background image

 

 

4. PODSTAWOWE  CZŁONY  AUTOMATYKI 

 

 
Prawie w każdym przypadku złożony układ dynamiczny można rozpatrywać jako zespół 

odpowiednio  ze  sobą  połączonych  członów  elementarnych,  a  więc  charakteryzujących  się 
najprostszymi  właściwościami  dynamicznymi.  Takie  elementarne  człony  noszą  nazwę 
podstawowych elementów automatyki. Wyróżnimy podstawowe grupy tych elementów: 

-  bezinercyjne (proporcjonalne), 
-  inercyjne: 

 

pierwszego rzędu, 

  oscylacyjne, 

  dwuinercyjne 

-  całkujące: 

  idealne, 

  rzeczywiste, 

  izodromowe 

-  różniczkujące: 

  idealne, 

  rzeczywiste, 

-  opóźniające. 
Poniżej zostaną one szczegółowo omówione. Wszystkie wykresy prezentowane w tym 

rozdziale wykonane zostały dla konkretnych danych liczbowych z wykorzystaniem programu 
CorelDRAW9 i Matlab 4. 

4.1. Człon proporcjonalny ( bezinercyjny )  

Najprostszym członem układów dynamicznych jest człon proporcjonalny. Charakteryzuje 

go równanie wiążące sygnał wyjściowy z sygnałem wejściowym 

 

)

(

)

(

t

x

k

t

y

   

 

 

 

 

(4.1) 

a transmitancja operatorowa ma postać 

k

s

x

s

y

s

G

)

(

)

(

)

(

 

 

 

 

 

(4.2) 

gdzie: y – wielkość wyjściowa, x – wielkość wejściowa. 

Jego właściwości są charakteryzowane jedynie przez współczynnik wzmocnienia k. Człon 

ten nie ma zdolności pamiętania stanów czy sygnałów poprzedzających chwile obserwacji, o 
wartości sygnału wyjściowego w chwili  t  decyduje tylko wartość sygnału wejściowego w tej 
samej chwili t . Nie możemy więc w tym przypadku mówić o stanie układu ani o równaniu stanu. 
Dlatego człon  ten często jest również  nazywany członem bezinercyjnym. 
 

Równanie charakterystyki statycznej ma postać 

 

x

k

y

 

lub 

,

0

0

C

x

k

y

 

background image

69

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Podstawowe człony automatyki 

 

 

 

 

gdzie  C  jest  stałą  określającą  przesunięcie  charakterystyki  w  stosunku  do  początku  układu 
współrzędnych. 
 

Odpowiedź na wymuszenie skokowe 

a

t

t

x

)

(

1

)

(

 będzie 

 

.

)

(

1

)

(

a

k

t

t

y

 

 

Wykresy obrazujące charakterystykę statyczną i skokową elementu bezinercyjnego przedstawione 
są na rys. 4.1. 
 

Transmitancja widmowa elementu bezinercyjnego ma postać: 

 

.

)

(

k

j

G

   

 

 

 

 

(4.3) 

Część rzeczywista i urojona 

)

(

j

G

.

0

)

(

,

)

(

Q

k

P

 

 

 

 

(4.4) 

 

Logarytmiczne charakterystyki amplitudowa i fazowa: 
 

 

,

log

20

)

(

)

(

log

20

)

(

log

20

)

(

2

2

k

Q

P

M

L

 

(4.5) 

 

.

0

0

tg

)

(

)

(

tg

)

(

k

arc

P

Q

arc

   

 

 

(4.6) 

Rysunek 4.2 przedstawia wykresy omawianych charakterystyk. 

y

0

x

0

C

arc tg k

y

x

x

k

h(t)

h(t)

k>1

t

0

x(t)= (t)

1

a)

b)

Rys. 4.1.   -  charakterystyka statyczna elementu bezinercyjnego (zaznaczono oba układy

współrzędnych, w jakich można przedstawić charakterystykę,   - charakterystyka skokowa
(odpowiedź na wymuszenie skokowe) dla  >1

a) 

b)

k

a

a

a

background image

Michał Chłędowski 

WYKŁADY  Z  AUTOMATYKI  dla mechaników 

70 

 

 

 

Przykłady    kilku  elementów  bezinercyjnych  podano  na  rys.  4.3,  a  niżej  zestawione 

zostały równania tych elementów. 

1. Jeżeli sygnał wejściowy x i wyjściowy y są przesunięciami (rys. 4.3a) mamy 

Jeżeli sygnał wejściowy F

x

 i wyjściowy F

y

 są siłami (rys. 4.3a), mamy 

 

2. Przy analogicznych oznaczeniach jak w przykładzie 1 (rys. 4.3b) otrzymamy 

3. Zakładając brak obciążenia i oznaczając U

1

, U

2

 - napięcia wejścia i wyjścia, R

1

, R

2

 - 

rezystancje (parametry układu), otrzymamy (rys. 4.3c

4.  Jeżeli  pominiemy  masę  części  ruchomych  i  tarcie  lepkie  oraz  oznaczymy:  A[m

2

]- 

powierzchnia efektywna (czynna) membrany, p[N/m

2

] - ciśnienie, c[N/m] - sztywność sprężyny,  

 y[m] - przesunięcie trzpienia siłownika, to wyjście y związane będzie z wejściem  p  zależnością 
proporcjonalną  (rys. 4.3c)  

.

)

(

)

(

)

(

,

c

A

s

x

s

y

s

G

p

c

A

y

 

.

 

a

b

   

=

   

)

 

(s

 

x

)

 

(s

   

=

   

)

 

(s

   

 ,

x

   

a

b

  

=

y  

 

.

 

b

a

   

=

   

)

 

(s

 

x

)

 

(s

   

=

   

)

 

(s

   

 ,

F

  

b

a

 

=

 

F

x

y

 

.

 

b

b

 

+

 

a

  

=

  

)

 

(s

F

)

 

(s

F

  

=

  

)

 

(s

   

 ,

F

   

b

b

 

+

 

a

  

=

  

F

 ,

b

 

+

 

a

b

  

=

  

)

 

(s

 

x

)

 

(s

  

=

  

)

 

(s

   

 ,

x

  

b

 

+

 

a

b

   

=

y   

x

y

x

y

 

.

 

R

 

+

 

R

R

   

=

   

)

 

(s

U

)

 

(s

U

    

=

   

)

 

(s

   

 ,

U

   

R

 

+

 

R

R

   

=

   

U

2

1

2

1

2

1

2

1

2

2

 

k>1

0

a)

b)

Rys. 4.2.Charakterystyki częstotliwościowe elementu bezinercyjnego: 

 charakterystyka

amplitudowo-fazowa,   - logarytmiczna charakterystyka amplitudowa i fazowa

a) - 

b)

k

G(j   

(

(

)

)

)

Q

P

0,1

0,1

1,0

1,0

10

10

100

100





L

dB

20log k

0 o

background image

71

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Podstawowe człony automatyki 

 

 

 

 

 

4.2. Człony inercyjne 

Człon inercyjny pierwszego rzędu 

Człon inercyjny pierwszego rzędu (krótko: człon inercyjny) jest opisany równaniem 

)

(

)

(

)

(

t

x

k

t

y

dt

t

dy

T

 

 

 

 

 

(4.7) 

przy czym:  

T - stała czasowa; 

                

k - współczynnik wzmocnienia 

a transmitancja operatorowa ma postać 

Ts

k

s

G

1

)

(

   

 

 

 

 

(4.8) 

Człony  tego  typu  występują  bardzo  często  w  przyrodzie,  gdyż  charakteryzują    proces 

gromadzenia masy i energii z oddziaływaniem wstecznym. 

 

Równanie charakterystyki statycznej otrzymamy z równania (4.7) przyjmując pochodną 

dt

t

dy )

(

 równą zero. Będzie ono miało postać: 

.

x

k

y

 

Wykres tej charakterystyki jest identyczny jak podany na rys. 4.1a

 

Odpowiedź na wymuszenie skokowe 

a

t

t

x

)

(

1

)

(

 obliczymy posługując się tabl. 3.1. 

Z definicji mamy: 

x

x

y

y

y

a

a

b

b

F

x

F

x

F

y

F

y

u

1

u

2

R

1

R

2

c

A

a)

b)

c)

d)

p

Rys. 4.3. Przykłady elementów bezinercyjnych (proporcjonalnych):
 

 -dźwignie,   - dzielnik napięcia, 

siłownik pneumatyczny

a,b)

c)

d) - 

background image

Michał Chłędowski 

WYKŁADY  Z  AUTOMATYKI  dla mechaników 

72 

 

 

)

(

)

(

L

)

(

1

s

x

s

G

t

y

 

Dla wymuszenia skokowego o amplitudzie  a,   

a

s

s

x

1

)

(

. A zatem wzór na charakterystykę 

skokową elementu inercyjnego przyjmie postać: 

,

1

1

1

1

1

1

)

(

)

(

1

1

1





 









T

t

e

aT

T

k

T

s

s

a

T

k

a

s

Ts

k

a

s

s

G

t

h

L

L

L

 

ostatecznie 

.

