Makine Mühendisliği Bölümü
SİSTEM MODELLEME VE OTOMATİK KONTROL ARASINAV SORULARI 14.11.2014 Süre: 80 dakika
1) Transfer fonksiyonu
6 13
) 2 (
) 1 ) (
(
2
s s
s
s s K
T
olan sistem için,a) Kutup ve sıfırları karmaşık “s” düzleminde gösteriniz. (7 puan)
b) Giriş sinyalinin frekansı sıfıra doğru azaltıldıkça sistemin kazancı mutlak değerce 2’ye yakınsıyor.
0
K olduğuna göre K kaçtır? (5 puan) c) Sistem kararlı mıdır? (5 puan)
d) Sistemin giriş(u)-çıkış(y) ilişkisini gösteren diferansiyel denklemi yazınız. (8 puan)
2) Aşağıdaki iki sistemden istediğiniz birinin, önce giriş(u)-çıkış(y) ilişkisini gösteren diferansiyel denklemi bulunuz, sonra = () ()⁄ transfer fonksiyonunu çıkartınız. (25 puan)
3) Birinci mertebeden doğrusal zamanla değişmez bir sistemin birim basamak tepkisi
y t e
tb
4
35 )
(
olduğuna göre sistemin transfer fonksiyonunu yazınız (15 puan). Birim basamak tepkisi yb(t) ’yi çiziniz.
Çizimde (0ା) ve (∞) değerleri belli olsun (5 puan). Giriş frekansı sonsuza doğru yükseltilirken sistem kazancı kaça yakınsar (5 puan)?
4) Aşağıda verilen sistem K ’nın hangi değer aralığında kararlıdır? (25 puan)
BAŞARILAR … Yard. Doç. Ata SEVİNÇ
Makine Mühendisliği Bölümü
SİSTEM MODELLEME VE OTOMATİK KONTROL ARASINAV CEVAP ANAHTARI 14.11.2014
1) a) Payın tek kökü, yani bir tane sıfır vardır: z1 . Paydanın ise 3 kökü, yani 3 kutbu vardır: p1 2,
2
3 3
,
2 j
p m . Yanda “s” düzleminde gösterilmiştir.
b) Giriş sinyalinin frekansı için mutlak değerce kazanç j
s transfer fonksiyonda yazılıp T( j ) şeklinde bulunur.
0
için s0 olacağından sistemin kazancı
6 13 26 2
) 2 (
) 1 lim (
) 0
(
20
K s
s s
s T K
s
ve K 0 olduğuna göre K = 52
c) Sistem kararlıdır, çünkü bütün kutuplar negatif reel kısımlıdır, yani sol yarı bölgededir. Sağ yarı bölgede sıfır olmasının kararlılığa zararı yoktur.
d) ( ) 8 25 26
) ) (
( 3 2
s s s
K Ks s
U s s Y
T
s38s2 25s26
Y(s)(KsK)U(s)s çarpanı zaman uzayında türeve karşılık gelir: &y&&(t)8y&&(t)25y&(t)26y(t)Ku&(t)Ku(t)
2) Her türevsel eleman için bir denklem
yazılır. L üzerindeki akıma i dersek:
dt Ldi y
u i ’den direnç akımını çıkartırsak
C ’nin akımını buluruz:
dt Cdy R
i y Her iki denklemin de Laplace dönüşümü alınıp düzenlenerek
) ( )
( )
(s Y s sLI s
U ve 1 ( )
)
( sC Y s
R s
I
bulunur. I(s) ’i diğerinde yerine yazalım:
) ( )
( )
( s2LC Y s
R s sL Y s
U
1 s2LC Y(s) U(s)
R
sL
LC s RC s
LC R
LC sL s s G s U
s Y
1 1
1
1 ) 1
) ( (
) (
2
2
bulunur.
