Birim Adım Cevabına Göre İkinci Dereceden Sistemlerin Sınıflandırılması

Tabii, şimdi birim adım cevabına göre ikinci dereceden sistemlerin sınıflandırılmasını açıklayan bir blog yazısı yazacağım.

İkinci dereceden sistemler, bir giriş sinyaline karşılık olarak bir çıkış sinyali üreten sistemlerdir. Bu sistemlerin matematiksel modelleri ikinci dereceden diferansiyel denklemlerle ifade edilir. Bu denklemlerin genel formu şöyledir:

adt2d2y​+bdtdy​+cy=f(t)

Burada, $y$ çıkış sinyalini, $f(t)$ giriş sinyalini, $a$, $b$ ve $c$ ise sistem parametrelerini temsil eder.

İkinci dereceden sistemler, genellikle aşağıdaki şekilde sınıflandırılır:

• Aşırı sönümlü sistemler (Overdamped Systems):

Bu sistemlerin karakteristik denklemi, gerçel, farklı ve negatif köklere sahiptir. Bu durumda, sistem çıkışı, giriş sinyalinin istenen değerine kararlı bir şekilde yaklaşırken, aşırı sönümlü sistemlerin çıkış sinyali, birkaç kez aşım yapabilir ve daha sonra giriş sinyalinin istenen değerine kararlı bir şekilde yaklaşabilir. Bu sistemler, aşırı sönümlü sistemler olarak adlandırılır.

• Kritik sönümlü sistemler (Critically Damped Systems):

Bu sistemlerin karakteristik denklemi, çift köklüdür ve bu köklerin değeri eşittir. Bu durumda, sistem çıkışı, giriş sinyalinin istenen değerine kararlı bir şekilde yaklaşırken, kritik sönümlü sistemlerin çıkış sinyali, aşırı sönümlü sistemlerin çıkış sinyalinden daha hızlı bir şekilde istenen değere yaklaşır.

• Aşırı sönümsüz sistemler (Underdamped Systems):

Bu sistemlerin karakteristik denklemi, karmaşık köklere sahiptir. Bu durumda, sistem çıkışı, giriş sinyalinin istenen değerine kararlı bir şekilde yaklaşırken, aşırı sönümsüz sistemlerin çıkış sinyali, aşırı sönümlü sistemlerin çıkış sinyalinden daha hızlı bir şekilde istenen değere yaklaşırken, sürekli olarak salınır. Bu sistemler, aşırı sönümsüz sistemler olarak adlandırılır.

Bu sınıflandırmalar, sistem davranışının analizi için kullanışlı bir araçtır ve birim adım cevabına göre ikinci dereceden sistemlerin davranışını anlamak için kullanılabilir.

Referans ve Kaynaklar

1. https://www.quora.com/What-are-over-damped-critically-and-under-damped-systems

Unit Step Response (Birim Adım Cevabı)

Birim adım cevabı (step response), kontrol sistemlerinin dinamik performansını analiz etmek için önemli bir araçtır. Bu cevap, bir kontrol sistemi için birim adım girdisi (step input) uygulandığında, çıkışın nasıl davrandığını tanımlar. Birim adım girdisi, zamanda sıfır olan bir girdi sinyalidir ve zaman sıfırından sonra aniden bir değer alır. Bu nedenle, birim adım cevabı, kontrol sistemi çıkışının zamana bağlı olarak nasıl değiştiğini gösterir.

Birim adım cevabı, bir kontrol sistemi tasarlarken veya bir kontrol sistemi için performans değerlendirmesi yaparken çok önemlidir. Birim adım cevabı, kontrol sistemi çıkışının kararlılık, hız ve doğruluk gibi özelliklerini analiz etmek için kullanılır.

Birim adım cevabının analizi, bir dizi anahtar kelimeyi içerir. Bunlar arasında, kararlılık (stability), hız (speed), doğruluk (accuracy), yükselme zamanı (rise time), kararlı durum hatası (steady-state error), durulma süresi (settling time), aşım (overshoot) ve zirve zamanı (peak time) yer alır.

