POLITECHNIKA ŚWITOKRZYSKA
w Kielcach
WYDZIAA MECHATRONIKI I BUDOWY MASZYN
ZAKAAD MECHATRONIKI
LABORATORIUM PODSTAW AUTOMATYKI
INSTRUKCJA
ĆWICZENIE LABORATORYJNE NR 2
Temat: Badania symulacyjne podstawowych członów automatyki
(wyznaczanie odpowiedzi na wymuszenie skokowe) cz.2
Opracował:
dr inż. Paweł Aaski
Kielce 2006
Cel Ćwiczenia
Wyznaczyć:
1. Odpowiedz skokową.
2. Charakterystykę amplitudowo częstotliwościową.
3. Charakterystykę fazowo częstotliwościową.
4. Charakterystykę amplitudowo fazową (wykres Nyquista).
5. Składowe rzeczywistą i urojoną transmitancji.
6. Logarytmiczną charakterystykę amplitudowo częstotliwościową.
7. Logarytmiczną charakterystykę fazowo częstotliwościową.
8. Logarytmiczną charakterystykę amplitudowo fazową (wykres Blacka)
dla następujących członów automatyki:
- oscylacyjnego II-go rzędu
- szeregowo połączonych całkującego idealnego z oscylacyjnym II-go rzędu
1. Wyznaczyć odpowiedz y(t) na wymuszenie skokowe członu oscylacyjnego II rzędu.
Zadanie rozwiązać dla następujących danych: T=0,1[s],
1 = 0.01,2 = 0.5, 3 = 1,4 = 10
k=2, ,
x(t) = Xst "1(t) Xst = 1
Transmitancja operatorowa członu oscylacyjnego II-go rzędu
Y (s) k
G(s) = =
2
X (s)
T " s2 + 2 "T " s +1
k
Y (s) = G(s) " X (s) = " X (s)
2
T " s2 + 2 "T " s +1
1
x(t) = xst "1(t) ! X (s) = xst "
s
k 1 k " xst
Y (s) = G(s) " X (s) = " xst " =
2 2
s
T " s2 + 2 "T " s +1 s "(T " s2 + 2 "T " s +1)
Sposób pierwszy: analityczny
Po przejściu z transformaty Laplace a do postaci czasowej y(t) otrzymujemy zależność
Y (s)
opisującą odpowiedz skokową członu oscylacyjnego II-go rzędu
dla <1:
Ą# ń# Ą# ń#
k " xst k " xst
y(t) = L-1[Y (s)] = L-1ó# 2
2
s "(T " s2 + 2 "T " s +1)Ą# = k " xst " L-1ó# s "(T " s2 + 2 "T " s +1)Ą# =
Ł# Ś# Ł# Ś#
Ą# ń#
- "t
2
# ś#Ą#
T
ó#
e t 1-
2 ź#
= y0 + k " xst " " sinś# 1- " + ar ctg
ó#1-
ś# ź#Ą#
2
T
ó# 1-
# #Ą#
Ł# Ś#
t
Ą# ń#
-
ó#1- #1+ t ś# e T Ą#
dla =1:
y(t) = y0 + k " xst " "
ś# ź#
ó# T Ą#
# #
Ł# Ś#
t t
2 2
Ą# 2 2
- "( + -1) - "( - -1)ń#
+ -1
T
ó#1+ - -1 e T Ą#
dla >1:
y(t) = y0 + k " xst " " - " e
2 2
ó# Ą#
2 -1 2 -1
Ł# Ś#
4
3.819
3
y t)
1(
2
x( t)
1
0.176
0
01020304050
0.1 t 50
2.5
2.241
2
y t)
2(
1.5
y t)
3(
y t)
4(
1
x( t)
0.5
0.165
0
0123456
0.01 t 6
Sposób drugi: numeryczny
Y (s) k
G(s) = =
2
X (s)
T " s2 + 2 "T " s +1
2
T " s2 "Y(s)+ 2 "T " s "Y(s)+ Y(s) = k " X (s)
2
d y dy
2
T " + 2 "T " + y = k " x(t)
dt
dt2
2
d y 1 dy 1 k
= -2 " " - y + " x(t)
2 2
T dt
dt2 T T
Wprowadzamy oznaczenie i otrzymujemy układ równań:
y a" y1
ż#dy1
= y2
#
dt
#
#
#dy 2
1 k
2
# - " y2 - " y1 + " x(t)
=
2 2
dt T
# T T
Rozwiązując numerycznie powyższy układ równań wyznaczamy odpowiedz członu
oscylacyjnego II-go rzędu na skok jednostkowy.