Yandaki sistemde r11 r22 ve
2 2 1
1
r r
(
1 ’in yansıtılmışına
2 dedik). Buna göre 1. eksendeki u torku, 2. eksende ur r
1
2 olarak görülür. Diğer yandan,
SMOK–V–2014–CA–2
2 1 2 1 1
1&& &&
r r J
J ve 2
1 2 1 1
1& &
r b r
b
yazılabilir. Bunlar 1. taraftaki tork değerine maruz kalan bileşenlerdir.
Bunları 2. taraftaki torka maruz kalır gibi
ve 2 ’ye göre kullanacaksak katsayılarını bir kez daha r2 r1 ileçarparak kullanmalıyız. Böylece yukarıdaki eşdeğer şekli elde ederiz. Buna göre dinamik denklemi yazarsak
2 2 2 1 1
2 2 1
2 2 2 1
1 2 2 3
2 b k
r b r u r J r
r J r
J
&& & Düzenlenip y2 yazılarak Laplace dönüşümünü alınırsa,
) ( )
(
1 2 2 1
1 2 2 2
2 1 1
2 2 3
2 U s
r s r Y k s b r b r s J r J r
J
Buradan da transfer fonksiyon şöyle bulunur:
k s b r b r s J r J r J
r s r
G s U
s Y
2 1 1
2 2 2
2 1 1
2 2 3 2
1
) 2
) ( (
) (
İstenseydi herşey 1. tarafa yansıtılarak da işlem yapılabilirdi. O zaman payın ve paydanın r12 r22 ile çarpılmışı olan, yani yukardakine eşit şu ifade bulunurdu:
kr s r b r b r s J J r J r
r s r
G
2 2
2 1 2
2 2 1 1 2 3 2 2
2 2 1 1
2
) 1
(
3)
T s U s T s s
s s s
Y t
y
b be
t( ) ( ) ( ) 1
3 4 ) 5
( 4
5 )
(
3
3 4 15 5 3 5 4
)
( s
s s
s s s
T
3 ) 15 (
s s s T
j
s yazılarak 1
3 lim 15
) (
lim
s
s s T
j s j
s
Sonsuz yüksek frekans kazancı 1 bulunur.
4) Kutu içini G(s), ve H(s) = 1 alarak
K s s s s
K s
H s G
s s G
T
4 5
) ( ) ( 1
) ) (
( 4 3 2 bulunur. Kararlılık için
paydanın köklerinin hiçbiri sağ yarı bölgede olmamalı, bunun için de Routh-Hurwitz testinde ilk sütun hep aynı işaretli olmalıdır:
s4 1 1 K 0
s3 5 4 0 0
s2
5 1 5
14 K 0
s1 K 4 25K
5 1
45 0 0
s0 K 0
İlk sütun artıyla başladığı için hep artı olmalıdır. Yani K > 0 ve 4 – 25K > 0 olmalıdır. Yani
25 0 K 4
Makine Mühendisliği Bölümü
SİSTEM MODELLEME VE OTOMATİK KONTROL ARASINAV SORULARI 13.11.2015 Süre: 80 dakika
1) Transfer fonksiyonu
5 4 ) 2
( 2
s s
s s
T olan sistem nasıl bir filtreleme yapar (alçak geçiren, yüksek geçiren, band geçiren), neden? Sistem kararlı mıdır? Sistemin giriş(u)-çıkış(y) ilişkisini gösteren diferansiyel denklemi yazınız. (15 puan)
2) Aşağıda doğrusal zamanla değişmez (DZD) bir sistemin blok diyagramı verilmiştir. Her alt sistemin transfer fonksiyonu harflerle gösterilmiştir. Bütün sistemin transfer fonksiyonunu A, B, C, D cinsinden bulunuz. (Kesirli terim olursa pay veya paydasında başka kesir kalmasın). (15 puan)
3) Yandaki ya da aşağıdaki sistemin önce giriş(u)- çıkış(y) ilişkisini gösteren diferansiyel denklemi bulunuz, sonra = () ()⁄ transfer fonksiyonunu çıkartınız. (25 puan)
4) Transfer fonksiyonu
5 6 ) 2
(
s s s
T olan sistemin birim basamak tepkisini (yb(t)) bulunuz ve çiziniz (12 puan). Sistemin alçak frekans (lim → 0) ve yüksek frekans (lim → ∞) kazançlarını bulunuz. Bu kazançların
) 0 (
y
b vey
b( )
değerleriyle ilişkisini de yazınız. (8 puan) 5) Yandaki sistemin birim basamak tepkisinde maksimum aşma M = %10 ve %2’lik durulma zamanı ௗ = 5 saniye isteniyor.Buna göre K ve a ne olmalıdır? Bu durumda yükselme zamanı ௬ , sönüm katsayısı , tepe zamanı ( ) ne olur? (25 puan)
) 4 2 (%
td
d
t
y
d
t
p
n
cos
BAŞARILAR … Yard. Doç. Dr. Ata SEVİNÇ
Makine Mühendisliği Bölümü
SİSTEM MODELLEME VE OTOMATİK KONTROL ARASINAV CEVAP ANAHTARI 13.11.2015
1) ( ) 4( ) 5
) 2
( 2
j j
j j
T olup lim ( ) 0
0
T j ve lim ( ) 0
T j ve 0 < < ∞ için T(j)0 olduğu için band geçiren filtre olarak davranır.