1

)

(





T

t

e

a

k

t

h

  

 

 

 

(4.8) 

0

0

1

2

5

10

15

20

25

30

T

T

x(t)= (t)a

1

0,632ka

ka

  t [s]

h(t)

h( )

a=1

k=2
T=5

 

Rys. 4.4. Odpowiedź elementu inercyjnego pierwszego rzędu na wymuszenie skokowe 

 
Stałą  czasową  T  można  określić  z  wykresu,  przeprowadzając  styczną  w  dowolnym  punkcie 
krzywej wykładniczej h(t) i wyznaczając odcinek podstycznej na asymptocie  

.

1

1

T

e

T

a

k

e

a

k

dt

dh

h

a

k

podstyczna

T

t

T

t





 

Stałą czasową T można również określić jako czas od chwili t = 0 do chwili, kiedy h(t) 

osiąga 63,2% swojej końcowej wartości ustalonej ka. Podstawiając t = T otrzymamy 

.

632

,

0

1

)

(

1

a

k

e

a

k

T

h

 

 

Wartość współczynnika wzmocnienia elementu inercyjnego określamy z wykresu  

background image

73

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Podstawowe człony automatyki 

 

 

 

 

charakterystyki skokowej jako stosunek h(

)/a, gdzie h(

 przedstawia maksymalną wartość 

charakterystyki skokowej (dla 

 

) równą ka

 

Wykres charakterystyki skokowej elementu inercyjnego o transmitancji 

s

s

G

5

1

2

)

(

 

wraz z konstrukcjami geometrycznymi, obrazującymi sposoby wyznaczenia jego parametrów 

przedstawiony jest na rys. 4.4. 

 

Transmitancja widmowa elementu inercyjnego ma postać: 

T

j

k

s

G

j

G

j

s

1

)

(

)

(

  

 

 

 

(4.9) 

 

Część  rzeczywistą  i  urojoną 

)

(

j

G

  wyznaczamy  mnożąc  licznik  i  mianownik 

transmitancji przez liczbę zespoloną sprzężoną z mianownikiem 

2

2

2

2

1

1

1

1

1

T

kT

j

k

T

T

j

T

j

kT

j

k

T

j

T

j

T

j

k

 

Stąd 

2

2

2

2

1

)

(

,

1

)

(

T

kT

Q

T

k

P

 

 

 

(4.10) 

 

Wykres G(j

) ma postać półokręgu o średnicy k, ze środkiem w punkcie (k/2, j0) (rys. 

4.5). Przy zmianie wartości stałej czasowej T kształt krzywej pozostaje taki sam, zmienia się 
jedynie rozkład punktów odpowiadających pulsacjom 

1

2

  itd. 

 

Rys. 4.5. Charakterystyka amplitudowo-fazowa G(j

) członu inercyjnego   

 

Logarytmiczna charakterystyka amplitudowa ma postać: 

 

.

1

log

20

)

(

)

(

log

20

)

(

log

20

)

(

2

2

2

2

T

k

Q

P

M

L

 

 

 

Im[G(j )] = Q( )

Re[G(j )] = P( )





h



T



k

1,0

2,0

-1,0

-0,5

k=2

T=5

0

0,5

background image

Michał Chłędowski 

WYKŁADY  Z  AUTOMATYKI  dla mechaników 

74 

 

 

Ostatecznie 

.

1

log

20

log

20

)

(

2

2

T

k

L

   

 

 

(4.11) 

 

Wykres L(

) można uprościć, pomijając we wzorze (4.11) dla 

 <1/T składnik T

2

2

, a dla 

 > 1/T składnik 1 pod pierwiastkiem. Otrzymamy wówczas tzw. asymptotyczną logarytmiczną 

charakterystykę amplitudową 

.

log

20

log

20

)

(

/

1

,

log

20

)

(

/

1

T

k

L

T

dla

k

L

T

dla

 

 

 

(4.12 

 

Pulsacja (częstotliwość kątowa) 

 = 1/T nazywa się pulsacją sprzęgającą i oznacza się ją 

symbolem 

s

 lub 

0

 . 

 

Wykresy rzeczywistej i asymptotycznej charakterystyki amplitudowej przedstawione są na 

rys.  4.6a.  Nachylenie  opadającego  odcinka  charakterystyki  asymptotycznej  (dla 

  >  1/T  ) 

określimy obliczając przyrost L(

) na dekadę: 

dB

T

k

T

k

L

L

20

10

log

20

)

(

log

20

log

20

)

10

(

log

20

log

20

)

(

)

10

(

  

(4.13) 

 

Rys.  4.6.  Logarytmiczne  charakterystyki  elementu  inercyjnego  pierwszego  rzędu 

G

a

in

 d

B

G

a

in

 d

B

P

h

a

s

e

 d

e

g

10

-2

10

-2

10

-1

10

-1

10

0

10

0

10

1

10

1

-90

-60

-30

0

-40

-20

0

20

L( )
dB

20log k

-20dB/dek

1

2

1

2

0,02

0,02

0,05

0,05

0,1

0,1

0,3

0,3

0,5

0,5

1,0

1,0

2

2

3

3

4

4

6

6

8

8



o

o

o

o

[rad/sek]

[rad/sek]

s

= 1/T

k=2

T=5

background image

75

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Podstawowe człony automatyki 

 

 

 

 

1

5

2

)

(

s

s

G

a) – charakterystyka amplitudowa, b) – charakterystyka fazowa 

  

 

W  praktyce,  przy  obliczeniach  wstępnych  posługujemy  się  charakterystykami 

asymptotycznymi,  a  przy  obliczeniach  dokładnych  charakterystykami  rzeczywistymi,  które 
otrzymujemy  w  wyniku  dokładnych  obliczeń,  najczęściej  przy  pomocy  odpowiedniego 
oprogramowania komputerowego (programów symulacyjnych).

 

 

Logarytmiczna charakterystyka fazowa elementu inercyjnego 

.

)

tg(

)

tg(

)

(

)

(

tg

)

(

T

arc

T

arc

P

Q

arc

   

 

(4.14) 

 

Wykres 

)

(

  przedstawiony  jest  na  rys.  4.6b.  Na  wykresie  oprócz  charakterystyki 

rzeczywistej  przedstawiono  liniami  przerywanymi  stosowane  niekiedy  aproksymacje 

trójodcinkowe krzywej 

)

(

. Aproksymacja 

)

(

a

 polega na zastąpieniu środkowego odcinka 

krzywej 

)

(

 prostą, bliską stycznej do 

)

(

 w jej punkcie przegięcia (ściśle, styczna osiąga 0

 

 dla 

81

,

4

/

1

/

s

 oraz -90

 dla 

81

,

4

/

s

, natomiast 

)

(

a

 osiąga 0

 dla 

2

,

0

5

/

1

/

s

 

oraz -90

 dla 

5

/

s

, co ułatwia jej wykreślanie). Aproksymacja 

)

(

b

 polega na zastąpieniu 

środkowego odcinka krzywej 

)

(

sieczną przechodzącą przez 0

 dla 

1

,

0

/

s

 oraz -90

 dla 

10

/

s

.  

Przykłady członu inercyjnego 

1.  Typowym przykładem członu inercyjnego jest kondensator ładowany przez rezystor (rys. 

4.7). Z prawa Ohma możemy zapisać zależność na u

1

(t) jako sumę spadku napięcia na rezystorze 

R i kondensatorze C. Wartość prądu płynącego przez kondensator zależy od pojemności tego 
kondensatora i prędkości zmian napięcia na jego okładzinach. Otrzymamy: 

 

.

)

(

)

(

,

)

(

)

(

)

(

2

2

1

dt

t

du

C

t

i

t

u

R

t

i

t

u

 

u

1

u

2

R

C

i(t)

(t)

(t)

Rys. 4.7. Schemat prostego członu inercyjnego RC

background image

Michał Chłędowski 

WYKŁADY  Z  AUTOMATYKI  dla mechaników 

76 

 

 

Podstawiając  drugie  równanie  do  pierwszego  i  zapisując  człony  związane  z  sygnałem 
wyjściowym po lewej stronie znaku równości a pozostałe po prawej otrzymamy 

.

)

(

)

(

)

(

1

2

2

t

u

t

u

dt

t

du

RC

 

Fakt,  że    iloczyn  RC  posiada  rozmiar  sekundy  (  [Ω

F]  =  [V/A

Q/V]  =  [V/A

As/V]  =  [s]  ) 

uzasadnia  nazwanie  go  stałą  czasową  T.  Po  wprowadzeniu  tego  oznaczenia  otrzymujemy 
równanie analogiczne do  równania 4.3. 

