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)2

Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 18/(s² + 4s + 9)’dır ve birim basamak girişi alıyor. Kutuplar s = σ ± jωd’dir. Gerçek kısmı σ bulun.

G(s) = 18/(s² + 4s + 9)
σ =
2.Basamak yanıtıZor
t (s)y(t)1tp​ = 0,1 s12 %

Sıfırı olmayan ikinci dereceden bir sistemin basamak yanıtı %12 aşım gösteriyor ve ilk tepe t = 0,1 s anında oluşuyor. Doğal frekansı ωn bulun.

%OS = 12 %tp = 0,1 s
ωn = rad/s
3.Bode diyagramları ve paylarOrta
|H| (dB)0,11101001000−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 1

G(s) = 180/((s + 2)(s + 15)) fonksiyonunun ω = 1 rad/s’deki tam |G(jω)| genliğini dB cinsinden bulun.

G(s) = 180/((s + 2)(s + 15))ω = 1 rad/s
|G(jω)| = dB
4.Bode diyagramları ve paylarZor
|H| (dB)0,10,1111010100100−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Birim geri beslemeli bir çevrimin açık çevrim transfer fonksiyonu L(s) = 112/(s(s + 8))’dır. Faz payını PM derece cinsinden bulun.

L(s) = 112/(s(s + 8))
PM = °
5.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiOrta
R(s)+K1(s + 2)(s + 5)(s + 6)C(s)−

Birim geri beslemeli bir çevrimde L(s) = K/((s + 2)(s + 5)(s + 6)) ve K > 0’dır. Kapalı çevrimin kararlı olduğu en büyük kazancı (Kmax) bulun.

L(s) = K/((s + 2)(s + 5)(s + 6))
Kmax =
6.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiZor
ReImζ = 0,5−2−4−6j2j4j6

L(s) = K/(s(s + 6)) için kök yer eğrisi gösterilmiştir. Kapalı çevrim kutuplarının sönüm oranının ζ = 0,5 olduğu kazancı (K) bulun.

L(s) = K/(s(s + 6))ζ = 0,5
K =
7.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiOrta
r(t) = 3t+5(s + 4)s(s + 10)C(s)−

r(t) = 3t rampası, G(s) = 5(s + 4)/(s(s + 10)) olan birim geri beslemeli bir çevrime uygulanıyor. Kalıcı durum hatasını (ess) bulun.

G(s) = 5(s + 4)/(s(s + 10))r(t) = 3t
ess =
8.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiZor
R(s)+K4s(s + 8)C(s)−

Bir K orantılı denetleyicisi, birim geri beslemeli bir çevrimde G(s) = 4/(s(s + 8)) sistemini sürmektedir. Kapalı çevrimin sönüm oranını ζ = 0,4 yapan kazancı (K) bulun.

G(s) = 4/(s(s + 8))ζ = 0,4
K =
9.Blok diyagramlarOrta
R(s)+K(s + 5)(s + 10)G(s)C(s)−

G(s) = K/((s + 5)(s + 10)) sistemi birim negatif geri besleme çevrimindedir. Kapalı çevrimin kritik sönümlü olduğu (iki eşit gerçek kutup) K kazancını bulun.

G(s) = K/((s + 5)(s + 10))birim negatif geri besleme
K =
10.Blok diyagramlarZor
R(s)+K(s + 1)(s + 4)(s + 8)G(s)C(s)−

G(s) = K/((s + 1)(s + 4)(s + 8)) 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 + 4)(s + 8))birim negatif geri besleme
ω = rad/s

3Çözeltiler

1.Basamak yanıtı

Cevap: σ = −2

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 = 9 → ωₙ = 3 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·3) = 0,6667

Sonuç

σ = −ζωₙ = −4/2 = −2

Cevap

σ = −2
2.Basamak yanıtı

Cevap: ωn = 37,9 rad/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).

Sönüm oranı

ζ = −ln(0,12)/√(π² + ln²(0,12)) = 2,12/√(9,87 + 4,496) = 0,5594

Doğal frekans

ωd = π/tp = π/0,1 = 31,42 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 31,42/0,8289 = 37,9 rad/s

Cevap

ωn = 37,9 rad/s
3.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: |G(jω)| = 14,57 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.

Büyüklükleri çarpın

|G(j1)| = 180/(√(1² + 2²)·√(1² + 15²)) = 180/(2,236·15,03) = 5,355

Sonuç

20·log₁₀(5,355) = 14,57 dB

Cevap

|G(jω)| = 14,57 dB
4.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: PM = 41,04 °

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 − 12544 = 0
ω² = (−64 + √(4096 + 4·12544))/2 = 84,48
ωc = 9,191 rad/s

Faz payı

∠L(jωc) = −90° − atan(9,191/8) = −139°
PM = 180° + ∠L = 41,04°

Cevap

PM = 41,04°
5.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisi

Cevap: Kmax = 616

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 + 13s² + 52s + 60 + K = 0

Routh dizisi

s³: 1, 52
s²: 13, 60 + K
s¹: (13·52 − 60 − K)/13
s⁰: 60 + K

Koşul

s¹ elemanı pozitif kalmalıdır.

K < 13·52 − 60 = 616

Cevap

Kmax = 616

Sınırda çevrim ω = √52 = 7,211 rad/s ile salınır.

6.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisi

Cevap: K = 36

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 + 6s + K = s² + 2ζωₙs + ωₙ²
2·0,5·ωₙ = 6 → ωₙ = 6 rad/s

Kazanç

K = ωₙ² = 6² = 36

Cevap

K = 36

Kapalı çevrim kutupları, ζ doğrusunun s = −3’daki dikey kolu kestiği yerdedir.

7.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi

Cevap: ess = 1,5

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.

Hız sabiti

Kv = lim s·G(s) = 2

Rampa hatası

ess = 3/2 = 1,5

Cevap

ess = 1,5
8.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi

Cevap: K = 25

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 + 8) + 4K = s² + 8s + 4K

Doğal frekans

2·0,4·ωₙ = 8 → ωₙ = 10 rad/s

Kazanç

4K = ωₙ² = 100 → K = 25

Cevap

K = 25
9.Blok diyagramlar

Cevap: K = 6,25

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 + 5)(s + 10)) = 0 → s² + 15s + 50 + K = 0

Tekrarlanan kök

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

15² = 4(50 + K) → K = 225/4 − 50 = 6,25

Cevap

K = 6,25
Bu durumda iki kapalı çevrim kutbu da s = −7,5 noktasındadır.
10.Blok diyagramlar

Cevap: ω = 6,633 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 + 13s² + 44s + 32 + K = 0

Routh dizisi

s³ | 1 44
s² | 13 32 + K
s¹ | (13·44 − 32 − K)/13
s⁰ | 32 + K

Kararlılık sınırı

İlk sütunun tüm elemanları pozitif olmalıdır.

Kmax = 13·44 − 32 = 540

Salınım frekansı

13·(jω)² + 32 + 540 = 0 → ω² = 572/13 = 44
ω = 6,633 rad/s

Cevap

ω = 6,633 rad/s

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