Transcript PTS

PODSTAWY TEORII SYSTEMÓW

1.

2.

3.

4.

TWORZENIE MODELI I MODELOWANIE IDENTYFIKACJA I ROZPOZNAWANIE ANALIZA I PROJEKTOWANIE STEROWANIE I KIEROWANIE

POJĘCIE SYSTEMU

IDEA WYODRĘBNIENIA SYSTEMU Z OTOCZENIA IDEA BUDOWY SYSTEMU Z ELEMENTÓW ( PODSYSTEMÓW ) IDEA FUNKCJI SPEŁNIANEJ PRZEZ SYSTEM IDEA OGRANICZONEJ ZMIENNOŚCI SYSTEMU W CZASIE 1. SYSTEM JEST PEWNĄ CAŁOŚCIĄ, W KTÓREJ WSPÓŁDZIAŁAJĄ WYODRĘBNIONE CZĘŚCI SKŁADOWE. 2. FUNKCJONOWANIE SYSTEMU ZALEŻY OD FUNKCJI CZĘŚCI SKŁADOWYCH I ZWIĄZKÓW MIĘDZY NIMI. 3. POWIĄZANIA CZĘŚCI SKŁADOWYCH OKREŚLAJĄ STRUKTURĘ SYSTEMU.

2/56

CELE BUDOWY MODELU SYSTEMU

• • • •

OPIS I WYJAŚNIENIE DZIAŁANIA MECHANIZMU SYSTEMU

MODEL FENOMENOLOGICZNY PRZEWIDYWANIE ZACHOWANIA SIĘ SYSTEMU W PRZYSZŁOŚCI I PRZY RÓŻNYCH WARUNKACH ODDZIAŁYWANIA NA SYSTEM - MODEL PROGNOSTYCZNY WYBÓR WŁAŚCIWYCH ODDZIAŁYWAŃ WEJŚCIOWYCH SPEŁNIAJĄCYCH OKREŚLONE WARUNKI - MODEL DECYZYJNY ( W SZCZEGÓLNOŚCI WYBÓR OPTYMALNY) WYBÓR STRUKTURY LUB PARAMETRÓW SYSTEMU, SPEŁNIAJĄCEGO OKREŚLONE ZADANIA – MODEL NORMATYWNY

3/56

ETAPY MODELOWANIA MATEMATYCZNEGO

• • • • •

SFORMUŁOWANIE CELÓW MODELOWANIA WYBÓR KATEGORII MODELU I OKREŚLENIE JEGO STRUKTURY IDENTYFIKACJA ALGORYTMIZACJA OBLICZEŃ WERYFIKACJA

4/56

MODELEM MATEMATYCZNYM SYSTEMU (OBIEKTU, PROCESU) JEST ZESTAW WZORÓW MATEMATYCZNYCH (OGÓLNIE ZESTAW RELACJI MATEMATYCZNO-LOGICZNYCH) OKREŚLAJĄCYCH ZALEŻNOŚCI POMIĘDZY WYRÓŻNIONYMI WIELKOŚCIAMI.

SĄ TO WIELKOŚCI WEJŚCIOWE I WYJŚCIOWE SYSTEMU, A SYSTEM TAKI NAZYWAMY WZGLĘDNIE ODOSOBNIONYM.

W POJĘCIACH WEJŚCIE I WYJŚĆIE ZAWARTE JEST DOMNIEMANIE O ZWIĄZKU PRZYCZYNOWO-SKUTKOWYM MIĘDZY TYMI WIELKOŚCIAMI, W TYM SENSIE , ŻE ZNAJĄC (OBSERWUJĄC) WEJŚCIE MOŻNA OKREŚLIĆ JAKIE BĘDZIE WYJŚCIE

5/56

WERYFIKACJA MODELU

JEST TO PORÓWNANIE WYNIKÓW MODELOWANIAZ ZACHOWANIEM SIĘ SYSTEMU RZECZYWISTEGOZ PUNKTU WIDZENIA ZGODNOŚCI Z WIEDZĄTEORETYCZNĄ ORAZ BADANIAMI EMPIRYCZNYMI

KRYTERIA

KRYTERIA WEWNĘTRZNE : -ZGODNOŚĆ FORMALNA -ZGODNOŚĆ ALGORYTMICZNA KRYTERIA ZEWNĘTRZNE : -ZGODNOŚĆ HEURYSTYCZNA -ZGODNOŚĆ PRAGMATYCZNA 1.ZGODNŚĆ REPLIKATYWNA 2.ZGODNOŚĆ PREDYKATYWNA 3.ZGODNŚĆ STRUKTURALNA

6/56

DYNAMIKA SYSTEMÓW

SYSTEMY STATYCZNE SYSTEMY DYNAMICZNE WŁASNOŚCI DYNAMICZNE SYSTEMÓW WYNIKAJĄ Z DZIAŁANIA NASTĘPUJĄCYCH OGÓLNYCH ZASAD F I Z Y C Z N Y C H :

PRZY OGRANICZONYCH WYDAJNOŚCIACH ŹRÓDEŁ ,

KAŻDA NIE NIESKOŃCZENIE MAŁA ZMIANA STANU ENERGETYCZNEGO LUB MATERIAŁOWEGO WYMAGA PEWNEGO CZASU (BEZWŁADNOŚĆ=INERCJA)

