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) = 88/(s² + 12s + 88)’dır ve birim basamak girişi alıyor. Sönüm oranı ζ değerini bulun.

G(s) = 88/(s² + 12s + 88)
ζ =
2.Basamak yanıtıZor
k = 2000 N/mc = 120 N·s/mm = 5 kgF = 20 Nx(t)

m = 5 kg kütle, k = 2000 N/m yay ve c = 120 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. En büyük yer değiştirmeyi xmax mm cinsinden bulun.

m = 5 kgk = 2000 N/mc = 120 N·s/mF = 20 N
xmax = mm
3.Bode diyagramları ve paylarOrta
vin​L = 1 mHC = 0,47 µFR = 10 Ωvout​

Gösterilen seri RLC bant geçiren filtrede çıkış R = 10 Ω üzerinden alınır, L = 1 mH ve C = 0,47 µF ile. Hz cinsinden −3 dB bant genişliğini BW bulun.

R = 10 ΩL = 1 mHC = 0,47 µF
BW = Hz
4.Bode diyagramları ve paylarZor
|H| (dB)11101010010010001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Birim geri beslemeli bir çevrimin açık çevrim transfer fonksiyonu L(s) = 160/(s(s + 10))’dır. Faz payını PM derece cinsinden bulun.

L(s) = 160/(s(s + 10))
PM = °
5.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiOrta
R(s)+K1(s + 1)(s + 5)(s + 6)C(s)−

Birim geri beslemeli bir çevrimde L(s) = K/((s + 1)(s + 5)(s + 6)) ve K > 0’dır. Kapalı çevrimin kararlı olduğu en büyük kazancı (Kmax) bulun.

L(s) = K/((s + 1)(s + 5)(s + 6))
Kmax =
6.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiZor
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−9−101j1j2

L(s) = K/(s(s + 3)(s + 8)) için kök yer eğrisi, s = 0 ile s = −3 arasında gerçel eksenden ayrılır. Ayrılma noktasını (sb) bulun.

L(s) = K/(s(s + 3)(s + 8))
sb =
7.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiOrta
r(t) = 1t+10s(s + 2)C(s)−

r(t) = 1t rampası, G(s) = 10/(s(s + 2)) olan birim geri beslemeli bir çevrime uygulanıyor. Kalıcı durum hatasını (ess) bulun.

G(s) = 10/(s(s + 2))r(t) = 1t
ess =
8.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiZor
R(s)+5 + Kd​s10s(s + 4)C(s)−

C(s) = 5 + Kd·s PD denetleyicisi, birim geri beslemeli bir çevrimde G(s) = 10/(s(s + 4)) sistemini sürmektedir. Kapalı çevrime ζ = 0,5 sönüm oranını veren türev kazancını (Kd) bulun.

G(s) = 10/(s(s + 4))Kp = 5ζ = 0,5
Kd = s
9.Blok diyagramlarOrta
R(s)+17K+4s + 4G(s)C(s)3H₁−−

G(s) = 4/(s + 4) sisteminin H₁ = 3 kazançlı bir iç (minör) negatif geri besleme çevrimi vardır. K = 17 denetleyici kazancı ve dış birim negatif geri besleme çevrimi sistemi kapatır. Kapalı çevrim DC kazancını T(0) bulun.

G(s) = 4/(s + 4)H₁ = 3K = 17
T(0) =
10.Blok diyagramlarZor
R(s)+Kdenetleyici+D(s)+1s + 9sistemC(s)−

K oransal denetleyicisi, G(s) = 1/(s + 9) sistemini birim negatif geri besleme çevriminde sürüyor. R = 0 iken sistem girişine 10 büyüklüğünde bir bozucu basamağı giriyor. Kararlı hal çıkışını 0,1111 değerinin altında ya da eşit tutan en küçük K kazancını bulun.

G(s) = 1/(s + 9)D = 10css ≤ 0,1111
K =

3Çözeltiler

1.Basamak yanıtı

Cevap: ζ = 0,6396

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 = 88 → ωₙ = 9,381 rad/s
2ζωₙ = 12 → ζ = 12/(2·9,381) = 0,6396

Sonuç

ζ = 0,6396

Cevap

ζ = 0,6396
2.Basamak yanıtı

Cevap: xmax = 10,95 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) = √(2000/5) = 20 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 120/(2·√(2000·5)) = 0,6

Sonuç

xst = F/k = 20/2000 m = 10 mm
%OS = 9,478 %
xmax = 10·(1 + 0,09478) = 10,95 mm

Cevap

xmax = 10,95 mm
3.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: BW = 1592 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/√(0,001·4,7 × 10⁻⁷) = 46127 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 7341 Hz

Bant genişliği

BW = R/L = 10/0,001 = 10000 rad/s = 1592 Hz

Cevap

BW = 1592 Hz
4.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: PM = 42,68 °

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 + 100ω² − 25600 = 0
ω² = (−100 + √(10000 + 4·25600))/2 = 117,6
ωc = 10,85 rad/s

Faz payı

∠L(jωc) = −90° − atan(10,85/10) = −137,3°
PM = 180° + ∠L = 42,68°

Cevap

PM = 42,68°
5.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisi

Cevap: Kmax = 462

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 + 12s² + 41s + 30 + K = 0

Routh dizisi

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

Koşul

s¹ elemanı pozitif kalmalıdır.

K < 12·41 − 30 = 462

Cevap

Kmax = 462

Sınırda çevrim ω = √41 = 6,403 rad/s ile salınır.

6.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisi

Cevap: sb = −1,333

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.

Gerçel eksen boyunca kazanç

K(s) = −s(s + 3)(s + 8) = −(s³ + 11s² + 24s)

Durağan noktalar

dK/ds = −(3s² + 22s + 24) = 0
s = (−22 ± √(484 − 288))/6 = −1,333, −6

Eğri üzerindeki noktayı seçin

Eğri, gerçel eksende 0 ile −3 arasındadır; diğer kök eğri üzerinde değildir.

sb = −1,333

Cevap

sb = −1,333
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 = 0,3071 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 + 4) + 10(5 + Kds) = s² + (4 + 10Kd)s + 50

Doğal frekans

ωₙ = √50 = 7,071 rad/s

Türev kazancı

4 + 10Kd = 2·0,5·7,071 = 7,071
Kd = 0,3071 s

Cevap

Kd = 0,3071 s

Türev terimi, ωₙ’yi değiştirmeden sönüm ekler.

9.Blok diyagramlar

Cevap: T(0) = 0,8095

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).

İç çevrim

Gᵢ = G/(1 + G·H₁) = 4/(s + 4 + 4·3) = 4/(s + 16)

Dış çevrim

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 68/(s + 16 + 68) = 68/(s + 84)

Sonuç

T(0) = 68/84 = 0,8095

Cevap

T(0) = 0,8095
10.Blok diyagramlar

Cevap: K = 81

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)) = 10·1/(9 + 1K)

K için çözün

9 + 1K = 10·1/0,1111 = 90
K = (90 − 9)/1 = 81

Cevap

K = 81

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