background image

ĆWICZENIE 1  

 

Identyfikacja obiektów dynamicznych 

 
1.1 Cel ćwiczenia 
Celem ćwiczenia jest ilustracja częstotliwościowych i czasowych metod identyfikacji obiektów 
dynamicznych. 
 
1.2 Identyfikowane modele 
Badane obiekty dynamiczne modelowane są odpowiednią operatorową transmitancją: 

a)  układ inercyjny pierwszego rzędu 

p

p

sT

k

s

G

+

=

1

)

(

 

         (1.1) 

gdzie 

p

 jest statycznym wzmocnieniem, 

p

 oznacza stałą czasową. 

 
b)  układ inercyjny pierwszego rzędu z opóźnieniem transportowym 

0

1

)

(

sT

p

p

e

sT

k

s

G

+

=

 

        (1.2) 

gdzie 

p

 jest statycznym wzmocnieniem, 

p

 oznacza stałą czasową, zaś 

0

 reprezentuje 

opóźnienie transportowe. 

 
c)  układ całkujący 

i

sT

s

G

1

)

(

=

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.3) 

gdzie 

i

 oznacza stałą całkowania. 

 
 
d)  układ drugiego rzędu 

2

2

2

2

2

2

2

1

2

2

1

1

1

1

)

(

s

s

s

s

a

s

sa

s

G

n

n

n

+

ζω

+

ω

ω

=

τ

+

ζτ

+

=

+

+

=

  

 

(1.4) 

gdzie 

ζ  jest współczynnikiem tłumienia, zaś 

τ

=

ω

/

1

n

 reprezentuje pulsację naturalną 

(pulsację drgań nietłumionych). 

 
 
e)  układ nieminimalnofazowy 

y

x

sT

sT

s

G

+

=

1

1

)

(

   

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.5) 

gdzie 

x

 jest stałą czasową zera, zaś 

y

 reprezentuje stałą czasową bieguna. 

 
Identyfikacji podlegają odpowiednie parametry transmitancji (1.1)-(1.5). 
 
 
 

background image

1.2.1 Charakterystyki czasowe i częstotliwościowe obiektu inercyjnego pierwszego rzędu

 

 
Odpowiedź impulsową obiektu inercyjnego pierwszego rzędu (1.1) opisuje wzór 

)

(

)]

(

[

)

(

/

1

t

e

T

k

s

G

L

t

g

p

T

t

p

p

1

=

=

 

      (1.6) 

Odpowiedź skokowa tego członu dana jest wzorem 

)

(

)

1

(

]

/

)

(

[

)

(

/

1

t

e

k

s

s

G

L

t

h

p

T

t

p

1

=

=

 

     (1.7) 

zaś przykładowy przebieg tej odpowiedzi pokazano na rys. 1.1. 
 

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

T

p

h(

t)

t [s]

 

Rys. 1.1. Odpowiedź skokowa członu dynamicznego pierwszego rzędu dla 

1

=

p

k

 i 

s

T

p

1

= . 

 
 
Ze wzoru (1.6) wynika, iż czas ustalania T

s

 odpowiedzi skokowej (1.7), definiowany jako 

)}

1

(

)

(

:

{

=

=

p

s

k

t

h

t

T

0

1

< ≤

 

     (1.8) 

wynosi 

=

ln

p

s

T

T

   

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.9) 

Zachodzi ponadto 

p

p

T

t

k

k

e

t

h

p

=

=

6321

.

0

)

1

(

)

(

1

   

 

 

 

 

 

(1.10) 

p

t

k

t

h

=

→∞

)

(

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.11) 

Widmowa charakterystyka członu pierwszego rzędu (1.1) dana jest wzorem 

( )

p

T

j

p

p

j

j

s

e

T

k

e

M

s

G

ω

ω

φ

ω

=

ω

+

=

ω

=

arctg

2

2

)

(

1

)

(

)

(

 

    (1.12) 

Przykładowy przebieg charakterystyki amplitudowej 

)

(

ω

M

 oraz fazowej 

)

(

ω

φ

 tego członu 

pokazano na rys. 1.2. Ze wzoru (1.12) wynika, iż pulsacja trzydecybelowego pasma 
przenoszenia członu (1.1) wynosi 

background image

p

T

1

dB

3

=

ω

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.13) 

czemu odpowiadają następujące wartości charakterystyki amplitudowej oraz fazowej tego członu 

2

)

(

dB

3

P

k

M

=

ω

ω

=

ω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.14) 

o

45

)

(

dB

3

=

ω

φ

ω

=

ω

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.15) 

Wzory (1.9)-(1.11) oraz (1.13)-(1.15) mają istotne praktyczne znaczenie, stanowiąc podstawę 
prostych reguł identyfikacji członu (1.1). 
 

