background image

CHARAKTERYSTYKI CZ

Ę

STOTLIWO

Ś

CIOWE PODSTAWOWYCH 

CZŁONÓW LINIOWYCH UKŁADÓW AUTOMATYKI 

 
Do  podstawowych  form  opisu  dynamiki  elementów  automatyki  (oprócz  równa

ń 

żniczkowych)  zaliczamy  transmitancję  operatorową  K(s)  oraz  transmitancję  widmową 

K(j

ω). Związek pomiędzy tymi transmitancjami wyraża się wzorem: 

 

)

(

0

0

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

ω

φ

ω

ω

ω

ω

ω

ω

ω

j

n

i

i

i

m

l

l

l

j

s

e

j

K

j

a

j

b

j

U

j

Y

s

K

j

K

=

=

=

=

=

=

>

    

(1) 

 
Twierdzenie
 o przechodzeniu sygnału sinusoidalnego przez układ liniowy.  

Je

ż

eli na wej

ś

cie układu liniowego podamy sygnał sinusoidalny (u(t)=Asin

w

t), to na wyj

ś

ciu, 

w  stanie  ustalonym  (przy  zało

ż

eniu 

ż

e  składowa  swobodna  y

s

  równa  si

ę

  zero),  otrzymamy 

tak

ż

e sygnał sinusoidalny o amplitudzie 

)

( ω

j

K

A

B

=

 i przesuni

ę

ciu fazowym 

f

Transmitancj

ę

 widmow

ą

 mo

ż

na przedstawi

ć

 tak

ż

e w postaci: 

)}

(

Im{

)}

(

Re{

)

(

ω

ω

ω

j

K

j

j

K

j

K

+

=

,  

 

 

 

(2) 

gdzie:  K j

(

)

ω

 – moduł transmitancji widmowej (stosunek amplitud sygnału wyj

ś

ciowego do 

sygnału wej

ś

ciowego), 

Re{K(j

w

)} – cz

ęść

 rzeczywista K(j

w

), 

Im{K(j

w

)} – cz

ęść

 urojona K(j

w

), 

ϕ

(

ω

) = 

)}

(

Re{

)}

(

Im{

ctg

ω

ω

j

K

j

K

ar

– argument transmitancji widmowej (przesuni

ę

cie 

fazowe pomi

ę

dzy sygnałem wyj

ś

ciowym i wej

ś

ciowym).  

 

Zale

ż

no

ść

 transmitancji widmowej 

φ

ω

ω

j

e

j

K

j

K

)

(

)

(

=

 od cz

ę

stotliwo

ś

ci przedstawia si

ę

 na 

płaszczy

ź

nie Gaussa i nazywa si

ę

 charakterystyk

ą

 amplitudowo-fazow

ą

.  

Charakterystyki  amplitudowe  i  fazowe  przedstawia  si

ę

  cz

ę

sto  jako  charakterystyki 

logarytmiczne Bodego (w logarytmicznej skali cz

ę

stotliwo

ś

ci): 

)

(

log

20

)

(

10

ω

ω

j

K

M

=

 

[dB]   

 

 

 

(3) 

 

φ ω

ω

( )

arg[ (

)]

=

K j

.   

 

 

 

 

 

Zaleta 

tego 

sposobu 

przedstawiania 

charakterystyk 

cz

ę

stotliwo

ś

ciowych 

wynika  

z wła

ś

ciwo

ś

ci funkcji logarytmicznej:  

background image

- w skali logarytmicznej zmiana o 10

c

 (c –liczba całkowita) jest proporcjonalna do c

logarytm iloczynu jest równy sumie logarytmów, a logarytm ilorazu ró

ż

nicy logarytmów: 

3

2

1

3

2

1

log

log

log

log

K

K

K

K

K

K

+

=

.  

 

 

(4) 

Pozwala  to  przedstawi

ć

  charakterystyki  (modułu  i  fazy)  zło

ż

onego  układu  automatyki  za 

pomoc

ą

 sumy charakterystyk członów podstawowych. 

 

Eksperymentalne zdejmowanie charakterystyk amplitudowo-fazowych. 

