Akademia Morska w Gdyni

Katedra Automatyki Okrętowej

Teoria sterowania

Badanie wpływu położenia biegunów transmitancji na odpowiedź impulsową

Mirosław Tomera

Odpowiedź impulsowa wyznaczana jest na podstawie funkcji operatorowej poprzez zastosowanie odwrotnej transformaty Laplace'a.

−1

g( t) = £

{ G( s })

(1)

Zadanie polega na określeniu typów funkcji czasowych odpowiadających różnym częściom rozkładu sygnału operatorowego w zależności od położenia biegunów na płaszczyźnie s oraz od ich krotności.

Bieguny układu są miejscami zerowymi mianownika transmitancji i mają wpływ na charakter odpowiedzi impulsowej układu.

W MATLABIE odpowiedź impulsowa układu opisanego transmitancją może być uzyskiwana przy użyciu jednej z poniższych komend:

ltiview( 'impulse', tf(num, den))

impulse( num, den)

LTIViewer jest interakcyjnym interfejsem graficznym użytkownika do analizowania układów liniowych w dziedzinie czasu lub częstotliwości. Polecenie impulse( num, den) wykreśla jednostową odpowiedź impulsową w oknie graficznym MATLABA.

1. Badanie wpływu położenia pojedynczego bieguna na przebieg odpowiedzi impulsowej

Ogólna postać transmitancji układu z pojedynczym biegunem s = σ + jω znajdującym się w dowolnym miejscu na płaszczyźnie zmiennej zespolonej opisana jest wzorem 1

1

jφ

− jφ

Ae

Ae

2

2

1

r

2

r

G( s) =

+

=

+

(2)

s − (σ + jω )

s − (σ − jω )

s − 1

s

s − s 2

której odpowiada odpowiedź impulsowa postaci

σ

g( t) = Ae t cos(ω t + φ ) (3)

Amplituda odpowiedzi w chwili t = 0 oraz przesunięcie fazowe φ zależą od wartości residuów funkcji (2). Zakładając, że residua 1 r oraz 2

r są równe 1

r = 2

r = 1, wówczas funkcja (2) upraszcza się do postaci:

s − σ

G( s) = (

(4)

s − σ )2

2

+ ω

której to odpowiada odpowiedź impulsowa

σ

g( t) = e t cos t ω

(5)

Ostatnia aktualizacja: 03-10-23

 M. Tomera

Teoria sterowania

Badanie wpływu położenia biegunów transmitancji na odpowiedź impulsową Przy badaniu wpływu położenia pojedynczego bieguna s = σ + jω, zbadać na jakie parametry przebiegu czasowego wpływają zmiany części rzeczywistej σ i urojonej ω bieguna. Rozpatrzyć trzy następujące przypadki:

1.1. Biegun znajduje się na osi liczb rzeczywistych − biegun ma tylko składową rzeczywistą i wówczas równania (4) oraz (5) upraszczają się do postaci Funkcja operatorowa

Odpowiedź impulsowa

1

G( s) =

σ

g( t) =

t

e

s − σ

1.2. Bieguny sprzężone znajdują się na osi liczb urojonych − biegun ma tylko składową urojoną i wówczas równania (4) oraz (5) upraszczają się do postaci Funkcja operatorowa

Odpowiedź impulsowa

s

G( s) =

g( t) = cos t

ω

2

2

s − ω

1.3. Bieguny sprzężone znajdują się w dowolnym punkcie na płaszczyźnie (poza osiami) Funkcja operatorowa

Odpowiedź impulsowa

s − σ

G( s) =

σ

(

g( t) = e t cos t ω

s − σ )2

2

+ ω

Poniżej znajduje się przykładowy kod źródłowy MATLABA realizujący badanie wpływu położeń pojedynczego bieguna na odpowiedź impulsową.

% Nazwa pliku: impuls_t1.m

% 1. Badanie wpływu położenia pojedynczego bieguna na przebieg odpowiedzi

% impulsowej

% Badana transmitancja:

% s-a

% G(s) = -------------

% (s-a)^2 + b^2

s1 = -1 + 1*j;

% Położenie bieguna wzorcowego

s2 = -0.5 + 0.5*j;

% Położenie drugiego bieguna

A = [s1 s2];

% Tablica zawierająca bieguny

for i=1:2,

a = real(A(i));

% Część rzeczywista bieguna

b = imag(A(i));

% Część urojona bieguna

num = [1 -a];

% Licznik transmitancji

den = [1 -2*a (a^2+b^2)];

% Mianownik transmitancji

sys(i) = tf( num, den);

% Transmitancja

end;

ltiview( 'impulse', sys(1), sys(2))

2. Badanie wpływu położeń podwójnych biegunów na przebieg odpowiedzi impulsowej

Przy badaniu wpływu położenia podwójnych biegunów 2

s = (σ + jω) na odpowiedź impulsową rozważona zostanie funkcja operatorowa (4) podniesiona do drugiej potęgi Ostatnia aktualizacja: 03-10-23