KAŻDE SKOŃCZONE PRZEMIESZCZENIE SIĘ W PRZESTRZENI

ZJAWISKA MATERIALNEGO WYMAGA PEWNEGO CZASU (OPÓŹNIENIE)

7/56

STAN SYSTEMU DYNAMICZNEGO

JEST TO NAJMNIEJSZA LICZBA DANYCH (WEKTOR STANU) ,

KTÓRYCH ZNAJOMOŚĆ W DANEJ CHWILI, PRZY ZNAJOMOŚCI WIELKOŚCI WEJŚCIOWYCH , POCZĄWSZY OD TEJ CHWILI – POZWALA JEDNOZNACZNIE OKREŚLIĆ STAN I WIELKOŚCI WYJŚCIOWE SYSTEMU W PRZYSZŁOŚCI.

WIELKOŚCI STANU SĄ WIĘC ZMIENNYMI WEWNĘTRZNYMI

SYSTEMU, KTÓRE REASUMUJĄ W SOBIE CAŁĄ PRZESZŁOŚĆ I DETERMINUJĄ JEGO PRZYSZŁOŚĆ.

ZDETERMINOWANIE SYSTEMU WYNIKA Z POSTULATÓW :

PRZYCZYNOWOŚĆZUPEŁNOŚĆ 8/56

UKŁADEM STEROWANIA NAZYWAMY ZESPÓŁ ZŁOŻONY Z OBIEKTU STEROWANIA I URZĄDZENIA STERUJĄCEGO – ODPOWIEDNIO POWIĄZANYCH FUKCJONALNIE ZE SOBĄ.

W OBIEKCIE STEROWANIA WYRÓŻNIAMY :

SYGNAŁY WEJŚCIOWE (STERUJĄCE)SYGNAŁY ZAKŁÓCAJĄCESYGNAŁAY WYJŚCIOWE

SYGNAŁY, NAWET WTEDY, KIEDY SĄ WIELKOŚCIAMI FIZYKALNYMI LUB FIZYKALNIE WYOBRAŻALNYMI, NIE ZAWSZE MOŻNA W DANYM OBIEKCIE WYZNACZYĆ I NIE ZAWSZE MOŻNA ODDZIAŁYWAĆ NA NIE ZA POMOCĄ ROZPORZĄDZALNYCH SYGNAŁÓW STERUJĄCYCH.

SYGNAŁY MOGĄ BYĆ:

MIERZALNE I STEROWALNEMIERZALNE I NIESTEROWALNESTEROWALNE I NIEMIERZALNENIEMIERZALNE I NIESTEROWALNE. 9/56

MODEL MATEMATYCZNY TWORZYMY

NA PODSTAWIE PEŁNEJ ZNAJOMOŚCI ZJAWISK W POSZCZEGÓLNYCH OBIEKTACH ORAZ ICH POWIĄZAŃ MIĘDZY SOBĄ I Z URZĄDZENIAMI STERUJĄCYMI USTALA SIĘ ZALEŻNOŚCI MIĘDZY SYGNAŁAMI WYSTĘPUJĄCYMI W UKŁADZIE.

NA PODSTAWIE CZĘŚCIOWEJ ZNAJOMOŚCI ZJAWISK W SKŁADOWYCH OBIEKTACH I STRUKTURY UKŁADU FORMUŁUJE SIĘ WSTĘPNIE ZWIĄZKI MIĘDZY SYGNAŁAMI. NASTĘPNIE KORYGUJE SIĘ TE ZALEŻNOŚCI NA PODSTAWIE WYNIKÓW UZYSKANYCH EKSPERYMENTALNIE.

W PRZYPADKU NIEPEŁNEJ INFORMACJI A PRIORI O UKŁADZIE LUB BRAKU TEJ INFORMACJI OTRZYMUJE SIĘ DOŚWIADCZALNIE OKREŚLONE DANE I PO ODPOWIEDNIM ICH PRZETWORZENIU TWORZY MODEL MATEMATYCZNY

10/56

I D E N T Y F I K A C J A

OZNACZA WYZNACZENIE MODELU SYSTEMU NA PODSTAWIE BADAŃ EKSPERYMENTALNYCH.

JEST TO OBSZERNY DZIAŁ TEORII I TECHNIKI SYSTEMÓW OBEJMUJĄCY RÓŻNE PROBLEMY, METODY I TECHNIKI DLA RÓŻNYCH PRZYPADKÓW SYSTEMÓW I ICH MODELI.

EFEKTEM KOŃCOWYM JEST A L G O R Y T M I D E N T Y F I K A C J I.

A NA L I Z A

ANALIZA ILOŚCIOWA

ANALIZA JAKOŚCIOWA P R O J E K T O W A N I E (SYNTEZA) MOŻE TO BYĆ PODEJMOWANIE DECYZJI PRZY ZMIENNYCH ZAKŁÓCENIACH MAMY DO CZYNIENIA ZE S T E R O W A N I E M.

11/56

BIEŻĄCE ZMIANY PROJEKTU SPOWODOWANE ZMIANAMI ZAKŁÓCEŃ I POLEGAJĄCE NA WYZNACZANIU ORAZ REALIZACJI UAKTUALNIANYCH DECYZJI NAZYWAMY STEROWANIEM.

