background image

 

S.Płaska. Prawa autorskie zastrzeżone. Udostępnione studentom roku akademickiego 2015/2016 

3. Charakterystyki procesów 

 

3.1. Charakterystyki statyczne 

 

 

Charakterystyki  statyczne  otrzymuje  się  eksperymentalnie.  Eksperyment  rozpoczyna  się  od 

wyzerowania  badanego  urządzenia  lub  układu,  tj.  od  przyporządkowania  wartości  przyczynowej  𝑥

𝑜

 

wartości skokowej 𝑦

𝑜

. Wartości 𝑥

𝑜

, 𝑦

𝑜

 są najczęściej wartościami znajdującymi się w środku zakresów 

pomiarowych 𝑥

𝑝

− 𝑥

𝑘

 i 𝑦

𝑝

− 𝑦

𝑘

.  W zakresie pomiarowym wielkości przyczynowej 𝑥

𝑝

− 𝑥

𝑘

 zmienia się 

kolejno  jej  wartość  𝑥

𝑖

  i  po  uzyskaniu  stanu  ustalonego  odczytuje  odpowiednie  wartości  𝑦  wielkości 

skutkowej  𝑦

𝑖

.  Z  otrzymanych  wyników  eksperymentalnych  wykreśla  się  tzw.  charakterystykę 

rzeczywistą.  Dla  układu  liniowego,  z  połączenia  linią  skrajnych  punktów  określających  zakres 

pomiarowy  𝑥  i  𝑦  otrzymuje  się  charakterystykę  teoretyczną.  Charakterystyka  teoretyczna  jest 

odniesieniem  do  obliczania  błędów  nieliniowości  oraz  niejednoznaczności  i  oszacowania  na  tej 

podstawie  klasy  dokładności  statycznej  urządzenia.  Na  wykrycie  niejednoznaczności  badanego 

urządzenia  należy  stosować  przyrządy  pomiarowe  o  odpowiednio  wyższej  klasie  dokładności  od 

badanego  urządzenia.  Otrzymana  eksperymentalnie  charakterystyka  statyczna  urządzenia  o  klasie 

dokładności  (błędzie  względnym)  poniżej  2%  upoważnia  do  traktowania  badanego  urządzenia  lub 

procesu  jako  liniowego,  o  ile  nie  występują  nieliniowości  związane  z  innymi  właściwościami  niż 

statyczne. 

 

Charakterystyka statyczna określa zależność, w stanie ustalonym, sygnału 𝑥 od sygnału 𝑦 – patrz 

rys.3.1. 

 

y

k

y

p

y

charakterystyka
teoretyczna

charakterystyka
rzeczywista

x

p

x

k

x

 

 

Rys.3.1. Poglądowy przebieg charakterystyki statycznej 

 

background image

 

S.Płaska. Prawa autorskie zastrzeżone. Udostępnione studentom roku akademickiego 2015/2016 

 

Dla podanych i stwierdzonych eksperymentalnie właściwości w ogólnym przypadku, dowolny 

liniowy proces o parametrach skupionych opisuje równanie o postaci: 

𝑎

𝑛

𝑑

𝑦

𝑛

𝑑𝑡

𝑛

+ 𝑎

𝑛−1

𝑑

𝑦

𝑛−1

𝑑𝑡

𝑛−1

+ ⋯ + 𝑎

1

𝑑

𝑦

𝑑𝑡

+ 𝑎

𝑜

𝑦 = 𝑏

𝑚

𝑑

𝑥

𝑚

𝑑𝑡

𝑚

+ 𝑏

𝑚−1

𝑑

𝑥

𝑚−1

𝑑𝑡

𝑚−1

+ ⋯ + 𝑏

1

𝑑

𝑥

𝑑𝑡

+ 𝑏

𝑜

𝑥 ,   

(3.1) 

𝑛 ≥ 𝑚 . 

 

Dla zależności statycznej  𝑡 → ∞,    𝑑/𝑑𝑡 → 0 .   Z  zależności (3.1) otrzyma się: 

𝑎

𝑜

𝑦 = 𝑏

𝑜

𝑥 , 

𝑦 =

𝑏

𝑜

𝑎

0

𝑥 , 

𝑦 = 𝑘𝑥 ,  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.2) 

 

𝑘 =

𝑏

𝑜

𝑎

𝑜

   -  wsp. wzmocnienia statycznego (parametr procesu), który zgodnie z rys.3.1 wynosi 𝑘 = (𝑋

𝑘

𝑌

𝑝

)/((𝑥

𝑘

− 𝑦

𝑝

 

Przekształcenie  𝐿  (Laplace’a)  dla  zerowych  warunków  początkowych  (układ  znajduje  się  w  stanie 

równowagi) dla wyrażenia (𝑛 − 1)wyniesie: 

𝑎

𝑛

𝑠

𝑛

𝑌(𝑠) + 𝑎

𝑛−1

𝑠

𝑛−1

𝑌(𝑠) + ⋯ + 𝑎

1

𝑠 𝑌(𝑠) + 𝑎

0

 𝑌(𝑠) = 𝑏

𝑚

𝑠

𝑚

 𝑋(𝑠) + 𝑏

𝑚−1

𝑠

𝑚−1

𝑋(𝑠) + ⋯ +

𝑏

1

𝑠 𝑋(𝑠) + ⋯ + 𝑏

1

𝑠 𝑋(𝑠) + 𝑏

0

𝑋 (𝑠)  ,  

 

 

𝑋(𝑠)[𝑎

𝑛

𝑠

𝑛

+ 𝑎

𝑛−1

𝑠

𝑛−1

+ ⋯ + 𝑎

1

𝑠 + 𝑎

0

] = 𝑋(𝑠)[𝑏

𝑚

𝑠

𝑚

+ 𝑏

𝑚−1

𝑠

𝑚−1

+ ⋯ + 𝑏

1

𝑠 + 𝑏

0

] , 

 

 

𝑌(𝑠)
𝑋(𝑠)

= 𝐺(𝑠) =

𝑏

𝑚

𝑠

𝑚

+𝑏

𝑚−1

𝑠

𝑚−1

+⋯+𝑏

1

𝑠+𝑏

0

𝑎

𝑛

𝑠

𝑛

+𝑎

𝑛−1

𝑠

𝑛−1

+⋯+𝑎

1

𝑠+𝑎

0

 ,      𝑛 > 𝑚 , 

(3.3) 

 

𝐺(𝑠)  –  transmitancja  operatorowa  opisująca  ogólną  postać  procesu  –  jest  to  jedna  z  postaci 

kanonicznych transmitancji. 

 

 

Z podanych zapisów wynika: transmitancja operatorowa układu – jest to stosunek transformaty 

sygnału 

wyjściowego 

𝑌(𝑠) = 𝐿 [𝑦(𝑡)] 

do 

transformaty 

sygnału 

wejściowego  

𝑋(𝑠) = 𝐿 [𝑥(𝑡)], przy czym transformaty zostały obliczone dla zerowych warunków początkowych. 

 

Obliczanie charakterystyki statycznej z transmitancji operatorowej 

background image

 

S.Płaska. Prawa autorskie zastrzeżone. Udostępnione studentom roku akademickiego 2015/2016 

 

Z zależności (3.3) wynika: 

𝐺(𝑠) =

𝑌(𝑠)
𝑋(𝑠)

 

.   

 

 

 

 

 

Wobec czego odpowiedź układu  

𝑌(𝑠) = 𝑋(𝑠) ∙ 𝐺(𝑠) .   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.4) 

 

 

Z  twierdzenia  o  wartości  końcowej  (patrz  przekształcenie  Laplace'a)  wynika,  że  wartość 

statyczna 𝑦

𝑠𝑡

 sygnału wyjściowego 𝑦(𝑡) wynosi: 

𝑦

𝑠𝑡

= lim

𝑡→∞

𝑦(𝑡) = lim

𝑠→∞

𝑠 ∙ 𝑌(𝑠) . 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.5) 

 

Podstawiając za 𝑌(𝑠) zależność (3.4) otrzyma się: 

𝑦

𝑠𝑡

= lim

𝑠→0

𝑠 ∙ 𝑋(𝑠) ∙ 𝐺(𝑠) .   

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.6) 

 

Dla obliczenia 𝑦

𝑠𝑡

należy przyjąć określone wymuszenie 𝑋(𝑠). 

Niech 𝑥(𝑡) zmienia się skokowo o wartość 𝑥

𝑠𝑡

  tj.  

𝑥(𝑡) = 𝑥

𝑠𝑡

 ∙ 1(𝑡) ,   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.7) 

𝑋(𝑠) =

𝑥

𝑠𝑡

 

𝑠

Z tego wynika: 

𝑦

𝑠𝑡

= lim

𝑠→0

 𝑠

𝑥

𝑠𝑡

𝑠

 ∙ 𝐺(𝑠)| : 𝑥

𝑠𝑡

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.8) 

𝑦

𝑠𝑡

𝑥

𝑠𝑡

= 𝐺(𝑠)|

𝑠=0  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.9) 

 

Ostatecznie otrzyma się: 

𝑦

𝑠𝑡

𝑥

𝑠𝑡

=

𝑏

0

𝑎

0

  ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.10) 

background image

 

S.Płaska. Prawa autorskie zastrzeżone. Udostępnione studentom roku akademickiego 2015/2016 

𝑦

𝑠𝑡

=

𝑏

0

𝑎

0

 ∙ 𝑥

𝑠𝑡

= 𝑘 ∙ 𝑥

𝑠𝑡

 . 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.11) 

 

Oznaczenia 𝑥

𝑠𝑡

 i 𝑦

𝑠𝑡

 wprowadzono dla wyraźnego zaznaczenia wartości statycznych. 

 

 

W  podobny  sposób  można  bardzo  łatwo  wyznaczyć  dowolną  zależność  statyczną  między 

wybranymi sygnałami w układzie, po wcześniejszym określeniu stosownej transmitancji operatorowej 

wiążącej rozpatrywane sygnały. 

 
3.2. Charakterystyki dynamiczne czasowe, odpowiedzi układu 
 

Jeżeli dowolny proces lub układ sterowania znajduje się w stanie równowagi i na jego wejście 

wprowadzi się jedno z wymuszeń podanych w tablicy 2.1, nazywanych typowymi, to uzyskany przebieg 

sygnału  wyjściowego  tego  procesu  (układu)  nazywa  się  charakterystyką  dynamiczną  czasową.  Jeżeli 

wymuszenie miało przebieg zgodny z funkcją  impulsową, to otrzymana charakterystyka dynamiczna 

czasowa nazywana jest odpowiedzią impulsową. 

W praktyce najczęściej stosuje się charakterystyki skokowe. Charakterystyki impulsowe w wielu 

przypadkach są trudne do technicznego wykonania, mają bardziej znaczenie teoretyczne i mogą być 

wyznaczone  graficznie  z  charakterystyk  skokowych.  Wyjątek  stanowi  zdejmowanie  charakterystyk 

impulsowych dla układów mechanicznych, np. obracające się (lub nieruchome) wrzeciono obrabiarki. 