0

1

2

3

4

5

0

0.707

1

ω

3dB

M(

ω

)

ω

 [rad/s]

0

1

2

3

4

5

-90

-45

0

ω

3dB

φ

(

ω

) [

°

]

ω

 [rad/s]

 

Rys. 1.2. Częstotliwościowe charakterystyki układu pierwszego rzędu dla 

1

=

p

k

 i 

s

1

=

p

T

 
 
 
1.2.2  Charakterystyki czasowe i częstotliwościowe obiektu inercyjnego pierwszego rzędu 

z opóźnieniem transportowym 

 
Skokowa odpowiedź obiektu opisanego transmitancją (1.2) dana jest wzorem 

).

(

)

1

(

]

/

)

(

[

)

(

0

/

)

(

1

0

T

t

e

k

s

s

G

L

t

h

p

T

T

t

p

=

=

1

    (1.16) 

Zachodzą przeto następujące związki, które można wykorzystać do identyfikacji rozważanego 
modelu: 

0

)

(

=

t

h

    dla    

t T

0

    

⇒     

{

}

T

t h t

0

0

=

=

max : ( )

,   (1.17) 

p

t

k

t

h

=

)

(

lim

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.18) 

p

p

T

T

t

k

e

k

t

h

p

=

+

=

632

.

0

)

1

(

)

(

1

0

,      (1.19) 

p

p

T

t

T

k

t

h

t

=

=

0

)

(

d

d

.  

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.20) 

Przebieg przykładowej skokowej odpowiedzi  h t

( )  pokazano na rys. 1.3. 

 

background image

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

T

p

← →

T

0

h(

t)

t [s]

 

 

Rys. 1.3. Skokowa odpowiedź układu pierwszego rzędu z opóźnieniem transportowym 

dla 1

=

p

k

, s

1

=

p

T

 oraz 

s

5

.

0

0

=

T

 
 
Transmitancji (1.2) przyporządkować można charakterystykę amplitudową 

)

(

ω

M

 oraz fazową 

)

(

ω

φ

2

2

)

(

1

)

(

)

(

p

p

j

j

s

T

k

e

M

s

G

ω

+

=

ω

=

ω

φ

ω

=

     (1.21) 

( )

0

arctg

)

(

T

T

p

ω

ω

=

ω

φ

.   

 

 

 

 

 

 

(1.22) 

Zachodzą przy tym następujące związki, mogące stanowić podstawę prostych procedur 
identyfikacji: 

p

k

M

=

)

0

(

 

     (1.23) 

2

)

(

dB

3

P

k

M

=

ω

ω

=

ω

,   

p

T

1

dB

3

=

ω

   

⇒    

dB

3

1

ω

=

p

T

,       (1.24) 

p

T

T

0

4

)

(

dB

3

π

=

ω

φ

ω

=

ω

    

⇒    

π

+

ω

ϕ

=

4

)

(

dB

3

2

0

p

T

T

.     (1.25) 

Przykładowe charakterystyki 

)

(

ω

M

 oraz 

)

(

ω

φ

, dla 

1

=

p

k

, s

1

=

p

T

 oraz 

s

5

.

0

0

=

T

, pokazano na 

rys. 1.4 oraz rys. 1.5 charakterystykę Nyquista. 
 

background image

0

 

5

10

15

0

0.707

1

ω

3dB

M(

ω

)

ω

 [rad/s]

0

1

5

10

15

-360

-45

0

∆φ

(

ω

)

ω

3dB

φ

(

ω

) [

°

]

ω

 [rad/s]

 

 

 Rys. 1.3. Charakterystyki częstotliwościowe identyfikowanego modelu. 

 
 

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

ReG(j

ω

)

Im

G(

j

ω

)

ω

=0

ω

=

 

 

Rys.1.4. Charakterystyka Nyquista identyfikowanego modelu 

 
 
 
1.2.3  Charakterystyki czasowe i częstotliwościowe obiektu całkującego 
 
Odpowiedź impulsową obiektu całkującego (1.3) opisuje wzór 

)

(

1

)]

(

[

)

(

1

t

T

s

G

L

t

g

i

1

=

=

.   

 

 

 

 

 

(1.26) 

Odpowiedź skokowa tego członu dana jest wzorem 

)

(

]

/

)

(

[

)

(

1

t

T

t

s

s

G

L

t

h

i

1

=

=

,  

 

 

 

 

 

(1.27) 

zaś przykładowy przebieg tej odpowiedzi pokazano na rys. 1.5. 

background image

0

1

2

3

4

0

1

2

3

4

tg 

α

 = 1 / T

i

h(

t)

t [s]

 

 

Rys. 1.5. Odpowiedź skokowa członu całkującego dla 

s

T

i

1

= . 

 
Charakterystyka częstotliwościowa członu całkującego (1.3) dana jest wzorem 

2

)

(

1

)

(

)

(

π

ω

φ

ω

=

ω

=

ω

=

j

i

j

j

s

e

T

e

M

s

G

.   

