background image

Eugeniusz Rosołowski, e-mail: 

eugeniusz.rosolowski@pwr.wroc.pl

  

2. 

OPIS SYSTEMÓW LINIOWYCH W DZIEDZINIE 
CZASU 

2.1. 

Opis dynamiki systemu  

Rozważmy dwa układy fizyczne, których schematy są pokazane na rys. 2.1. Pierwszy 
z nich (rys. 2.1a) przedstawia szeregowy obwód elektryczny RLC, który jest zasilany 
napięciem u(t). Równanie napięciowe utworzonego oczka ma następującą postać: 

 

+

+

=

t

t

i

C

t

t

i

L

t

Ri

t

u

d

d

d

)

(

1

)

(

)

(

)

(

 (2.1) 

Po obustronnym zróżniczkowaniu, przy założeniu,  że napięcie wymuszające jest 

stałe: u(t) = U, otrzymujemy następujące równanie różniczkowe: 

 

0

)

(

1

d

)

(

d

d

)

(

d

2

2

=

+

+

t

i

C

t

t

i

R

t

t

i

L

 (2.2) 

Jest to jednorodne równanie drugiego rzędu. Mówimy, że opisuje ono układ 

drugiego rzędu. 

 

Rys. 2.1. Przykłady układów dynamicznych; a – obwód elektryczny; b – układ mechaniczny 

Podobne zależności otrzymamy dla układu mechanicznego (rys. 2.1b): 

 

+

+

=

t

t

v

K

t

t

v

M

t

Dv

t

f

d

d

d

)

(

)

(

)

(

)

(

 (2.3) 

background image

2. OPIS SYSTEMÓW LINIOWYCH W DZIEDZINIE CZASU 

gdzie:  f(t) jest siłą wymuszającą zmianę położenia masy M;  v(t) jest prędkością 
zmiany położenia masy MD jest współczynnikiem tłumienia; K – stała sprężyny. 

Porównując zależności (2.1) i (2.3) łatwo zauważyć analogie pomiędzy 

wielkościami elektrycznymi i mechanicznymi, na przykład: 

napięcie elektryczne u(t) - 

siła f(t), 

prąd elektryczny i(t

` - prędkość v(t) 

i inne. Widać także,  że różne co do charakteru zjawisk fizycznych systemy, mogą 
mieć jednakowe dynamiczne modele matematyczne. To sprawia, że teoria systemów 
jest dziedziną uniwersalną, gdyż jej język opisuje właściwości dynamiczne systemów 
o bardzo różnym charakterze fizycznym. 

Wracając do układu mechanicznego z rys. 2.1b, przy założeniu, że siła działająca 

na ten układ jest stała: f(t) = F, równanie (2.3) przybiera następującą postać: 

 

0

)

(

d

)

(

d

d

)

(

d

2

2

=

+

+

t

Kv

t

t

v

D

t

t

v

M

 (2.4) 

Jeśli w rozpatrywanych układach z rys. 2.1 pominąć kondensator w obwodzie 

elektrycznym i sprężynę w układzie mechanicznym, to przyjmą one postać jak na rys. 
2.2. 

R

L

u(t)

i(t)

tłumik

masa M

x(t)

b)

a)

f(t)

D

 

Rys. 2.2. Przykłady układów dynamicznych pierwszego rzędu; a – obwód elektryczny; 

b – układ mechaniczny 

W tym przypadku równania dynamiki redukują się do postaci: 

 

)

(

)

(

d

)

(

d

t

u

t

Ri

t

t

i

L

=

+

 (2.5) 

dla obwodu elektrycznego oraz: 

 

)

(

)

(

d

)

(

d

t

f

t

Dv

t

t

v

M

=

+

 (2.6) 

background image

2.1. Opis dynamiki systemu 

dla układu mechanicznego. Są to równania różniczkowe pierwszego rzędu 
niejednorodne (funkcja wymuszająca po prawej stronie równania jest różna od zera). 
Związane z nimi układy są także nazywane układami pierwszego rzędu. 

Z punktu widzenia automatyki (teorii sterowania) wygodnie jest opisywać 

rozpatrywane powyżej układy za pomocą zależności wejście – wyjście. Na przykład, 
jeśli w (2.5) w charakterze wejścia (wymuszenia) przyjmiemy napięcie  u(t), to 
wyjściem (odpowiedzią) będzie prąd:  y(t) = i(t). Niech funkcja przetwarzania 
(operator przetwarzania) takiego układu będzie oznaczona jako {g(t)}. Wówczas 
rozpatrywany układ można określić za pomocą schematu jak na rys. 2.3. 

 

Rys. 2.3. Schemat układu z jednym wejściem i jednym wyjściem 

Użyte w tym zapisie nawiasy zewnętrzne służą do zasygnalizowania, że wyjście 

nie jest bezpośrednio obliczane jako rezultat funkcji g(t) przy działaniu sygnału u(t). 
Sposób użycia tego operatora przetwarzania będzie omówione w dalszej części 
rozważań. 

W systemach liniowych funkcja przetwarzania {g(u(t))} jest operatorem liniowym, 

co oznacza, że zachodzi następująca relacja: 

 

)

(

)

(

)

(

2

1

2

1

u

g

u

g

u

u

g

+

=

+

β

α

β

α

 (2.7) 

Jest to równoważne założeniu,  że współczynniki w równaniu różniczkowym 

opisującym dynamikę systemu nie zależą od zmiennych procesu oraz nie występują w 
równaniu inne nieliniowe zależności względem tych zmiennych. Oto przykłady 
równań systemów nieliniowych: 

)

(

)

(

4

d

)

(

d

2

d

)

(

d

2

2

2

t

y

t

u

t

t

u

t

t

u

=

+

+

)

(

)

(

)

(

4

d

)

(

d

2

d

)

(

d

2

2

t

u

t

y

t

u

t

t

u

t

t

u

=

+

+

Liniowość parametrów systemu jest zawsze ograniczona do jakiegoś przedziału 

zmian wielkości opisujących proces. Do określenia wartości parametru operatora 
g(u(t)) w układzie z rys. 2.3 można posłużyć się przebiegiem funkcji określającej 
zależność pomiędzy sygnałami na wejściu i na wyjściu rozpatrywanego bloku (rys. 
2.4). W celu określenia przybliżonej liniowej zależności pomiędzy oboma sygnałami 
w rejonie punktu u

0

 można się posłużyć rozwinięciem nieliniowej funkcji g(u) w 

szereg Taylora w pobliżu tego punktu: 

background image

2. OPIS SYSTEMÓW LINIOWYCH W DZIEDZINIE CZASU 

 

(

)

...

!

2

d

)

(

d

!

1

d

)

(

d

)

(

)

(

2

0

2

2

0

0

0

0

+

+

+

=

=

=

=

u

u

u

u

g

u

u

u

u

g

u

g

u

g

y

u

u

u

u

  

(2.8) 

0

d

)

(

d

u

u

u

u

g

=

 

Rys. 2.4. Charakterystyka elementu nieliniowego 

Liniowe przybliżenie operatora g(u) sprowadza się ograniczeniu rozwinięcia (2.8) 

do części liniowej związanej z dwoma pierwszymi wyrazami: 

 

(

)

0

0

0

0

!

1

)

(

)

(

)

(

0

u

u

m

y

u

u

u

u

g

u

g

u

g

y

u

u

+

=

+

=

=

d

d

  

(2.9) 

gdzie 

u

y

u

u

y

y

m

Δ

Δ

=

=

0

0

W przypadku systemu wielowejściowego operator przetwarzania jest zależny od 

wielu zmiennych: 

 

{

}

)

,...,

,

(

2

1

n

u

u

u

g

y

=

 (2.10) 

a liniowe przybliżenie wokół punktu określonego przez współrzędne (u

10

u

20

, ..., u

n0

można wyznaczyć przez rozszerzenie rozwinięcia (2.8) na przypadek 
wielowymiarowy: 

background image

2.1. Opis dynamiki systemu 

 

(

)

(

)

(

)

0

20

2

2

10

1

1

0

20

10

2

1

0

20

2

10

1

...