Wówczas wymuszenie impulsowe można zrealizować przez lekkie uderzenie elementem metalowym 

we  wrzeciono.  Poszukiwaną  odpowiedzią  są  najczęściej  drgania  rejestrowane  przez  przetwornik 

przyspieszeń umieszczony na obudowie wrzeciona. 

Wymuszenia  liniowo-  lub  parabolicznie  narastające  stosuje  się  m.  innymi  do:  identyfikacji 

właściwości  dynamicznych  procesów,  testów  (np.  test  toksyczności  spalin  w  silnikach  spalinowych) 

tworzenia funkcji sklejanych opisujących wartości zadane w sterowaniu lub do modelowania średnich 

wartości zakłóceń. 

 

Z  definicji  charakterystyki  dynamicznej  czasowej  wynika,  że  jest  to  odpowiedź  układu, 

otrzymana dla zerowych warunków początkowych, na jedno z wymuszeń przedstawionych w tablicy 

2.1.  Określenie  "obliczanie  odpowiedzi  układu"  nawiązuje  do  sensu  fizycznego  zadania 

matematycznego,  które  jest  nazywane  rozwiązaniem  równania  różniczkowego  dla  określonych 

background image

 

S.Płaska. Prawa autorskie zastrzeżone. Udostępnione studentom roku akademickiego 2015/2016 

warunków  początkowych.  Te  ogólnie  określone  "warunki  początkowe"  definiowało  zarówno 

początkowy stan równowagi układu, jak i funkcję opisującą wymuszenie.  

 

W ogólnym przypadku, dowolny jednowymiarowy układ liniowy może to być rozpatrywany jako 

proces,  zamknięty  układ  regulacji  lub  każdy  inny  dowolny  układ,  może  być  opisany  transmitancją 

operatorową 𝐺(𝑠) o pierwszej postaci kanonicznej w sposób: 

𝐺(𝑠) =

𝑏

𝑚

𝑠

𝑚

+𝑏

𝑚1

𝑠

𝑚1

+⋯+𝑏

1

𝑠+𝑏

0

𝑎

𝑛

𝑠

𝑛

+𝑎

𝑛−1

𝑠

𝑛−1

+⋯+𝑎

1

𝑠+𝑎

0

               𝑛 ≥ 𝑚 

. 

 

 

 

 

 

(3.12) 

 

Wobec tego odpowiedź układu, tj. transformata sygnału wyjściowego 𝑌(𝑠) wynosi: 

𝑌(𝑠) = 𝑋(𝑠) 𝐺(𝑠).   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.13) 

 

a oryginał tego sygnału przedstawia się w sposób: 

𝑦(𝑡) = 𝐿

−1

[𝑋(𝑠) 𝐺(𝑠)] . 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.14) 

 

 

W  celu  obliczenia  odpowiedzi  określonego  układu  w  funkcji  czasu  𝑦(𝑡)  -  oryginału  funkcji, 

konieczna  jest  znajomość:  wymuszenia  𝑥(𝑡),  transmitancji  operatorowej  𝐺(𝑠)  oraz  warunków 

początkowych  𝑥(0

+

),  𝑥̇(0

+

), … , 𝑥

(𝑛)

(0

+

),  w  których  znajduje  się  układ  w  chwili  wprowadzania 

wymuszenia 𝑥(𝑡).  

 

Obliczanie odpowiedzi skokowej 

 

 

Rozpatrzona  zostanie  postać  ogólna  odpowiedzi  układ  o  transmitancji  (3.12),  otrzymana  dla 

wymuszenia skokowego: 

𝑥(𝑡) = 𝑥

𝑠𝑡

𝟏(𝑡) ,

𝑋(𝑠) =

𝑥

𝑠𝑡

𝑠

 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.15) 

 

oraz zerowych warunków początkowych. 

 

 

Przypadek  ten  przedstawia  charakterystykę  skokową  układu  o  ogólnej  transmitancji 

operatorowej (3.12). 

 

Zgodnie z zależnością (3.13) otrzyma się: 

background image

 

S.Płaska. Prawa autorskie zastrzeżone. Udostępnione studentom roku akademickiego 2015/2016 

𝑌(𝑠) =

𝑥

𝑠𝑡

𝑠

  

𝑏

𝑚

𝑠

𝑚

+ 𝑏

𝑚−1

𝑠

𝑚−1

+⋯+ 𝑏

1

𝑠+ 𝑏

𝑜

𝑎

𝑛

𝑠

𝑛

+ 𝑎

𝑛−1

𝑠

𝑛−1

+⋯+ 𝑎

1

𝑠+ 𝑎

𝑜

 

,𝑛 ≥ 𝑚 .   

 

 

 

 

 

(3.16) 

 

 

Gdy  𝑏

𝑦

  transmitancja  operatorowa  𝐺(𝑠)  miała  prostą  postać,  np.  byłoby  to  jedne  z 

elementarnych  właściwości,  to  przebieg  𝑦(𝑡)  można  byłoby  odczytać  bezpośrednio  z  tablic 

transformat. W przypadku złożonym jak ten ogólny,  dla posłużenia się tablicami transformat należy 

zależność  (3.16)  rozłożyć  na  ułamki  proste.  Wcześniej  należy  obliczyć  pierwiastki  równania 

charakterystycznego (bieguny układu) rozpatrywanego układu tj.: 

𝑎

𝑛

𝑠

𝑛

+ 𝑎

𝑛−1

𝑠

𝑛−1

+ ⋯ + 𝑎

1

𝑠 + 𝑎

𝑜

= 0 .   

 

 

 

 

 

 

(3.17) 

 

 

Najbardziej  ogólny  przypadek  dotyczy  równania  charakterystycznego,  które  posiada  𝑘 

pierwiastków  jednoktornych  (zarówno  rzeczywistych  jak  i  zespolonych  sprężonych)  oraz  𝑛 − 𝑘 

pierwiastków wielokrotnych, np. o krotnościach 𝑚, 𝑙, itd. Wówczas zależność (3.16) może być zapisana 

w sposób:  

𝑌(𝑠) = 𝑥

𝑠𝑡

(

𝐴

0

𝑠

𝑜

−𝑠

𝑜

+

𝐴

1

𝑠−𝑠

1

+

𝐴

2

𝑠−𝑠

2

+ ⋯ +

𝐴

𝑘

𝑠−𝑠

𝑘

+

𝐵

1

𝑠−𝑠

𝑘+1

+

𝐵

2

(𝑠−𝑠

𝑘+1

)

2

+  … + 

𝐵

𝑚

(𝑠−𝑠

𝑘+𝑚

)

𝑚

+ … ) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.18) 

 

Stałe rozkładu określone są przez zależności: 

𝐴

𝑘

=

𝐿(𝑠

𝑘

)

𝑀′(𝑠

𝑘

)

 

 

 𝑀

(𝑠

𝑘

) =

𝑑𝑀(𝑠)

𝑑𝑠

|

  𝑠 = 𝑠

𝑘

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.19) 

 

lub 

 

𝐴

𝑘

=

𝐿(𝑠) (𝑠−𝑠

𝑘

)

𝑀(𝑠)

|

  𝑠 = 𝑠

𝑘

  

𝐿(𝑠) = 𝑏

𝑚

𝑠

𝑚

+ 𝑏

𝑚−1

𝑠

𝑚−1

+ ⋯ + 𝑏

1𝑠

+ 𝑏

𝑜

 , 

 

 

 

 

 

 

(3.20) 

 

𝑀(𝑠) = 𝑎

𝑛

𝑠

𝑛

+ 𝑎

𝑛−1

𝑠

𝑛−1

  +   . ..  𝑎

1

𝑠 + 𝑎

𝑜

  

 

 

 

 

 

 

background image

 

S.Płaska. Prawa autorskie zastrzeżone. Udostępnione studentom roku akademickiego 2015/2016 

𝐵

𝑚

=

𝐿 (𝑠) (𝑠−𝑠

𝑘+1

)

𝑚

 |

𝑠 = 𝑠

𝑘+1

  , 

𝐵

𝑚−1

=

𝑑

𝑑𝑠

 [

𝐿 (𝑠) (𝑠−𝑠

𝑘+1

)

𝑚

𝑀(𝑠)

 |

𝑠 = 𝑠

𝑘+1

  , 

 

 

 

 

 

 

 

(3.21) 

𝐵

𝑚−2

=

1
2

 

𝑑

𝑑𝑠

 [

𝐿(𝑠) (𝑠−𝑠

𝑘+1

)

𝑚

𝑀(𝑠)

 |

𝑠 = 𝑠

𝑘+1

 ,  

𝐵

𝑚−𝑖

=

1

𝑖 !

 

𝑑

𝑖

𝑑𝑠

𝑖

 [

𝐿(𝑠) (𝑠−𝑠

𝑘+1

)

𝑚

𝑀(𝑠)

 |

𝑠 = 𝑠

𝑘+1

  ,  

  

gdzie: 

𝑠

𝑜

= 0, 

𝑠

1

,  𝑠

2

, … ,  𝑠

𝑘

  -    pierwiastki  jednokrotne  𝑠

0

≠ 𝑠

1

≠ 𝑠

2

≠ 𝑠

3

≠ ⋯   ≠ 𝑠

𝑘

≠ 𝑠

𝑘+1

≠ 𝑠

𝑘+𝑛

,  zarówno 

rzeczywiste jak i zespolone,  

𝑠

𝑘+1

,  𝑠

𝑘+2

,  𝑠

𝑘+3

  -   przykładowo pierwiastki trzykrotne: 𝑚 = 3, 𝑠

𝑘+1

= 𝑠

𝑘+2

= 𝑠

𝑘+3

𝑠

𝑘+4

,  𝑠

𝑘+5

   -   przykładowo pierwiastki dwukrotne: 𝑙 = 2, 𝑠

𝑘+4

= 𝑠

𝑘+5

 

Podany  przykład  możliwych  kombinacji  pierwiastków  oznacza,  że  𝑛 = 𝑘 + 𝑚 + 𝑙.  Z  tablic 

transformat  można  odczytać  oryginały  funkcji  odpowiadające  transformatom  występującym  w 

zależności (3.18) i wynoszą one: 

𝑦(𝑡) = 𝑥

𝑠𝑡

(𝐴

0

+ 𝐴

1

𝑒̅

𝑠

1

∙𝑡

+ 𝐴

2

𝑒̅

𝑠

2

∙𝑡

+ ⋯ + 𝐴

𝑘

𝑒̅

𝑠

𝑘

∙𝑡

+ 𝐵

1

𝑒̅

𝑠

𝑘+1

∙𝑡

+ 𝐵

2

𝑡 𝑒̅

𝑠

𝑘+1

∙𝑡

+ ⋯ +

                           𝐵

𝑚

∙ 𝑡

𝑚

𝑒̅

𝑠

𝑘+1

∙𝑡

+ ⋯ ).  

 

 

 

 

 

 

 

(3.22) 

 

 

W  przypadku,  gdyby  pierwiastki  𝑠

1

,  𝑠

2

, … ,  𝑠

𝑘

  były  rzeczywiste,  to  byłby  koniec  obliczeń. 