 

 

 

 

(1.28) 

Ze wzoru (1.28) wynika, iż pulsacja odcięcia 

gc

ω  członu całkującego (1.3) wynosi 

i

gc

T

1

=

ω

   

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.29) 

czemu odpowiada następująca wartości charakterystyki amplitudowej tego członu 

1

dB

0

)

(

=

=

ω

ω

=

ω

gc

M

.   

 

 

 

 

 

 

(1.30) 

Przykładowy przebieg charakterystyki amplitudowej 

)

(

ω

M

 oraz fazowej 

)

(

ω

φ

 tego członu 

pokazano na rys. 1.6. 

 

10

-1

10

0

10

1

-20

0

20

ω

gc

M(

ω

) [

d

B

]

ω

 [rad/s]

10

-1

10

0

10

1

-90

0

φ

(

ω

) [

°

]

ω

 [rad/s]

 

Rys. 1.6. Charakterystyki Bodego układu całkującego dla 

s

T

i

1

= . 

background image

1.2.4  Charakterystyki czasowe i częstotliwościowe członu drugiego rzędu

 

 
Odpowiedź impulsowa członu drugiego rzędu (1.4) wyraża się wzorem 

)

(

sin

)

1

(

)]

(

[

)

(

0

2

1

t

t

e

s

G

L

t

g

t

n

n

1



ω

ζ

ω

=

=

ζω

,    (1.31) 

przy czym 

τ

ζ

=

ζ

ω

=

ω

)

1

(

)

1

(

2

2

0

n

 

 

 

 

 

 

 

(1.32) 

oznacza pulsację drgań tłumionych. Odpowiedź skokową członu (1.4) określa zależność 

),

(

)

1

(

sin

cos

1

)

(

)

sin(

)

1

(

1

1

]

/

)

(

[

)

(

2

0

0

0

2

1

t

t

t

e

t

t

e

s

s

G

L

t

h

t

t

n

n

1

1



ζ

ω

ζ

+

ω

=

=



α

+

ω

ζ

=

=

ζω

ζω

   (1.33) 

gdzie 



ζ

ζ

=

α

)

1

(

arctg

2

.   

 

 

 

 

 

 

 

(1.34) 

Przykładowe przebiegi odpowiedzi skokowych dla różnych wartości współczynnika tłumienia 

ζ  

pokazano na rys. 1.7. 

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

h(

t)

t [s]

ζ

1

=0.3

ζ

2

=0.6

ζ

3

=1

 

 

Rys. 1.7. Odpowiedź skokowa członu oscylacyjnego 

 

Widmowa charakterystyka członu drugiego rzędu (1.4) dana jest wzorem 

2

2

2

arctg

2

2

2

2

2

)

(

)

2

(

)

(

)

(

)

(

ω

ω

ω

ζω

ω

φ

ω

=

ω

ζω

+

ω

ω

ω

=

ω

=

n

n

j

n

n

n

j

j

s

e

e

M

s

G

,  

(1.35) 

zaś przykładowe przebiegi funkcji 

( )

ω  oraz 

)

(

ω

φ

 dla różnych wartości współczynnika 

tłumienia 

ζ

 pokazano na rys. 1.8. 

background image

0

1

2

3

4

5

0

0.5

1

1.5

ω

 [rad/s]

M(

ω

)

ζ

1

=0.3

ζ

2

=0.6

ζ

3

=1

0

1

2

3

4

5

-180

-90

0

ω

 [rad/s]

φ

(

ω

) [

°

]

ζ

1

=0.3

ζ

2

=0.6

ζ

3

=1

 

Rys. 1.8. Częstotliwościowe charakterystyki członu oscylacyjnego dla 

s

1

=

τ

 

Dla odpowiedzi skokowej 

h t

( )

 definiuje się następujące wskaźniki (por. rys. 1.9): 

a)  przeregulowanie 

κ

 

 

κ =

− ∞

h

h

h

max

( )

( )

100%   

 

 

 

 

 

 

 

(1.36) 

gdzie 

h

h t

t

max

max ( )

=

≥0

   

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.37) 

b)  czas osiągnięcia maksimum T

κ

 (czas piku, czas maksimum) 

}

)

(

:

{

max

h

t

h

t

T

=

=

κ

   

 

 

 

 

 

 

 

(1.38) 

c)  czas ustalania T

s

 dla strefy kontrolnej o szerokości 

2

 

)}

(

|

)

(

)

(

|:

{

max

arg

0

=

=

h

h

t

h

t

T

t

s

   

 

 

 

 

(1.39) 

Odpowiednie wskaźniki definiuje się także dla amplitudowej charakterystyki 

( )

ω  

rozważanego członu dynamicznego (por. rys. 1.10)): 

a) 

wskaźnik oscylacyjności (szczyt rezonansowy)  M

r

 

)

0

(

max

M

M

M

r

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.40) 

gdzie 

M

M

max

max

( )

