabolik girişi, G(s) = 10(s + 1)/(s²(s + 10)) olan birim geri beslemeli bir çevrime uygulanıyor. Kalıcı durum hatasını (ess) bulun.

G(s) = 10(s + 1)/(s²(s + 10))r(t) = 0,5·t²/2
ess =
8.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiZor
R(s)+K4s(s + 6)C(s)−

Bir K orantılı denetleyicisi, birim geri beslemeli bir çevrimde G(s) = 4/(s(s + 6)) sistemini sürmektedir. Kapalı çevrimin sönüm oranını ζ = 0,707 yapan kazancı (K) bulun.

G(s) = 4/(s(s + 6))ζ = 0,707
K =
9.Blok diyagramlarOrta
R(s)+Ks(s + 2)G(s)C(s)−

G(s) = K/(s(s + 2)) sistemi birim negatif geri besleme çevrimindedir. Kapalı çevrimin kritik sönümlü olduğu (iki eşit gerçek kutup) K kazancını bulun.

G(s) = K/(s(s + 2))birim negatif geri besleme
K =
10.Blok diyagramlarZor
R(s)+80s(s + 10)G(s)C(s)2H−

G(s) = 80/(s(s + 10)) sistemi, algılayıcı kazancı H = 2 olan negatif geri besleme çevrimindedir. Kapalı çevrim kutupları karmaşıktır. Bunların sanal kısmını ωd (pozitif değer) rad/s cinsinden bulun.

G(s) = 80/(s(s + 10))H = 2
ωd = rad/s

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 = 82 → ωₙ = 9,055 rad/s
2ζωₙ = 10 → ζ = 10/(2·9,055) = 0,5522

Sonuç

ζωₙ = 5 → ts ≈ 4/5 = 0,8 s

Cevap

ts = 0,8 s
2.Basamak yanıtı

Cevap: tp = 0,1762 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) = √(1000/2) = 22,36 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 54/(2·√(1000·2)) = 0,6037

Sonuç

ωd = 17,83 rad/s
tp = π/ωd = 0,1762 s

Cevap

tp = 0,1762 s
3.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: f0 = 3393 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/√(0,01·2,2 × 10⁻⁷) = 21320 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 3393 Hz

Cevap

f0 = 3393 Hz
4.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: PM = 19,45 °

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 − 1,156 × 10⁷ = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·1,156 × 10⁷))/2 = 3206
ωc = 56,62 rad/s

Faz payı

∠L(jωc) = −90° − atan(56,62/20) = −160,5°
PM = 180° + ∠L = 19,45°

Cevap

PM = 19,45°
5.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisi

Cevap: ω = 2,236 rad/s

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 + 6s² + 5s + K = 0
s³: 1, 5
s²: 6, K
s¹: (6·5 − K)/6
s⁰: K

Kritik kazanç

K = 6·5 = 30

Yardımcı denklem

Kritik kazançta s¹ satırı sıfırdır; s² satırı sanal eksen üzerindeki kutupları verir.

6s² + 30 = 0 → s = ±j√5
ω = 2,236 rad/s

Cevap

ω = 2,236 rad/s
6.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisi

Cevap: K = 6,25

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 + 4s + K = s² + 2ζωₙs + ωₙ²
2·0,8·ωₙ = 4 → ωₙ = 2,5 rad/s

Kazanç

K = ωₙ² = 2,5² = 6,25

Cevap

K = 6,25

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

7.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi

Cevap: ess = 0,5

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 = 10·1/10 = 1

Parabol hatası

ess = 0,5/1 = 0,5

Cevap

ess = 0,5
8.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi

Cevap: K = 4,501

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) + 4K = s² + 6s + 4K

Doğal frekans

2·0,707·ωₙ = 6 → ωₙ = 4,243 rad/s

Kazanç

4K = ωₙ² = 18,01 → K = 4,501

Cevap

K = 4,501
9.Blok diyagramlar

Cevap: K = 1

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 + 2)) = 0 → s² + 2s + K = 0

Tekrarlanan kök

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

2² = 4K → K = 4/4 = 1

Cevap

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

Cevap: ωd = 11,62 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

s(s + 10) + 80·2 = 0 → s² + 10s + 160 = 0

Kökler

s = −5 ± j·√(160 − 25) = −5 ± j11,62
ωd = 11,62 rad/s

Cevap

ωd = 11,62 rad/s

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