background image

 

 

Podstawowe liniowe człony dynamiczne 

automatyki. Równania różniczkowe, 

transmitancje operatorowe, 

charakterystyki czasowe

1. Element proporcjonalny:

-Równanie różniczkowe:               y(t) = k x(t)     (rzędu 

zerowego)

-Równanie po transformacji Laplace’a:        y(s) = k x(s)

-Transmitancja operatorowa:

-„k” – współczynnik wzmocnienia elementu proporcjonalnego     
          (proporcjonalności)
         jeśli  „k” > 1 to element jest wzmacniaczem sygnału;
         jeśli  „k” < 1 to element jest dzielnikiem sygnału

background image

 

 

-  

element proporcjonalny c.d.

Charakterystyka statyczna (zależność funkcyjna pomiędzy 

ustalonym sygnałem wejściowym i ustalonym sygnałem 
wyjściowym):

                   

  

-Stany nieustalone:
      ( można analizować przebieg zmian w czasie sygnału 

wyjściowego jako odpowiedź na wybrany sygnał wyjściowy np. 
skok jednostkowy, liniowy itp..

      - odpowiedź na skok jednostkowy i sygnał liniowy dla „k” =3     

y(t)=3x(t)

background image

 

 

- Element proporcjonalny c.d.
Przykłady urządzeń technicznych będących elementami 

proporcjonalnymi

-Elektroniczny wzmacniacz operacyjny:

- Sztywna równoważnia ( np. w regulatorach pneumatycznych):

- Przekładnia mechaniczna: (np. w kole sterowym):

background image

 

 

2. Element inercyjny I rzędu

-równanie różniczkowe

:

-równanie po transformacie Laplace’a:

-transmitancja operatorowa:

)

(

)

(

)

(

t

x

k

t

y

dt

t

dy

T

)

(

)

(

)

(

s

x

k

s

y

s

y

s

T

sT

k

s

x

s

y

s

G

1

)

(

)

(

)

(

background image

 

 

element inercyjny c.d.
Charakterystyka statyczna (zależność funkcyjna pomiędzy 

ustalonym sygnałem wejściowym i ustalonym sygnałem 
wyjściowym):

Stany nieustalone:
    (odpowiedź na skok jednostkowy)

Definicja stałej czasowej elementu inercyjnego I rzędu

    Stała czasowa elementu inercyjnego I rzędu to czas, 

po którym sygnał wyjściowy y(t) osiąga wartość 
równą 63.2% swojej wartości ustalonej po 
pobudzeniu go skokiem jednostkowym

background image

 

 

Odpowiedź elementu inercyjnego I rzędu na skok jednostkowy 

background image

 

 

• Przykłady elementów inercyjnych I rzędu
-elektryczny układ RC ( filtr 

dolnoprzepustowy)

Równanie oczka elektrycznego

Równanie różniczkowe wiążące U2(t) z U1(t)

Równanie po transformacji Laplace’a:

Transmitancja operatorowa:

R

i

t

U

t

U

)

(

2

)

(

1

t

dt

i

c

t

U

0

1

)

(

2

C

dt

dU

t

i

2

)

(

R

C

dt

t

dU

t

U

t

U

)

(

2

)

(

2

)

(

1

)

(

1

)

(

2

)

(

2

t

U

t

U

dt

t

dU

C

R

T

C

R

sT

s

G

1

1

)

(

)

(

1

)

(

2

)

(

2

s

U

s

U

s

U

s

T

background image

 

 

Odpowiedź na skok jednostkowy

- Statek jako obiekt sterowania prędkością kątową

background image

 

 

3. Elementy inercyjne wyższych rzędów

Element inercyjny II rzędu

Równanie różniczkowe:

Równanie po transformacji Laplace’a:

Transmitancja operatorowa:

)

(

)

(

)

(

)

2

1

(

)

(

2

1

2

2

t

x

k

t

y

dt

t

dy

T

T

dt

t

y

d

T

T

)

(

)

(

)

(

)

2

1

(

)

(

2

1

2

s

x

k

s

y

s

y

s

T

T

s

y

s

T

T

)

(

]

1

)

2

1

(

2

1

[

)

(

2

s

x

k

s

T

T

s

T

T

s

y

)

(

)]

2

1

(

)

1

1

[(

)

(

s

x

k

T

s

T

s

s

y

)

(

)]

2

1

(

)

1

1

[(

)

(

s

x

k

T

s

T

s

s

y

)

2

1

(

)

1

1

(

)