) (
) ( 5 4 ) 2
( 2
s U
s Y s
s s s
T
s24s5
Y(s)2sU(s) &y&(t)4y&(t)5y(t)2u&(t)2) En alttaki birim geribesleme kolu ile B üzerinden geribesleme paraleldir. (1+B) diye negatif geribesleme yönünde birleştirilebilir.
Dolayısıyla transfer fonksiyon: CD
AB A
AD s
U s Y
1 ) (
) (
3) Elektrik devresi:
L1 üzerindeki akıma i1 diyelim. L1 ve L2 üzerindeki gerilimlerin toplamı u olduğu için
dt L dy dt L di
u 1 1 2 Ayrıca R üzerindeki akım R
dt L dy
2 olduğu için 1 2 1( ) ( ) 2Y(s)
R s sL Y s dt I
dy R y L
i
Bunu, ilk denklemin Laplace dönüşümünde yerine yazalım:
) ( ) ( ) (
) ( )
( 1
) ( )
( )
( )
( 1 1 2 1 2 2 1 2 s2 L1 L2 s Y s U s
R L s L
Y sL s Y R sL sL
s U s
Y sL s I sL s
U
En sağdaki eşitlikten
s L L R s L L
R s
U s Y
) (
) (
) (
2 1 2
2
1
Mekanik sistem:
1. yol: Herşeyi 1. eksende düşünürsek, J2, J ve
b2 ’yi r12 r22 ile, giriş torkunu ise r1 r2 ile çarparak yansıtırız:
ur k r b
r b r J
J r J r
2 1 1 1 2 2 2
2 1 1 1 2 2
2 2 1
1
&& &
b s kr b r s J J r J r
r r s
U s Y s U
s
2 2 2
2 1 1 2 2 2
2 2 1 1
2 1 1
) (
) ( ) (
) (
2. yol: Herşeyi 2. eksende düşünürsek, J1, k ve
b1 ’i r22 r12 ile çarparak yansıtırız:
u k r b r
b r J r
J J r
r
2 2 1
2 2 2 2 2 1 1
2 2 2 2
2 1 1
2
2 && &
Ayrıca y
r2 r1
2 olduğundan,
k r s r b b r s r J J J r r
r r s
U s Y s
U s r
r
2 1
2 2 2 2 1 1
2 2 2 2
2 1 1
2 2
1 2 2
1 2
) (
) ( )
( ) (
(İki çözümün de aynı sonucu verdiğini görünüz.)
4) Birim basamağın Laplace dönüşümü s1 olduğu için
5 )
5 (
6 ) 2
1 ( ) (
s
b s a s
s s s T s s Yb
5 6 5 0
6 0 2
a ve 4 5
5 6 ) 5 (
2
b
, 0
5 4 5 ) 6
(t 5 t
y
e
tb
Alçak frekans kazancı lim ( ) (0) 6 5 ( )
0
T j T yb
Yüksek frekans kazancı
lim
T ( j ) T ( ) 2 y
b( 0
)
5) Kapalı döngü sistemin transfer fonksiyonu
K as s
K as
s K
as s s K
T
2 2
2
) (
1 1
) ) (
(
Bunu 2 2
2
2 n
n
s
s
diye düşünürüz. Yani K n2 ve a2 .
