background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

1

PODSTAWY AUTOMATYKI

PODSTAWY AUTOMATYKI

Prowadzący

Prowadzący

dr ing. Sebastian 

dr ing. Sebastian 

Kula

Kula

e-mail: wsk09@wp.pl

e-mail: wsk09@wp.pl

Uniwersytet Kazimierza Wielkiego w 

Bydgoszczy

wykład II

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

2

zajęcia realizowane są w ramach 

projektu pt. “Mechatronika 

kierunkiem przyszłości – 

dostosowanie oferty edukacyjnej 

Uniwersytetu Kazimierza 

Wielkiego do potrzeb rynku 

pracy”, Działanie 4.1.1, Programu 

Operacyjnego Kapitał Ludzki, 

współfinansowanego ze środków 

Europejskiego Funduszu 

Społecznego”.

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

3

Plan wykładu

• Modele układów dynamicznych: 

-liniowe
-nieliniowe
-LTI (linear time invariant)
-LTV (linear time varying)

• Sposoby ich analizy: 

-podstawowe równanie różniczkowe
-model w przestrzeni stanu

• Transmitancja operatorowa i widmowa. 

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

4

Modele układów 

dynamicznych(1)

Układ  dynamiczny  to  taki  układ,  czyli  pewien 

zbiór 

powiązanych 

ze 

sobą 

elementów 

scharakteryzowa-ny 

pewną 

liczbą 

wielkości 

nazywanych  zmiennymi,  w  którym  conajmniej 

jedna z tych zmiennych zmienia się w czasie.
Model  matematyczny  układu  dynamicznego 

jest 

określony 

jako 

zbiór 

równań 

odzwierciedlających  zachowanie  układu  z  idealną 

dokładnością  albo  z  dużą  dokładnością.  Model 

matematyczny  nie  jest  przypisany  do  danego 

układu  dynamicznego.  Układ  dynamiczny  może 

być  przedstawiony  na  wiele  różnych  sposobów  i 

dlatego 

ma 

wiele 

różnych 

modeli 

matematycznych.

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

5

Ze 

względu 

na 

postać 

charakterystyk 

statycznych 

elementów 

występujących 

układach automatyki dzieli się te układy na:

· Iiniowe (opisane liniowymi równaniami 
algebraicznymi, różniczkowymi itp.)

· nieliniowe (opisane nieliniowymi równaniami 
algebraicznymi, różniczkowymi itp.)

Modele układów 

dynamicznych(2)

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

6

Modele układów 

dynamicznych(3)

Układy  Iiniowe  to  takie  układy  w  których  ma 
zastosowanie  zasada  superpozycji.  Zasada 
superpo-zycji 

stanowi, 

że 

odpowiedź 

wytwarzana 

za 

pomocą 

jednoczesnego 

stosowania 

dwóch 

różnych 

funkcji 

wymuszających  jest  sumą  dwóch  odpowiedzi 
indywi-dualnych.  Stąd,  dla  systemu  liniowego, 
odpowiedź  na  kilka  wejść  może  być  obliczona 
przez  zsumowanie  pojedynczych  wyników  dla 
poszczególnych wejść.  
W  praktyce  analizy  układów  dynamicznych, 
jeżeli wymuszenie i skutek są proporcjonalne, to 
sugeruje, że zasada superpozycji jest spełniona 
i układ można uznać za liniowy. 

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

7

Modele układów 

dynamicznych(4)

Układ  spełnia  zasadę  superpozycji,  jeżeli 
odpowiedź na wymuszenie

będące kombinacją liniową wymuszeń u

1

, u

2

, ... 

u

m

, równa się kombinacji liniowej

odpowiedzi  y

1

,  y

2

,  ...  y

m

,  przy  czym  y

i

  jest 

odpowiedzią układu na wymuszenie u

i

.

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

8

Modele układów 

dynamicznych(5)

Zasada superpozycji, schemat blokowy:

W  praktyce  wiele  elementów  spełnia  warunek 
liniowości  w  ograniczonym  zakresie  pracy.  Dla 
małych  odchyleń  od  punktów  pracy  statycznej 

stanach 

dynamicznych 

nieliniową 

charakterystykę  statyczną  elementu  można 
zastąpić prostą.
  

