Durum Geri Beslemeli Kontrol

Durum geri beslemeli kontrol, sistemin çıkışına ait durumların ölçülerek geri beslenmesi ve bu bilgilerin, hedeflenen giriş değeriyle karşılaştırılması esasına dayanan kapalı çevrimli bir kontrol yöntemidir.

Yöntemin Detayları ve İşleyişi

Durum geri beslemesi, bir sistemin tüm durum değişkenlerinin ölçülmesinin gerekli olduğu bir kontrol sistemi tasarım tekniğidir. Sistemin tüm durumlarının sabit bir geri besleme kazanç matrisi (<span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.6833em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.07153em;">K</span></span></span></span>) aracılığıyla sistem girişine geri beslenmesini içerir.

Durum uzayı (state-space) gösterimi olarak bilinen matematiksel bir model, doğrusal sistemlerin dinamik davranışını tasvir etmek için matrisler ve vektörler kullanır. Durum uzayı formunda, doğrusal zamanla değişmeyen (LTI) bir sistem aşağıdaki gibi temsil edilir:

<span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:1em;vertical-align:-0.25em;"></span><span class="mord accent"><span class="vlist-t"><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.6679em;"><span style="top:-3em;"><span class="pstrut" style="height:3em;"></span><span class="mord mathnormal">x</span></span><span style="top:-3em;"><span class="pstrut" style="height:3em;"></span><span class="accent-body" style="left:-0.1111em;"><span class="mord">˙</span></span></span></span></span></span></span><span class="mopen">(</span><span class="mord mathnormal">t</span><span class="mclose">)</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span><span class="mrel">=</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:1em;vertical-align:-0.25em;"></span><span class="mord mathnormal">A</span><span class="mord mathnormal">x</span><span class="mopen">(</span><span class="mord mathnormal">t</span><span class="mclose">)</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222em;"></span><span class="mbin">+</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:1em;vertical-align:-0.25em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.05017em;">B</span><span class="mord mathnormal">u</span><span class="mopen">(</span><span class="mord mathnormal">t</span><span class="mclose">)</span></span></span></span>

<span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:1em;vertical-align:-0.25em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.03588em;">y</span><span class="mopen">(</span><span class="mord mathnormal">t</span><span class="mclose">)</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span><span class="mrel">=</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:1em;vertical-align:-0.25em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.07153em;">C</span><span class="mord mathnormal">x</span><span class="mopen">(</span><span class="mord mathnormal">t</span><span class="mclose">)</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222em;"></span><span class="mbin">+</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:1em;vertical-align:-0.25em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.02778em;">D</span><span class="mord mathnormal">u</span><span class="mopen">(</span><span class="mord mathnormal">t</span><span class="mclose">)</span></span></span></span>

A, B, C ve D matrisleri, sistemin dinamiklerini tanımlayan matrisleriyken u(t) giriş, y(t) çıkış ve x(t) ise durum vektörüdür. Bu form, durum geri besleme denetleyicileri gibi sofistike kontrol sistemlerini analiz etmek ve tasarlamak için bir temel sağlar.

Durum geri besleme kontrolü, durum vektöründen geri besleme kullanarak kontrol girişini belirlemeyi içerir:

<span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:1em;vertical-align:-0.25em;"></span><span class="mord mathnormal">u</span><span class="mopen">(</span><span class="mord mathnormal">t</span><span class="mclose">)</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span><span class="mrel">=</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:1em;vertical-align:-0.25em;"></span><span class="mord">−</span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.07153em;">K</span><span class="mord mathnormal">x</span><span class="mopen">(</span><span class="mord mathnormal">t</span><span class="mclose">)</span></span></span></span>

Burada K durum geri besleme kazanç matrisidir. Temel hedef, kapalı çevrim sistem matrisinin (A − BK) kutup yerlerini karmaşık düzlemde belirli konumlara yerleştirerek istenen sistem özelliklerine, örneğin kararlı ve daha hızlı bir sistem cevabına ulaşmaktır. Durum geri besleme kontrolü, modern kontrol teorisinin temel tekniklerinden biridir ve durum değişkenlerini geri besleme olarak kullanarak sistem dinamikleri üzerinde hassas kontrol sağlar. Geri besleme yoluyla sistemin kutup yerleştirmesini değiştirerek mühendisler, kararlılığı artırabilir, geçici yanıtları azaltabilir ve kontrol performansını optimize edebilir.

