plik


ÿþWOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA im. JarosBawa Dbrowskiego ZAKAAD AWIONIKI I UZBROJENIA LOTNICZEGO Przedmiot: PODSTAWY AUTOMATYKI (studia stacjonarne I stopnia) WICZENIE RACHUNKOWE Nr 1 CHARAKTERYSTYKI STATYCZNE UKAADÓW AUTOMATYCZNEJ REGULACJI Warszawa 2013 WICZENIE RACHUNKOWE NR 1 Temat: Charakterystyki statyczne ukBadów automatycznej regulacji Podczas wiczenia poruszane bd nastpujce zagadnienia: ·ð linearyzacja równaD opisujcych zachowanie si nieliniowego elementu automatycznej regulacji; ·ð wyznaczenie charakterystyki statycznej ukBadu automatycznej regulacji. 1. Wiadomo[ci ogólne Aby dokona analizy elementów i ukBadów automatyki nale|y je scharakteryzowa za pomoc dostpnych metod  opisowo, analitycznie, graficznie, itp. W tym celu nale|y opisa zjawiska fizyczne zachodzce w analizowanym ukBadzie oraz jego wBa[ciwo[ci. Jednak zazwyczaj ukBady rzeczywiste s bardzo zBo|one i okre[lenie ogólne wszystkich wBa[ciwo[ci mo|e by trudne lub nawet niemo|liwe. W takim przypadku nale|y poczyni ró|nego rodzaju zaBo|enia upraszczajce, czyli nale|y ustali które elementy ukBadu, jakie zjawiska i parametry oraz jakie ich zakresy s istotne z punktu widzenia sterowania. Opracowany w ten sposób opis zachowania si pojedynczych elementów lub caBych ukBadów automatyki nazywamy modelem matematycznym elementu lub ukBadu automatyki. Modele te mog by przedstawione za pomoc: ·ð równanie lub ukBad równaD algebraicznych, ró|niczkowych, ró|nicowych, caBkowych, itp.; ·ð transmitancja operatorowa i widmowa; ·ð model ukBadu w przestrzeni stanów; ·ð charakterystyki czasowe i czstotliwo[ciowe; ·ð charakterystyk statycznych i dynamicznych. Charakterystyk statyczn ukBadu nazywamy zale|no[ sygnaBu wyj[ciowego w funkcji sygnaBu wej[ciowego w stanie ustalonym, tzn. gdy pochodne zmiennych (wspóBrzdnych) ukBadu wzgldem czasu s równe zeru (po zanikniciu procesu przej[ciowego dla t’!"). Linearyzujc ukBady zBo|one nale|y rozpatrzy charakterystyki statyczne poszczególnych elementów ukBadu. Linearyzacja jest procesem tworzenia modelu liniowego, który aproksymowaBby model nieliniowy. Tak wic, linearyzacja polega na znalezieniu takich liniowych równaD ró|niczkowych, które z pewnym przybli|eniem opisuj wBasno[ci analizowanego ukBadu dla niewielkich zmian sygnaBów wokóB ich warto[ci ustalonej. 2 Po one zostan ody linearyz odczas wiczeD omówio  dwie meto zacji: 1. linearyzacja statyczna która dotyczy uk tomatyki l a a, d kBadów aut o nieliniowym ami algebraicznymi; opisanych n mi równania 2. linearyzacja dynamic doty Badów aut l a czna yczca ukB tomatyki o nieliniowym ami ró|niczk opisanych n mi równania kowymi. 