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

9

Przykład układu liniowego:

Model pojazdu jednoosiowego pokonującego 

próg o znanym profilu opisanym funkcją

czasu.

 

Modele układów 

dynamicznych(6)

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

10

Modele układów 

dynamicznych(7)

Założono, 

że 

model 

przyczepy 

został 

sporządzony  tak  iż  zawieszenie  zawiera  liniowy 
element 

sprężysty 

(odkształcenie 

wprost 

proporcjonalne  do  siły)  i  równolegle  z  nim 
połączony 

wiskotyczny 

element 

tłumiący 

drgania (siła tłumiąca wprost proporcjonalna do 
prędkości).
Z  drugiej  zasady  dynamiki  Newtona  wynika,  że 
w  ruchu  postępowym  siła  bezwładności  masy 
jest  równa  sumie  wszystkich  sił  zewnętrznych 
działających  na  tę  masę  w  kierunku  przyjętym 
za dodatni kierunek jej ruchu, tj. w górę.

 

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

11

Modele układów 

dynamicznych(8)

Z tego wynika że:

gdzie kolejne człony tak otrzymanego liniowego 
równania  różniczkowego  licząc  od  lewej  strony 
równania wyrażają:

 

-  siłę  bezwładności  masy  pojazdu,  siła 
ta 

jest 

iloczynem 

masy 

przyspieszenia 

pionowego 

działającego na tę masę
 

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

12

Modele układów 

dynamicznych(9)

-  siłę  wiskotycznego  tłumienia  tłumika 
drgań łączącego masę z podłożem, siła 
ta  jest  iloczynem  stałej  tłumienia 
tłumika  drgań  i  różnicy  prędkości 
obydwóch końców tłumika 

siłę 

odkształcenia 

sprężystego 

sprężyny  łączącej  masę  z  podłożem, 
siła 

ta 

jest 

iloczynem 

stałej 

sprężystości 

sprężyny 

różnicy 

przemieszczeń 

obydwóch 

końców 

sprężyny

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

13

Modele układów 

dynamicznych(10)

Równanie  sumy  sił  po  przeniesieniu  na  jedną 
stronę:

można przekształcić do klasycznej postaci  

w  której  poszukiwane  przebiegi  pionowego 
wychylenia,  prędkości  i  przyspieszenia  masy 
pojazdu  występują  na  lewej  stronie  a  zadane  (i 
znane)  przebiegi  pionowych  przemieszczeń 
punktowego  koła  przemieszczającego  się  ze 
stałą  prędkością  po  podłożu  o  znanym  profilu 
występują na prawej stronie.

 

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

14

Modele układów 

dynamicznych(11)

Układy  dynamiczne  automatyki,  które  nie 
spełniają 

zasady 

superpozycji, 

nazywać 

będziemy nieliniowym.

Krzywe charakterystyczne dla różnych typów 

nieliniowości.

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

15

Przykłady  równań  będących  modelami  układów 
nieliniowych:

Chociaż  wiele  zjawisk  fizycznych  jest  często 
przedstawianych poprzez równania liniowe, to w 
większości 

przypadków 

ich 

rzeczywistych 

charakter  nie jest w pełni liniowy. 

 

Modele układów 

dynamicznych(12)

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

16

Modele układów 

dynamicznych(13)

praktyce 

wiele 

układów 

elektromechanicznych, 

 

 

hydraulicznych, 

pneumatycznych,  itd.  wywołuje  i  wy-maga 
nieliniowych zależności pomiędzy swoimi zmien-
nymi.  Na  przykład,  wyjście  układu  może  się 
nasycić  dla  dużych  sygnałów  wejściowych. 
Może  być  nieczu-łość,  która  skutkuje  małymi 
sygnałami.      Nieliniowość  kwadratowa  może 
występować  na  przykład  w  amorty-zatorach 
wykorzystywanych  w  układach  fizycznych. 
Charakterystyka  może  być  liniowa  przy  niskiej 
prędkości działania, ale może stać się nieliniowa 
przy  wysokich  prędkościach,  a  siła  tłumienia 
może być proporcjonalna do kwadratu prędkości 
pracy.

