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) = 98/(s² + 6s + 98)’dır ve birim basamak girişi alıyor. Doğal frekansı ωn rad/s cinsinden bulun.

G(s) = 98/(s² + 6s + 98)
ωn = rad/s
2.Basamak yanıtıZor
k = 500 N/mc = 9 N·s/mm = 4 kgF = 50 Nx(t)

m = 4 kg kütle, k = 500 N/m yay ve c = 9 N·s/m viskoz sönümleyici ile asılıdır (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Denge durumunda dururken aniden sabit bir F = 50 N kuvvet uygulanıyor. Yer değiştirmenin en büyük olduğu zamanı tp bulun.

m = 4 kgk = 500 N/mc = 9 N·s/mF = 50 N
tp = s
3.Bode diyagramları ve paylarOrta
|H| (dB)0,10,1111010100100−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−90−450ω = 1

G(s) = 38(s + 1)/(s(s + 4)) fonksiyonunun ω = 1 rad/s’deki ∠G(jω) fazını derece cinsinden bulun.

G(s) = 38(s + 1)/(s(s + 4))ω = 1 rad/s
∠G(jω) = °
4.Bode diyagramları ve paylarZor
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Birim geri beslemeli bir çevrimin açık çevrim transfer fonksiyonu L(s) = K/(s(s + 4)(s + 7))’dır. 2 dB’lik bir kazanç payı veren K kazancını bulun.

L(s) = K/(s(s + 4)(s + 7))GM = 2 dB
K =
5.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiOrta
R(s)+Ks + 10(s − 1)(s + 2)C(s)−

G(s) = (s + 10)/((s − 1)(s + 2)) sisteminin s = 1 noktasında kararsız bir kutbu vardır. Bir K orantılı kazancı etrafında birim geri beslemeli bir çevrim kapatır. Kapalı çevrimi kararlı yapan en küçük kazancı (Kmin) bulun.

G(s) = (s + 10)/((s − 1)(s + 2))
Kmin =
6.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiZor
ReIm−2−4j2j4

L(s) = K/((s + 2)(s² + 8s + 32)) için kök yer eğrisinin, üst yarı düzlemdeki karmaşık kutuptan ayrılma açısını (θd) pozitif gerçel eksenden ölçerek bulun.

L(s) = K/((s + 2)(s² + 8s + 32))
θd = °
7.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiOrta
r(t) = 1 + 5t+5(s + 3)s(s + 1)C(s)−

r(t) = 1 + 5t girişi (bir basamak artı bir rampa), G(s) = 5(s + 3)/(s(s + 1)) olan birim geri beslemeli bir çevrime uygulanıyor. Kalıcı durum hatasını (ess) bulun.

G(s) = 5(s + 3)/(s(s + 1))r(t) = 1 + 5t
ess =
8.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiZor
R(s)+Kp​ + Ki​/s2s + 1C(s)−

C(s) = Kp + Ki/s PI denetleyicisi, birim geri beslemeli bir çevrimde G(s) = 2/(s + 1) sistemini sürmektedir. Kapalı çevrim ωₙ = 5 rad/s ve ζ = 0,6 değerlerine sahip olmalıdır. İntegral kazancını (Ki) bulun.

G(s) = 2/(s + 1)ωₙ = 5 rad/sζ = 0,6
Ki =
9.Blok diyagramlarOrta
R(s)+42s(s + 4)G(s)C(s)−

Birim negatif geri besleme çevriminde G(s) = 42/(s(s + 4)). Referans r(t) = 2·t rampasıdır. Kararlı hal hatasını ess bulun.

G(s) = 42/(s(s + 4))r(t) = 2·t
ess =
10.Blok diyagramlarZor
R(s)+17s + 3G₁+3s + 5G₂C(s)0,5H₁−0,25H₂−

G₁ = 17/(s + 3), G₂ = 3/(s + 5), G₂ çevresinde H₁ = 0,5 iç negatif geri besleme ve H₂ = 0,25 dış negatif geri besleme olan blok diyagramı sadeleştirin. C(s)/R(s)’nin DC kazancını T(0) bulun.