=

ω

ω

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.41) 

b)  pulsacja rezonansowa 

ω

r

 

ω

ω

ω

r

M

M

=

=

{

:

( )

}

max

,   

 

 

 

 

 

 

(1.42) 

c)  trzydecybelowe pasmo przenoszenia 

ω

3dB

 

ω

ω

ω

3

3

0

2

dB

dB

=

=

{

:

(

)

( ) /

}

M

M

 

 

 

 

 

(1.43) 

background image

0

 

0

 


h(

t)

t

T

s

T

κ

h

max

h(

)

 

Rys. 1.9. Definicja wskaźników dotyczących odpowiedzi skokowej 

 

0

 

0

 

 

ω

M(

ω

)

ω

r

ω

3dB

M(0)

M

max

M(

ω

3dB

)

 

Rys. 1.10. Definicja wskaźników dotyczących charakterystyki amplitudowej 

 
Przeregulowanie 

κ

 oraz czas maksimum T

κ

 wiążą się z parametrami 

ζ

0

1

< <

ζ

, oraz 

τ  

transmitancji operatorowej (1.4) następującymi wzorami 



ζ

ζπ

=

κ

)

1

(

exp

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.42) 

)

1

(

2

ζ

τπ

=

κ

T

   

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.43) 

Czas ustalania T

s

 jest nieciągłą funkcją współczynnika tłumienia 

ζ

, dla której można podać 

następującą ciągłą funkcję majoryzującą  

(

)

τ

ζ

ζ

=

)

1

(

ln

2

s

s

T

T

0

1

< <

ζ

 

    (1.44) 

background image

Ze wzoru (1.44) wynika, iż dla 

∆ = 002

.  i 

∆ = 005

.  oraz dla dostatecznie małych wartości 

ζ

 

obowiązują oszacowania 

ζ

τ

4

%

2

s

T

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.45) 

ζ

τ

3

%

5

s

T

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.46) 

Wskaźniki  M

r

ω

r

 oraz 

ω

3dB

 opisujące amplitudową charakterystykę  ( )

ω  członu (1.4) 

związane są z parametrami 

ζ

 oraz 

τ  tego członu następującymi formułami: 

)

1

(

2

1

2

ζ

ζ

=

r

M

0

1

2

< <

ζ

/

 

 

 

 

 

 

(1.47) 

τ

ζ

=

ω

)

2

1

(

2

r

,  

0

1

2

< <

ζ

/

 

 

 

 

 

 

(1.48) 

τ

+

ζ

+

ζ

=

ω

1

)

2

1

(

2

1

2

2

2

dB

3

   

 

 

 

 

 

(1.49) 

Wykresy rozważanych wskaźników pokazano na rys. 1.11a-c (wskaźniki dotyczące odpowiedzi 
skokowej) oraz na rys. 1.12a-c (wskaźniki dotyczące charakterystyki amplitudowej). 
 

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0

10

20

30

40

50

60

70

ζ

κ [%

]

(a)

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

ζ

T

κ

/ τ

(b)

 

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0

5

10

15

20

25

30

35

40

(c)

ζ

T

s

/ τ

T

s5%

/

τ

T

s2%

/

τ

 

 

Rys. 1.11. Wskaźniki dotyczące odpowiedzi skokowej członu oscylacyjnego 

background image

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

ζ

M

r

(a)

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

ζ

ω

r

τ

(b)

 

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

(c)

ζ

ω

3d

B

τ

 

Rys. 1.12. Wskaźniki dotyczące charakterystyki amplitudowej członu oscylacyjnego 

 
Ze wzoru (1.47) wynika, iż 

2

)

1

(

1

2

=

ζ

r

M

,  

M

r

≥ 1 

 

 

 

 

 

(1.50) 

Zatem, korzystając ze wzoru (1.42) wyznaczyć można zależność przeregulowania 

κ

 odpowiedzi 

skokowej (1.33) od wskaźnika oscylacyjności  M

r

. Zachodzi ponadto 

κ

+

π

κ

=

ζ

2

2

ln

|

ln

|

,  

κ > 0  

 

 

 

 

 

 

(1.51) 

Na podstawie wzoru (1.44) można określić relację wskaźnika oscylacyjności  M

r

 w zależności 

od przeregulowania , co ilustruje wykres dany na rys. 1.13. 

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

0

10

20

30

40

50

60

70

80

M

r

κ

 [%

]

 

Rys. 1.13. Związek między wskaźnikiem oscylacyjności a przeregulowaniem. 

background image

Bieguny 

s

1 2

,

 transmitancji operatorowej (1.4) dane są wzorem 

2

2

,

1

1

ζ

ω

±

ζ

ω

=

n

n

j

s

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.52) 

zaś ich rozmieszczenie na płaszczyźnie zespolonej pokazano na rys. 1.14. 

