UKŁADY JEDNOWYMIAROWE. Część II UKŁADY LINIOWE Z OPÓŹNIENIEM

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

Teoria sterowania - studia niestacjonarne AiR 2 stopień

CHARAKTERYSTYKI CZĘSTOTLIWOŚCIOWE

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie. Sterowanie ciągłe. Teoria sterowania układów jednowymiarowych

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

Układ regulacji automatycznej (URA) kryteria stabilności

Podstawy Automatyki. Wykład 3 - charakterystyki częstotliwościowe, podstawowe człony dynamiczne. dr inż. Jakub Możaryn. Instytut Automatyki i Robotyki

Sposoby modelowania układów dynamicznych. Pytania

Podstawowe człony dynamiczne

PODSTAWY AUTOMATYKI. Analiza w dziedzinie czasu i częstotliwości dla elementarnych obiektów automatyki.

Transmitancje układów ciągłych

Podstawy Automatyki. Wykład 3 - charakterystyki częstotliwościowe, podstawowe człony dynamiczne. dr inż. Jakub Możaryn. Instytut Automatyki i Robotyki

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

Podstawy Automatyki. Wykład 3 - charakterystyki częstotliwościowe, podstawowe człony dynamiczne. dr inż. Jakub Możaryn. Instytut Automatyki i Robotyki

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

Podstawy Automatyki. Wykład 3 - Charakterystyki częstotliwościowe, podstawowe człony dynamiczne. dr inż. Jakub Możaryn. Instytut Automatyki i Robotyki

Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Inżynierii Systemów Sterowania. Podstawy Automatyki

układu otwartego na płaszczyźnie zmiennej zespolonej. Sformułowane przez Nyquista kryterium stabilności przedstawia się następująco:

Podstawy Automatyki. Wykład 7 - obiekty regulacji. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

Technika regulacji automatycznej

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie. Sterowanie ciągłe. Teoria sterowania układów jednowymiarowych

W celu obliczenia charakterystyki częstotliwościowej zastosujemy wzór 1. charakterystyka amplitudowa 0,

Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra InŜynierii Systemów Sterowania Podstawy Automatyki

Procedura modelowania matematycznego

Inżynieria Systemów Dynamicznych (3)

1. POJĘCIA PODSTAWOWE I RODZAJE UKŁADÓW AUTOMATYKI

Automatyka i sterowanie w gazownictwie. Regulatory w układach regulacji

Ćwiczenie nr 6 Charakterystyki częstotliwościowe

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

Stabilność. Krzysztof Patan

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

Automatyka i robotyka ETP2005L. Laboratorium semestr zimowy

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie. Sterowanie ciągłe. Teoria sterowania układów jednowymiarowych

Opis matematyczny. Równanie modulatora. Charakterystyka statyczna. Po wprowadzeniu niewielkich odchyłek od ustalonego punktu pracy. dla 0 v c.

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie. Sterowanie ciągłe. Teoria sterowania układów jednowymiarowych

Badanie stabilności liniowych układów sterowania

Automatyka i robotyka

Technika regulacji automatycznej

REGULATORY W UKŁADACH REGULACJI AUTOMATYCZNEJ. T I - czas zdwojenia (całkowania) T D - czas wyprzedzenia (różniczkowania) K p współczynnik wzmocnienia

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie. Sterowanie ciągłe. Teoria sterowania układów jednowymiarowych

Automatyka i robotyka

3 Podstawy teorii drgań układów o skupionych masach

Projektowanie układów regulacji w dziedzinie częstotliwości. dr hab. inż. Krzysztof Patan, prof. PWSZ

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

Sterowanie Serwonapędów Maszyn i Robotów

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie. Sterowanie ciągłe. Teoria sterowania układów jednowymiarowych

Laboratorium z podstaw automatyki

Lepkosprężystość. Metody pomiarów właściwości lepkosprężystych materii

POMIARY WIELKOŚCI NIEELEKTRYCZNYCH

TEORIA OBWODÓW I SYGNAŁÓW LABORATORIUM

Laboratorium z podstaw automatyki

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

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

Ćwiczenie nr 1 Odpowiedzi czasowe układów dynamicznych

POMIARY WIELKOŚCI NIEELEKTRYCZNYCH

Korekcja układów regulacji

analogowego regulatora PID doboru jego nastaw i przetransformowanie go na cyfrowy regulator PID, postępując według następujących podpunktów:

14.9. Regulatory specjalne

Katedra Automatyzacji Laboratorium Podstaw Automatyzacji Produkcji Laboratorium Podstaw Automatyzacji

Laboratorium z podstaw automatyki

Podstawowe człony dynamiczne. dr hab. inż. Krzysztof Patan

przy warunkach początkowych: 0 = 0, 0 = 0

Tematyka egzaminu z Podstaw sterowania

Własności dynamiczne przetworników pierwszego rzędu

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

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

Podstawy Automatyki. Wykład 7 - Jakość układu regulacji. Dobór nastaw regulatorów PID. dr inż. Jakub Możaryn. Instytut Automatyki i Robotyki

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

Automatyka i sterowanie w gazownictwie Modelowanie

TEORIA OBWODÓW I SYGNAŁÓW LABORATORIUM

Podstawy Automatyki Zbiór zadań dla studentów II roku AiR oraz MiBM

Sterowanie Napędów Maszyn i Robotów

Sterowanie Napędów Maszyn i Robotów

Część 1. Transmitancje i stabilność

WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY KATEDRA AUTOMATYKI I ELEKTRONIKI. Badanie układu regulacji dwustawnej

Podstawy Automatyki. Wykład 4 - algebra schematów blokowych. dr inż. Jakub Możaryn. Warszawa, Instytut Automatyki i Robotyki

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

Kryterium miejsca geometrycznego pierwiastków

Automatyka i Regulacja Automatyczna Laboratorium Zagadnienia Seria II

Filtracja. Krzysztof Patan

1. Regulatory ciągłe liniowe.

Transmitancja operatorowa członu automatyki (jakiego??) jest dana wzorem:

Informatyczne Systemy Sterowania

4. UKŁADY II RZĘDU. STABILNOŚĆ. Podstawowe wzory. Układ II rzędu ze sprzężeniem zwrotnym Standardowy schemat. Transmitancja układu zamkniętego

Automatyka i robotyka

Ćw. S-III.3 ELEMENTY ANALIZY I SYNTEZY UAR Badanie stabilności liniowego UAR

Z-ZIP-103z Podstawy automatyzacji Basics of automation

PODSTAWOWE CZŁONY DYNAMICZNE

1. Opis teoretyczny regulatora i obiektu z opóźnieniem.

f = 2 śr MODULACJE

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

Badanie wpływu parametrów korektora na własności dynamiczne układu regulacji automatycznej Ćwiczenia Laboratoryjne Podstawy Automatyki i Automatyzacji

1 Dana jest funkcja logiczna f(x 3, x 2, x 1, x 0 )= (1, 3, 5, 7, 12, 13, 15 (4, 6, 9))*.

Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Inżynierii Systemów Sterowania

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

Automatyka i sterowanie w gazownictwie Modelowanie

1. Rejestracja odpowiedzi skokowej obiektu rzeczywistego i wyznaczenie podstawowych parametrów dynamicznych obiektu

Temat ćwiczenia: Wyznaczanie charakterystyk częstotliwościowych podstawowych członów dynamicznych realizowanych za pomocą wzmacniacza operacyjnego

INSTRUKCJA Regulacja PID, badanie stabilności układów automatyki

Transkrypt:

UKŁADY JEDNOWYMIAROWE Część II UKŁADY LINIOWE Z OPÓŹNIENIEM 1

8. Wprowadzenie do części II W praktyce występują układy regulacji, których człony mogą przejawiać opóźnioną reakcję na sygnał wejściowy. Rozróżniamy dwa rodzaje reakcji i członów: człony z opóźnieniem skupionym, człony z opóźnieniem rozłożonym. Człony z opóźnieniem skupionym nie powodują zniekształcenia sygnałów w czasie, a tylko przesuwają je wzdłuż osi czasu. Z reakcjami tego typu mamy najczęściej do czynienia w procesach transportu i mieszania.