n boyutlu sistemin kontrolü ve geçici yanıtının şekli, sistem matrisi <span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.6833em;"></span><span class="mord mathnormal">A</span></span></span></span>'nın özdeğerlerinin konumu tarafından belirlenir. Eğer sistem kararlı değilse veya kararlı olsa bile geçici yanıt tasarım isterilerini karşılamıyorsa, geri besleme kontrolü ile özdeğerlerin yerlerini yeniden atayabiliriz. Kapalı çevrim sisteminin kararlılığı ve geçici yanıtı, <span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.7667em;vertical-align:-0.0833em;"></span><span class="mord mathnormal">A</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222em;"></span><span class="mbin">−</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:0.6833em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.05017em;">B</span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.07153em;">K</span></span></span></span> matrisinin özdeğerleri tarafından belirlenir, bu özdeğerler kapalı çevrim özdeğerleri olarak adlandırılır. Bu durum açık çevrim sisteminin özdeğerleri olan <span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.6833em;"></span><span class="mord mathnormal">A</span></span></span></span> matrisinin özdeğerlerinden farklıdır.

Kutup Yerleştirme Tekniği

Kutup yerleştirme (pole-placement) tekniği durum geri beslemeli kontrolün temelini oluşturur. Araştırmalar, çeşitli doğrusal sistem konfigürasyonlarına uyarlanabilirliği ve pertürbasyonlara karşı sağlamlığı nedeniyle güç sistemleri, robotik ve havacılık mühendisliği dahil olmak üzere çeşitli alanlardaki uygulamalarını vurgulamaktadır.

Kutup yerleştirme tekniği ile durum geri besleme yöntemi, sistemi kararlı hale getirmenin yanı sıra gerekli performans kriterlerini elde etmek için kapalı döngü sistemin kutuplarını istenen konumlara taşır. Bu tekniğin temel amacı, kutupları istenen konumlara yerleştiren optimum geri besleme kazancını, <span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.6833em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.07153em;">K</span></span></span></span>, bulmaktır. Kapalı çevrim sistemin kutupları, kapalı çevrim sistemin özdeğerleridir. Yani aslında <span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.6833em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.07153em;">K</span></span></span></span> matrisi yardımıyla kutupların yerleri değiştirilerek <span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.7667em;vertical-align:-0.0833em;"></span><span class="mord mathnormal">A</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222em;"></span><span class="mbin">−</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:0.6833em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.05017em;">B</span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.07153em;">K</span></span></span></span> ifadesinin özdeğerleri değiştirilmiş olur. O halde, durum geri beslemeli bir kontrolcü tasarlamak için iki adım vardır: İstenen kutupların seçilmesi ve ilgili K matrisinin hesaplanması.

Optimum K değerini hesaplamak için birkaç yöntem vardır. Bunlardan en çok kullanılanı 'Katsayıların Eşitlenmesi' metodu ile Ackermann formülüdür.

Katsayıların Eşitlenmesi

Katsayıları Eşitleme (Equalizing Coefficients) metodu, durum geri besleme tasarımı için temel yöntemdir.

Buradaki mantık, sistemin karakteristik denklemi ile istenen karakteristik denklemini karşılaştırmak ve katsayıları eşitleyerek optimum K değerini bulmaktır. Sistemin karakteristik denklemi <span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:1em;vertical-align:-0.25em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.0037em;">α</span><span class="mopen">(</span><span class="mord mathnormal">s</span><span class="mclose">)</span></span></span></span> ile gösterilir ve şuna eşittir:

<span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:1em;vertical-align:-0.25em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.0037em;">α</span><span class="mopen">(</span><span class="mord mathnormal">s</span><span class="mclose">)</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span><span class="mrel">=</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:1em;vertical-align:-0.25em;"></span><span class="mord mathnormal">d</span><span class="mord mathnormal">e</span><span class="mord mathnormal">t</span><span class="mopen">(</span><span class="mord mathnormal">s</span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.07847em;">I</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222em;"></span><span class="mbin">−</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:1em;vertical-align:-0.25em;"></span><span class="mopen">(</span><span class="mord mathnormal">A</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222em;"></span><span class="mbin">−</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:1em;vertical-align:-0.25em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.05017em;">B</span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.07153em;">K</span><span class="mclose">))</span></span></span></span>

Bu denklem s'nin bir fonksiyonudur ve K değerine bağlı değişkenler içerir (k₁, k₂, ..., k_n gibi). İstenen karakteristik denklem ise sistemin yerleştirilmek istenen yeni kutuplarının bir fonksiyonudur ve aşağıdaki şekilde hesaplanır:

<span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:1em;vertical-align:-0.25em;"></span><span class="mord"><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.0037em;">α</span><span class="msupsub"><span class="vlist-t vlist-t2"><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.3361em;"><span style="top:-2.55em;margin-left:-0.0037em;margin-right:0.05em;"><span class="pstrut" style="height:2.7em;"></span><span class="sizing reset-size6 size3 mtight"><span class="mord mathnormal mtight">d</span></span></span></span><span class="vlist-s">​</span></span><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.15em;"><span></span></span></span></span></span></span><span class="mopen">(</span><span class="mord mathnormal">s</span><span class="mclose">)</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span><span class="mrel">=</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:1em;vertical-align:-0.25em;"></span><span class="mopen">(</span><span class="mord mathnormal">s</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222em;"></span><span class="mbin">−</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:1em;vertical-align:-0.25em;"></span><span class="mord"><span class="mord mathnormal">p</span><span class="msupsub"><span class="vlist-t vlist-t2"><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.3011em;"><span style="top:-2.55em;margin-left:0em;margin-right:0.05em;"><span class="pstrut" style="height:2.7em;"></span><span class="sizing reset-size6 size3 mtight"><span class="mord mtight">1</span></span></span></span><span class="vlist-s">​</span></span><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.15em;"><span></span></span></span></span></span></span><span class="mclose">)</span><span class="mopen">(</span><span class="mord mathnormal">s</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222em;"></span><span class="mbin">−</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:1em;vertical-align:-0.25em;"></span><span class="mord"><span class="mord mathnormal">p</span><span class="msupsub"><span class="vlist-t vlist-t2"><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.3011em;"><span style="top:-2.55em;margin-left:0em;margin-right:0.05em;"><span class="pstrut" style="height:2.7em;"></span><span class="sizing reset-size6 size3 mtight"><span class="mord mtight">2</span></span></span></span><span class="vlist-s">​</span></span><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.15em;"><span></span></span></span></span></span></span><span class="mclose">)</span><span class="mord">...</span><span class="mopen">(</span><span class="mord mathnormal">s</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222em;"></span><span class="mbin">−</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2222em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:1em;vertical-align:-0.25em;"></span><span class="mord"><span class="mord mathnormal">p</span><span class="msupsub"><span class="vlist-t vlist-t2"><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.1514em;"><span style="top:-2.55em;margin-left:0em;margin-right:0.05em;"><span class="pstrut" style="height:2.7em;"></span><span class="sizing reset-size6 size3 mtight"><span class="mord mathnormal mtight">n</span></span></span></span><span class="vlist-s">​</span></span><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.15em;"><span></span></span></span></span></span></span><span class="mclose">)</span></span></span></span>

<span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.625em;vertical-align:-0.1944em;"></span><span class="mord"><span class="mord mathnormal">p</span><span class="msupsub"><span class="vlist-t vlist-t2"><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.3117em;"><span style="top:-2.55em;margin-left:0em;margin-right:0.05em;"><span class="pstrut" style="height:2.7em;"></span><span class="sizing reset-size6 size3 mtight"><span class="mord mathnormal mtight">i</span></span></span></span><span class="vlist-s">​</span></span><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.15em;"><span></span></span></span></span></span></span></span></span></span> değerleri istenen kutupları temsil eder. <span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:1em;vertical-align:-0.25em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.0037em;">α</span><span class="mopen">(</span><span class="mord mathnormal">s</span><span class="mclose">)</span></span></span></span> ve <span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:1em;vertical-align:-0.25em;"></span><span class="mord"><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.0037em;">α</span><span class="msupsub"><span class="vlist-t vlist-t2"><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.3361em;"><span style="top:-2.55em;margin-left:-0.0037em;margin-right:0.05em;"><span class="pstrut" style="height:2.7em;"></span><span class="sizing reset-size6 size3 mtight"><span class="mord mathnormal mtight">d</span></span></span></span><span class="vlist-s">​</span></span><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.15em;"><span></span></span></span></span></span></span><span class="mopen">(</span><span class="mord mathnormal">s</span><span class="mclose">)</span></span></span></span> denklemleri hesaplandıktan sonra karşılaştırılarak (<span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:1em;vertical-align:-0.25em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.0037em;">α</span><span class="mopen">(</span><span class="mord mathnormal">s</span><span class="mclose">)</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span><span class="mrel">=</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:1em;vertical-align:-0.25em;"></span><span class="mord"><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.0037em;">α</span><span class="msupsub"><span class="vlist-t vlist-t2"><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.3361em;"><span style="top:-2.55em;margin-left:-0.0037em;margin-right:0.05em;"><span class="pstrut" style="height:2.7em;"></span><span class="sizing reset-size6 size3 mtight"><span class="mord mathnormal mtight">d</span></span></span></span><span class="vlist-s">​</span></span><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.15em;"><span></span></span></span></span></span></span><span class="mopen">(</span><span class="mord mathnormal">s</span><span class="mclose">)</span></span></span></span>) K vektörünün elemanları bulunur ve optimum K değerine ulaşılmış olur.