 

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

17

Modele układów 

dynamicznych(14)

Przykład układu nieliniowego:

Wahadło oscylacyjne, L-długość, M-masa oraz 

zależność momentu obrotowego T od kąta.

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

18

Modele układów 

dynamicznych(15)

Linearyzacja  układów  nieliniowych.  W 
automatyce  normalny  tryb  pracy  układu  może 
się  odbywać  wokół  punktu  równowagi,  a  za 
sygnały  mogą  być  uznane  małe  sygnały 
oscylujące wokół równowagi. (Należy podkreślić, 
że  istnieje  wiele  wyjątków  od  takiej  sytuacji.) 
Jednakże,  jeśli  system  działa  w  obrębie  punktu 
równowagi  i  jeśli  sygnały  związane  są  małe,  to 
możliwe 

jest 

aproksymowanie 

układu 

nieliniowego  modelem  liniowym.  Taki  model 
liniowy jest równoważny modelowi nieliniowemu 
w  ograniczonym  zakresie  działania.  Taki  model 
zlinearyzowany  (LTI)  jest  bardzo  ważny  w 
automatyce. 

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

19

Modele układów 

dynamicznych(16)

Stosowane  są  dwie  metody  linearyzacji.  Jeżeli 
tak  jak  w  układzie  istnieje  punkt  pracy  od 
którego  stan  nie  powinien  się  znacznie  oddalać 
to 

stosujemy 

metodę 

stycznej

Jeżeli 

natomiast  przewidujemy  pracę  w  pewnym 
przedziale  zmienności  zmiennej  niezależnej  to 
stosujemy metodę siecznej.

Interpretacja 
linearyzacji 

metodą 

stycznej.

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

20

Modele układów 

dynamicznych(17)

Metoda  stycznej  polega  na  przybliżeniu 
funkcji nieliniowej linią prostą styczną do niej w 
przyjętym punkcie nominalnym. Jeżeli zależność 
nieliniowa  podana  jest  w  formie  analitycznej  to 
stosujemy  rozwinięcie  funkcji  w  szereg  Taylora 
wokół  przyjętego  punktu  pracy  i  uwzględniamy 
tylko dwa pierwsze wyrazy:

Następnym  krokiem  w  zadaniach  automatyki 
jest 

przesunięcie 

początku 

układu 

współrzędnych  do  punktu  styczności  przez 
podstawienie:  

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

21

Modele układów 

dynamicznych(18)

Metoda  siecznej  polega  na  zastąpieniu 
krzywej 

zadanym 

przedziale 

prostą 

przecinającą  krzywą  w  wybranych  dwóch 
punktach.  Przy  funkcji  podanej  analitycznie 
mamy:

Interpretacja 
linearyzacji 

metodą 

siecznej.

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

22

Modele układów 

dynamicznych(19)

Układy  dynamiczne  liniowe  stacjonarne  o 
parametrach  skupionych  LTI  (linear  time 
invariant)
 

opisywane 

są 

równaniami 

różniczkowymi  zwykłymi,  liniowymi  o  stałych 
współczynnikach.

Brak  jest  przykładów  rzeczywistych  układów 
dynamicznych  LTI.  LTI  to  model  wystarczający 
dla 

szerokiej 

grupy 

typowych 

obiektów 

przemysłowych w założonym zakresie pracy.

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

23

Modele układów 

dynamicznych(20)

LTV  (linear  time-varying)  -  układy,  które  są 
reprezentowane  przez  równania  różniczkowe, 
których  współczynniki  są  funkcjami  czasu 
nazywa  się  układami  liniowo  zmiennymi  w 
czasie.  Na  przykład  układ  kontroli  systemu 
lotów statków kosmicznych będzie układem LTV 
liniowym  zmienny  w  czasie.  (Masa  statku 
kosmicznego  zmienia  się  co  jest  spowodowane 
zużyciem paliwa.)

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

24

Obiekty 

układów 

dynamicznych 

parametrach  skupionych  -  np.  opisywane 

równaniami 

różniczkowymi 

zwyczajnymi. 

Parametry obiektu nie zależą od współrzędnych 

przestrzennych.

