background image

1

1

L.Morawski

Podstawowe człony 

dynamiczne cz.1

Człony pierwszego rzędu

2

L.Morawski

Człony pierwszego rzędu są to takie człony, 

które opisane są równaniami różniczkowymi 

pierwszego rzędu lub co jest temu 

równoważne, opisane transmitancją, której 

wielomian mianownika jest pierwszego rzędu

background image

2

L.Morawski

3

Podstawowe człony dynamiczne

Człony pierwszego rzędu

Człon proporcjonalny (zerowego rzędu)

U(s)

Y(s)

G(s)

k     

U(s)

Y(s)

G(s)

      

      

U(s)

k

Y(s)

        

     

)

t

(

u

k

)

t

(

y

=

=

=

=

u(t)

y(t)

t

y(t)

u(t)

y(t), u(t)

Odpowiedź jednostkowa

20log|G(j

ω)|

log

ω

log

ω

20logk

ϕ(ω)

Charakterystyki logarytmiczne

L.Morawski

4

Podstawowe człony dynamiczne

Człony pierwszego rzędu

Człon proporcjonalny

k

)

(

P

     

      

k

)

(

jQ

)

(

P

)

s

(

G

)

j

(

G

j

s

=

=

+

=

=

=

ω

ω

ω

ω

ω

Q

P

k

Charakterystyka amplitudowo-fazowa

Przykład:

R

1

R

2

u

1

(t)

u

2

(t)

2

1

1

2

2

1

1

1

R

R

R

k

 

G(s)

 

)

t

(

u

R

R

R

)

t

(

u

+

=

=

+

=

background image

3

L.Morawski

5

Podstawowe człony dynamiczne

Człony pierwszego rzędu

Człon proporcjonalny

Przykład członu proporcjonalnego ze elektronicznym wzmacniaczem operacyjnym

+

v

v

i

v

o

v

Napięcie

wyjściowe

Zasilanie

Napięcia

wejściowe

V

cc

R

i

R

0

Napięcia mierzone są względem masy,

R

i, 

R

o

rezystancja wejściowa i wyjściowa wzmacniacza

)

(

A

o

o

+

ν

ν

=

ν

i

v

=

Wzmocnienie 
wzmacniacza 
operacyjnego

wejście 

nieodwracające

wejście

odwracające

1

10

10

A

6

4

o

>>

÷

=

i

o

R

R

>>

L.Morawski

6

Podstawowe człony dynamiczne

Człony pierwszego rzędu

Człon proporcjonalny

Przykład członu proporcjonalnego ze elektronicznym wzmacniaczem operacyjnym

1

2

i

o

1

i

2

o

1

i

2

o

0

o

R

R

v

v

 

          

          

    

R

v

R

v

        

    

R

v

v

R

v

v

0

i

,

i

    

0,

    v

,

0

v

    

     

)

v

0

(

A

v

=

=

=

=

=

+

+

background image

4

L.Morawski

7

Podstawowe człony dynamiczne

Człony pierwszego rzędu

Człon proporcjonalny

Przykład członu proporcjonalnego ze elektronicznym wzmacniaczem operacyjnym

1

2

1

1

2

2

0

R

R

v

)

R

R

1

(

v

v

+

=

)

R

R

1

(

v

v

1

2

2

0

+

=

L.Morawski

8

Podstawowe człony dynamiczne

Człony pierwszego rzędu

Człon proporcjonalny

Przykład członu proporcjonalnego ze elektronicznym wzmacniaczem operacyjnym

_

+

z

1

z

2

v

i

v

o

1

2

i

o

z

z

v

v

=

kondensator

C

L

indukcyjność

sC

1

1

z

 

s

=

=

=

C

     

sL

z

 

s

=

=

=

L

     

R

z

_

+

R

1

v

1

v

o

R

2

R

n

v

2

v

n

=

=

n

1

i

i

i

z

o

v

R

1

R

v

1

o

z

1

v

  v

   

R

R

R

        

1

n

=

=

=

=

Inwerter (blok zmieniający znak sygn.)

v

1

v

o

-1

Sumator

)

v

v

(

v

R

R

R

R

      

2

n

    

.

np

2

1

o

2

1

z

+

=

=

=

=

=

v

1

v

2

v

o

background image

5

L.Morawski

9

Podstawowe człony dynamiczne

Człony pierwszego rzędu

Człony proporcjonalne mechaniczne

)

s

(

F

l

l

)

s

(

F

    