W  celu  okre

ś

lenia  charakterystyki  amplitudowo-fazowej  zmieniamy  cz

ę

stotliwo

ść

  sygnału 

sinusoidalnego wej

ś

ciowego 

w

1

w

w

... i okre

ś

lamy parametry 

)

( ω

j

K

 oraz 

)

(

ω

ϕ

 
 
 

K(j

ω)

x(t)=Xsin

ωt

y(t)=X

K(jω) sin(ωt+ϕ)

 

 
 
 

Im {K(j

ω)}

Re {K(j

ω)}

k

ω=0

ω=∝

ω

1

ω

2

-

ϕ(ω)

K(jω)

ω

 

Rys. 1. Eksperymentalne okre

ślanie charakterystyki częstotliwościowej 

 
 

W  wprowadzeniu  do 

ć

wiczenia  zostan

ą

  omówione  charakterystyki  cz

ę

stotliwo

ś

ciowe 

wybranych podstawowych członów automatyki.  

I. Człon inercyjny I-rz

ędu  

Transmitancja operatorowa opisana jest wzorem: 

K(s) =

1

+

Ts

k

   

 

 

 

 

(I.1) 

 

Transmitancja widmowa członu inercyjnego pierwszego rz

ę

du: 

1

)

(

)

(

+

=

=

=

T

j

k

s

K

j

K

j

s

ω

ω

ω

 

 

 

 

(I.2) 

Przedstawiona w postaci modułu i fazy:  

background image

T

ar

j

j

e

T

k

e

j

K

j

K

ω

ω

ϕ

ω

ω

ω

ctg

2

)

(

1

)

(

)

(

)

(

+

=

=

.  

 

(I.3) 

Wykres charakterystyki amplitudowo-fazowej członu inercyjnego pierwszego rz

ę

du 

przedstawiono na rys. I.1. 

Im {K(j

ω)}

Re {K(j

ω)}

k

ω=0

ω=∝

-j

k
2

ω= 

1

T

k

2

 

Rys. I.1. Charakterystyka amplitudowo-fazowa członu inercyjnego pierwszego rz

ędu 

 

Rys. I.2. Charakterystyki Nyquista członu inercyjnego pierwszego rz

ędu 

Na  rys.  I.2  przedstawiono  charakterystyki  Nyquista  układu  inercyjnego  I-rz

ę

du  dla  trzech 

ż

nych  stałych czasowych: T1=0,1; T2=1; T3=5. Jak  mo

ż

na zauwa

ż

y

ć

 z wykresów krzywe 

te  pokrywaj

ą

  si

ę

  (przy  tym  samym  wzmocnieniu  k=1).  Oczywi

ś

cie  punkt  0,5  –j0,5  na 

wykresach uzyskuje si

ę

 dla ró

ż

nych pulsacji 

ω

 (odpowiednio: 10, 1 i 0,5). Dlatego dogodniej 

jest korzysta

ć

 z charakterystyk Bode. 

Logarytmiczna charakterystyka amplitudowa ma posta

ć

background image

1

)

(

log

20

log

20

)

(

2

+

=

ω

ω

T

k

M

,  

 

 

(I.4) 

a charakterystyka fazowa:  

)

ctg(

)

(

T

ar

ω

ω

=

Φ

.  

 

 

(I.5) 

 

Rys. I.3. Logarytmiczne charakterystyki amplitudy i fazy członu inercyjnego pierwszego rz

ędu 

 

Na wykresie I.3 przedstawiono logarytmiczne charakterystyki amplitudy i fazy, wyznaczone 

dla: k=1, oraz T1=0,1; T2=1; T3=5. . 

Wykres M(

w

) mo

ż

na przedstawi

ć

 w postaci przybli

ż

onej, zast

ę

puj

ą

c krzyw

ą

 (I.4) za pomoc

ą

 

wyra

ż

enia (I.6): 



>

<

=

,

1

log

20

log

20

1

log

20

)

(

T

dla

T

k

T

dla

k

M

ω

ω

ω

ω

   

 

 

(I.6) 

bowiem 

dla 

małych 

cz

ęstotliwości  (wT<<1)  wyrażenie 

0

1

)

(

log

20

2

=

+

T

ω

Charakterystyka  (I.6)  nosi 

nazw

ę  logarytmicznej  asymptotycznej  charakterystyki 

amplitudowej i składa si

ę z dwóch odcinków prostych. W tym przypadku największa różnica 

pomi

ędzy charakterystyką logarytmiczną, a jej przybliżeniem występuje dla pulsacji 

T

1

=

ω

  

i wynosi:  

dB

T

T

k

k

3

2

log

20

)

1

)

1

(

log

20

log

20

(

log

20

2

=

=

+

.  