Kararlılık, bir kontrol sisteminin istikrarlı olup olmadığını ifade eder. Birim adım cevabı, bir kontrol sisteminin kararlılık özelliğini analiz etmek için kullanılır. Eğer birim adım cevabı kararlı bir çıkış sağlıyorsa, kontrol sistemi kararlıdır.

Hız, bir kontrol sisteminin ne kadar hızlı cevap verdiğini ifade eder. Birim adım cevabı, bir kontrol sisteminin hız özelliğini analiz etmek için kullanılır. Yükselme zamanı, bir kontrol sisteminin belirli bir yüzde değerindeki çıkışa ne kadar sürede ulaştığını ifade eder. Birim adım cevabı, yükselme zamanını belirlemek için kullanılır.

Doğruluk, bir kontrol sisteminin ne kadar doğru çalıştığını ifade eder. Birim adım cevabı, bir kontrol sisteminin doğruluk özelliğini analiz etmek için kullanılır. Kararlı durum hatası, bir kontrol sisteminin belirli bir yüzde değerindeki istenen çıkışa ulaşamama derecesini ifade eder. Birim adım cevabı, kararlı durum hatasını belirlemek için kullanılır.

Durulma süresi, bir kontrol sisteminin belirli bir yüzde değerindeki çıkışın istenen değere ulaşması için ne kadar süre gerektiğini ifade eder. Birim adım cevabı, durulma süresini belirlemek için kullanılır.

Aşım, bir kontrol sisteminin istenendeğerden fazla çıkmasıdır. Aşım, birim adım cevabı grafiği üzerinde zirve zamanı ve zirve değeri ile belirtilir.

Zirve zamanı, bir kontrol sistemi çıkışının en yüksek değere ne kadar sürede ulaştığını ifade eder. Birim adım cevabı grafiği üzerinde, zirve zamanı aşımın gerçekleştiği zamana denk gelir.

Birim adım cevabı, bir kontrol sistemi tasarlarken veya performansını değerlendirirken kullanılan bir araçtır. Birim adım girdisi uygulandığında, çıkışın nasıl değiştiğini gösterir ve kararlılık, hız ve doğruluk gibi özellikleri analiz etmek için kullanılır.

Kontrol sistemleri tasarımında ve performans analizinde kullanılan diğer anahtar kelimeler arasında frekans cevabı (frequency response), kök-ünite çevrimi (root locus), kutup-günüm gösterimi (pole-zero plot) ve Bode diyagramı yer alır.

Frekans cevabı, bir kontrol sistemi için girdiye verilen belirli bir frekansta çıkışın nasıl tepki verdiğini ifade eder. Frekans cevabı analizi, bir kontrol sisteminin frekans aralığında nasıl davrandığını analiz etmek için kullanılır.

Kök-ünite çevrimi, bir kontrol sisteminin kararlılık özelliğini analiz etmek için kullanılan bir yöntemdir. Kök-ünite çevrimi, köklerin (poles) ve kutupların (zeros) birim çember üzerinde nasıl yerleştiğini analiz eder.

Kutup-günüm gösterimi, bir kontrol sisteminin transfer fonksiyonunu kutuplar ve sıfırların yerlerini kullanarak gösteren bir yöntemdir. Kutup-günüm gösterimi, bir kontrol sisteminin kararlılık ve performans özelliklerini analiz etmek için kullanılır.

Bode diyagramı, bir kontrol sistemi için frekans cevabının bir grafiksel gösterimidir. Bode diyagramı, bir kontrol sisteminin frekans tepkisini analiz etmek için kullanılır.

Sonuç olarak, birim adım cevabı, kontrol sistemleri tasarımı ve performans analizinde önemli bir araçtır. Kararlılık, hız ve doğruluk gibi kontrol sistemleri özelliklerinin analizi için kullanılan bir dizi anahtar kelimeyi içerir. Frekans cevabı, kök-ünite çevrimi, kutup-günüm gösterimi ve Bode diyagramı gibi diğer yöntemler de kontrol sistemleri analizinde kullanılan önemli araçlardır.