(

)

(

)

(

sT

sT

k

s

x

s

y

s

G

background image

 

 

Uwagi:

-    element inercyjny II rzędu charakteryzuje się dwiema stałymi 

czasowymi 

     T1 i T2 oraz wzmocnieniem „k”;
- związek pomiędzy sygnałem wejściowym x(t)i sygnałem 

wyjściowym y(t) opisuje liniowe równanie różniczkowe  drugiego 
stopnia;

- transmitancja takiego elementu może być przedstawiona jako 

iloczyn   transmitancji dwóch elementów inercyjnych I rzędu;

- własności dynamiczne zależą od wartości T1 i T2: element może 

odpowiedzieć na skok jednostkowy aperiodycznie lub oscylacyjnie.

Własności dynamiczne (odpowiedź na skok jednostkowy)

background image

 

 

- Elementy inercyjne wyższych rzędów

- Elementy te można opisywać transmitancjami będącymi 

iloczynami transmitancji I rzędu np.: transmitancja elementu III 
rzędu ma postać:

- doświadczalne wyznaczenie stałych czasowych T1, T2, T3 jest 

trudne

      ( z reguły nie wiemy którego rzędu jest element inercyjny)
- odpowiedzi na skok jednostkowy elementów wyższych rzędów:

)

3

1

(

)

2

1

(

)

1

1

(

)

(

)

(

)

(

sT

sT

sT

k

s

x

s

y

s

G

background image

 

 

4. Element opóźniający:

- Równanie różniczkowe ( zerowego rządu):

- Równanie po transformacji Laplace;a:

- Transmitancja operatorowa:

- Charakterystyki (statyczna, odpowiedź na skok jednostkowy):

)

(

)

(

0

t

t

x

t

y

0

)

(

)

(

t

s

e

s

x

s

y

0

)

(

t

s

e

s

G

background image

 

 

    Aproksymacja elementu inercyjnego wyższego rzędu elementem inercyjnym 

I rzędu z opóźnieniem

- W opisie matematycznym elementów inercyjnych stosuje się uproszczenia zastępując złożone 

transmitancje z wieloma stałymi czasowymi elementem inercyjnym I rzędu z opóźnieniem

- Procedura określenia Tz i to:
- 1. określićpunk przegięcia krzywej,
- 2. poprowadzic styczną w punkcie przegięcia,
- 3. poprowadzić styczną poziomą do krzywej dla nieskończoności,
- 4. odczytać z punktów przecięcia wartości stycznych i osi czasu wartości 
     „Tz” oraz  „to”,
     5.  przyjąc transmitancję elementu inercyjnego wyższegorzędu jako:

background image

 

 

     Procedura określenia „Tz”  i  „to”(zastepczej stałej 

czasowej i zastępczego opóźnienia)

- 1. określić punkt przegięcia krzywej,
- 2. poprowadzić styczną w punkcie przegięcia,
- 3. poprowadzić styczną poziomą do krzywej (dla czasu w 

nieskończoności),

- 4. odczytać z punktów przecięcia stycznych i osi czasu wartości 
     „Tz” oraz  „to”,
     5.  przyjąc transmitancję elementu inercyjnego wyższego rzędu 

jako:

         gdzie:    

0

1

)

(

t

s

e

Tz

s

k

s

G

ustalone

ustalone

x

y

k

background image

 

 

5. Element inercyjny II rzędu oscylacyjny

Równanie różniczkowe:

- dla przypadku :

- Przy oznaczeniach:

          ωo częstotliwość drgań własnych
           β współczynnik tłumienia

)

(

)

(

)

(

)

2

1

(

)

(

2

1

2

2

t

x

k

t

y

dt

t

dy

T

T

dt

t

y

d

T

T

0

2

1

4

)

2

1

(

2

T

T

t

T

2

0

1

2

1

T

T

0

2

)

2

1

(

 T

T

background image

 

 

• c.d. element oscylacyjny

- Równanie po transformacji Laplace’a:

- Wyrażenie w nawiasie może mieć pierwiastki:
• dwa pierwiastki rzeczywiste   β > 1  (element inert. II rzedu)
• pierwiastek podwójny rzeczywisty β = 1 (element inert. II rzędu)
• dwa pierwiastki zespolone β < 1  (element oscylacyjny )
     Odpowiedź elementu oscylacyjnego na skok jednostkowy dla 

różnych β)

 

)

(

]

1

2

1

[

)

(

0

2

2

0

s

x

k

s

s

s

y


Document Outline