(Dikkat: Yukarıdaki “s” Laplace dönüşümü değişkenidir. Aşağıdaki ifadelerdeki “s” ise saniyedir.) Durulma zamanından 4 t 4 (5s)0,8s1
d a2 a1,6s1 s
rad s
rad
M d d 1,09
10 , 0 ln
8 ,
ln 0
2 2 2 0,82 1,092 rad2 s2
K n d K 1,83rad2 s2
rad s rad s
K 1,83 n 1,35 0,81,35
n
0,59
rad 0,938rad
8 180 , 53 8 , 53 cos
59 ,
0 o
s
ty
09 , 1
938 , 0
s
ty 2,02 t s
p 1,09
s tp 2,88
2 CA 2015 V
SMOK
Makine Mühendisliği Bölümü
SİSTEM MODELLEME VE OTOMATİK KONTROL ARASINAV SORULARI 04.11.2017 Süre: 80 dakika
1) Transfer fonksiyonu
) 25 6 )(
1 (
) 3 )(
2 ( ) 5
( 2
s s s
s s s
T olan sistemin
a) Kutup ve sıfırlarını karmaşık s düzleminde gösteriniz. (6 puan) b) Alçak frekanslar (߱ → 0) için sistem kazancını bulunuz. (3 puan) c) Yüksek frekanslar (߱ → ∞) için sistem kazancını bulunuz. (3 puan) d) Sistem kararlı mıdır? Neden? (3 puan)
2) Transfer fonksiyonu
1 2 ) 3
(
s s s
H olan sistemin birim basamak tepkisini (yb(t)) bulunuz ve çiziniz. (10+5 puan)
3) Yanda doğrusal zamanla değişmez (DZD) bir sistemin blok diyagramı verilmiştir. Her alt sistemin transfer fonksiyonu harflerle gösterilmiştir. Bütün sistemin transfer fonksiyonunu A, B, C, D cinsinden bulunuz. (Kesirli terim olursa pay veya paydasında başka kesir kalmasın). (15 puan)
4) Yandaki iki sistemden yalnız birisinin )
( ) (
s U
s
Y transfer fonksiyonunu bulunuz.
5) Aşağıdaki sistemin birim basamak tepkisinde maksimum aşma M = %8 ve %5’lik durulma zamanı ݐௗ = 6 saniye isteniyor. Buna göre K ve b ne olmalıdır? (15 puan)
) ) (
1 2
(
e
de
M
) 3 5 (% t
d6) Aşağıda verilen sistem K ’nın hangi aralığında kararlıdır? (25 puan)
BAŞARILAR … Yard. Doç. Ata SEVİNÇ
Makine Mühendisliği Bölümü
SİSTEM MODELLEME VE OTOMATİK KONTROL ARASINAV CEVAP ANAHTARI 04.11.2017
1) a) Transfer fonksiyonun payının kökleri 2 ve -3 sıfırlardır.
Paydasının kökleri 3 4
2
25 4 6
6 2
m j
m
ve -1 kutuplardır.
b) s j0 için 1,2
5 6 25 1
3 ) 2 ( ) 5 0
(
T
c) s j j için T(j) 0
d) Kararlıdır; çünkü bütün kutuplar sol yarı bölgededir.