)

,...,

,

(

)

,...,

,

(

n

n

u

u

n

u

u

u

u

n

n

u

u

u

g

u

u

u

g

u

u

u

g

u

u

u

g

u

u

u

g

y

n

n

+

+

+

+

=

=

=

=

d

d

d

d

d

d

 (2.11) 

Technikę  tą można stosować zarówno do systemów, jak również do ich 

pojedynczych elementów. 

Inną ważną cechą systemów jest zależność parametrów od czasu. Mówimy, że 

system jest inwariantny względem czasu, jeśli operator przetwarzania z rys. 2.3 
spełnia następującą zależność: 

 

{

}

)

),

(

(

)

(

τ

τ

τ

=

t

t

u

g

t

y

, (2.12) 

dla dowolnej wartości 

τ

, co oznacza, że nie zmienia on swoich właściwości z czasem. 

warunek ten można także sformułować następująco: jeśli y(t) jest odpowiedzią układu 
na wymuszenie u(t), to dla wymuszenia: u(t-τ) odpowiedź powinna być określona 
przez y(t-τ). Na przykład, układy opisane równaniami: 

)

(

)

(

4

d

)

(

d

t

u

t

ty

t

t

y

=

+

( )

5

)

(

sin

d

)

(

d

=

t

y

at

t

t

y

przedstawiają układy, które są zależne od czasu. 

Systemy liniowe inwariantne względem czasu (ang. Linear Time-Invariant – LTI

stanowią podstawową klasę układów rozważanych w kontekście systemów 
sterowania. Wynika to stąd,  że większość praktycznie analizowanych systemów z 
dużym przybliżeniem spełnia warunki liniowości i niezależności od czasu, a ponadto, 
istnieją bardzo wygodne matematyczne narzędzia do analizy takich układów. 

W podstawowej części niniejszego kursu będą prowadzone rozważania dotyczące 

właśnie liniowych systemów niezależnych od czasu. 

2.2. Modele 

wymuszeń 

Sygnały wejściowe w rozpatrywanych systemach mogą przyjmować różną formę w 
zależności od tego, czy są one związane z rzeczywistymi procesami, czy też  są 
opisane analitycznymi funkcjami, spełniającymi rolę wymuszeń testowych. W celu 
porównania właściwości różnych systemów (układów, elementów) wygodnie jest 
stosować w charakterze wymuszeń pewne standardowe przebiegi.  

background image

2. OPIS SYSTEMÓW LINIOWYCH W DZIEDZINIE CZASU 

Najbardziej elementarnym sygnałem testowym stosowanym w teorii systemów jest 

funkcja impulsowa δ(t) zwana też impulsem (deltą) Dirac’a

1

. Jej fizykalne znaczenie 

wywodzi się z pomysłu skrócenia do zera czasu występowania jakiejś wielkości 
fizycznej (masy, siły, napięcia elektrycznego itp.), której działanie jest normalnie 
rozłożone w czasie. To intuicyjne podejście pozwala zdefiniować funkcję impulsową 
(rys. 2.5): 

 

⎪⎪

>

<

<

<

=

=

2

dla

  

0

2

2

dla

  

1

2

dla

  

0

lim

)

,

(

lim

)

(

0

0

τ

τ

τ

τ

τ

τ

δ

δ

τ

τ

t

t

t

t

t

 (2.13) 

t

(t)

2

τ

2

τ

τ

1

 

Rys. 2.5. Model funkcji impulsowej 

Bardziej funkcjonalna definicja funkcji impulsowej jest związana z jej 

oddziaływaniem na każdą funkcję ciągłą w otoczeniu zera: 

 

τ

τ

δ

τ

ϕ

ϕ

d

)

(

)

(

)

0

(

+∞

=

 (2.14) 

co prowadzi do ogólnego związku: 

                                                      

1

 Paul Adrien Maurice Dirac (1902-1984), inżynier elektryk i fizyk, jeden z twórców 

mechaniki kwantowej (nagroda Nobla z fizyki w 1933 roku). 

background image

2.2. Modele wymuszeń 

 

τ

τ

δ

τ

ϕ

ϕ

d

)

(

)

(

)

(

0

0

+∞

=

t

t

 (2.15) 

Słuszna jest także następująca zależność: 

 

)

(

1

d

)

,

0

(

d

)

(

2

/

2

/

t

t

t

=

=

+

+∞

τ

τ

δ

δ

τ

τ

, (2.16) 

która bezpośrednio łączy się funkcją jednostkową 1(t): 

 

>

<

=

0

dla

0

dla

t

t

t

1

0

)

(

1

 (2.17) 

Funkcja 1(t) jest nazywana skokiem jednostkowym lub funkcją Heaviside’a

2

. Jej 

przebieg jest pokazany na rys. 2.6. 

1

 

Rys. 2.6. Model funkcji skoku jednostkowego 

Obie przedstawione funkcje łączą się za pomocą następującego związku: 

 

t

t

t

t

d

)

,

(

1

d

lim

)

,

(

lim

)

(

0

0

τ

τ

δ

δ

τ

τ

=

=

 (2.18) 

Funkcja skoku jednostkowego jest wygodnym narzędziem do definicji innych 

typowych wymuszeń: 

                                                      

2

 Oliver Heaviside (1850-1925), angielski inżynier elektryk, matematyk, fizyk; 

sformułował znaną postać równań telegrafistów. 

background image

2. OPIS SYSTEMÓW LINIOWYCH W DZIEDZINIE CZASU 

- skok prędkości:  

 

)

(

1

)

(

t

t

t

u

=

 - rys. 2.7a; 

- skok przyśpieszenia:  

)

(

1

2

)

(

2

t

t

t

u

=

 - rys. 2.7b. 

Zauważmy,  że: 

)

(

1

)

(

1

2

d

d

2

t

t

t

t

t

=

⎟⎟

⎜⎜

 oraz: 

( )

)

(

1

)

(

1

d

d

t

t

t

t

=

, co razem z (2.18) daje 

szereg funkcji testujących, które pozostają w stosunku do siebie w zależności 
różniczkowej. 

Ponadto, w charakterze typowych wymuszeń stosowane są następujące funkcje: 

- funkcja harmoniczna:   

)

cos(

)

(

0

t

t

u

ω

=

 lub w postaci zespolonej: 

)

sin(

j

)

cos(

)

(

0

0

j

0

t

t

e

t

u

t

ω

ω

ω

+

=

=

- funkcja wykładnicza:  

( )

...

2

/

)

(

2

2

1

0

+

+

+

=

t

a

t

a

a

t

u

 

 

Rys. 2.7. Przebiegi wymuszeń w postaci: a) skoku prędkości oraz b) skoku przyśpieszenia 

2.3. Rozwiązywanie równań różniczkowych 

2.3.1. Wprowadzenie 

Rozpatrzmy system liniowy inwariantny względem czasu rzędu n. Załóżmy ponadto, 
że jest to system z jednym wejściem i jednym wyjściem. Jego dynamika jest w 
ogólnym przypadku opisana następującym równaniem różniczkowym: 

 

)

(

)

(

)

(

)

(

...

)

(

)

(

0

'

1

''

2

)

1

(

1

)

(

t

f

t

y

a

t

y

a

t

y

a

t

y

a

t

y

n

n

n

=

+

+

+

+

+

 (2.19) 

przy czym, w ogólnym przypadku: 

)

(

)

(

)

(

...

)

(

)

(

)

(

0

'

1

''

2

)

1

(

1

)

(

t

u

b

t

u

b

t

u

b

t

u

b

t

u

b

t

f

m

m

m

m

+

+

+

+

+

=

n 

≥ m

background image

2.3. Rozwiązywanie równań różniczkowych 9 

y(t), u(t) - sygnały, odpowiednio, na wyjściu i wejściu systemu (rys. 2.3), 

k

k

k

t

t

y

t

y

d

d

)

(

)

(

)

(

=

a

k

b

l

 – stałe współczynniki (parametry systemu). 

Warunkiem realizowalności systemu określonego równaniem (2.19) jest spełnienie 

tzw. warunku przyczynowości, który wymaga, aby sygnał wyjściowy nie pojawił się 
wcześniej niż sygnał wejściowy. 

