Sistem Dinamiği
Bölüm 1- Sistem Dinamiğine Giriş
Doç.Dr. Erhan AKDOĞAN
MKT3131-Sistem Dinamiği Bölüm 1
Doç.Dr. Erhan AKDOĞAN YTÜ-Mekatronik Mühendisliği
Sunumlarda kullanılan semboller:
2
Yorum El notlarına bkz.
Bolum No.Alt Başlık No.Denklem Sıra No
Denklem numarası
Şekil No
Şekil numarası Dikkat
Soru MATLAB
İlgili konular:
▪ Diferansiyel denklemler
▪ İşaret ve sistemler
▪ Laplace ve Fourier Dönüşümleri
▪ Statik-Dinamik
▪ Elektrik Devreleri
Erhan AKDOĞAN, Ph.D.
YTÜ-Mechatronics Eng. MKT3131 Sistem Dinamiği Bölüm 1
Ders Kaynakları:
▪ Ana ders kitabı:
▪ Systems Dynamics, William J Palm III, 3th edition, McGraw Hill, 2013
▪ Diğer kaynaklar:
▪ Norman S. Nise. Control Systems Engineering, 6ed, Wiley, 2011
▪ Ogata K. System Dynamics, 4th Edition, Prentice Hall,2004.
▪ Ogata K. Sistem Dinamiği, Palme Yayıncılık, 2013
4
Bölüm 1 içeriği:
▪ Sistem Dinamiğine giriş
▪ Birimler
▪ Lineer (doğrusal) model geliştirme
▪ Fonksiyon tanımlama ve parametre tahmini
Erhan AKDOĞAN, Ph.D.
YTÜ-Mechatronics Eng. MKT3131 Sistem Dinamiği Bölüm 1
1.1. Sistem Dinamiğine Giriş
Giriş:
▪ Sistem dinamiği:
▪ Sistemlerin matematiksel model ve analizleri
▪ Bunları zamana bağlı davranışları ile ilgilenir.
Bir sistemin dinamik davranışının doğru modellenmesi ve analizi o
sistemin kontrolü ile yakından ilişkilidir.
Erhan AKDOĞAN, Ph.D.
YTÜ-Mechatronics Eng. MKT3131 Sistem Dinamiği Bölüm 1
1.1.1 Sistemler:
▪ Belirli bir işlevi yerine getirmek üzere biraraya getirilmiş elemanlar topluluğuna SİSTEM denir.
SORU:
▪ Bir bisikletin mekanizmasındaki bir link sistem midir?
8
Odak:
Tüm sistem
düşünüldüğünde
elemanların arasında nasıl bir ilişki var ve bu ilişkinin sistem
davranışına olan etkisi
nedir?
Erhan AKDOĞAN, Ph.D.
YTÜ-Mechatronics Eng. MKT3131 Sistem Dinamiği Bölüm 1
Sistem mi? Değil mi?
f=bh m
f: akış debisi h: yükseklik
10
Şekil 1.1.1
▪ İki tankın akış debileri birbirini etkiler
▪ SİSTEM
Erhan AKDOĞAN, Ph.D.
YTÜ-Mechatronics Eng. MKT3131 Sistem Dinamiği Bölüm 1
Simülasyon diyagramı veya blok diyagram
• Değişkenler,
• Bu diyagramlar diferansiyel denklemleri temsil eder
12
h 1
Alt sistem 1 (Tank 1)
Alt sistem 2 (Tank 2)
h 2
f 2
f 1
1.1.2. Giriş ve çıkış:
▪ Giriş nedendir.
▪ Çıkış bir etkidir.
▪ Örnek:
▪ Bisiklet pedalına uygulanan kuvvet
➡giriş....
▪ Bisikletin hızı
➡çıkış....
Erhan AKDOĞAN, Ph.D.
YTÜ-Mechatronics Eng. MKT3131 Sistem Dinamiği Bölüm 1
Sistem davranışı:
▪ Giriş ile çıkış arasındaki ilişki,
▪ Giriş çıkışı nasıl etkiliyor?
▪ Nedenàetki
Newton’un ikinci kuralı: a=f/m Giriş:?
Çıkış:?
14
Giriş, çıkış ve sistem sınır koşulları:
Erhan AKDOĞAN, Ph.D.
YTÜ-Mechatronics Eng. MKT3131 Sistem Dinamiği Bölüm 1
Giriş – Çıkış ilişkilerinin geri dönüştürülebilirliği:
▪ Akım gerilim ilişkisi:
▪ i=V/R, V=i.R à Geri dönüştürülebilir
▪ Hız-ivme-yerdeğiştirme:
▪ İvme hıza neden olur ama hız ivmelenmeye neden olmaz.
▪ Hızlanma yer değiştirmeye neden olur, tersi doğru değildir.
