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)0,5

Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 13/(s² + 2s + 26)’dır ve birim basamak girişi alıyor. Kutuplar s = σ ± jωd’dir. Gerçek kısmı σ bulun.

G(s) = 13/(s² + 2s + 26)
σ =
2.Basamak yanıtıZor
k = 500 N/mc = 15 N·s/mm = 5 kgF = 100 Nx(t)

m = 5 kg kütle, k = 500 N/m yay ve c = 15 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. Sönüm oranı ζ değerini bulun.

m = 5 kgk = 500 N/mc = 15 N·s/mF = 100 N
ζ =
3.Bode diyagramları ve paylarOrta
vin​L = 2 mHC = 2,2 µFR = 20 Ωvout​

Gösterilen seri RLC bant geçiren filtrede çıkış R = 20 Ω üzerinden alınır, L = 2 mH ve C = 2,2 µF ile. Hz cinsinden merkez (rezonans) frekansını f0 bulun.

R = 20 ΩL = 2 mHC = 2,2 µF
f0 = Hz
4.Bode diyagramları ve paylarZor
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

Birim geri beslemeli bir çevrimin açık çevrim transfer fonksiyonu L(s) = 3,3/(s(s + 1))’dır. |L(jω)| = 1 olduğu kazanç kesişim frekansını ωc bulun.

L(s) = 3,3/(s(s + 1))
ωc = rad/s
5.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiOrta
R(s)+3601s(s + 4)(s + 6)C(s)−

Şemadaki çevrim negatif geri beslemelidir ve L(s) = 360/(s(s + 4)(s + 6))’dir. Sağ yarı düzlemde kaç kapalı çevrim kutbu (N) vardır?

L(s) = 360/(s(s + 4)(s + 6))
N =
6.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisiZor
ReIm−2−4−6−8−10−12j2

Birim geri beslemeli bir çevrimde L(s) = K/(s(s + 8)(s + 10))’dır. Kök yer eğrisinin asimptotlarının gerçel ekseni kestiği noktayı (σa) bulun.

L(s) = K/(s(s + 8)(s + 10))
σa =
7.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiOrta
r(t) = 1t+Ks(s + 5)C(s)−

G(s) = K/(s(s + 5)) olan birim geri beslemeli bir çevrim, r(t) = 1t rampasını 0,1 kalıcı durum hatasıyla izlemelidir. Kazancı (K) bulun.

G(s) = K/(s(s + 5))r(t) = 1tess = 0,1
K =
8.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiZor
R(s)+Kp​ + Ki​/s4s + 2C(s)−

C(s) = Kp + Ki/s PI denetleyicisi, birim geri beslemeli bir çevrimde G(s) = 4/(s + 2) sistemini sürmektedir. Kapalı çevrim ωₙ = 5 rad/s ve ζ = 0,8 değerlerine sahip olmalıdır. İntegral kazancını (Ki) bulun.

G(s) = 4/(s + 2)ωₙ = 5 rad/sζ = 0,8
Ki =
9.Blok diyagramlarOrta
R(s)+21s + 9G(s)C(s)0,2H−

G(s) = 21/(s + 9) sistemi, algılayıcısının kazancı H = 0,2 olan bir negatif geri besleme çevriminde denetleniyor. R girişine 12 büyüklüğünde bir basamak uygulanıyor. Kararlı hal çıkışını css bulun.

G(s) = 21/(s + 9)H = 0,2R = 12
css =
10.Blok diyagramlarZor
R(s)+K(s + 1)(s + 2)(s + 7)G(s)C(s)−

G(s) = K/((s + 1)(s + 2)(s + 7)) sistemi birim negatif geri besleme çevrimindedir. Kapalı çevrimin kararlı olduğu en büyük Kmax kazancını bulmak için Routh–Hurwitz kriterini kullanın.

G(s) = K/((s + 1)(s + 2)(s + 7))birim negatif geri besleme
Kmax =

3Çözeltiler

1.Basamak yanıtı

Cevap: σ = −1

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 = 26 → ωₙ = 5,099 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·5,099) = 0,1961

Sonuç

σ = −ζωₙ = −2/2 = −1

Cevap

σ = −1
2.Basamak yanıtı

Cevap: ζ = 0,15

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) = √(500/5) = 10 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 15/(2·√(500·5)) = 0,15

Sonuç

ζ = 0,15

Cevap

ζ = 0,15
3.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: f0 = 2399 Hz

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.

Rezonans frekansı

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,002·2,2 × 10⁻⁶) = 15076 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 2399 Hz

Cevap

f0 = 2399 Hz
4.Bode diyagramları ve paylar

Cevap: ωc = 1,685 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 + 1ω² − 10,89 = 0
ω² = (−1 + √(1 + 4·10,89))/2 = 2,838
ωc = 1,685 rad/s

Cevap

ωc = 1,685 rad/s
5.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisi

Cevap: N = 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

s³ + 10s² + 24s + 360 = 0

Routh dizisi

s³: 1, 24
s²: 10, 360
s¹: −12
s⁰: 360

İlk sütundaki işaret değişimleri

1 → 10 → −12 → 360
N = 2

Cevap

N = 2

Kazanç K = 240 sınırının üzerindedir; bu yüzden bir karmaşık çift sağ yarı düzleme geçmiştir.

6.Kararlılık: Routh–Hurwitz ve kök yer eğrisi

Cevap: σa = −6

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.

Kutuplar ve sıfırlar

kutup: 0, −8, −10
n − m = 3 − 0 = 3

Ağırlık merkezi

σa = (−18)/3 = −6

Cevap

σa = −6

3 asimptot, ağırlık merkezinden 60°, 180°, 300° açılarıyla çıkar.

7.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi

Cevap: K = 50

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 = 1/0,1 = 10

Kazanç

K = 5·Kv = 50

Cevap

K = 50

Büyük bir kazanç bu çevrimi çok az sönümlü yapar: ζ = 0,3536. Kompanzatörlerin kullanılma nedeni bu çelişkidir.

8.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi

Cevap: Ki = 6,25

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 + 4Kp)s + 4Ki

Hedef polinom

s² + 2·0,8·5s + 5² = s² + 8s + 25

Katsayıları eşleştirin

4Ki = 25 → Ki = 6,25

Cevap

Ki = 6,25

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

9.Blok diyagramlar

Cevap: css = 19,09

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) = 21/(s + 9 + 4,2) = 21/(s + 13,2)

Sonuç

css = R·T(0) = 12·21/13,2 = 19,09

Cevap

css = 19,09
10.Blok diyagramlar

Cevap: Kmax = 216

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

s³ + 10s² + 23s + 14 + K = 0

Routh dizisi

s³ | 1 23
s² | 10 14 + K
s¹ | (10·23 − 14 − K)/10
s⁰ | 14 + K

Kararlılık sınırı

İlk sütunun tüm elemanları pozitif olmalıdır.

Kmax = 10·23 − 14 = 216

Cevap

Kmax = 216

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