 

2. Innym przykładem członu inercyjnego może być człon cieplny, np. termoelement (rys. 4.8). 

Składa się on z umieszczonych w obudowie, najczęściej ceramicznej, dwóch drutów z różnych 
metali. Jedne końce tych drutów są połączone spoiną, dwa pozostałe tworzą wolne tzw. zimne 
końce  wyprowadzone  poza  obudowę.  Termopara  taka  mierzy  różnicę  temperatur  pomiędzy 
gorącymi i zimnymi jej końcami. Na skutek różnicy temperatury powstaje siła termoelektryczna  

)

(

0

e

 

gdzie:   

θ  -  temperatura spoiny [

]; 

θ

o

 - temperatura zimnych końców [

]; 

α  - współczynnik [V/

]. 

 

   

Rys. 4.8. Termoelement jako element inercyjny 

Uproszczony model fizyczny takiego elementu otrzymamy na podstawie bilansu cieplnego 

)]

(

)

(

[

)

(

1

t

t

S

dt

t

d

M

c

p

 

przy czym: 

 c

p

  

-  ciepło  właściwe    termoelementu  wraz  z  obudową  umieszczoną  w  ośrodku  o 

temperaturze θ

1

(t); 

 

- masa termoelementu 

 S   

- powierzchnia wymiany ciepła (obudowy termometru); 

 γ  

- współczynnik przewodzenia ciepła z ośrodka do wnętrza termoelementu. 

  
Przyjmując temperaturę spoiny θ(t) zarówno jako współrzędną stanu jak i sygnał wyjściowy, 
otrzymane  równanie  można  sprowadzić  do  równań  (4.3)  i  (4.5),  przy  czym  stała  czasowa 

(t)

(t)

(t)

0

1

e(t)

background image

77

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Podstawowe człony automatyki 

 

 

 

 

S

m

c

T

p

,   k = 1. 

Człon oscylacyjny 

 

Ogólna postać równania różniczkowego członu oscylacyjnego jest następująca: 

,

2

2

2

2

1

kx

y

dt

dy

T

dt

y

d

T

 

 

 

 

 

(4.15) 

przy czym 

2

1

2

2

4T

T

. Równaniu (4.15) odpowiada transmitancja operatorowa 

,

1

)

(

)

(

)

(

2

2

2

1

s

T

s

T

k

s

x

s

y

s

G

 

 

 

 

(4.16) 

gdzie:  k – współczynnik proporcjonalności (wzmocnienia), 
 

T

1

, T

2

 – stałe czasowe elementu. 

 

Często stosuje się również inną postać równania różniczkowego członu oscylacyjnego, 

ułatwiającą interpretację przebiegów przejściowych. Zapisuje się ją w postaci: 

,

2

2

0

2

0

0

2

2

x

k

y

dt

dy

dt

y

d



 

 

 

 

(4.17) 

przy czym 

.

1

 Wówczas transmitancja przyjmie postać: 

,

2

)

(

)

(

)

(

2

0

0

2

2

0



s

s

k

s

x

s

y

s

G

 

 

 

 

(4.18) 

gdzie: 

1

0

/

T

 

- pulsacja oscylacji własnych elementu, 

 

1

2

2

T

T

 

- zredukowany (względny) współczynnik tłumienia. 

Charakterystyka statyczna członu oscylacyjnego będzie identyczna jak charakterystyki 

Członów inercyjnych. 
 

Odpowiedź na wymuszenie skokowe x(t)=1(t)a obliczamy z relacji: 

.

)

1

(

1

)

1

(

)

(

)

(

)

(

2

2

2

1

1

2

2

2

1

1

1

s

T

s

T

s

ka

a

s

T

s

T

s

k

a

s

sM

s

L

t

h

L

L

L

 

Pierwiastkami wielomianu N(s) są: 







1

2

2

1

2

4

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

2

2

2

,

1

T

T

T

T

T

T

T

T

T

s

   

 

(4.19) 

lub dla oznaczeń przyjętych w (4.17) 

.

1

2

0

2

,

1

s

 

 

 

 

 

(4.20) 

Jeśli będzie spełniony warunek 

2

1

2

2

4T

T

 czyli 

1

2

, charakterystyka skokowa będzie miała 

oscylacyjny charakter. 
 

Pierwiastki s

1

 i s

2

 zapiszemy wówczas w postaci: 







2

1

2

1

2

1

2

,

1

2

1

2

1

T

T

j

T

T

T

s

 

 

 

 

(4.21) 

lub 

background image

Michał Chłędowski 

WYKŁADY  Z  AUTOMATYKI  dla mechaników 

78 

 

 

.

1

2

0

2

,

1

j

s

 

 

 

 

 

(4.22) 

 

Na podstawie wzoru (3.30) otrzymamy 

.

)

(

1

)

(

1

1

)

(

2

1

1

2

2

2

1

2

1

1

2

1

t

s

t

s

e

s

s

s

T

e

s

s

s

T

ka

t

h

   

 

(4.23) 

Stosując wzory Eulera* oraz oznaczenia przyjęte w równaniu (4.17), charakterystykę skokową 
można przedstawić w postaci: 

,

1

sin

1

1

)

(

2

0

2

0





t

e

ka

t

h

t

   

 

(4.24) 

gdzie 

2

1

ctg

ar

 

 

 

 

(4.25) 

Ponieważ założyliśmy współczynnik tłumienia 

1

0

, więc (wobec 

0

0

) wykładnik 

potęgi funkcji wykładniczej jest ujemny więc amplituda oscylacji maleje. Wykres h(t) dla tego 
przypadku przedstawiony jest na rys. 4.9. Składowa ustalona przebiegu wynosi ka, a składowa 
przejściowa jest gasnącą sinusoidą, której okres jest stały i wynosi: 

2

0

1

2

T

 

 

 

 

(4.26) 

Dla chwil t

a

, w których kąt 

a

t

2

0

1

 ma wartości równe krotnościom 

2

/

, a zatem h(t) 

osiąga amplitudę wynikającą ze wzoru (4.24), mamy 





,

19

,

15

,

11

,

7

,

3

1

1

)

(

2

1

,

17

,

13

,

9

,

5

,

1

1

1

)

(

2

1

2

2

0

2

2

0

0

0





a

a

t

a

a

t

a

a

e

ka

t

h

t

e

ka

t

h

t

  

 

(4.27) 

Wynikają stąd równania obwiedni drgań h

1

(t) h

2

(t) pokazanych na rys. 4.9. 

                                                 

).

sin

(cos

),

sin

(cos

v

j

v

e

e

v

j

v

e

e

u

jv

u

u

jv

u

 

background image

79

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Podstawowe człony automatyki 

 

 

 

 

 
Rys. 4.9. Odpowiedź członu oscylacyjnego na wymuszenie skokowe 1(t)
 
W  przypadku  gdy  współczynnik  tłumienia  jest  ujemny  i  zgodnie  z  warunkiem  dla 

przebiegów  oscylacyjnych  wynosi 

,

0

1

  części  rzeczywiste  pierwiastków  s

1

  i  s

2

  są 

dodatnie. Prowadzi to do związków, w których funkcje trygonometryczne są mnożone przez 
funkcję  wykładniczą  rosnącą  do  nieskończoności  wraz  ze  wzrostem  czasu  t.  Wówczas  dla 
obwiedni z rys. 4.9 otrzymamy: 





)

(

,

)

(

2

1

t

h

t

t

h

t

 

a więc odpowiedź skokowa ma charakter oscylacji o rosnącej amplitudzie (rys. 4.10a). 

 
Rys. 4.10. Charakterystyka skokowa członu oscylacyjnego: a) przy współczynniku tłumienia z 
zakresu 

0

1

b) przy współczynniku tłumienia 

0

 

 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

h(t)

h (t)=ka

2

h (t)=ka

1

t

1+ e

e



t



t

1-

1-

1-

T

T

ka

k=2



0

=0.3

a=1

0

1

2

3

4

5

6

7

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

h (t)

1

h (t)

2

a=1

k=2



0

=.3

h(t)

t

0

1

2

3

4

5

6

7

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

h(t)

t

a=1
k=2



0

=0.3

2ka

ka

a)

b)

background image

Michał Chłędowski 

WYKŁADY  Z  AUTOMATYKI  dla mechaników 

80 

 

 

 
 

W przypadku szczególnym, kiedy współczynnik tłumienia jest równy zeru (

0

 tzn. T

2

 

= 0), co odpowiada przypadkowi członu idealnego, w którym nie występują straty energii, części 
rzeczywiste pierwiastków s

1

 i s

2

 są równe zeru i charakterystyka skokowa ma charakter oscylacji 

nietłumionych (drgania zachowawcze o pulsacji 

0

) o stałej amplitudzie (rys. 4.10b): 

2

sin

1

)

(

0

t

ka

t

h

   

 

 

 

(4.28) 

 
Jeżeli 

)

1

(

4

2

2

1

2

2

T

T

,  to  pierwiastki  s

1

  i  s

2

  są  ujemne  rzeczywiste  i  przebieg  h(t)  traci 

charakter  oscylacyjny.  Również  w  przypadku,  kiedy  występuje  tłumienie  krytyczne  a  więc 

1

4

2

2

1

2

2

T

T

,  mamy  podwójny,  ujemny  pierwiastek  rzeczywisty,  co  odpowiada 

aperiodycznemu  przebiegowi.  Dokładna  analiza  tych  przypadków  przeprowadzona  jest  w 
rozdziale omawiającym człon inercyjny drugiego rzędu.  
 

