INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA NR 7

Podobne dokumenty
CYFROWE PRZTWARZANIE SYGNAŁÓW (Zastosowanie transformacji Fouriera)

Laboratorium Mechaniki Technicznej

INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA NR 5

Sposoby modelowania układów dynamicznych. Pytania

Rozwiązywanie równań różniczkowych zwyczajnych za pomocą komputera

) (2) 1. A i. t+β i. sin(ω i

Elektrotechnika I stopień Ogólno akademicki. Przedmiot kierunkowy. Obowiązkowy Polski VI semestr zimowy

Rys 1 Schemat modelu masa- sprężyna- tłumik

E-E-A-1008-s5 Komputerowa Symulacja Układów Nazwa modułu. Dynamicznych. Elektrotechnika I stopień Ogólno akademicki. Przedmiot kierunkowy

WIBROIZOLACJA określanie właściwości wibroizolacyjnych materiałów

Drgania poprzeczne belki numeryczna analiza modalna za pomocą Metody Elementów Skończonych dr inż. Piotr Lichota mgr inż.

Laboratorium z automatyki

Procedura modelowania matematycznego

TEORIA OBWODÓW I SYGNAŁÓW LABORATORIUM

MECHANIKA 2. Drgania punktu materialnego. Wykład Nr 8. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA NR 4

MECHANIKA II. Drgania wymuszone

Rozdział 1 PODSTAWOWE POJĘCIA I DEFINICJE

Podstawy Automatyki. wykład 1 ( ) mgr inż. Łukasz Dworzak. Politechnika Wrocławska. Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji (I-24)

Podstawy Automatyki. Wykład 5 - stabilność liniowych układów dynamicznych. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

WIBROIZOLACJA określanie właściwości wibroizolacyjnych materiałów

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Mechatroniki. Mateusz Saków

MECHANIKA II. Dynamika ruchu obrotowego bryły sztywnej

Podstawy Automatyki. Wykład 5 - stabilność liniowych układów dynamicznych. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

Podstawy Automatyki. Wykład 5 - stabilność liniowych układów dynamicznych. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

Politechnika Wrocławska, Wydział Informatyki i Zarządzania. Modelowanie

Temat ćwiczenia. Pomiary drgań

DRGANIA MECHANICZNE. Poniższe materiały tylko dla studentów uczęszczających na zajęcia. Zakaz rozpowszechniania i powielania bez zgody autora.

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Mechatroniki. Mateusz Saków

Wpływ nieliniowości elementów układu pomiarowego na błąd pomiaru impedancji

WYZNACZANIE CECH PUNKTOWYCH SYGNAŁÓW POMIAROWYCH

Mechatronika i inteligentne systemy produkcyjne. Modelowanie systemów mechatronicznych Platformy przetwarzania danych

Wykład z modelowania matematycznego. Przykłady modelowania w mechanice i elektrotechnice.

KATEDRA AUTOMATYKI, BIOMECHANIKI I MECHATRONIKI. Laboratorium. Mechaniki Technicznej

DRGANIA SWOBODNE UKŁADU O DWÓCH STOPNIACH SWOBODY. Rys Model układu

Spis rysunków Widok okien głównych Matlaba i Scilaba Edytory skryptów w Matlabie i Scilabie... 7

Modelowanie systemów empirycznych - analiza modelu amortyzacji samochodu o dwóch stopniach swobody

TEORIA DRGAŃ Program wykładu 2016

Rozwiązywanie równań różniczkowych z niezerowymi warunkami początkowymi

Badanie stabilności liniowych układów sterowania

Stabilność II Metody Lapunowa badania stabilności

Politechnika Wrocławska, Wydział Informatyki i Zarządzania. Modelowanie

Automatyka i robotyka ETP2005L. Laboratorium semestr zimowy

Katedra Automatyzacji Laboratorium Podstaw Automatyzacji Produkcji Laboratorium Podstaw Automatyzacji

Podstawy Automatyki. Wykład 2 - podstawy matematyczne. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

Teoria sterowania Control theory. Elektrotechnika I stopień ogólnoakademicki. niestacjonarne. przedmiot kierunkowy