2. Linea atyczna aryzacja sta Niec dzie zale|no o ale|no[ci ch dana bd o[ y=f(x). Graficzny obraz tej za przedsta awia rys.1. Proc a na: ces linearyzacja polega ·ð sieniu ukBad dnych do punktu pracy ·ð przenies du wspóBrz y; ·ð eniu naBów w opisie matema ·ð zastpie sygn w atycznym odchyleniami tych warto[ci w punkcie pra acy; ·ð eniu krzywej ujcej zale| ) styczn ·ð zastpie ej reprezentu |no[ y=f(x) do niej w pracy. w punkcie p W przypadku kilku sygnaB owych, na przykBad y= p k aBów wej[cio =f(x1,x2), wtedy: éð ùð éð ùð éð ùð ¶ðf (ðx1, x2 )ð ¶ðf (ðx1, x2 )ð ¶ð Dðy =ð ×ð Dðx1 +ð ×ð Dðx2 (1) êð êð ¶ðx1 úð ¶ðx2 úð ëð ûð ëð ûð ëð ûð x10 x20 Analogi y=f(x1,x2,& icznie, gdy y & ,xn), wtedy: éð ùð éð ùð ¶ðf (ðx1, x2,..., xn)ð ¶ðf (ðx1, x2,..., xn)ð x Dðy =ð ×ð Dðx1 +ð ... +ð ×ð Dðxn (2) Dðy Dð êð êð ¶ðx1 úð ¶ðxn úð ¶ð ëð ûðx ëð ûðx 10 n 0 0 Rys.1. Linea yczna funkcji aryzacja staty i PrzykBad d 1. Charakterystyk elementu opisywane funkcj Y=X2 prze ego  edstawia rys.2. ZakBadajc, |e zakres z w ktu Z zmienno[ci sygnaBów wokóB punk pracy Xi, Yi jest maBy, równanie nieliniowe zastpuje si przyb j e e bli|onym równani liniowy uzyskuj za cen wprowadz przyb iem ym, jc  zenia bli|onego 3 opisu matematycz mo| a a znego |liwo[ zastosowania teorii ukBadów liniowyc ch. Rys.2. Lin nkcji Y=X2 nearyzacja fun Jak pokazano na rys.2, wy p y rysujemy n wybieramy punkt pracy (Xi, Yi) i r styczn do krzywej w tym punk trujc ten punkt otrzym kcie. Rozpat mamy: Y Y =ð Yi +ð y +ð eð »ð Yi +ð y (3) y dY =ð - nac punkcie (Xi,Yi) (4) chylenie w p , x dX i std: dY d 2 x )ð y =ð x =ð (ðX )ð x =ð 2Xix (5) dX dX i i zatem: Y Y =ð Yi +ð 2Xix (6) Czs wamy poczt wspóBrzdny ktu pracy sto przesuw tek ukBadu w ych do punk (poBo|en wagi) okre[lo z wspóBrzd nia równow onego przez dne (Xi, Yi). 3. Linea ynamiczna aryzacja dy 4 Jedn z metod sprowad równ nielini n d dzania naD iowych do postaci równaD liniowych j ji dynamicz polega na jest metoda linearyzacj znej, która p zapisani a nieliniowe szeregiem T otoczeniu iu równania ego ukBadu s Taylora w o punktu p ktem tym jes lony (równo pracy. Punk st stan ustal owagi). Przy zaBo|eniu |e odchy od punktu pra jest nie y u, ylenie p acy ewielkie, mo|na w Taylora pom w których w szeregu T min cz[ nieliniow (wyrazy, w wystpu wy|sze pochodne jako do trzymane uj e e) ostatecznie maB. Ot równani jest równ linio któr opisuje dynamik u w ie naniem owym, re d ukBadu punkcie pracy oraz ewielkim otoczeniu, poniewa| ni z w jego nie o ieliniowe charakte atyczne zast tycznymi do nich w p erystyki sta tpili[my st d punktach pracy. Czs charakt statyczne wystpuj w postaci rodziny sto terystyki s w w charakte w y est  erystyk, wtedy, gdy charakterystyka je funkcj wielu zmienny np. moment obro silni elektryc jest funkcj ych, otowy ika cznego t dwóch podstawow wielko a mia n