W TEN SPOSÓB SYSTEM STERUJĄCY ODDZIAŁYWUJE NA OBIEKT STEROWANIA W OKREŚLONYM CELU, KTÓRYM JEST DOPROWADZENIE WYJŚCIA DO WARTOŚCI ZADANEJ LUB EKSTREMALNEJ ORAZ UTRZYMYWANIE OBIEKTU MOŻLIWIE BLISKO TYCH WARTOŚCI MIMO DZIAŁAJĄCYCH ZAKŁÓCEŃ.

PRZEPIS FORMALNY TO A L G O R Y T M S T E R O W A N I A.

12/56

KLASYFIKACJA UKŁADÓW STEROWANIA:

NA PODSTAWIE WŁASNOŚCI

UKŁADY CIĄGŁE I DYSKRETNEUKŁADY LINIOWE I NIELINIOWEUKŁADY STACJONARNE I NIESTACJONARNEUKŁADY JEDNO I WIELOWYMIAROWEUKŁADY O STAŁYCH SKUPIONYCH I O PARAMETRACH

ROZŁOŻONYCH ZE WZGLĘDU NA ZADANIA

UKŁADY AUTOMATYCZNEJ STABILIZAJI (REGULACJI

STAŁOWARTOŚCIOWEJ)

UKŁADY REGULACJI PROGRAMOWEJUKŁADY NADĄŻNE (ŚLEDZĄCE) 13/56

ZE WZGLĘDU NA RODZAJ PROCESÓW PODLEGAJĄCYCH STEROWANIU

UKŁADY STEROWANIA PROCESÓW JEDNOSTKOWYCHUKŁADY STEROWANIA KOMPLEKSOWEGO

ZE WZGLĘDU NA SPOSÓB REALIZACJI STEROWANIA I MOŻLIWOŚCI DOSTOSOWANIA SIĘ UKŁADÓW DO ZMIENIAJĄCYCH SIĘ WARUNKÓW PRACY

UKŁADY ZWYKŁE (NIEADAPTACYJNE)UKŁADY ADAPTACYJNEUKŁADY OPTYMALNEUKŁADY NIEOPTYMALNE 14/56

METODY OPISU CIĄGŁYCH LINIOWYCH JEDNOWYMIAROWYCH OBIEKTÓW STEROWANIA

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE OPISUJĄCE

JEDNOWYMIAROWE OBIEKTY STEROWANIA ( W SZCZEGÓLNOŚCI RÓWNANIE WE-WY)

ODPOWIEDŹ JEDNOSTKOWA (SKOKOWA)ODPOWIEDŹ IMPULSOWATRANSMITANCJA OPERATOROWATRANSMITANCJA WIDMOWAMETODA PRZESTRZENI FAZOWEJ I PŁASZCZYZNY

FAZOWEJ

METODA ZMIENNYCH STANUCHARAKTERYSTYKI CZĘSTOTLIWOŚCIOWE 15/56

CHARAKTERYSTYKI CZĘSTOTLIWOŚCIOWE:

• • • • • • •

CHARAKTERYSTYKA AMPLITUDOWO-FAZOWA CHARAKTERYSTYKA AMPLITUDOWA CHARAKTERYSTYKA FAZOWA CHARAKTERYSTYKA SKŁADOWEJ RZECZYWISTEJ TRANSMITANCJI CHARAKTERYSTYKA SKŁADOWEJ UROJONEJ TRANSMITANCJI CHRAKTERYSTYKA LOGARYTMICZNA AMPLITUDOWA CHARAKTERYSTYKA LOGARYTMICZNA FAZOWA

16/56

TYPOWE CZŁONY LINIOWE

CZŁON PROPORCJONALNYCZŁON INERCYJNY PIERWSZEGO RZĘDUCZŁON CAŁKUJĄCY IDELNYCZŁON CAŁKUJĄCY Z INERCJĄCZŁON RÓŻNICZKUJĄCYCZŁON RÓŻNICZKUJĄCY Z INERCJĄCZŁON OSCYLACYJNYCZŁON INERCYJNY DRUGIEGO RZĘDUCZŁON OPÓŹNIAJĄCY 17/56

MODEL SYSTEMU PRODUKCYJNEGO

y

1 

y

2 

a

11

x

1 

a

12

x

2

a

21

x

1 

a

22

x

2

x

1 ,

x

2

(STATYCZNY)

ilości surowców przerabianych w dwóch agregatach

y

1 ,

y

2 ilość produktu i koszt produkcji IDENTYFIKACJA wyznaczenie

a

11 ,

a

12 ANALIZA ILOŚCIOWA ,

a

21 ,

a

22 na podstawie układu czterech równań: jeżeli znamy wartości liczbowe parametrów

a

11 ,

a

12 ,

a

21 ,

a

22

y

11

y

12

y

21

y

22 

a

11

x

11 

a

12

x

21 

a

11 

a

21 

a

21

x

12

x x

11 12 

a

12 

a

22 

a

22

x

22

x x

21 22 to wstawiamy dane

x

1 ,

x

2 do modelu i wyliczamy

y

1 ,

y

2 PROJEKTOWANIE – PODEJMOWANIE DECYZJI

y

1 

y

1 można wyliczyć decyzje

x

1 ,

x

2

x

1 

a y

1 * 11

a

22

a

22 

y

* 2

a

12 

a

21

a

12

x

2 

a y

2 * 11

a

11 

a

22 

y

* 1

a

21

a

21

a

12

y

2 

y

* 2 18/56

• C h a r a k t e r y s t k ą ( o d p o w i e d z i ą ) s k o k o w ą h(t) jednowymiarowego układu ( obiektu ) liniowego stacjonarnego nazywać będziemy odpowiedź tego układu na wymuszenie w postaci jednostkowej funkcji skokowej 1( t ) , przy zerowych warunkach początkowych.