Ackermann Formülü

Literatürde sıklıkla kullanılan bir diğer metotsa Ackermann formülüdür. K vektörü temelde şu formül ile hesaplanır:

<span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.6833em;"></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.07153em;">K</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span><span class="mrel">=</span><span class="mspace" style="margin-right:0.2778em;"></span></span><span class="base"><span class="strut" style="height:1.0641em;vertical-align:-0.25em;"></span><span class="mopen">[</span><span class="mord">0...1</span><span class="mclose">]</span><span class="mord"><span class="mord"><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.07153em;">C</span></span><span class="msupsub"><span class="vlist-t"><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.8141em;"><span style="top:-3.063em;margin-right:0.05em;"><span class="pstrut" style="height:2.7em;"></span><span class="sizing reset-size6 size3 mtight"><span class="mord mtight"><span class="mord mtight">−</span><span class="mord mtight">1</span></span></span></span></span></span></span></span></span><span class="mord"><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.0037em;">α</span><span class="msupsub"><span class="vlist-t vlist-t2"><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.3361em;"><span style="top:-2.55em;margin-left:-0.0037em;margin-right:0.05em;"><span class="pstrut" style="height:2.7em;"></span><span class="sizing reset-size6 size3 mtight"><span class="mord mathnormal mtight">d</span></span></span></span><span class="vlist-s">​</span></span><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.15em;"><span></span></span></span></span></span></span><span class="mopen">(</span><span class="mord mathnormal">A</span><span class="mclose">)</span></span></span></span>

Bu formülde, <span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:1em;vertical-align:-0.25em;"></span><span class="mopen">[</span><span class="mord">0</span><span class="mspace" style="margin-right:0.1667em;"></span><span class="minner">…</span><span class="mspace" style="margin-right:0.1667em;"></span><span class="mord">1</span><span class="mclose">]</span></span></span></span> vektörü, son elemanı 1 ve geri kalanları 0 olan <span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:1em;vertical-align:-0.25em;"></span><span class="mopen">(</span><span class="mord">1</span><span class="mord mathnormal">x</span><span class="mord mathnormal">n</span><span class="mclose">)</span></span></span></span> boyutunda bir vektördür. <span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:0.6833em;"></span><span class="mord"><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.07153em;">C</span></span></span></span></span> matrisi, <span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:1.0641em;vertical-align:-0.25em;"></span><span class="mopen">[</span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.05017em;">B</span><span class="mpunct">,</span><span class="mspace" style="margin-right:0.1667em;"></span><span class="mord mathnormal">A</span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.05017em;">B</span><span class="mpunct">,</span><span class="mspace" style="margin-right:0.1667em;"></span><span class="mord">...</span><span class="mpunct">,</span><span class="mspace" style="margin-right:0.1667em;"></span><span class="mord"><span class="mord mathnormal">A</span><span class="msupsub"><span class="vlist-t"><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.8141em;"><span style="top:-3.063em;margin-right:0.05em;"><span class="pstrut" style="height:2.7em;"></span><span class="sizing reset-size6 size3 mtight"><span class="mord mtight"><span class="mord mathnormal mtight">n</span><span class="mbin mtight">−</span><span class="mord mtight">1</span></span></span></span></span></span></span></span></span><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.05017em;">B</span><span class="mclose">]</span></span></span></span> şeklinde hesaplanan kontrol edilebilirlik matrisidir ve <span class="katex"><span class="katex-html" aria-hidden="true"><span class="base"><span class="strut" style="height:1em;vertical-align:-0.25em;"></span><span class="mord"><span class="mord mathnormal" style="margin-right:0.0037em;">α</span><span class="msupsub"><span class="vlist-t vlist-t2"><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.3361em;"><span style="top:-2.55em;margin-left:-0.0037em;margin-right:0.05em;"><span class="pstrut" style="height:2.7em;"></span><span class="sizing reset-size6 size3 mtight"><span class="mord mathnormal mtight">d</span></span></span></span><span class="vlist-s">​</span></span><span class="vlist-r"><span class="vlist" style="height:0.15em;"><span></span></span></span></span></span></span><span class="mopen">(</span><span class="mord mathnormal">s</span><span class="mclose">)</span></span></span></span> istenen karakteristik denklemdir.