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)1tp​ = ?

Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 32/(s² + 9s + 32)’dır ve birim basamak girişi alıyor. Basamak yanıtının tepe zamanını tp bulun.

G(s) = 32/(s² + 9s + 32)
tp = s
2.Basamak yanıtıZor
+−24 VR = 9 ΩL = 10 mHC = 22 µFvC​

R = 9 Ω, L = 10 mH ve C = 22 µF olan bir seri RLC devresi, t = 0’da 24 V’luk bir basamağa bağlanıyor. Kondansatör yüksüzdür ve basamaktan önce akım akmıyor. İlk gerilim tepesinin zamanını tp ms cinsinden bulun.

R = 9 ΩL = 10 mHC = 22 µFV = 24 V
tp = ms
3.Bode diyagramları ve paylarOrta
|H| (dB)0,010,11101001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 0,5

G(s) = 570/((s + 2)(s + 19)) fonksiyonunun ω = 0,5 rad/s’deki tam |G(jω)| genliğini dB cinsinden bulun.

G(s) = 570/((s + 2)(s + 19))ω = 0,5 rad/s
|G(jω)| = dB
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. 5 dB’lik bir kazanç payı veren K kazancını bulun.

L(s) = K/(s(s + 5)(s + 8))GM = 5 dB
K =
5.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiOrta
R(s)+K1s(s + 5)(s + 6)C(s)−

Şemadaki çevrimin açık çevrim transfer fonksiyonu L(s) = K/(s(s + 5)(s + 6))’dır. Kapalı çevrimin kararlı olduğu en büyük kazancı (Kmax) bulun.

L(s) = K/(s(s + 5)(s + 6))
Kmax =
6.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiZor
ReImζ = 0,707−1−2−3−4−5j1j2

L(s) = K/(s(s + 4)) için kök yer eğrisi gösterilmiştir. Kapalı çevrim kutuplarının sönüm oranının ζ = 0,707 olduğu kazancı (K) bulun.

L(s) = K/(s(s + 4))ζ = 0,707
K =
7.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiOrta
r(t) = 1·t²/2+20(s + 5)s²(s + 5)C(s)−

r(t) = 1·t²/2 parabolik girişi, G(s) = 20(s + 5)/(s²(s + 5)) olan birim geri beslemeli bir çevrime uygulanıyor. Kalıcı durum hatasını (ess) bulun.

G(s) = 20(s + 5)/(s²(s + 5))r(t) = 1·t²/2
ess =
8.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiZor
R(s)+K = 161s(s + 6)C(s)−

K = 16 orantılı denetleyicisi, birim geri beslemeli bir çevrimde G(s) = 1/(s(s + 6)) sistemini sürmektedir. Basamak yanıtının yüzde aşımını %OS bulun.

G(s) = 1/(s(s + 6))K = 16
%OS = %
9.Blok diyagramlarOrta
R(s)+15s + 10G(s)C(s)0,1H−

G(s) = 15/(s + 10) sistemi, algılayıcısının kazancı H = 0,1 olan bir negatif geri besleme çevriminde denetleniyor. R girişine 10 büyüklüğünde bir basamak uygulanıyor. Kararlı hal çıkışını css bulun.

G(s) = 15/(s + 10)H = 0,1R = 10
css =
10.Blok diyagramlarZor
R(s)+19s + 4G₁+4s + 7G₂C(s)4H₁−0,1H₂−

G₁ = 19/(s + 4), G₂ = 4/(s + 7), G₂ çevresinde H₁ = 4 iç negatif geri besleme ve H₂ = 0,1 dış negatif geri besleme olan blok diyagramı sadeleştirin. C(s)/R(s)’nin DC kazancını T(0) bulun.

G₁ = 19/(s + 4)G₂ = 4/(s + 7)H₁ = 4H₂ = 0,1
T(0) =

3Çözeltiler

1.Basamak yanıtı

Cevap: tp = 0,9165 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 = 32 → ωₙ = 5,657 rad/s
2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·5,657) = 0,7955

Sonuç

ωd = 5,657·√(1 − 0,7955²) = 3,428 rad/s → tp = π/ωd = 0,9165 s

Cevap

tp = 0,9165 s
2.Basamak yanıtı

Cevap: tp = 1,507 ms

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 = 1/√(LC) = 1/√(0,01·2,2 × 10⁻⁵) = 2132 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (9/2)·√(2,2 × 10⁻⁵/0,01) = 0,2111

Sonuç

ωd = 2084 rad/s
tp = π/ωd = 1,507 ms

Cevap

tp = 1,507 ms
3.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: |G(jω)| = 23,26 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(j0,5)| = 570/(√(0,5² + 2²)·√(0,5² + 19²)) = 570/(2,062·19,01) = 14,55

Sonuç

20·log₁₀(14,55) = 23,26 dB

Cevap

|G(jω)| = 23,26 dB
4.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: K = 292,4

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 = 105/20 = 1,778
K = 520/1,778 = 292,4

Cevap

K = 292,4
5.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisi

Cevap: Kmax = 330

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 denklem

s³ + 11s² + 30s + K = 0

Routh dizisi

s³: 1, 30
s²: 11, K
s¹: (11·30 − K)/11
s⁰: K

Koşullar

İlk sütunun her elemanı pozitif olmalıdır.

K > 0
11·30 − K > 0 → K < 330

Cevap

Kmax = 330

K = 330 değerinde kapalı çevrim ω = √30 = 5,477 rad/s ile salınır.

6.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisi

Cevap: K = 8,002

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 + 4s + K = s² + 2ζωₙs + ωₙ²
2·0,707·ωₙ = 4 → ωₙ = 2,829 rad/s

Kazanç

K = ωₙ² = 2,829² = 8,002

Cevap

K = 8,002

Kapalı çevrim kutupları, ζ doğrusunun s = −2’daki dikey kolu kestiği yerdedir.

7.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi

Cevap: ess = 0,05

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.

İvme sabiti

Ka = 20·5/5 = 20

Parabol hatası

ess = 1/20 = 0,05

Cevap

ess = 0,05
8.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi

Cevap: %OS = 2,838 %

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 + 6) + 16·1 = s² + 6s + 16

ωₙ ve ζ

ωₙ = √16 = 4 rad/s
ζ = 6/(2·4) = 0,75

Aşım

%OS = 100·e−0,75π/√(1 − 0,75²) = 2,838 %

Cevap

%OS = 2,838 %
9.Blok diyagramlar

Cevap: css = 13,04

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).

Kapalı çevrim transfer fonksiyonu

T(s) = G/(1 + G·H) = 15/(s + 10 + 1,5) = 15/(s + 11,5)

Sonuç

css = R·T(0) = 10·15/11,5 = 13,04

Cevap

css = 13,04
10.Blok diyagramlar

Cevap: T(0) = 0,7631

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) = 4/(s + 23)

Dış çevrim

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 76/((s + 4)(s + 23) + 7,6)

DC kazanç

T(0) = 76/(4·23 + 7,6) = 76/99,6 = 0,7631

Cevap

T(0) = 0,7631

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