3 Podstawy teorii drgań układów o skupionych masach

Teoria systemów i sygnałów Kierunek AiR, sem. 5 2wE + 1l

Automatyka i robotyka

Symulacja pracy silnika prądu stałego

Laboratorium Dynamiki Maszyn

WYMAGANIA DOTYCZĄCE ZALICZENIA ZAJĘĆ

Teoria sterowania - studia niestacjonarne AiR 2 stopień

VII. Elementy teorii stabilności. Funkcja Lapunowa. 1. Stabilność w sensie Lapunowa.

INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA NR 2

Drgania wymuszone - wahadło Pohla

dr inż. Jan Staszak kierunkowy (podstawowy / kierunkowy / inny HES) obowiązkowy (obowiązkowy / nieobowiązkowy) język polski II

Ćwiczenie nr X ANALIZA DRGAŃ SAMOWZBUDNYCH TYPU TARCIOWEGO

POMIARY WIELKOŚCI NIEELEKTRYCZNYCH

4.2 Analiza fourierowska(f1)

4. Właściwości eksploatacyjne układów regulacji Wprowadzenie. Hs () Ys () Ws () Es () Go () s. Vs ()

TEORIA OBWODÓW I SYGNAŁÓW LABORATORIUM

dr inż. Jan Staszak kierunkowy (podstawowy / kierunkowy / inny HES) obowiązkowy (obowiązkowy / nieobowiązkowy) język polski II

LABORATORIUM MODELOWANIA I SYMULACJI. Ćwiczenie 4 PODSTAWOWE UKŁADY DYNAMICZNE

II. Równania autonomiczne. 1. Podstawowe pojęcia.

Politechnika Warszawska Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych Instytut Podstaw Budowy Maszyn Zakład Mechaniki

MECHANIKA II. Drgania wymuszone

POLITECHNIKA ŁÓDZKA INSTYTUT OBRABIAREK I TECHNOLOGII BUDOWY MASZYN. Ćwiczenie D - 4. Zastosowanie teoretycznej analizy modalnej w dynamice maszyn

Podstawy Automatyki. Wykład 2 - modelowanie matematyczne układów dynamicznych. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

WYKAZ TEMATÓW Z LABORATORIUM DRGAŃ MECHANICZNYCH dla studentów semestru IV WM

Mechanika Analityczna

PAiTM. materiały uzupełniające do ćwiczeń Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych studia inżynierskie prowadzący: mgr inż.

Fizyka 11. Janusz Andrzejewski

ĆWICZENIE 6 Transmitancje operatorowe, charakterystyki częstotliwościowe układów aktywnych pierwszego, drugiego i wyższych rzędów

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

3.DRGANIA SWOBODNE MODELU O JEDNYM STOPNIU SWOBODY(JSS)

E2_PA Podstawy automatyki Bases of automatic. Elektrotechnika II stopień (I stopień / II stopień) Ogólnoakademicki (ogólno akademicki / praktyczny)

Podstawy fizyki sezon 1 VII. Ruch drgający

Układ regulacji automatycznej (URA) kryteria stabilności

Ćwiczenie 6 IZOLACJA DRGAŃ MASZYNY. 1. Cel ćwiczenia

Ćwiczenie 3 Badanie własności podstawowych liniowych członów automatyki opartych na biernych elementach elektrycznych

ELEMENTY AUTOMATYKI PRACA W PROGRAMIE SIMULINK 2013

Badania doświadczalne drgań własnych nietłumionych i tłumionych

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Kinematyka: opis ruchu

Załącznik KARTA PRZEDMIOTU. KARTA PRZEDMIOTU Wydział Automatyki, Elektroniki i Informatyki, Rok akademicki: 2009/2010 MODELOWANIE CYFROWE

Projektowanie układów metodą sprzężenia od stanu - metoda przemieszczania biegunów

Wykład 2. Przykład zastosowania teorii prawdopodobieństwa: procesy stochastyczne (Markova)

Ruch drgający. Ruch harmoniczny prosty, tłumiony i wymuszony

Instrukcja do ćwiczenia jednopłaszczyznowe wyważanie wirników

Ruch drgajacy. Drgania harmoniczne. Drgania harmoniczne... Drgania harmoniczne... Notatki. Notatki. Notatki. Notatki. dr inż.

Laboratorium nr 3. Projektowanie układów automatyki z wykorzystaniem Matlaba i Simulinka

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

Metoda elementów skończonych

1. Podstawowe pojęcia

Ćwiczenie - 1 OBSŁUGA GENERATORA I OSCYLOSKOPU. WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYKI AMPLITUDOWEJ I FAZOWEJ NA PRZYKŁADZIE FILTRU RC.