erujcego wych o[ci, anowicie napicia ste prac sil ego prdko[ wej M=f(U,n lnika oraz je [ci obrotow n). Line u |one |y zy kterystyki earyzujc ukBady zBo| nale| rozpatrz charakt statyczn mentów ukBa ne poszczególnych elem adu. Ry a charakterys ych ys.3. Rodzina styk statyczny dw silnika elektry U,n). wufazowego s ycznego M(U Uogólni dur lineary i funkcja: iajc proced yzacji: je|eli &ð &ð ., F(ðy, y,... y(ðn)ð,u,u,...,u(ðm)ð)ð=ð 0 (7) jest cig i ró|ni m ych gBa iczkowalna wzgldem wszystkich zmiennyc i ich pochodn czeniu punk ównowagi), nych w otoc ktu pracy (ró , to: &ð (ð y =ð y0, (ðy)ð =ð 0...(ðy(ðn)ð)ð =ð 0 0 0 (8) &ð u u =ð u0, (ðu)ð =ð 0...(ðu(ðm)ð)ð =ð 0 0 0 5 F(ðy0,u0)ð=ð 0 (9) Rozwijamy funkcj po lewej stronie równania (7) w szereg Taylora: &ð &ð F(ðy, y,..., y(ðn)ð,u,u,...,u(ðm)ð)ð=ð ¶ðF ¶ðF ¶ðF &ð =ð F(ðy0,u0)ð+ð Dðy +ð Dðy +ð ...+ð Dðy(ðn)ð +ð (10) &ð ¶ðy ¶ðy ¶ðy(ðn)ð 0 0 0 ¶ðF ¶ðF ¶ðF &ð +ð Dðu +ð Dðu +ð ...+ð Dðu(ðm)ð +ð Rn &ð ¶ðu ¶ðu ¶ðu(ðm)ð 0 0 0 gdzie: ¶ðF , Kð, itd. - pochodne czstkowe w punkcie równowagi; ¶ðy 0 &ð Dðy, Dðy, Kð, itd.- przyrosty sygnaBów i ich pochodnych wzgldem czasu, liczone w odniesieniu do punktu równowagi oznaczonego umownie przez 0: &ð &ð &ð Dðy =ð y -ð y0, Dðy =ð y -ð y0, Kð &ð &ð &ð Dðu =ð u -ð u0, Dðu =ð u -ð u0, Kð Rn  reszta nieliniowa równa sumie wyrazów szeregu Taylora zawierajcych pochodne czstkowe rzdu drugiego. Gdy rozwa|ymy zachowanie si elementu przy niewielkim odchyleniu od poBo|enia równowagi, to przyrosty sygnaBów i ich pochodnych s niewielkie, dlatego w przybli|eniu mo|na pomin wyrazy zawierajce iloczyny przyrostów oraz te przyrosty w potgach drugiej i wy|szej, a zatem mo|na przyj, |e Rn=0. Wtedy po uwzgldnieniu równaD (7) i (9) otrzymamy z równania (10): ¶ðF ¶ðF ¶ðF &ð Dðy +ð Dðy +ð...+ð Dðy(ðn)ð +ð &ð ¶ðy ¶ðy ¶ðy(ðn)ð 0 0 0 (11) ¶ðF ¶ðF ¶ðF &ð +ð Dðu +ð Dðu +ð...+ð Dðu(ðm)ð =ð 0 &ð ¶ðu ¶ðu ¶ðu(ðm)ð 0 0 0 Je|eli ukBad jest stacjonarny, to w punkcie pracy odpowiadajcym punktowi równowagi, pochodne czstkowe wystpujce w równaniu (11) s staBe: 6 ¶ðF ¶ðF ¶ðF F a0 =ð , a1 =ð , .. an =ð =ð .., &ð ¶ðy ¶ðy ¶ðy(ðn)ð 0 0 0 ¶ðF ¶ðF ¶ðF F b0 =ð , b1 =ð , ..., bm =ð =ð &ð ¶ðu ¶ðu ¶ðu(ðm)ð 0 0 0 Wów nanie (11) pr osta: wczas równ rzyjmuje po anDðy(ðn)ð +ð an-ð1Dðy(ðn-ð1)ð +ð...+ð a1Dðy +ð a0Dðy =ð Dð Dð &ð y &ð =ð bmDðu(ðm)ð +ð bm-ð1Dðu(ðm-ð1)ð +ð...