Transmitancja widmowa członu oscylacyjnego wyznaczona na podstawie transmitancji 

operatorowej (4.18) ma postać: 

,

2

)

(

2

)

(

)

(

0

2

2

0

2

0

2

0

0

2

2

0





j

k

j

j

k

j

G

   

 

(4.29) 

 

Część rzeczywista i urojona 

:

)

(

j

G

 

.

)

2

(

)

(

2

)

(

,

)

2

(

)

(

)

(

)

(

2

0

2

2

2

0

3

0

2

0

2

2

2

0

2

2

0

2

0







k

Q

k

P

 

(4.30) 

 

  

 

Rys.  4.11.  Charakterystyki  amplitudowo-fazowe  członu  oscylacyjnego  dla  różnych 

wartości współczynnika tłumienia  
 

Wykres 

)

(

j

G

 przedstawiono na rys. 4.11. Wykres ten zaczyna się w punkcie P(0) = k

Q(0) = 0 przy 

 = 0 i kończy się przy 

 = +

 w punkcie P(+

) = 0, Q(+

) = 0. Charakterystyka 

ta jest krzywą, której przebieg – przy danych wartościach k i 

0

  – zależy od współczynnika 

tłumienia 

. Przecina ona oś urojoną w punkcie P(

0

)= 0, Q(

0

2

/

k

Moduł transmitancji widmowej  

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

1.5

2

2.5

-4

-5

-3

-2

-1

1







P( )

Q( )

k



h

background image

81

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Podstawowe człony automatyki 

 

 

 

 

2

0

2

2

2

0

2

0

2

2

2

))

(

(

))

(

(

)

(



k

Q

P

M

 

 

(4.31)   

 

 

Logarytmiczna charakterystyka amplitudowa 

,

2

log

20

)

(

2

0

2

2

2

0

2

0



k

L

 

 

 

(4.32) 

.

2

1

log

20

log

20

)

(

2

0

2

2

0











k

L

   

 

(4.32a) 

Logarytmiczna charakterystyka fazowa: 

,

2

tg

)

(

2

2

0

0







arc

   

 

 

 

(4.33) 

.

1

2

tg

)

(

2

0

0





arc

   

 

 

 

(4.33a) 

 
Wykresy  charakterystyk  logarytmicznych  członu  oscylacyjnego  dla  różnych  wartości 

współczynnika tłumienia przedstawione zostały na rys. 4.12. 

Rys. 4.12. Charakterystyki logarytmiczne członu oscylacyjnego 
 

10

10

-2

-2

10

10

-1

-1

10

10

0

0

-20

-90

-180

0

0

20

Frequency (rad/sec)

Frequency (rad/sec)















L( )

dB

background image

Michał Chłędowski 

WYKŁADY  Z  AUTOMATYKI  dla mechaników 

82 

 

 

Dla 

2

/

2

charakterystyka L(

osiąga maksimum przy 

2

0

2

1

/

, przy czym 

wartość tego maksimum jest tym większa, im mniejszą wartość ma zredukowany współczynnik 
tłumienia 

. Dla 

 = 0 maksimum występuje przy 

1

/

0

 i ma wartość nieskończenie wielką. 

Ze  względu  na  nieregularny  kształt  charakterystyk  L(

)  aproksymacja  za  pomocą 

charakterystyk  asymptotycznych    jest  stosowana  tylko  przy  obliczeniach  wstępnych,  dla 

1

3

,

0

 (wówczas błąd aproksymacji nie przekracza wartości 6 dB). 

Przy zmianie 

 od 0 do 

 przesunięcie fazowe zmienia się od 0 do -180

, przy czym dla 

1

/

0

wynosi zawsze -90

 

Przykład członu oscylacyjnego. Zespół masa – tłumik - sprężyna. 

 

Schemat takiego zespołu podano na rys. 4.13. Sygnałem wejściowym jest siła F, sygnałem 

wyjściowym jest przesunięcie masy y
 

W stanie ustalonym siła F oraz ciężar  mg są równoważone siłą wywieraną przez ugiętą 

sprężynę. Warunek ten zapiszemy następująco: 

0

0

y

c

mg

F

s

 , 

skąd 

.

1

0

0

mg

F

c

y

s

 

 

 

 

 

(4.34) 

Odchylenie masy m z położenia równowagi  

F

c

y

s

1

 

 

 

(4.35) 

 

W  stanach  nieustalonych,  uwzględniając  założenia 

upraszczające podane w punkcie 2.2, otrzymamy następujące równanie 
równowagi: 

,

2

2

y

c

dt

dy

c

dt

y

d

m

F

s

t

 

skąd 

,

2

2

2

2

1

kF

y

dt

dy

T

dt

y

d

T

 

 

 

(4.36) 

gdzie: 

.

1

,

,

2

1

s

s

t

s

c

k

c

c

T

c

m

T

 

  

Człon inercyjny drugiego rzędu 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Jeżeli w członie oscylacyjnym, opisanym przez równanie (4.15) współczynnik tłumienia 

1

   , to równanie charakterystyczne ma pierwiastki rzeczywiste ujemne (4.22) i człon ten staje 

się członem inercyjnym drugiego rzędu, zwanym dwuinercyjnym. 

F

m

c

t

c

s

y

Rys. 4.13. Zespół
masa-tłumik-sprężyna

background image

83

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Podstawowe człony automatyki 

 

 

 

 

Przez  człon  dwuinercyjny  będziemy  rozumieli  połączenie  szeregowe  dwóch  członów 

inercyjnych. Z tego punktu widzenia można by pominąć jego omawianie. Istnieją jednak układy 
dynamiczne, w których te dwa człony inercyjne są ściśle ze sobą powiązane; dlatego omówimy 
taki człon oddzielnie. Równanie charakteryzujące człon dwuinercyjny jako zależność sygnału 
wyjściowego od wejściowego przedstawimy w postaci 

)

(

)

(

)

(

)

(

1

2

2

2

2

t

x

k

t

y

dt

t

dy

T

dt

t

y

d

T

 

 

 

   

(4.37) 

Równanie  charakterystyczne  tego  układu 

0

1

1

2

2

2

s

T

s

T

  powinno  mieć  pierwiastki 

rzeczywiste. Zapewnia to warunek 

.

2

2

1

T

T

 W postaci operatorowej równanie (4.37) zapiszemy 

)

(

)

(

)

1

(

1

2

2

2

s

x

k

s

y

s

T

s

T

.   

 

 

 

   

(4.38) 

Lewą stronę równania (4.38) można zapisać w innej formie 

)

(

)

(

)

1

)(

1

(

4

3

s

x

k

s

y

s

T

s

T

   

 

 

 

   

(4.39) 

gdzie: 

.

4

2

2

2

2

1

1

4

,

3

T

T

T

T

 

  Transmitancja operatorowa członu dwuinercyjnego ma postać 

.

)

1

)(

1

(

)

(

4

3

s

T

s

T

k

s

G

 

 

 

 

 

 

   

(4.40) 

  Pierwiastki równania charakterystycznego są rzeczywiste i wynoszą: 

   

  

   

   

.

1

,

1

4

2

3

1

T

s

T

s

 

Przebiegi czasowe tego członu są więc aperiodyczne.  

  Wzór na charakterystykę skokową znajdziemy bezpośrednio z tablic przekształceń Laplace’a 

.

1

)

(

4

3

1

4

3

4

1

3

4

3

t

T

t

T

e

T

T

T

e

T

T

T

a

k

t

h

   

   

(4.41) 

  Przykładowy  wykres  charakterystyki  skokowej  elementu  inercyjnego  drugiego  rzędu 

przedstawiony jest na rys. 4.14. 

background image

Michał Chłędowski 

WYKŁADY  Z  AUTOMATYKI  dla mechaników 

84 

 

 

 

  Rys. 4.14. Odpowiedź jednostkowa członu inercyjnego drugiego rzędu 

  Punkt przegięcia charakterystyki skokowej określimy, przyrównując do zera drugą pochodną. 

,

1

1

)

(

4

1

4

3

4

3

1

3

4

3

4

3









T

e

T

T

T

T

e

T

T

T

ka

t

h

t

T

t

T

 

0

1

1

)

(

2

4

1

4

3

4

2

3

1

3

4

3

4

3













T

e

T

T

T

T

e

T

T

T

ka

t

h

t

T

t

T

 

  Stałe czasowe T

3

 i T

4

 można wyznaczyć graficznie z wykresu charakterystyki skokowej (rys. 

4.14). Współczynnik wzmocnienia członu inercyjnego drugiego rzędu k określa się tak samo jak 
członu inercyjnego (patrz rys. 4.4). 