Obiekty 

układów 

dynamicznych 

parametrach  rozłożonych  -  np.  opisywane 

równaniami 

różniczkowymi 

cząstkowymi. 

Parametry  obiektu  zależą  od  współrzędnych 

przestrzennych.  Na  przykład  tarcie  w  układach 

przemieszczeń liniowych - obrabiarki CNC.

Modele układów 

dynamicznych(21)

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

25

Sposoby ich analizy

Układy  automatyki  i  ich  elementy  są  układami 

dynamicznymi. 

Równania 

układów 

dynamicznych  opisujące  ich  funkcjonowanie 

wynikają z ogólnych praw fizyki. Wykorzystanie 

tych  praw  prowadzi  najczęściej  do  równań 

różniczkowych  zwyczaj-nych.  Najbardziej 

ogólnym  prawem  dla  układów  o  różnorodnej 

naturze 

(mechanicznych, 

elektrycznych, 

hydraulicznych,  pneumatycznych  itp.)  jest 

zasada  Hamiltona,  z  której  wynikają  równania 

Lagrange'a o postaci:

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

26

Równanie różniczkowe(1)

przy czym:

E

k

 - energia kinetyczna układu,

E

p

 - energia potencjalna, 

P- moc strat w układzie, 

x

n

 - współrzędna uogólniona,

dx

n

/dt - prędkość uogólniona, 

f

n

  -  pobudzenie  związane  ze  współrzędną 

uogólnioną 

Współrzędnymi uogólnionymi są:

· przesunięcie x lub kąt obrotu a w układach   

  mechanicznych

· 

ładunek 

elektryczny 

układach 

elektrycznych,

· objętość V w układach pneumatycznych i

  hydraulicznych. 

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

27

Sygnałami 

wejściowymi 

(pobudzeniami, 

wymuszenia-mi)  w  wymienionych  układach  są, 

odpowiednio:  siła  f,  moment  obrotowy  M, 

napięcie u, ciśnienie p.
Elementami 

magazynującymi 

energie 

kinetyczną, są: poruszające się ciało o masie m 

układach 

mechanicznych, 

cewka 

indukcyjności  L  w  układach  elektrycznych, 

bezwładność  m

p

  cieczy  i  gazów  w  układach 

hydraulicznych i pneumatycznych.
Elementami 

magazynującymi 

energie 

potencjalną 

są: 

elementy 

sprężyste 

sprężystości  C

m

  lub  C

r

,  kondensator  o 

pojemności  C  w  układach  elektrycznych, 

napełniany zbiornikkomora pneumatyczna o 

określonej ściśliwości.

Równanie różniczkowe(2)

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

28

Równanie różniczkowe(3)

Elementami  powodującymi  straty  energii  są: 

tarcie  mechaniczne,  rezystancja  elektryczna, 

opory przepły-wu cieczy i gazów. 

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

29

Równanie różniczkowe(4)

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

30

Przykład: równanie dynamiki dla czwórnika RLC 

Energią  kinetyczną  gromadzoną  w  cewce  o 

indukcyjności 

jest 

energia 

pola 

magnetycznego określona zależnością

Równanie różniczkowe(5)

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

31

Energia  pola  elektrostatycznego  kondensatora 

jest energią  potencjalną. 

Moc strat wyraża się  wzorem

na tej podstawie otrzymujemy

a po uwzględnieniu

Równanie różniczkowe(6)

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

32

Równanie  różniczkowe  liniowe  o  stałych 

parametrach 

opisujące 

dynamikę 

stacjonarnego  układu  liniowego  z  jednym 

sygnałem  wejściowym  u(t)  i  jednym  sygnałem 

wyjściowym  y(t)  nazywa  się  równaniem 

wejście- wyjście takiego układu. Uzyskuje się 

je z zasady równowagi dynamicznej, odnoszącej 

się do rozpatrywanego układu. 

Ogólna postać równania różniczkowego 

liniowego.