Natomiast jeżeli występują pierwiastki zespolone sprężone, to należy pozbyć się z dziedziny czasu (z 

równania  3.22)  jednostek  urojonych.  Dla  przybliżenia  problemu  pokazany  zostanie  dalszy  tok 

postępowania dla przypadku gdy 𝑘 = 5, 𝑚 = 3, 𝑙 = 2; pierwiastki pojedyncze wynoszą: 

𝑠

1,2

= −𝛼

1,1

± 𝑗𝛽

1,2

𝑠

3,4

= −𝛼

3,4

± 𝑗𝛽

3,4

𝑠

5

= −𝑝

}   . 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.23) 

 

background image

 

S.Płaska. Prawa autorskie zastrzeżone. Udostępnione studentom roku akademickiego 2015/2016 

Niech  rozpatrywane  pierwiastki  równania  charakterystycznego  układu  (3.12)  posiadają  wartości 

pokazane poglądowo na rys.3.2. 

 

 

m

=

o1

n1



1,2



3,4

R =

e

s=s+j

 

1

o(1)

=

 

3

o(3)

=

 

2

o(2)

=

1-

1

2

1-

3

2

1-

2

2

 

4

0(4)

=

1-

4

2

 

1

o(1)

=

 

 

2

o(2)

=

 

s

1

s

3

s

5

s

7

s

6

s

8

s

10

s

4

s

2

-p

s

9

 

 

Rys.3.2. Przykładowe położenie pierwiastków (𝑠

1

≠ 𝑠

2

≠ 𝑠

3

≠ 𝑠

4

≠ 𝑠

5

≠ 𝑠

6

≠ 𝑠

9

, 𝑠

7

= 𝑠

8

, 𝑠

9

= 𝑠

10

,

𝑛 = 10, 𝑘 = 5, 𝑚 = 3, 𝑙 = 2) układu (3.12) na płaszczyźnie zespolonej 𝑠 = 𝜎 + 𝑗𝜔 

 

 

W  zależności  (3.23)  w  rozpatrywanym  przykładzie  pierwiastki  𝑠

1

  i  𝑠

2

  oraz  𝑠

3

  i  𝑠

4

  są  parami 

zespolone sprężone. Po podstawieniu ich wartości wg (3.23) w zależności (3.22) pojawią się jednostki 

urojone. Również współczynniki 𝐴

1

 i 𝐴

2

 oraz 𝐴

3

 i 𝐴

4

 będą zawierały jednostki urojone. 

 

Rozpatrzone  zostaną  tylko  pierwiastki  𝑠

1

  i  𝑠

2

.  Dla  wyeliminowania  jednostek  urojonych 

wykorzystany zostanie wzór Eulera. Do zależności (3.22) należy podstawić wartości pierwiastków (3.23) 

oraz zapisać liczby 𝐴

1

 i 𝐴

2

 oraz 𝐴

3

 i 𝐴

4

 w postaci wykładniczej. Ze względu na ujemne części rzeczywiste 

pierwiastków 𝑠

1

 i 𝑠

2

 oraz 𝑠

3

 i 𝑠

4

 obliczane z nich współczynniki 𝐴

1

 i 𝐴

2

 oraz 𝐴

3

 i 𝐴

4

 przyjmą wartości 

przedstawione poglądowo na rys.3.3. 

 

background image

 

S.Płaska. Prawa autorskie zastrzeżone. Udostępnione studentom roku akademickiego 2015/2016 

J

m 1

A

J

m



- A

R

e

1

- A

R

e

2

Re

A

1

A

2

J

m 2

A

 

 

Rys.3.3. Położenie liczb 𝐴

1

 i 𝐴

2

 na płaszczyźnie zespolonej 

 

gdzie: 

𝐴

1

= |𝐴

1

| 𝑒

𝑗𝜑

1

 ,

𝐴

2

= |𝐴

2

| 𝑒̅

𝑗𝜑

2

 ,

|𝐴

1

| = |𝐴

2

| = √(𝑅

𝑒

𝐴

1

)

2

+ (𝐼

𝑚

𝐴

1

)

2

= |𝐴

1,2

| ,

𝑅

𝑒

𝐴

1

= −𝑅

𝑒

𝐴

,

𝐼

𝑚

𝐴

1

= −𝐼

𝑚

𝐴

,

|𝜑

1

| = |𝜑

2

| = 𝜑

1,2 ,

𝜑

1

= −𝜑

.

}

 

 

 

 

 

 

     

 

 

 

 

 

(3.24) 

 

 

Otrzyma się: 

𝐴

1

𝑒̅

𝑠

1

𝑡

+ 𝐴

2

𝑒̅

𝑠

2

𝑡

= |𝐴

1,2

| 𝑒

𝑗𝜑

1,2

𝑒

(−𝛼

1,2

+𝑗𝛽

1,2

) 𝑡

+ |𝐴

1,2

| 𝑒̅

𝑗𝜑

1,2

𝑒

(−𝛼

1,2

−𝑗𝛽

1,2

)𝑡

=

|𝐴

1,2

| 𝑒̅

𝛼

1,2

𝑡

(𝑒

𝑗𝜑

1,2

𝑒

𝑗𝛽

1,2

𝑡

+ 𝑒

−𝑗𝜑

1,2

𝑒

−𝑗𝛽

1,2

𝑡

) = |𝐴

1,2

| 𝑒̅

𝛼

1,2

𝑡

(𝑒

𝑗 (𝛽

1,2

𝑡+𝜑

1,2

+ 𝑒̅

𝑗(𝛽

1,2

𝑡+𝜑

1,2)

) =

0,5 |𝐴

1,2

| 𝑒̅

𝛼

1,2

cos (𝛽

1,2

𝑡 + 𝜑

1,2

) .   

 

 

 

 

 

 

 

(3.25) 

 

𝑒

𝑗(𝛽

1,2

𝑡+𝜑

1,2

)

+ 𝑒̅

𝑗 (𝛽

1,2

𝑡+𝜑

1,2

)

= 0,5 cos(𝛽

1,2

𝑡 + 𝜑

1,2

) . 

 

 

 

 

 

(3.26) 

 

Podobny wynik otrzyma się dla liczb 𝑠

3

 i 𝑠

4

 oraz 𝐴

3

 i 𝐴

4

.  

 

 

Ze względu na sens fizyczny, wynikający z właściwości oscylacyjnych elementarnych procesów, 

przyjęte wcześniej w zależnościach (3.23), oznaczenia zastąpione zostaną w sposób: 

background image

 

S.Płaska. Prawa autorskie zastrzeżone. Udostępnione studentom roku akademickiego 2015/2016 

10 

 

𝛼

1,2

= 𝜎

1,2

= 𝜉

1

𝜔

0(1)

𝛽

1,2

= 𝜔

1,2

= 𝜔

0(1)

√1 − 𝜉

1

2

𝛼

3,4

= 𝜎

3,4

= 𝜉

2

𝜔

0(2)

𝛽

3,4

= 𝜔

3,4

= 𝜔

0(2)

√1 − 𝜉

2

2

}

 

 

 

 

 .   

 

 

 

 

 

 

 

(3.27) 

 

 

gdzie: 

𝜉

1

, 𝜉

2

 – tłumienia względne 0 < 𝜉 ≤ 1, 

𝜔

0(1)

, 𝜔

0(2)

 – częstości drgań własnych (naturalne). 

 

Ostatecznie zależność (3.22), dla przyjętych przykładowo pierwiastków układu (3.12) i oznaczeń (3.27), 

przyjmuje postać: 

𝑦(𝑡) = 𝑥

𝑠𝑡

[𝐴

0

+ 0,5 |𝐴

1,2

|𝑒̅

𝜉

1

𝜔

𝑜(1)

𝑡

cos (𝜔

0(1)

√1 − 𝜉

1

2

𝑡 + 𝜑

1,2

) + 0,5 |𝐴

3,4

| ∙

𝑒̅

𝜉

2

𝜔

0(1)

𝑡

cos (𝜔

0(2)

√1 − 𝜉

2

2

𝑡 + 𝜑

3,4

) + 𝐴

5

𝑒̅

𝑠

5

𝑡

+ 𝐵

1

𝑒̅

𝑠

6

𝑡

+ 𝑡 ∙ 𝐵

2

𝑒̅

𝑠

7

𝑡

+ 𝑡

2

𝐵

3

𝑒̅

𝑠

8

𝑡

+ 𝐶

1

𝑒̅

𝑠

9

𝑡

+ 𝐶

2

𝑒̅

𝑠

10

𝑡

 ].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.28) 

 

Stałe   𝐴

𝑘

,  𝐵

𝑚

   i   𝐶

𝑙

   (𝑘=1,2,…,5, 𝑚=1,2,3;   𝑙 =1,2   oblicza się z zależności (3.20) i (3.22). 

 

 

Otrzymana  odpowiedź  układu,  w  postaci  ogólnej,  składa  się  z  następujących  funkcji 

elementarnych:  przebiegu  skokowego  o  wartości  𝐴

0

,  6.  zanikających  funkcji  wykładniczych  (stałe 

𝐴

5

,  𝐵

1

, 𝐵

2

,  𝐵

3

, 𝐶

1

  i  𝐶

2

  będą  miały  znaki  ujemne)  oraz  dwóch  wykładniczo-malejących  funkcji 

harmonicznych  o  częstościach  tłumionych  𝜔

1

  i  𝜔

2

    (𝜔

1

= 𝜔

0(1)

√1 − 𝜉

1

2

,      𝜔

2

= 𝜔

0(1)

√1 − 𝜉

2

2

powstałych  z  pierwiastków  zespolonych  sprzężonych  𝑠

1

  i  𝑠

2

  oraz  𝑠

3

  i  𝑠

4

.    Zależność  (3.28)  można 

również przedstawić z użyciem funkcji sinus, jeżeli kąty rozwarte 𝜓

1,2

= 90° + 𝜓

1,2

 i 𝜓

3,4

= 90° + 𝜓

3,4

 

zastąpi się kątami ostrymi 𝜓

1,2

 i 𝜓

3,4

. Części rzeczywiste pierwiastków równania charakterystycznego 

w rozpatrywanym przypadku mają wartości ujemne o różnych wartościach; są wykładnikami funkcji 

wykładniczych.  Prędkość  zanikania  (w  funkcji  czasu)  funkcji  wykładniczych  zależy  od  wartości 

wspomnianych części rzeczywistych pierwiastków. Duże wartości powodują szybkie zanikanie, a małe 

wartości  wolne  zanikanie.  Najbardziej  znaczący  (widoczny)  w  przebiegu  𝑦(𝑡)  będzie  wpływ  części 

rzeczywistych  pierwiastków  leżących  najbliżej  osi  urojonej  (patrz  rys.3.2)  tj.  𝛼

1,2

  i  ewentualnie  𝛼

3,4

Wpływ pierwiastków 𝑠

10

, 𝑠

9

, 𝑠

8

, 𝑠

7

, 𝑠

6

 i 𝑠

5

 na 𝑦(𝑡) w praktyce może nie być widoczny. Pierwiastki te 

background image

 

S.Płaska. Prawa autorskie zastrzeżone. Udostępnione studentom roku akademickiego 2015/2016 

11 

mogą w niewielkim stopniu zniekształcić początkowy przebieg  funkcji 𝑦(𝑡), szczególnie gdy wartość 

pierwiastka |𝑠

5

| jest co najmniej dwukrotnie większa od wartości [𝛼

3,4

] i mogą być pominięte. 

