background image

 

 

WYDZIAŁ MECHANICZNY ENERGETYKI I LOTNICTWA  

POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ 

Zakład Teorii Maszyn i Robotów 

 
 
 
 
 
 
 

Laboratorium Podstaw Automatyki i Sterowania IV 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Instrukcja do ćwiczenie nr 7A 

 
 

Wyznaczanie transmitancji widmowej na podstawie danej 

charakterystyki skokowej 

 
 

background image

 

 

Wstęp 

 

Właściwości  dynamiczne  liniowych  układów  o  stałych  skupionych  można  określić 

m.in. na podstawie odpowiednich charakterystyk 

zarówno  w  dziedzinie  czasu  jak  też 

dziedzinie  częstotliwości.  W  pierwszym  przypadku  często  wykorzystuje  się  charakterystyki 
impulsową i  skokową  natomiast  w  drugim,  charakterystyki  częstotliwościowe (np. wykresy 

Nyquista lub Bodego)

.  Znajomość  transmitancji  operatorowej  układu  a  co  za  tym  idzie 

transmitancji widmowej pozwala na wyznaczenie  obu typów charakterystyk.  W 

związku  z 

tym 

zachodzą również możliwości: 

• 

wyznaczania transmitancji widmowej układu na podstawie charakterystyki skokowej

•  wyznaczania charakterystyki skokowej na podstawie transmitancji widmowej 

układu. 

Celem  ćwiczenia  jest zapoznanie studentów  z  metodą  wyznaczania  transmitancji 

widmowej układu na podstawie zdjętej doświadczalnie charakterystyki skokowej

 

 

Podstawy teoretyczne 

Jeżeli  znana  jest charakterystyka impulsowa  g(t)  układu,  będąca  odpowiedzią  na 

impuls Diraca 

δ

(t), to na jej podstaw

ie można wyznaczyć transmitancję widmową układu 

G(

)=P(ω)+jQ(ω) z zależności: 

dt

e

t

g

j

G

t

j

ω

ω

=

0

)

(

)

(

 

 

 

 

 

(7A.1) 

Związek  (7A.1)  wynika  z  faktu,  że  charakterystyka  impulsowa  układu  liniowego  jest 
oryginałem transmitancji operatorowej tego układu. 

Z uwagi n

a to,  że  w praktyce  nie  można  ściśle  zrealizować  wymuszenia 

δ

(t), 

często 

stosuje  się  odpowiedź  skokową  h(t)  układu  do  oceny  jego  właściwości  dynamicznych. 
Charakterystyka  skokowa jest łatwa  w realizacji doświadczalnej a  jej  pochodna pierwszego 
rzędu względem czasu jest równa charakterystyce impulsowej: 

)

(

)

(

t

h

dt

d

t

g

=

  

dla h(0)=

 

 

 

(7A.2) 

W związku z tym równanie (7A.1) można zapisać w postaci: 

dt

e

t

h

dt

d

j

G

t

j

ω

ω





=

0

)

(

)

(

   

 

 

 

 

 

(7A.3) 

Je

śli  charakterystyka h(t)  nie jest podana w postaci analitycznej, lecz  graficznej (np. 

została  zdjęta  doświadczalnie), wtedy transmitancję  widmową  układu  można  wyznaczyć  w 

background image

 

 

sposób uproszczony. W tym  celu dokonuje  się aproksymacji uzyskanej krzywej  za pomocą 
linii łamanej (Rys. 7A.1). 