  Charakterystykę amplitudowo-fazową oblicza się z relacji: 

)

(

)

1

(

)

1

)(

1

(

)

(

4

3

4

3

2

4

3

T

T

j

T

T

k

T

j

T

j

k

j

G

   

(4.42) 

lub 

1

2

2

2

1

2

2

2

)

1

(

1

)

(

)

(

T

j

T

k

T

j

j

T

k

j

G

    

  (4.43) 

Przekształcając (4.42) wydzielimy część rzeczywistą P(

 i część urojoną Q(

transmitancji 

widmowej: 

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

T

4

k=2

T =10
T =4
T =8
T =2

1

2

3

4

h(t)

[sek]

T +T

3

4

T T

3

4

T -T

3

4

ln T

3

T

4

punkt przegięcia [h”(t)=0]

background image

85

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Podstawowe człony automatyki 

 

 

 

 

 

;

)

1

)(

1

(

)

1

(

)

1

)(

1

)(

1

)(

1

(

)

1

)(

1

(

)

(

2

2

4

2

2

3

2

4

3

3

4

4

4

3

3

4

3

T

T

T

T

T

j

T

j

k

T

j

T

j

T

j

T

j

T

j

T

j

k

j

G

 

;

)

2

(

1

)

1

(

)

1

)(

1

(

)

1

(

)

(

4

2

4

2

2

2

1

2

2

2

2

2

2

4

2

2

3

2

4

3

T

T

T

T

k

T

T

T

T

k

P

     

 

(4.44) 

.

)

2

(

1

)

1

)(

1

(

)

(

)

(

4

2

4

2

2

2

1

2

1

2

2

4

2

2

3

4

3

T

T

T

kT

j

T

T

T

T

k

j

Q

 

 

(4.45) 

Wykres charakterystyki amplitudowo-fazowej członu inercyjnego drugiego rzędu przedstawiony 

jest na rys. 4.15). 

  Rys. 4.15. Charakterystyka amplitudowo-fazowa elementu inercyjnego drugiego rzędu 

  Moduł charakterystyki częstotliwościowej: 

 

 

.

)

1

)(

1

(

)

1

(

)

1

(

)

1

)(

1

(

)

1

)(

1

(

1

)

1

)(

1

(

)

(

)

1

)(

1

(

)

1

(

)

(

)

(

)

(

2

2

4

2

2

3

2

2

2

4

2

2

2

3

2

2

4

2

2

3

2

2

2

4

2

2

3

4

2

4

2

3

2

2

4

2

2

3

2

2

2

4

2

2

3

2

2

1

2

2

2

2

2

4

2

2

3

2

2

4

3

2

2

2

T

T

k

T

T

T

T

k

T

T

T

T

T

T

k

T

T

T

T

k

T

T

T

T

k

Q

P

M

 

  Logarytmiczną charakterystykę amplitudową oblicza się z relacji: 

2

2

4

2

2

3

1

log

20

1

log

20

log

20

)

(

log

20

)

(

T

T

k

M

L

 

(4.46) 

Charakterystyka ta może być aproksymowana trzema odcinkami prostych. Ma dwie pulsacje 
załamania (rys. 4.16): 

3

1

1

T

      oraz   

.

1

4

2

T

 

Dla pulsacji 

1



 zależność (4.46) może być zastąpiona wyrażeniem przybliżonym: 

,

log

20

)

(

k

L

 

0.5

1

1.5

2

-1.5

-1

-0.5

0

P( )

Q( )





h

k = 2

T = 10
T = 4
T = 8
T = 2

1

2

3



1

T T

3 4

background image

Michał Chłędowski 

WYKŁADY  Z  AUTOMATYKI  dla mechaników 

86 

 

 

co odpowiada prostej poziomej wyrażającej wzmocnienie k. Następnie dla pulsacji 

4

3

1

1

T

T

 

charakterystyka amplitudowa może być aproksymowana wyrażeniem przybliżonym: 

3

log

20

log

20

)

(

T

k

L

 

Jest to prosta o nachyleniu –20 dB/dek. 

  Dla 

4

1

T

 przybliżone wyrażenie tej charakterystyki będzie miało postać: 

.

log

20

log

20

log

20

)

(

4

3

T

T

k

L

 

Temu równaniu odpowiada prosta o nachyleniu –40 dB/dek.  

  Charakterystykę fazową członu dwuinercyjnego określa wzór: 

2

4

3

4

3

1

)

(

)

(

)

(

tg

)

(

T

T

T

T

P

Q

arc

 

  Rys. 4.16. Charakterystyki logarytmiczne członu inercyjnego drugiego rzędu 

   

  Przykład członu inercyjnego drugiego rzędu 

Jako przykład członu inercyjnego drugiego rzędu rozpatrzymy ogrzewany zbiornik i zanurzony 

w cieczy znajdującej się w tym zbiorniku termometr rtęciowy (rys. 4.17). Bańka termometryczna 
może  być  uważana  za  układ  pierwszego  rzędu,  który  można  opisać  liniowym  równaniem 
różniczkowym pierwszego rzędu. Wyprowadzimy  to równanie przy następujących założeniach: 

- rozpatrujemy termometr rtęciowy, zanurzony gwałtownie w cieczy o temperaturze 

1

- pojemność cieplną szkła pomijamy; 

- rtęć ma jednakową temperaturę 

2

10

10

-2

-2

10

10

-1

-1

10

10

0

0

10

10

1

1

-100

-50

0

0

50

Frequency (rad/sec)

Frequency (rad/sec)

-90

-180

background image

87

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Podstawowe człony automatyki 

 

 

 

 

Ogólna postać równania cieplnego stanu 

nieustalonego takiego układu: 

natężenie dopływu ciepła - natężenie 

odpływu ciepła = zmiana energii 

wewnętrznej 

a więc dla termometru: 

dt

d

C

dt

d

Mc

A

pr

2

2

2

1

0

)

(

 

gdzie :  M  - masa rtęci; 

c

pr

 - ciepło właściwe rtęci; 

α    -  ogólny  współczynnik 

przenikania ciepła; 

A    -  powierzchnia  przenikania 

ciepła; 

  

   

   

 

 

 

 

 

   

  t   - czas. 

Równanie cieplne przyjmuje zatem jedną z poniższych form:  

1

2

2

dt

d

A

Mc

pr

 

lub 

.

1

2

2

dt

d

T

 

  Wyrażenie Mc

pr

/αA ma wymiar czasu i nazywa się stałą czasową T układu. Wielkość T jest 

miarą  czasu  potrzebnego  dla  dopasowania  się  układu  do  nowej  wartości  wejściowej. 
Analogicznie do układów elektrycznych, w których stała czasowa jest iloczynem rezystancji i 
pojemności elektrycznej RC , stała czasowa termometru jest iloczynem oporności cieplnej 1/αA i 
pojemności cieplnej  Mc

p

.  

 Jeśli  układ  można  potraktować  jako  układ  pierwszego  rzędu,  stałą  czasową  otrzymuje  się 
bezpośrednio  z  wartości  oporu  i  współczynnika  pojemności  układu,  bez  potrzeby  układania 
równania bilansu materiałowego. 

Analogiczne rozumowanie dotyczące zbiornika pozwoli zapisać równanie cieplne zbiornika w 

postaci 

dt

d

c

M

A

pc

c

p

1

1

1

1

)

(

 

gdzie: M

c

  - masa cieczy w zbiorniku; 

c

pc 

  - ciepło właściwe cieczy. 

odpływ

pary

płaszcz

wodny

para

grzejna

p

Rys. 4.17. Układ zbiornik-termometr rtęciowy jako
                 przykład członu dwuinercyjnego

background image

Michał Chłędowski 

WYKŁADY  Z  AUTOMATYKI  dla mechaników 

88 

 

 

Podstawiając do tego równania 

1

 wyliczone z równania dla termometru otrzymamy 

p

R

R

dt

d

T

T

dt

d

TT

2

2

2

2

2

)

(

 

gdzie: 

.

,

1

1

R

pr

pc

c

T

A

Mc

T

A

c

M

 

4.3. Człony całkujące 

 

Ogólna postać równania różniczkowego idealnego członu całkującego jest następująca: 

dy

dt

kx

 

 

 

 

 

 

(4.47) 

Postać całkowa, przy zerowych warunkach początkowych 

t

xdt

k

y

0

 

 

 

 

 

 

(4.48) 

skąd wynika transmitancja 

G s

y s

x s

k

s

( )

( )
( )

 

 

 

 

 

(4.49) 

Współczynnik k definiuje się jako 

k

dy

dt

x

.

 

 

Równanie charakterystyki statycznej wynika z (4.47) i ma postać 

 

x

0,

 

 

a jej wykres podano na rys. 4.18a. Pewna analiza tego wykresu zamieszczona została w opisie 
przykładu członu całkującego. 

 

Rys. 4.18. Charakterystyka statyczna członu całkującego: a) współrzędne odchyłek, b

współrzędne wartości absolutnych (patrz przykład) 
 

Odpowiedź na wymuszenie skokowe 

a

t

t

x

)

(

1

)

(

 wyznaczamy z definicji: 

y

x

a)

y

0

x

0

x

n

0

b)

background image

89

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Podstawowe człony automatyki 

 

 

 

 

.