+ð b1Dðu +ð b0Dðu b m 0 PrzykBad d 2. Opis k ukBadu m na przedstaw sa dynamik masa  tBumik - spr|yn wiony na rys.4. Na rysunku t tawiono rów akterystyki s N tym przedst wnie| chara statyczne siBy bez spr|yny. SygnaBem wej[ciowym jest siBa zwBadno[ci, tBumika i s S w x(t), a sy yj[ciowym p asy y(t). ygnaBem wyj poBo|enie ma Ry  spr|yna i je ystyki statyczn ys.4. UkBad masa  tBumik  ego charaktery ne. Opis ukB dstawie zasa osta: Badu na pod ady d Alamberta ma po &ð&ð &ð jð =ð fm y +ð fb y +ð fc y -ð x t =ð 0 (12) jð =ð (ð )ð (ð )ð (ð )ð (ð )ð (ð gdzie: fm siBa bezwBad dno[ci; f orzona przez t fb  siBa wytwo tBumik; f yny. fc  siBa spr|y Rozp harakterysty statyczn ukBadu mo|emy zap |e patrujc ch yki ne m pisa, funkcja jð jest nieliniow z  &ð&ð &ð liniowym zale|no[ci y , y , y, x (niel równani giego rzdu iem ró|niczkowym drug u): &ð&ð &ð &ð&ð &ð jð éð fm y , fb y , fc y , x t ùð =ð jð y, y, y, x =ð 0 (13) f ùð y (ð )ð (ð )ð (ð )ð (ð )ðûð [ð ]ð ëð ûð Rów (13) jest ogó postac równania (12). W celu wnanie ) óln ci przeprow l i ji emy wadzenia linearyzacji tej funkcj przyjmuje punkt pracy o 7 &ð&ð &ð wspóBrzdnych: y =ð 0, y =ð 0, y = y0, x(t) = x0, tj. stan ustalony w &ð&ð &ð ukBadzie ( y =ð 0, y =ð 0), gdzie poBo|enie masy y0 wynika z dziaBania siBy x0 (w stanie ustalonym równanie (12) ma posta fc=x0). Rozwijajc nieliniow funkcj w szereg Taylora w otoczeniu przyjtego punktu pracy (0, 0, y0, x0) otrzymamy: &ð&ð &ð Dðjð =ð jð Dðy, Dðy, y0 +ð Dðy, x0 +ð Dðx -ðjð 0,0, y0, x0 =ð (ð)ð (ð )ð oooo æð öð æð öð æð öð ¶ðjð ¶ðjð ¶ðjð ¶ðjð æð öð &ð&ð &ð =ð Dðy +ð Dðy +ð Dðy +ð Dðx +ð (14) çð ÷ð çð ÷ð çð ÷ð çð ÷ð &ð&ð &ð ¶ðy ¶ðy ¶ðy ¶ðx èð øð èð øð èð øð èð øð oo o æð öð æð öð æð öð 1 ¶ð2jð 1 ¶ð2jð 1 ¶ð2jð &ð&ð &ð&ð &ð &ð&ð =ðDðy2 +ð DðyDðy +ð DðyDðy +ðKð+ð ÷ð ÷ð &ð&ð &ð&ð &ð &ð&ð 2!çð ¶ðy2 ÷ð 2!çð ¶ðy¶ðy 2!çð ¶ðy¶ðy èð øð èð øð èð øð 1ð4ð4ð4ð4ð4ð4ð4ð4ð4ð4ð4ð2ð4ð4ð4ð4ð4ð4ð4ð4ð4ð4ð4ð4ð 4ð 3ð R o o oo æð æð gdzie: æð ¶ðjð öð ,çð ¶ðjð öð ,çð ¶ðjð öð ,æð ¶ðjð öð - pochodne czstkowe w punkcie pracy; çð ÷ð ÷ð ÷ð çð ÷ð &ð&ð &ð ¶ðy ¶ðy ¶ðy ¶ðx èð øð èð øð èð øð èð øð &ð&ð &ð - odchylenia sygnaBów y , y , y, x od punktu pracy; &ð&ð &ð Dðy,Dðy,Dðy,Dðx Rn  nieliniowa cz[ rozwinicia funkcji jð w szereg Taylora. Z równania (13) wynika, |e lewa strona równania (14) jest równa zeru. Pomijajc nieliniow cz[ szeregu Taylora Rn jako dostatecznie maB otrzymamy równanie ró|niczkowe liniowe postaci: oooo æð öð æð öð æð öð ¶ðjð ¶ðjð ¶ðjð ¶ðjð æð öð &ð&ð &ð Dðy +ð Dðy +ð Dðy +ð Dðx =ð 0 (15) çð ÷ð çð ÷ð çð ÷ð çð ÷ð &ð&ð &ð ¶ðy ¶ðy ¶ðy ¶ðx èð øð èð øð èð øð èð øð Podane wy|ej rozwa|ania mo|na Batwo uogólni na przypadek ukBadu o dowolnej liczbie wej[ i opisanego równaniem dowolnego rzdu. W tym przypadku, obliczajc pochodne czstkowe poprzez ró|niczkowanie równania (12) oraz wykre[lajc styczne w punkcie pracy do charakterystyk statycznych (rys.4) otrzymamy: oo æð öð æð dfm öð Dðfm ¶ðjð =ð =ð =ð m çð ÷ð çð ÷ð &ð&ð &ð&ð &ð&ð ¶ðy dy Dðy èð øð èð øð oo æð öð æð dfb öð Dðfb ¶ðjð =ð =ð =ð b0 (16) çð ÷ð çð ÷ð &ð&ð &ð ¶ðy dy Dðy èð øð èð øð oo æð öð æð dfc öð Dðfc ¶ðjð =ð =ð =ð c0 çð ÷ð çð ÷ð ¶ðy dy Dðy èð øð èð