1 = 0.01,2 = 0.5, 3 = 1, 4 = 2 .
4
3.819
3
y t)
1(
2
x( t)
1
0.176
0
01020304050
0.1 t 50
2.5
2.241
2
y t)
2(
1.5
y t)
3(
y t)
4(
1
x( t)
0.5
0.165
0
0123456
0.01 t 6
Charakterystyka amplitudowo częstotliwościowa A().
Transmitancja widmowa członu oscylacyjnego II-go rzędu
k k
G( j) = G(s) = =
s= j
2 2
T "( j ")2 + 2 "T " j " +1 1- T "2 + 2 "T " j "
2 2 2
k 1- T "2 - 2 "T " j " k "(1- T " )
= " = +
2 2 2 2
2 2 2 2
1- T " + 2 "T " j " 1- T "2 - 2 "T " j "
(1- T "2) + 4 "T "
- 2k " "T "
j " = P() + j " Q()
2
2 2 2
(1- T "2) + 4 "T "2
gdzie:
2 2
k "(1- T " )
P() = składowa rzeczywista transmitancji widmowej
2
2 2 2 2
(1- T "2) + 4 "T "
- 2k " "T "
Q() = składowa urojona transmitancji widmowej
2
2 2 2 2
(1- T " ) + 4 "T "2
Transmitancja widmowa członu oscylacyjnego II-go rzędu
A() = f ()= G( j) = P() + j " Q() = P2() + Q2() =
2 2
2
# ś# # ś#
k "(1 - T " 2) - 2k " "T " k
ś# ź# ś# ź#
= + =
2 2
ś# 2 2 2 2 2
2 2
(1 - T " 2) + 42T 2 ź# ś#(1 - T " 2) + 42T 2 ź#
# # # # (1 - T " 2) + 42T 2
moduł transmitancji widmowej
120
2.5
100
2
A )
2(
80
1.5
A ) A )
3(
1( 60
1
40
A )
4(
20 0.5
0
0
0 25 50 75 100
0 20 40 60 80 100
Charakterystyka fazowo częstotliwościowa .
()
Argument transmitancji widmowej
Dla II ćwiartki w której
Q() < 0 i P() > 0
Q() # - 2 "T " ś# # 2 "T " ś#
() = f () = arg[G( j)]= arc tg = arc tg ź# -arc tg ź#
ś# = ś#
2 2 2 2
P()
1- T " 1- T "
# # # #
Dla III ćwiartki w której
Q() < 0 i P() < 0
# 2 "T " ś#
() = -Ą - arc tg ź#
ś#
2 2
1- T "
# #
Ć
0
1 1
Ć
2 2
Ć
3 3
Ć 2
4 4
Ć
5 5
Ć
6 6
4
Ć
7 7
Ć
8 8
6
0 10 20 30 40 50
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
0
Ć
1 1
Ć
2 2
1
Ć
3 3
Ć
4 4
Ć
5 5
2
Ć
6 6
Ć
7 7
Ć
8 8
3
0 10 20 30 40 50
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
Charakterystyka amplitudowo fazowa (wykres Nyquista).
Składowa urojona transmitancji widmowej
- 2k " "T "
Q() =
2
2 2
(1- T " 2) + 42T 2
Składowa rzeczywista transmitancji widmowej
2 2
k "(1 - T " )
P() =
2
2 2 2 2 2
(1 - T " ) + 4 T
0
Q( ) 50
100
40 20 0 20 40
P( )
Składowe rzeczywista i urojona transmitancji.