Dynamika samochodu II Vehicle Dynamics II

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Transkrypt:

KATEDRA MECHANIKI STOSOWANEJ Wydział Mechaniczny POLITECHNIKA LUBELSKA INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA NR 7 PRZEDMIOT TEMAT OPRACOWAŁ LABORATORIUM MODELOWANIA Przykładowe analizy danych: przebiegi czasowe, portrety fazowe, FFT. Wpływ warunków początkowych i wielkości kroku całkowania. mgr inż. Andrzej Weremczuk 1. CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest wykonanie analizy danych na przykładzie modelu nieliniowego o jednym stopniu swobody oraz zbadanie wpływu warunków początkowych i kroku całkowania na rozwiązanie. 2. PODSTAWY TEORETYCZNE Jednym z podstawowych metod opisu zjawisk dynamicznych jest modelowanie matematyczne z wykorzystaniem równań różniczkowych. Pozwala ono na opis oraz badanie własności dynamicznych rzeczywistych obiektów. Modele badanych obiektów można otrzymać eksperymentalnie na podstawie charakterystyk czasowych lub częstotliwościowych, jak również teoretycznie dzięki znajomości zachodzących na obiekcie zjawisk. Do opisu stosowane są modele liniowe bądź nieliniowe. Liniowe modele dynamiki można analizować dokładnie i różnymi metodami. Natomiast analiza dynamiki układów nieliniowych jest znacznie trudniejsza a często wręcz niemożliwa, ponieważ nie można podzielić problemu na prostsze podzadania (np. z wykorzystaniem metody superpozycji). Rozwiązanie nieliniowych równań różniczkowych rzadko jest znane, a własności układu zależą od punktu pracy i od wymuszenia. Ograniczone możliwości analitycznego badania układów nieliniowych powodują, że często wykorzystuje się badania symulacyjne. W dalszej części przedstawiono taką właśnie analizę układu nieliniowego na przykładzie modelu Duffinga. Badania układów dynamicznych na podstawie symulacji modelu polegają na analizie sygnałów (przemieszczenia, prędkości, przyspieszenia itp.) odpowiedzi układu na zmianę jego parametrów bądź wymuszenie sygnałem zewnętrznym. Otrzymywane w tym wypadku sygnały można podzielić na dwie grupy: 1) Sygnały zdeterminowane których wartości można przewidzieć w dowolnym czasie; a) sygnały okresowe,

- harmoniczne, - złożone (poliharmoniczne), b) sygnały nieokresowe, - prawie okresowe, - przejściowe (impulsowe). 2) Sygnały przypadkowe (losowe, stochastyczne) wartości sygnałów w każdej chwili są zmiennymi przypadkowymi; a) stacjonarne, b) niestacjonarne. W celu uzyskania informacji o składowych złożonego przebiegu drgań należy przeprowadzić analizę widmową (częstotliwościową) uzyskanego z pomiarów sygnału czasowego. Analiza sygnałów może odbywać się w sposób analogowy, cyfrowy lub mieszany. Do przetwarzania cyfrowego stosuje się najczęściej szybką transformatę Fouriera(FFT). Rys.2.1. Przebieg czasowy i widmo przyspieszenia drgań. Innym sposobem badania układów dynamicznych jest analiza przebiegów czasowych oraz portretów fazowych otrzymanych w procesie symulacji modelu. Rys.3.1. Typy portretów fazowych układów liniowych.

