Sistem Dinamiği. Bölüm 2- Dinamik Cevap ve Laplace Dönüşümü. Doç.Dr. Erhan AKDOĞAN

Benzer belgeler
Sistem Dinamiği. Bölüm 9- Frekans Domeninde Sistem Analizi. Doç.Dr. Erhan AKDOĞAN

Otomatik Kontrol. Kapalı Çevrim Kontrol Sistemin Genel Gereklilikleri. Hazırlayan: Dr. Nurdan Bilgin

Bölüm 3. Tek Serbestlik Dereceli Sistemlerin Zorlanmamış Titreşimi

İleri Diferansiyel Denklemler

Sistem Dinamiği. Bölüm 5-Blok Diyagramlar, Durum-Değişken Modelleri ve Simülasyon Metodları. Doç.Dr. Erhan AKDOĞAN

Otomatik Kontrol. Kapalı Çevrim Kontrol Sistemin Genel Gereklilikleri

DÜZCE ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ EET305 OTOMATİK KONTROL I Dr. Uğur HASIRCI

BÖLÜM 6 LAPLACE DÖNÜŞÜMLERİ

Sistem Dinamiği. Bölüm 4-Mekanik Sistemlerde Yay ve Sönüm Elemanı. Doç.Dr. Erhan AKDOĞAN

İleri Diferansiyel Denklemler

İleri Diferansiyel Denklemler

Sistem Dinamiği. Bölüm 3- Rijit Gövdeli Mekanik Sistemlerin Modellenmesi. Doç.Dr. Erhan AKDOĞAN

1 Lineer Diferansiyel Denklem Sistemleri

Ders #2. Otomatik Kontrol. Laplas Dönüşümü. Prof.Dr.Galip Cansever

İleri Diferansiyel Denklemler

DEVRE VE SİSTEM ANALİZİ ÇALIŞMA SORULARI

Devre Teorisi Ders Notu Dr. Nurettin ACIR ve Dr. Engin Cemal MENGÜÇ

Birinci Mertebeden Adi Diferansiyel Denklemler

U.Ü. Mühendislik Mimarlık Fakültesi Elektronik Mühendisliği Bölümü ELN3102 OTOMATİK KONTROL Bahar Dönemi Yıliçi Sınavı Cevap Anahtarı

İleri Diferansiyel Denklemler

İleri Diferansiyel Denklemler

İleri Diferansiyel Denklemler

İleri Diferansiyel Denklemler

OTOMATİK KONTROL SİSTEMLERİ. DİNAMİK SİSTEMLERİN MODELLENMESİ ve ANALİZİ

Ders #9. Otomatik Kontrol. Kararlılık (Stability) Prof.Dr.Galip Cansever. 26 February 2007 Otomatik Kontrol. Prof.Dr.

İleri Diferansiyel Denklemler

Ders İçerik Bilgisi. Sistem Davranışlarının Analizi. Dr. Hakan TERZİOĞLU. 1. Geçici durum analizi. 2. Kalıcı durum analizi. MATLAB da örnek çözümü

biçimindeki ifadelere iki değişkenli polinomlar denir. Bu polinomda aynı terimdeki değişkenlerin üsleri toplamından en büyük olanına polinomun dereces

İÇİNDEKİLER KISIM 1: BİRİNCİ MERTEBE ADİ DİFERENSİYEL DENKLEMLER

H(s) B(s) V (s) Yer Kök Eğrileri. Şekil13. V s R s = K H s. B s =1için. 1 K H s

Yapı Sistemlerinin Hesabı İçin. Matris Metotları. Prof.Dr. Engin ORAKDÖĞEN Doç.Dr. Ercan YÜKSEL Bahar Yarıyılı

Transfer Fonksiyonu. Dürtü yanıtı h[n] olan sisteme x[n]=z n girişi uygulandığında

ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ DENETİM SİSTEMLERİ LABORATUVARI. Deney No:2 Birinci-İkinci Dereceden Denklemler Açık-Kapalı Çevrim Sistemler