𝑦(𝑡) ≈ 𝑥

𝑠𝑡

[𝐴

0

+ 0,5 |𝐴

1,2

|𝑒̅

𝜉

1

𝜔

𝑜(1)

𝑡

cos(𝜔𝑡 + 𝜑

1,2

) + 0,5 |𝐴

3,4

| 𝑒̅

𝜉

2

𝜔

0(2)

𝑡

cos(𝜔

2

𝑡 + 𝜑

3,4

)]  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.29) 

 

Jeżeli [𝛼

3,4

]  jest ponad dwukrotnie większa od [𝛼

1,2

], to zależność (3.29) może być uproszczona do 

postaci zawierającej współczynnik 𝐴

0

 oraz człon ze współczynnikiem |𝐴

1,2

|.  

 

Przedstawione rozwiązanie 𝑦(𝑡) można uogólnić następująco: 

 

Rozwiązania  składają  się  z  sum  wykładniczych,  co  wynika  z  teorii  równań  różniczkowych. 

Funkcje wykładnicze o postaci 𝑒

𝑠

𝑖

𝑡

, 𝑖 = 1,2, ..  , 𝑘 nazywają się modami układu. 

 

Przypadek  pierwiastka  wielokrotnego  daje  wyrażenia  reprezentujące  mody  o  postaci 

𝑒

𝑠

𝑖

𝑡

, 𝑡𝑒

𝑠

𝑖

𝑡

,

𝑡

2

𝑒

𝑠𝑖𝑡

2!

, … ,

𝑡

𝑚−1

𝑒

𝑠𝑖𝑡

(𝑚−1)!

  ,

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.30) 

 

gdzie: 

𝑚 – jest krotnością pierwiastka. 

 

 

Para biegunów zespolonych sprężonych: 

𝑠

𝑖

= −𝜎 + 𝑗𝜔 ,   

𝑠

𝑖+1

= −𝜎 − 𝑗𝜔 ,  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.31) 

 

dla  𝜎  –  rzeczywiste  i  𝜔  –  rzeczywiste  i  niezerowe,  prowadzi  do  postaci  modu  oscylacyjnego 

𝑒̅

𝜎𝑡

sin (𝜔𝑡 + 𝜑),  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.32) 

 

gdzie: 

𝜑 – kąt fazowy 

𝜎 = 𝜉𝜔

0

  - równoważna stała czasowa.  

 

 

 

 

 

 

 

(3.33) 

 

 

Przestawionej w ogólnym rozwiązaniu odpowiedzi układu, rozkład transmitancji operatorowej 

(3.16)  na  ułamki  proste  (3.18),  posiada  interesującą  interpretację.  Występująca  w  (3.18)  suma 

ułamków prostych transmitancji operatorowej (3.16) o postaci: 

𝐺(𝑠) =

𝐿(𝑠)

𝑀(𝑠)

=

𝐴

1

𝑠−𝑠

1

+

𝐴

2

𝑠−𝑠

2

+ ⋯   ,

𝐴

𝑘

𝑠−𝑠

𝑘

    

 

 

 

 

 

 

(3.34) 

background image

 

S.Płaska. Prawa autorskie zastrzeżone. Udostępnione studentom roku akademickiego 2015/2016 

12 

 

jest  sumą  równań  pierwszego  rzędu,  o  wyjściach  z  elementów  całkujących,  które  są  współrzędnymi 

stanu tego układu.  

 

 

Stałe  rozkładu  (współczynniki)  𝐴

1

, 𝐴

2

, … , 𝐴

𝑘

  nazywają  się  residuami  rozpatrywanej 

transmitancji 𝐺(𝑠) w punktach 𝑠

1

, 𝑠

2

, …  , 𝑠

𝑘

 

Dalej zostaną przedstawione formy graficzne zapisu (3.34). 

 

Odpowiedź impulsowa 

 

Dla przypadku ogólnego charakterystyki impulsowej układu, otrzymuje się: 

𝑥(0

+

) = 0,  𝑥(𝑡) = 𝛿(𝑡), 

 𝑥̇(0

+

) = 0,  𝑋(𝑠) = 1, 

⋮  

(𝑛)

𝑋

(0

+

) = 0. 

 

𝑌(𝑠) =  

𝑏

𝑛

𝑠

𝑛

+𝑏

𝑛−1

 𝑠

𝑛−1

+ ⋯ 𝑏

1

𝑠+𝑏

0

𝑎

𝑚

𝑠

𝑚

+𝑎

𝑚−1 

𝑠

𝑚−1

+ ⋯ 𝑎

1

𝑠+𝑎

0

=

𝐿(𝑠)

𝑀(𝑠)

 ,

 

 

 

𝑚 ≥ 𝑛 . 

 

gdzie: 

𝐿(𝑠)  -   licznik transmitancji operatorowej układu 𝐺(𝑠), 

𝑀(𝑠)  -   mianownik transmitancji operatorowej 𝐺(𝑠), 

𝑀(𝑠) = 0  -  równanie charakterystyczne rozpatrywanego układu rzędu „𝑚”. 

 

 

Ponieważ  równanie  𝑀(𝑠) = 0  jest  „𝑛”-tego  rzędu,  to  posiada  𝑛  wartości  własnych 

(pierwiastków). Wartości własne 𝑠

1

, 𝑠

2

, …  , 𝑠

𝑛

 równania charakterystycznego układu opisanego przez 

transmitancję operatorową 𝐺(𝑠), o czym już była mowa, nazywają się biegunami. 

Licznik 𝐿(𝑠) transmitancji operatorowej 𝐺(𝑠) przyrównamy do zera: 

𝐿(𝑠) = 0, 

background image

 

S.Płaska. Prawa autorskie zastrzeżone. Udostępnione studentom roku akademickiego 2015/2016 

13 

posiada  rząd  𝑚  (𝑚 ≤ 𝑛).  Wartości  własne  𝑠

1

0

, 𝑠

2

0

, . ..  𝑠

𝑛

0

  tak    utworzonego  równania  nazywają  się 

zerami  transmitancji  operatorowej.  Bieguny  𝑠

1

, 𝑠

2

, … , 𝑠

𝑛

  oraz  zera  𝑠

1

0

, 𝑠

2

0

, . ..  𝑠

𝑚

0

  transmitancji 

operatorowej  mogą  posiadać  różne  kombinacje  wartości:  mogą  to  być  wartości  pojedyncze  i 

wielokrotne,  rzeczywiste  lub  zespolone  (zespolone  występują  parami  jako  sprzężone  ze  sobą).  Dla 

przejrzystości  wygodnie  jest  zarówno  bieguny  jak  i  zera  transmitancji  operatorowej  przedstawić 

graficznie na płaszczyźnie zespolonej (patrz rys.3.2). 

 

Ogólną  zależność  obliczanej  odpowiedzi  impulsowej  układu  można  przedstawić  w  sposób 

zawierający postać kanoniczną transmitancji operatorowej 𝐺(𝑠) następująco: 

𝑌(𝑠) =  1 ∙ 𝑘 

Π (1+𝑇

𝑗

𝑠)  Π [1 + 2𝜉

𝑗

(𝑇

𝑗

𝑠) + (𝑇

𝑗

𝑠)

2

]

𝑆

𝑁

+Π (1+𝑇

𝑖

𝑠)  Π [1 + 2𝜉

𝑖

(𝑇

𝑖

𝑠) + (𝑇

𝑖

𝑠)

2

]

   , 

 

gdzie: 

𝑘   −  wzmocnienie statyczne układu, 

𝑇

𝑖

, 𝑇

𝑗

  -  są to stałe czasowe, 

𝜉

𝑖

, 𝜉

𝑗

 -  współczynniki tłumienia (𝜉 < 1), 

𝑁  -  liczba biegunów w początku układu współrzędnych (𝑠

𝑖

=0), 

𝑇

𝑗

= − 1 𝑠

𝑗

0

⁄  dla 𝑚′ zer rzeczywistych, 

𝑇

𝑖

= − 1 𝑠

𝑖

⁄  dla 𝑛′ biegunów rzeczywistych, 

𝑇

𝑗

2

= 1(𝛼

𝑗

2

+ 𝛽

𝑗

2

) =

1

𝜔

𝑗

2

 dla 𝑚 − 𝑚′ zer zespolonych sprzężonych, 

𝑇

𝑖

2

= 1(𝛼

𝑖

2

+ 𝛽

𝑖

2

) =

1

𝜔

𝑖

2

 dla 𝑛 − 𝑛′ biegunów zespolonych sprzężonych, 

𝑘 = 𝐾 (

Π

1

m

 T

j

Π

1

𝑛

 T

i

), 

𝜉

𝑗

=

𝑎

𝑗

√𝛼

𝑗

2

+ 𝛽

𝑗

2

 dla 𝑚 − 𝑚′ zer zespolonych sprzężonych, 

𝜉

𝑖

= 𝑎

𝑖

√𝛼

𝑖

2

+ 𝛽

𝑖

2

 dla 𝑛 − 𝑛′ biegunów zespolonych sprzężonych, 

 

Kształt  odpowiedzi  impulsowej  𝑦(𝑡)  układu  zależy  od  położenia  wartości  własnych 

𝑠

𝑖

 (biegunów) na płaszczyźnie zespolonej. Każda "para" wartości własnych zespolonych sprzężonych 

background image

 

S.Płaska. Prawa autorskie zastrzeżone. Udostępnione studentom roku akademickiego 2015/2016 

14 

daje  w  wyniku  jedną  odpowiedź  impulsową  oscylacyjną  (patrz  obliczanie  odpowiedzi  skokowej), 

narysowaną  dwukrotnie  na  rys.3.4-  przy  każdym  punkcie  oddzielnie.  Jeżeli  rozważany  pierwiastek 

(biegun)  pojawia  się  w  równaniu  charakterystycznym  z  krotnością  𝑘,  to  wówczas  należy  pomnożyć 

odpowiedź przez (𝑡𝑘/𝑘!). 

 

 

Re=

Płaszczyzna
s=

j

 

I

m=

     

0

0

0

cos



 



o

P

P

 

 

Rys.3.4.  Odpowiedzi  impulsowe  układu  w  zależności  od  położenia  pierwiastka  (bieguna)  na 

płaszczyźnie zespolonej 𝑠 (obok każdego 𝒙 przedstawiono przebieg odpowiedzi impulsowej) 

 

Przykładowo,  para  pierwiastków  (biegunów)  zespolonych  sprzężonych  (to  układ  II  rzędu,  tj. 