2. C h a r a k t e r y s t k ą ( o d p o w i e d z i ą ) impulsową g(t) jednowymiarowego układu ( obiektu ) liniowego stacjonarnego nazywać będziemy odpowiedź tego układu na wymuszenie w postaci funkcji Diraca , przy zerowych warunkach początkowych.

3. T r a n s m i t a n c j ą o p e r a t o r o w ą G( s ) jednowymiarowego układu ( obiektu ) liniowego stacjonarnego nazywać będziemy wielkość określoną jako stosunek transformaty odpowiedzi Y( s ) do transformaty wymuszenia U( s ) tego układu przy zerowych warunkach początkowych G ( s ) = Y ( s ) / U ( s ) 19/56

CZŁON INERCYJNY

Równanie różniczkowe wejście-wyjście:

T

y

k u

k- współczynnik wzmocnienia określony jako stosunek odpowiedzi y do wymuszenia u w stanie ustalonym, T- stała czasowa.

Charakterystyka skokowa:

t h

k

( 1  exp ) 1

T

Odpowiedź impulsowa:

g

k T

exp  

t T

  1

Transmitancja:

G

 1 

k sT

20/56

CZŁON BEZINERCYJNY (proporcjonalny, wzmacniający)

Równanie różniczkowe wejście-wyjście:

y

k u

k- współczynnik wzmocnienia określony jako stosunek odpowiedzi y do wymuszenia u w stanie ustalonym, T- stała czasowa = 0.

Charakterystyka skokowa:

h

k

1  

Odpowiedź impulsowa:

g

k

Transmitancja:

G

k

21/56

CZŁON CAŁKUJĄCY Z INERCJĄ

Równanie różniczkowe wejście-wyjście:

T

y

  

k u

k- współczynnik wzmocnienia prędkościowego określony jako stosunek pochodnej odpowiedzi y do wymuszenia u w stanie ustalonym, T- stała czasowa.

Charakterystyka skokowa:

h

  

k t

k T

( 1  exp

t

)   1  

T

Odpowiedź impulsowa:

g

k

  1  exp

t T

  1  

Transmitancja:

G

   1 

k sT

 22/56

CZŁON CAŁKUJĄCY IDEALNY

Równanie różniczkowe wejście-wyjście:

k u

k- współczynnik wzmocnienia prędkościowego określony jako stosunek pochodnej odpowiedzi y do wymuszenia u w stanie ustalonym, T- stała czasowa = 0.

Charakterystyka skokowa:

h

k T

1  

Odpowiedź impulsowa:

g

k

1  

Transmitancja:

G

k s

23/56

CZŁON RÓŻNICZKUJĄCY Z INERCJĄ (rzeczywisty człon różniczkujący)

Równanie różniczkowe wejście-wyjście:

T

y

k u

k- współczynnik wzmocnienia określony jako stosunek odpowiedzi y do pochodnej wymuszenia u w stanie ustalonym, T- stała czasowa.

Charakterystyka skokowa:

h

k T

exp

t T

1

Odpowiedź impulsowa:

g

k

T

T k

2 exp

Transmitancja:

G

 1 

k s sT T t

1   24/56

CZŁON RÓŻNICZKUJĄCY

Równanie różniczkowe wejście-wyjście:

y

k u

k- współczynnik wzmocnienia określony jako stosunek odpowiedzi y do pochodnej wymuszenia u w stanie ustalonym, T- stała czasowa = 0.

Charakterystyka skokowa:

h

k

Odpowiedź impulsowa:

g

k d

dt

Transmitancja:

G

  

k s

25/56

CZŁON OSCYLACYJNY

Równanie różniczkowe wejście-wyjście:

y

  2  

n

 

n

2

y

k

n

2

u

lub

T n

2 

y

  2 

T n

y

k u

k- współczynnik wzmocnienia określony jako stosunek odpowiedzi y do wymuszenia u w stanie ustalonym,

T n

- okres drgań własnych nie tłumionych,

n

 1

T n

- pulsacja drgań własnych nie tłumionych,

- względny współczynnik tłumienia (

0    1

) Charakterystyka skokowa:

h

k

  1  exp 

przy czym

 1   

n

2 

t

w t

      

w

 1   2

pulsacja drgań własnych tłumionych

 

arc tg

  1    2   26/56

g

Odpowiedź impulsowa:

d h

 

dt dla h

Transmitancja:

G

s

2  2 

k

 

n n

2

s

 

n

2  0

lub

G

T n

2

s

2 

k

2 

T n s

 1 27/56

CZŁON INERCYJNY DRUGIEGO RZĘDU

Równanie różniczkowe wejście-wyjście:

T

1

T

2

y

 

T

1

y

 

y

k u

lub

T A T B y

  (

T A

T B

)

y

 

y

k u

k współczynnik wzmocnienia określony jako stosunek odpowiedzi y do wymuszenia u w stanie ustalonym,

T

1

T

2 ,

T A T B

stałe czasowe obiektu, Transmitancja:

G

T

1

T

2

s

2

k

T

1

s

 1

lub

G

T A T B s

2

k

 (

T A

T B

)

s

 1

T

1  4

T

2  0

T

0 

T

1

T

2

,

  1 2

k

k A k B G

1 (

s

)  1 

k A s T A T

1

T

2

,

T

0 

T A T B

,

  2

T A

T B T A T B G

2 (

s

)  1 

k B s T B

,

28/56

CZŁON OPÓŹNIAJĄCY

Równanie różniczkowe wejście-wyjście:

y

k u

t

T

0 

k T

0 -

współczynnik wzmocnienia określony jako stosunek

t

T

0

, odpowiedzi y do wymuszenia u dla czas opóźnienia Charakterystyka skokowa:

h

k

1 

t

T

0 

Odpowiedź impulsowa:

g

k

 

t

T

0 

Transmitancja:

G

k

exp  

s T

0  29/56

CZŁON INERCYJNY

1. założenia: nie obciążony, we – napięcie, wy – napięcie, 2. czwórnik L,R założenia: nie obciążony, we – napięcie, wy – napięcie, 3. prądnica obcowzbudna prądu stałego założenia: stała prędkość kątowa, praca na prostoliniowej części charakterystyki magnesowania (bez histerezy), prądnica nie obciążona, we – napięcie wzbudzenia, wy – napięcie = SEM 4. proces grzania ciała zanurzonego w cieczy założenia: szybkość narastania temperatury jest proporcjonalna do ilości pobranego ciepła i odwrotnie proporcjonalna do jego pojemności cieplnej we – temperatura cieczy wy – temperatura ciała 5. mechanizm z tarciem proporcjonalnym do prędkości założenia: moment oporowy jest proporcjonalny do prędkości obrotowej, we – moment napędowy, wy – prędkość kątowa wału napędzanego.

30/56

CZŁON PROPORCJONALNY

1. czwórnik rezystancyjny założenia: nie obciążony we – napięcie, wy – napięcie, 2. dźwignia dwuramienna we – siła, wy – siła, 3. dynamometr sprężynowy założenia: sprężyna idealna, pomijamy wpływ jej masy we – siła, wy – przesunięcie, 4. prądniczka tachometryczna prądu stałego założenia: stały strumień wzbudzenia, prądnica nie obciążona, we – prędkość kątowa, wy – napięcie na zaciskach.

31/56

CZŁON CAŁKUJĄCY Z INERCJĄ

1. obcowzbudny silnik prądu stałego założenia : silnik nieobciążony, uwzględniamy tylko bezwładność, we – napięcie twornika, wy – kąt położenia wału silnika, 2. czwórnik C,R,C założenia: nie obciążony, we – napięcie, wy – napięcie, 3. siłownik hydrauliczny 4. przekładnia mechaniczna

32/56

CZŁON CAŁKUJĄCY IDEALNY

1. kondensator idealny założenia : pomijamy rezystancję i indukcyjność przewodów we – prąd dopływający do kondensatora wy – napięcie na jego okładkach 2. układ napędowy pozycyjny założenia : nie uwzględniamy elektromagnetycznych stanów przejściowych w silniku, pomijamy bezwładność mechaniczną we – napięcie zasilające silnik wy – położenie kątowe wału wyjściowego 3. zbiornik cieczy we – objętość cieczy dopływająca w jednostce czasu wy – poziom cieczy

33/56

CZŁON RÓŻNICZKUJĄCY Z INERCJĄ

1. czwórnik C, R założenia : czwórnik nieobciążony we – napięcie wy – napięcie na rezystorze 2. czwórnik R, L założenia : czwórnik nieobciążony we – napięcie wy – napięcie na cewce 3. transformator stabilizujący założenia :indukcyjności własne oraz indukcyjność wzajemna są stałe, transformator nie jest obciążony we – napięcie na wejściu wy – napięcie na wyjściu 4. silnik prądu stałego obcowzbudny pracujący w charakterze pojemności dynamicznej 5. tłumik olejowy

34/56

CZŁON RÓŻNICZKUJĄCY IDEALNY

1. kondensator idealny we – napięcie na zaciskach wy – prąd płynący przez kondensator 2. sprężyna idealna we – moment obrotowy wy – prędkość kątowa wału 3. prądniczka tachometryczna we – kąt obrotu wału wy – napięcie na zaciskach 4. idealny tłumik olejowy we – droga jaką przebywa tłok wy – siła tłumienia

35/56

CZŁON OSCYLACYJNY

1. czwórnik R, L, C założenia : nieobciążony, zerowe warunki początkowe

R

 2

L C

we – napięcie wy – napięcie na kondensatorze 2. silnik obcowzbudny prądu stałego założenia :stały strumień magnetyczny, silnik nieobciążony

R t c E c M J

 2 

L

4

R t t

we – napięcie na tworniku wy – prędkość obrotowa 3. zawór membranowy we – siła działająca na przeponę wy – przesunięcie grzybka zaworu