İleri Diferansiyel Denklemler

MATLAB DA SAYISAL ANALİZ DOÇ. DR. ERSAN KABALCI

Sistem Dinamiği ve Kontrolü Bütünleme 26 Ocak 2017 Süre: 1.45 Saat. Adı ve Soyadı : İmzası : Öğrenci Numarası :

OTOMATİK KONTROL SİSTEMLERİ. DİNAMİK SİSTEMLERİN MODELLENMESİ ve ANALİZİ

İleri Diferansiyel Denklemler

25. KARARLILIK KAPALI ÇEVRİM SİSTEMLERİNİN KARARLILIK İNCELENMESİ

BÖLÜM-9 SİSTEM HASSASİYETİ

MM 409 MatLAB-Simulink e GİRİŞ

Alıştırmalar 1. 1) Aşağıdaki diferansiyel denklemlerin mertebesini ve derecesini bulunuz. Bağımlı ve bağımsız değişkenleri belirtiniz.

OTOMATİK KONTROL SİSTEMLERİ İŞARET AKIŞ DİYAGRAMLARI SIGNAL FLOW GRAPH

Ders İçerik Bilgisi. Dr. Hakan TERZİOĞLU Dr. Hakan TERZİOĞLU 1

İleri Diferansiyel Denklemler

Ayrık zamanlı sinyaller için de ayrık zamanlı Fourier dönüşümleri kullanılmatadır.

PID SÜREKLİ KONTROL ORGANI:

Math 322 Diferensiyel Denklemler Ders Notları 2012

Ç NDEK LER II. C LT KONULAR Sayfa Öz De er Öz Vektör.. 2. Lineer Cebir ve Sistem Analizi...

Otomatik Kontrol (Doğrusal sistemlerde Kararlılık Kriterleri) - Ders sorumlusu: Doç.Dr.HilmiKuşçu

Şeklinde çok sayıda diferansiyel denklemden oluşan denklem sistemleridir. Denklem sayısı = bağımlı değişken eşitliği sağlanmasıdır.

Ege Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü Kontrol Sistemleri II Dersi

Kaynaklar Shepley L. Ross, Differential Equations (3rd Edition), 1984.

Analog Alçak Geçiren Filtre Karakteristikleri

Diferansiyel Denklemler (MATH 276) Ders Detayları

İleri Diferansiyel Denklemler

DENİZ HARP OKULU TEMEL BİLİMLER BÖLÜM BAŞKANLIĞI DERS TANITIM BİLGİLERİ

İleri Diferansiyel Denklemler

SAYISAL KARARLILIK. Zaman Uzayı Sonlu Farklar Yöntemi

Diferansiyel Denklemler (MATH 276) Ders Detayları

İÇİNDEKİLER ÖNSÖZ Bölüm 1 SAYILAR 11 Bölüm 2 KÜMELER 31 Bölüm 3 FONKSİYONLAR

HOMOGEN OLMAYAN DENKLEMLER

TRANSİSTÖRLÜ YÜKSELTEÇLERDE GERİBESLEME

İşaret ve Sistemler. Ders 11: Laplace Dönüşümleri

Sistem Dinamiği. Bölüm 1- Sistem Dinamiğine Giriş. Doç.Dr. Erhan AKDOĞAN

İleri Diferansiyel Denklemler

İleri Diferansiyel Denklemler

Bir özvektörün sıfırdan farklı herhangi bri sabitle çarpımı yine bir özvektördür.

Fizik 101: Ders 23 Gündem

TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü ELE 301 Kontrol Sistemleri I.

FİZ217 TİTREŞİMLER VE DALGALAR DERSİNİN 2. ARA SINAV SORU CEVAPLARI

OTOMATİK KONTROL SİSTEMLERİ İŞARET AKIŞ DİYAGRAMLARI SIGNAL FLOW GRAPH

Sistem Dinamiği. Bölüm 6. Elektrik ve Elektromekanik Sistemler. Doç.Dr. Erhan AKDOĞAN

Ege Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü Kontrol Sistemleri II Dersi

İÇİNDEKİLER. Ön Söz...2. Adi Diferansiyel Denklemler...3. Birinci Mertebeden ve Birinci Dereceden. Diferansiyel Denklemler...9

ÜNİTE. MATEMATİK-1 Doç.Dr.Erdal KARADUMAN İÇİNDEKİLER HEDEFLER ÖZDEŞLİKLER, DENKLEMLER VE EŞİTSİZLİKLER

1. BÖLÜM Polinomlar BÖLÜM II. Dereceden Denklemler BÖLÜM II. Dereceden Eşitsizlikler BÖLÜM Parabol

Matematikte karşılaştığınız güçlükler için endişe etmeyin. Emin olun benim karşılaştıklarım sizinkilerden daha büyüktür.