Człony z opóźnieniem rozłożonym powodują deformację sygnałów zależną od miejsca i czasu. Z reakcjami tego typu mamy najczęściej do czynienia w procesach przesyłania energii liniami o znacznej długości, na przykład elektrycznymi, cieplnymi, pneumatycznymi i hydraulicznymi. Będziemy rozpatrywać wyłącznie człony z opóźnieniem skupionym, a opóźnienie skupione będziemy nazywać krótko opóźnieniem. Ponadto założymy, że opóźnienie w obiekcie regulacji ma charakter dominujący, a ewentualne opóźnienia w pozostałych członach układu są pomijalnie małe. 3

zu( t)..... zy( t) wt () ε( t) Regulator ut () Obiekt regulacji z opóźnieniem yt () vt () Człon pomiarowy Rys. 8.1. Ogólny schemat blokowy układu regulacji z opóźnieniem 4

Przyjmijmy funkcje przejścia członów układu: G r (s) K r (1 1 T s i T d s) G o (s) T z K e s 1 -s H(s) K z K r, K, K z współczynniki wzmocnienia, T i, T d, T z stałe czasowe, τ czas opóźnienia. 5

Ws ( ) K r 1+ 1 Us () Ts+Td s i Z () u s Z ( s ) y K e -τs Ys () Ts+1 z K z Rys. 8.. Szczegółowy schemat blokowy układu regulacji z opóźnieniem i funkcjami przejścia 6

G1 + 1 - s 0.8 0.18s +1.18s+1 y1 y1 t w G + 1 - s 0.8 0.18s +1.18s+1 Tau_.5 y y G3 + 1 - s 0.8 0.18s +1.18s+1 Tau_ 5.0 y3 y3 G4 + 1 - s 0.8 0.18s +1.18s+1 Tau_ 7.5 y4 y4 Rys. 8.3. Schematy blokowe układów G1, G, G3 i G4 do badań symulacyjnych 7

y1, y, y3,y4 Pobudzając układy skokowym sygnałem wymuszającym, możemy zaobserwować wyraźny wpływ wzrostu czasu opóźnienia na pogorszenie się właściwości eksploatacyjnych układów 3.0.5 y4.0 1.5 y3 1.0 y 0.5 y1 0.0-0.5-1.0 0 5 10 15 0 5 30 35 40 45 50 Czas [s] Rys. 8.4. Charakterystyki skokowe układów G1, G, G3 i G4 8

W porównaniu z układami bez opóźnienia może wystąpić: wzrost przeregulowania i czasu regulacji, pojawienie się drgań typowych dla granicy stabilności, niestabilna praca układu. 9

9. Przykłady członów z opóźnieniem Przykład 9.1 Jako pierwszy przykład rozważymy zawór dozujący, będący fragmentem układu regulacji stężenia związku chemicznego w roztworze wodnym, jak na rysunku. 10

roztwór stężony czysta woda c k 1 v l c roztwór wodny czujnik Rys. 9.1. Schemat zaworu dozującego 11

Właściwe proporcje składników występują już w punkcie 1 zaworu dozującego, jednak ze względu na konieczność wymieszania się składników układ pomiarowy znajduje się w punkcie. Stężenie c k określone w punkcie 1 zostanie zarejestrowane w punkcie jako wartość c po upływie czasu τ wynoszącego l v c Stąd sposób opóźnionej reakcji możemy zapisać c(t) ck (t - ) 1

Przykład 9. kotlina walcownicza h k v p h l czujnik Rys. 9.. Fragment układu stabilizacji grubości walcowanego pasma schemat walcowania w klatce duo 13

Jako drugi przykład rozważymy fragment układu stabilizacji grubości walcowanego pasma. Właściwa grubość walcowanego pasma h k zostaje wytworzona w kotlinie walcowniczej. Poza tą kotliną nie ma deformacji wymiarów pasma, więc reakcja czujnika mierzącego wartość h będzie opóźniona o czas τ wynoszący l v p Wtedy h(t) hk (t - ) 14

Przykład 9.3 m k v m czu jnik m l Rys. 9.3. Schemat przenośnika taśmowego 15

Jako trzeci przykład weźmiemy fragment układu regulacji grubości warstwy materiału na przenośniku taśmowym Zmiana grubości warstwy, a więc zmiana masy transportowanego materiału zachodzi w urządzeniu zasypowym i zarejestrowana jest przez czujnik po upływie czasu l v m Reakcja czujnika jest więc opóźniona w czasie m(t) m k(t - ) 16

Krótkie podsumowanie W pokazanych przykładach czas opóźnienia wynikał głównie z konieczności przetransportowania medium (cieczy, metalu, sypkiego materiału itp.) z miejsca, w którym zadanie regulacyjne zostało wykonane do miejsca, w którym zaistniała zmiana mogła zostać zarejestrowana. Taki czas opóźnienia nosi często nazwę opóźnienia transportowego. 17