36/56

CZŁON INERCYJNY DRUGIEGO RZĘDU

1. czwórnik R, L, C

R

 2

L C

2. silnik obcowzbudny prądu stałego

c E R t c M J

 2 

L

4

R t t

3. czwórnik R, C, R, C CZŁON OPÓŹNIAJĄCY 1.Przenośnik 2. Rurociąg 3. linia długa bez strat

37/56

TRANSMITANCJA OPERATOROWA

Transformata Laplace’a

F

(

s

)    0

f

(

t

)

e

s t dt

L

f

Przekształcenie odwrotne

f

(

t

)  1 2 

j c c

 

j

 

j

F

(

s

)

e s t ds

L

 1 

F

(

s

) 

Opis obiektu w postaci równania różniczkowego wejście – wyjście

a n d n y d t n

(

t

) 

a n

 1

d n

 1

d y

(

t

)

t n

 1   

a

1

d y d t

(

t

) 

a

0

y

(

t

) 

n

m b m d m u

(

t

)

d t m

b m

 1

d m

 1

d u

(

t

)

t m

 1   

b

1

d u

(

t

)

d t

b

0

u

(

t

)

zerowe warunki początkowe

 0 ,

i

 0 , 1 , ...,

n

 1

y

(

i

) 38/56

u

(

j

) ( 0 )  0 ,

j

 0 , 1 , ...,

m

 1

TRANSMITANCJA OPERATOROWA

U

transformata Laplace’a sygnału wejściowego

(

s

)    0

u

(

t

)

e

s t dt

transformata Laplace’a sygnału wyjściowego

Y

(

s

)    0

y

(

t

)

e

s t dt

dla równania we- wy przy zerowych warunkach początkowych otrzymujemy :

i n

  0

a i s i Y

(

s

) 

j m

  0

b j s j U

(

s

)

czyli

Y

(

s

) 

j m

  0

i n

  0

b j a i s j s i U

(

s

) 

G

(

s

)

U

(

s

)

L

(

s

)

=

M

(

s

)

Wyznaczenie odpowiedzi obiektu na podstawie twierdzenia o rozkładzie:

Y

(

s

) 

b k s n s k

 

a b k

 1

n

 1

s s n

 1

k

 1      

a

1

b

1

s s

 

a

0

b

0

n

k

39/56

TRANSMITANCJA OPERATOROWA

równanie charakterystyczne M ( s ) = 0

s n

a n

 1

s n

 1   

a

1

s

a

0

s

1 ,

s

2 ,  ,

s n

 0

pierwiastki równania charakterystycznego ( liczby rzeczywiste, albo zespolone parami sprzężone)

Y

(

s

)  (

s

s

1 ) (

s L

(

s

) 

s

2 )  (

s

s n

)

po rozkładzie na ułamki proste

Y

(

s

) 

i n

  1

s C i

s i

gdzie

C i

s L

(

s

)

res

s i M

(

s

)  lim

s

s i L

(

s

) (

M

(

s

) (

s

s i

) )

czyli residum w punkcie po sprowadzeniu do wspólnego mianownika

Y

(

s

)  

C

1 (

s

s

2 )  (

s

s n

)   

C i

(

s

s

1 )  (

s

s i

 1 )(

s

s i

 1 )   

C n

(

s

s

1 )  (

s

s n

 1 )  /

M

(

s

) 40/56

s i

TRANSMITANCJA OPERATOROWA

i po pomnożeniu

Y

(

s

)

przez

s

s i

oraz po przejściu do granicy

s

s i

otrzymujemy

C i

Ponieważ oraz

s

lim 

s i L

(

s

) 

L

(

s i

)

,

s

s i

lim

M

(

s

)  0 

M

(

s i

) lim

s

s i M

(

s

) 

M s

s i

(

s i

) 

M

 (

s i

)

możemy napisać

C i

 lim

s

s i

 

L

(

s

)

M s

s i

(

s

) 

M

(

s i

)   

L

(

M

 (

s i s i

) ) 41/56

TRANSMITANCJA OPERATOROWA

Ostatecznie odpowiedź obiektu w dziedzinie czasu:

y

(

t

)   

n

i

 1

s C i

s i

 

przy czym

n

i

 1

C i

exp (

s i t

) 

i n

  1

L

(

M

 (

s i s i

) ) exp (

s i t

)

M

 (

s i

)  (

s i

s

1 ) (

s i

s

2 )  (

s i

s i

 1 ) (

s i

s i

 1 )  (

s i

s n

)

Często w mianowniku jeden biegun równa się 0, np.

s

1  0

wówczas

M

(

s

) 

s N

(

s

)

ponieważ

M M

 (  (

s

0 )

M

 (

s i

) )   

N N

(

s

) ( 0 )

N

(

s i

)   

s

0

N N

 (  (

s

) 0 )

s i N

 (

s i

)  

N

( 0 )

s i N

 (

s i

) ,

s i

 0 42/56

TRANSMITANCJA OPERATOROWA

zatem

Y

(

s

)  

n

i

 1

L

( 0 )

s N

( 0 ) 

s C i

s i i n

  2 

s C

1 

s

1

s i L N

( 

s i

( )

s i

) 

n

i

s

1 

s i

2

s C i

s i

czyli

L

( 0 )

M

 ( 0 ) 1

s

 0 

i n

  2

L M

(  (

s i s i

) ) 1

s

s i

y

(

t

)   

L

( 0 )

N

( 0 ) 

i n

  2

s i L N

( 

s i

( )

s i

) exp (

s i t

)   1 (

t

)

W przypadku, gdy pierwiastki są zespolone wówczas również współczynniki rozkładu są zespolone.