Diferansiyel Denklemler (MATH 276) Ders Detayları

1. DENEY ADI: Rezonans Deneyi. analitik olarak bulmak denir. Serbestlik Derecesi: Genlik: Periyot: Frekans: Harmonik Hareket:

İleri Diferansiyel Denklemler

2. Sunum: Birinci ve İkinci Mertebeden Geçici Devreler

EEM 307 Güç Elektroniği

İstatistik ve Olasılık

İleri Diferansiyel Denklemler

GÜZ DÖNEMİ ARASINAV SORULARI. 1. Sayısal çözümleme ve fonksiyonu tanımlayarak kullanıldığı alanları kısaca açıklayınız?

İleri Diferansiyel Denklemler

Ders Adı Kodu Yarıyılı T+U Saati Ulusal Kredisi AKTS. Diferansiyel Denklemler EEE

Elektromanyetik Dalga Teorisi

MAK 210 SAYISAL ANALİZ

8.04 Kuantum Fiziği Ders XII

EEM HABERLEŞME TEORİSİ NİĞDE ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

Mühendislik Mekaniği Statik. Yrd.Doç.Dr. Akın Ataş

DERS ÖĞRETİM PROGRAMI FORMU

İÇİNDEKİLER ÖNSÖZ Bölüm 1 KÜMELER Bölüm 2 SAYILAR

İleri Diferansiyel Denklemler

Tanım: Kök yer eğrisi sistem parametrelerinin değişimi ile sistemin kapalı döngü köklerinin s düzlemindeki yerini gösteren grafiktir.

ELKE315-ELKH315 Introduction to Control Systems FINAL January 2, 2016 Time required: 1.5 Hours

İÇİNDEKİLER. Bölüm 2 CEBİR 43

Transkript:

Sistem Dinamiği - Dinamik Cevap ve Laplace Dönüşümü Doç.

Sunumlarda kullanılan semboller: El notlarına bkz. Yorum Soru MATLAB Bolum No.Alt Başlık No.Denklem Sıra No Denklem numarası Şekil No Şekil numarası Şekil No Tablo numarası Dikkat Doç. Bölüm 1 2

içerik: Diferansiyel denklemler Laplace Dönüşümü Laplace kullanılarak eşitliklerin çözümü Kesirlere ayırma yöntemi Cevap parametreleri ve kararlılık Transfer fonksiyonu Impuls ve pay dinamikleri Uygulama örnekleri MATLAB ile katsayı hesaplama MATLAB ile transfer fonksiyonu analizi 3

Giriş: Dinamik modeller, bir dinamik sistemi tanımlayan diferansiyel denklemlerdir. Bu bölümde mühendislik uygulamalarında sık kullanılan diferansiyel denklemlerin analitik çözümleri üzerinde durulacaktır. 4

2.1.Diferansiyel Denklemler: 5

ODE (ordinary differential equation) adi diferansiyel denklemler kısmi türevler içermeyen denklemlerdir. Çünkü sistem dinamikleri zamana bağlıdır. ODE lerin bağımsız değişkeni zaman (t) parametresi olacaktır. 6

Tanımlar: Tüm fonksiyonların bağımlı değişkenleri eşitliğin sol yanında ve tüm izole sabitler ve izole fonksiyonlar ise eşitliğin sağ yanında yer alır. Eşitliğin sağ yanına giriş yada zorlama fonksiyonu denir. Zamana bağlı bağımlı değişken çözüm yada yanıt (cevap) adını alır. Bağımlı değişken x(t): Yanıt veya çözüm Cevap veya giriş 7

