Politechnika Pozna ńska, Katedra Sterowania i In żynierii Systemów Wykład 2, str. 1

'

$

3.

Charakterystyki logarytmiczne (wykresy Bodego) – c.d.

lg ω

ω

oktawa → ω

b − lg ωa

b

2 = 2ω1 →

= 3,32 lg

(13)

lg 2

ωa

lg ω

ω

dekada → ω

b − lg ωa

b

2 = 10ω1 →

= lg

(14)

lg 10

ωa

Przykład (element inercyjny 1-go rzędu)

|k|

G(jω) = 1 + jωT

|k|

|G(jω)| = √

,

ϕ(ω) = −arctg(ωT ) (k > 0) 1 + ω2T 2

|k|

√

Lm(ω) = 20 lg √

= 20 lg |k| − 20 lg 1 + ω2T 2

1 + ω2T 2



1

dla ω ≪ 1/T

1 + ω2T 2 =

ω2T 2

dla ω ≫ 1/T



1

dla ω < 1/T

1 + ω2T 2 ≈

ω2T 2

dla ω > 1/T



20 lg |k| − 20 lg 1

dla ω < 1/T

Lm(ω) ≈

√

=

20 lg |k| − 20 lg

ω2T 2

dla ω > 1/T



20 lg |k|

dla ω < 1/T

=

20 lg |k| − 20 lg(ωT )

dla ω > 1/T

&

%

Układy regulacji automatycznej http://www2.ar-kari.put.poznan.pl/˜ww

Politechnika Pozna ńska, Katedra Sterowania i In żynierii Systemów Wykład 2, str. 2

'

$

Lm(ω) = Lm1(ω) + Lm2(ω),

Lm1(ω) = 20 lg |k|

(

0

dla ω < 1/T

Lm2(ω) =

−20 lg(ωT ) dla ω > 1/T

−20 lg(ωT ) = −20 lg ω + 20 lg(1/T ) = 0 dla ω = 1/T

Lm( )

w

3 dB

20 lg|k|

Lm ( )

w

|k|>1

1

lg w

w=1/ T

-20 dB/dek

Lm ( )

w

2

j w

( )

lg w

w=1/(10 T)

w=10/ T

w=1/ T

Q(w)

k

P( )

w

-p/4

w

w=1/ T

-p/2

Rys. 10

Lm(10ωx) − Lm(ωx) = 20 lg |k| − 20 lg(10ωxT ) − 20 lg |k|+

ω

dB

dB

+ 20 lg(ω

xT

xT ) = 20 lg

= −20

= −6

10ωxT

dek

okt

ϕ(ω) = −arctg(ωT ) dla k > 0

ϕ(1/T ) = −π/4,

ϕ(0) = 0,

ϕ(∞) → −π/2

∆Lm(ω) = Lmdokl(ω) − Lmasympt(ω)

∆Lm(1/T ) = 20 lg |k| − 20 lg p1 + (T/T )2−

√

− 20 lg |k| + 20 lg(T/T ) = −20 lg 2 = −3,03[dB]

&

%

Układy regulacji automatycznej http://www2.ar-kari.put.poznan.pl/˜ww

Politechnika Pozna ńska, Katedra Sterowania i In żynierii Systemów Wykład 2, str. 3

'

$

0

∆Lm [dB]

−1

−2

−3

1/(10T)

1/(2T)

1/T

2/T

ω [rad/s] 10/T

Rys. 11

1

∆Lm

= −3,03[dB]

T

s

1

T 2

∆Lm

= −20 lg

1 +

+ 0 =

2T

2T

√5

= −20 lg

= −0,97[dB]

2

s

2

2T 2

2T

∆Lm

= −20 lg

1 +

+ 20 lg

=

T

T

T

√

= −20 lg 5 + 20 lg 2 = −0,97[dB]

Zalety charakterystyk logarytmicznych G(jω) = G1(jω)G(jω)G3(jω)

Lm(jω) = Lm1(jω) + Lm2(jω) + Lm3(jω) ϕ(jω) = ϕ1(jω) + ϕ2(jω) + ϕ3(jω)

&

%

Układy regulacji automatycznej http://www2.ar-kari.put.poznan.pl/˜ww

Politechnika Pozna ńska, Katedra Sterowania i In żynierii Systemów Wykład 2, str. 4

'

$

Przykład (element proporcjonalny) G(jω) = k = k + j0

(

0

dla k > 0

Lm(ω) = 20 lg |k|,

ϕ(ω) =

−π dla k < 0

Q(w)

Lm(w)

20 lg |k|

k

lg w

0

P(w)

k>1

j(w)

k>0

lg w

(a)

(b)

Rys. 12

Przykład (element całkujący idealny) k

k

h · i

G(jω) =

= −j ,

k > 0,

k

jω

ω

s

G(j0) → 0 − j∞,

G(j∞) → 0 + j0

Lm(ω) =20 lg k − 20 lg ω,

ϕ(ω) = −π/2

Q(w)

Lm(w)

wg 8

k

lg w

P(w)

-20 dB/dek

j(w)

lg w

wg0

-p/2

(a)

(b)

Rys. 13

&

%

Układy regulacji automatycznej http://www2.ar-kari.put.poznan.pl/˜ww

Politechnika Pozna ńska, Katedra Sterowania i In żynierii Systemów Wykład 2, str. 5

'

$

Przykład (element całkujący rzeczywisty) k

k(−ω2T − jω)