Równanie (2.19) jest znane jako równanie niejednorodne, którego rozwiązanie 

można zapisać w postaci: 

 

)

(

)

(

)

(

t

y

t

y

t

y

wym

sw

+

=

 (2.20) 

gdzie: )

(t

y

sw

 oznacza odpowiedź swobodną, )

(t

y

wym

 jest odpowiedzią wymuszoną. 

Odpowiedź swobodna jest rozwiązaniem równania jednorodnego, w którym jest 

zerowe wymuszenie: 

 

0

)

(

)

(

)

(

...

)

(

)

(

0

'

1

''

2

)

1

(

1

)

(

=

+

+

+

+

+

t

y

a

t

y

a

t

y

a

t

y

a

t

y

n

n

n

 (2.21) 

Rozwiązanie tego równania ma następującą postać: 

 

)

(

...

)

(

)

(

)

(

2

2

1

1

t

y

C

t

y

C

t

y

C

t

y

n

n

+

+

+

=

sw

 (2.22) 

gdzie: stałe  C

1

,  C

2

, ... C

n

 zależą od warunków początkowych lub od warunków 

granicznych, natomiast funkcje y

1

(t),  y

2

(t),...,  y

n

(t) zależą od pierwiastków 

algebraicznego równania charakterystycznego o postaci: 

 

0

...

0

1

2

2

1

1

=

+

+

+

+

+

a

r

a

r

a

r

a

r

n

n

n

 (2.23) 

Równanie (2.23) ma n pierwiastków, wśród których mogą być pojedyncze lub 

wielokrotne pierwiastki rzeczywiste, czy też zespolone, przy czym, pierwiastki 
zespolone tworzą pary wielkości sprzężonych. Stałe  C

1

,  C

2

, ... C

n

  są 

przyporządkowane do pierwiastków równania charakterystycznego zgodnie z 
następującą zasadą: 

–  jeśli r

k

 jest pojedynczym pierwiastkiem rzeczywistym, to: 

t

r

k

k

e

t

y

=

)

(

–  dla każdego l-krotnego pierwiastka rzeczywistego: 

t

r

k

k

e

t

y

=

)

(

t

r

k

k

te

t

y

=

+

)

(

1

..., 

t

r

l

l

k

k

e

t

t

y

1

1

)

(

+

=

–  dla każdego pojedynczego pierwiastka zespolonego r

k

 = a  + jb

bt

e

t

y

at

k

cos

)

(

=

bt

e

t

y

at

k

sin

)

(

1

=

+

–  dla każdej l-krotnej pary pierwiastków zespolonych r

k

 = a  + jb

bt

e

t

y

at

k

cos

)

(

=

bt

e

t

y

at

k

sin

)

(

1

=

+

bt

t

e

t

y

at

k

cos

)

(

2

=

+

bt

t

e

t

y

at

k

sin

)

(

3

=

+

..., 

bt

t

e

t

y

l

at

l

k

cos

)

(

1

2

2

+

=

bt

t

e

t

y

l

at

l

k

sin

)

(

1

1

2

+

=

background image

10 

2. OPIS SYSTEMÓW LINIOWYCH W DZIEDZINIE CZASU 

Przykład 2.1.  

Określić odpowiedź swobodną (przejściową) dla równania jednorodnego: 

0

2

3

2

3

=

y

t

y

t

y

d

d

d

d

 

Równanie charakterystyczne ma następującą postać: 

0

2

3

3

=

− r

r

 

Można je przedstawić w postaci iloczynowej: 

( ) (

)

0

2

1

2

=

+

r

r

skąd: r

1

 = –1, r

2

 = –1, r

3

 = 2. 

Zatem, swobodna odpowiedź systemu przybiera następującą formę: 

(

)

t

t

e

C

e

t

C

C

t

y

2

3

2

1

)

(

+

+

=

sw

Stałe współczynniki w powyższym równaniu należy określić na podstawie warunków pełnego 
rozwiązania równania niejednorodnego. 

Postać odpowiedzi wymuszonej y

wym

(t) zależy od rodzaju funkcji wymuszającej 

(prawa strona równania niejednorodnego). Może tu wystąpić duża różnorodność tych 
funkcji. Dla najbardziej typowych obowiązują następujące zasady: 

– 

at

Ke

t

f

=

)

(

 - 

at

Ae

t

y

=

)

(

wym

, jeśli a nie jest pierwiastkiem równania 

charakterystycznego; 

at

l

e

At

t

y

=

)

(

wym

 jeśli a jest l-krotnym pierwiastkiem 

równania charakterystycznego;  

– 

t

K

t

f

ω

cos

)

(

=

 lub 

t

K

t

f

ω

sin

)

(

=

 - 

t

B

t

A

t

y

ω

ω

sin

cos

)

(

+

=

wym

– 

k

Kt

t

f

=

)

(

k > 0: 

k

k

t

A

t

A

A

t

y

+

+

+

=

...

)

(

1

0

wym

 - jeśli zero nie jest 

pierwiastkiem równania charakterystycznego; 

(

)

τ

τ

τ

d

0

wym

+

+

+

=

t

t

k

k

A

A

A

t

y

...

)

(

1

0

 - jeśli zero jest pierwiastkiem równania 

charakterystycznego. 

Wartości stałych współczynników w powyższych funkcjach można określić przez 

ich podstawienie do oryginalnych równań niejednorodnych. 

Przykład 2.2.  

Określić odpowiedź wymuszoną (rozwiązanie szczegółowe), rozwiązanie 
swobodne i rozwiązanie pełne następującego równania: 

t

t

y

t

y

t

y

+

=

+

+

3

2

2

2

d

d

d

d

, przy warunkach początkowych: y(0) = 0, y

(0) = 

20. 

Wymuszenie jest funkcją wielomianową, więc zakładamy rozwiązanie szczegółowe o postaci: 

3

3

2

2

1

0

)

(

t

A

t

A

t

A

A

t

y

+

+

+

=

wym

 

Po wstawieniu tej funkcji do wyjściowego równania otrzymamy: 

(

)

t

t

t

A

A

t

A

t

A

A

t

A

t

A

t

A

A

+

=

+

+

+

+

+

+

+

+

3

3

2

2

3

2

1

3

3

2

2

1

0

12

4

3

2

2

 

background image

2.3. Rozwiązywanie równań różniczkowych 11 

Porządkując obie strony równania względem potęg zmiennej t otrzymamy: 

(

) (

)

t

t

A

A

A

t

A

A

A

t

A

A

t

A

+

=

+

+

+

+

+

+

+

+

3

2

1

0

3

2

1

2

3

2

3

3

2

2

6

4

6

skąd uzyskujemy następujące warunki równości obu stron równania: 

1

3

=

A

0

6

3

2

=

A

A

1

6

4

3

2

1

=

+

+

A

A

A

0

2

2

2

1

0

=

+

+

A

A

A

Ten układ czterech równań ma następujące rozwiązanie: 

26

0

=

A

19

1

=

A

6

2

=

A

1

3

=

A

A zatem: 

3

2

6

19

26

)

(

t

t

t

t

y

+

+

=

wym

W celu określenia rozwiązania swobodnego 

)

(t

y

sw

 należy określić pierwiastki równania 

charakterystycznego: 

( )

0

1

1

2

2

2

=

+

=

+

+

r

r

r

, a więc: r

1

 = r

2

 = –1. 

Rozwiązanie swobodne ma zatem następującą postać: 

(

)

t

e

t

C

C

t

y

+

=

2

1

)

(

sw

Pełne rozwiązanie równania niejednorodnego ma następującą postać (2.20): 

)

(

)

(

)

(

t

y

t

y

t

y

wym

sw

+

=

=

t

t

te

C

e

C

+

2

1

3

2

6

19

26

t

t

t

+

+

W celu określenia współczynników  C

1

,  C

2

 należy wykorzystać warunki początkowe. Są one 

określone dla t = 0. Mamy stąd dwa równania: 

=

)

0

(

y

(

t

t

te

C

e

C

+

2

1

3

2

6

19

26

t

t

t

+

+

)|

t = 0

 = 0,  

=

)

0

(

'

y

(

( )

t

t

e

t

C

e

C

+

1

2

1

+

2

3

12

19

t

t

+

)|

t = 0

 = 20.  