 𝑛 = 2) jest położona w punktach 𝑃 i 𝑃' na rys. 3.4, mających część rzeczywistą −𝛼 = −𝜉𝜔

𝑜

 i część 

urojoną ±𝛽 = 𝜔

𝑜

√1 − 𝜉

2

. Przeciwprostokątna 𝑂𝑃 trójkąta 𝑂𝐴𝑃 równa się 𝜔

0

 i jest to nietłumiona 

część własna odpowiedzi. Kąt 𝐴𝑂𝑃 wynosi: 

Θ = −𝑎𝑟𝑐 cos 𝜉. 

 

Wnioski wynikające z rys. 3.4. 

background image

 

S.Płaska. Prawa autorskie zastrzeżone. Udostępnione studentom roku akademickiego 2015/2016 

15 

 

1.  Wszystkie  wartości  własne,  o  dowolnej  krotności,  leżące  w  lewej  półpłaszczyźnie,  prowadzą  do 

odpowiedzi, które zanikają w czasie. Im dalej od osi urojonej leżą one w lewej półpłaszczyźnie, tym 

szybciej  zanikają  odpowiedzi.  Stała  czasowa  odpowiedzi,  lub  obwiedni  odpowiedzi,  równa  się 

odwrotności  części  rzeczywistej  wartości  własnej  ze  znakiem  ujemnym.  Zatem  wszystkie  wartości 

własne leżące wzdłuż danej prostej do osi rzeczywistej mają tę samą stałą czasową. 

 

2.  Wszystkie  wartości  własne  pojedyncze,  leżące  na  osi  urojonej,  prowadzą  do  odpowiedzi  o  stałej 

amplitudzie (tj. na granicy stabilności). Dla krotności większej niż jeden, odpowiedź rośnie z czasem i 

nie jest stabilna. 

 

3.  Wszystkie  wartości  własne  w  prawej  półpłaszczyźnie,  prowadzą  do  odpowiedzi  rosnącej 

nieograniczonej i wskazują zatem na to, że rozpatrywane układy są niestabilne. 

 

4.  Wszystkie  wartości  własne,  leżące  wzdłuż  tej  samej  linii  poziomej  mają  taką  samą  częstotliwość 

oscylacji tłumionych 𝐵 = 𝜔

0

√1 − 𝜉

2

, pojawiającą się w odpowiedzi. Im dalej od osi rzeczywistej leżą 

wartości własne, tym większe są częstotliwości odpowiedzi. 

 

5. Wszystkie wartości własne leżące wzdłuż tego samego promienia wychodzącego z początku układu 

współrzędnych  mają  ten  sam  współczynnik  tłumienia.  Wszystkie  takie  wartości  własne  będą  zatem 

wskazywać  na  to,  że  stosunek  dwu  kolejnych  amplitud  odpowiedzi  oscylacyjnej  jest  stały.  Z  drugiej 

strony wszystkie takie wartości własne będą dawać w wyniku tę samą całkowitą liczbę  oscylacji zanim 

odpowiedź wygaśnie. 

 

6. W przypadku układu wyższego rzędu można stosować superpozycję i odpowiedź impulsowa równa 

się wtedy sumie poszczególnych odpowiedzi zaznaczonych na rys. 4.4. Aby móc powiedzieć, że układ 

ma dominującą odpowiedź drugiego rzędu, rozmieszczenie wartości własnych musi być następująca: 

dwie wartości własne zespolone sprzężone muszą leżeć stosunkowo blisko osi urojonej, podczas gdy 

wszystkie pozostałe muszą leżeć daleko w lewej półpłaszczyźnie. Im dalsza jest ta separacja, tym lepsza 

jest aproksymacja odpowiedzi układu przez dominującą odpowiedź drugiego rzędu. 

 

background image

 

S.Płaska. Prawa autorskie zastrzeżone. Udostępnione studentom roku akademickiego 2015/2016 

16 

Z przedstawionej analizy wynika, że jest możliwe przewidywanie przemieszczania się wartości 

własnych układu w funkcji głównych parametrów. Określone położenie wartości własnych układu, to 

ściśle  odpowiadający  temu  przebieg  czasowy  odpowiedzi  układu,  z  którego  wynikają  określone 

wskaźniki  jakości.  Na  tej  podstawie  powstała  graficzna  metoda  konstruowania  wykresu  miejsc 

geometrycznych  wartości  własnych  układu  (metoda  projektowania  układu)  opracowana  przez  W.R. 

Evansa [Evans, W.R. Control System Dynamics. New York: McGraw-Hill, 1953]. 

 

3.3. Charakterystyki dynamiczne częstotliwościowe 

 

 

Charakterystyki dynamiczne częstotliwościowe są elementem tzw. analizy częstotliwościowej 

sygnałów, której ogólne podstawy przedstawione zostały w punkcie „Opis matematyczny sygnałów”, 

w szczególności w opisie sygnału okresowego w szeregu Fouriera. 

 

Charakterystyki częstotliwościowe należą do grupy dynamicznych. Określają zachowanie układu 

w  sinusoidalnym  stanie  ustalonym.  Jeżeli  na  wejście  układu  liniowego  i  stacjonarnego  zostanie 

wprowadzony  sygnał  sinusoidalny,  to  po  wygaśnięciu  stanów  przejściowych  na  wyjściu  pojawi  się 

również sygnał sinusoidalny o tej samej częstotliwości. W ogólnym przypadku sygnał wyjściowy będzie 

posiadał inną amplitudę niż sygnał wejściowy i będzie opóźniony w fazie. Układ można w zupełności 

opisać wykorzystując podane zachowanie, a mianowicie przedstawiając stosunek amplitudy na wyjściu 

do  amplitudy  na  wejściu  i  różnicy  faz  w  całym  zakresie  częstotliwości  wymuszającej  od  zera  do 

nieskończoności. 

 

Charakterystyki częstotliwościowe mogą być zdejmowane eksperymentalnie i na ich podstawie 

można dokonywać identyfikacji właściwości dynamicznych procesów. Ze względu na jednoznaczność 

między  formą  graficzną  opisu  procesów  wyrażoną  przez  charakterystyki  częstotliwościowe  i  formą 

analityczną,  w  postaci  operatorowej,  znając  tę  drugą  formę  można  wykreślić  charakterystyki 

częstotliwościowe  dowolnych  procesów.  Są  bardzo  ważnym  i  wygodnym  narzędziem 

wykorzystywanym w syntezie układów sterowania. 

 

Podstawy teoretyczne 

 

 

Za stan sinusoidalny uznaje się stan, w którym wszystkie procesy przejściowe zakończyły się – 

wygasły.  Z  obserwacji  liniowych,  stacjonarnych  układów  wynika,  że  jeżeli  na  wejście  wprowadzi  się 

wymuszenie sinusoidalne: 

background image

 

S.Płaska. Prawa autorskie zastrzeżone. Udostępnione studentom roku akademickiego 2015/2016 

17 

𝑥(𝑡) = 𝐴

𝑥

sin 𝜔𝑡, 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.35) 

 

to po pewnym czasie na wyjściu pojawi się również sygnał sinusoidalny o postaci: 

𝑦(𝑡) = 𝐴

𝑦

sin(𝜔𝑡 + 𝜑). 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.36) 

 

Dalej zostanie wykazane, że odpowiedź układu będzie miała postać (3.36). 

 

 

Ax

Ay

t

t

x

y

0

0

2

T=

2

T=



 

 
Rys.3.5.  Przebiegi  wejściowe  𝑥(𝑡)  i  wyjściowe  𝑦(𝑡)  układu  w  stanie  ustalonym  dla  wymuszenia 

sinusoidalnego 

 

 

Wykonując eksperyment, dla różnych częstości wymuszenia, oraz odnotowując wartości 𝐴

𝑥

, 𝐴

𝑦

 

oraz 𝜑: 

𝜑 = 2𝜋

𝜏

𝑇

  , 

𝜑 = 𝜔𝜏 [rad] .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.37) 

 

background image

 

S.Płaska. Prawa autorskie zastrzeżone. Udostępnione studentom roku akademickiego 2015/2016 

18 

można  sporządzić  charakterystyki  we  współrzędnych  liniowych,  przedstawiające  zmiany  stosunku 

amplitud

 

𝐴

𝑦

(𝜔)

𝐴

𝑥

(𝜔)

= 𝑀(𝜔)

 i przesunięcia fazowego 𝜑(𝜔) w funkcji częstotliwości 𝜔 badanego układu. 

Poglądowo taką charakterystykę przedstawia rys.3.6. 

 



M(



Ay

Ax

2

0

 

Rys.3.6. Poglądowy przebieg charakterystyki 𝑀(𝜔) i 𝜑(𝜔) we współrzędnych liniowych 

 

 

Interesujący jest formalny związek między tak otrzymanymi sygnałami  𝑥(𝑡) i 𝑦(𝑡). Z definicji 

transmitancji operatorowej układu wynika: 

𝐺(𝑠) =

𝑌(𝑠)
𝑋(𝑠)

=

𝐿 [𝐴

𝑦

 sin (𝜔𝑡+𝜑)

𝐿 [𝐴

𝑥

sin 𝜔𝑡]

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.38) 

 

 

Wielkości  𝐴

𝑥

 i 𝐴

𝑦

 są stałymi, a sygnały (3.35) i (3.36) są wyrażone za pomocą identycznej funkcji, 

przy czym sygnał odpowiedzi (3.36) posiada przesunięcie 𝜏. Wobec tego zależność (3.38) można zapisać 

w sposób: 

𝐺(𝑠) =

𝐴

𝑦

𝐴

𝑥

  

𝐿  [sin 𝜔𝑡]
𝐿  [sin 𝜔𝑡]

 𝑒̅

 

𝜑
𝜔

 𝑠

   

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.39) 

 

Ponieważ 𝑠 = 𝑗𝜔, to transmitancja operatorowa 𝐺(𝑠) w postaci transmitancji widmowej 𝐺(𝑗𝜔) jest 

równa: 

𝐺(𝑠)

| 𝑠 = 𝑗𝜔 = 𝐺(𝑗𝜔),  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.40) 

background image

 

S.Płaska. Prawa autorskie zastrzeżone. Udostępnione studentom roku akademickiego 2015/2016 

19 

 

i wówczas zależność (3.39), po uproszczeniach, przyjmuje postać: 

𝐺(𝑗𝜔) =

𝐴

𝑦

𝐴

𝑥

 𝑒̅

𝑗𝜑

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.41) 

 

 

Otrzymana  postać  transmitancji  widmowej  𝐺(𝑗𝜔),  dla  określonej  częstości  𝜔 = 𝜔

𝑖

,  jest 

postacią  wykładniczą  liczby  zespolonej  𝐴,  która  dla  𝜔 = −𝜔

𝑖

  posiada  również  liczbę  zespoloną 

sprzężoną 𝐴′ (rys.3.7 (a)). 

