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

Podobne dokumenty
Teoria sterowania - studia niestacjonarne AiR 2 stopień

CHARAKTERYSTYKI CZĘSTOTLIWOŚCIOWE

Podstawowe człony dynamiczne

przy warunkach początkowych: 0 = 0, 0 = 0

PODSTAWY AUTOMATYKI. MATLAB - komputerowe środowisko obliczeń naukowoinżynierskich - podstawowe operacje na liczbach i macierzach.

Przekształcenia całkowe. Wykład 1

Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Inżynierii Systemów Sterowania

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

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

Plan wykładu. Własności statyczne i dynamiczne elementów automatyki:

Procedura modelowania matematycznego

Zadania zaliczeniowe z Automatyki i Robotyki dla studentów III roku Inżynierii Biomedycznej Politechniki Lubelskiej

Transmitancje układów ciągłych

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

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

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

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

FUNKCJE ZESPOLONE Lista zadań 2005/2006

Ćwiczenie nr 6 Charakterystyki częstotliwościowe

Przekształcenie Z. Krzysztof Patan

Systemy. Krzysztof Patan

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

Układ regulacji automatycznej (URA) kryteria stabilności

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

1. Liczby zespolone. Jacek Jędrzejewski 2011/2012

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

Przeksztacenie Laplace a. Krzysztof Patan

ELEMENTY AUTOMATYKI PRACA W PROGRAMIE SIMULINK 2013

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

Liczby zespolone. Magdalena Nowak. 23 marca Uniwersytet Śląski

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

Politechnika Wrocławska, Wydział Informatyki i Zarządzania. Modelowanie

METODY MATEMATYCZNE I STATYSTYCZNE W INŻYNIERII CHEMICZNEJ

Rys 1 Schemat modelu masa- sprężyna- tłumik

1. Transformata Laplace a przypomnienie

Lepkosprężystość. Metody pomiarów właściwości lepkosprężystych materii

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

Laboratorium z podstaw automatyki

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

Ćwiczenie 3 BADANIE OBWODÓW PRĄDU SINUSOIDALNEGO Z ELEMENTAMI RLC

Podstawy Elektrotechniki i Elektroniki. Opracował: Mgr inż. Marek Staude

POMIARY WIELKOŚCI NIEELEKTRYCZNYCH

3 Podstawy teorii drgań układów o skupionych masach

TEORIA OBWODÓW I SYGNAŁÓW LABORATORIUM

LICZBY ZESPOLONE. 1. Wiadomości ogólne. 2. Płaszczyzna zespolona. z nazywamy liczbę. z = a + bi (1) i = 1 lub i 2 = 1

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

Sposoby modelowania układów dynamicznych. Pytania

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

ALGEBRA Z GEOMETRIĄ ANALITYCZNĄ zadania z odpowiedziami

Matematyka liczby zespolone. Wykład 1

AUTOMATYKA. Materiały dydaktyczne dotyczące zagadnień przewidzianych w I pracy kontrolnej

A-2. Filtry bierne. wersja

Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Inżynierii Systemów Sterowania

Sterowanie Serwonapędów Maszyn i Robotów


Sterowanie Napędów Maszyn i Robotów

Laboratorium z automatyki

Równania różniczkowe liniowe wyższych rzędów o stałych współcz

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

Sterowanie Napędów Maszyn i Robotów

POMIARY WIELKOŚCI NIEELEKTRYCZNYCH

Część 1. Transmitancje i stabilność

CYFROWE PRZTWARZANIE SYGNAŁÓW (Zastosowanie transformacji Fouriera)

Politechnika Wrocławska, Wydział Informatyki i Zarządzania. Modelowanie

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

Automatyka i robotyka ETP2005L. Laboratorium semestr zimowy

Badanie stabilności liniowych układów sterowania

1. Liczby zespolone i

Rozdział 2. Liczby zespolone

Wykład 7 Transformata Laplace a oraz jej wykorzystanie w analizie stanu nieustalonego metodą operatorową część II

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

TEORIA OBWODÓW I SYGNAŁÓW LABORATORIUM

Liczby zespolone. x + 2 = 0.