)]

(

[

)

(

,

)

(

)

(

1

2

t

a

k

s

y

L

t

h

a

s

k

s

x

s

k

s

h

 

 

 

 

(4.50) 

 
Wykres h(t) członu idealnie całkującego przedstawiony jest na rys. 4.19 
 

 

 

W  przypadku  szczególnym  kiedy  wejście  i  wyjście  są  sygnałami  jednoimiennymi, 

współczynnik k ma wymiar odwrotności czasu. Równanie (4.47) przedstawia się wówczas w 
postaci 

T

dy

dt

x

,

 

 

 

 

 

(4.51) 

której odpowiada transmitancja 

G s

y s

x s

Ts

( )

( )
( )

,

1

 

 

 

 

 

(4.52) 

gdzie T jest stałą czasową akcji całkującej lub krócej - stałą całkowania. Stałą tą można odszukać 
na wykresie odpowiedzi skokowej zgodnie z rys. 4.19b. 

Rys. 4.19. Odpowiedzi skokowe członu całkującego: aG(s)=k/s,  b) G(s)=1/Ts 
 

 

Transmitancję  widmową  elementu  całkującego  wyznaczymy  na  podstawie  transmitancji 
operatorowej (4.52) 

.

1

)

(

jT

j

G

 

 

 

 

(4.53) 

Części rzeczywista i urojona  

)

(

j

G

są równe: 

P

Q

T

( )

,

( )

.

 

0

1

 

 

 

(4.54) 

Logarytmiczne charakterystyki amplitudowa i fazowa: 

L

P

Q

T

( )

log [ ( )]

[ ( )]

log

,

 

20

20

2

2

  

(4.55) 

 


( )

( )
( )

(

)

.

  

arc tg

Q

P

arctg

90

o

  

(4.56) 

y

y

x

x

a)

b)

t

t

a

a

arc tg ka

T

y(t)

y(t)

background image

Michał Chłędowski 

WYKŁADY  Z  AUTOMATYKI  dla mechaników 

90 

 

 

 

Wykresy 

G j

L

i

(

), ( ) ( )

  

 podano na rys. 4.20. 

 

Rys.  4.  20.  Charakterystyki  idealnego  członu  całkującego:  a)  charakterystyka 

amplitudowo-fazowa, b) logarytmiczne charakterystyki amplitudowa i fazowa 

Przykład . Zespół rozdzielacz - siłownik hydrauliczny 

 

Schemat elementu przedstawiono na rys. 4.21 Wielkością wejściową jest przesunięcie x 

tłoczków rozdzielacza, wielkością wyjściową jest przesunięcie y tłoczyska siłownika. 

 

Rys. 4.21. Zespół rozdzielacz-siłownik hydrauliczny 

 
 

Założenia: 

 

a) p

z

 = const, p

s

 = const. 

 

b) obciążenie siłownika ma wartość zerową, 

 

c) prędkość przepływu oleju przez szczeliny rozdzielacza v = const (wynika to z założeń a 

i b). 
 

Stan ustalony y = const zachodzi dla x = 0. Charakterystyka statyczna ma kształt podany 

na rys. 4.18. 
 

Stan dynamiczny opisuje zależność: 

Q

A

dy

dx

,

 

gdzie Q - natężenie przepływu oleju przez szczeliny rozdzielacza, A - powierzchnia efektywna 

a)

b)

jQ( )

P( )

G(j )





h

L( )

dB

20

-20

-20dB/dek

s

s

s

0.1

10

s

T

1

=



-90

o

b

A

y

x

p

z

p

s

I

I

I - I

background image

91

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Podstawowe człony automatyki 

 

 

 

 

tłoka siłownika. 
 

Uwzględniając równanie ciągłości 

Q xbv

 

(xb jest przekrojem szczeliny przepływowej) otrzymamy 

T

dy

dt

x

,

 

 

 

 

 

(4.57) 

gdzie T = A/bv.  
 

Transmitancja elementu: 

G s

y s

x s

Ts

( )

( )
( )

.

1

 

 

 

 

 

(4.58) 

 

Jeżeli siłownik zostanie obciążony siłą F, stałą co do wielkości i kierunku, to rozważany 

element  przestanie  być  liniowy,  gdyż  wartość  stałej  czasowej  T  zależeć  będzie  od  kierunku 
przesunięć. Przy przesunięciach tłoka zgodnych z kierunkiem działania siły F, spadki ciśnienia w 
szczelinach rozdzielacza wyniosą 

p

F

A

p

z

s

2

 

(wtedy v = c

1

 i T = T

2

). 

 
 

Często spotyka się człony całkujące nie idealne. Rozpatrzymy dwa takie przypadki.  

 
 

Człon  całkujący  z  opóźnieniem  (człon  całkujący  rzeczywisty)  opisuje  równanie 

różniczkowe 

x

k

dt

dy

dt

y

d

T

2

2

 

 

 

 

 

 

(4.59) 

Jego transmitancja operatorowa ma postać 

)

1

(

)

(

Ts

s

k

s

G

 

 

 

 

 

 

(4.60) 

zaś wzór na charakterystykę skokową znajdziemy w tablicy przekształceń Laplace’a 

h(t)

t[sek]

1(t)

G(s)=

k

s(1+Ts)

k=1

T=3

5

10

15

0

5

10

15

T

kt

background image

Michał Chłędowski 

WYKŁADY  Z  AUTOMATYKI  dla mechaników 

92 

 

 

 

Rys. 4.22. Charakterystyka skokowa członu całkującego z opóźnieniem 

 

)

1

(

)

1

(

)

(

2

1

T

t

e

T

t

k

Ts

s

k

t

h

L

 

 

 

 

(4.61) 

Wykres tej charakterystyki przedstawiony jest na rys. 4.22. 
 
Charakterystyki częstotliwościowe można wyrazić następująco: 

  transmitancja widmowa 

)

1

(

)

1

)(

1

(

)

1

(

)

1

(

)

(

2

2

T

kT

jk

T

j

T

j

T

j

jk

jT

j

k

j

G

 

 

(4.62) 

 

części rzeczywista i urojona 

G j

(

):

 

)

1

(

)

(

,

1

)

(

2

2

2

2

T

k

j

Q

T

kT

P

 

 

 

(4.63) 

 

moduł M(

) 

,

)

(

1

)

(

)

(

)

(

2

2

2

T

k

Q

P

M

   

 

(4.64) 

  logarytmiczna charakterystyka fazowa 

,

)

tg(

2

)

(

)

(

tg

)

(

T

arc

P

Q

arc

 

 

 

(4.65) 

 

zaś logarytmiczna charakterystyka amplitudowa L(

) 

.

)

(

1

log

20

)

(

log

20

)

(

2

T

k

M

L

   

 

(4.66) 

-10

-8

-6

-4

-2

2

-200

-150

-100

-50

0

50

Q(

)

P(

)

G(s)=

s(Ts+1)

k

k=2, T=5

-kT

 

Przykładowe charakterystyki częstotliwościowe członu całkującego rzeczywistego przedstawione 
są na rys. 4.23 i 4.24. 
 

Rys. 4.23. Charakterystyka amplitudowo-fazowa członu całkującego rzeczywistego 

 

background image

93

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Podstawowe człony automatyki 

 

 

 

 

 

 

10

-2

-2

10

10

-1

-1

10

10

0

0

10

10

1

1

-50

0

50

-6

0

-9

0

-1

2

0

-1

5

0

-1

8

0

L

(

[d

B

]







o



rad/sek]



rad/sek]

 

 

Rys. 4.24. Charakterystyki logarytmiczne członu całkującego rzeczywistego 
 
Przykład. Silnik dwufazowy asynchroniczny 

 

Dwufazowe silniki asynchroniczne często wykorzystuje się w UAR. Najczęściej znajdują 

zastosowanie w układach śledzących małej mocy. Wykonywane są zazwyczaj w dwóch wersjach: 
z  kubkowym,  zazwyczaj  aluminiowym  wirnikiem  oraz  z  ferromagnetycznym  wirnikiem, 
posiadającym krótko zwarte uzwojenie. Pierwszy typ silnika ma co prawda mniejszą sprawność 
energetyczną,  jednak  mała  bezwładność  i  lepsze  parametry  regulacji  prędkości  obrotowej 
preferują  jego  stosowanie.  Moc  omawianych  silników  nie  przekracza  100

200  W.  Schemat 

elektryczny 
silnika dwufazowego przedstawiony jest na rys. 4.25. 
 
 

Zakładając stałą amplitudę napięcia wzbudzenia można napisać 

,

1

1

M

c

c

U

c

dt

d

M

e

x

e

 

 

 

 

 

(4.67) 

gdzie: 

s

dt

d

/

- prędkość obrotowa silnika, [rad/s]; 

 - kąt obrotu wału silnika, [rad]; U

x

 – 

wartość skuteczna napięcia na uzwojeniu sterującym silnika, [V]; M – moment napędowy silnika, 
[Nm]; c

e

, c

M

 – współczynniki stałe silnika, [V

s/rad]; [N

m/V]. 