 

a) 

 

 

 

 

 

 

b) 



A

A’

Re

I

m

0

 

=

i

 

I

m

R

e

P( )

i

Q( )

i

=



i

=0

 

 

Rys.3.7. Interpretacja graficzna: a) zależność (3.39) dla 𝜔 = 𝜔

𝑖

, b) zależność (3.39) dla 𝜔 = 0 ÷ +∞, 

linią przerywaną zaznaczono 𝐺(𝑗𝜔) dla 𝜔 = 0 ÷ −∞. 

 

 

Oznacza  to,  że  zależność  (3.41),  dla  𝜔 = 0 ÷ +∞,  będzie  zbiorem  punktów  na  płaszczyźnie 

zespolonej (rys.3.7 (b)), tworzących krzywą ciągłą. 

 

Stosunek  amplitud 

𝐴

𝑦

(𝜔)

𝐴

𝑥

(𝜔)

 

jest  modułem  transmitancji  widmowej  (3.41),  co  można  zapisać 

również w sposób: 

|𝐺(𝑗𝜔)| =

𝐴

𝑦

(𝜔)

𝐴

𝑥

(𝜔)

= √𝑃(𝜔)

2

+ 𝑄(𝜔)

2

= 𝑀(𝜔) ,   

 

 

 

 

 

(3.42) 

 

background image

 

S.Płaska. Prawa autorskie zastrzeżone. Udostępnione studentom roku akademickiego 2015/2016 

20 

gdzie: 

𝑃(𝜔)  -   część rzeczywista transmitancji widmowej, 

𝑄(𝜔)  -  część urojona transmitancji widmowej. 

 

Argument 𝜑(𝜔) (przesunięcie fazowe) wynosi: 

𝜑 = 𝑎𝑟𝑐 𝑡𝑔 

𝑄(𝜔)
𝑃(𝜔)

 .   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.43) 

 

 

Przedstawiona  na  rys.3.7  (b)  forma  graficzna  transmitancji  widmowej  jest  charakterystyką 

częstotliwościową układu, równoważnią formie graficznej przedstawionej na rys.3.6. 

 

Należy  jeszcze  wykazać,  czy  prawdziwe  jest  wyrażenie  (3.36).  Dla  wejścia  sinusoidalnego  o 

postaci (3.35) transformata ma postać: 

𝑥(𝑡) = 𝐴

𝑥

 𝑠𝑖𝑛 𝜔𝑡

𝑋(𝑠) = 𝐿 [𝑥(𝑡)] =

𝐴

𝑥

𝜔

𝑠

+ 𝜔

2

        .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.44) 

 

Z definicji transmitancji operatorowej wynika: 

𝑌(𝑠) = 𝑋(𝑠) ∙ 𝐺(𝑠) =

𝐿 (𝑠)

𝑀 (𝑠)

𝐴

𝑥

 𝜔

𝑠

2

 + 𝜔

2

    .   

 

 

 

 

 

 

(3.45)

 

 

Dla  pierwiastków  𝑠

1

,  𝑠

2

, …   , 𝑠

𝑛

  równania  charakterystycznego  𝑀(𝑠) = 0,  zależność  (3.45)  można 

przedstawić w sposób: 

𝑌(𝑠) =

𝐴

0

𝑠−𝑗𝜔

+

𝐴

0

𝑠+𝑗𝜔

+

𝐴

1

𝑠−𝑠

1

+

𝐴

2

𝑠−𝑠

2

+ ⋯   , 

 

 

 

 

 

 

(3.46)

 

 

gdzie: 

𝐴

0

 i 𝐴

0

  -  liczby zespolone sprzężone, 

𝐴

1

, 𝐴

2

 , … ,    -   współczynniki rozkładu 𝐺(𝑠) na ułamki proste. 

 

Podstawiając 𝑠 = 𝑗𝜔 obliczy się 𝐴

0

 i 𝐴

0

 w sposób: 

𝐴

𝑜

= [

𝐺 (𝑠)𝐴

𝑥

 𝜔

𝑠+𝑗𝜔

]

𝑠 = 𝑗𝜔 =

𝐺 (𝑗𝜔)𝐴

𝑥

 𝜔

2 𝑗𝜔

=

𝐴

𝑥

 𝐺 (𝑗𝜔)

2𝑗

 ,  

 

 

 

 

 

(3.47a)

 

 

𝐴

0

=

𝐴

𝑥

 𝐺 (−𝑗𝜔)

−1𝑗

 . 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.47b)

 

background image

 

S.Płaska. Prawa autorskie zastrzeżone. Udostępnione studentom roku akademickiego 2015/2016 

21 

 

 

Dla otrzymania sinusoidalnie ustalonego stanu układu stabilnego, należy poddać odwrotnemu 

przekształceniu  Laplace’a  tylko  dwa  pierwsze  wyrazy  po  prawej  stronie  równania  (3.45).  Pozostałe 

wyrazy równania (3.46) reprezentują w dziedzinie czasu stan przejściowy (nieustalony). Otrzyma się: 

𝑦(𝑡)

𝑠𝑡

= 𝐿

−1

[

𝐴

0

𝑠−𝑗𝜔

+

𝐴

0

𝑠+𝑗𝜔

] .   

 

 

 

 

 

 

 

(3.48) 

 

 

Po podstawieniu zależności (3.47) i dokonaniu odwrotnego przekształcenia Laplace’a, uzyska 

się wynik: 

𝑦(𝑡)

𝑢𝑠𝑡

= 𝐴

𝑥

 [

𝐺 (𝑗𝜔)

2𝑗

 𝑒

𝑗𝜔𝑡

𝐺 (−𝑗𝜔)

2𝑗

 𝑒̅

𝑗𝜔𝑡

] . 

 

 

 

 

 

 

(3.49)

 

 

 

Ponieważ transmitancja widmowa 𝐺(𝑗𝜔) jest ogólnie liczbą zespoloną (patrz zależność (3.41) o 

modelu (8) i fazie (9), co można dla 𝐺(𝑗𝜔) i 𝐺(−𝑗𝜔) zapisać jako: 

𝐺(𝑗𝜔) = 𝑀(𝜔) 𝑒

+𝑗𝜑(𝜔)

 , 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.50a) 

𝐺(−𝑗𝜔) = 𝑀(𝜔) 𝑒

−𝑗𝜑(𝜔)

 .   

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.50b) 

 

Po podstawieniu (3.50a) i (3.50b) do wyrażenia (3.49) uzyskuje się: 

𝑦(𝑡)

𝑠𝑡

= 𝐴

𝑥

 𝑀(𝜔)[

𝑒

+𝑗

 [𝜔𝑡+𝜑 (𝜔)]−𝑒

−𝑗 [𝜔𝑡 + 𝜑 (𝜔)]

2𝑗

.   

 

 

 

 

(3.51)

 

 

Wykorzystując w zależności (3.51) wzór Eulera o postaci: 

sin 𝛼 =

𝑒

+𝑗𝛼

−𝑒

−𝑗𝛼

2𝑗

 ,    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.52) 

 

otrzyma się: 

𝑦(𝑡)

𝑠𝑡

= 𝐴

𝑥

 𝑀(𝜔) 𝑠𝑖𝑛 [𝜔𝑡 + 𝜑(𝜔)]   

 

Z porównania zależności (3.51) z zależnością (3.52) wynika, że  

𝑦(𝑡)

𝑠𝑡

= 𝐴

𝑦

sin  [𝜔𝑡 + 𝜑 (𝜔)] , 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.53) 

 

gdzie: 

𝐴

𝑦

= 𝐴

𝑥

 𝑀(𝜔)  . 

 

background image

 

S.Płaska. Prawa autorskie zastrzeżone. Udostępnione studentom roku akademickiego 2015/2016 

22 

 

Liczba  𝑀(𝜔) =

𝐴

𝑦

(𝜔)

𝐴

𝑥

(𝜔)

  jest  stosunkiem  modułów,  nazywanym  wzmocnieniem  układu  i  jest 

funkcją  częstotliwości  𝜔.  Nazywana  też  jest  charakterystyką  częstotliwościową  amplitudową  lub 

charakterystyką modułu – rys.3.6 (a). 

 

Z  rys.3.5  wynika,  że  ujemna  wartość  𝜑 (𝜔)  oznacza  opóźnienie  się  wyjścia  za  wejściem. 

Przesunięcie  fazowe  𝜑 (𝜔)  jest  funkcją  częstotliwości.  Jeżeli  𝑚  i  𝑛  są  stopniami  wielomianów 

odpowiednio licznika 𝐿(𝑠) i mianownika 𝑀(𝑠) transmitancji operatorowej układu 𝐺(𝑠), wówczas dla 

𝜔 → ∞ przesunięcie fazowe 𝜑(𝜔) wynosi: 

𝜑(𝜔) →

𝑛−𝑚

𝜋/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.54) 

dla 𝜔 → ∞ . 

 

 

Podana  zależność  dotyczy  tzw.  układów  minimalnofazowych,  tj.  takich  które  nie  zawierają 

elementów z tzw. czystym opóźnieniem typu 𝑒̅

𝜏𝑠

 lub zer i biegunów dodatnich. 

 

Zależność  𝜑(𝜔), wykreślona  w  funkcji  częstotliwości,  nazywa  się  charakterystyką 

częstotliwościową fazową (rys.3.6 (b)). 

 

Postać charakterystyki częstotliwościowej amplitudowo-fazowej (rys.3.7 (b)) przedstawiona na 

płaszczyźnie  zmiennej  zespolonej  (nazywanej  też  płaszczyzną  𝐺(𝑗𝜔) ,  mającej  osie  rzeczywistą  i 

urojoną, nazywa się wykresem Nyquista. 

 

W praktyce najczęściej korzysta się z charakterystyki częstotliwościowej, która tak jak rys.3.6, 

przedstawia oddzielnie przebieg modułu i przebieg fazy, ale wyrażonej w skali logarytmicznej (rys.3.8), 

przy czym moduł 𝑀(𝜔) przedstawia się w sposób: 

𝐿(𝜔) = 20 log 𝑀(𝜔)  [𝑑𝐵] .  

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.55) 

 

 

Wartość logarytmu modułów 𝐿(𝜔) wyraża się w decybelach [dB]. Oś rzędnych log 𝜔 wyrażona 

jest  w  dekadach  a  oś  odciętych  w  poziomach  co  20dB.  Przebiegi  charakterystyk  przedstawia  się  w 

sposób uproszczony, za pomocą odcinków linii prostych (asymptot), zaznaczając częstość załamania 

(tzw. częstość sprzęgającą). 

𝜔

𝑖

=

1

𝜏

𝑖

 ,

𝐿(𝜔

𝑖

) = 0 ,

}    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.56) 

 

występującą  dla  𝐿 (𝜔

𝑖

) = 0.  Nachylenie  asymptot,  wynoszące,  np.  −20𝑑𝐵/𝑑𝑒𝑘,  oznacza  się 

współczynnikiem kierunkowym −1, 𝑑𝑙𝑎  + 20𝑑𝑏/𝑑𝑒𝑘 będzie to +1. 

background image

 

S.Płaska. Prawa autorskie zastrzeżone. Udostępnione studentom roku akademickiego 2015/2016 

23 

Taka postać charakterystyki częstotliwościowej nazywana jest wykresem Bodego. 