Składowa rzeczywista transmitancji widmowej
2
k "(1-T "2)
P() =
2
2 2
(1-T "2) + 42T 2
Składowa urojona transmitancji widmowej dla 1 = 0.01,2 = 0.5, 3 = 1, 4 = 2
- 2k " "T "
Q() =
2
2 2
(1- T " 2) + 42T 2
50 0
P( ) 0 Q() 50
50
100
0 5 10 15 20
0 5 10 15 20
Logarytmiczna charakterystyka amplitudowo częstotliwościowa.
Lm() = f1 lg() = M () = 20lg A() = 20lg G( j) = 20lg P() + j " Q() =
2 2
k
ś#
# ś# # - k "T " k
= 20lg P2() + Q2() = 20lg + = 20lg
ś# ź# ś# ź#
2 2 2
2 2
# T "2 +1 # # T " +1 #
T " +1
Logarytmiczna charakterystyka fazowo częstotliwościowa.
Dla IV ćwiartki w której
Q() < 0 i P() > 0
Q() - 2 "T " 2 "T "
ś# ś#
() = f2(lg) = arg[G( j)] = ar ctg = arc tg# =
ś# ź# -arc tg#
ś# ź#
2 2
P()
# 1- T "2 # #1- T "2 #
Dla III ćwiartki w której
Q() < 0 i P() < 0
Q() 2 "T "
ś#
() = f2(lg) = arg[G( j)] = ar ctg = -Ą + arc tg#
ś# ź#
2 2
P()
#1- T " #
Logarytmiczna charakterystyka amplitudowo fazowa (wykres Blacka).
Logarytmiczna charakterystyka modułu
Lm()= f1(lg)= M ()= 20lg() = 20lg G( j) = 20lg P() + j " Q() =
2 2
2
# ś# # ś#
k "(1 - T " 2) - 2k " " T "
ś# ź# ś# ź#
= 20lg P2() + Q2() = 20lg + =
2 2
ś# 2 2 2 2
(1 - T " 2) + 42T 2 ź# ś#(1 - T " 2) + 42T 2 ź#
# # # #
k
= 20lg
2
2 2
(1 - T " 2) + 42T 2
Logarytmiczna charakterystyka fazy
Dla IV ćwiartki w której
Q() < 0 i P() > 0
Q() - 2 "T " 2 "T "
ś# ś#
() = f2(lg) = arg[G( j)] = ar ctg = arc tg# =
ś# ź# -arc tg#
ś# ź#
2 2 2
P()
# 1- T " # #1- T "2 #
Dla III ćwiartki w której
Q() < 0 i P() < 0
2 "T "
ś#
() = -Ą + arc tg#
ś# ź#
2
#1- T "2 #
2. Wyznaczyć odpowiedz y(t) na wymuszenie skokowe szeregowo połączonych członów
całkującego idealnego z oscylacyjnym II-go rzędu skokowa.
Zadanie rozwiązać dla następujących danych: T=0,1[s], , k=1,
Tc = 0,1[s] = 0.1
,
x(t) = Xst "1(t) Xst = 1
Transmitancja operatorowa szeregowo połączonych członów całkującego idealnego z
oscylacyjnym II-go rzędu
Y (s) 1 k
G(s) = = "
2
X (s) Tc " s
(T " s2 + 2 "T " s + 1)
Sposób pierwszy: analityczny
k 1
Y (s) = G(s) " X (s) = " X (s)
Tc s "(T 2 " s2 + 2 "T " s +1)"
1
x(t) = xst "1(t) ! X (s) = " xst
s
k 1 k " xst 1
Y (s) = G(s) " X (s) = " X (s) = "
Tc s "(T 2 " s2 + 2 "T " s +1)" Tc s2 "(T 2 " s2 + 2 "T " s +1)
k " xst 1
Po przejściu od transformaty Laplace a
Y (s) = "
Tc s2 "(T 2 " s2 + 2 "T " s +1) do postaci
czasowej otrzymujemy zależność opisującą odpowiedz skokową członu oscylacyjnego II-go
rzędu
Ą#k " xst ń# ń#
1 k " xst Ą# 1
y(t) = L-1[Y (s)] = L-1ó# "
2
Tc Tc Ł# 2
s2 "(T " s2 + 2 "T " s +1)Ą# = " L-1ó# s2 "(T " s2 + 2 "T " s +1)Ą#
Ł# Ś# Ś#
1
Transformaty
2
s2 "(T " s2 + 2 "T " s +1) nie ma w tablicach transformat. Rozkładamy ją więc
na ułamki proste.