øð 8 oo ¶ðjð dx æð öð æð öð =ð -ð =ð -ð1 çð ÷ð çð ÷ð ¶ðxdx èð øð èð øð gdzie: m  masa ukBadu, w tym przypadku jest ona staBa i dlatego charakterystyka Fm(y) jest linia prost; b0  wspóBczynnik tBumienia tBumika w punkcie y=0; c0  wspóBczynnik spr|yny w punkcie y=y0. ¶ð W równaniach (16) pochodne czstkowe zastpili[my ¶ð d &ð&ð &ð pochodnymi , poniewa| funkcje fm y , fb y , fc y i x(t) s (ð )ð (ð )ð (ð )ð d funkcjami jednej zmiennej. Wprowadzajc powy|sze oznaczenia otrzymamy zlinearyzowane równania ró|niczkowe opisujce dynamik ukBadu masa  tBumik  spr|yna w postaci: 2 d Dðy dDðy m +ð b0 +ð c0Dðy =ð Dðx (17) dt2 dt gdzie: Dðy i Dðx odchylenia zmiennych y i x od punktu pracy. W omawianym przykBadzie linearyzacj mo|na przeprowadzi pro[ciej linearyzujc kolejno wyrazy równania (12), to znaczy funkcje &ð&ð &ð fm y , fb y , fc y . Rozpisujc powy|sze funkcje w szereg Taylora i (ð )ð (ð )ð (ð )ð pomijajc nieliniow cz[ tego szeregu otrzymamy bezpo[rednio: o 2 æð dfm öð d Dðy &ð&ð &ð&ð Dðfm y =ð Dðy =ð m (ð )ð çð ÷ð &ð&ð dy dt2 èð øð o æð dfb öð dDðy &ð&ð Dðfb y =ð Dðy =ð b0 (18) (ð )ð çð ÷ð &ð dy dt èð øð o æð dfc öð Dðfc y =ð Dðy =ð c0Dðy (ð )ð çð ÷ð dy èð øð o dx æð öð Dðx t =ð Dðx =ð Dðx (ð )ð çð ÷ð dx èð øð Podstawiajc równanie (18) do równania (12) otrzymamy równanie zlinearyzowane postaci: 2 d Dðy dDðy m +ð b0 +ð c0Dðy =ð Dðx (19) dt2 dt 9 czyli tak sam posta j w pop mawianej m i m jak przednio om metodzie (równan nie 17). PrzykBad d 3. Jako przykBad na linearyz ukBad nieliniow niech posBu|y o zacj du wego h zbiornik w wypBy swobodnym cieczy. Schemat opisy k ywem ywanego elementu pokazano na rys.3.3 gdzie syg j[ciowymi s Q1  u o 3, gnaBami wej s: nat|eni zbiornika or ierzchnia pr ie dopBywu cieczy do z raz f  powi rzepBywu przez za owym jest h  poziom c orniku. awór, sygnaBem wyj[cio cieczy w zbio W st ustalonych z iomu cieczy ku mo|na tanach nieu zmiany pozi y w zbiornik opisa z równania: za pomoc r dh A =ð Q1 -ð Q2 (20) A Q dt gdzie: A  ia przekroju po zbiornika;  powierzchni oprzecznego z Rów mówi, |e zmi biorniku jes wnanie to m iana ilo[ci cieczy w zb st równa ró|nicy nat|enia dopBywu Q1 i nat| wypB Q2 c ze |enia Bywu cieczy zbiornik ka. Rys.5 swobodnym c 5. Zbiornik z wypBywem s cieczy. Je[li my równani ego dla prze i rozpatrzym ie Bernoulie ekrojów 1-1 i 2-2: V12 p1 V22 p2 p +ð +ð +ð h =ð +ð +ð 0 (21) 2g gð 2g gð gð przyj = p2 (ci[nie feryczne), yjmujc prdko[ V1 = 0 oraz p1 = enie atmosfe otrzyma amy: V2 =ð 2gh (22) poni iewa|: 10 Q2 =ð fV2 =ð f 2gh (23) Wstawiajc równanie (23) do równania (20) otrzymamy; dh A =ð Q1 -ð f 2gh (24) dt Równanie (24) okre[lajce zachowanie omawianego ukBadu jest równaniem ró|niczkowym nieliniowym, które nale|y zlinearyzowa. Przyjmijmy wspóBrzdne