G(jω) =

=

=

jω(1 + jωT )

ω2(1 + ω2T 2)

−kT

−k

=

+ j

,

k > 0

1 + ω2T 2

ω(1 + ω2T 2)

G(j0) → −kT − j∞,

G(j∞) → 0 + j0

k

1

G(jω) = G1(jω) · G1(jω) =

·

,

jω 1 + jωT

Lm(ω) = Lm1(ω) + Lm2(ω),

Lm1(ω) = 20 lg k − 20 lg(ω), (

0,

ω < 1/T

Lm2(ω) = −20 lg(1 + ω2T 2) ≈ −20lg(ωT), ω > 1/T

ϕ(ω) = ϕ1(ω) + ϕ2(ω) = −π/2 − arctg(ωT ) Q(w)

Lm(w)

k

lg w

1/ T

- kT

wg 8

Lm2

-20 dB/dek

P(w)

Lm1

-40 dB/dek

j(w)

lg w

j2

-p/2

j1

-3p/4

wg0

-p

(a)

(b)

Rys. 14

&

%

Układy regulacji automatycznej http://www2.ar-kari.put.poznan.pl/˜ww

Politechnika Pozna ńska, Katedra Sterowania i In żynierii Systemów Wykład 2, str. 6

'

$

4.

Stabilność ci ˛

agłych liniowych układów dynamicznych u(t -

)

-

y(t)

G1(s)

+

6

−

G2(s)

Rys. 15

L

L

G

1(s)

2(s)

1(s) =

,

G

,

M

2(s) =

1(s)

M2(s)

Y (s)

G

G(s) =

=

1(s)

=

(15)

U (s)

1 + G1(s)G2(s)

L

L(s)

=

1(s)M2(s)

=

,

M1(s)M2(s) + L1(s)L2(s)

M (s)

M (s) = 0 − równanie charakterystyczne b

(s − z

G(s) = msm + · · · + b1s + b0 = k 1)(s − z2) . . . (s − zm)

ansn + · · · + a1s + a0

(s − s1)(s − s2) . . . (s − sn) (16)

b

z

m

1, . . . zm − zera transm., s1, . . . sn − bieguny,

k = an

m

k Q (s − zi)

G(s) =

i=1

,

q

(17)

r

Q (s − s Q

j )

[s2 + 2σls + (σ2 + ω2)]

l

l

j=1

l=1

q + 2r = n,

bieguny pojedyncze

"

q

r

#

X

X B

g(t) =

A

l

j esj t +

eσlt sin(ω

(t)

(18)

ω

lt + θl)

1

j=1

l

l=1

Aj, Bl, θl są stałymi zale żnymi od k, zi, sj, σl, ωl

&

%

Układy regulacji automatycznej http://www2.ar-kari.put.poznan.pl/˜ww

Politechnika Pozna ńska, Katedra Sterowania i In żynierii Systemów Wykład 2, str. 7

'

$

Im s

g t

( )

g t

( )

j

Im s

l

sl 1

w l

s <0

Re s

j

Re s

s

s

0

t

j

0

l

0

s

-w l

s <0

l 2

l

0

t

g t

( )

j

Im s

Im s

g t

( )

l

s = j w

l 1

l

Re s

Re s

t

s

s =0

0

j

j

0

t

s =0

0

l

s =- j w

l 2

l

g t

( )

j

Im s

Im s

g t

( )

l

sl 1

w l

Re s

Re s

t

0

s

s

0

j

0

l

s >0

j

-w l

sl 2

s >0

0

l

t

Rys. 16

je żeli biegun sj jest p-krotny, to wtedy:

A

A

L

j

j

−1

=

tp−1esjt (t) (ogranicz. ampl. dla s (s − s

j < 0)

1

j )p

(p − 1)!

(19)

u(t) = A sin(ωlt) (t)

1

&

%

Układy regulacji automatycznej http://www2.ar-kari.put.poznan.pl/˜ww

Politechnika Pozna ńska, Katedra Sterowania i In żynierii Systemów Wykład 2, str. 8

'

$

Przykład

Y (s)

2

G(s) =

=

→

ω

U (s)

(s + 10)(s2 + 16)

l = 4 [rad/s]

u(t) = sin(4t) (t),

y(t) =?

1

omega = 4; % [rad/s]

G = tf(2,conv([1 10],[1 0 16])); t = 0:0.1:60; u = sin(omega*t); y = lsim(G,u,t); plot(t,y)

1.5

0.05

1

0.5

0

ω=4 [rad/s]

0

ω=5 [rad/s]

−0.5

y(t) dla

y(t) dla

−1

−1.5

−0.05

0

10

20

30

40

50

60 t [s]

0

10

20

30

40

50

60

t [s]

Rys. 17

5.

Redukcja rzędu modelu układu dynamicznego k

T

G(s) =

→ h(t) = k 1 − 1e−t/T1 − T2e−t/T2

(t)

(1 + sT

1

1)(1 + sT2)

T1 − T2

s1 = −1/T1, s2 = −1/T2,

zał. T2 ≪ T1 → s2 ≪ s1

k

h(0) = 0, h(∞) = k → hred(t) = k(1 − e−t/T1) (t) → Gred =

1

1 + sT1

Im s

b

a

Re s

zera i bieguny

zera i bieguny

nieznacz¹ce

dominuj¹ce

|b|=(5...10) |a|

Rys. 18

&

%

Układy regulacji automatycznej http://www2.ar-kari.put.poznan.pl/˜ww