Portret fazowy to rodzina trajektorii w układzie współrzędnych [x, x ], przedstawiających zachowanie obiektu obserwowane przy stałym wymuszeniu, ale dla różnych warunków początkowych, które są wówczas jedyną przyczyną zmian obserwowanych w układzie. Jest to graficzny sposób zobrazowania własności dynamicznych obiektów. Portrety fazowe najłatwiej jest uzyskać metodami symulacyjnymi na podstawie równań różniczkowych. W układach liniowych można wyróżnić sześć charakterystycznych typów portretów związanych położeniem biegunów układu, które przedstawiono na rysunku (3.1). Każda trajektoria portretu reprezentuje ewolucję stanu obiektu od określonego warunku początkowego. Jeżeli układ jest stabilny to dąży do punktu równowagi, a jeżeli jest niestabilny to oddala się od tego kierunku. Rys.3.2. Idee stabilności (niestabilności) globalnej (lokalnej). Portrety fazowe układów nieliniowych mogą mieć jeden lub więcej punktów równowagi w zależności od rozwiązania równania statycznego. System nieliniowy może być stabilny (niestabilny) globalnie, ale jeżeli układ ma więcej punktów równowagi to może być stabilny w jednym a niestabilny w innych punktach. Wówczas wyróżnia się stabilność (niestabilność) lokalną i globalną. 3. PRZEBIEG ĆWICZENIA Układ Duffinga częściej określany, jako oscylator Duffinga, stosowany jest przede wszystkim do opisu i modelowania drgań maszyn przemysłowych. Stanowi doskonałe odzwierciedlenie ruchu amortyzowanego, czyli tłumionego oscylatora z okresowym wymuszeniem i nieliniową sprężystością. Jest to także przykład systemu dynamicznego wykazującego zachowania chaotyczne. Układ Duffinga opisuje się nieliniowym równaniem różniczkowym drugiego rzędu. 3 x () t + δ x () t + β xt () + γ xt () = α cos( ω t) (3.1) gdzie: δ - współczynnik tłumienia, β - liniowy współczynnik sztywności, α - nieliniowy współczynnik sztywności, γ - amplituda wymuszenia, ω - częstość wymuszenia.

Rys.3.1. Model oscylatora Duffinga. Do symulacji modelu przedstawionego za pomocą równania (3.1) można wykorzystać graficzny sposób definiowania dostępny w programie Simulink. Rys.3.2. Schemat modelu wykonany w programie Matlab-Simulink. Poniżej przykład kodu (w postaci m-pliku) do symulacji modelu Duffinga wykonanego w Simulinku. clear all close all clc %Parametry tk=250; %Czas symulacji w1=0; %Warunek początkowy na przemieszczenie w2=0; %Warunek początkowy na prędkość

delta=0.2; beta=-1; gamma=1; alfa=1; omega=1; sim('duffing'); %Symulacja modelu figure(1) plot(t,x,'b-') xlabel('t (s)') ylabel('x (t)') legend('przemieszczenie x (t)') figure(2) plot(t,v,'b-') xlabel('t (s)') ylabel('v (t)') legend('prędkość v (t)') figure(3) plot(v,x,'b-') xlabel('v (t)') ylabel('x (t)') legend('wykres fazowy') time=[0:0.001:tk]; %Procedura fft response=x; npts = length(time); Tmax = max(time); Tmin = min(time); dt = (Tmax-Tmin)/(npts-1); deltaf = 2*pi/(Tmax-Tmin); fft_out = pi/npts*fft(response(:)); omega = deltaf*(0:npts-1); figure(4) plot(omega,abs(fft_out), 'b-') xlabel('omega rad/s') ylabel('amplituda') legend('widmo sygnału') axis([0 10 0 3]); 4. OPRACOWANIE WYNIKÓW W celu opracowania wyników należy: - zbudować model układu dynamicznego w Simulinku, - wprowadzić w ustawieniach metodę całkowania oraz krok całkowania, - napisać skrypt w postaci m-pliku, który umożliwiał będzie symulację modelu dla różnych parametrów, - wykonać symulację modelu dla parametrów z tabeli 4.1 (lub innych parametrów podanych przez prowadzącego), - wyniki symulacji przedstawić w postaci przebiegów czasowych (przemieszczenia, prędkości), wykresów fazowych oraz widma sygnału,

- zbadać wpływ warunków początkowych na wyniki symulacji, - zbadać wpływ kroku całkowania na wyniki symulacji. Tabela 4.1 Parametry Wariant 1 Wariant 2 Wariant 3 Wariant 4 Czas symulacji 250 250 250 250 Delta 0,2 0,2 0,2 0,2 Beta 1-1 1 1 Gamma 0,1 0,1 1 0,1 Alfa 0,3 0,3 0,3 1 Omega 1 1 1 3 5. SPRAWOZDANIE Sprawozdanie powinno zawierać: - temat ćwiczenia, - cel ćwiczenia, - schemat badanego modelu dynamicznego, - wyniki symulacji w postaci wykresów dla określonych parametrów (np. zebrane w postaci tabeli), - wnioski. 6. BIBLIOGRAFIA 1. A. Zalewski, R. Cegieła, Matlab - Obliczenia numeryczne i ich zastosowania 2. B. Mrozek, Z. Mrozek, Matlab - Poradnik użytkownika 3. D. Higham, N. Higham, Matlab guide 4. http://www.mathworks.com/