10. Model matematyczny i charakterystyki członu z opóźnieniem Wcześniejsze wzory zapiszemy ogólnie w postaci y(t) y k (t - ) Funkcję przejścia układu członu można wyznaczyć na podstawie twierdzenia o przesunięciu wzdłuż osi czasu G s (s) Y(s) Y (s) k - s e 18

y k A y 0 y t A y 0 τ t 19 Rys. 10.1. Sygnał wejściowy i odpowiedź członu z opóźnieniem

Dla wyznaczenia charakterystyk częstotliwościowych wyznaczamy widmową funkcję przejścia członu G s (j ) e -j Wobec tego: G s s (j ) 1 argg s (j ) 0

jimgs ( jω) 3 π τ 1 π τ π τ 0 Re G ( s jω ) ω π τ Rys. 10.. Charakterystyka amplitudowo-fazowa członu z opóźnieniem 1

LmGs ( j ω) [db] lg ( ) ω ω φ s [rad] π - 6 π - 6-3 π 6 4 6 π - π π 3π 4π 5π π 7π 8π 6τ 6τ 6τ 6τ 6τ τ 6τ 6τ lg ( ) ω ω - 5 π 6τ -π - 7 π 6-8 π 6 Rys. 10.3. Charakterystyki logarytmiczne amplitudowa i fazowa członu z opóźnieniem

Na podstawie tych charakterystyk można stwierdzić, że układy z opóźnieniem są układami nieminimalnofazowymi. Układy minimalnofazowe rozpatrywane w I części miały dwie charakterystyczne cechy: 1) na podstawie logarytmicznej charakterystyki amplitudowej można było przewidzieć kształt logarytmicznej charakterystyki fazowej, ) charakterystyka fazowa zmierzała do skończonej wartości, gdy ω zmierzała do nieskończoności. 3

Układy nieminimalnofazowe rozpatrywane obecnie w II części mają również dwie cechy charakterystyczne: 1. nie można przewidzieć kształtu logarytmicznej charakterystyki fazowej na podstawie logarytmicznej charakterystyki amplitudowej, ) charakterystyka fazowa zmierza do minus nieskończoności, gdy ω zmierza do nieskończoności. 4

11. Wybrane obiekty z opóźnieniem 11.1. Obiekt inercyjny pierwszego rzędu Funkcję przejścia obiektu inercyjnego pierwszego rzędu z opóźnieniem zapisujemy w postaci G o (s) Y(s) U(s) K Ts e 1 - s 5

11.1.1. Charakterystyka czasowa skokowa Transformata odpowiedzi Y(s) U(s)G o (s) A u 1 s K Ts e 1 -s Po wyznaczeniu oryginału y(t) otrzymujemy: y(t) y(t) 0 KA u 1 - e t - - T dla dla t t 6

y KA u 0.98KA u 0.63KA u 0 τ T+τ 4 T+ τ t Rys. 11.1. Charakterystyka skokowa obiektu inercyjnego z opóźnieniem 7

11.1.. Charakterystyki częstotliwościowe Widmowa funkcja przejścia obiektu, jej moduł i argument G o (j ) K 1 jt e - j G o (j ) K 1 jt e - j K 1 jt e - j K 1 T o argg o (j ) argk - arg(1 jt) arge 0 arctg T - arctg T - -jt 8

jimgo ( jω) K Re Go ( jω ) ω= 0 -ωτ i ω i τ =0 τ > 0 ω i Rys. 11.. Charakterystyka amplitudowo-fazowa obiektu inercyjnego 9 z opóźnieniem

1. Aproksymacja właściwości obiektów wyższego rzędu za pomocą modeli zawierających opóźnienie 1.1. Aproksymacja właściwości obiektów wyższego rzędu bez opóźnienia za pomocą modeli niższego rzędu z opóźnieniem 30

Do obiektów wyższego rzędu bez opóźnienia zaliczymy między innymi obiekt inercyjny i całkujący z inercją. Ich modele zastępcze są następujące: G o (s) (T s 1 K 1)...(T n s 1) K s e ( T s 1) z G o (s) s(t s 1 K 1)...(T n s 1) K s(t s z s e 1) T z zastępcza stała czasowa, τ zastępczy czas opóźnienia. 31

1.1.1. Parametry zastępczego modelu obiektu inercyjnego wyższego rzędu na podstawie charakterystyki skokowej KA u y 0.63KA u P τ T z o t Rys. 1.1. Charakterystyka skokowa inercyjnego obiektu regulacji 3