Stabilność II Metody Lapunowa badania stabilności

Katedra Automatyzacji Laboratorium Podstaw Automatyzacji Produkcji Laboratorium Podstaw Automatyzacji

WYDZIAŁ ELEKTROTECHNIKI, AUTOMATYKI I INFORMATYKI INSTYTUT AUTOMATYKI I INFORMATYKI KIERUNEK AUTOMATYKA I ROBOTYKA STUDIA STACJONARNE I STOPNIA

TEORIA OBWODÓW I SYGNAŁÓW LABORATORIUM

INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA NR 7

Teoria obwodów / Stanisław Osowski, Krzysztof Siwek, Michał Śmiałek. wyd. 2. Warszawa, Spis treści

Zajmijmy się najpierw pierwszym równaniem. Zapiszmy je w postaci trygonometrycznej, podstawiając z = r(cos ϕ + i sin ϕ).

Funkcje wymierne. Jerzy Rutkowski. Działania dodawania i mnożenia funkcji wymiernych określa się wzorami: g h + k l g h k.

Induktor i kondensator. Warunki początkowe. oraz ciągłość warunków początkowych

Efekt naskórkowy (skin effect)

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

dr inż. Ryszard Rębowski 1 WPROWADZENIE

ALGEBRA z GEOMETRIA, ANALITYCZNA,

Obwody prądu zmiennego

Ćwiczenie nr 1 Odpowiedzi czasowe układów dynamicznych

Tematyka egzaminu z Podstaw sterowania

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

RÓWNANIE RÓśNICZKOWE LINIOWE

Równania różniczkowe liniowe II rzędu

3. FUNKCJA LINIOWA. gdzie ; ół,.

Całki nieoznaczone. 1 Własności. 2 Wzory podstawowe. Adam Gregosiewicz 27 maja a) Jeżeli F (x) = f(x), to f(x)dx = F (x) + C,

Automatyka i robotyka

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

Transkrypt:

Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Inżynierii Systemów Sterowania Podsta Automatyki Transmitancja operatorowa i widmowa systemu, znajdowanie odpowiedzi w dziedzinie s i w dziedzinie czasu Materiały pomocnicze do ćwiczeń termin T6 Opracowanie: dr inż. Kazimierz Duzinkiewicz dr inż. Michał Grochowski dr inż. Robert Piotrowski dr inż. Tomasz Rutkowski

Transmitancja operatorowa Zapis liniowego układu ciągłego w postaci równania różniczkowego n-tego rzędu nie jest jedynym sposobem zapisu. Układ ten można również opisać w postaci transmitancji operatorowej. Niech s będzie operatorem takim, że: k k d s = ; k =,, K,n k dt ( Dodatkowo, niech Y ( s oraz jścia y ( t oraz sygnału wejścia U s będą transformatami Laplace'a odpowiednio sygnału u t. Przypominając, linio układ ciągły opisany równaniem różniczkom n-tego rzędu można przedstawić w postaci: K = K ( n n m m d y t d y t dy t d u t d u t du t a n a n n a a n 0 y t bm b m m b m b0 u t dt dt dt dt dt dt gdzie: n m. Korzystając z zależności ( równanie ( można zapisać w następującej postaci: n n m m ( n n K 0 = ( m m K 0 a s a s a s a Y s b s b s b s b U s (3 Zatem, dla układu opisanego równaniem różniczkom ( można znaczyć transmitancję operatorową (zakładając zerowe warunki początkowe: G s def Y s b s b s K b s b = = U s a s a s a s a m m m m 0 n n n n K 0 (4 Transmitancja operatorowa układu (funkcja przejścia układu stosunek transformaty Y s do transformaty Laplace'a jego sygnału Laplace'a sygnału jściowego tego układu wejściowego U ( s oznaczamy jako G ( s i jest ona funkcją argumentu zespolonego s. przy zeroch warunkach początkoch. Transmitancję operatorową Pierwiastki licznika transmitancji operatorowej to zera transmitancji operatorowej, zaś pierwiastki mianownika transmitancji operatorowej to bieguny transmitancji operatorowej. Transmitancja widmowa Analiza częstotliwościowa układów dynamicznych służy do analizy układu ze względu na jego zdolności przenoszenia sygnałów sinusoidalnych, badając zmiany, jakim ulega sygnał tego typu po przejściu przez układ dynamiczny.