 

Rys. 2.8. Przebiegi funkcji składowych w równaniu różniczkowym 

background image

12 

2. OPIS SYSTEMÓW LINIOWYCH W DZIEDZINIE CZASU 

Z pierwszego równania otrzymujemy: C

1

 = 26, zaś z drugiego: C

2

 = 27. 

Odpowiedź swobodna jest następująca: 

(

)

t

e

t

t

y

+

=

27

26

)

(

sw

Ostatecznie, otrzymujemy następujące rozwiązanie: 

=

)

(t

y

(

)

t

e

t

+ 27

26

3

2

6

19

26

t

t

t

+

+

Przebiegi poszczególnych funkcji składowych związanych z rozpatrywanym równaniem są 
pokazane na rys. 2.8. 

Widać, że składowa przejściowa y

sw

(t) z czasem zmierza do zera (układ jest stabilny), 

przez co odpowiedź układu y(t) zbliża się do odpowiedzi wymuszonej y

wym

(t). 

Uwagi końcowe 

Na podstawie tego krótkiego przeglądu zagadnień związanych z rozwiązywaniem 

równań różniczkowych opisujących dynamikę systemów liniowych inwariantnych 
można sformułować następujące wnioski: 

1. Odpowiedź systemu na wymuszenie w postaci sygnału wejściowego określonego 

przez funkcję  f(t) jest utworzona z dwóch części: składowej swobodnej - której 
przebieg zależy od parametrów systemu i jego warunków początkowych oraz 
składowej wymuszonej – której postać zależy od parametrów systemu i charakteru 
wymuszenia. 

2. Odpowiedź swobodna jest utworzona ze składników o postaci: 

t

r

k

k

e

y

y

=

)

(

 lub 

bt

e

t

y

at

k

cos

)

(

=

 z ewentualnym czynnikiem w postaci zmiennej t reprezentującej 

czas (w odpowiedniej potędze), przy czym, stałe  r

k

 oraz a (jako składniki 

rzeczywiste zespolonych liczb: a + jb) są odpowiednimi pierwiastkami równania 
charakterystycznego. Można zauważyć,  że jeśli pierwiastki rzeczywiste tego 
równania są ujemne lub – w przypadku pierwiastków zespolonych – mają ujemne 
części rzeczywiste, to powyższe składniki odpowiedzi z czasem zanikają do zera. 
Dlatego też, odpowiedź swobodna jest także nazywana przejściową lub zanikającą
Jeśli warunek ten nie jest spełniony, to (nawet przy braku wymuszenia) odpowiedź 
z czasem narasta nieograniczenie. Taki system jest niestabilny. W przypadku 
zerowych pierwiastków rzeczywistych (lub zespolonych z zerową częścią 
rzeczywistą) mamy do czynienia z sytuacją graniczną (granica stabilności). 

3. W przypadku stabilnego systemu, stan przejściowy (odpowiedź swobodna) z 

czasem zanika i całkowita odpowiedź zależy wówczas tylko od parametrów 
systemu i charakteru wymuszenia. System osiąga stan ustalony

background image

2.4. 

Analiza systemów opisanych równaniami różniczkowymi 

2.4.1. Wprowadzenie 

W analizie systemów, których dynamika jest opisana za pomocą równań 

różniczkowych ważną odgrywa stosowanie wymuszenia w postaci impulsu Diraca. W 
ogólnym przypadku: 

 

)

(

)

(

)

(

)

(

...

)

(

)

(

0

'

1

''

2

)

1

(

1

)

(

t

t

y

a

t

y

a

t

y

a

t

y

a

t

y

n

n

n

δ

=

+

+

+

+

+

 (2.24) 

Uzyskana w takim przypadku odpowiedź jest nazywana funkcją wagi g(t) = y(t): 

 

)

(

)

(

)

(

)

(

...

)

(

)

(

0

'

1

''

2

)

1

(

1

)

(

t

t

g

a

t

g

a

t

g

a

t

g

a

t

g

n

n

n

δ

=

+

+

+

+

+

 (2.25) 

Funkcja wagi jest zatem odpowiedzią impulsową układu.  

Rozwiązanie równania (2.25) wymaga ostrożnej analizy występujących tam 

funkcji. Przede wszystkim, z warunku przyczynowości oraz liniowości układu 
wynika,  że funkcja wagi g(t) jest funkcją ciągłą w czasie dla wszystkich układów 
opisanych równaniami różniczkowymi rzędu większego niż pierwszy. Stąd wynika, 
że: 

 

g(0) = g

0+

 = 0, 

(2.26) 

gdyż g(t) = 0 dla t < 0, gdzie g

0+

 oznacza granicę prawostronną (od strony dodatnich 

wartości zmiennej t).  

Całkując obustronnie (2.25) otrzymamy: 

    

=

+

+

+

+

2

/

2

/

2

/

2

/

0

2

/

2

/

'

1

2

/

2

/

)

1

(

1

2

/

2

/

)

(

d

)

(

d

)

(

d

)

(

...

d

)

(

d

)

(

τ

τ

τ

τ

τ

τ

τ

τ

τ

τ

δ

t

t

t

t

g

a

t

t

g

a

t

t

g

a

t

t

g

n

n

n

 (2.27) 

Wskazany przedział całkowania (τ → 0) jest uzasadniony ciągłością g(t) oraz tym, że 
impuls 

δ

(t) = 0 za wyjątkiem t = 0. Z prawej strony równania otrzymuje się wartość 1, 

natomiast wszystkie składniki lewej strony są równe zero za wyjątkiem pierwszego z 
nich: 

 

)

1

(

0

)

1

(

0

)

1

(

0

2

/

2

/

)

1

(

)

1

(

2

/

2

/

)

(

d

)

(

d

d

)

(

+

+

=

=

=

n

n

n

t

t

n

n

n

g

g

g

t

t

g

t

t

g

τ

τ

 (2.28) 

gdyż 

0

)

1

(

0

=

n

g

Ostatecznie, rezultat całkowania (2.27) prowadzi do następującego związku: 

 

1

)

1

(

0

=

+

n

g

 (2.29) 

background image

14 

2. OPIS SYSTEMÓW LINIOWYCH W DZIEDZINIE CZASU 

Zależności (2.26) oraz (2.29) pozwalają określić odpowiedź impulsową (funkcję 

wagi) układu na podstawie jego równania różniczkowego. Warto zauważyć,  że 
odpowiedź ta jest obliczana na podstawie równania jednorodnego z powyższymi 
warunkami, gdyż funkcja wymuszająca  f(t) = 

δ

(t) ma zerową wartość za wyjątkiem 

punktu t = 0. 

Przykład 2.3.

  

Określić funkcję wagi układu z poprzedniego przykładu. Równanie 

jednorodne ma następującą postać: 

0

2

2

2

=

+

+

y

t

y

t

y

d

d

d

d

Miejscami zerowymi funkcji charakterystycznej są dwie jednakowe liczby: 
r

1

 = r

2

 = –1. 

Stan przejściowy jest zatem określony przez następującą funkcję: 

(

)

t

e

t

C

C

t

y

+

=

2

1

)

(

sw

którą jest poszukiwana funkcja wagi: g(t) = y

sw

(t). Współczynniki tego równania można 

wyznaczyć na podstawie podanych powyżej zależności: 

(

)

0

)

0

(

0

2

1

=

+

=

=

t

t

e

t

C

C

g

(

)

1

)

1

(

)

0

(

0

2

1

'

=

+

=

=

t

t

e

t

C

C

g

A więc: C

1

 = 0, C

2

 = 1, co daje: 

)

(

1

)

(

t

te

t

g

t

=

W przypadku równania różniczkowego pierwszego rzędu funkcja wagi g(t) nie jest 

już funkcją ciągłą dla t = 0, natomiast przybiera ona wartość 1: g(0) = 1. Stąd też:  

 

g(0) = g

0+

 = 1 

(2.30) 

oraz: 

1

)

0

(

0

1

=

=

=

t

rt

e

C

g

, a zatem: 

1

1

=

C

Przykład 2.4.