İkinci dereceden bir sistemin birim adım cevabı aşağıdaki grafiğe benzer şekilde davranır. Bu grafik bir underdamped sisteme aittir. İkinci dereceden olan sistemler undamped, underdamped, critically dapmed ve overdamped şeklinde dört ayrı sınıfa ayrılabilir.

Bu grafikte işaretlenen ifadeler;

• Max. Overshoot: Sistem çıkışının çıktığı maximum değer.
• Rise Time: Sisteme step input uygulandıktan sonra, sistem çıkışının %10 dan %90 a kadar ulaşması için geçen süre. Burada ifade edilen yüzde değeri set pointi %100 kabul ederek hesaplanır.
• Peak Time: Sisteme step input uygulandıktan sonra, sistemin max. overshoot noktasına ulaşma süresi.
• Settling Time: Sisteme step input uygulandıktan sonra, sistemin set pointe +-%2 hata ile ulaşma süresi. %2 değeri genel kabuldur. Farklı bir değer de kabul edilebilir.
• Steady State Error: Sistemin osilasyona girdiği, set pointe yakınsadığı alanda % kaç hata ile salındığını ifade eder. Örnek olarak sıcaklık 50 dereceye ayarlanmış olsun ve sistem çıkışı 45-55 derece arasında salınırsa steady state error +-%10 olarak ifade edilir.

Referanslar

• https://lpsa.swarthmore.edu/Transient/TransInputs/TransStep.html
• https://www.researchgate.net/figure/Unit-step-response-of-the-2nd-order-system_fig2_221347190

Kapasitör Dolum Eğrisi ve Ölçüm Metodu

Kondansatör (capacitor) üzerinde elektrik depolayabilen bir pasif elektronik elemandır. Kondansatörün kapasite değeri Farad birimi üzerinden değerlendirilir.

Kondansatörün dolum eğrisi aşağıdaki gibidir. Kontansatör herhangi bir t anında bir R1 direnci üzerinden enerjilendirildiğinde (step input) üzerindeki voltaj değişimi Vout gibi davranır. Vout'un herhangi bir andaki değerini hesaplamak için aşağıdaki görselde verilen ilk formül kullanılır. Bu formülde belli bir zamandaki voltajı hesaplarken Vin, e, R, C ve t sait olacağı için ilgili zamandaki voltaj değeri bulunabilir.

Aynı formülde t ifadesini çekerek kutu içerisindeki ifade elde edilir. Bu ifade bize şunu söyler. R, Vin sabit ve Vout belirlenen bir değer ise, dolum eğrisinin Vout değerine ne kadar sürede geldiğini ölçebilirsek gömülü bir sistem üzerinde kapasitör ölçümü yapılabilir. Vout değeri Vin/2 veya Vin/e seçilebilir. Çok yüksek veya düşük Vin değerleri ölçüm açısından sağlıklı olmayabilir.

Osiloskop üzerinden alınmış bir kapasitör dolum görseli aşağıdaki gibidir. Bu görselde;

• Sarı: Kapasitör dolumunu tetikleyen sinyal.
• Turkuaz: Kapasitör dolum voltaj grafiği.
• Pembe: Kapasitör ile 1.65 V luk sabit bir değer üzerinden kurulan karşılaştırıcı devresinin çıkışı.

Algoritma tarafında tetikleme sinyalini verdikten sonra karşılaştırıcının düşen kenarına kadar geçen süre bize kapasitör değerini hesaplamak için gereken zaman bilgisini verir. Aşağıda görseli verilen testte R=1kOhm, C=470nF seçilmiştir. Bu durumda kapasitör voltajının 1.65 V'a gelmesi 325us sürecektir. Aynı süreyi osiloskop görselinden de görebilirsiniz. (Cursorlar ile işaretlememek eksiklik olmuş)

Son söz olarak, kondansatör ölçümü için daha farklı ölçüm yöntemleri de mevcuttur. Bu yöntemlere örnek olarak kondansatörlere belirli frekans değerlerinde sinyal uygulanır. Bu sinyallerin değişimi üzerinden kondansatör değerine karar verilir. Ölçüm yöntemlerinin tamamında zaman tabanlı işlemler olduğu için kondansatör ölçümü zamana bağımlıdır ve direnç ölçümüne nispeten uzun sürer.