 
 

)

(

Im

ω

j

G

)

(

Re

ω

j

G

α

n

ζω

2

1

ζ

ω

n

j

 

 

Rys. 1.14. Położenie biegunów transmitancji członu oscylacyjnego 

 
 
Z rysunku tego wynika, iż 

ζ

ζ

=

α

2

1

tg

   

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.53) 

a zatem 

ζ

=



ζ

ζ

=

α

cos

arc

)

1

(

tg

arc

2

   

 

 

 

 

 

(1.54) 

Załóżmy, iż (1.4) oznacza operatorową transmitancję zamkniętego układu sterowania o 
strukturalnym schemacie danym na rys. 1.15, gdzie 

G s

k

s

Ts

0

1

( )

(

)

=

+

  

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.55) 

jest transmitancją operatorową układu otwartego, zaś 

ζτ

=

2

1

k

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.56) 

ζ

τ

=

2

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.57) 

 

background image

)

(t

r

)

(t

c

)

(

0

s

G

 

 

Rys. 1.15. Schemat strukturalny układu sterowania 

 
 

Pulsacja odcięcia 

ω

gc

 amplitudowej charakterystyki transmitancji rozważanego układu 

otwartego zdefiniowana jest wzorem  

1

|

)

(

|

0

=

=

gc

j

s

s

G

ω

   

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.58) 

zaś jej związek z parametrami transmitancji (1.4) opisuje formuła 

τ

ζ

ζ

ω

2

4

2

1

4

+

=

gc

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.59) 

Zapas fazy rozważanego układu sterowania wyraża się wzorem 

⎟⎟

⎜⎜

ζ

+

ζ

ζ

=

+

π

=

ω

=

2

4

0

2

1

4

2

arctg

)

(

arg

gc

j

s

p

s

G

 

   (1.60) 

Przebieg funkcji 

ω ζ

gc

( )  przedstawiono na rys. 1.16, zaś funkcję 

p

( )

ζ  ilustruje rys. 1.17. 

 

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

ζ

ω

gc

τ

 

Rys. 1.16. Pulsacja odcięcia 

ω

gc

 w funkcji współczynnika tłumienia. 

 

background image

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

10

20

30

40

50

60

70

80

ζ

p

 [

°

]

 

Rys. 1.17. Zapas fazy 

p

 w funkcji współczynnika tłumienia. 

 
Niech 

2

/

)

(

arg

2

/

π

=

ω

π

ω

=

ω

j

G

   

 

 

 

 

 

 

 

(1.61) 

2

/

)

(

arg

2

/

|

)

(

|

π

=

ω

π

ω

=

j

G

j

G

M

   

 

 

 

 

 

 

(1.62) 

0

,

1

|

)

(

>

ω

=

ω

ω

=

ω

j

G

gc

2

/

1

<

ζ

   

 

 

 

 

 

(1.63) 

ϑ

ω

gc

gc

G j

= arg (

)

,  

0

1

2

< <

ζ

/

 

 

 

 

 

 

(1.64) 

gc

ω

ω

=

γ

dB

3

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.65) 

Jak łatwo sprawdzić zachodzą następujące relacje: 

2

cos

tg

p

p

=

ζ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.66) 

1

)

2

1

(

2

1

cos

2

2

2

dB

3

+

ζ

+

ζ

ω

=

ω

p

gc

   

 

 

 

 

 

(1.67) 

p

p

gc

τ

ζ

=

τ

=

ω

tg

2

)

(cos

   

 

 

 

 

 

 

(1.68) 

2

2

4

2

1

2

1

4

ζ

ζ

+

ζ

ω

=

ω

r

gc

   

 

 

 

 

 

 

(1.69) 

p

s

gc

T

ω

tg

6

%

5

   

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.70) 

p

s

gc

T

ω

tg

8

%

2

   

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.71) 

background image

τ

=

ω

π

1

2

/

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.72) 

ζ

=

π

2

1

2

/

M

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.73) 

τ

ζ

=

ω

)

2

1

(

2

2

gc

0

1

2

< <

ζ

/

 

 

 

 

 

 

(1.74) 

1

)

2

1

(

2

1

2

2

2

+

ζ

+

ζ

=

γ

  

 

 

 

 

 

 

(1.75) 

 
Na podstawie powyższych rozważań opracowano tabelę formuł, przydatnych przy identyfikacji 
modeli drugiego rzędu (Tabela 1.1). 
 