 

Charakterystyki  częstotliwościowe  są  sporządzone  także  dla  układów  nieliniowych.  Należy 

wówczas przestrzegać, by amplituda wymuszenia 𝐴𝑥 miała wartość stałą dla wszystkich częstotliwości 

𝜔. Inna wartość 𝐴𝑥 odpowiada innej charakterystyce elementu nieliniowego ponieważ   

𝐴𝑥

1

 (𝜔

1

)

𝐴𝑦

1

 (𝜔

1

)

 ±

 

𝐴𝑦

2

 (𝜔

2

)

𝐴𝑥

2

 (𝜔

2

)

  . 

 

Charakterystyki częstotliwościowe elementarnych procesów (podstawowych elementów) 

 

 

Korzystając  z  zależności  (3.40),  (3.42)  i  (3.43),  można  wyznaczyć  charakterystyki 

częstotliwościowe dla elementarnych procesów na podstawie ich transmisji operatorowej. 

 

 

Dla właściwości proporcjonalnych transmitancja operatorowa wynosi: 

𝐺(𝑠) = 𝑘 . 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.57) 

 

Z zależności (3.40) wynika: 

𝐺(𝑗𝜔) = 𝐺(𝑠) |

𝑠 = 𝑗𝜔

= 𝑘 = 𝑃(𝜔) + 𝑗𝑄(𝜔) .   

 

 

 

 

 

(3.58) 

 

Oznacza to, że  

𝑃 (𝜔) = 𝑘 ,
𝑄 (𝜔) = 0 .

  

 

Stąd wynika: 

|𝐺 (𝑗𝜔)| = 𝑀 (𝜔) = 𝑘 ,

𝜑 (𝜔) = 0 ,

𝐿 (𝐽𝜔) = 20 log 𝑘 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.59) 

 

 

Przebieg modułu procesu o właściwościach proporcjonalnych jest stały, nie zależny od częstości 

𝜔 i jest to prosta równoległa do osi 𝑙𝑜𝑔 𝜔 w odległości od tej osi 20 𝑙𝑜𝑔 𝑘. Przesunięcie fazowe wynosi 

zero. 

 

 

Właściwości inercyjne pierwszego rzędu opisuje transmitancja operatorowa 

background image

 

S.Płaska. Prawa autorskie zastrzeżone. Udostępnione studentom roku akademickiego 2015/2016 

24 

𝐺(𝑠) =

1

𝑇𝑠+1

 .  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.60) 

 

Postępując jak poprzednio otrzyma się: 

𝐺(𝑗𝜔) = 𝐺(𝑠)|𝑠 = 𝑗𝜔 =

1

1+𝑗𝜔𝑇

1−𝑗𝜔𝑇
1−𝑗𝜔𝑇

=

1

1 + 𝜔

2

𝑇

2

− 𝑗 

𝜔𝑇

1 + 𝜔

2

𝑇

2

 , 

 

 

(3.61) 

 

𝑃(𝜔) =

1

1 + 𝜔

2

𝑇

2

 ,

𝑄(𝜔) =

−𝜔𝑇

1 + 𝜔

2

𝑇

2

 ,

|𝐺(𝑗𝜔)| = 𝑀(𝜔) =

1

√1 + 𝑇

2

𝜔

2

,

𝜑(𝜔) = 𝑎𝑟𝑐 𝑡𝑔 = −𝜔𝑇,

ℒ(𝜔) = 20 log (

1

√1 + 𝑇

2

𝜔

2

) = 20 log √1 + 𝑇

2

𝜔

2

 .}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.62)

 

 

 

L( )      

log

log

0

0,01

0,001

0,1

0,1

0,01

0,001

1

1

10

10

100

100

-20

+20

+40

+60

+80







[dB]

 

Rys.3.8. Współrzędne charakterystyki częstotliwościowej wyrażone w skali logarytmicznej 

background image

 

S.Płaska. Prawa autorskie zastrzeżone. Udostępnione studentom roku akademickiego 2015/2016 

25 

 

 

W podobny sposób wyznacza się charakterystyki częstotliwościowe dla pozostałych elementów 

podstawowych.  W  tablicy  3.2  zostały  przedstawione  charakterystyki  częstotliwościowe,  w  formie 

wykresów  Nyquista  i  Bodego,  dla  elementów  podstawowych  oraz  innych  występujących  w  wyniku 

przekształceń elementów. 

 

Tablica 3.2. Charakterystyki częstotliwościowe najczęściej występujących elementarnych procesów 

 

Element 

bezinercyjny 

𝐺(𝑠) = 𝑘 

k

0

I

m

R

e

 

log

log

L( )

[dB]

20logk

0

10

10

0,1

100

100

0

20

40

1

0,1

1

-1

-1

 

Element inercyjny 

1 rzędu 

𝐺(𝑠) =

1

𝑇𝑠 + 1

 

s

=1/T

R e

1

I m





 

[dB]

20log k

-20dB/dek

-1

20

0

0

 

( )

0,1

1

-1

1

1 dekada

s

=1/T

s

=1/T

s

=1/T

10

10

100

log

log

100

40

L( )

4

dek

4

2

 

background image

 

S.Płaska. Prawa autorskie zastrzeżone. Udostępnione studentom roku akademickiego 2015/2016 

26 

Element całkujący 

𝐺(𝑠) =

1

𝑇𝑠

 

R

e

I

m





0

0

 

20

-20

40

L( )

[dB]

0,1

0,1

10

10

100

100

1

1

0

0

log

log

 

-1



1

T

-1

-1

2

 

Układ 

różniczkujący 

𝐺(𝑠) = 𝑇𝑠 

I m

R

e





0

0

 

20

-20

40

L( )

[dB]

0,1

0,1

10

10

100

100

1

1

0

0

log

log

 

+1

 

s

1

T

-1

-1

2

 

Element 

oscylacyjny 

𝐺(𝑠)

=

1

𝑇

2

𝑠

2

+ 2𝜁𝑇𝑠 + 1

 

0

R e

1

I m





 

2

-

-2

[dB]

-20

20

0

0

0,1

0,1

1

1

-1

-1

s

=1/T

s

=1/T

10

10

100

100

log

log

-40

L( )

 

background image

 

S.Płaska. Prawa autorskie zastrzeżone. Udostępnione studentom roku akademickiego 2015/2016 

27 

Element inercyjny 

niestabilny 

𝐺(𝑠) =

1

𝑇𝑠 − 1

 

s

=1/T

R e

- 1

I m





 

[dB]

20log k

-20dB/dek

-1

20

0

0

 

( )

0,1

1

-1

1

1 dekada

s

=1/T

s

=1/T

10

10

100

log

log

100

40

L( )

2

 

s

1/T

 

s

1/T

 

Element inercyjny 

niestabilny 

𝐺(𝑠) =

1

1 − 𝑇𝑠

 

R e

1

I m





 

20log k

-20dB/dek

-1

20

0

0

 

( )

0,1

1

-1

1

1 dekada

s

=1/T

s

=1/T

10

10

100

log

log

100

40

4

2

 

Element 

różniczkujący z 

inercją 

𝑇𝑠 + 1 

1

0

I

m

R

e



 

log

log

L( )

[dB]

1

1

T

T

0

0

0,1

-1

-1

+1

0,1

10

10

100

100

1

1

20

40

2

 

background image

 

S.Płaska. Prawa autorskie zastrzeżone. Udostępnione studentom roku akademickiego 2015/2016 

28 

Element 

różniczkujący z 

inercją 

𝑇𝑠 − 1 

-1

0

I

m

R

e



 

2

log

log

L( )

[dB]

1

T

1

T

1

T

0

0

0,1

-1

-1

+1

0,1

10

10

100

100

1

1

20

40

 

10 

Element 

różniczkujący 

𝐺(𝑠) = 1 − 𝑇𝑠

 

R e

1

I m





0

 

[dB]

20

40

0

0

-1

-1

1

1

0,1

0,1

s

=1/T

s

=1/T

10

10

log

log

100

100

L( )

+1

4

2

 

 

 

W  tablicy  3.2  nie  została  przedstawiona  charakterystyka  częstotliwościowa  właściwości 

opóźniających. 

𝐺(𝑠) = 𝑒̅

𝜏𝑠

 .   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.63) 

 

 

W  przypadku  właściwości  opóźnionych  występuje  tylko  przesunięcie  fazowe,  bez 

zniekształcenia kształtu sygnału. Moduł i faza mają postać: 

|𝐺(𝑗𝜔)| = 1,    𝜑 (𝜔) = arg 𝐺 (𝑗𝜔) = −𝜏𝜔 [𝑟𝑎𝑑] = −57,3 𝜏𝜔 [𝑠𝑡𝑜𝑝𝑛𝑖] . 

 

 

(3.64) 

 

Przedstawione  w  tablicy  3.2,  najczęściej  występujące  elementy  procesów,  można  zapisać  w  postaci 

podanych niżej czynników lub ich kombinacji w sposób: 

𝑘 /𝑠

𝑁

, (1 + 𝑇𝑠)

±1

, (1 + 2𝜉𝑇𝑠 + 𝑠

2

)

±1

   

background image

 

S.Płaska. Prawa autorskie zastrzeżone. Udostępnione studentom roku akademickiego 2015/2016 

29 

lub 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.65) 

𝑘 /𝑗𝜔

𝑁

, (1 + 𝑗𝜔𝑇)

±1

, [1 + 𝑗2𝜉𝜔 + (𝑗𝜔)

2

]

±1

  . 

 

 

W  celu  uniwersalnego  przedstawienia  charakterystyk  częstotliwościowych,  dla  dowolnych 

stałych czasowych 𝑇, można wprowadzić znormalizowaną częstotliwość 𝛺 w sposób: 

𝛺 = 𝜔𝑇 . 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.66) 

 

Wówczas  właściwości  inercyjne  (1 + 𝑇𝑠)

−1

  i  oscylacyjne  (1 + 2𝜉𝑇𝑠 + 𝑇

2

𝑠

2

)

−1

  i  ich 

odwrotności przyjmą postacie: 

(1 + 𝑗Ω)

±1

,   [1 + 2𝜉(𝑗Ω) + (𝑗Ω)

2

]

±1

 . 

 

 

 

 

 

 

 

(3.67) 

 

Dla zależności 𝑘/𝑠

𝑁

, charakterystyki częstotliwościowe wynoszą: 

|

𝑘

(𝑗𝜔)

𝑁

| =

𝑘

𝜔

𝑁

,        𝜑(𝜔) = arg

𝑘

(𝑗𝜔)

𝑁

= −

𝜋

2

 𝑁. 

