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) = 40/(s² + 2s + 40)’dır ve birim basamak girişi alıyor. Doğal frekansı ωn rad/s cinsinden bulun.

G(s) = 40/(s² + 2s + 40)
ωn = rad/s
2.Basamak yanıtıZor
t (s)y(t)1tp​ = 0,25 s15 %

Sıfırı olmayan ikinci dereceden bir sistemin basamak yanıtı %15 aşım gösteriyor ve ilk tepe t = 0,25 s anında oluşuyor. Doğal frekansı ωn bulun.

%OS = 15 %tp = 0,25 s
ωn = rad/s
3.Bode diyagramları ve paylarOrta
vin​R = 47 ΩL = 2,2 mHvout​

Gösterilen RL yüksek geçiren filtre için R = 47 Ω, L = 2,2 mH geçerlidir. 10 kHz değerinde sinüsoidal bir giriş uygulanır. vout’un vin’e göre φ faz kaymasını derece cinsinden bulun.

R = 47 ΩL = 2,2 mHf = 10 kHz
φ = °
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 + 5)(s + 8))’dır. 12 dB’lik bir kazanç payı veren K kazancını bulun.

L(s) = K/(s(s + 5)(s + 8))GM = 12 dB
K =
5.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiOrta
R(s)+Ks + 4(s − 2)(s + 3)C(s)−

G(s) = (s + 4)/((s − 2)(s + 3)) sisteminin s = 2 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 + 4)/((s − 2)(s + 3))
Kmin =
6.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiZor
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−3−3,5−40,5j0,5j1

L(s) = K/((s + 2)(s² + 6s + 10)) için kök yer eğrisinin, üst yarı düzlemdeki karmaşık kutuptan ayrılma açısını (θd) pozitif gerçel eksenden ölçerek bulun.

L(s) = K/((s + 2)(s² + 6s + 10))
θd = °
7.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiOrta
r(t) = 5t+Ks(s + 5)C(s)−

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

G(s) = K/(s(s + 5))r(t) = 5tess = 0,02
K =
8.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiZor
R(s)+Kp​ + Ki​/s10s + 2C(s)−

C(s) = Kp + Ki/s PI denetleyicisi, birim geri beslemeli bir çevrimde G(s) = 10/(s + 2) sistemini sürmektedir. Kapalı çevrim ωₙ = 8 rad/s ve ζ = 0,8 değerlerine sahip olmalıdır. Orantılı kazancı (Kp) bulun.

G(s) = 10/(s + 2)ωₙ = 8 rad/sζ = 0,8
Kp =
9.Blok diyagramlarOrta
R(s)+12s(s + 1)G(s)C(s)−

Birim negatif geri besleme çevriminde G(s) = 12/(s(s + 1)). Referans r(t) = 1·t rampasıdır. Kararlı hal hatasını ess bulun.

G(s) = 12/(s(s + 1))r(t) = 1·t
ess =
10.Blok diyagramlarZor
R(s)+76s(s + 9)G(s)C(s)0,5H−

G(s) = 76/(s(s + 9)) sistemi, algılayıcı kazancı H = 0,5 olan negatif geri besleme çevrimindedir. Kapalı çevrim kutupları karmaşıktır. Bunların sanal kısmını ωd (pozitif değer) rad/s cinsinden bulun.

G(s) = 76/(s(s + 9))H = 0,5
ωd = rad/s

3Çözeltiler

1.Basamak yanıtı

Cevap: ωn = 6,325 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 = 40 → ωₙ = 6,325 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·6,325) = 0,1581

Sonuç

ωₙ = 6,325 rad/s

Cevap

ωn = 6,325 rad/s
2.Basamak yanıtı

Cevap: ωn = 14,68 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(0,15)/√(π² + ln²(0,15)) = 1,897/√(9,87 + 3,599) = 0,5169

Doğal frekans

ωd = π/tp = π/0,25 = 12,57 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 12,57/0,856 = 14,68 rad/s

Cevap

ωn = 14,68 rad/s
3.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: φ = 18,78 °

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 = R/L = 47/0,0022 = 21364 rad/s
fc = 3400 Hz → f/fc = 10000/3400 = 2,941

Faz

φ = 90° − atan(2,941) = 18,78°

Cevap

φ = 18,78°
4.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: K = 130,6

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/5)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(5·8) = 6,325 rad/s

Faz kesişimindeki genlik

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 25)·√(ω² + 64)) = K/(5·8·(5 + 8)) = K/520

Gerekli kazanç

520/K = 1012/20 = 3,981
K = 520/3,981 = 130,6

Cevap

K = 130,6
5.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisi

Cevap: Kmin = 1,5

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 − 2)(s + 3) + K(s + 4) = s² + (1 + K)s + (4K − 6)

Koşullar

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

1 + K > 0 → K > −1
4K − 6 > 0 → K > 1,5
Kmin = 1,5

Cevap

Kmin = 1,5
6.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisi

Cevap: θd = −45 °

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 + 6s + 10 = 0 → s = −3 ± j1
s = −2

Diğer kutuplardan gelen açılar

∠(−3 + j1 + 2) = atan2(1, -1) = 135°
∠(−3 + j1 − (−3 − j1)) = ∠(j2) = 90°

Ayrılma açısı

θd = 180° − 135° − 90° = −45°

Cevap

θd = −45°
7.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi

Cevap: K = 1250

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 = 5·Kv = 1250

Cevap

K = 1250

Büyük bir kazanç bu çevrimi çok az sönümlü yapar: ζ = 0,07071. Kompanzatörlerin kullanılma nedeni bu çelişkidir.

8.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi

Cevap: Kp = 1,08

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 + 2) ile çarpılmış hâlde.

s² + (2 + 10Kp)s + 10Ki

Hedef polinom

s² + 2·0,8·8s + 8² = s² + 12,8s + 64

Katsayıları eşleştirin

2 + 10Kp = 12,8 → Kp = 1,08

Cevap

Kp = 1,08

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

9.Blok diyagramlar

Cevap: ess = 0,08333

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) = 12/1 = 12

Kararlı hal hatası

ess = A/Kᵥ = 1/12 = 0,08333

Cevap

ess = 0,08333
10.Blok diyagramlar

Cevap: ωd = 4,213 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 + 9) + 76·0,5 = 0 → s² + 9s + 38 = 0

Kökler

s = −4,5 ± j·√(38 − 20,25) = −4,5 ± j4,213
ωd = 4,213 rad/s

Cevap

ωd = 4,213 rad/s

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