    

l

F

l

F

2

1

2

1

2

2

1

1

=

=

k

)

s

(

N

D

D

)

s

(

N

D

)

s

(

N

D

)

s

(

N

1

2

1

2

2

2

1

1

=

=

Przekładnia zębata

0

2

0

2

k

)

s

(

H

c

d

Y(s)

 

          

)

h

h

(

d

y

c

+

π

=

π

=

k

L.Morawski

10

Podstawowe człony dynamiczne

Człony pierwszego rzędu

Człony proporcjonalne mechaniczne

)

s

(

P

c

A

)

s

(

Y

)

s

(

P

A

)

s

(

Y

c

x

x

=

=

Siłownik

Kaskada pneumatyczna

R

2

≡x

R

1

Atm  p=0

p

k

-

ciśnienie wyjściowe

p

0

-

ciśnienie powietrza zasilania

)

x

x

(

R

R

k

p

R

R

R

p

p

0

2

1

x

0

2

2

1

0

k

+

=

+

=

k≈20−40 N/mm

3

background image

6

11

L.Morawski

Podstawowe człony dynamiczne

Człony pierwszego rzędu

Człony proporcjonalne mechaniczne

u

u

1

2

y

2

u

1

y

p

k

p

l

s

l

S

p

l

S

p

l

s

p

=

=

=

u

u

y

u

y

p

k

p

s

S

p

S

p

s

p

=

=

=

Wzmacniacze ciśnienia powietrza w wykonaniu: 

a) na równoważni pneumatycznej,                     b) membranowym

12

L.Morawski

Podstawowe człony dynamiczne

Człony pierwszego rzędu

Człony inercyjne

Transmitancja

k - współczynnik wzmocnienia

T – stała czasowa

sT

1

k

)

s

(

U

)

s

(

Y

)

s

(

G

+

=

=

Równanie różniczkowe

)

t

(

ku

)

t

(

y

dt

dy

T

=

+

Przykład: Wyznaczyć odpowiedź na skok jednostkowy członu inercyjnego

( )





=

=

τ

=

=

+

=

+

=

+

=

τ

τ

t

T

1

t

0

T

1

t

0

T

1

e

1

kA

e

T

T

kA

d

e

T

kA

)

t

(

h

 

y(t)

    

    

 

s

T

1

1

T

kA

s

1

)

sT

1

(

s

kA

s

1

A

sT

1

k

)

s

(

H

całkowanie w dziedzinie czasu

at

e

   

    

a

s

1

+

background image

7

13

L.Morawski

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

j

s

T

1

kT

)

(

Q

        

T

1

k

)

(

P

        

T

1

kT

j

T

1

k

T

1

jkT

k

)

T

j

1

(

)

T

j

1

(

T

j

1

k

)

s

(

G

)

j

(

G

ω

+

ω

=

ω

ω

+

=

ω

ω

+

ω

ω

+

=

ω

+

ω

=

ω

ω

ω

+

=

=

ω

ω

=

funkcja parzysta (

ω)

funkcja nieparzysta

4

k

Q

2

k

P

2

2

2

=

+

 −

Człony inercyjne

Charakterystyki amplitudowo-fazowe

0

-k/2

0

Q(

ω)

0

k/2

K

P(

ω)

1/T

0

ω

14

L.Morawski

Człony inercyjne

kA

95

.

0

e

1

e

kA

e

1

kA

)

T

3

(

h

h(t)

kA

63

.

0

e

1

e

kA

e

1

kA

)

T

(

h

h(t)

 

T

kA

e

T

kA

dt

dh(t)

    

     

e

1

kA

)

t

(

h

3

3

T

T

3

T

3

t

T

T

T

t

0

t

T

t

T

t

=





=

=

=





=

=

=

=





=

=

=

=

background image

8

15

L.Morawski

Człony inercyjne

Logarytmiczne charakterystyki amplitudy i fazy (ch-ki Bodego)

20log(k)

20

log

(1/T

)-2

0lo

gω

=arctg(-

ωT)

>>

ω

ω

<<

ω

ω

+

=

ω

+

=

  

T

1

   

dla

   

log

20

T

1

log

20

T

1

   

dla

      

          

0

 

          

     

)

T

(

1

log

20

k

log

20

)

T

(

1

k

log

20

Lm

2

2

)

T

(

arctg

)

(

P

)

(

Q

arctg

)