  

Określić funkcję wagi układu, którego równanie różniczkowe jednorodne 

ma następującą postać: 

0

1 =

y

T

t

y

d

d

Funkcja charakterystyczna: r + 1/T = 0 ma rozwiązanie:  r = –1/T. Rozwiązanie równania 
jednorodnego ma zatem następującą postać: 

T

t

rt

e

C

e

C

t

y

/

1

1

)

(

=

=

sw

Na podstawie powyższych rozważań C

1

 = 1, więc odpowiedź impulsowa jest następująca: 

)

(

1

)

(

)

(

/

t

e

t

y

t

g

T

t

=

=

sw

Warto zauważyć,  że funkcja skoku jednostkowego w powyższym wyrażeniu ma na celu 
zerowanie funkcji impulsowej dla czasu t 

≤ 0. 

background image

2.4. Analiza systemów opisanych równaniami różniczkowymi 15 

Znajomość funkcji wagi pozwala określić rozwiązanie równania różniczkowego 

rozpatrywanego systemu dla dowolnego wymuszenia u(t), przy zerowych warunkach 
początkowych: 

 

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

t

g

t

u

t

g

u

t

y

=

=

+∞

τ

τ

τ

d

 (2.31) 

Powyższy związek jest nazywany splotem dwóch funkcji (sygnałów):  u(t) oraz 

g(t). Splot jest operacją przemienną, więc: 

 

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

t

u

t

g

t

u

g

t

g

u

t

g

t

u

=

=

=

+∞

+∞

τ

τ

τ

τ

τ

τ

d

d

 (2.32) 

Bardziej praktyczna operacja splotu zachodzi dla przypadku, gdy spełnione są 

warunki: dla 

0

<

t

0

)

(

=

t

u

 oraz dla 

(

)

0

<

τ

t

,

(

)

0

=

τ

t

g

. Wówczas: 

 

=

t

d

t

g

u

t

y

0

)

(

)

(

)

(

τ

τ

τ

 (2.33) 

Przykład 2.5.

  

Określić odpowiedź układu o funkcji wagi: 

)

(

1

)

(

/

t

e

t

g

T

t

=

(patrz 

przykład 2.4) na skok jednostkowy: 

)

(

1

)

(

t

t

u

=

Podstawiając poszczególne funkcje do (2.33), otrzymamy: 

)

(

1

1

)

(

1

1

)

(

1

)

(

0

0

)

(

1

t

e

T

t

e

Te

d

e

e

d

e

t

y

T

t

T

t

T

t

t

T

T

t

t

T

t



=



=

=

=

τ

τ

τ

τ

τ

 

Przykład 2.6.

  

W  przykładzie 2.3 otrzymaliśmy następującą funkcję wagi: 

)

(

1

)

(

t

te

t

g

t

=

 analizowanego układu. Określić odpowiedź tego układu na 

skok jednostkowy. 

Odpowiedź na skok jednostkowy jest określona za pomocą całki: 

=

=

t

t

t

t

t

t

d

e

e

d

e

te

d

e

t

t

y

0

0

0

)

(

1

)

(

)

(

1

)

(

τ

τ

τ

τ

τ

τ

τ

τ

τ

Stosując całkowanie przez części w odniesieniu do drugiej całki, po uproszczeniu otrzymamy: 

t

e

t

t

y

+

=

)

1

(

1

)

(

1

Przebiegi funkcji wagi: g(t) oraz odpowiedzi na skok jednostkowy:  y

1

(t) dla rozważanego 

systemu są pokazane na rys. 2.9. 

background image

16 

2. OPIS SYSTEMÓW LINIOWYCH W DZIEDZINIE CZASU 

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

t, s

y

1

(t)

g(t)

 

Rys. 2.9. Przebiegi funkcji wagi: g(t) oraz odpowiedzi na skok jednostkowy: y

1

(t

Odpowiedź na dowolne wymuszenie u(t) można też wyznaczyć znając odpowiedź 

układu na skok jednostkowy y

1

(t). Wyznacza to tzw. równanie Duhamel’a

3

 

+

=

t

d

u

t

y

t

y

u

t

y

0

1

1

)

(

'

)

(

)

(

)

0

(

)

(

τ

τ

τ

 (2.34) 

Jest to bardzo użyteczny związek, gdyż z punktu widzenia funkcjonowania układu 

i fizykalnej oceny jego właściwości dynamicznych najbardziej miarodajną jest 
odpowiedź na skok jednostkowy y

1

(t). 

2.4.2. Odpowiedź układu na wymuszenie harmoniczne 

Zauważmy, że odpowiedź systemu na wymuszenie w postaci funkcji impulsowej lub 
skoku jednostkowego z czasem zanika. Tę  własność mają stabilne układy liniowe. 
Domyślamy się,  że jest to wynikiem zaniku zmian wymuszenia. Interesujące jest 
zatem badanie odpowiedzi systemu przy wymuszeniu harmonicznym (sinusoidalnie 
zmiennym). Wyjaśnia to następujący przykład. 

                                                      

3

 Jean-Marie-Constant Duhamel (1797-1872), matematyk i fizyk francuski, prace na temat 

transportu ciepła. 

background image

2.4. Analiza systemów opisanych równaniami różniczkowymi 17 

Przykład 2.7.

  

Określić odpowiedź układu rozważanego w przykładzie 2.4 na sygnał o 
postaci: 

(

)

ϕ

ω

+

=

t

A

t

u

0

sin

)

(

Przypomnijmy,  że w przykładzie 2.4 rozważany jest układ, którego jednorodne równanie 
różniczkowe ma następującą postać:  

0

1 =

y

T

t

y

d

d

W przykładzie 2.4 otrzymaliśmy następującą funkcję wagi: 

)

(

1

)

(

/

t

e

t

g

T

t

=

 tego układu. 

Pozostaje zatem obliczenie całki (2.33) dla zadanego wymuszenia harmonicznego (przy 
zerowych warunkach początkowych): 

=

t

d

t

g

u

t

y

0

)

(

)

(

)

(

τ

τ

τ

=

(

)

+

t

T

t

d

e

A

0

)

(

0

sin

τ

ϕ

τ

ω

τ

=

(

)

+

t

T

T

t

d

e

Ae

0

/

0

/

sin

τ

ϕ

τ

ω

τ

Ponieważ 

(

)

( )

( )

ϕ

ω

ϕ

ω

ϕ

ω

sin

cos

cos

sin

sin

0

0

0

t

t

t

+

=

+

, więc: 

( )

( )



+

=

t

T

t

T

T

t

d

e

n

d

e

Ae

t

y

0

/

0

0

/

0

/

cos

sin

sin

cos

)

(

τ

τ

ω

ϕ

τ

τ

ω

ϕ

τ

τ

Do obliczenia powyższych całek można skorzystać z metody całkowania przez części, co daje: 

( )

⎟⎟

⎜⎜

+

+

=

0

0

0

0

/

2

2

0

0

/

0

cos

sin

1

/

1

1

sin

ω

ω

ω

ω

ω

τ

τ

ω

τ

t

t

T

e

T

d

e

T

t

t

T

( )

⎟⎟

⎜⎜

+

+

=

T

t

T

t

e

T

d

e

T

t

t

T

1

cos

1

sin

/

1

1

cos

0

0

0

/

2

2

0

0

/

0

ω

ω

ω

ω

τ

τ

ω

τ

Po wykonaniu niezbędnych przekształceń otrzymamy ostateczną odpowiedź: 

(

)

(

)

(

)

δ

ϕ

δ

ϕ

ω

ω

+

+

=

sin

sin

/

1

)

(

/

0

2

2

0

T

t

e

t

T

A

t

y

gdzie: 

(

)

)

/

1

/(

arctg

0

T

ω

δ =

Widać,  że odpowiedź badanego systemu na wymuszenie sinusoidalne składa się z dwóch 
części, z których pierwsza przedstawia funkcję harmoniczną o pulsacji równej pulsacji funkcji 
wymuszającej, a druga przedstawia funkcję zanikającą wykładniczo do zera (y

sw

(t)). 

Maksymalna początkowa amplituda składowej zanikającej występuje dla φ = δ ± π/2.  
Na rys. 2.10 są pokazane przebiegi sygnału wymuszającego u(t), a także odpowiedzi y(t) i 
odpowiedzi przejściowej y

sw

(t) dla następujących parametrów układu: 

A = 10, T = 0,05, 

ω

0

 = 100

π, 

ϕ = π/4. 

Przebiegi odpowiedzi są przeskalowane sto razy. 