Niech

   

j

 ,    

j

będzie parą pierwiastków zespolonych sprzężonych,

43/56

TRANSMITANCJA OPERATOROWA

wtedy współczynniki rozkładu odpowiadające tym pierwiastkom będą również tworzyć parę liczb zespolonych sprzężonych

C

 

C

1 

j C

2 ,

C

 

C

1 

j C

2

czyli

C

  exp 2 Re (  

C

t

)  exp

C

 ( 

t

exp )  ( 

t

)  (

C

1 

j C

2 ) exp  (  

j

 )

t

  (

C

1 

j C

2 ) exp  (  

j

 )

t

 

Jeżeli w przypadku ogólnym wielomian M(s) ma l pierwiastków rzeczywistych oraz 2 p pierwiastków zespolonych ( tzn. p par pierwiastków zespolonych sprzężonych ) :

y

(

t

)    

i l

  1

C i

exp (

s i t

)  2 Re  

k p

  1

C

k

exp ( 

k t

)      1 (

t

) 44/56

WYZNACZANIE TRANSMITANCJI WYPADKOWYCH LINIOWYCH UKŁADÓW JEDNOWYMIAROWYCH

1. Transmitancja wypadkowa zespołu członów połączonych szeregowo ( łańcuchowo ) 2. Transmitancja wypadkowa zespołu członów połączonych równolegle 3. Transmitancja wypadkowa układu ze sprzężeniem zwrotnym 4. Zmiana położenia węzłów sumacyjnych i rozgałęźnych 4.1.przeniesienie węzła sumacyjnego z wejścia elementu na jego wyjście 4.2.przeniesienie węzła sumacyjnego z wyjścia elementu na jego wejście 4.3.przeniesienie węzła rozgałęźnego z wejścia elementu na jego wyjście 4.4.przeniesienie węzła rozgałęźnego z wyjścia elementu na jego wejście 4.5.zamiana miejsc węzłów sąsiadujących ze sobą

45/56

Połączenie szeregowe

G wyp

(

s

) 

n

 

G i

(

s

)

i

1

Połączenie równoległe

G wyp

(

s

) 

i n

  1

G i

(

s

)

Sprzężenie zwrotne ujemne poprzez człon o transmitancji H(s)

G wyp

(

s

) 

G

(

s

) 1 

G

(

s

)

H

(

s

)

Sprzężenie zwrotne dodatnie poprzez człon o transmitancji H(s)

G wyp

(

s

) 

G

(

s

) 1 

G

(

s

)

H

(

s

)

Sprzężenie zwrotne ujemne bezpośrednie

G wyp

(

s

) 

G

(

s

) 1 

G

(

s

)

Sprzężenie zwrotne dodatnie bezpośrednie

G wyp

(

s

)  1 

G G

(

s

(

s

) ) 46/56

REGULATORY LINIOWE O WYJŚCIU CIĄGŁYM

1.Regulator P ( proporcjonalny )

u

(

t

) 

k P v r

(

t

)

, -

P

współczynnik proporcjonalności

G P

(

s

) 

k P

2.

Regulator I ( całkowy )

u

(

t

) 

k I T I

0 

t v r

(  )

d

G I

(

s

) 

k I s T I k I

-wzmocnienie,

T I

lub z uwzględnieniem inercji

-

czas zdwojenia

G Ir

(

s

) 

s k I

( 1 

s T I

)

3.

Regulator PI ( proporcjonalno całkowy )

u

(

t

) 

k P

  

v r

(

t

)  1

T I

0

t

v r

(  )

d

   

G I

(

s

) 

k P

  1  1

s T I

  47/56

4.

Regulator PD ( proporcjonalno – różniczkujący )

u

(

t

) 

k P

 

v r

(

t

) 

T D d v r dt

(

t

)  

5.

k P

- wzmocnienie,

T D G PD

(

s

) 

k P

 1 

T D s

- czas wyprzedzenia lub z uwzględnieniem inercji

G PDr

(

s

) 

k P

  1  1

T D

s s T r

 

Regulator PID ( proporcjonalno – całkowo –różniczkujący)

u

(

t

) 

G PID

(

s

)

k P

  

v r

(

t

)  1

T I k P

  1 

T D s

 0 

t v r

(  )

d

 1

s T I

  

T D d v r dt

(

t

)   48/56

REALIZACJA REGULATORA ZA POMOCĄ WZMACNIACZA OPERACYJNEGO OBJĘTEGO UJEMNYM SPRZĘŻENIEM ZWROTNYM

A k W

, gdzie wzmocnienie

k W

inercja

A

, transmitancja wypadkowa

G wyp

 1 

W W s

   1 

A k W k W

 

A s H s

  

A k W

1 

H

gdy wzmocnienie jest b. duże wówczas

G wyp

H

1   49/56

Regulator P ( proporcjonalny )