Na podstawie rysunku możemy określić wszystkie współczynniki zastępczej funkcji przejścia, mianowicie: Współczynnik wzmocnienia dany jest znanym wzorem K ( KA A u u ) Pozostałe parametry zastępcze można wyznaczyć bezpośrednio z charakterystyki jak pokazano na rysunku 1.1 33

1.1.. Parametry zastępczego modelu obiektu całkującego z inercją wyższego rzędu na podstawie charakterystyki skokowej y 0.368KA u T β =arctgk A u 0 τ T+τ t Rys. 1.. Charakterystyka skokowa obiektu całkującego z inercją wyższego rzędu 34

Na podstawie rysunku możemy określić wszystkie współczynniki zastępczej funkcji przejścia, mianowicie: Współczynnik wzmocnienia dany jest znanym wzorem K tg A u Pozostałe parametry zastępcze można wyznaczyć ze wzorów T z (0.368KAuT 0.368tg (T z ) T z z ) 35

1.1.3. Parametry zastępczych modeli obiektów na podstawie ich funkcji przejścia 36

Lp. Tabela 1.1. Parametry zastępczych modeli obiektów inercyjnych wyższych rzędów Funkcja przejścia 1 1.865 0.8 G o (s) K (Ts 1) T z T T.786 0.386 3 3 3.700 0.450 G o (s) 4 4 4.63 0.498 5 5 5.566 0.534 a 1 6 6 6.535 0.555 7 8 8.456 0.614 8 10 10.44 0.636 G 9.455 0.805 o (s) K (ats 1)(Ts 1) K (Ts 1) 3 a 37

Tabela 1.. Parametry zastępczych modeli obiektów całkujących z inercjami wyższych rzędów Lp. Funkcja przejścia 1 1.471 0.59 G o (s) K s(ts 1) T z T T.90 0.710 3 3 3.198 0.80 G o (s) 4 4 4.146 0.854 5 5 5.114 0.886 a 1 6 6 6.09 0.908 7 8 8.066 0.934 8 10 10.050 0.950 G 9 1.830 1.170 o (s) K s(ats 1)(Ts 1) K s(ts 1) 3 a 38

1.. Aproksymacja właściwości obiektów inercyjnych wyższego rzędu z opóźnieniem za pomocą modeli niższego rzędu z opóźnieniem 39

Do obiektów inercyjnych wyższego rzędu z opóźnieniem możemy zaliczyć obiekty o jednakowych stałych czasowych, opisane funkcją przejścia G o (s) (T n K s 1) n - n e s Przybliżenia tego modelu mogą być następujące G o (s) K (T s 1) 1 1-1 e s G o (s) (T K s 1) - e s 40

1..1. Parametry zastępczych modeli obiektów na podstawie charakterystyki skokowej KA u y 0.70KA u 0.33KA u 0 t 0.33 t 0.7 0 t Rys. 1.3. Charakterystyka skokowa obiektu 41

Współczynnik wzmocnienia w obu modelach zastępczych wynosi K (KA A Dla jednej stałej czasowej mamy wzory: u u ) T 1 1 1.45(t 1.498t 0.70 0.33 - t 0.33 ) - 0.498t 0.70 Dla dwóch identycznych stałych czasowych mamy: T 0.794(t 1.937t 0.70 0.33 - t 0.33 ) - 0.937t 0.70 4

43 1... Parametry zastępczych modeli obiektów na podstawie ich funkcji przejścia n 1 3 4 5 6 1 1.568 1.980.30.615.881 0 0.55 1.3 1.969.741 3.537-1 1.63 1.480 1.668 1.838-0 0.535 1.153 1.81.553 s - n n o n e 1 s T K (s) G s - 1 1 o 1 e 1 T s K (s) G s - o e 1 s T K (s) G n 1 T T n n 1 T n T T n n T

13. Stabilność układów z opóźnieniem 13.1. Wprowadzenie Układ regulacji jest stabilny wtedy, gdy wszystkie pierwiastki równania charakterystycznego są rzeczywiste ujemne lub mają ujemną część rzeczywistą, czyli leżą w lewej części płaszczyzny zmiennej zespolonej. 44