Równanie różniczkowe(7)

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

33

Przykład:  równanie  wejścia  -  wyjścia  czwórnika 

RC 

Równanie równowagi napięć wynikające z KVL:

Prąd płynący przez kondensator C:

Równanie różniczkowe(8)

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

34

Równanie różniczkowe(9)

Po  podstawieniu  otrzymujemy  następującą 

postać  równania  wejście  -  wyjście  (rów. 

różniczkowe I rzędu):

przy czym:

Jeżeli  jako  sygnał  wyjściowy  przyjmiemy  i(t)  to 

równanie wejście - wyjście ma postać:

lub

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

35

Równanie różniczkowe(10)

Przykład:  równanie  wejście  -  wyjście  układu 

masa - sprężyna

Sygnałem  wejściowy  (wymuszeniem)  jest  siła 

f(t),  a  sygnałem  wyjściowym  (odpowiedzią) 

przesunięcie  x(t).  Na  podstawie  zasad  fizyki 

mamy:

Jest to równanie wejście - wyjście różniczkowe II 

rzędu o współczynnikach:

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

36

Model w przestrzeni stanu(1)

Do opisu własności dynamicznych powszechnie 

jest  stosowany  opis  w  przestrzeni  stanu. 

Schemat  układu  blokowy  można  przedstawić 

jak na rysunku:

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

37

Model w przestrzeni stanu(2)

Gdzie przyjęto następujące oznaczenia:
u(t)- wektor sterowania
x(t)- wektor zmiennych stanu
y(t)- wektor sygnałów wyjściowych
a- macierz stanu
b- macierz wejść
c- macierz wyjść
d- macierz transmisyjna

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

38

Model w przestrzeni stanu(3)

Najprostszym  układem  dynamicznym  jest 

układ stacjonarny, liniowy, o jednym magazynie 

energii  -jednej  zmiennej  stanu  x  i  jednej 

zmiennej wejściowej u. Podstawowym modelem 

matematycznym  takiego  układu  jest  równanie 

stanu:

zadaniach 

automatyki 

najczęściej 

rozpatruje  się  wpływ  sterowania  na  stan  przy 

starcie 

układu 

zerowych 

warunków 

początkowych. 

Zmienna 

dostępna 

dla 

obserwatora  y  może  zależeć  od  stanu  i 

sterowania. Opisujemy to równaniem wyjścia:

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

39

Model w przestrzeni stanu(4)

Układ  posiadający  n  magazynów  energii  i 

podlegający jednemu sterowaniu u można opisać 

układem n równań pierwszego stopnia:

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

40

Model w przestrzeni stanu(5)

i równaniem wyjścia:

lub zwięźlej w zapisie macierzowo-wektorowym:

Przykład:

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

41

Model w przestrzeni stanu(6)

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

42

Transmitancja operatorowa i 

widmowa(1)

Transformacja 

Laplace'a 

przyporządkowuje 

danej  funkcji  czasu  f(t)  funkcję    zmiennej 

zespolonej F(s) określonej wzorem:

gdzie s - zmienna zespolona.

Funkcję F(s) = L{f(t)} nazywa się transformatą 

Laplace'a funkcji f(t). 

Przekształcenie Laplace'a jest przekształceniem 

liniowym, co oznacza, że:

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

43

Transmitancja operatorowa i 

widmowa(2)

Przykłady  obliczania  transformaty  Laplace'a   

podstawowych sygnałów:

Skok jednostkowy

Obliczenia

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

44

Transmitancja operatorowa i 

widmowa(3)

Sygnał sinusoidalny

Obliczenia

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

45

Transmitancja operatorowa i 

widmowa(4)

Transformaty Laplace'a niektórych funkcji:

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

46

Transmitancja operatorowa i 

widmowa(5)

Przykład obliczeń TL dla obwodu RL.

Równanie różniczkowe

pierwszego rzędu:

W  chwili  t=0  obiekt  ten  został  poddany 

działaniu  skokowo  zmiennego  napięciowego 

sygnału wejściowego o przyroście równym 6 V.

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

47

Transmitancja operatorowa i 

widmowa(6)

Warunek początkowy dla stanu tego obwodu w 

chwili t = 0 wynosi:

Sygnałem  wyjściowym  z  tego  obiektu  jest 

przebieg natężenia prądu w obwodzie.

Po 

podstawieniu 

wartości 

liczbowych 

niejednorodne 

równanie 

różniczkowe 

warunkiem  początkowym  i(0)=0.5  przybiera 

postać:

Wyznaczamy 

Transformatę 

Laplace'a 

transformując 

obie 

strony 

równania 

różniczkowego.

