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