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) = 186/(s² + 11s + 93)’dır ve birim basamak girişi alıyor. Basamak yanıtının yüzde aşımını %OS bulun.

G(s) = 186/(s² + 11s + 93)
%OS = %
2.Basamak yanıtıZor
+−10 VR = 28 ΩL = 10 mHC = 2 µFvC​

R = 28 Ω, L = 10 mH ve C = 2 µF olan bir seri RLC devresi, t = 0’da 10 V’luk bir basamağa bağlanıyor. Kondansatör yüksüzdür ve basamaktan önce akım akmıyor. Kondansatörün tepe gerilimini vC,max bulun.

R = 28 ΩL = 10 mHC = 2 µFV = 10 V
vC,max = V
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. 7,7 kHz değerinde sinüsoidal bir giriş uygulanır. dB cinsinden |H| = |vout/vin| kazancını bulun.

R = 2,2 kΩC = 47 nFf = 7,7 kHz
|H| = dB
4.Bode diyagramları ve paylarZor
|H| (dB)0,10,1111010100100−100−80−60−40−20020ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Birim geri beslemeli bir çevrimin açık çevrim transfer fonksiyonu L(s) = 8/(s(s + 2)(s + 5))’dır. Kazanç payını GM dB cinsinden bulun.

L(s) = 8/(s(s + 2)(s + 5))
GM = dB
5.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiOrta
R(s)+K = 31s(s + 1)(s + 5)C(s)−

Şemadaki çevrim K = 3 ve L(s) = K/(s(s + 1)(s + 5)) ile çalışmaktadır. Kapalı çevrim kararsız olmadan önce kazanç kaç katına (m) çıkarılabilir?

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

L(s) = K/((s + 5)(s² + 6s + 10)) için kök yer eğrisinin, üst yarı düzlemdeki karmaşık kutuptan ayrılma açısını (θd) pozitif gerçel eksenden ölçerek bulun.

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

G(s) = K/(s(s + 5)) olan birim geri beslemeli bir çevrim, r(t) = 10t rampasını 0,2 kalıcı durum hatasıyla izlemelidir. Kazancı (K) bulun.

G(s) = K/(s(s + 5))r(t) = 10tess = 0,2
K =
8.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiZor
R(s)+K2s(s + 6)C(s)−

Bir K orantılı denetleyicisi, birim geri beslemeli bir çevrimde G(s) = 2/(s(s + 6)) sistemini sürmektedir. Kapalı çevrimin sönüm oranını ζ = 0,5 yapan kazancı (K) bulun.

G(s) = 2/(s(s + 6))ζ = 0,5
K =
9.Blok diyagramlarOrta
R(s)+7(s + 1)(s + 3)(s + 5)G(s)C(s)−

Birim negatif geri besleme çevriminde G(s) = 7(s + 1)/((s + 3)(s + 5)). Referansa 2 büyüklüğünde bir basamak uygulanıyor. Kararlı hal hatasını ess bulun.

G(s) = 7(s + 1)/((s + 3)(s + 5))R = 2
ess =
10.Blok diyagramlarZor
R(s)+Kdenetleyici+D(s)+5s + 1sistemC(s)−

K oransal denetleyicisi, G(s) = 5/(s + 1) sistemini birim negatif geri besleme çevriminde sürüyor. R = 0 iken sistem girişine 5 büyüklüğünde bir bozucu basamağı giriyor. Kararlı hal çıkışını 5 değerinin altında ya da eşit tutan en küçük K kazancını bulun.

G(s) = 5/(s + 1)D = 5css ≤ 5
K =

3Çözeltiler

1.Basamak yanıtı

Cevap: %OS = 11,29 %

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 = 93 → ωₙ = 9,644 rad/s
2ζωₙ = 11 → ζ = 11/(2·9,644) = 0,5703

Sonuç

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−2,181 = 11,29 %

Cevap

%OS = 11,29 %
2.Basamak yanıtı

Cevap: vC,max = 15,3 V

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 × 10⁻⁶) = 7071 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (28/2)·√(2 × 10⁻⁶/0,01) = 0,198

Sonuç

%OS = 53,02 %
vC,max = 10·(1 + 0,5302) = 15,3 V

Cevap

vC,max = 15,3 V
3.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: |H| = −14,15 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 = 7700/1539 = 5,003

Kazanç

|H| = 1/√(1 + 5,003²) = 0,196
20·log₁₀(0,196) = −14,15 dB

Cevap

|H| = −14,15 dB
4.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: GM = 18,84 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.

Faz kesişimi

(ω/2)·(ω/5) = 1 → ω180 = √(2·5) = 3,162 rad/s

Faz kesişimindeki genlik

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 4)·√(ω² + 25)) = K/(2·5·(2 + 5)) = K/70

Kazanç payı

GM = 20·log₁₀(70/8) = 18,84 dB

Cevap

GM = 18,84 dB
5.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisi

Cevap: m = 10

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.

Routh dizisi

s³ + 6s² + 5s + K = 0
s³: 1, 5
s²: 6, K
s¹: (6·5 − K)/6
s⁰: K

En büyük kararlı kazanç

Kmax = 6·5 = 30

Çarpan

m = 30/3 = 10

Cevap

m = 10

Bu çarpan, oran olarak kazanç payıdır: 20 dB.

6.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisi

Cevap: θd = 63,43 °

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 = −5

Diğer kutuplardan gelen açılar

∠(−3 + j1 + 5) = atan2(1, 2) = 26,57°
∠(−3 + j1 − (−3 − j1)) = ∠(j2) = 90°

Ayrılma açısı

θd = 180° − 26,57° − 90° = 63,43°

Cevap

θd = 63,43°
7.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi

Cevap: K = 250

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 = 10/0,2 = 50

Kazanç

K = 5·Kv = 250

Cevap

K = 250

Büyük bir kazanç bu çevrimi çok az sönümlü yapar: ζ = 0,1581. Kompanzatörlerin kullanılma nedeni bu çelişkidir.

8.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi

Cevap: K = 18

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) + 2K = s² + 6s + 2K

Doğal frekans

2·0,5·ωₙ = 6 → ωₙ = 6 rad/s

Kazanç

2K = ωₙ² = 36 → K = 18

Cevap

K = 18
9.Blok diyagramlar

Cevap: ess = 1,364

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).

Konum hata sabiti

Kₚ = G(0) = 7·1/(3·5) = 0,4667

Kararlı hal hatası

ess = A/(1 + Kₚ) = 2/(1 + 0,4667) = 1,364

Cevap

ess = 1,364
10.Blok diyagramlar

Cevap: K = 0,8

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).

Bozucu yanıtı

css = D·G(0)/(1 + K·G(0)) = 5·5/(1 + 5K)

K için çözün

1 + 5K = 5·5/5 = 5
K = (5 − 1)/5 = 0,8

Cevap

K = 0,8

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