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

48

Transmitancja operatorowa i 

widmowa(7)

Obliczenia 

TL  

Ostatecznie 

transformata 

Laplace’a 

poszukiwanego  równania  sygnału  wyjściowego 

wynosi:

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

49

Transmitancja operatorowa i 

widmowa(8)

Posługując 

się 

twierdzeniem 

dotyczącym 

granicznej o wartości końcowej

można  z  równania  transformaty  bezpośrednio 

obliczyć wartość końcową w funkcji czasu

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

50

Równanie wejście - wyjście układu ma postać:

Po 

poddaniu 

powyższego 

równania 

przekształceniu 

Laplace'a 

przy 

założeniu 

zerowych warunków początkowych:

Przekształci  się  ono  w  równanie  operatorowe  o 
postaci:

Transmitancja operatorowa i 

widmowa(9)

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

51

Transmitancja operatorowa i 

widmowa(10)

Stąd:

Ze wzorów wynika definicja funkcji 
operatorowej:

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

52

Transmitancja operatorowa i 

widmowa(11)

Funkcja 

operatorowa 

G(s)

nazywana 

transmitancją  operatorową  obiektu  liniowego, 
jest to stosunek transformaty Laplace'a sygnału 
wyjściowego  (odpowiedzi)  do  transformaty 
Laplace'a  sygnału  wejściowego  (wymuszenia) 
przy zerowych warunkach początkowych. 

Transmitancja  (funkcja)  operatorowa  nie  zależy 
od natury fizycznej obiektu, określa ona jedynie 
związki 

analityczne 

między 

transformatą 

sygnału  wejściowego  U(s)  i  transformatą 
sygnału wyjściowego Y(s). 

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

53

Transmitancja operatorowa i 

widmowa(12)

Jeżeli 

warunki 

początkowe 

równania 

różniczkowego opisującego własności obiektu w 
dziedzinie  funkcji  czasu  są  zerowe  i  obiekt  jest 
opisany  równaniem  różniczkowym  liniowym  to 
transmitancja  operatorowa  nie  zależy  od 
rodzaju ani od przebiegu sygnałów i jest równie 
kompletnym  opisem  własności  dynamicznych 
członu  jak  równanie  różniczkowe  jednorodne 
opisujące  własności  tego  członu  w  dziedzinie 
funkcji czasu.
Mnożąc  transmitancję  operatorową  członu  G(s) 
przez  transformatę  sygnału  wejściowego  U(s) 
otrzymuję 

się 

transformatę 

sygnału 

wyjściowego Y(s)=.G(s)* U(s).

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

54

Transmitancja operatorowa i 

widmowa(13)

Przykład 

wyznaczania 

transmitancji 

operatorowej.

Model pojazdu jednoosiowego pokonującego 

próg o różnej postaci w chwili t = 0 (impuls 

szpilkowy, skok jednostkowy, przebieg liniowo 

narastający, przebieg harmoniczny)

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

55

Transmitancja operatorowa i 

widmowa(14)

Obiekt opisuje zwyczajne równanie różniczkowe 
drugiego  rzędu,  w  którym  funkcje  pionowego 
wychylenia  masy  m  pojazdu  będące  funkcjami 
sygnału  wyjściowego  występują  na  lewej 
stronie  a  zadane  funkcje  czasu  wymuszające 
pionowe  drgania  podłoża  i  będące  zmiennym 
sygnałem wejściowym f(t) występują na prawej 
stronie równania.

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

56

Transmitancja operatorowa i 

widmowa(15)

Po wprowadzeniu do równania ω

0

 lub T

2

oraz D lub T

1

Zapis  równania  różniczkowego  przybiera  inną, 
w pełni równoważną.  

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

57

Transmitancja operatorowa i 

widmowa(16)

 

lub

 

tak 

otrzymanym 

zapisie 

równań 

różniczkowych 

kompletne 

własności 

dynamiczne  tego  przetwornika  drgań  opisują 
tylko  dwie  wielkości  niezależne  od  rodzaju 
sygnałów  wejściowych  i  wyjściowych:  częstość 
kątowa  nie  tłumionych  drgań  własnych  ω

0

  lub 

stała czasowa T

2

 oraz stopień tłumienia drgań D 

lub stała czasowa T

1

.