 

 

Dane 

wejściowe 

Parametry modelu drugiego rzędu Ograniczenia 

M

r

r

,

ω

 

 

r

r

r

M

M

M

2

1

2

=

ζ

,  

r

ω

ζ

=

τ

2

2

1

 

2

1

0

<

ζ

<

 

2

/

2

/

,

π

π

ω

M

   

|

)

(

2

1

2

/

π

ω

=

ζ

M

,  

 

2

/

1

π

ω

=

τ

 

 

ω

ω

π

gc

,

/

− 2

 

 

2

/

2

2

π

ω

ω

=

ζ

gc

,    

2

/

1

π

ω

=

τ

 

2

1

0

<

ζ

<

 

ω

ω

π

3

2

dB

,

/

   

γ

+

γ

γ

=

ζ

2

1

2

4

2

,  

2

1

π/

ω

=

τ

 

 

ϑ

ω

gc

gc

,

 

 

π

>

ϑ

ϑ

+

+

π

ϑ

ϑ

+

=

ζ

,

2

2

tan

1

1

1

,

2

2

tan

1

1

1

2

2

gc

gc

gc

gc

,      

gc

ω

ζ

=

τ

)

2

1

(

2

2

 

2

1

0

<

ζ

<

 

κ

κ

,T

 

 

κ

+

π

κ

=

ζ

2

2

ln

|

ln

|

,  

 

κ

ζ

=

τ

κ

ln

T

 

κ > 0 

Tabela 1.1. Formuły służące identyfikacji modelu drugiego rzędu 

 
 
Należy podkreślić, iż metody identyfikacji oparte o pary danych pomiarowych 

)

,

(

2

/

2

/

π

π

ω

M

 

oraz (

,

)

/

ω

ω

π

3

2

dB

 pozwalają na identyfikację członu dynamicznego drugiego rzędu w 

przypadku, gdy  ζ ≥ 1

2

/

, w tym także członu dwuinercyjnego 

ζ ≥ 1

background image

1.2.5  Charakterystyki czasowe i częstotliwościowe członu nieminimalnofazowego

 

 
Odpowiedź impulsową układu nieminimalnofazowego (1.5) opisuje wzór 

[

]

)

(

1

1

)

(

)

(

/

1

t

e

T

T

T

s

G

L

t

g

y

T

t

y

x

y

1



+

=

=

   

 

 

 

 

(1.76) 

Odpowiedź skokowa tego członu dana jest wzorem 

)

(

1

1

)

(

)

(

/

1

t

e

T

T

s

s

G

L

t

h

y

T

t

y

x

1



+

=

⎥⎦

⎢⎣

=

     (1.77) 

zatem dla 

0

>

x

T

 

0

)

0

(

<

=

y

x

T

T

h

   

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.78) 

1

)

(

=

h

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.79) 

Przykładowe znormalizowane przebiegi odpowiedzi skokowej dla różnych wartości 

y

x

T

/  

pokazano na rys.1.18. 

 

0

1

2

3

4

5

6

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

t [s]

h(

t)

T

x

 / T

y

 = 2

T

x

 / T

y

 = 4

T

x

 / T

y

 = 6

 

Rys. 1.18. Odpowiedź skokowa członu dynamicznego z nieminimalnofazowym zerem. 

 
Na podstawie odpowiedzi skokowej można dokonać identyfikacji stałych czasowych 

x

 oraz 

y

Wprowadza się dodatkową zmienną pomocniczą 

y

x

T

T

h

x

=

=

)

0

(

   

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.80) 

Z kolei na podstawie wzoru (1.77), znając 

0

 (Rys. 1.19) jaki upłynął od momentu, gdy 

odpowiedź 

0

)

(

0

=

t

h

 można wyznaczyć 

)

1

ln(

0

x

t

T

y

+

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.81) 

Stałą czasową 

x

 wyznacza się na podstawie wzoru (1.80) 

background image

h(t

0

)=0

h(0)

t

0

t

h(

t)

 

Rys. 1.19. Wyznaczenie chwili czasu 

0

 
Widmowa charakterystyka członu dynamicznego z nieminimalnofazowym zerem (1.5) dana jest 
wzorem 

)

arctan

(arctan

2

2

2

2

)

(

1

1

)

(

)

(

y

x

T

T

j

y

x

j

j

s

e

T

T

e

M

s

G

ω

+

ω

ω

φ

ω

=

ω

+

ω

=

ω

=

     (1.82) 

zatem 

1

)

0

(

=

M

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.83) 

y

x

T

T

M

=

∞)

(

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.84) 

Przykładowe przebiegi charakterystyki amplitudowej 

)

(

ω

M

 oraz fazowej 

)

(

ω

φ

 tego członu dla 

różnych wartości 

y

x

T

/  pokazano na Rys. 1.20. 

 

0

1

2

3

4

5

6

0

2

4

6

ω

 [rad/s]

|M

(

ω

)|

T

x

 / T

y

 = 2

T

x

 / T

y

 = 4

T

x

 / T

y

 = 6

0

1

2

3

4

6

0

-180

-90

0

ω

 [rad/s]

φ

(

ω

) [

°

]

T

x

 / T

y

 = 2

T

x

 / T

y

 = 4

T

x

 / T

y

 = 6

 

 

Rys. 1.20. Charakterystyki częstotliwościowe członu z nieminimalnofazowym zerem. 