▪ İntegral nedenselliği....
16
1.1.3 Statik ve dinamik elemanlar:
▪ Eğer bir sistemin o andaki çıkışı bir elemanın o andaki değerine bağlı ise bu elemana statik eleman denir.
▪ Örnek: direnç
Erhan AKDOĞAN, Ph.D.
YTÜ-Mechatronics Eng. MKT3131 Sistem Dinamiği Bölüm 1
Statik eleman yaklaşımı:
▪ Ancak hiç bir fiziksel eleman hemen cevap vermez. Bu nedenle statik eleman kavramı bir yaklaşımdır.
▪ Modellemede kolaylık sağladığından ve sonuçları kabul edilebilir olduğundan kullanılır.
18
1.1.3 Statik ve dinamik elemanlar:
▪ Eğer bir sistemin o andaki çıkışı bir elemanın geçmiş değerlerine bağlı ise bu elemana dinamik eleman denir.
▪ Örnek: Bir bisikletin o andaki
p o z i s y o n u b i s i k l e t i n
başlangıçtan o ana kadar
olan hız değişimine bağlıdır.
Erhan AKDOĞAN, Ph.D.
YTÜ-Mechatronics Eng. MKT3131 Sistem Dinamiği Bölüm 1
Statik ve dinamik sistem:
▪ Statik sistemlerin tüm elemanları statiktir.
▪ Dinamik bir sistemde bir tane dinamik eleman bulunması o sistemi dinamik sistem yapar.
20
Sistem dinamiğinde odak:
“Sistem dinamiği”, dinamik elemanlar
içeren sistemlerin davranışları ile
ilgilidir.
Erhan AKDOĞAN, Ph.D.
YTÜ-Mechatronics Eng. MKT3131 Sistem Dinamiği Bölüm 1
1.1.4. Sistemlerin modellenmesi:
• Mühendislik problemi çözüm adımları:
22
Mühendislik problemi çözüm adımları:
Erhan AKDOĞAN, Ph.D.
YTÜ-Mechatronics Eng. MKT3131 Sistem Dinamiği Bölüm 1
▪ Bu adımların 1 den 5’e kadar olanları problemin tanımlanmasına yöneliktir.
▪ 6’dan 10 ‘a kadar olan adımlar ise problemin çözümü ile ilgilidir.
24
Modelleme, matematiksel model:
▪ Modelleme: Bir problemi basitleştirmek ve temel prensiplere uygulamak.
▪ Matematiksel model veya model: Sistem davranışını matematiksel metodlarla tanımlayabilmek.
▪ Modelleme bittikten sonra arzu edilen cevapları bulabilmek için matematiksel model çözülür.
▪ Modelin hesaplama karmaşıklığına göre bilgisayar
kullanılabilir.
Erhan AKDOĞAN, Ph.D.
YTÜ-Mechatronics Eng. MKT3131 Sistem Dinamiği Bölüm 1
Modellemede yaklaşım:
26
Şekil 1.1.5
Modelleme zorlukları:
▪ Modellemede tüm etkiler modellenemeyebilir. Bunun yerine parçalayarak amaca göre modelleme yapılabilir.
▪ Mesela bir elektrik devresinin elektrik, termal ve
mekanik durumları olabilir. Bir modellemede bunun
tamamı gerçekleştirilemeyebilir.
Erhan AKDOĞAN, Ph.D.
YTÜ-Mechatronics Eng. MKT3131 Sistem Dinamiği Bölüm 1
1.1.5. Matematiksel metodlar:
▪ Sistem dinamikleri zamana göre değiştiğinden bu sistemlerin matematiksel modelleri diferansiyel denklemlerle çözülür. Bölüm 2’de bu konuları inceleyeceğiz.
28
1.1.6. Kontrol Sistemleri:
▪ Kontrol sistem dizaynının önemi.
▪ Yeni konular:
▪ Robotik,
▪ Mekatronik,
▪ Aktif titreşim kontrol,
▪ Mikromekanik,
▪ Aktif gürültü önleme,
Bölüm 10 ve Otomatik Kontrol dersi
Erhan AKDOĞAN, Ph.D.
YTÜ-Mechatronics Eng. MKT3131 Sistem Dinamiği Bölüm 1
Endüstri devrimi 1.0’ dan 4.0’ a:
Ref: motherboard.vice.com/read/life-after-the-fourth-industrial-revolution
30
Industry 4.0
Erhan AKDOĞAN, Ph.D.