   

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

58

Transmitancja operatorowa i 

widmowa(17)

Przy 

założeniu 

zerowych 

warunków 

początkowych  po  dokonaniu  Transformaty 
Laplace'a otrzymuje się następujące równania:

A z nich transmitancję operatorową G(s):

   

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

59

Transmitancja operatorowa i 

widmowa(18)

Odpowiedź układu
na impulsowy sygnał 
wejściowy.

   

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

60

Transmitancja operatorowa i 

widmowa(19)

Odpowiedź układu
na skokowy sygnał 
wejściowy.

   

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

61

Transmitancja operatorowa i 

widmowa(20)

Odpowiedź układu
na liniowo narastający 
sygnał wejściowy.

   

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

62

Transmitancja operatorowa i 

widmowa(21)

Odpowiedź układu
na harmoniczny
sygnał wejściowy.

   

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

63

Transmitancja operatorowa i 

widmowa(22)

Przykład:

Jeżeli założymy, że q to wejście a q

2

 wyjście to 

funkcja przejścia ma postać:

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

64

Transmitancja operatorowa i 

widmowa(23)

W  układach  automatyki  mogą  wystąpić  trzy 
elementarne  połączenia  członów:  szeregowe, 
równoległe i z pętlą sprzężenia zwrotnego.

Szeregowe połączenie członów i jego 

transmitancja zastępcza.

   

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

65

Transmitancja operatorowa i 

widmowa(24)

 

Równoległe połączenie członów i jego 

transmitancja zastępcza.

   

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

66

Transmitancja operatorowa i 

widmowa(25)

 

Połączenie członów w układzie sprzężenia 

zwrotnego i jego transmitancja zastępcza.

   

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

67

Transmitancja operatorowa i 

widmowa(26)

Jeżeli  na  wejście  obiektu  liniowego  opisanego 
równaniem  wejście  -  wyjście  podamy  sygnał 
sinusoidalny 

to 

po 

przekształceniach 

otrzymamy:

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

68

Transmitancja operatorowa i 

widmowa(27)

Wielkość  zespoloną  G(jω),    określoną  przez 
stosunek  sinusoidalnego  sygnału  wejściowego 
zapisanego 

postaci 

zespolonej 

do 

sinusoidalnego 

sygnału 

wyjściowego 

zapisanego w postaci zespolonej przy zerowych 
warunkach 

początkowych 

nazywa 

się 

transmitancją 

widmową 

rozpatrywanego 

obiektu. 
Można  interpretować  transmitancję  widmową 
jako powstałą z transmitancji operatorowej G(s) 
przez  podstawienie  zamiast  zmiennej  s, 
zmiennej jω. Gdzie j jest jednostką urojoną, a ω 
jest  liczbą  rzeczywistą  częstotliwością  kątową 
(pulsacją) mierzoną w [rad/s].

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

69

Transmitancja operatorowa i 

widmowa(28)

Transmitancja widmowa określa sposób obróbki 
w  danym  bloku  sygnału  harmonicznego  o 
pulsacji  ω.  Jeżeli  wymuszenie  ma  postać 
u(t)=A

1

(t)sin(ωt)  to  przebieg  odpowiedzi  ma 

postać  y(t)=A

2

(t)sin[(ωt)+φ(ω)],  zatem  moduł 

transmitancji  widmowej  M=A

2

(ω)/A

1

(ω)  określa 

wzmocnienie  sygnałów  harmonicznych,  a 
argument 

φ(ω) 

przesunięcie 

fazy 

tych 

sygnałów.

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

70

Transmitancja operatorowa i 

widmowa(29)

Zachodzą relacje:

Iloczynom 

modułów, 

występującym 

szeregowym  połączeniu  członów  odpowiadają 
sumy charakterystyk logarytmicznych.

background image

© UKW, dr ing. Sebastian Kula 2010

Podstawy Automatyki

71

Thank you !

Vielen Dank !

Cпасибо !

Dziękuje !


Document Outline