 

Rys. 7A.1. Zasada aproksymacji charakterystyki skokowej h(t) 

 

P

rzybliżoną  wartość  pochodnej  funkcji  h(t)  dla  każdego  przedziału  aproksymacji  określa 

iloraz różnicowy w przód: 

1

1

=

k

k

k

k

k

t

t

h

h

B

;  

dla k=1,2,…,n , 

 

 

 

(7A.4) 

(

gdzie  wielkości  h

k

  i  t

k

Zależność  7A.4  ma  również  zastosowanie  w  przypadku  ćwiczenia,  gdy 

charakterystykę  skokową  rejestruje  się  przy  użyciu  przetwornika  analogowo-cyfrowego 

(A/C).  W

ielkości  h

 

oznaczają  współrzędne  k-tego punktu załamania,  natomiast  n  jest 

liczbą odcinków linii łamanej). 

k

  i  t

k

 

oznaczają  wtedy  współrzędne  k-tego punktu pomiarowego a 

interwały (t

k

-t

k-1

Po uwzględnieniu (7A.4) wyrażenie na transmitancję widmową przyjmie postać: 

) 

są równe okresowi próbkowania przetwornika 

t

)

(

)

(

1

1

1

1

=

=

=

=

k

k

k

k

t

j

t

j

n

k

k

t

t

t

j

n

k

k

e

e

jB

dt

e

B

j

G

ω

ω

ω

ω

ω

 

 

 

(7A.5) 

Po przekształceniach szukaną transmitancję widmową można zapisać w dogodnej formie do 
wykreślenia charakterystyki amplitudowo-fazowej (A-F): 

=

=

n

k

k

k

k

t

t

B

P

1

1

)

sin

(sin

1

)

(

ω

ω

ω

ω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7A.6) 

=

=

n

k

k

k

k

t

t

B

Q

1

1

)

cos

(cos

1

)

(

ω

ω

ω

ω

 

 

 

background image

 

 

Przebieg ćwiczenia 

Ćwiczenie  laboratoryjne  nr 7A  stanowi  uzupełnienie  i  kontynuację  ćwiczenia  nr  7 

Badanie  charakterystyk  częstotliwościowych  i  przebiegów  nieustalonych  podstawowych 

członów  automatyki”.  Zakłada  się,  że  studenci  wykonali  wcześniej  ćwiczenie  nr  7  i  znają 

sposób pomiaru charakterystyk A-

F czwórników RLC przy użyciu analizatora transmitancji.  

Część pomiarowa ćwiczenia obejmuje: 

•  Pomiary (analizatorem transmitancji) charakterystyk A-F wskazanych przez asystenta 

czwórników; 

•  Zarejestrowanie  odpowiedzi skokowych badanych elementów 

przy  użyciu 

przetwornika A/C (karta: PCL-812  lub PCL18) 

obsługiwanego przez program 

SCOPE.  

 

Rejestracja 

charakterystyk skokowych przy użyciu programu SCOPE: 

1. 

Uruchomić mikrokomputer PC w trybie DOS, (Boot Partition 4); 

2.  Ur

uchomić program SCOPE z dysku C, (C:\cd scope); 

3. 

Ustawić parametry przetwornika A/C wg wskazań asystenta; 

4. 

Zadeklarować  nazwę  pliku,  do  którego  zostanie  zapisana  odpowiedź  na  sygnał 

wymuszenia (opcja File

Save

przykładowa nazwa pomiar1

5. 

Połączyć wejście badanego czwórnika z generatorem sygnału fali prostokątnej; 

6. 

Połączyć wyjście badanego czwórnika z wejściem przetwornika A/C; 

7. 

Zarejestrować przebieg odpowiedzi na sygnał wymuszenia (opcja RUN). W tym celu 
należy  tak  dobrać  amplitudę  i  częstotliwość  sygnału  fali  prostokątnej  oraz  nastawy 

programu SCOPE,  aby uzyskany na monitorze wykres 

zawierał  fragment 

odpowiadający poszukiwanej charakterystyce skokowej. 

Na rysunku 

7A.2  pokazano  przykładowy  przebieg  zarejestrowanego  sygnału 

wyjściowego z elementu oscylacyjnego. 

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

 

Rys. 7A.2. 

Odpowiedź elementu oscylacyjnego na wymuszenie sygnałem fali prostokątnej. 

Ts 

background image

 

 

8. 

Zapisać  do pliku uzyskany przebieg,  wciskając  klawisz  funkcyjny  F2.  Jeżeli  nie 

zadeklarowano inaczej, to plik zostanie zapisany w katalogu C:\SCOPE (pod 

wprowadzoną w pkt. 4. nazwą z dodanym automatyczne rozszerzeniem dat

9. 