1 A B C
+
2 2 2
s2 "(T " s2 + 2 "T " s +1)= s2 s "(T " s2 + 2 "T " s +1)+ T " s2 + 2 "T " s +1
2
Mnożymy lewą i prawą stronę przez
s2 "(T " s2 + 2 "T " s +1)
2
1 = A "(T " s2 + 2 "T " s +1)+ B " s + C " s2
2
1 = (A "T + C) " s2 + (A " 2 "T + B)" s + A
2
0 " s2 + 0 " s1 +1" s0 = (A "T + C) " s2 + (A " 2 "T + B)" s1 + A " s0
ż#0 = A "T 2 + C
#
#0 = A " 2 "T + B
#1 = A
#
2
Stąd A=1, B= - 2T - T
, C=
ń#
k " xst Ą# A B C
Y (s) = " + =
ó# Ą#
2 2
Tc Ł#s2
s "(T " s2 + 2 "T " s +1)+ T " s2 + 2 "T " s +1Ś#
2
ń#
k " xst Ą# 1 - 2T - T
= " +
ó# Ą#
2 2
Tc ó# 2
T " s2 + 2 "T " s +1Ś#
Ą#
Ł#s s "(T " s2 + 2 "T " s +1)+
Korzystamy z tablic transformat Laplace a:
ń#
k " xst Ą# 1
y(t) = " L-1ó# 2 2 =
Tc Ł#s "(T " s2 + 2 "T " s + 1)Ą#
Ś#
2
ń#
k " xst Ą# 1 - 2T - T
= " L-1ó# + =
Ą#
Tc ó# s2 s "(T 2 " s2 + 2 "T " s + 1)+ 2 " s2 + 2 "T " s + 1Ś#
T
Ą#
Ł#
"t
ż# #
Ą# 2 ń#
# ś#
-
t 1 -
2 ź#Ą# +#
#t - 2 "T " - 1 e T
ó#1
" " sinś# 1 - " + ar ctg
ś# ź#Ą# #
# 2
ó# T
1 -
# #
Ł# Ś#
#
k " xst #
# #
= y0 + "
# Ź#
Tc #
#
"t
-
T t
# ś# #
2
T
" e " sin# 1 - "
ś# ź#
#- #
2
T
# #
1 -
# #
# #
20
16
12
y(t)
x(t)
8
4
0 0.5 1 1.5 2
t
Drugi sposób: numeryczny
(T2 "Tc " s3 + 2 "T "Tc " s2 +Tc " s)"Y(s) = k " X(s)
3 2
d y d y dy
2
T " Tc " + 2 "T "Tc " + Tc " = k " x(t)
dt3 dt2 dt
3 2
d y 2 d y 1 dy k
= - " - " + " x(t)
2 2
dt3 T dt2 T dt T "Tc
Wprowadzamy oznaczenie: i otrzymujemy układ równań:
y a" y1
ż#dy1
= y2
#
dt
#
#
#dy
#
2
= y3
#
dt
#
#
#dy 2 1
k
3
#
= - " y3 - " y2 + " x(t)
2 2
#
dt T T T "Tc
#
Rozwiązując numerycznie powyższy układ równań wyznaczamy odpowiedz szeregowo
połączonych członów całkującego idealnego z oscylacyjnym II-go rzędu na skok
jednostkowy.