 

 

 

 

 

 

(3.68) 

 

Z  tego  wynika,  że  przesunięcie  fazowe  𝜑(𝜔)  ma  stałą  wartość  a  przebieg  modułu  𝐿(𝜔)  jest 

prostą stałego nachylenia −20𝑁[𝑑𝐵/𝑑𝑒𝑘] i przecina oś odciętych dla częstotliwości 𝜔 = (𝑘)

1/𝑁

. Na 

rys.3.2  przedstawione  zostały  wykresy  Bodego  w  funkcji  częstotliwości  bezwymiarowych  𝛺  dla 

właściwości:  inercyjnych  pierwszego  rzędu,  oscylacyjnych  oraz  opóźniających,  przedstawionych  za 

pomocą  zależności  (3.67);  𝑁 = − 1.  Częstości  sprzęgające  𝛺

𝑠

,  nazywane  też  częstotliwościami 

załamania, dla przebiegu (a) i (b) wynoszą 1.  

 

background image

 

S.Płaska. Prawa autorskie zastrzeżone. Udostępnione studentom roku akademickiego 2015/2016 

30 

 

 

Rys.3.9.  Charakterystyki  częstotliwościowe  (wykresy  Bodego)  w  funkcji  bezwymiarowej  dla 

właściwości: a) inercyjnych pierwszego rzędu, b) oscylacyjnych, c) opóźniających 

 

 

Charakterystyki dla wykładnika 𝑁 = +1 będą odbiciem lustrzanym charakterystyk pokazanych 

na rys.3.9. Charakterystyki częstotliwościowe o postaciach przedstawionych na rys.3.9, nazywane są 

szablonami Bodego, ponieważ umożliwiają wykreślenie charakterystyk częstotliwościowych układów o 

transmitancji ogólnej przedstawionej w postaci czynnikowej, złożonej z czynników (3.65). 

 

Charakterystyki częstotliwościowe układu złożonego 

 

Przez  "układ  złożony"  rozumie  się  układ,  na  który  składa  się  kilka  połączonych  szeregowo 

elementów podstawowych. W przypadku układu sterowania ze sprzężeniem zwrotnym, rozpatruje się 

charakterystykę  częstotliwościową  układu  otwartego  𝐺

𝑈0

(𝑠),  która  jest  połączeniem  szeregowym 

następujących elementów funkcjonalnych: regulatora 𝐺

𝑅

(𝑠), urządzenia wykonawczego (nastawnika) 

𝐺

𝑊

(𝑠), sterowanego procesu 𝐺

𝑃

(𝑠) i przetwornika pomiarowego 𝐺

𝑃𝑃

(𝑠): 

𝐺

𝑈0

(𝑠) = 𝐺

𝑅

(𝑠) ∙ 𝐺

𝑊

(𝑠) ∙ 𝐺

𝑝

(𝑠) ∙ 𝐺

𝑝𝑝

(𝑠) .   

 

 

 

 

 

 

(3.69) 

 

background image

 

S.Płaska. Prawa autorskie zastrzeżone. Udostępnione studentom roku akademickiego 2015/2016 

31 

Po podstawieniu do zależności (3.69) poszczególnych właściwości, należy dokonać ewentualnie 

dalszego  ich  rozpisania  i  uporządkowania  na  elementarne  procesy  (3.65)  +  (tablica  3.2).  W  wyniku 

uzyska się transmitancję operatorową, którą ogólnie można zapisać w postaci czynnikowej jako iloczyn 

elementarnych procesów w sposób: 

𝐺

𝑈0

(𝑠) =

𝑘

𝑠

𝑁

Π (1 + 𝑇

𝑖

𝑠) Π  [1 + 2𝜉

𝑗

𝑇

𝑗

𝑠 + (𝑇

𝑗

𝑠)]

Π  (1 + 𝑇

𝑘

𝑠) Π  [1 + 2𝜉

𝑙

𝑇

𝑙

𝑠 + (𝑇

𝑙

𝑠)]

 .

 

 

 

 

 

 

 

(3.70) 

 

W transmitancji (3.70) nie został uwzględniony element opóźniający, który też może w układzie 

występować. Zależność (3.70) można również zapisać ogólnie w sposób: 

𝐺(𝑠) = 𝐺

1

(𝑠) ∙ 𝐺

2

(𝑠) ∙ 𝐺

3

(𝑠) ∙ ⋯ 𝐺

𝑛

(𝑠) 

 

 

 

 

 

 

 

(3.71) 

 

Transmitancja widmowa dla ogólnej postaci czynnikowej (3.71), z uwzględnieniem właściwości 

poszczególnych procesów zapisanych w formach elementarnych, przedstawia się następująco: 

𝐺(𝑗𝜔) = 𝐺(𝑠)|

𝑠=𝑗𝜔

= 𝑀

1

(𝜔)𝑒

−𝑗𝜑

1

(𝜔)

∙ 𝑀

2

(𝜔)𝑒

−𝑗𝜑

2

(𝜔)

∙ 𝑀

3

(𝜔)𝑒

−𝑗𝜑

3

(𝜔)

∙ ⋯ 𝑀

𝑛

(𝜔)𝑒

−𝑗𝜑

𝑛

(𝜔)

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.72) 

 

lub 

 

𝐺(𝑗𝜔) = 𝑀(𝜔) 𝑒

−𝑗𝜑(𝜔)

gdzie:

𝑀(𝜔) =   ∏

𝑀

𝑖

(𝜔)

𝑛

𝑖=1

,   𝑚oduł układu ,

𝜑(𝜔) = ∑

𝜑

𝑖

(𝜔),   faza układu

𝑛

𝑖=1

 .

}

 

 

 

 

 

 

   

 

 

 

 

 

 

(3.73) 

 

Ponieważ  moduł  𝑀(𝜔)  układu  złożonego  z  kilku  połączonych  szeregowo  transmitancji 

operatorowych  jest  równy  iloczynowi  poszczególnych  modułów,  to  przedstawiając  charakterystyki 

poszczególnych  elementów  we  współrzędnych  logarytmicznych,  po  ich  graficznym  zsumowaniu, 

otrzyma się przebieg modułu wypadkowego układu. Z podanego powodu stosuje się do sporządzenia 

charakterystyki 

amplitudowej 

(modułu) 

fazowej 

współrzędne 

przedstawione 

na  

rys. 3.3: 

 

background image

 

S.Płaska. Prawa autorskie zastrzeżone. Udostępnione studentom roku akademickiego 2015/2016 

32 

a) dla modułu 𝑙𝑜𝑔𝜔  i  𝐿(𝜔), 

b) dla fazy 𝑙𝑜𝑔𝜑  i  𝜑(𝜔), 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.74) 

gdzie: 

𝐿(𝜔) = 20 𝑙𝑜𝑔𝑀(𝜔) = 20 𝑙𝑜𝑔𝑀

1

(𝜔) + 20 𝑙𝑜𝑔𝑀

2

(𝜔) + 20 𝑙𝑜𝑔𝑀

3

(𝜔) + ⋯ 20 𝑙𝑜𝑔𝑀

𝑛1

(𝜔)  

 

Podsumowanie: 

Charakterystykę  częstotliwościową,  na  którą  składa  się  z  przebiegu  modułu  (charakterystyka 

amplitudowa)  i  przebiegu  argumentu  (charakterystyka  fazowa),  można  sporządzić  w  następujące 

sposoby: 

 

a)  Po  zapisie  transmitancji  operatorowej  układu  w  postaci  iloczynu  czynników  (3.69),  należy  na 

współrzędnych  𝐿(𝜔)  i  𝑙𝑜𝑔 𝜔  oraz  𝜑(𝜔)  i  𝑙𝑜𝑔 𝜔  wykreślić  przebiegi  asymptotyczne  modułów  i 

argumentów  poszczególnych  czynników  (tablica  3.2)  i  zsumować  je  graficznie.  Dla  ustalenia 

poszczególnych  przebiegów  na  osi  𝑙𝑜𝑔𝜔,  należy  określić  dla  każdego  elementu  częstotliwość 

sprzęgającą. Otrzymuje się w ten sposób uproszczoną charakterystykę  (asymptotyczną), która może 

być  przydatna,  np.  do  oceny  stabilności  układu,  korekcji  nastaw  regulatora,  oraz  określenia  pasma 

przenoszenia. 

 

b) Podobnie jak w (a) należy zapisać transmitancję operatorową układu w postaci czynnikowej (3.70) i 

posłużyć  się  współrzędnymi  𝑙𝑜𝑔 𝛺(𝜔) − 𝑙𝑜𝑔 𝛺    (bezwymiarowymi).  Dla  poszczególnych przebiegów 

na  osie  współrzędnych  należy  nanieść  szablony  pokazane  na  rys.3.9.  Ustalenie  położenia 

charakterystyk  poszczególnych  elementów  na  osi  𝑙𝑜𝑔 𝛺,  dokonuje  się  za  pomocą  częstotliwości 

sprzęgających  𝛺

𝑠

.  Podobnie  ustala  się  położenia  elementu  𝑘 𝜔

𝑁

.  Następnie  należy  zsumować 

graficznie charakterystyki poszczególnych elementów dla otrzymania przebiegów wypadkowych, ale 

zaleca  się  wcześniejsze  wykreślenie  asymptot  (tak  jak  w  (a))  a  dopiero  naniesienie  dokładnych 

poprawek  przebiegu  w  punktach  załamania  charakterystyki  -  w  punktach  wyznaczonych  przez 

częstotliwości sprzęgające 𝛺

𝑠

.  

 

 

Charakterystyki  przybliżone  (asymptotyczne)  są  wystarczające  tylko  dla  pierwszej  fazy 

projektowania układu. W fazie końcowej należy wykreślić charakterystyki dokładne i w tym celu można 

posłużyć się opisem metody (b) lub stosownym programem komputerowym. 

background image

 

S.Płaska. Prawa autorskie zastrzeżone. Udostępnione studentom roku akademickiego 2015/2016 

33 

 

Szablony  pokazane  na  rys.3.9  należy  stosować  bardzo  ostrożnie  i  umiejętnie  dla  układów 

minimalnofazowych. 

Układy  minimalnofazowe  to  takie,  które  zawierają  tzw.  czynniki  modyfikujące,  co  w 

transmitancji operatorowej (3.70) można stwierdzić przez wystąpienie znaku "-" przed 𝑇

𝑖

 lub (2 𝜉

𝑗

𝑇

𝑗

). 

Takie elementy przesuwają wyłącznie fazę od 0 - 180

0

 wraz ze wzrostem częstotliwości 𝜔. Układy nie 

minimalnofazowe zawierają bieguny dodatnie lub zera dodatnie i są niestabilne. 

 

Opóźnienie fazy powoduje także element opóźniający: 

𝐺(𝑠) = 𝑒

−𝜏𝑠

    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.75) 

 

lub też transmitancje, które wynikają z rozwinięcia tego elementu w szereg Taylora: 

𝐺(𝑠) =

1 − 0,5𝜏𝑠
1 + 0,5𝜏𝑠

𝐺(𝑠) =

(𝜏𝑠)

2

−6 (𝜏𝑠) + 12

(𝜏𝑠)

2

 + 6(𝜏𝑠) + 12

}  .

   

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.76) 

 

Częstotliwość unormowana 𝛺 dla elementu opóźniającego (13) wynosi 

𝛺 = 𝜏𝜔 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.77)