YTÜ-Mechatronics Eng. MKT3131 Sistem Dinamiği Bölüm 1
1.1.7. Mekanik Sistemlerde Uygulamalar
▪ Bölüm 3 ve Bölüm 4’te uygulamalar,
▪ Kuvvet Kontrol Uygulamaları,
▪ Taşıt dinamikleri,
▪ Süspansiyon uygulamaları,
▪ Aktif süspansiyon sistemleri (yaylar, şok sönümleyiciler)
▪ Güvenlik
▪ Enerji verimliliği
32
1.1.8. Elektriksel ve elektromekanik sistem uygulamaları:
▪ Elektriksel ve mekanik sistemler içerir,
▪ Hareket kontrol sistemleri ve taşıt dinamikleri iki temel uygulama alanıdır.
▪ Bölüm 6
Erhan AKDOĞAN, Ph.D.
YTÜ-Mechatronics Eng. MKT3131 Sistem Dinamiği Bölüm 1
1.1.9. Akış sistemleri uygulamaları
34
Şekil 1.1.10 Şekil 1.1.11
▪ Bölüm 7
Şekil 1.4.2
1.1.10 Termal Sistem uygulamaları
▪ Soğutma sistemleri
▪ Buhar makineleri
▪ Bölüm 7
Erhan AKDOĞAN, Ph.D.
YTÜ-Mechatronics Eng. MKT3131 Sistem Dinamiği Bölüm 1
1.1.11. Bilgisayar Metodları
▪ MATLAB ®
▪ Simulink ®
▪ Ekler
▪ Uygulama dersleri
▪ Lab-3
36
1.1.11. Bilgisayar Metodları
Erhan AKDOĞAN, Ph.D.
YTÜ-Mechatronics Eng. MKT3131 Sistem Dinamiği Bölüm 1
1.2. BİRİMLER
▪ FPS (Foot-pound-second) Units
▪ SI (International System of Unit) Units
Erhan AKDOĞAN, Ph.D.
YTÜ-Mechatronics Eng. MKT3131 Sistem Dinamiği Bölüm 1
SI ve FPS Birimleri:
40
Birim dönüşümleri:
Erhan AKDOĞAN, Ph.D.
YTÜ-Mechatronics Eng. MKT3131 Sistem Dinamiği Bölüm 1
1.2.3.Osilasyon Birimleri:
▪ Frekans: rad/sn yada Hertz
▪ 1Hz: Bir saniyedeki çevrim sayısı
▪ (one cycle per second=cps)
▪ Açısal hız: w=2.pi.f
▪ Periyot: T ya da Pà T=P=2.pi.w
▪ Dakikadaki dönme (revolutions per second=rpm)
▪ 1 rpm= 1 saniyedeki (2.pi/60) radyanlık dönme
42
1.3. Lineer (doğrusal) model
Geliştirme:
Erhan AKDOĞAN, Ph.D.
YTÜ-Mechatronics Eng. MKT3131 Sistem Dinamiği Bölüm 1
Lineer model:
▪ Bir statik elemanın lineer modeli:
▪ y=mx+b; Burada; y:çıkış, x: giriş
▪ Lineer modeller diferansiyel denklem çözümü ile elde edilebilir. Ancak nonlineer modellerin çözümü bu kadar kolay değildir.
▪ Lineerleştirme modeli matematiksel model
oluşturulurken tercih edilir. Beraberinde hatayı ortaya çıkarır. Kullanımında bu husus dikkate alınmalıdır.
44
1.3.1. Datadan lineer model geliştirme:
▪ Örnek 1.3.1:
Erhan AKDOĞAN, Ph.D.
YTÜ-Mechatronics Eng. MKT3131 Sistem Dinamiği Bölüm 1
Çözüm 1.3.1
Eğim:
46
f=k.x k=1/a
Şekil 1.3.2
İnterpolasyon ve Ekstrapolasyon:
▪ İnterpolasyon(interpolation)=içdeğerbulma:
▪ Elimizdeki dataların sınırları içinde kalan bir değer için tahmin.
▪ Ekstrapolasyon(extrapolation)=dışdeğerbulma:
▪ Elimizdeki dataların sınırları dışında kalan bir değer için tahmin.
▪ Lineer model elde edememe durumunda daha
sistematik yaklaşımlar (nümerik analiz) kullanılır.
Erhan AKDOĞAN, Ph.D.
YTÜ-Mechatronics Eng. MKT3131 Sistem Dinamiği Bölüm 1
1.3.2. Lineerleştirme(Linearization):
▪ Model nonlineer ise lineerleştirme teknikleri kullanılır.
▪ Burada dikkat edilmesi gereken belirli sınırlar içinde doğruluğun temin edilmesidir.
48
Örnek 1.3.2.
1.YOL:
Θ=0 rad Θ=pi/3 rad Θ=2.pi/3 rad
civarında lineeleştirme
2.YOL:
Taylor serisine
açma(inceleyiniz)
Erhan AKDOĞAN, Ph.D.