2) Birim basamağın Laplace dönüşümü 1/s olduğu için
1 )
1 (
2 3 ) 1 ( ) (
s
b s a s
s s s s H s Yb
2 1
2 3
0
s
s s
a ,
2 5 3
1
s s
b s y t
e
tb
2 5 )
(
Diğer yol: yb(t)H(0)
H()H(0)
e
t 25e
t (Burada -1/τ kutup yani -1 olduğundan τ =1 alındı.)3) A ve B ikilisi geri beslemeli blok olup bu blok D ile seridir. Bu seri kol da C’ye paraleldir. Dolayısıyla
AB ABC C
C AD D AB A s
U s Y
1 1
) (
) (
4) Elektrik devresinde y, direnç ve kondansatörün aşağı doğru akımlarının toplamıdır. s domeninde C yerine 1/sC yazarsak:
R sC s U
s Y s
U R sC R
s U sC
s U s
Y 1
) (
) ) (
1 ( )
( ) ( 1
) ) (
(
Mekanik sistemde: J1&&1T k1 J1&y&kyu
J1s2k
Y(s)U(s) k s J s U
s Y
2
1
1 )
( ) (
5) Geribeslemeli sistemin kapalı döngü transfer fonksiyonu
2 2
2 2
2 2
1 2 ) (
) (
n n
s s
K bs s
K bs
s K
bs s
K s
U s Y
Yani n K , b 2. 3 6s 0,5s 1 2 0,5s 1 )
5
(% b
td
s 1
1 b
1 2
526 , 2 ) 08 . 0 ln(
ln
M 2
2 2
646 1 , 526 0 , 2
2 1
2 0,627 0,5s 0,627 0,797rad s
646 , 1 646 ,
0 n n K n
2 2 s rad 636 ,
0
K (Burada eğik yazılan “s” Laplace değişkeni, düz yazılan “s” saniye anlamında kullanıldı.)
6) , ( ) 1
7 4 ) 5
( 4 3 2
H s
s s s s
K s
G . 1G(s)H(s)0 s45s34s27sK 0
s4 1 4 K 0
s3 5 7 0 0
s2
5 13 5 7
4 K 0
s1
13 25 91 5 13
7 5K K
0 0
s0 K 0
İlk sütunda işaret değişikliği olmamalı ki bütün kökler sol yarı bölgede olsun ve sistem kararlı olsun. Yani hem 0
25
91 K hem de K 0 olmalı. Düzenlenirse:
64 , 3
0 K olmalıdır.
SMOK-V-2017-CA-2
Makine Mühendisliği Bölümü
SİSTEM MODELLEME VE OTOMATİK KONTROL ARASINAV SORULARI 10.11.2018 Süre: 70 dakika
Yazı, insanın okuması içindir. Okunaklı, yormayan ve anlaşılır ifadelerle yazmanız insana değer verdiğinizi gösterir.
1) Transfer fonksiyonu
( 4 ) 4 13
) 2 ) (
(
2
s s s
s s K
T
olan sistem için,a) Kutup ve sıfırları karmaşık “s” düzleminde gösteriniz. (7 puan)
b) Giriş sinyalinin frekansı sıfıra doğru azaltıldıkça sistemin kazancı mutlak değerce 3’e yakınsıyor.
0
K olduğuna göre K kaçtır? (5 puan) c) Sistem kararlı mıdır? (5 puan)
d) Sistemin giriş(u)-çıkış(y) ilişkisini gösteren diferansiyel denklemi yazınız. (8 puan)
2) Aşağıdaki iki sistemden istediğiniz birinin, = () ()⁄ transfer fonksiyonunu ve giriş(u)-çıkış(y) ilişkisini gösteren diferansiyel denklemi bulunuz. (25 puan)
3) Transfer fonksiyonu
3 4 ) 2
(
s
s s
H
olan sistemin birim basamak tepkisi yb(t) ’yi yazınız ve çiziniz. Çizimde(0ା) ve (∞) değerleri belli olsun. Giriş frekansı sonsuza doğru yükseltilirken sistem kazancı kaça yakınsar?
(25 puan)
4) Yandaki sistemin birim basamak tepkisinde maksimum aşma M = %8 ve %2’lik durulma zamanı ௗ = 2 saniye isteniyor.