(I.7) 

 

background image

II. Człon oscylacyjny 

 

Transmitancja operatorowa przedstawia si

ę

 nast

ę

puj

ą

co: 

2

2

2

2

)

(

n

n

n

s

s

k

s

K

ω

ξω

ω

+

+

=

.    

 

 

(II.1) 

 

Transmitancja widmowa członu oscylacyjnego: 

ω

ξω

ω

ω

ω

ω

n

n

n

j

k

j

K

2

)

(

2

2

2

+

=

.  

 

 

 

(II.2) 

 

 

Przedstawiona w postaci modułu i fazy: 

)

2

(

2

2

2

2

2

2

2

)

2

(

)

(

)

(

ω

ω

ω

ξω

ω

ξω

ω

ω

ω

ω

+

=

n

n

arctg

j

n

n

n

e

k

j

K

.  

 

 (II.3) 

 

Logarytmiczna charakterystyka amplitudy członu oscylacyjnego jest równa: 

2

2

2

2

2

)

2

(

)

(

log

20

)

log(

20

log

20

(

log

20

)

(

ω

ξω

ω

ω

ω

ω

ω

n

n

n

k

j

K

M

+

+

=

=

.  

(II.4) 

Logarytmiczna charakterystyka fazy: 

2

2

2

)

(

ω

ω

ξωω

ω

=

Φ

n

n

arctg

.  

 

 

 

 

(II.5) 

 

Rys. II.1. Charakterystyki amplitudowo-fazowe członu oscylacyjnego (Bode i Nyquista) 

background image

 

Na rys. II.1 przedstawiono charakterystyki wyznaczone dla: k=1, oraz 

x

1=0,125; 

x

2=0,5; 

x

3=0,85 przy 

w

n

=4 

w

n1

=2, 

w

n2

=4; 

w

n3

=8 przy 

x

=0,5. 

Na  podstawie  analizy  wzoru  II.2  mo

ż

na  okre

ś

li

ć

  warunki  potrzebne  do  wyznaczenia 

parametrów 

w

n

  i 

x

.  Parametr 

w

n

  wyznaczamy  z  warunku  arg{K(j

w

a

)=-

2

π

.  Wtedy 

w

n

=

w

a

Natomiast parametr 

x

 wyznaczamy dla warunku arg{K(j

w

b

)=-

4

π

. Wtedy 

b

n

b

n

ω

ω

ω

ω

ξ

2

2

2

=

 

III. Człon ró

żniczkujący rzeczywisty  

 

Transmitancja operatorowa rzeczywistego członu ró

ż

niczkuj

ą

cego: 

1

)

(

+

=

Ts

ks

s

K

.  

 

 

 

(III.1) 

Transmitancja widmowa rzeczywistego członu ró

ż

niczkuj

ą

cego: 

)

2

ctg

(

2

1

)

(

)

(

π

ω

ω

ω

ω

+

=

T

ar

j

e

T

k

j

K

.  

 

 

(III.2) 

 

Rys. III.1. Charakterystyka amplitudowo-fazowa rzeczywistego członu ró

żniczkującego 

 

background image

Na rys. III.1 przedstawiono charakterystyki amplitudowo-fazowe członu ró

ż

niczkuj

ą

cego dla 

trzech ró

ż

nych stałych czasowych: T1=0,1; T2=0,5; T3=1. 

 

Logarytmiczna charakterystyka amplitudy rzeczywistego członu ró

ż

niczkuj

ą

cego jest równa: 

1

)

(

log

20

log

20

log

20

(

log

20

)

(

2

+

+

=

=

ω

ω

ω

ω

T

k

j

K

M

.    

(III.3) 

Logarytmiczna charakterystyka fazy: 

ω

π

ω

T

ar ctg

2

)

(

=

Φ

.  

 

 

 

(III.4) 

 

Rys. III.2. Charakterystyki logarytmiczne rzeczywistego członu ró

żniczkującego 

 

Charakterystyki  logarytmiczne  amplitudy  i  fazy,  wyznaczone  dla:  T1=0,1;  T2=0,5;  T3=1 

przedstawiono na rys. III.2.