Można zauważyć,  że w przypadku układów liniowych inwariantnych odpowiedź 

ustalona (składowa wymuszona odpowiedzi, po zaniku składowej przejściowej) przy 
wymuszeniu harmonicznym jest również przebiegiem harmonicznym o tej samej 
częstotliwości. Możliwa jest natomiast zmiana fazy oraz amplitudy sygnału 
wyjściowego. Stopień zmiany amplitudy (wzmocnienie lub tłumienie) oraz fazy 

background image

18 

2. OPIS SYSTEMÓW LINIOWYCH W DZIEDZINIE CZASU 

sygnału wyjściowego zależy od zadanej częstotliwości sygnału wejściowego. Oba te 
parametry: wzmocnienie oraz przesunięcie fazy wyznaczone dla pewnego zakresu 
zmian częstotliwości tworzą, odpowiednio, charakterystykę amplitudową oraz 
charakterystykę fazową badanego układu. Dostarczają one ważnych informacji o 
właściwościach układu i będą przedmiotem analizy w dalszych rozważaniach. 

 

Rys. 2.10. Przebiegi: wymuszenia harmonicznego oraz odpowiedzi układu 

2.4.3. Odpowiedź szeregowo połączonych układów 

Na podstawie (2.31), odpowiedz układu o funkcji impulsowej g

1

(t) na wymuszenie 

u

1

(t) jest następująca: 

 

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

1

1

1

1

1

1

1

t

u

t

g

t

u

g

t

y

=

=

+∞

τ

τ

τ

d

 (2.35) 

Jeśli wymuszenie u

1

(t) jest sygnałem wyjściowym z innego układu o funkcji 

impulsowej g

0

(t) i wymuszeniu u

0

(t), to można napisać: 

 

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

0

0

0

0

0

0

0

1

t

u

t

g

t

u

g

t

u

=

=

+∞

τ

τ

τ

d

 (2.36) 

background image

2.4. Analiza systemów opisanych równaniami różniczkowymi 19 

Podstawiając (2.36) do (2.35), otrzymamy: 

 

(

)

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

0

0

1

1

0

1

0

0

0

0

1

1

t

u

t

g

t

g

t

u

g

g

t

y

=



=

+∞

+∞

τ

τ

τ

τ

τ

τ

d

d

 (2.37) 

Powtarzając tę procedurę dla odwrotnej kolejności układów łatwo pokazać, że: 

 

(

) (

)

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

0

0

1

0

0

1

0

0

1

t

u

t

g

t

g

t

g

t

u

t

g

t

u

t

g

t

g

=

=

 (2.38) 

Widać stąd,  że dla szeregowo połączonych układów o funkcjach impulsowych, 

odpowiednio, g

0

(t) oraz g

1

(t), obowiązuje zależność (rys. 2.11): 

 

)

(

)

(

)

(

1

0

t

g

t

g

t

g

=

 (2.39) 

gdzie g(t) jest funkcją impulsową ekwiwalentnego układu. 

)

(

)

(

)

(

1

0

t

g

t

g

t

g

=

 

Rys. 2.11. Ekwiwalent szeregowo połączonych bloków 

2.5. 

Opis dynamiki systemu za pomocą równań stanu 

2.5.1. Struktura 

równań zmiennych stanu 

W dotychczasowych rozważaniach zakładaliśmy,  że sygnał wyjściowy dla danego 
systemu o funkcji wagi g(t) może być określony za pomocą zależności splotowej 
(2.31). W tym wyrażeniu zgubiona jest informacja o strukturze wewnętrznej systemu, 
co można wykorzystać przy bardziej szczegółowej jego analizie. Ponadto, zapis 
splotowy relacji wejście – wyjście komplikuje się dla systemów o większej liczbie 
wejść i wyjść. W takim przypadku korzystnie jest stosować model systemu w postaci 
równań stanu. Jego ideę można prześledzić na podstawie przykładu układu 
mechanicznego, jaki był rozważany na początku tego rozdziału (rys. 2.1). 

Siła f(t) przyłożona do masy M, zgodnie z (2.3) rozkłada się na trzy składniki:  

 

)

(

)

(

)

(

)

(

t

f

t

f

t

f

t

f

S

M

D

+

+

=

 (2.40) 

gdzie:  

)

(

)

(

t

Dv

t

f

D

=

t

t

v

M

t

f

M

d

)

(

d

)

(

=

=

t

t

v

K

t

f

S

d

)

(

)

(

Różniczkując ostatni składnik otrzymamy równanie dynamiki sprężyny: 

background image

20 

2. OPIS SYSTEMÓW LINIOWYCH W DZIEDZINIE CZASU 

 

)

(

d

)

(

d

t

Kv

t

t

f

S

=

 (2.41) 

Podobnie, równanie dynamiki zawieszonej masy można przedstawić w 

następującej postaci: 

 

)

(

1

)

(

1

)

(

)

(

1

d

)

(

d

t

f

M

t

f

M

t

v

M

D

t

f

M

t

t

v

S

M

+

=

=

 (2.42) 

Siła związana z tłumikiem jest proporcjonalna do prędkości przemieszczania się 

tłoka, jest więc wyrażona za pomocą zależności algebraicznej. Dynamika 
rozważanego układu jest przedstawiona za pomocą dwóch powyższych równań, które 
można zapisać w formie macierzowej: 

 

)

(

1

0

)

(

)

(

1

0

d

)

(

d

d

)

(

d

t

f

M

t

v

t

f

M

D

M

K

t

t

v

t

t

f

S

S

+

=

 (2.43) 

W tym systemie wymuszeniem jest siła:  u(t) = f(t), natomiast odpowiedzią - 

prędkość:  y(t) = v(t). Różniczkowane wielkości występujące po lewej stronie 
powyższego równania: f

S

(t), v(t), są nazywane zmiennymi stanu. Ogólna postać tego 

równania jest następująca: 

 

Bu

Ax

x

+

=

&

 (2.44) 

 

Du

Cx

y

+

=

 (2.45) 

Pierwsze z tych równań jest nazywane równaniem stanu, a drugie – równaniem 

wyjść

4

. Przy założeniu,  że system ma b zmiennych wejściowych (wymuszeń),  n 

zmiennych stanu oraz m wyjść, macierze parametrów przyjmują następującą postać: 

=

nn

n

n

n

n

a

a

a

a

a

a

a

a

a

L

M

M

M

M

L

L

2

1

2

22

21

1

12

11

A

=

nb

n

n

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

L

M

M

M

M

L

L

2

1

2

22

21

1

12

11

B

=

mn

m

m

n

n

c

c

c

c

c

c

c

c

c

L

M

M

M

M

L

L

2

1

2

22

21

1

12

11

C

=

mb

m

m

b

b

d

d

d

d

d

d

d

d

d

L

M

M

M

M

L

L

2

1

2

22

21

1

12

11

D

=

n

x

x

x

M

2

1

x

=

m

y

y

y

M

2

1

y

=

b

u

u

u

M

2

1

u

                                                      

4

 Niektórzy autorzy zapisują równanie wyjść z transponowaną macierzą C

Du

x

C

y

+

=

T

background image

2.5. Opis dynamiki systemu za pomocą równań stanu 

21 

W rozpatrywanym przykładzie mamy: 

=

=

)

(

)

(

)

(

)

(

2

1

t

v

t

f

t

x

t

x

S

x

=

=

M

D

M

K

a

a

a

a

1

0

22

21

12

11

A

=

=

M

b

b

1

0

22

11

B

, )

(t

f

=

u

)

(

)

(

t

v

t

y

=

=

y

[

] [ ]

1

0

2

1

=

=

=

c

c

c

C

0

=

D

Jest to więc układ z jednym wejściem (b = 1), jednym wyjściem (m = 1) oraz dwoma 
zmiennymi stanu (n = 2). Macierz A jest nazywana macierzą stanu lub macierzą 
przejściową. Określa ona podstawowe dynamiczne właściwości systemu. 