(

ω

=





ω

ω

=

ω

ϕ

Zera nie ma

Rozkład zer i biegunów:

Bieguny:  ═►

T

1

s

=

j

ω

δ

-1/T

16

L.Morawski

Człony inercyjne

ω

w

p

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

p

w

w

w

w

w

p

R

k

k

         

,

R

L

T

sT

1

k

)

s

(

U

E(s)

      

,

s

R

L

1

R

)

s

(

U

)

s

(

I

)

s

(

sLI

)

s

(

I

R

)

s

(

U

     

),

s

(

I

k

)

s

(

E

dt

di

L

i

R

u

     

i

k

e

=

=

+

=





+

=

+

=

=

+

=

=

Prądnica prądu stałego

Czwórnik LC

R

L

s

1

1

)

s

(

U

)

s

(

U

    

   

)

s

(

U

R

L

s

)

s

(

U

)

s

(

U

 

dt

du

R

L

u

u

    

    

R

u

i

       

,

dt

di

L

u

u

1

2

2

2

1

2

2

1

2

2

1

+

=

+

=

+

=

=

=

background image

9

17

L.Morawski

Człony inercyjne

C

R

2

R

1

+

u

1

u

2

sC

1

C

j

1

z

s

j

c

=

ω

=

=

ω

C

R

T

      

,

R

R

k

C

sR

1

R

R

R

sC

1

R

sC

1

R

Z

Z

)

s

(

U

)

s

(

U

2

1

2

2

1

2

1

2

2

R

C

||

R

1

2

1

2

=

=

+

=

+

=

=

R

C

u

1

u

2

|||

sRC

1

)

s

(

U

sC

1

sC

1

R

)

s

(

U

)

s

(

U

1

1

2

+

=

+

=

p

p

1

2

C

sR

1

1

)

s

(

P

)

s

(

P

+

=

 ]

s

/

[m

   

Q

   

   

[A]

    

i

  

 ]

[N/m

   

p

  

   

[V]

  

u

3

2

]

N

/

m

C

     

   

dt

dp

C

Q

]

[Ns/m

  

-

R

    

    

Q

R

p

5

p

p

5

p

p

=

=

18

L.Morawski

Człony inercyjne

Silnik prądu stałego (obcowzbudny) 

sterowany w obwodzie wirnika

ω

R

e

i

U

w

u

sT

1

k

k

k

RJ

s

1

k

1

)

s

(

U

)

s

(

)

s

(

G

dt

d

k

J

i

    

      

M

M

i

k

M

dt

d

J

M

k

e

          

e

i

R

u

'

1

'

'

'

1

e

'

1

e

'

+

=

+

=

=

ω

=

=

=

ω

=

ω

=

+

=

- moment  bezwładności

- moment  elektryczny

background image

10

19

L.Morawski

Człony inercyjne

(tłumienie wypływu)

S-powierzchnia wypływu
R -zwężka

Zbiornik posiada swobodny wypływ 
Q

s

tłumiony zwężką R. Dla zbiornika 

bilans materiałowy jest następujący:

dt

dH

A

H

K

Q

    

,

dt

dH

A

Q

Q

E

s

E

=

=

(wypływ)

(wysokość)

(dopływ)

(objętość)

H

V

Q

E

Q

S

h

H

0

A (powierzchnia zb.)

H

K

Q

s

=

swobodny wypływ

H

k'

    v

     

2

mv

mgH

2

=

=

H

K

S

v

Q

s

=

=

dla punktu równowagi Q

s0

,  H

0, 

spełniona jest zależność:

E0

E

E

E0

E

0

0

ja

linearyzac

0

0

0

E

Q

q

   

,

q

Q

Q

   

,

H

h

   

,

h

H

H

   

    

0

dt

dH

A

H

K

Q

<<

+

=

<<

+

=

=

=

 

dt

dh

A

H

h

1

H

K

q

Q

  

  

,

dt

)

h

H

(

d

A

h

H

K

q

Q

0

0

E

0

E

0

0

E

0

E

=

+

+

+

=

+

+

sT

1

k

)

s

(

Q

)

s

(

H

  

   

K

H

2

C

      

,

dt

dh

A

h

C

1

-

q

 

   

,

dt

dh

A

H

h

H

2

1

H

K

q

Q

 

E

0

E

0

0

0

E

0

E

+

=

=

=

=

+

A

1

k

  