2.1.1. Başlangıç koşulları: ODE Çözüm x(t) yi bulmak x(t)=ce -3t +0.5 C:sabit Herhangi bir anda x in özel bir değerini bilmiyor isek C bulunamaz. t 0 : t=0 anı (başlangıç zamanı) x 0 : başlangıç koşulu (t 0 anında x in değeri) 8

2.1.2. Diferansiyel denklemlerin sınıflandırılması: Diferansiyel denklemleri lineer ve nonlineer olarak sınıflandırabiliriz. Lineer dif. denklemde; bağımlı değişkenler ve bunların türevleri lineer fonksiyonlardır. Bağımsız değişkenin nonlineer fonksiyonu bir diferansiyel denklemi nonlineer yapmaz (aşağıdaki örneklerde t bağımsız değişken). Aşağıdaki denklemler lineerdir: 9

2.1.2. Diferansiyel denklemlerin sınıflandırılması: Aşağıdaki denklemler nonlineerdir. 10

Değişken ve sabit katsayılı dif. denklem: Değişken katsayılı dif. denklem Sabit katsayılı dif. denklem Sabit katsayılı dif. denklemleri çözerken başlangıç koşulları genelde 0 alınır. Bu çözümü basitleştirir. bağımlı değişkenin en yüksek dereceli türevinin derecesi denklemin derecesi kabul edilir. Aşağıda 2. derece bir dif. denklem verilmiştir. Bağlı (kuple=coupled) diferansiyel denklem 11

2.1.3. Direk integrasyon ile çözüm: 12

13

2.1.4. Değişkenlerin ayrılması: 14

Örnek 2.1.1. 15

Şekil 2.1.1 16

2.1.6. Kökler ve Kompleks Sayılar: Tablo 2.1.1. Kökler ve kompleks sayılar 17

2.1.6. Kökler ve Kompleks Sayılar: 18

Şekil 2.1.2 Şekil 2.1.3 19

Tablo 2.1.2. Eksponansiyel Fonksiyon 20

2.5. Cevap Parametreleri ve Kararlılık 21

Giriş: Genel olarak sistem dinamiklerindeki diferansiyel denklemler lineer ve sabit katsayılıdır. Herbiri genel olarak sağ-yanlıdır. Temel olarak birinci derece ve ikinci derece olmak üzere iki tipte bulunur: Birinci derece: İkinci derece: 22

Tablo 2.3.2 Sabit bir giriş için Çözüm Formları 23

2.5.1. Sistem davranışının (cevap veya çözüm=response) değerlendirilmesi: 24

Sistem cevabının yorumu: Osilasyon Eksponansiyel azalma Sonuç 25

26

2.5.2. Zaman Sabiti (Time Constant) 27

Birinci dereceden sistem cevabı: Aşağıdaki formda tekrar yazarsak: : zaman sabiti olmak üzere: Zaman sabiti, sistemin geçici durumu ve kalıcı hale ne zaman ulaşacağı konusunda bilgi verir. 28

Zaman Sabiti: 4 Şekil 2.5.1 Sistem cevabı MKT3131 Sistem Dinamiği 29

Zaman sabiti: Zorlanmış fonksiyon sabit ise; 30

Zaman sabiti: t=4tao sürede %98 kararlı hale gelir, t=5tao sürede ise %99 kararlı hale gelir. Buradaki fark çok küçük olduğundan genellikle mühendislik problemlerinde 4Tao süre kararlı hale gelme süresi olarak tanımlanır. Diğer yandan x(t) fonksiyonu sonsuza kadar tam olarak kararlı hale oturmayacaktır. 31