 

Równocześnie możemy napisać równanie momentów 

st

M

dt

d

I

M

2

2

 

 

 

 

 

(4.68) 

background image

Michał Chłędowski 

WYKŁADY  Z  AUTOMATYKI  dla mechaników 

94 

 

 

gdzie: I – moment bezwładności, [kg

m

2

]; M

st

 – statyczny moment oporu. 

 

 

 

Rys. 4.25. Asynchroniczny silnik dwufazowy jako przykład członu całkującego z inercją 

 

 

 

Łącząc  równania  (4.67),  (4.68)  możemy  zapisać  ostateczne  równanie  silnika 

dwufazowego w postaci operatorowej 

,

)

(

)

(

)

(

)

1

(

s

M

k

s

U

k

s

s

s

T

st

em

x

s

em

 

 

 

(4.69) 

gdzie: k

s

 =1/c

e

k

em

=1/c

e

c

M

 – współczynniki silnika odpowiadające torowi sterowania i  torowi 

zakłóceń; T

em

I/(c

e

c

M

) – elektromechaniczna stała czasowa, [s];  

Transmitancja przejścia silnika przyjmie postać: 




zaklócenia

tor

s

T

s

k

s

M

s

s

G

sterowania

tor

s

T

s

k

s

U

s

s

G

em

em

st

zak

s

em

s

x

s

)

1

(

)

(

)

(

)

(

)

1

(

)

(

)

(

)

(

.

 

 

(4.70) 

 
 

Człon izodromowy 

 

Członem izodromowym nazywamy człon automatyki, dla którego równanie opisujące 

dynamikę ma postać: 

dt

t

dx

k

t

x

k

dt

t

dy

)

(

)

(

)

(

1

 

 

 

 

(4.71) 

Transmitancja operatorowa wyraża się wzorem 

s

Ts

k

k

s

k

s

G

)

1

(

)

(

1

 

 

 

 

(4.72) 

gdzie: 

k

k

T

1

 - stała czasowa członu izodromowego. 

 

Z przedstawionych zależności wynika, że omawiany człon można przedstawić jako sumę 

działania dwóch członów (połączenie równoległe): idealnego całkującego ze współczynnikiem k i 
proporcjonalnego o współczynniku proporcjonalności k

1

 

Charakterystyka  skokowa  będzie  sumą  charakterystyk  skokowych  członu 

proporcjonalnego i całkującego idealnego 

U  = const

w

uzwojenie
wzbudzenia

uzwojenie
sterujące

U

x

C

w

M

background image

95

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Podstawowe człony automatyki 

 

 

 

 

 

a

t

k

k

a

s

k

k

s

L

t

h





 

)

(

1

)

(

1

1

1

 

 

 

(4.73) 

Wykres tej charakterystyki przedstawiony jest na rys. 4.26. 
 

Rys. 4.26. Charakterystyka skokowa członu izodromowego 

 
Transmitancja widmowa ma postać 

j

T

j

k

k

j

k

j

G

)

1

(

)

(

1

 

 

 

 

(4.74) 

a charakterystyki logarytmiczne liczy się ze wzorów 

2

2

1

log

20

)

(

log

20

)

(

k

k

M

L

 

 

 

(4.75) 





1

tg

)

(

)

(

tg

)

(

k

k

arc

P

Q

arc

   

 

 

(4.76) 

Wykresy tych charakterystyk przedstawione są na rys. 4.27. 

10

10

-2

-2

10

10

-1

-1

10

10

0

0

10

10

1

1

10

10

2

2

0

20

40

60

-30

-60

-90

0

2

4

6

8

-100

-80

-60

-40

-20

0

Q( )

P( )

a)

b)

k=1

k =5

1



[

]

rad/sek



[

]

rad/sek

L(

[d

B

]



 [

 ]

o

 

Rys. 4.27. Charakterystyki członu izodromowego 

5

1

)

(

s

s

G

a) charakterystyka a-f, 

0

5

10

15

5

10

15

20

k

1

h(t)

G(s)= ks +k

1

k =5

1

k=1

Czas [s]

background image

Michał Chłędowski 

WYKŁADY  Z  AUTOMATYKI  dla mechaników 

96 

 

 

                             b) logarytmiczne amplitudowa i fazowa 
 
 

4.4. Elementy różniczkujące 

Idealny element różniczkujący 

 

Równanie idealnego elementu różniczkującego jest następujące: 

y k

dx

dt

,

 

 

 

 

 

 

(4.77) 

skąd wynika transmitancja 

G s

y s

x s

ks

( )

( )
( )

.

 

 

 

 

 

(4.78) 

Współczynnik k definiuje się jako: 

k

y

dx

dt

 

 

W  stanie  ustalonym  y  =  0  (y

0

  =  const)  dla  wszystkich  x.  Wykresy  charakterystyki 

statycznej podano na rys. 4.28. 
 

Rys. 4.28. Charakterystyka statyczna członu różniczkującego idealnego: a) współrzędne 

odchyłek, b) współrzędne wartości absolutnych 
 

Odpowiedź na wymuszenie skokowe 

a

t

t

x

)

(

1

)

(

 jest funkcją Diraca pomnożoną przez k 

oraz przez amplitudę skoku a. Mamy bowiem 

.

)

(

)

(

ka

s

x

s

k

s

y

 

 

Na podstawie tablicy przekształceń Laplace’a   

,

)

(

)]

(

[

)

(

1

t

a

k

s

y

L

t

y

   

 

 

(4.79) 

a zatem 

.

0

0

,

0

,

0

0

)

(

t

dla

t

dla

t

dla

t

y

   

 

 

(4.80) 

 

W  przypadku  szczególnym,  kiedy  wejście  i  wyjście  są  sygnałami  jednoimiennymi, 

równanie (4.77)  zapisuje się w postaci 

,

dt

dx

T

y

D

 

 

 

 

 

(4.81) 

której odpowiada transmitancja 

y

x

a)

y

0

y

n

x

 0

b)

0

background image

97

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Podstawowe człony automatyki 

 

 

 

 

,

)

(

)

(

)

(

s

T

s

x

s

y

s

G

D

 

 

 

 

(4.82) 

gdzie T

D

 jest stałą czasową akcji różniczkującej lub krócej - stałą różniczkowania. 

 

Odpowiedź na wymuszenie skokowe jest w tym przypadku funkcją Diraca pomnożoną 

przez T

D

 a, a zatem jest również opisana przez (4.80). 

 

Transmitancja widmowa idealnego elementu różniczkującego, wyznaczona na podstawie 

transmitancji operatorowej (4.82) jest następująca: 
 

.

)

(

D

jT

j

G

 

 

 

 

 

(4.83) 

Części rzeczywista i urojona 

G j

(

)

 

.

)

(

,

0

)

(

D

T

Q

P

 

 

 

 

(4.84) 

 
Logarytmiczne charakterystyki amplitudowa i fazowa mają postać: 
 

,

log

20

)]

(

[

)]

(

[

log

20

)

(

2

2

D

T

Q

P

L

 

 

 

(4.85) 

 

 


( )

( )
( )

(

)

.

 

arctg

Q

P

arctg

90

o

   

 

(4.86) 

Wykresy 

)

(

)

(

),

(

i

L

j

G

 podano na rys. 4.29. 

 

Rys. 4.29. Charakterystyki częstotliwościowe idealnego członu różniczkującego:  
a) charakterystyka a-f, b) logarytmiczne charakterystyki amplitudowa i fazowa 
 
Idealnego elementu różniczkującego nie można zrealizować praktycznie, ale poznanie 

jego własności jest celowe z tego względu, że często w elementach złożonych wyodrębnia się 
jako  jeden  ze  składników  idealne  działanie  różniczkujące.  Ponadto,  idealny  element 
różniczkujący  traktuje  się  niekiedy  jako  pierwsze  przybliżenie  rzeczywistego  elementu 
różniczkującego. 

Rzeczywisty człon różniczkujący 

 

Ogólna postać równania rzeczywistego elementu różniczkującego jest następująca: 

T

dy

dt

y k

dx

dt

 

,

 

 

 

 

 

(4.87) 

a)

b)

jQ( )

P( )

G(j

)



h



20

-20

+20dB/dek

s

s

s

s

0,1

10

L( )

dB

=

1

T

90

o



background image

Michał Chłędowski 

WYKŁADY  Z  AUTOMATYKI  dla mechaników 

98 

 

 

skąd wynika jego transmitancja 

G s

y s

x s

ks

Ts

( )

( )
( )

,

1

 

 

 

 

(4.88) 

gdzie k jest współczynnikiem proporcjonalności, a T stałą czasową członu. 
 

Jeżeli wejście i wyjście są sygnałami jednoimiennymi, równanie różniczkowe zapisuje się 

w postaci 

,

dt

dx

T

y

dt

dy

T

D

 

 

 

 

 

(4.89) 

której odpowiada transmitancja  

.