,

K

H

A

2

T

0

=

=

20

L.Morawski

Człony całkujący 

=

τ

τ

=

τ

τ

=

t

0

t

0

T

1

k

     

d

)

(

u

T

1

d

)

(

u

k

)

t

(

y

s

k

)

s

(

U

)

s

(

Y

)

s

(

G

=

=

Odpowiedź jednostkowa 

t

kA

dt

)

t

(

1

A

k

)

t

(

h

)

t

(

y

t

0

=

=

=

=

τ

τ

δ

=

=

t

0

)

t

(

1

k

d

)

(

k

)

t

(

g

)

t

(

y

Odpowiedź impulsowa

u(t)
h(t)

kAt

A·!(t)

t

u(t)
g(t)

k·!(t)

t

δ(t)

background image

11

21

L.Morawski

Człon całkujący 

0

)

P(

       

),

(

Q

k

j

j

k

)

s

(

G

)

j

(

G

j

s

=

ω

ω

=

ω

=

ω

=

=

ω

ω

=

Charakterystyki amlitudowo-fazowe (Nyguista) 

P(

ω)

Q(

ω)

ω=

ω=0

+

Logarytmiczne charakterystyki amlitudy i fazy

(Bodego) 

(

)

2

)

j

(

G

arg

)

(

          

,

log

20

k

log

20

|

)

G(j

|

20log

    

   

k

j

j

k

)

s

(

G

)

j

(

G

j

s

π

=

ω

=

ω

ϕ

ω

=

=

ω

ω

=

ω

=

=

ω

ω

=

log

ω

log

ω

20log|G|

ϕ(ω)

20logk

-20

logω

ω=1

−π/2

Zera nie ma

Rozkład zer i biegunów:

Bieguny:  ═►

0

s

=

j

ω

δ

s

22

L.Morawski

Człon całkujący 

RC

T

       

RC

1

-

k

 

 

RCs

1

R

sC

1

)

s

(

U

)

s

(

U

)

s

(

G

1

2

=

=

=

=

=

Przykłady członów całkujących

C

R

+

u

1

u

2

sC

1

C

j

1

z

s

j

c

=

ω

=

=

ω

s

k

)

s

(

U

)

s

(

Y

)

s

(

G

=

=

background image

12

23

L.Morawski

Człon całkujący 

τ

τ

ω

=

α

=

=

ω

t

0

)d

(

k

(t)

     

s

k

)

s

(

)

s

(

)

s

(

G

α

Przykładem członu całkującego jest np  licznik odległości, licznik 
obrotów, przekładnia mechaniczna jeśli jako wymuszenie przyjmie się 
prędkość kątową koła ,  wałka napędowego

ω natomiast za wyjście 

wskazania licznika lub kąt położenia wałka przekładni 

ω

α-kąt

24

L.Morawski

Człon całkujący 

A

1

k

       

s

k

)

s

(

Q

)

s

(

H

)

s

(

G

d

)

(

Q

A

1

h

    

     

A

Q

dt

dh

     

    

dt

Q

Adh

we

t

0

we

we

we

=

=

=

τ

τ

=

=

=

Przykłady członów całkujących

Q

we

A-pole powierzchni

h

background image

13

25

L.Morawski

Człon różniczkujący 

Odpowiedź członu na wymuszenie skokowe 

Transmitancja

k - współczynnik wzmocnienia

ks

)

s

(

U

)

s

(

Y

)

s

(

G

=

=

Równanie różniczkowe

dt

du

k

)

t

(

y

=

20logk

1

Charakterystyka Bode’go

2

)

(

     

,

20log

20logk

|

G

|

20log

jk

)

s

(

G

)

j

(

G

 

          

j

s

π

=

ω

ϕ

ω

+

=

ω

=

=

ω

ω

=

Zera:

Rozkład zer i biegunów:

Bieguny: brak

0

s

=

j

ω

δ

s

26

L.Morawski

Człon różniczkujący 

Charakterystyka amplitudowo-fazowa

0

)

P(

    

)

(

Q

jk

)

s

(

G

)

j

(

G

j

s

=

ω

ω

=

ω

=

=

ω

ω

=

P(

ω)

Q(

ω)

ω=0

+

ω→

Przykłady:

C

R

+

u

1

u

2

sC

1

C

j

1

z

s

j

c

=

ω

=

=

ω

-RC

k

 

RCs

sC

1

R

(s)

U

(s)

U

G(s)

1

2

=

=

=

=

Ze względu na złą polaryzację wej.”-” 
wzmac. oraz podatność na zakłócenia o 
dużej częstotliwości układ rzadko jest 
stosowany

background image

14

27

L.Morawski

1. Sprężyna: za wymuszenie przyjmujemy siłę działającą na sprężynę, a za odpowiedź 

prędkość „v” przesuwania się końca sprężyny. 

