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) = 39/(s² + 9s + 39)’dır ve birim basamak girişi alıyor. Basamak yanıtının yüzde aşımını %OS bulun.

G(s) = 39/(s² + 9s + 39)
%OS = %
2.Basamak yanıtıZor
k = 400 N/mc = 16 N·s/mm = 4 kgF = 100 Nx(t)

m = 4 kg kütle, k = 400 N/m yay ve c = 16 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 = 4 kgk = 400 N/mc = 16 N·s/mF = 100 N
tp = s
3.Bode diyagramları ve paylarOrta
vin​R = 2,2 kΩC = 47 nFvout​

Gösterilen RC alçak geçiren filtre için R = 2,2 kΩ, C = 47 nF geçerlidir. 3,1 kHz değerinde sinüsoidal bir giriş uygulanır. dB cinsinden |H| = |vout/vin| kazancını bulun.

R = 2,2 kΩC = 47 nFf = 3,1 kHz
|H| = dB
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) = 184/(s(s + 4))’dır. |L(jω)| = 1 olduğu kazanç kesişim frekansını ωc bulun.

L(s) = 184/(s(s + 4))
ωc = rad/s
5.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiOrta
R(s)+Ks + 6s(s + 1)(s + 2)C(s)−

Birim geri beslemeli bir çevrimde L(s) = K(s + 6)/(s(s + 1)(s + 2)) ve K > 0’dır. Kapalı çevrimin kararlı olduğu en büyük kazancı (Kmax) bulun.

L(s) = K(s + 6)/(s(s + 1)(s + 2))
Kmax =
6.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiZor
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−3−3,5−4−4,5−50,5j0,5j1−1

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 4)) çevrimi için s = −1 noktasına bir kapalı çevrim kutbu yerleştiren K kazancını bulun.

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 4))s = −1
K =
7.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiOrta
r(t) = 5t+Ks(s + 10)C(s)−

G(s) = K/(s(s + 10)) olan birim geri beslemeli bir çevrim, r(t) = 5t rampasını 0,02 kalıcı durum hatasıyla izlemelidir. Kazancı (K) bulun.

G(s) = K/(s(s + 10))r(t) = 5tess = 0,02
K =
8.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiZor
R(s)+2 + Kd​s2s(s + 1)C(s)−

C(s) = 2 + Kd·s PD denetleyicisi, birim geri beslemeli bir çevrimde G(s) = 2/(s(s + 1)) sistemini sürmektedir. Kapalı çevrime ζ = 0,9 sönüm oranını veren türev kazancını (Kd) bulun.

G(s) = 2/(s(s + 1))Kp = 2ζ = 0,9
Kd = s
9.Blok diyagramlarOrta
R(s)+Ks(s + 6)G(s)C(s)−

G(s) = K/(s(s + 6)) sistemi birim negatif geri besleme çevrimindedir. Kapalı çevrimin kritik sönümlü olduğu (iki eşit gerçek kutup) K kazancını bulun.

G(s) = K/(s(s + 6))birim negatif geri besleme
K =
10.Blok diyagramlarZor
R(s)+30denetleyici+D(s)+5s + 6sistemC(s)−

K = 30 oransal denetleyici, G(s) = 5/(s + 6) sistemini birim negatif geri besleme çevriminde sürüyor. Bir bozucu D sistem girişine girer (denetleyici çıkışına eklenir). 2 büyüklüğünde bir referans basamağı ve 1 büyüklüğünde bir bozucu basamağı birlikte uygulanıyor. Kararlı hal çıkışını css bulun.

K = 30G(s) = 5/(s + 6)D = 1R = 2
css =

3Çözeltiler

1.Basamak yanıtı

Cevap: %OS = 3,82 %

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 = 39 → ωₙ = 6,245 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·6,245) = 0,7206

Sonuç

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−3,265 = 3,82 %

Cevap

%OS = 3,82 %
2.Basamak yanıtı

Cevap: tp = 0,3206 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) = √(400/4) = 10 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 16/(2·√(400·4)) = 0,2

Sonuç

ωd = 9,798 rad/s
tp = π/ωd = 0,3206 s

Cevap

tp = 0,3206 s
3.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: |H| = −7,038 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.

Köşe frekansı

ωc = 1/(RC) = 1/(2200·4,7 × 10⁻⁸) = 9671 rad/s
fc = 1539 Hz → f/fc = 3100/1539 = 2,014

Kazanç

|H| = 1/√(1 + 2,014²) = 0,4447
20·log₁₀(0,4447) = −7,038 dB

Cevap

|H| = −7,038 dB
4.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: ωc = 13,27 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 + 16ω² − 33856 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·33856))/2 = 176,2
ωc = 13,27 rad/s

Cevap

ωc = 13,27 rad/s
5.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisi

Cevap: Kmax = 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(s + 1)(s + 2) + K(s + 6) = s³ + 3s² + (2 + K)s + 6K

Routh dizisi

s³: 1, 2 + K
s²: 3, 6K
s¹: (3·(2 + K) − 6K)/3
s⁰: 6K

Koşul

6 − 3K > 0
K < 6/3 = 2

Cevap

Kmax = 2

Sıfır s = −3’ın sağında olsaydı çevrim her K > 0 için kararlı kalırdı.

6.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisi

Cevap: K = 3

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.

Büyüklük koşulu

K = |s|·|s + 2|·|s + 4|

Noktada hesaplayın

K = 1·1·3 = 3

Cevap

K = 3

Kontrol: s = −1 noktasında s(s + 2)(s + 4) + K sıfırdır.

7.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi

Cevap: K = 2500

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.

Gerekli hız sabiti

Kv = A/ess = 5/0,02 = 250

Kazanç

K = 10·Kv = 2500

Cevap

K = 2500

Büyük bir kazanç bu çevrimi çok az sönümlü yapar: ζ = 0,1. Kompanzatörlerin kullanılma nedeni bu çelişkidir.

8.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi

Cevap: Kd = 1,3 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 + 1) + 2(2 + Kds) = s² + (1 + 2Kd)s + 4

Doğal frekans

ωₙ = √4 = 2 rad/s

Türev kazancı

1 + 2Kd = 2·0,9·2 = 3,6
Kd = 1,3 s

Cevap

Kd = 1,3 s

Türev terimi, ωₙ’yi değiştirmeden sönüm ekler.

9.Blok diyagramlar

Cevap: K = 9

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 + 6)) = 0 → s² + 6s + K = 0

Tekrarlanan kök

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

6² = 4K → K = 36/4 = 9

Cevap

K = 9
Bu durumda iki kapalı çevrim kutbu da s = −3 noktasındadır.
10.Blok diyagramlar

Cevap: css = 1,955

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).

Transfer fonksiyonları

C/D = G/(1 + K·G) = 5/(s + 6 + 150)
C/R = K·G/(1 + K·G) = 150/(s + 6 + 150)

Kararlı hâl

css = 2·150/156 + 1·5/156 = 1,955

Cevap

css = 1,955

Daha büyük K bozucunun etkisini azaltır, ama oransal denetleyiciyle asla sıfıra indirmez.

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