punktu pracy hn, Q1n, fn, w otoczeniu, którego przeprowadzimy linearyzacj. WspóBrzdne punktu pracy wynikaj z równania okre[lajcego stan ustalony w ukBadzie. Stan ustalony w tym przypadku jest okre[lony staBo[ci poziomu cieczy w zbiorniku dh/dt=0. Std z równania (24) wynika, |e równanie opisujce stan ustalony ma posta: Q1 =ð f 2gh (25) Z wymagaD stawianych projektowaniu ukBadu podane bdzie np. |e poziom cieczy w zbiorniku wynosi hn, a nat|enie dopBywu cieczy do zbiornika wynosi Q1n. Z równania (25) mo|emy okre[li powierzchni przepBywu przez zawór fn: Q1n fn =ð (26) 2ghn Przeprowadzajc linearyzacj równania (24) wokóB punktu pracy zastpujemy rzeczywiste wielko[ci wystpujce w równaniu ich przyrostami Dð, std otrzymamy: dDðh A =ð DðQ1 -ð DðQ2 (27) dt W równaniu tym nieliniowo[ ukryta jest w DðQ2, wobec czego wystarczy zlinearyzowa tylko t cz[ równania. Aby zlinearyzowa ukBad rozpiszemy nieliniow funkcj okre[lajc nat|enie wypBywu cieczy Q2=Q2(h, f) w szereg Taylora: ¶ðQ2 ¶ðQ2 1 ¶ð2Q2 1 ¶ð2Q2 DðQ2 =ð Dðh +ð Dðf +ð Dð2h +ð DðhDðf +ð...(28) h=ðhn ¶ðh ¶ðf h=ðhn 2! ¶ðh2 2! ¶ðh¶ðf 4ð2ð4ð4ð4ð4ð4ð4ð f =ð fn 1ð4ð4ð4ð4ð4ð 3ð f =ð fn R 11 gdzie: R  nieliniowa cz[ szeregu Taylora mo|e by pominita, o ile jest dostatecznie maBa. Przyjmujc: ¶ðQ2 ¶ðQ2 =ð a1 =ð a2 (29) h=ðhn ¶ðh ¶ðf h=ðhn f =ð fn f =ð fn i wstawiajc równanie (28) i (29) do równania (27) otrzymamy zlinearyzowane równanie opisujce zachowanie ukBadu: dDðh A +ð a1Dðh =ð DðQ1 -ð a2Dðf (30) dt W równaniu nale|y wyznaczy warto[ci wspóBczynników a1, a2, które mo|na przeprowadzi dwoma metodami: 1. Poniewa| znamy równanie okre[lajce funkcj Q2 = Q2(f, h) mo|emy policzy bezpo[rednio warto[ci tych wspóBczynników obliczajc warto[ci odpowiednich pochodnych czstkowych w punkcie pracy: ¶ðQ2 g a1 =ð=ð fn h=ðhn ¶ðh 2hn f =ð fn (31) ¶ðQ2 a2 =ð=ð 2ghn ¶ðf h=ðhn f =ð fn 2. Gdyby funkcja Q2 = Q2(f, h) nie byBaby znana, to nale|y przeprowadzi odpowiednie pomiary majce na celu okre[lenie zale|no[ci Q2 od f oraz h. PrzykBadowe wyniki pomiarów przedstawione s na rys.6 i rys.7. Po zlinearyzowaniu, tzn. zastpieniu odpowiednich krzywych na rys.6 i rys.7, stycznymi do nich w punkcie pracy oraz okre[leniu ich nachylenia otrzymamy: ¶ðQ2 DðQ2 a1 =ð=ð h=ðhn ¶ðh Dðh f =ð fn ¶ðQ2 DðQ2 a2 =ð=ð ¶ðf Dðf h=ðhn f =ð fn 12 Rys.6. Charakterys na zaworu Q2=Q2(h). styka statyczn 2 Rys.7. Charakterys na zaworu Q2=Q2(f). styka statyczn 2 PrzykBad d 4. Wyz l ane anie ujce chowanie znaczy zlinearyzowa równa opisu zac dwufazo nika ktrycznego nieobci|onego mo owego siln elek omentem zewntrz o momencie be r znym, ezwBadno[ci wirnika równym I. Rodzina charakte ycznych teg odana jest n erystyk staty go silnika po na rys.8. Rys.8. C yki statyczne silnika dwuf Charakterysty fazowego. 