Człon różniczkujący 

Przykłady idealnego członu różniczkującego:

Stąd otrzymujemy transmitancje operatorową:

gdzie

m

t

-

m

c

u

f

      

dt

du

(t)

         v

d

)

(

v

C

1

f

=

=

τ

τ

=

m

C

- współczynnik sprężystości

Po przekształceniu Laplace’a

)

(

1

)

(

s

V

sC

s

F

m

=

m

sC

s

F

s

V

s

G

=

=

)

(

)

(

)

(

2. Kondensator

sC

)

s

(

U

)

s

(

I

)

s

(

G

     

     

dt

du

C

)

t

(

i

c

c

c

c

=

=

=

C

i

c

u

c

28

L.Morawski

Rzeczywisty człon różniczkujący 

Odpowiedź członu na

wymuszenie skokowe 

Charakterystyka Bode’go

Transmitancja

k - współczynnik wzmocnienia

T – stała czasowa

sT

1

ks

)

s

(

G

+

=

Równanie różniczkowe

dt

dx

k

)

t

(

y

dt

dy

T

=

+

Zera:

Rozkład zer i biegunów:

T

1

s

=

0

s

=

Bieguny:

j

ω

δ

s

-1/T

background image

15

29

L.Morawski

2

2

2

2

T

4

k

Q

T

2

k

P

=

+

 −

Rzeczywisty człon różniczkujący 

Charakterystyka amplitudowo-fazowa (Nyquista)

 

T

1

k

)

(

Q

          

T

1

T

k

)

(

P

T

1

k

j

T

1

T

k

)

T

j

1

(

)

T

j

1

(

)

T

j

1

(

jk

)

s

(

G

)

j

(

G

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

j

s

ω

+

ω

=

ω

ω

+

ω

=

ω

ω

+

ω

+

ω

+

ω

=

ω

ω

+

ω

ω

=

=

ω

ω

=

0

k/2T

0

Q(

ω)

k/T

k/2T

0

P(

ω)

1/T

0

ω

ω=0

ϕ(ω)=45

o

ω=

ω=1/T

k/2T

k/2T

Q(

ω)

P(

ω)

30

L.Morawski

Rzeczywisty człon różniczkujący 

RC

T

        

sT

1

sT

)

s

(

U

)

s

(

U

)

s

(

G

1

2

=

+

=

=

C

R

2

+

u

1

u

2

sC

1

jωω

1

z

s

c

=

=

=

R

1

C

R

T

        

C

R

k

sT

1

ks

C

sR

1

C

sR

sC

1

R

R

)

s

(

G

1

2

1

2

1

2

=

=

+

=

+

=

+

=

background image

16

31

L.Morawski

Rzeczywisty człon różniczkujący 

=

=

dt

dy

dt

du

B

)

t

(

v

B

)

t

(

y

c

v(t) - prędkość tłoczka względem cylindra

c

B

T

      

sT

1

Ts

)

s

(

U

)

s

(

Y

)

s

(

G

dt

du

c

B

y

dt

dy

c

B

     

     

dt

dy

dt

du

B

)

t

(

y

c

=

+

=

=

=

+

=

32

L.Morawski

Człon opóźniający 

τ

=

=

τ

=

s

e

U(s)

Y(s)

G(s)

   

    

)

t

(

u

y(t)

u(t)

y(t)

t

t

τ

Odpowiedź na skok jednostkowy

Przykład:

v

l

    

)

t

(

u

y(t)

=

τ

τ

=

background image

17

33

L.Morawski

Człon opóźniający 

Logarytmiczne charakterystyki amplitudy i fazy

)

-sin(

)

Q(

         

)

cos(

)

P(

)

jsin(

-

)

cos(

 

e

G(s)

)

G(j

j

j

s

ωτ

=

ω

ωτ

=

ω

ωτ

ωτ

=

=

=

=

ω

ωτ

ω

=

ωτ

=

ω

ϕ

=

=

=

)

(

       

0

)

1

log(

20

|

G

|

log

20

Lm

Charakterystyki amplitudowo-fazowe