Charakterystyka amplitudowo częstotliwościowa A().
Transmitancja widmowa członu oscylacyjnego II-go rzędu
1 k k
G( j) = G(s) = " =
s= j
2 3 2
2
Tc " s (T " s2 + 2 "T " s + 1)=
T "Tc "( j " ) + 2 "T "Tc "( j " ) + Tc " j "
k k
=
2 2
- 2 "T "Tc " 2 + j "(Tc " - T "Tc " 3)= - 2 "T "Tc " 2 + j "Tc " (1 - T " 2)"
2
- 2 "T "Tc " 2 - j " Tc " "(1 - T " 2)= - 2k " "T "Tc " 2
+
2 2
2 2
- 2 "T "Tc " 2 - j "Tc " (1 - T " 2)
42 "T "Tc2 " 4 + Tc2 " 2 "(1 - T " 2)
2
- k "Tc " "(1 - T " 2)
+ j " = P() + j " Q()
2
2 2
42 "T "Tc2 " 4 + Tc2 " 2 "(1 - T " 2)
gdzie:
- 2k " "T "Tc " 2
P() = składowa rzeczywista transmitancji
2
2 2
42 " T "Tc2 " 4 + Tc2 " 2 "(1 - T " 2)
widmowej
2
- k "Tc " "(1 - T " 2)
Q() = składowa urojona transmitancji widmowej
2
2 2
42 "T "Tc2 " 4 + Tc2 " 2 "(1 - T " 2)
A() = f ()= G( j) = P() + j " Q() = P2() + Q2() =
2 2
2
# ś# # ś#
- 2k " "T "Tc " 2 - k "Tc " "(1 - T " 2)
ś# ź# ś# ź#
= + =
2 2
ś# 2 2 ź# ś# 2 2 ź#
42 "T "Tc2 " 4 + Tc2 " 2 "(1 - T " 2) 42 "T "Tc2 " 4 + Tc2 " 2 "(1 - T " 2)
# # # #
k
=
2
2 2
42 "T "Tc2 " 4 + Tc2 " 2 "(1 - T " 2)
moduł transmitancji widmowej
100
A( ) 50
0
0 10 20 30
Charakterystyka fazowo częstotliwościowa .
()
Argument transmitancji widmowej
#1- T 2 "2 ś#
Q()
ź#
() = arc tg = arc tgś#
ś# ź#
P() 2 "T "
# #
Dla III ćwiartki w której
Q() < 0 i P() < 0
#1- T 2 "2 ś#
ź#
() = -Ą + arc tgś#
ś# ź#
2 "T "
# #
Dla IV ćwiartki w której
Q() > 0 i P() < 0
#1- T 2 "2 ś#
ź#
() = -Ą - arc tgś#
ś# ź#
2 "T "
# #
1
2
Ć( ) 3
4
5
0 10 20 30
Charakterystyka amplitudowo fazowa (wykres Nyquista).
Składowa urojona transmitancji widmowej
2
- k "Tc " "(1 - T " 2)
Q() =
2
2 2
42 "T "Tc2 " 4 + Tc2 " 2 "(1 - T " 2)
Składowa rzeczywista transmitancji widmowej
- 2k " "T "Tc " 2
P() =
2
2 2
42 "T "Tc2 " 4 + Tc2 " 2 "(1 - T " 2)
0
Q( )100
200
10 8 6 4 2 0
P( )
Składowe rzeczywista i urojona transmitancji.
Składowa rzeczywista transmitancji widmowej
- 2k " "T "Tc "2
P() =
2
2 2 2
4 "T "Tc2 "4 + Tc2 "2 "(1- T "2)
Składowa urojona transmitancji widmowej
2 2
- k "Tc " "(1 - T " )
Q() =
2
2 2 4 2 2 2
4 "T "Tc2 " + Tc2 " "(1 - T " )
Logarytmiczna charakterystyka amplitudowo częstotliwościowa.