Buna göre K ve a ne olmalıdır? Bu durumda yükselme zamanı ௬ , sönüm katsayısı , tepe zamanı ( ) ne olur? (25 puan)
) 4 2 (%
td
d
t
y
d
t
p
n
cos
BAŞARILAR …
Makine Mühendisliği Bölümü
SİSTEM MODELLEME VE OTOMATİK KONTROL ARASINAV CEVAP ANAHTARI 10.11.2018
1) a) Payın tek kökü, yani bir tane sıfır vardır: z2 . Paydanın ise 3 kökü, yani 3 kutbu vardır: p1 4,
3
3 2
,
2 j
p m . Yanda “s” düzleminde gösterilmiştir.
b) Giriş sinyalinin frekansı için mutlak değerce kazanç j
s transfer fonksiyonda yazılıp T( j ) şeklinde bulunur.
0
için s0 olacağından sistemin kazancı
52 3
2 13
4 )
4 (
) 2 lim (
) 0
(
20
K s
s s
s T K
s
ve K 0 olduğuna göre K = 78
c) Sistem kararlıdır, çünkü bütün kutuplar negatif reel kısımlıdır, yani sol yarı bölgededir. Sağ yarı bölgede sıfır olmasının kararlılığa zararı yoktur.
d) 8 29 52
2 )
( ) ) (
( 3 2
s s s
K Ks s
U s Y s
T
s38s229s52
Y(s)(Ks2K)U(s)s çarpanı zaman uzayında türeve karşılık gelir: &y&&(t)8&y&(t)29y&(t)52y(t)Ku&(t)2Ku(t)
2) Mekanik sistemde: J&&Tk b& J&y&by&kyu
Js2bsk
Y(s)U(s) k bs Js s U
s Y
2 1 )
( ) (
Elektrik devresinde ise paralel kolun gerilimi Y(s) olup gerilim bölücüden Y(s)=U(s)⸱(ortadaki paralel kolun empedansı) / (toplam empedans)
Ortadaki paralel kolun empedansı
s C R
R R
sC sC
R
2 2
2
2 2
2 2
1 1
olduğundan,
RC s
s C R s C R s C R
s C R s
U s s Y
U R s C R R sC
s C R R s
Y
2 2 1
1 1 2 2 2
1 2
1 2 2 2 1
2 2 2
1 1
) (
) ) (
( 1
1 ) 1 (
RRCC y
RC RC RC
y y RCus C R C R C R s C C R R
s C R s
U s
Y 1 2 1 2&& 1 1 2 1 2 2 & 2 1&
2 2 1 2 1 1 2 2 1 2 1
1 2
1 )
( )
(
3) 0ା = ∞ = 2 , +∞ = 0 = 4 3⁄ , kutup = -3
→ = +∞ + 0ା − +∞ ିଷ௧ = ସ
ଷ+2 −ସଷ ିଷ௧
=ସାଶଷషయ
Veya
3 3 2 3 4 1 3
4 ) 2
(
s s
s s s
Yb ’ün ters Laplace
dönüşümüyle de bulunabilirdi. Giriş frekansı sonsuza doğru yükseltilirken sistem kazancı =
∞ = 2 olur.
4) Geribeslemeli sistemin kapalı döngü transfer fonksiyonu
2 2
2 2
2 2
1 2 ) (
) (
n n
s s
K as s
K as
s K
as s
K s
U s Y
Yani n K , a 2. 4 2s 2s 1 2 2s 1
) 2
(% a
td
s 1
4 a
1 2
526 , 2 ) 08 . 0 ln(
ln
M 2
2 2
646 1 , 526 0 , 2
2 1
2 0,627 2s 0,627 3,19rad s
646 , 1 646 ,
0 n n K n
2 2 s rad 2 ,
10 K
rad/s 2,49 rad/s 627 , 0 1 19 , 3
1 2 2
d n
rad 894 , 0 2 , 51 627
, 0
cos
o
௬ =గି,଼ଽସ
ଶ,ସଽ s = 0,90 s = గ
ଶ,ସଽs = 1,26 s
(Burada eğik yazılan “s” Laplace değişkeni, düz yazılan “s” saniye anlamında kullanıldı.)