Podstawom pojęciem charakteryzującym poższe właściwości układu jest transmitancja widmowa. W oparciu o twierdzenie Eulera dla liczb zespolonych: jϕ e cosϕ j sin możemy zapisać wejścio sygnał harmoniczny w postaci: = ϕ (5 j t ( ω ( ω ω ( ω u t = A cos t j sin t = A e ω (6 gdzie: A amplituda sygnału, ω pulsacja sygnału, T okres drgań Odpowiedź układu na muszenie harmoniczne u ( t będzie również harmoniczna o takiej A i przesunięta w fazie względem u ( t o kąt ϕ : samej pulsacji ω, ale o innej amplitudzie ( ( t y t = A ω cos ω t ϕ ω j sin ω t ϕ ω = A ω e ω ϕ ω (7 Podstawiając (6 i (7 do ( mamy: j j( ω t ϕ ω j( ω t ϕ ω j( ω t ϕ( ω a j A e a j A e a A e = n n ( ω ( ω ( ω ( ω K ( ω m m = ( ω ( ω ( ω ( ω K ( ω n n 0 b j A e b j A e b A e jω t jω t jω t m m 0 (8 Z zależności (8 otrzymujemy: ( ω t ϕ( ω j n n A ω e a n jω a n jω K a 0 = jω t ( ω ( ω ( ω m m = A e bm j bm j K b 0 (9 W konsekwencji dostajemy zależność na transmitancję widmową: ( ω G j ( ω ( ω m m ( ω b jω b jω K b A ω = = a j a j a m m 0 j e n n n A n K 0 ϕ ( ω (0 Transmitancję widmową można znaczyć także na podstawie transmitancji operatorowej korzystając z podstawienia s = jω : ( ω s = j G j = G s ( Korzystając z zależności (, transmitancję widmową można przedstawić w postaci modułu L ω G jω ϕ ω = arg G jω : = i argumentu ϕ ( ω ω j j arg G j G jω L ω e G jω e ( ω = = (

Z matematycznego punktu widzenia transmitancja widmowa jest wektorem, którego moduł A ω do L( ω dla każdej pulsacji ω jest stosunkiem amplitudy sygnału jściowego amplitudy sygnału wejściowego A ( ω (Rysunek : L ( ω G ( jω ( ω ( ω A = = (3 A zaś argumentem ϕ ( ω jest przesunięcie fazowe sygnału jściowego względem sygnału wejściowego: arg G ( jω ϕ ω = (4 Oczywiście transmitancję widmową (jak każdą liczbę zespoloną można zapisywać również w postaci algebraicznej odrębniając część rzeczywistą P( ω = Re G ( jω i urojoną Q ( ω Im G ( jω = : ( ω = ( ω ( ω = ( ω ( ω G j P j Q Re G j j Im G j (5 Między poszczególnymi wielkościami zachodzą następujące zależności (Rysunek : ( ω = ( ω ( ω Q( ω ϕ ( ω = arctg P ( ω L P Q (6 Q (ω ω P (ω ω = 0 ϕ (ω P (ω L (ω Q (ω Rys.. Przykładowa charakterystyka amplitudowo fazowa Dla każdej pulsacji ω (np. ω = ω transmitancja widmowa jest liczbą zespoloną i znacza punkt o współrzędnych P ( ω,q ( ω. Punkt ten jest końcem wektora ( L( ω i kącie nachylenia ϕ ( ω. G jω o długości

Zadanie Dany jest model matematyczny czwórnika RC (kondensator ładowany przez rezystor (Rysunek postaci: d u t u t u we t d t = R C R C (7 R i R (t i obc (t u we (t u R (t u C (t i C (t C u (t Rysunek. Czwórnik RC Jako wejście układu przyjąć u we ( t, jako jście u t. Wyznaczyć transmitancję operatorową i widmową. Wyznaczoną transmitancję przedstawić w postaci umożliwiającej odczytanie następujących wielkości: wzmocnienie statyczne układu, stałe czasowe układu, zera i bieguny układu, część rzeczywista transmitancji widmowej, część urojona transmitancji widmowej. Rozwiązanie Zadania Dokonując transformaty Laplace a zależności (7, zakładając zerowe warunki początkowe i korzystając z własności liniowości transformaty Laplace a mamy: d u t = d t R C R C u ( t u ( t we (8 Uwzględniając własność transformaty Laplace'a związaną z mnożeniem przez stałą uzyskujemy: d u t = d t R C R C u ( t u ( t we (9 Po podstawieniu do rażenia (9 transformat odpowiednich pochodnych otrzymujemy:

s U s = U s U we s R C R C (0 co po prostych przekształceniach pozwala uzyskać: we U s = U s s R C ( Ostatecznie otrzymujemy transformatę sygnału jściowego do wejściowego przy zeroch warunkach początkoch: G s U s U s s R C = = ( we Wyrażenie ( umożliwia odczytanie wzmocnienia statycznego oraz stałej czasowej układu: k =, T = R C. Transmitancja operatorowa opisana zależnością ( nie ma zer i zawiera jeden biegun: =. T R C Przekształcając transmitancję operatorową do transmitancji widmowej w pierwszej kolejności w rażeniu ( wprowadzamy operator widmo poprzez podstawienie s = j ω : G ( jω = jω R C (3 Następnie mnożąc licznik i mianownik przez liczbę sprzężoną do mianownika uzyskujemy: G ( jω jω R C = jω R C jω R C (4 co po prostych przekształceniach pozwala uzyskać: ( ω G j R C = jω R C R C ( ω ( ω (5 Ostatecznie możemy odrębnić część rzeczywistą i urojoną transmitancji widmowej: Re[ G( j ω ] = (6 R C ( ω ω R C Im[ G( j ω ] = (7 R C ( ω