Lm()= f1 lg()= M ()= 20lg A() = 20lg G( j) = 20lg P() + j " Q() =
= 20lg P2() + Q2() =
2 2
2
# ś# # ś#
- 2k " "T " Tc " 2 - k " Tc " "(1 - T " 2)
ś# ź# ś# ź#
= 20lg + =
2 2
ś# 2 2 ź# ś# 2 2 ź#
42 "T "Tc2 " 4 + Tc2 " 2 "(1 - T " 2) 42 "T " Tc2 " 4 + Tc2 " 2 "(1 - T " 2)
# # # #
k
= 20lg
2
2 2
42 "T "Tc2 " 4 + Tc2 " 2 "(1 - T " 2)
60.000009100
50
0
L() 50
100
150
179.999991
200
0.01 0.1 1 10 100 1 103 1 104
0.01 4
.
110
Logarytmiczna charakterystyka fazowo częstotliwościowa.
Dla III ćwiartki w której
Q() < 0 i P() < 0
#1- T 2 "2 ś#
Q()
ź#
() = f2(lg) = arg[G( j)] = arc tg = -Ą + arc tgś#
ś# ź#
P() 2 "T "
# #
Dla IV ćwiartki w której
Q() > 0 i P() < 0
#1- T 2 "2 ś#
Q()
ź#
() = f2(lg) = arg[G( j)] = arc tg = -Ą - arc tgś#
ś# ź#
P() 2 "T "
# #
Ą
2
2
3
Ć()
4
3
.Ą
2
0.01 0.1 1 10 100 1 103 1 104
0.01 4
.
110
Logarytmiczna charakterystyka amplitudowo fazowa (wykres Blacka).
Logarytmiczna charakterystyka modułu
Lm()= f1(lg )= M ()= 20lg() = 20lg G( j) = 20lg P() + j " Q() =
= 20lg P2() + Q2() =
2 2
2
# ś# # ś#
- 2k " "T "Tc " 2 - k "Tc " "(1 - T " 2)
ś# ź# ś# ź#
= 20lg + =
2 2
ś# 2 2 ź# ś# 2 2 ź#
42 "T "Tc2 " 4 + Tc2 " 2 "(1 - T " 2) 42 "T " Tc2 " 4 + Tc2 " 2 "(1 - T " 2)
# # # #
k
= 20lg
2
2 2
42 "T "Tc2 " 4 + Tc2 " 2 "(1 - T " 2)
Logarytmiczna charakterystyka fazy
Dla III ćwiartki w której
Q() < 0 i P() < 0
#1- T 2 "2 ś#
Q()
ź#
() = f2(lg) = arg[G( j)] = arc tg = -Ą + arc tgś#
ś# ź#
P() 2 "T "
# #
Dla II ćwiartki w której
Q() > 0 i P() < 0
#1- T 2 "2 ś#
Q()
ź#
() = f2(lg) = arg[G( j)] = arc tg = -Ą - arc tgś#
ś# ź#
P() 2 "T "
# #
100
100
0
( )
Lm
100
-170
4.5 4 3.5 3 2.5 2
( )
3 Ć Ą
- "Ą -
2 2
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
Podstawy automatyki nr 1podstawy automatyki ćwiczenia lista nr+podstawy automatyki ćwiczenia lista nr:podstawy automatyki ćwiczenia lista nr=Sprawozdanie z laboratorium nr 2 z Podstaw Automatykipodstawy automatyki ćwiczenia lista nr,podstawy automatyki ćwiczenia lista nr*podstawy automatyki ćwiczenia lista nr;podstawy automatyki ćwiczenia lista nr[podstawy automatyki ćwiczenia lista nrpodstawy automatyki ćwiczenia lista nrpodstawy automatyki ćwiczenia lista nrpodstawy automatyki ćwiczenia lista nrpodstawy automatyki ćwiczenia lista nr<podstawy automatyki ćwiczenia lista nrszafran,podstawy automatyki, elementy wykonawczeKurs podstawowy Test Nr 1 Pwięcej podobnych podstron