Skonwertować  zapisany  plik  (pomiar1.dat)  do formatu ASCII  real  -  opcja 

File

Convert

ascii  Real.  Po  udanej operacji 

zostaje  wyświetlona  nazwa 

skonwertowanego pliku z nowym  rozszerzeniem  (pomiar1.rel).  Plik  ten 

należy 

skopiować na dyskietkę używając komendy DOS, copy pomiary1.rel A:\ 

 

Opracowanie wyników pomiarów 

Zapisana  w  skonwertowanym  pliku 

odpowiedź  badanego elementu na wymuszenie 

sygnałem  fali  prostokątnej  zawiera  nagłówek  oraz  kolumnę  liczb  odpowiadających 
wartościom przebiegu w równoodległych odstępach czasu 

t

przykładowym  nagłówku  (patrz  ramka  poniżej)  znajdują  się  informacje  o 

parametrach 

zarejestrowanego przebiegu i użytego przetwornika A/C. Wartość częstotliwości 

próbkowania  f

p

  ("SAMPLING  RATE PER CHANNEL:  25KHz") 

określa  potrzebny do 

obliczeń okres próbkowania 

t=1/f

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W  celu  obliczenia  poszukiwanej charakterystyki A-

F  należy  wcześniej  wyznaczyć 

znormalizowaną  odpowiedź  skokową,  rozważając  tylko  fragment zapisanego  przebiegu, 

ograniczonego czasem 

osiągnięcia wartości ustalonej T

s

 (Rys. 7A.2). 

Kolejność postępowania

1.  O

kreślić okres próbkowania 

t 

na podstawie nagłówka; 

2. 

Korzystając z dowolnego edytora tekstu należy usunąć z pliku nagłówek oraz liczby z 

kolumny danych 

niedotyczące przedziału czasu T

s

. Zapisać plik pod nową nazwą. 

"======THIS DATA FILE IS CREATED BY PC-SCOPE ======" 

"FILE NAME      : INER1.REL " 

"DATA FORMAT    : ASCII FILE " 

"CARD TYPE      : PCL-812 " 

"START CHANNEL  : 0 " 

"STOP CHANNEL   : 0 " 

"TOTAL CHANNELS : 1 " 

"VOLTAGE RANGE  : -10 V ---> +10 V  " 

"SAMPLING RATE PER CHANNEL : 25KHz " 

"DATE : 20 DEC. 2005" 

"TIME : 21:36:39.59" 

"DATA" 

"CH. 1" 

"================================================" 

background image

 

 

3. 

Unormować  (przeskalować)  przebieg  w ten sposób, aby  wartość  ustalona  h(t)  była 

równa jeden, natomiast h(0)=0 

4. 

Wykonać  wykres  unormowanej charakterystyki skokowej w celu sprawdzenia 
poprawności wykonania powyższych operacji; 

5. 

Korzystając  z  zależności  (7A.4)  oraz  (7A.6)  obliczyć  składowe  transmitancji 

widmowej P(

ω) oraz Q(ω) w zakresie pulsacji ω∈(0, 2π10

4

); 

Przedstawiony powyżej schemat obliczeń wymaga zautomatyzowania. W tym celu zaleca się 

zastosowanie programu Matlab lub MS Excel. 

Uwaga: 

 

Sprawozdanie 

Sprawozdanie powinno zawierać: 

•  opis pr

zebiegu ćwiczenia; 

• 

wyniki pomiarów i obliczeń; 

•  wykresy zmierzonych charakterystyk; 
•  porównanie  na jednym rysunku dwóch  charakterystyk  amplitudowo-fazowych 

badanego elementu: zmierzonej miernikiem transmitancji oraz uzyskanej 

z obliczeń; 

• 

dyskusję  wpływu  częstotliwości  próbkowania  sygnału  odpowiedzi  skokowej  na 
dokładność odtworzenia charakterystyki A-F; 

•  wnioski. 


Document Outline