 

background image

Aby dokonać identyfikacji stałych czasowych 

x

 oraz 

y

 w oparciu o charakterystyki widmowe, 

w pierwszej kolejności należy wyznaczyć pulsację 

2

/

π

ω

, dla której 

2

)

(

2

/

π

=

ω

ϕ

π

 (Rys. 1.21). 

Wykorzystując wzór (1.82) można pokazać, że dla pulsacji 

2

/

π

ω

 charakterystyka amplitudowa 

ma następującą wartość 

)

(

)

(

2

/

=

=

ω

π

M

T

T

M

y

x

   

 

 

 

 

 

 

(1.85) 

Z powyższego faktu wynika, że pulsację 

2

/

π

ω

 można wyznaczyć także w oparciu o 

charakterystykę 

)

(

ω

M

. Dodatkowo ze wzoru (4.8) oraz (4.11) można wyprowadzić zależność 

2

/

)

(

π

ω

=

M

T

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.86) 

Stałą czasową 

y

 wyznacza się w oparciu o wzór (4.10). 

 

M(

ω

-

π/2

)

M(

)

ω

-

π/2

ω

M(

ω

)

-180

-90

0

ω

-

π/2

ω

φ

(

ω

) [

°

]

 

Rys. 1.21. Wyznaczenie pulsacji 

2

/

π

ω

 
 
 
1.3 Opis stanowiska laboratoryjnego

 

 
Stanowisko laboratoryjne tworzą: 
 
1.  Zestaw Analogowych Modeli Procesów Przemysłowych (ZAMPP) 

 
Zawiera on w sobie obiekty dynamiczne opisane transmitancjami (1.1)-(1.5) oraz miernik 
przesunięcia fazowego sygnału wyjściowego względem sygnału wejściowego. Widok płyty 
czołowej układu ZAMPP przedstawiono na rys.1.22. Z kolei Rys. 1.23 prezentuje schematy 
ideowe identyfikowanych układów. 

 

 

background image

 

Rys. 1.22. Widok zestawu laboratoryjnego. 

 

 

Rys. 1.23. Schematy ideowe badanych układów. 

background image

2.  Wielofunkcyjny Zestaw Pomiarowy typu MS-9140 

Przyrząd ten zawiera między innymi: 
•  generator funkcji, stanowiący źródło wejściowych sygnałów periodycznych podawanych 

na wejście modelu układu, 

•  częstościomierz, umożliwiający odczyt częstotliwości sygnałów wejściowych. 
 

3.  Oscyloskop dwukanałowy. 

Umożliwia wizualizację sygnałów wejściowego i wyjściowego oraz pomiar ich  amplitud i 
parametrów czasowych. 
Na Rys. 1.24. przedstawiono widok stanowiska pomiarowego. 
 

 

 

Rys. 1.24. Widok stanowiska pomiarowego. 

 
 
1.4 Zadania pomiarowe 
 
a)  należy pomierzyć charakterystykę amplitudową oraz fazową badanych obiektów; 
b)  w oparciu o charakterystyki czasowe należy oszacować wskaźniki odpowiedzi skokowej 

badanych obiektów 

 
Uwagi: 

•  postać sygnałów wejściowych, to znaczy ich amplitudy oraz pulsacje, należy 

dobierać w ten sposób, aby spełnione były warunki umożliwiające racjonalną 
identyfikację badanego układu, co sprowadza się przede wszystkim do postulatu 
stosowania pobudzeń, przy których układ laboratoryjny pracuje w zakresie 
liniowym; 

background image

•  przy pomiarze charakterystyk amplitudowo-fazowych zanotować charakterystyczne 

punkty odpowiednio dla każdego układu (np. dla układu inercyjnego pierwszego 
rzędu – pulsację trzydecybelową, przesunięcie fazowe dla pulsacji trzydecybelowej 
oraz wzmocnienie w stanie ustalonym); 

•  pomiary przeprowadzać w zakresie dolnych częstotliwości; 

•  przy pomiarze charakterystyk czasowych należy oszacować wskaźniki odpowiedzi 

skokowej (nie mierzyć czasu ustalania 

s

T

 !!!). 

•  odpowiednie formuły służące identyfikacji parametrów poszczególnych układów 

można znaleźć w poprzednich punktach owego rozdziału. Przykładowo dla układu 
inercyjnego pierwszego rzędu z członem opóźniającym można posłużyć się 
formułami (1.5)-(1.7). 

 
1.5 Opracowanie wyników 
 
W sprawozdaniu z ćwiczenia należy: 

•  zamieścić wykresy charakterystyk Bodego oraz Nyquista badanych obiektów; 

•  przedstawić zidentyfikowane modele tych układów; 

•  przeprowadzić dyskusję wyników (porównanie różnych metod identyfikacji); 

•  wyznaczyć modele optymalne w sensie odpowiednich nieliniowych zadań najmniejszych 

kwadratów. W tym celu stosuje się MATLABową funkcję  fmins, która rozwiązuje 
odpowiednie zadanie optymalizacji. 