Kaynaklar:

• https://www.elektrikde.com/kondansator-ve-cesitleri-nelerdir/

ADC Nedir? Analog to Digital Çevrim İşleminde Karşılaşılan Hatalar Nelerdir?

 ADC (Analog-to-digital converter, Analogtan Dijitale Çevirici) analog verileri dijital verilere çeviren çevre birimleridir. ADC yapıları gerçek dünyadan dijital dünyaya veri almanın en bilinen yöntemidir. ADC yapıları sinyalleri tanımlanmış zaman aralıklarında alır ve ADC çözünürlüğü ölçüsünde quantize eder. Böylece ADC yapıları, dijital hesaplamalar için zamanda ve genlikte quantalanmış/ayrılmış veriler sağlar.

ADC işlemine örnek olarak ses verisinin dijitale çevrilmesi verilebilir. Ses sinyali ile mikrofon üzerindeki gerilim değişir. Bu gerilim değeri ADC tarafından okunarak ses sinyali dijitalleştirilmiş olur. İşlemciler üzerinde bu dijital veri işlenerek anlamlı bir bilgiye çevrilir.

ADC farklı tiplerde tasarlanabilir. Mikrodenetleyicilerde en yaygın kullanılan ADC tipleri SAR ve ΔΣ ADC tipleridir.

Farklı ADC çözünürlük ve ölçüm frekanslarına ait tablo aşağıdaki gibidir.ADC'nin çözünürlüğü Vcc/(2^bit) formülü ile bulunur. Örneğin 5 V ile çalışan 12 bitlik bir ADC'nin çözünürlüğü;

5 V/(2^12) = 5 V/4096 = 1,22 mV'dur.

Kısa bilgi olarak ADC'nin tersi yönde çalışan DAC yapıları da vardır. DAC yapıları işlemciler içerisindeki dijital verilerin analog verilere döndürülmesi için kullanılır. Bu iki yönlü dönüşüm aşağıdaki görselde verilmiştir.

ADC Hata Tipleri

ADC ölçümlerinde, ölçüm yapılan ADC yapısına göre çeşitli hata tipleri oluşabilir. Bu hatalar 3 ana başlıkta toplanabilir.

Doğrusallık Hatası

İdeal durumda ADC'nin normalde gerilime göre oransal bir çıkış vermesi gerekir. ADC'nin iç yapısına ve çevresel etkilere göre ADC üzerinde farklı aralıklarda farklı oranlar ortaya çıkabilir. Bu durumda doğrusallık hatası ortaya çıkar. Bu etkinin grafiksel gösterimi aşağıdaki gibidir.

Kazanç Hatası

ADC üzerinde kazanca bağlı değişen bir kazanç hatası ortaya çıkabilir. Bu ADC'nin o anki değerine göre oransal olarak artan bir hata tipidir. Bu durumda kazanç hatası ortaya çıkar. Bu etkinin grafiksel gösterimi aşağıdaki gibidir. Bunu kompanze etmek için ADC ölçümü bir katsayı ile çarpılabilir.

Dengeleme Hatası

ADC üzerinde belli bir dengeleme/ofset hatası ortaya çıkabilir. Bu ADC'nin herhangi bir andaki değerine göre sabit bir değer ekler. Bu durumda dengeleme hatası ortaya çıkar. Bu etkinin grafiksel gösterimi aşağıdaki gibidir. Bunu kompanze etmek için ADC değerine belli bir sabit değer eklenebilir.

Referanslar:

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Analog-to-digital_converter

Varyans, Standard Sapma, Kovaryans, Korelasyon Kavramları

 Çeşitli istatistik hesaplamalara dair aldığım notlar aşağıdaki gibidir. Bu fonksiyonların bir kısmının C dilinde gerçeklenmiş halleri de https://github.com/enginsubasi/esclib/blob/master/src/math/statistic.c adresindedir.

Finite Impulse Response (FIR), Infinite Impulse Response (IIR) Yapılarının Zaman ve Frekans Domaininde Tanımları