1

)

(

)

(

)

(

Ts

s

T

s

x

s

y

s

G

D

   

 

 

(4.90) 

Charakterystyka  statyczna  będzie  oczywiście  identyczna  z  podaną  na  rys.  4.28  ,  natomiast 
odpowiedź na wymuszenie skokowe wyznaczamy z transmitancji (4.88) na podstawie tablicy 
przekształceń Laplace’a : 

.

)]

(

[

)

(

,

1

1

1

)

(

1

)

(

/

1

T

t

e

a

T

k

s

y

L

t

y

T

s

a

T

k

Ts

ka

s

x

Ts

ks

s

y

 

 

 

(4.91) 

Wyznaczając tę odpowiedź z transmitancji ( 4.90) otrzymamy: 

.

)

(

T

t

D

e

a

T

T

t

y

 

 

 

 

(4.92) 

Wykres y(t) przedstawiono na rys. 4.30. 
 

 

Rys. 4.30. Odpowiedź rzeczywistego członu różniczkującego na wymuszenie skokowe 

 
 

Transmitancja  widmowa  rzeczywistego  elementu  różniczkującego,  wyznaczona  na 

podstawie transmitancji operatorowej (4.90) ma postać 

.

1

)

(

jT

jT

j

G

D

 

 

 

 

 

(4.93) 

Części rzeczywista i urojona 

G j

(

)

0

2

4

6

8

10

0.5

1

1.5

2

G(s)=

ks

Ts+1

T=2, k=4

h(t)

1(t)

t

T

k

T

background image

99

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Podstawowe człony automatyki 

 

 

 

 

.

1

)

(

,

1

)

(

2

2

2

2

2

T

T

Q

T

TT

P

D

D

   

 

(4.94) 

Wykres 

G j

(

)

 ma postać półokręgu o średnicy 1, ze środkiem w punkcie 

0

,

2

1

j

 (rys. 4.31). 

 

Rys. 4.31. Charakterystyka amplitudowo-fazowa członu różniczkującego rzeczywistego 

 
Logarytmiczne charakterystyki amplitudowa i fazowa: 
Rys.  4.32.  Charakterystyki  logarytmiczne:  amplitudowa  i  fazowa  członu  różniczkującego              
    rzeczywistego 

,

1

log

20

log

20

1

log

20

)]

(

[

)]

(

[

log

20

)

(

2

2

2

2

2

2

T

T

T

T

Q

P

L

 

 

(4.95) 

 

.

)

tg(

90

1

tg

)

(

)

(

tg

)

(

T

arc

T

arc

P

Q

arc

 

 

(4.96) 

Wykresy 

L( )

 i 

 

( )

 przedstawiono na rys. 4.32. Liniami 

ciągłymi zaznaczono charakterystyki rzeczywiste, a liniami 
kreskowanymi  charakterystyki  asymptotyczne,  przy  czym 
asymptotyczną charakterystykę fazową narysowano zgodnie 
z aproksymacją 

 

b

( )

  

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0

0.2

0.4

0.6

Real Axis

Im

a

g

 A

x

is

G(j )

= 0

= h

10

10

-2

-2

10

10

-1

-1

10

10

0

0

10

10

1

1

10

10

2

2

-40

-20

0

Frequency (rad/sec)

Frequency (rad/sec)

G

a

in

 d

B

30

0

60

90

P

h

a

s

e

 d

e

g

+20dB/dek

s

s

s

=



 

b



1

T

T=2

c

t

c

s

y

x

f

A

Rys. 4. 33. Tłumik hydrauli-
                  czny ze sprężyną

10

10

-2

-2

10

10

-1

-1

10

10

0

0

10

10

1

1

10

10

2

2

-40

-20

0

Frequency (rad/sec)

Frequency (rad/sec)

G

a

in

 d

B

30

0

60

90

P

h

a

s

e

 d

e

g

+20dB/dek

s

s

s

=



 

b



1

T

T=2

background image

Michał Chłędowski 

WYKŁADY  Z  AUTOMATYKI  dla mechaników 

100 

 

 

Przykład. Tłumik hydrauliczny ze sprężyną 

 

Schemat elementu podano na rys. 4.33. Wielkością wejściową jest przesunięcie x cylindra 

tłumika, wielkością wyjściową jest przesunięcie y tłoczka tego tłumika. 
 

Stan ustalony zachodzi wówczas, kiedy sprężyna nie jest napięta, tzn. kiedy nie wywiera 

żadnej  siły na tłoczek i nie powoduje przesuwania się tłoczka względem cylindra. równanie 
charakterystyki statycznej jest więc 

y

0

 

dla wszystkich x (ściśle: dla wszystkich x nie powodujących oparcia się tłoczka o dno cylindra). 
Wykres tej charakterystyki pokazano na rys. 4.28. 
 

W stanach nieustalonych siła wywierana przez ugięta sprężynę równoważona jest siłą 

oporu hydraulicznego tłumika, proporcjonalną do prędkości v

w

 względem cylindra 

,

dt

dy

dt

dx

c

v

c

y

c

t

w

t

s

 

gdzie  c

s

  -  sztywność  sprężyny,  c

t

  -  stała  tłumika,  proporcjonalna  do  powierzchni  A  tłoczka, 

odwrotnie proporcjonalna do przekroju f szczeliny przepływowej oraz zależna od lepkości cieczy 
i kształtu szczeliny przepływowej. 
 

Oznaczając stałą czasową elementu 

T

c
c

t

s

 

otrzymamy równanie odpowiadające postaci ogólnej (4.89) 

T

dy

dt

y T

dx

dt

 

 

 
oraz transmitancję 

G s

y s

x s

Ts

Ts

( )

( )
( )

.

1

 

 

 

4.5. Człony opóźniające 

 

Równanie członu opóźniającego ma postać 

 

,

)

(

)

(

t

x

t

y

 

 

 

 

 

(4.97) 

 
skąd, na podstawie twierdzenia o przesunięciu rzeczywistym, wynika jego transmitancja 
 

.

)

(

)

(

)

(

s

e

s

x

s

y

s

G

 

 

 

 

 

(4.98) 

Z podanych równań wynika, że element opóźniający nie zniekształca sygnału wejściowego, lecz 
jedynie przesuwa go w czasie.  
 

Transmitancja widmowa członu opóźniającego z definicji ma postać: 

,

)

(

 

j

e

j

G

 

 

 

 

 

(4.99) 

a część rzeczywista i urojona 

background image

101

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Podstawowe człony automatyki 

 

 

 

 

.

sin

)

(

,

cos

)

(





Q

P

   

 

 

(4.100) 

 

Logarytmiczne charakterystyki amplitudowa i fazowa dane są zależnościami: 

 

,

0

1

log

20

)

(

)

(

log

20

)

(

2

2

Q

P

L

 

 

(4.101) 

 

.

)

tg

tg(

)

(

)

(

tg

)

(





arc

P

Q

arc

 

 

(4.102) 

 

Wykresy omawianych charakterystyk członu opóźniającego przedstawione są na rys. 4.34 

i  4.35.  Charakterystyka  amplitudowo-fazowa  G(j

)  ma  postać  okręgu  o  promieniu  równym 

jedności.  Ze  wzrostem  pulsacji 

  przesunięcie  fazowe 

(

)  osiąga  coraz  większe  wartości 

ujemne, dążąc do -

 przy 

  dążącym do +

Członami  opóźniającymi  są  w  szczególności  urządzenia  służące  do  przemieszczania 

(transportu) substancji, jeżeli miejsce wprowadzenia sygnału wejściowego x i miejsce odbioru 
sygnału wyjściowego y  znajdują się w pewnej odległości od siebie. 

 
 
 

Rys. 4.34. Charakterystyka skokowa członu opóźniającego 

 

 

Rys.  4.35.  Charakterystyki  członu  opóźniającego:  a)  amplitudowo-fazowa,  b) 

logarytmiczne charakterystyki amplitudowa i fazowa 

t

t

x(t)

x(t)

a  (t)

1

a  (t)

1

a

a

0

0





 



 



1

jQ( )

P( )

a)

L( )

dB





0.1

0.2

-0.1

-0.2

- 2

-

0

b)

background image

Michał Chłędowski 

WYKŁADY  Z  AUTOMATYKI  dla mechaników 

102 

 

 

 

Przykład.  Podajnik taśmowy 

 

Schemat układu przedstawiony jest na rys. 4.36. Sygnałem wejściowym jest grubość x 

warstwy przesyłanego materiału na początku podajnika, zaś sygnałem wyjściowym grubość y 
tejże warstwy, ale na końcu podajnika. 
 

Opóźnienie transportowe 

 będzie wynosić 

v

l

 , 

gdzie: l – odległość [m], v – prędkość posuwu taśmy [m/s]. 
Transmitancja podajnika 

.

)

(

)

(

)

(

s

e

s

x

s

y

s

G

 

 

Rys. 4.36. Schemat podajnika taśmowego 

x

l

v

y