 
1.6 Oprogramowanie wspomagające przetwarzanie danych pomiarowych 
 
MATLABowa funkcja fmins pozwala na optymalizację parametrów modeli (1.1)-(1.5) na 
podstawie zbioru dostępnych danych pomiarowych 

n

j

j

m

j

out

U

1

)}

(

),

(

{

=

ω

Φ

ω

 oraz 

in

U

, gdzie 

)

(

j

out

U

ω  jest amplitudą wyjściowego sygnału harmonicznego,  Φ

m

j

(

)

ω  jest przesunięciem fazy 

tego sygnału w stosunku do fazy wejściowego sygnału harmonicznego o amplitudzie 

in

U

 i 

pulsacji 

ω

j

n

j

,

,

1 …

=

. Rozwiązywane zadanie optymalizacji ma postać następującego 

problemu z kwadratową funkcją kosztów 

2

/

1

1

2

0

2

0

)

,

(

0

)]

(

sin

/

)

(

)

,

,

,

(

[Im

)]

(

cos

/

)

(

)

,

,

,

(

[Re

min

arg

)

,

(

0

⎪⎭

⎪⎩



ω

Φ

ω

ω

+

ω

Φ

ω

ω

=

=

n

j

j

m

in

j

out

i

j

j

m

in

j

out

i

j

T

T

i

U

U

T

T

k

H

U

U

T

T

k

H

T

T

i

 (1.87) 

 
Funkcję fmins można wywołać z wiersza poleceń MATLABa w następujący sposób: 
 

>> x = fmins('FunOpt',x0

 
gdzie FunOpt oznacza nazwę funkcji kryterialnej według której poszukiwany jest optymalny 
wektor parametrów x, zaś x0 jest punktem startowym procedury optymalizacyjnej. 

Do optymalizacji parametrów identyfikowanych modeli należy użyć następujących funkcji 

kryterialnych dla modelu: 
 

•  funm1 

– 

dla modelu inercyjnego pierwszego rzędu oraz dla układu całkującego w 
pętli sprzężenia jednostkowego opisanych odpowiednio transmitancjami 
(1.1) i (1.3); 

•  funm1t  – 

dla modelu pierwszego rzędu z opóźnieniem transportowym opisanego 
transmitancją (1.2) 

background image

•  funm2 

– 

dla modelu pierwszego rzędu z opóźnieniem transportowym opisanego 
transmitancją (1.4) 

•  funmnf  – 

dla modelu nieminimalnofazowego opisanego transmitancją (1.4) 

 

Ponadto należy zdefiniować w MATLABie dane pomiarowe w postaci macierzy o następującej 
strukturze: 
 

DATA_M

=[freq  Uout  Phase

 
gdzie  freq oznacza kolumnę częstoliwości - [Hz], Uout jest kolumną zawierającą amplitudą 
sygnału wyjściowego - [V] (przy założeniu, że amplituda napięcia wejściowego wynosi 1V) oraz 
Phase

 reprezentuje kolumnę przesunięcia fazowego - [

ο

]. Następnie należy zdefiniować zmienną 

DATA_M

 jaką zmienną globalną poprzez polecenie: 

 
>> global DATA_M 
 

Dla celów graficznej wizualizacji stopienia dopasowania identyfikowanych modeli stworzono 
dodatkowe m-pliki: 
 

•  gvidm1  – 

dla modelu inercyjnego pierwszego rzędu oraz dla układu całkującego w 
pętli sprzężenia jednostkowego opisanych odpowiednio transmitancjami 
(1.1) i (1.3); 

•  gvidm1t  – 

dla modelu pierwszego rzędu z opóźnieniem transportowym opisanego 
transmitancją (1.2) 

•  gvidm2  – 

dla modelu pierwszego rzędu z opóźnieniem transportowym opisanego 
transmitancją (1.4) 

•  gvidmnf  – 

dla modelu nieminimalnofazowego opisanego transmitancją (1.4) 

 
Powyższe funkcje można wywołać z wiersza poleceń MATLABa w następujący sposób: 
 

>> gvidm1 (x
>> gvidm1t (x
>> gvidm2 (x
>> gvidmnf (x

 
gdzie  x oznacza znaleziony optymalny wektor parametrów. Przykładowa charakterystyka 
Bodego, uzyskana za pomocą omawianych MATLABowych funkcji, przedstawiono na rys. 1.25. 
 

10

1

10

2

10

3

10

4

10

5

-20

-15

-10

-5

0

5

ω

 [rad/s]

|G

(j

ω

)|

a

1

 = 0.00022199       a

2

 = 5.1313e-008

10

1

10

2

10

3

10

4

10

5

-200

-150

-100

-50

0

ω

 [rad/s]

Φ

(

ω

)

punkty pomiarowe
model zidentyfikowany

 

Rys. 1.24. Przykładowa charakterystyka częstotliwościowa modelu drugiego rzędu.