13 Równanie opisujce zachowanie si takiego silnika wynika z prawa d Alemberta: &ð I ×ðn =ð M n,U (32) (ð )ð gdzie: M  moment obrotowy silnika; U - napicie zasilajce bdce wielko[ci wej[ciow; n  prdko[ obrotowa silnika bdca wielko[ci wej[ciow; Równanie (32) jest równaniem ró|niczkowym nieliniowym (nieliniowe charakterystyki statyczne  rys.8), które nale|y zlinearyzowa. Przyjmujemy punkt pracy A o wspóBrzdnych n0 i U0, poniewa| w równaniu (32) nieliniowa jest funkcja M(n,U), rozpisujemy j w szereg Taylora: ¶ðM ¶ðM DðM (n,U ) =ð Dðn +ð DðU +ð R (33) n=ðn0 n=ðn0 ¶ðn ¶ðU U =ðU0 U =ðU0 Przechodzc na przyrosty wielko[ci od punktu pracy i przyjmujc, |e R  nieliniowa cz[ szeregu Taylora jest równa zeru, otrzymamy zlinearyzowane równanie opisujce zachowanie omawianego silnika dwufazowego w postaci: ¶ðM ¶ðM &ð IDðn =ð Dðn +ð DðU (34) n=ðn0 n=ðn0 ¶ðn ¶ðU U =ðU0 U =ðU0 Odpowiednio porzdkujc równanie (24) otrzymamy: ¶ðM ¶ðM &ð IDðn -ð Dðn =ð DðU (35) n=ðn0 n=ðn0 ¶ðn ¶ðU U =ðU0 U =ðU0 ¶ðM a dzielc stronami przez otrzymamy: n=ðn0 ¶ðn U =ðU0 &ð TDðn +ðDðn =ð kDðU (36) ¶ðM I ¶ðU gdzie: T =ð ; k =ð ¶ðM ¶ðM -ð-ð ¶ðn ¶ðn 14 Warto[ pochodnych czstkowych wystpujcych we wzorze (33) okre[lamy z charakterystyk statycznych silnika  rys.8. Np. przyjmujc punkt pracy u0 = 80 V, n0 = 500 rad/s oraz I = 0,2·10-6 Ns2m, otrzymamy: ¶ðM DðMU 6×ð10-ð3 -ð1 =ð =ð =ð1,5×ð10-ð4 NmV (37) n=ðn0 ¶ðn DðU 40 U =ðU0 ¶ðM DðMn 1, 2×ð10-ð3 =ð =ð =ð 4×ð10-ð6 Nsm n=ðn0 ¶ðn DðU 300 U =ðU0 Std: 0, 2×ð10-ð6 1,5×ð10-ð4 -ð1 T =ð=ð 0,05 s; k =ð=ð 37,5V s-ð1 4×ð10-ð6 4×ð10-ð6 Podstawiajc obliczone warto[ci do równania (34) otrzymamy ostateczn posta zlinearyzowanego równania opisujcego omawiany ukBad: dDðn 0,05 +ð Dðn =ð 37,5 DðU (38) dt PrzykBad 5. Dany jest obwód elektryczny (rezystor + cewka z rdzeniem) przedstawiony na rys.9. Rys.8. Schemat obwodu elektrycznego. StrumieD magnetyczny dBawika wynosi: ¨ k=const Równanie ukBadu mo|na zapisa: 15 (39) Podstawiajc za Yð(t), otrzymamy: (40) Równanie (40) zapiszemy w ogólnej postaci: , , 0 (40) Przyjmujemy punkt ustalonej pracy przy napiciu u0 i prdzie i0. Nastpnie znajdujemy pochodne czstkowe wzgldem czasu w punkcie pracy: , 0 1 Rozwijajc lew stron równania (40) w szereg Taylora w otoczeniu punktu pracy ustalonej u=u0 i i=i0, otrzymujemy po pominiciu reszty nieliniowej: " " " 0 (41) Po podstawieniu pochodnych czstkowych w punkcie pracy otrzymamy: (42) " " " Przyjmujc Dði=i oraz Dðu=u uzyskujemy: (43) PrzykBad 6. Dokona linearyzacji równania ró|niczkowego (44) w punkcie pracy y0 = 0,5, dy0/dt=1, dy02/dt2=0,4. 