Zadanie Dany jest prosty model matematyczny pojazdu mechanicznego (Rysunek 3 postaci: µ = (8 d t m d t m d x d x f t x f(t m Rysunek 3. Uproszczony schemat pojazdu mechanicznego gdzie: f(t siła napędowa, m masa pojazdu, µ współczynnik tarcia tocznego, x(t przesunięcie pojazdu w osi poziomej. Jako wejście układu przyjąć f ( t, jako jście x t. Wyznaczyć transmitancję operatorową i widmową. Wyznaczoną transmitancję przedstawić w postaci umożliwiającej odczytanie następujących wielkości: część rzeczywista transmitancji widmowej, część urojona transmitancji widmowej. Rozwiązanie Zadania Dokonując transformaty Laplace a zależności (8, zakładając zerowe warunki początkowe i korzystając z własności liniowości transformaty Laplace a mamy: d x µ d x = d t m d t f t m (9 Uwzględniając własność transformaty Laplace'a związaną z mnożeniem przez stałą uzyskujemy: d x µ = d t d x m d t m f ( t (30 Po podstawieniu do rażenia (30 transformat odpowiednich pochodnych otrzymujemy: µ s X ( s = s X ( s F ( s (3 m m

co po prostych przekształceniach pozwala uzyskać: ( µ F s = X s m s s (3 Ostatecznie otrzymujemy transformatę sygnału jściowego do wejściowego przy zeroch warunkach początkoch: G s X s = = µ F s m s s Przekształcając transmitancję operatorową do transmitancji widmowej w pierwszej kolejności w rażeniu (33 wprowadzamy operator widmo poprzez podstawienie s = j ω : (33 ( ω G j = = m j j j µ ω ( ω µ ω m ω (34 Następnie mnożąc licznik i mianownik przez liczbę sprzężoną do mianownika uzyskujemy: G ( jω mω j µ ω = m ω j µ ω mω j µ ω (35 co po prostych przekształceniach pozwala uzyskać: ( ω G j ω = j µ ω m ( m ω ( µ ω ( m ω ( µ ω (36 Ostatecznie możemy odrębnić część rzeczywistą i urojoną transmitancji widmowej: [ ω ] Re G( j [ ω ] Im G( j = = m ω ( m ω ( µ ω µ ω ( m ω ( µ ω (37 (38 Znajdowanie odpowiedzi w dziedzinie czasu Operację znaczania funkcji f(t z danej transmitancji G(s (tzw. oryginał funkcji G(s konuje się przy użyciu odwrotnej transformaty Laplace a: πj c j - { G( s } = G ( s e st ( t f ds = 0 t 0 t < c j 0 (39 gdzie c jest stałą, która jest większa od części rzeczywistych wszystkich punktów funkcji na F s nie istnieje. płaszczyźnie s, w których funkcja Równanie (39 opisuje całkowanie wzdłuż linii znajdującej się na płaszczyźnie s. Dla prostych funkcji, operacja znajdowania odwrotnej transformaty operatorowej polega na

szukaniu odpowiedniej funkcji z tabeli transformat Laplace'a. Dla funkcji złożonych, odwrotna transformata Laplace'a znajdowana jest przez rozkład na ułamki proste i następnie przez zastosowanie tabeli transformat lub metodą liczenia residuów. W metodzie rozkładu na ułamki proste, transmitancja G(s powinna być przedstawiona w postaci miernej. Przy spełnieniu warunków na fizyczną realizowalność układu (stopień licznika nie może być większy od stopnia mianownika, szuka się pierwiastków mianownika funkcji miernej G(s. Możliwe są następujące sytuacje: pierwiastki rzeczywiste pojedyncze, pierwiastki zespolone parami sprzężone, pierwiastki wielokrotne. Uwaga: Szczegóły metody rozkładu na ułamki proste wraz z przykładami, zostały podane we wcześniejszych materiałach pomocniczych.