 M. Tomera

2

Teoria sterowania

Badanie wpływu położenia biegunów transmitancji na odpowiedź impulsową 2



s − σ



G( s) = 

(6)

( s −σ )



2

2

+ ω 

Postać ogólna odpowiedzi impulsowej funkcji operatorowej (6) 1 σ

1 σ

g( t) = −

e t sin t

ω + te t cos t

ω

(7)

ω

2

2

Zbadać na jakie parametry przebiegu czasowego wpływają zmiany części rzeczywistej σ i urojonej ω

bieguna podwójnego. Rozpatrzyć trzy następujące przypadki: 2.1. Podwójny biegun znajduje się na osi liczb rzeczywistych − biegun ma tylko składową rzeczywistą Funkcja operatorowa

Odpowiedź impulsowa

1

G( s) =

σ

(

g( t) =

t

te

s − σ )2

2.2. Podwójne bieguny sprzężone znajdują się na osi liczb urojonych − biegun ma tylko składową urojoną i wówczas równania (6) oraz (7) upraszczają się do postaci Funkcja operatorowa

Odpowiedź impulsowa

2

s

1

1

G( s) = (

g( t) = −

sin t

ω + t cos t

ω

2

s + ω )2

2

ω

2

2

1.3. Podwójne bieguny sprzężone znajdują się w dowolnym punkcie na płaszczyźnie (poza osiami) Funkcja operatorowa

Odpowiedź impulsowa

2



s − σ



1 σ

1

t

t

σ

G( s) = 

g( t) = −

e

sin t

ω + te cos t

ω

( s −σ )



2

2

+ ω 

ω

2

2

Poniżej znajduje się przykładowy kod źródłowy MATLABA realizujący badanie wpływu położeń podwójnego bieguna na odpowiedź impulsową.

% Nazwa pliku: impuls_t2.m

%2. Badanie wpływu położenia podwójnego bieguna na przebieg odpowiedzi

% impulsowej

% Badana transmitancja:

% (s-a)^2

% G(s) = -----------------

% ((s-a)^2 + b^2)^2

s1 = -2 + 2*j;

% Położenie bieguna wzorcowego

s2 = -1 + 1*j;

% Położenie drugiego bieguna

A = [s1 s2];

% Tablica zawierająca bieguny

for i=1:2,

a = real(A(i));

% Część rzeczywista bieguna

b = imag(A(i));

% Część urojona bieguna

num = conv([1 -a],[1 -a]); % Licznik transmitancji den = conv([1 -2*a (a^2+b^2)],[1 -2*a (a^2+b^2)]); %Mianownik sys(i) = tf( num, den); % Transmitancja end;

ltiview( 'impulse', sys(1), sys(2))

Ostatnia aktualizacja: 03-10-23

 M. Tomera

3

Teoria sterowania

Badanie wpływu położenia biegunów transmitancji na odpowiedź impulsową PYTANIA

P1. Jak przedstawia się odpowiedź impulsowa gdy: 1. Pojedynczy biegun znajduje się w początku układu współrzędnych.

2. Podwójny biegun znajduje się w początku układu współrzędnych.

P2. Dla poniższych przypadków podać dwa różne przykłady położeń biegunów elementarnych transmitancji operatorowych i odpowiadających im odpowiedzi impulsowych i zaznaczyć różnice oraz udzielić odpowiedzi na następujące pytania: a) Czy bieguny są stabilne (niestabilne, na granicy stabilności) ?

Jak w zależności od położenia bieguna zmienia się: b) szybkość zanikania (narastania) odpowiedzi impulsowej?

c) amplituda drgań odpowiedzi impulsowej ?

d) okres drgań odpowiedzi impulsowej?

Przypadki te są następujące:

1. Pojedynczy biegun znajduje się w lewej półpłaszczyźnie na osi liczb rzeczywistych.

2. Pojedynczy biegun znajduje się w prawej półpłaszczyźnie na osi liczb rzeczywistych.

3. Para pojedynczych biegunów sprzężonych znajduje się na osi liczb urojonych.

4. Para pojedynczych biegunów sprzężonych znajduje się w lewej półpłaszczyźnie.

5. Para pojedynczych biegunów sprzężonych znajduje się w prawej półpłaszczyźnie.

6. Para podwójnych biegunów sprzężonych znajduje się na osi liczb urojonych.

7. Podwójny biegun znajduje się w lewej półpłaszczyźnie na osi liczb rzeczywistych.

8. Podwójny biegun znajduje się w prawej półpłaszczyźnie na osi liczb rzeczywistych.

9. Para podwójnych biegunów sprzężonych znajduje się w lewej półpłaszczyźnie.

10. Para podwójnych biegunów sprzężonych znajduje się w prawej półpłaszczyźnie.

LITERATURA

1. Tomera M., Transmitancja operatorowa, http://www.am.gdynia.pl/~tomera/teoria_ster.htm.

Ostatnia aktualizacja: 03-10-23

 M. Tomera

4