13.. Kryterium Nyquista Ws () Gs () Ys () Hs () Rys. 13.1. Schemat blokowy układu regulacji Równanie charakterystyczne układu, konwencjonalnie i widmowo 1 H(s)G(s) 0 1 H(j )G(j ) 0 45

a) jimh( jω) G( jω) b) jimh( jω) G( jω) -1, j0 ReH( jω) G( jω) -1, j0 ReH( jω) G( jω) Rys. 13.. Charakterystyki amplitudowo-fazowe w układzie otwartym: a) układu stabilnego b) układu niestabilnego Badany układ regulacji jest stabilny, gdy charakterystyka amplitudowo-fazowa w układzie otwartym nie obejmuje punktu (-1, j0) 46

Kryterium Nyquista, oprócz zbadania stabilności, umożliwia także wyznaczenie krytycznego czasu opóźnienia. Krytycznym czasem opóźnienia nazywamy czas opóźnienia powodujący utratę stabilności układu regulacji. Zagadnienie to ilustrują charakterystyki amplitudowofazowe kilku układów dla różnych czasów opóźnienia. 47

jimh( jω) G( jω) -1, j0 K ReH( jω) G( jω) τ τ < kr τ>τ kr τ τ = kr Rys. 13.3. Charakterystyki amplitudowo-fazowe w układzie otwartym dla różnych wartości czasów opóźnienia 48

-1, j0 jimh( jω) G( jω) G ReH( jω) G( jω) ω π φ=-π Rys. 13.4. Fragment charakterystyki amplitudowo-fazowej układu w otoczeniu granicy stabilności 49

Dla granicy stabilności, czyli dla punktu G, warunek na moduł i argument widmowej funkcji przejścia wynoszą: H(j )G(j ) arg H(j )G(j ) 1 (13.3) - (13.4) Warunki (13.3) i (13.4) są układem równań, przy czym: warunek (13.3) służy zwykle do wyznaczenia pulsacji na granicy stabilności, warunek (13.4) umożliwia wyznaczenie krytycznego czasu opóźnienia. 50

Przykład 13.1 Rys. 13.5. Schemat blokowy układu regulacji przekształcony do postaci z jednostkowym sprzężeniem zwrotnym Zbadać stabilność układu regulacji dla danych: KK T z z 1 [s] [s] 51

Rozwiązanie Transmitancja operatorowa i widmowa w układzie otwartym H(s)G(s) - KK e s z st s 1 z H(j )G(j ) KK z j 1 jt z e - j Moduł i argument transmitancji widmowej (liczby zespolonej): H(j )G(j ) arc tgt KK 1 T z z z 5

Po podstawieniu: H(j )G(j ) 1 arc tg Na podstawie tych wzorów sporządzono dwie charakterystyki 1. Bez opóźnienia (krzywa zielona).. Z opóźnieniem (krzywa czerwona). 53

jimh( jω) G( jω) j -6-4 0.50 0.75 - -1 1.50 1.00 0 1.5.00.50 ReH( jω) G( jω) Rys. 13.6. Charakterystyki amplitudowo-fazowe w układzie otwartym 0.30 0.40 0.50 0.40 0.75 - j -4 j 0.5 0.30-6 j ω=0.0 [1/ s] τ= [ s] -8 j ω=0.0 [1/ s] τ=0 [ s] 54

Podsumowanie Z rysunku widać, że 1. Charakterystyka układu bez opóźnienia świadczy o stabilności układu.. Charakterystyka układu z opóźnieniem świadczy o niestabilności układu, a więc o istotnym wpływie czasu opóźnienia na właściwości układu. 55

Przykład 13. Wyznaczyć krytyczny czas opóźnienia poprzednio rozpatrywanego układu. Rozwiązanie Warunek modułu (13.3) i argumentu (13.4) analizowanego układu wynoszą KK z 1 T z 1 arc tg T z kr 56

Z warunku modułu otrzymujemy 1 T z 1 4T z KK z 1 1.5 [1/s] Z warunku argumentu otrzymujemy kr arc tg T z 0.54 [s] 57

Praktycznie taki sam wynik można otrzymać za pomocą Matlaba. W tym celu obydwa warunki zapisujemy w postaci liczbowej: 1 arc tg 1 kr Traktując ten zapis jak układ równań, napiszemy w konwencji Matlaba i otrzymamy 58

eq1= /(omega*sqrt(1+omega^))=1 eq= -atan(omega)-omega*tau=-1.5708 [omega,tau]=solve(eq1,eq, omega,tau ) omega = [ -1.600485*i] [ 1.4961] tau = [ -.457897+1.9690*i] [.540078] Rozwiązaniem zadania są wartości rzeczywiste, mianowicie: omega = 1.4961 [1/s] tau = 0.540078 [s] 59