H

 1

k P

Regulator PI ( proporcjonalno całkowy )

H

k P

1   1 

T I

1

s

  

k P

T I

1 

s T I s

Regulator PD ( proporcjonalno – różniczkujący )

1

H

  1 

k P T D s

Regulator PID ( proporcjonalno – całkowo –różniczkujący)

H

k P

1   1  1

T I s

T D s

  50/56

Regulacja statyczna i astatyczna

Transmitancja wypadkowa

G wyp

(

s

) 

s h L wyp N

(

wyp s

) (

s

)

, gdzie h – rząd astatyzmu, tzn. ilość biegunów transmitancji wypadkowej

-

h = 0 układ jest statyczny względem sygnału zadającego

-

h = k układ jest astatyczny k-tego rzędu względem sygnału zadającego Transmitancja uchybowa

 0 (

s

)

G

 0 (

s

)  

G

 0 (

s

)

y zd

(

s

)  1 1 

G wyp

(

s

)

s h N s h wyp

(

N wyp s

)  (

s

)

L wyp

(

s

)

y zd

(

s

)

czyli

 0 (

s

) 

s h N s h wyp

(

N wyp s

)  (

s

)

L wyp

(

s

)

y zd

(

s

) 51/56

Na podstawie twierdzenia o wartości

lim  0 (

t

)  lim

s h N s h

 1 (

s N wyp

) 

wyp

(

s

)

L wyp

(

s

)

granicznej

y zd

(

s

)

t

 

s

 0

wnioskujemy, że gdy sygnał zadający jest stały, to w układzie stabilnym statycznym uchyb dąży do wartości ustalonej

0

ust

 0

natomiast w układzie astatycznym h > 0 stabilnym uchyb ustalony odpowiadający stałemu sygnałowi zadającemu jest równy 0.

Gdy sygnał zadający jest funkcją czasu wielomianową

y zd

(

t

) 

A

0 

A

1

t

  

A r t r

wtedy

 0 (

s

) 

s h N wyp

(

s

)

s h N wyp

(

s

) 

i r

  1

A i L wyp i

!

s i

 1 (

s

)

a zatem na podstawie tw. o wartości granicznej wnioskujemy, że w układzie statycznym ( h = 0 ) uchyb

t

 0 (

t

)    

jeżeli r >= 1

52/56

W układzie astatycznym ( h >= 1 ) mogą wystąpić następujące przypadki :

t

lim    0 (

t

)  0

gdy h > r

t

lim    0 (

t

)

t

 0 (

t

)       0

ust

const

gdy h = r gdy h < r Należy zwrócić uwagę na to, że jeżeli w transmitancji występuje h biegunów równych zeru, to w transmitancji uchybowej

G

 0 (

s

)

sama ilość miejsc zerowych równych zeru, czyli

G wyp

(

s

)

występuje w liczniku taka układ jest statyczny , jeżeli h = 0 - astatyczny k tego rzędu , jeżeli h = k Podobnie można badać czy układ jest statyczny czy astatyczny względem zakłóceń badając odpowiednie transmitancje uchybowe.

53/56

ETAPY PROJEKTOWANIA SYSTEMU STEROWANIA

ANALIZA SYSTEMOWA O.S. (MODELOWANIE)

IDENTYFIKACJA O.S.

OPRACOWANIE ALGORYTMU STEROWANIA

OPRACOWANIE KOMPUTEROWEGO PROGRAMU STERUJĄCEGO

OPRACOWANIE SYSTEMU REALIZUJĄCEGO PROGRAM STERUJĄCY

54/56

WŁASNOŚCI TRANSFORMATY

L

 1 

L

f

    

f

,

L

L

 1

LAPLACE’A

F

    

F L

   1

s L

e

 

t

 1    

,

s

1 

,

liniowość

L

a

1

f

1

L

 1 

a

1

F

1 

a

2

f

2 

a

2

F

2

L

 1 1

s

 1  

L

 1

s

1   

e

 

t

 1    

a

1

L

f

1  

a

2

L

f

2   

a

1

L

 1 

F

1    

a

2

L

 1 

F

2   

holomorficzność

dF ds

  

t f

oraz

L e

st dt

czyli

n

!

s n

 1

,

L

t L

t n f

  

dF ds e

 

t

  

s

n

 !

n

 1 55/56

-transformata pochodnej

L

f

    

s F s f

0

L

f L

f

    

s

2  

s n F

k n

  1

s n

k

s f f

0

L

transformata całki

  

t

0

f d

   

F s

 

tw. o podobieństwie

f

 0

L

f

  1

a F s a

 0

,

L

 1 

F

  1

c f t c c

 0 56/56

-

tw. o granicy oryginału w nieskończoności jeżeli

t

lim

f

  

k

to

lim

s F s

 0 

k

-

tw. o granicy oryginału w zerze jeżeli

t

lim

f

 0  

k

to

lim

s F s

  -

tw. o splocie

k L

f

1

f

1 

f

2      

f

1 

L

f

1  

L

f

2  -

tw. podstawieniu liniowym w argumentach

L

f

a t

t

0    1

a e

t

0

a s F s a L

 1 

F

c s

     1

e

 

c t c f t c

57/56