Można zauważyć,  że w układach z jednym wejściem i jednym wyjściem liczba 

zmiennych stanu jest wyznaczona przez rząd systemu. Równanie różniczkowe  n-go 
rzędu jest reprezentowane za pomocą  n równań I rzędu. Dynamika systemu jest 
reprezentowana za pomocą równania stanu. Znajomość aktualnych wartości 
zmiennych stanu wraz z funkcjami określającymi wejścia pozwala jednoznacznie 
określić przyszłe stany systemu. 

Przejście pomiędzy opisem systemu za pomocą równania różniczkowego, a 

równaniem stanu nie jest jednoznaczne. Ten sam system może być opisany różnymi 
równaniami stanu. Zależy to od sposobu definicji zmiennych stanu, co można uzyskać 
na drodze odpowiednich przekształceń początkowego równania różniczkowego lub 
przyporządkowaniem odpowiedniej wielkości fizycznej do zmiennej stanu. Na 
przykład, w analizowanym powyżej układzie mechanicznym zmienne stanu 
reprezentują: siłę sprężyny f

S

(t) oraz prędkość zmian v(t). Ten wybór można zmienić, 

jeśli założyć, że w miejsce prędkości v(t) chcemy śledzić zmianę położenia masy x(t). 
Te zmienne pozostają w następującej relacji: 

)

(

)

(

t

v

t

t

x

=

d

d

Podstawiając ten związek do składników (2.40), otrzymamy następujące równania 
różniczkowe: 

 

)

(

)

(

)

(

)

(

t

f

M

D

t

x

M

KD

t

f

M

D

t

t

f

D

D

+

=

d

d

 (2.46) 

 

)

(

1

)

(

)

(

t

f

D

t

v

t

t

x

D

=

=

d

d

 (2.47) 

Skąd otrzymujemy następujące równanie stanu: 

 

)

(

0

)

(

)

(

0

1

)

(

)

(

t

f

M

D

t

x

t

f

D

M

KD

M

D

t

t

x

t

t

f

D

D

+

=

d

d

d

d

 (2.48) 

background image

22 

2. OPIS SYSTEMÓW LINIOWYCH W DZIEDZINIE CZASU 

z równaniem wyjść: y = x(t). Tym razem zmiennymi stanu są: siła tłumienia f

D

(t) oraz 

przesunięcie x(t). 

Struktura zmiennych stanu dla systemu z jednym wejściem i jednym wyjściem jest 

pokazana na rys. 2.12. Blok całkowania odwzorowuje proces rozwiązywania układu 
równań różniczkowych opisujących dynamikę systemu.  

)

(t

x&

)

(t

x

 

Rys. 2.12. Struktura systemu zmiennych stanu 

W przypadku układu z jednym wejściem i jednym wyjściem, schemat o strukturze 

jak na rys. 2.12 jest ekwiwalentny schematowi z rys. 2.3, gdzie dynamika systemu jest 
określona za pomocą równania różniczkowego n-tego rzędu. Rozmiar wektora stanu 
x

(t) oraz kwadratowej macierzy stanu A zależy od rzędu ekwiwalentnego równania 

różniczkowego. 

2.5.2. Rozwiązywanie równań stanu 

Rozpatrzmy jednorodne równanie stanu (2.44), w którym u = 0: 

 

Ax

x

=

&

 (2.49) 

Dla przypadku jednowymiarowego (n = 1) otrzymujemy równanie: x

 = ax, którego 

rozwiązanie dla warunku początkowego x(0) ma następującą postać: 

 

)

0

(

)

(

x

e

t

x

at

=

 (2.50) 

Jeśli warunek początkowy odnosi się do czasu t

0

x(t

0

), to otrzymamy: 

 

)

(

)

(

0

)

(

0

t

x

e

t

x

t

t

a

=

 (2.51) 

Rozwiązanie to można rozszerzyć na przypadek wielowymiarowy: 

 

)

(

)

(

0

)

(

0

t

e

t

t

t

x

x

A

=

 (2.52) 

Funkcja wykładnicza o wykładniku w postaci kwadratowej macierzy At ma wymiar 
macierzy A i może być przedstawiona w postaci szeregu potęgowego: 

background image

2.5. Opis dynamiki systemu za pomocą równań stanu 

23 

 

...

!

)

(

...

!

3

)

(

!

2

)

(

!

1

3

2

+

+

+

+

+

+

=

k

t

t

t

t

k

t

A

A

A

A

I

A

e

 (2.53) 

Macierz ta jest nazywana macierzą przenoszenia stanu

5

 systemu (2.44) i dla wygody, 

jest oznaczana następująco: 

 

)

exp(

)

(

t

t

t

A

Φ

A

=

= e

 (2.54) 

Nazwa tej macierzy ma swoje uzasadnienie w zależności (2.52), z której widać, że 

znajomość macierzy przenoszenia pozwala określić wartości wektora stanu dla 
dowolnego czasu na podstawie jego wartości początkowej. Łatwo można sprawdzić, 
że macierz przenoszenia ma następujące właściwości [D’Azzo]: 

– 

I

Φ

=

)

0

(

– 

)

(t

Φ

 jest macierzą nieosobliwą dla dowolnej ograniczonej wartości t

– 

)

(

)

(

1

t

t

=

Φ

Φ

– 

)

(

)

(

)...

(

)

(

)

(

)

(

qt

t

t

t

t

t

q

Φ

Φ

Φ

Φ

Φ

Φ

=

=

q – dodatnia liczba całkowita; 

– 

)

(

)

(

)

(

0

2

0

1

1

2

t

t

t

t

t

t

=

Φ

Φ

Φ

 dla dowolnych wartości t

0

t

1

t

2

Rozwiązanie równania niejednorodnego (2.44) wymaga uwzględnienia 

wymuszenia w postaci wektora u(t). Aby uzyskać odpowiednie zależności można 
rozpatrzeć pochodną iloczynu następujących dwóch funkcji [D’Azzo]: 

 

(

)

(

)

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

Ax

x

Ax

x

x

A

A

A

A

=

=

&

&

e

e

e

e

d

d

 (2.55) 

Na podstawie (2.44): 

)

(

)

(

)

(

t

t

t

Bu

Ax

x

=

&

. Zatem:  

 

(

)

)

(

)

(

t

t

t

t

t

Bu

x

A

A

= e

e

d

d

 (2.56) 

Całkując obustronnie powyższe równanie w granicach od t

0

 do t otrzymamy: 

 

(

)

=

t

t

t

t

t

t

0

0

)

(

)

(

τ

τ

τ

d

e

e

Bu

x

A

A

, (2.57) 

co prowadzi do następującej zależności: 

 

=

t

t

t

t

t

t

0

0

)

(

)

(

)

(

0

τ

τ

τ

d

e

e

e

Bu

x

x

A

A

A

 (2.58) 

Po wymnożeniu obu stron przez e

At

, ostatecznie otrzymamy: 

                                                      

5

 Stosowane są także inne nazwy, jak macierz podstawowa (tranzycyjna) [Kaczorek] 

background image

24 

2. OPIS SYSTEMÓW LINIOWYCH W DZIEDZINIE CZASU 

 

+

=

t

t

t

t

t

t

t

0

0

)

(

)

(

)

(

)

(

0

)

(

τ

τ

τ

d

e

e

Bu

x

x

A

A

 (2.59) 

lub, uwzględniając (2.54): 

 

+

=

t

t

t

t

t

t

t

0

d

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

0

0

τ

τ

τ

Bu

Φ

x

Φ

x

 (2.60) 

Obliczanie macierzy przenoszenia w powyższym równaniu zgodnie z (2.53) jest 

niezwykle uciążliwe i dlatego stosuje się tu bardziej efektywne metody [Kaczorek, 
Director]. Jedna z nich polega na stosowaniu wzoru Sylvestera [d’Azzo, Kacz.-
macierze]. Sprowadza się ona do następujących kroków: 

Rozwiązując równanie charakterystyczne macierzy A

 

[

]

0

...

det

0

1

1

1

=

+

+

+

+

=

a

a

a

n

n

n

λ

λ

λ

λ

I

A

 (2.61) 

określamy  n jej wartości własnych 

λ

1

λ

2

, ..., 

λ

n

 (ograniczymy rozważania do 

przypadku, gdy macierz  A ma jednokrotne wartości własne). 