Örnek 2.5.1: Tablo 2.3.2 den 32

2.5.3. Baskın kök yaklaşımı (Dominant root approximation): 33

Dominant kutup ve dominant zaman sabiti: Örnek 2.5.1 de iki adet geçici zaman yanıt terimi vardır. Bunlar e -2t ve e -5t dir. x(t) nin zaman yanıtı incelenir ise e -2t nin diğer terime göre daha geç 0 a gittiği görülür. Yani bu terim zaman yanıtını daha çok etkiler. Bu nedenle bu terime baskın kutup adı verilir. Aynı terimin zaman sabitine ise baskın zaman sabiti denir. Ancak unutulmaması gereken bu terimlerin C 1 ve C 2 katsayılarının birbirine göre durumlarının da dikkate alınması gerekliliğidir. Geçici durum yaklaşık olarak ne zaman tamamlanacaktır??? 4Tao sürede. t=4x(1/2)=2 sn 34

Örnek (3.2.3 for 2nd Ed.):İkinci derece sistem cevabı, Kompleks Kökler 35

Örnek 2.5.2 için sistem cevabı: Örnek 2.5.2 c=0, x(0)=10, dx(0)/dt=0 Kökün negatif gerçek kısmının etkisi 1,33 Her çift aynı zaman sabitine sahip 36

2.5.4. Zaman sabitleri ve Kompleks Kökler 37

Örnek: İkinci derece, İmajiner Kökler 38

2.5.5. Doğal Frekans (Natural Frequency): 39

Doğal Frekans Tanımı: 40

Doğal frekans tanımının yorumu: Sistem cevabı sabit genlikli bir osilasyon sinyalidir. Genlik başlangıç koşullarına bağlıdır. Osilasyon frekansı ve periyot başlangıç koşullarından bağımsızdır. 41

2.5.6. Sönümlü(bastırılmış) doğal frekans (damped natural frequency) 42

43

44

Sönümlü doğal frekans 45

46

Sönümlü doğal frekansın yorumu: En büyük osilasyon frekansı c=0 da mümkündür. Bu durumda w n =w d olur. Eğer c yeterince büyük ise w d sıfır veya imajinerdir. Kökler reeldir ve osilasyon yoktur. w d =0 ve kökler reel ve birbirine eşit ise bu değer kritik sönüm değeri olarak adlandırılır. Eğer c>2sqrt(mk) ise cevap eksponansiyel Eğer c<2sqrt(mk) ise cevap osilasyon yapan bir sinyaldir. 47

2.5.7 Sönüm Oranı (Damping Ratio): 48

Sönüm oranı: Eğer iki kökte negatif veya negatif gerçek kısıma sahip ise 2. derece sistemin zorlanmamış cevabı sönüm oranı tarafından karakterize edilir. Bazen sönüm faktörü olarak da adlandırılabilir. 49

Sönüm oranı: Sönüm oranı bize sistem cevabının karakterini kolayca yorumlamamıza yardım eder. 50

51

52

53

Tablo 2.5.1. İkinci derece modellerin cevap parametreleri: 54

2.5.8 Kararlılık (Stability): 55

Kararlılık ile ilgili kavramlar: Kararsız (unstable): Bir sistemin zorlanmamış cevabı, zaman sonsuza gittikçe sonsuza gidiyor ise o sistem kararsızdır. Kararlı (stable): (asimptotik kararlı da denir) Bir sistemin zorlanmamış cevabı, zaman sonsuza gittikçe 0 a yaklaşıyor ise o sistem kararlıdır. 56

Kararlılık ile ilgili kavramlar: Kritik kararlı (critically stable=neutral stability): Sistemin zorlanmamış cevabı kararlılık ve kararsızlık sınırında ise sistem kritik kararlıdır. Sistemin zorlanmamış çözümü sonsuza veya 0 a yaklaşmaz. 57

Bir sistemin kararlılığı karakteristik denklemin kökleri incelenerek tespit edilir. 58

59

60

2. derece sistem yorumları: Şekil 2.5.4 61

Lineer sabit katsayılı modellerin kararlılık testi: Bir modelin herhangi bir kökü pozitif reel kısma sahip ise kararsızdır. Bir model sadece ve sadece karakteristik denkleminin tüm kökleri negatif reel kısma sahip ise kararlılıdır. Bir modelin gerçek kısımları sıfır olmak üzere imajiner eksen üzerinde en az bir katsız kök bulunması ancak katlı kök bulunmaması ve sağ yarı düzlemde hiçbir kökün bulunmaması durumunda kritik kararlıdır. 62