G₁ = 17/(s + 3)G₂ = 3/(s + 5)H₁ = 0,5H₂ = 0,25
T(0) =

3Çözeltiler

1.Basamak yanıtı

Cevap: ωn = 9,899 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).

Standart biçimle karşılaştırın

Payda s² + 2ζωₙs + ωₙ² ile eşleşmelidir.

ωₙ² = 98 → ωₙ = 9,899 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·9,899) = 0,303

Sonuç

ωₙ = 9,899 rad/s

Cevap

ωn = 9,899 rad/s
2.Basamak yanıtı

Cevap: tp = 0,2824 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) = √(500/4) = 11,18 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 9/(2·√(500·4)) = 0,1006

Sonuç

ωd = 11,12 rad/s
tp = π/ωd = 0,2824 s

Cevap

tp = 0,2824 s
3.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: ∠G(jω) = −59,04 °

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.

Açıları toplayın

∠G = atan(1/1) − 90° − atan(1/4) = 45° − 90° − 14,04°

Sonuç

∠G(j1) = −59,04°

Cevap

∠G(jω) = −59,04°
4.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: K = 244,7

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.

Faz kesişimi

(ω/4)·(ω/7) = 1 → ω180 = √(4·7) = 5,292 rad/s

Faz kesişimindeki genlik

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 16)·√(ω² + 49)) = K/(4·7·(4 + 7)) = K/308

Gerekli kazanç

308/K = 102/20 = 1,259
K = 308/1,259 = 244,7

Cevap

K = 244,7
5.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisi

Cevap: Kmin = 0,2

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

(s − 1)(s + 2) + K(s + 10) = s² + (1 + K)s + (10K − 2)

Koşullar

s² + c₁s + c₀ için tüm kökler, ancak ve ancak c₁ > 0 ve c₀ > 0 olduğunda sol yarı düzlemdedir.

1 + K > 0 → K > −1
10K − 2 > 0 → K > 0,2
Kmin = 0,2

Cevap

Kmin = 0,2
6.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisi

Cevap: θd = −26,57 °

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.

Kutup konumları

s² + 8s + 32 = 0 → s = −4 ± j4
s = −2

Diğer kutuplardan gelen açılar

∠(−4 + j4 + 2) = atan2(4, -2) = 116,6°
∠(−4 + j4 − (−4 − j4)) = ∠(j8) = 90°

Ayrılma açısı

θd = 180° − 116,6° − 90° = −26,57°

Cevap

θd = −26,57°
7.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi

Cevap: ess = 0,3333

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) = 15

Basamak kısmı

Kp = ∞ → estep = 0

Rampa hatası

ess = 5/15 = 0,3333

Cevap

ess = 0,3333
8.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi

Cevap: Ki = 12,5

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

1 + C(s)G(s) = 0, s(s + 1) ile çarpılmış hâlde.

s² + (1 + 2Kp)s + 2Ki

Hedef polinom

s² + 2·0,6·5s + 5² = s² + 6s + 25

Katsayıları eşleştirin

2Ki = 25 → Ki = 12,5

Cevap

Ki = 12,5

İntegral terimi çevrimi 1 tipi yapar; bu yüzden basamak kalıcı durum hatası olmadan izlenir.

9.Blok diyagramlar

Cevap: ess = 0,1905

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).

Hız hata sabiti

Kᵥ = lims→0 s·G(s) = 42/4 = 10,5

Kararlı hal hatası

ess = A/Kᵥ = 2/10,5 = 0,1905

Cevap

ess = 0,1905
10.Blok diyagramlar

Cevap: T(0) = 1,581

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 = G₂/(1 + G₂H₁) = 3/(s + 6,5)

Dış çevrim

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 51/((s + 3)(s + 6,5) + 12,75)

DC kazanç

T(0) = 51/(3·6,5 + 12,75) = 51/32,25 = 1,581

Cevap

T(0) = 1,581

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