16 3 4 3 3 (44) Rozwijamy funkcj po lewej stronie równania (44) w szereg Taylora oraz pomijajc nieliniow cz[ tego rozwinicia otrzymujemy równanie: " " " " " " (45) Obliczajc pochodne czstkowe w punkcie pracy otrzymujemy: 8 3 8" 0,5" 1 " 0,4 3" 0,4 2,08 8 1 8" 0,5 " 1" 0,4 1 1,8 4 6 4" 0,5 " 1 6 " 0,5 " 0,4 2,2 1 1 3 Podstawiajc powy|sze zale|no[ci do równania (45) otrzymujemy zlinearyzowane równanie (44) w przyjtym punkcie pracy: 2,08" 1,8" 2,2" 3" " 3" (45) PrzykBad 7. Równanie (46) opisuje pewien ukBad z jednym wej[ciem x i jednym wyj[ciem y. Nale|y przeprowadzi linearyzacj tego równania wokóB punktu pracy o wspóBrzdnej x0=1. y =ð 2x2 +ð x -ð1 (46) 17 Powy|sze równanie stanowi funkcj dwóch zmiennych f(x,y) speBniajc zale|no[: f (x, y) =ð y -ð 2x2 -ð x +ð1 =ð 0 (47) Punkt pracy jest wic okre[lony przez dwie wspóBrzdne x0, y0. Podstawiajc wspóBrzdn x0=1 do równania (46) otrzymujemy: 2 y0 =ð 2x0 +ð x0 -ð1 Þð y0 =ð 2 (48) Po obliczeniu drugiej wspóBrzdnej punktu pracy mo|na przystpi do linearyzacji, tzn. zastpienia krzywej opisanej równaniem (46) styczn do niej w punkcie pracy (x0, y0). W tym celu rozwija si funkcj f(x, y) w szereg Taylora wokóB punktu (x0, y0) i pomija wyrazy nieliniowe tego rozwinicia: ¶ðf (ðx, y)ð ¶ðf (ðx, y)ð f (x, y) =ð f (x0, y0 ) +ð (ðx -ð x0)ð+ð (ðy -ð y0)ð =ð 0 ¶ðx ¶ðy (ðx0 , y0 )ð (ðx0 , y0 )ð Poniewa| punkt (x0, y0) speBnia równanie (47) wic f(x0, y0)=0. Std powy|sze równanie przyjmuje posta: ¶ðf (ðx, y)ð ¶ðf (ðx, y)ð f (x, y) =ð (ðx -ð x0)ð+ð (ðy -ð y0)ð =ð 0 ¶ðx ¶ðy (ðx0 , y0 )ð (ðx0 , y0 )ð Po wyznaczeniu pochodnych czstkowych w punkcie pracy (x0, y0) oraz zmianie zmiennych x=x-x0 i y=y-y0, co odpowiada przesuniciu ukBadu wspóBrzdnych do punktu pracy uzyskuje si zlinearyzowane równanie wi|ce przyrosty zmiennych i sBuszne w niewielkim otoczeniu punktu (x0, y0): -ð 5Dðx +ð Dðy =ð 0 4. Literatura 1. Zbigniew WAAACH  Cybernetyka techniczna. Cz[ I  Eksploatacja osprztu , WydziaB Wydawniczy WAT, Warszawa 1983 2. Janusz KOWAL  Podstawy automatyki T1 , Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne AGH, Kraków 2004. 3. MichaB BOGACKI, Maciej CHOROWSKI, Ewa ZLIFIRSKA  Zbiór zadaD z podstaw automatyki , Wydawnictwo Politechniki WrocBawskiej, WrocBaw 1988. 18

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Cw 1 charakterystyki statyczne PM S
Cw 2 charakt czasowe czestotliw
Cw 3 charakt czasowe czestotliw PM
Ćw 1(Charakterystyka dynamiczna)
Cw 3 charakt czasowe czestotliw
F 4 Charakterystyki statyczne tranzystora bipolarnego
Charakterystyki statyczne wybranych elementow liniowych
cw 6 charakterystyki
Badanie charakterystyk statycznych
Charakterystyki statyczne tranzystora
Charakterystyki statyczne i skokowe regulatorow pneumatycznych
ćw 7b Statyczna Próba Ściskania Materiałów Sprężysto Plastycznych i Kruchych
charakterystyka statyczna
Charakterystyki statyczne pneumatycznych elementow licz cych

więcej podobnych podstron