2.5.9. Sarkaç örneği: 63

Sarkaç hareketinin kararlılık açısından yorumu: Sürtünme yok ise kritik kararlı dır. Sürtünme var ise sistem başlangıç pozisyonuna döner. Kararlıdır. Şekil 2.5.5 64

2.5.10. Routh-Hurwitz Durumu: 65

Routh-Hurwitz Kriteri: Karakteristik denklemi ms 2 +cs+k=0 formunda olan sistemler için m, c ve k katsayılarının işaretleri aynı ise sistem kararlıdır. 66

2.5.11. Kararlılık ve denge (equilibrium) 67

Değişiklik olmama durumuna denge denir. Sarkaç eğer menzili teta=pi ise teta=0 derece konumunda dengededir. Teta=0 da dengede kararlıdır. Teta=pi denge konumunda ise kararsızdır. Bu durum bize farklı denge durumlarında kararlılığın değişebildiğini göstermektedir. Dolayısı ile sistemin tek başına fiziksel özelliklerine göre değil dengede bulunduğu yerlere göre kararlılık yorumlanmalıdır. 68

Lokal ve global kararlılık: Vadi denge Tepe denge Vadinin alt ucunda sürtünme yok ise top sonsuza kadar salınır. Kritik kararlı. Eğer sürtünme var ise vadi tabanında durur. Kararlı. Sürtünme var ise vadi dengesi lokal kararlı fakat global kararsız. Çünkü büyük bir kuvvet ile biz vadiden topu dışarı gönderirsek asla dönmeyecektir. Bir dengenin global kararlı olması için sistemin başlangıç koşullarına dönüş şarttır. Tepe noktada ise denge global kararsızdır. Lineer modeller için kararlılık analizi karakteristik denklemin kökleri kullanılarak global anlamda yapılabilir. Ancak nonlineer sistemler bu inceleme lokal kararlılığı verilen bir denge noktası civarında yapılabilir. 69

2.6. TRANSFER FONKSİYONU 70

Transfer fonksiyonu: dx/dt+ax=f(t) (2.6.1) x(0)=0 kabul edelim. sx(s)+ax(s)=f(s) T(s)=X(s)/F(s) T(s): Transfer fonksiyonu Transfer fonksiyonunun paydası karakteristik denklemdir. Sistem kararlılığı buradan analiz edilir. Birden fazla giriş ve çıkış olan sistemlerde (MIMO) transfer fonksiyonları girişler için ayrı ayrı elde edilir. Sadece bir giriş aktif edilerek çıkışlar bulunur. Daha sonra süperpozisyon yaklaşımı uygulanır. 71

Örnek 2.6.2 72

Çözüm 2.6.2: 73

Çözüm 2.6.2: 74

Çözüm 2.6.2: 75

2.7. Impuls ve pay dinamikleri: 76

2.7.1 Impuls Şekil 2.7.1 Darbenin kuvveti L Hospital Limit Kuralı: Eğer A= 1 ise birim impuls adını alır. Dirac delta olarak da adlandırılır ve dinamik sistem analizinde sık kullanılır. 77

2.7.2. Pay dinamikleri: Giriş (g(t)) nin türevi transfer fonksiyonunun payına bir s terimi ekledi. Bu tip modellere pay dinamiklerine sahiptir denir. Eğer g(t), u s (t) ise 78

2.8. Ek örnekler: Örnek 2.8.1 Örnek 2.8.2 Örnek 2.8.3 Örnek 2.8.4 Örnek 2.8.5 Örnek 2.8.6 Örnek 2.8.7 79

Örnek 2.8.1. 80

Örnek 2.8.2. 81

nin özeti: 82

Diferansiyel denklemler ve Laplace transformasyonu Zorlanmamış, zorlanmış, geçici hal ve kalıcı hal yanıtları İmpuls giriş ve girişin türevlerinin sistem cevabına etkileri Doğal frekans, sönüm oranı, zaman sabiti Kararlılık 83

Referans: System Dynamics, William Palm III, McGraw-Hill Education; 3 edition (March 19, 2013)