Określamy macierz przenoszenia ze wzoru Sylvestera: 

 

=

=

=

n

k

t

k

t

k

e

t

1

)

(

λ

Z

Φ

A

e

, (2.62) 

przy czym: 

 

=

=

n

k

i

i

i

k

i

k

1

λ

λ

λ

I

A

Z

, (2.63) 

Przykład 2.8.

  

Określić odpowiedź układu rozważanego na str. 20, opisanego 
równaniem (2.43), przy założeniu następujących parametrów systemu: K 
= 4, D = 0,5, M = 1. W charakterze wymuszenia występuje skok 
jednostkowy: f(t) = 1(t). Przyjąć zerowe warunki początkowe: x(0) = 0. 

Po uwzględnieniu podanych parametrów i podstawieniu zmiennych: x

1

 = fs oraz x

2

 = v

równanie (2.43) przyjmuje następującą postać: 

)

(

)

(

)

(

1

1

0

)

(

)

(

5

,

0

1

4

0

)

(

)

(

2

1

2

1

t

t

t

t

x

t

x

t

t

x

t

t

x

Bu

Ax

+

=

+

=

d

d

d

d

 

Równanie charakterystyczne (2.61) macierzy A jest następujące: 

0

4

5

,

0

5

,

0

1

4

0

det

2

=

+

+

=

λ

λ

λ

λ

background image

2.5. Opis dynamiki systemu za pomocą równań stanu 

25 

Otrzymujemy stąd dwa pierwiastki: 

λ

1,2

 = –0,25 

± j1,9843. 

Macierze Z

1

 i Z

2

 należy obliczyć zgodnie z (2.63): 

+

=

+

+

+

=

=

06299

,

0

5

,

0

25198

,

0

06299

,

0

5

,

0

)

(

)

(

5

,

0

1

4

2

1

2

1

j

j

j1,0079

j

j1,9843

 

0,25

j1,9843

 

0,25

j1,9843

 

0,25

j1,9843

 

0,25

-

-

-

-

λ

λ

λ

I

A

Z

 

+

=

+

+

+

=

=

06299

,

0

5

,

0

25198

,

0

06299

,

0

5

,

0

)

(

)

(

5

,

0

1

4

1

2

1

2

j

j

j1,0079

j

j1,9843

 

0,25

j1,9843

 

0,25

j1,9843

 

0,25

j1,9843

 

0,25

-

-

-

-

λ

λ

λ

I

A

Z

 

Macierz przenoszenia jest zatem równa: 

(

)

+

=

+

=

+

=

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

25

,

0

9843

,

1

2

9843

,

1

1

25

,

0

2

1

sin

25

,

0

cos

sin

1

sin

4

sin

25

,

0

cos

)

(

2

1

ω

ω

ω

ω

ω

ω

ω

ω

ω

ω

λ

λ

e

e

e

e

e

e

j

j

Z

Z

Z

Z

Φ

9843

,

1

16

63

0

=

ω

Odpowiedź układu na zadane wymuszenie można określić zgodnie z (2.60), przy czym: 

=

1

0

B

C = [0 1], D = 0. 

Przebieg odpowiedzi: y(t) = x

1

(t) jest pokazany na rys. 2.13. 

 

Rys. 2.13. Odpowiedź układu na skok jednostkowy 

background image

26 

2. OPIS SYSTEMÓW LINIOWYCH W DZIEDZINIE CZASU 

Przy danych parametrach układu i warunku początkowym, przebieg ten można łatwo otrzymać 
w programie MATLAB pisząc dwie zaledwie komendy: 
sys = ss(A,B,C,D);

 

lsim(sys,u,t);

 

gdzie  u przedstawia wektor próbek sygnału wymuszającego określony na wektorze próbek 
czasu t. 
Zauważmy,  że przebieg z rys. 2.13 przedstawia zmianę prędkości  v(t) ruchu analizowanego 
układu mechanicznego po wymuszeniu w postaci skoku jednostkowego działającego na ten 
układ. 

Zadania 

2.1. Pokazać, że równanie: 

)

(

)

(

4

)

(

2

)

(

2

2

t

u

t

y

t

t

y

t

t

y

=

+

+

d

d

d

d

2

 

nie spełnia warunku liniowości. 

2.2. Określić sygnał wejściowy u(t) układu opisanego równaniem: 

)

(

)

(

)

(

)

(

0

1

2

t

u

t

y

a

t

t

y

a

t

t

y

=

+

+

d

d

d

d

2

 

dla każdego z następujących sygnałów wyjściowych y(t): 
 (a) y(t) = t

2

 (b) y(t) = 

t

e

0

j

ω

, gdzie 

ω

0

 ma stałą wartość, 

 (c) y(t) = t

2

t

e

0

j

ω

2.3.  Dla jakiej wartości pulsacji 

ω

0

 w zadaniu 2.2b funkcja wymuszająca u(t) = 0?  

2.4. Załóżmy, że w układzie mechanicznym pokazanym na rys. 2.1b tłumienie jest niewielkie 

i można przyjąć  D = 0. Wówczas, przy sinusoidalnym wymuszeniu równanie (2.4) 
przyjmie następującą postać: 

t

A

t

Kv

t

t

v

M

ω

sin

)

(

)

(

2

=

+

d

d

2

 

Określić rozwiązanie tego równania przy zerowych warunkach początkowych: v(0) = 0, 
v’(0) = 0. 

2.5. Odpowiedź liniowego inwariantnego systemu na wymuszenie: 

t

K

t

K

t

u

2

0

2

0

1

6

cos

)

(

+

=

ω

ω

 

ma postać: 

y

(t) = K

1

 cos 

ω

0

t

 + K

2

t

3

 , gdzie K

1

,  K

2

 – stałe. Jaka będzie odpowiedź układu na 

wymuszenia: 
 (a) 

t

t

u

0

cos

2

)

(

ω

=

 (b) 

3

)

(

t

t

u

 (c) jak wygląda równanie dynamiki systemu? 

background image

Zadania 

27 

2.6.  Funkcja impulsowa liniowego układu inwariantnego jest następująca: 

)

(

1

)

(

t

e

t

g

t

α

=

gdzie 

α jest stałym współczynnikiem. Określić odpowiedź układu na następujące 

wymuszenia: 
 (a) 

)

(

)

(

t

t

u

δ

=

 (b) 

)

(

1

)

(

t

t

u

=

 (c) 

t

e

t

u

0

)

(

ω

j

=

ω

0

 = const. 

2.7. Obliczyć odpowiedź impulsową układu określonego następującym równaniem 

różniczkowym: 

 (a) 

)

(

)

(

2

)

(

t

u

t

y

t

t

y

=

d

d

 (b) 

)

(

)

(

)

(

t

u

t

y

t

t

y

=

+

d

d

 (c) 

)

(

)

(

2

t

u

t

t

y

=

d

d

2

 (d) 

)

(

)

(

29

d

)

(

d

10

d

)

(

d

2

2

t

u

t

y

t

t

y

t

t

y

=

+

2.8.  Funkcja impulsowa liniowego układu inwariantnego jest następująca: 

)

(

1

sin

)

(

0

t

e

t

g

t

α

ω

=

, 

ω

0

α - stałe parametry. Określić odpowiedź układu na następujące 

wymuszenia: 
(a) 

)

(

)

(

0

t

t

t

u

=

δ

t

0

 > 0, 

(b) 

)

cos(

)

(

0

t

t

u

ω

=

2.9.  W przedstawionym obwodzie RL wymuszeniem jest napięcie u(t), a odpowiedzią – prąd 

i(t). Napisać równanie różniczkowe określające dynamikę tego układu. Porównać 
odpowiednie parametry równania z układem analizowanym w przykładzie 2.7. 

R

L

u(t)

i(t)

 

 

2.10. Zapisać dynamikę układu RLC (2.2) za pomocą równań stanu. W charakterze zmiennych 

stanu przyjąć: prąd i(t) oraz napięcie na kondensatorze u

C

(t) (rys. 2.1). 

2.11. W  przykładzie 2.7 jest analizowany układ mechaniczny w którym odpowiedź oznacza 

prędkość przemieszczania się tego układu  v(t). Powtórzyć  tę analizę dla modelu 
zmiennych stanu z równania (2.48), gdzie wyjście jest położeniem układu  x(t). Przyjąć 
dane jak w przykładzie 2.7.