YTÜ-Mechatronics Eng. MKT3131 Sistem Dinamiği Bölüm 1
İnceleme:
▪ Örnek: 1.3.3 ve 1.3.4.
▪ Taylor serisi
50
1.4. Fonksiyon tanımlama ve
parametre tahmini
Erhan AKDOĞAN, Ph.D.
YTÜ-Mechatronics Eng. MKT3131 Sistem Dinamiği Bölüm 1
Fonksiyon tanımlama ve parametre tahmini:
▪ Bir data setinden fonksiyonların tanımlanması işlemine fonksiyon tanımlama denir.
▪ Eğri uydurma(curve fitting) kavramı da parametre tanımlama için kullanılır.
▪ Bir data seti ile tanımlanmış olan fonksiyonun parametre yada katsayı değerlerine elde etmeye parametre
tahmini denir.
52
Lineer, güç ve exponansiyel fonksiyonlar:
Akım-Gerilim
Sabit ivmeli bir nesnenin hız-zaman ilişkisi
Serbest düşen bir cismin yol-zaman ilişkisi
Erhan AKDOĞAN, Ph.D.
YTÜ-Mechatronics Eng. MKT3131 Sistem Dinamiği
Bölüm 1
54
Şekil 1.4.1
1.4.1. Fonksiyon tanımlama adımları:
1. Orijin civarında veriyi tanımla.
• Üstel fonksiyonlar y=b(10) mx ve y=be mx , b=0 olmadığı müddetçe orijinden geçmez.
• Güç fonksiyonu y=bx m sadece m>0 olduğunda orijinden geçebilir.
Şekilleri inceleyiniz.
Erhan AKDOĞAN, Ph.D.
YTÜ-Mechatronics Eng. MKT3131 Sistem Dinamiği Bölüm 1
Fonksiyon tanımlama adımları:
56
2. Lineer eksen takımı kullanarak verileri çiziniz. Eğer doğru şeklinde ise fonksiyon lineerdir. Aksi takdirde x=0‘da fonksiyonun aldığı değere bakılır.
a. y(0)=0 ise güç fonksiyonudur.
b. y(0) eşit değildir 0 ise üstel fonksiyon
Eğer x= 0 için elimizde veri yok ise 3. adıma geçilir.
3. Eğer bir güç fonksiyonu olduğu düşünülüyor ise log-log eksen takımlı grafik çizilir. Sadece güç fonksiyonu bu grafikte doğru şeklinde görülür.
Eğer üstel fonksiyon olduğu düşünülüyor ise yarı logaritmik eksen
takımı çizilir. Sadece üstel fonksiyon bu grafikte doğru şeklinde
görülür.
Araştırma Ödevi 1.1.
▪ Şekil 1.4.2 ve 1.4.3’ü MATLAB’de çizdiriniz.
▪ m-file ve grafikleri çıkış alarak uygulama dersinde ders asistanına teslim ediniz.
▪ Ders kitabı eklerinde MATLAB ile ilgili yardımcı ders
notu bulunmaktadır.
Erhan AKDOĞAN, Ph.D.
YTÜ-Mechatronics Eng. MKT3131 Sistem Dinamiği Bölüm 1
1.4.2. Katsayı elde etme:
▪ Amaç b ve m katsayılarının elde edilmesidir.
▪ Lineer fonksiyon
▪ Güç fonksiyonu
▪ Eksponansiyel (üstel) fonksiyon
▪ Elde edilen veriler dağınık ise en küçük kareler metodu ile fonksiyon elde edilir. MATLAB de “polyfit” komutu ile bu işlem gerçekleştirilebilir.
58
Katsayıları fonksiyon tipine göre nasıl elde ederiz?
Örnek 1.4.1:
Ortam sıcaklığı 70 o F. Zamana bağlı olarak su sıcaklığını bulunuz.
Erhan AKDOĞAN, Ph.D.
YTÜ-Mechatronics Eng. MKT3131 Sistem Dinamiği Bölüm 1
Örnek 1.4.1: Lineer
60
Şekil 1.4.4
Örnek 1.4.1: Semi-Log
Erhan AKDOĞAN, Ph.D.
YTÜ-Mechatronics Eng. MKT3131 Sistem Dinamiği Bölüm 1
Eğri uydurma:
62
Şekil 1.4.6
Örnek 1.4.2. (İnceleyiniz)
Akış oranı ile yükseklik
arasındaki ilişkiyi bulunuz.
Erhan AKDOĞAN, Ph.D.
YTÜ-Mechatronics Eng. MKT3131 Sistem Dinamiği Bölüm 1
Mekatronik Sistem Dizaynı
(Aksiyomatik Yaklaşım)
Erhan AKDOĞAN, Ph.D.
YTÜ-Mechatronics Eng. MKT3131 Sistem Dinamiği Bölüm 1