12 - Frekvenční metody

Podobné dokumenty
14 - Moderní frekvenční metody

Příklady k přednášce 13 - Návrh frekvenčními metodami

13 - Návrh frekvenčními metodami

Doplňky k přednášce 23 Diskrétní systémy Diskrétní frekvenční charakteristiky

Příklady k přednášce 14 - Moderní frekvenční metody

Příklady k přednášce 5 - Identifikace

Příklady k přednášce 12 - Frekvenční metody

Předmět A3B31TES/Př. 7

X31EO2 - Elektrické obvody 2. Kmitočtové charakteristiky

SIGNÁLY A SOUSTAVY, SIGNÁLY A SYSTÉMY

26 Nelineární systémy a řízení

Frekvenční charakteristiky

Osnova přednášky. Univerzita Jana Evangelisty Purkyně Základy automatizace Stabilita regulačního obvodu

Fakulta elektrotechnická

23 - Diskrétní systémy

23 - Diskrétní systémy

teorie elektronických obvodů Jiří Petržela obvodové funkce

filtry FIR zpracování signálů FIR & IIR Tomáš Novák

Lineární a adaptivní zpracování dat. 3. SYSTÉMY a jejich popis ve frekvenční oblasti

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ KATEDRA ŘÍDICÍ TECHNIKY BAKALÁŘSKÁ PRÁCE. Návrh PID regulátorů frekvenčními metodami

SIGNÁLY A LINEÁRNÍ SYSTÉMY

20 - Číslicové a diskrétní řízení

SIGNÁLY A LINEÁRNÍ SYSTÉMY

Fourierova transformace

Klasické pokročilé techniky automatického řízení

Automatizace je proces při němž je řídicí funkce člověka nahrazována činností

Flexibilita jednoduché naprogramování a přeprogramování řídícího systému

Lineární a adaptivní zpracování dat. 2. SYSTÉMY a jejich popis v časové doméně a frekvenční doméně

Příklady k přednášce 8 - Geometrické místo kořenů aneb Root Locus

CW01 - Teorie měření a regulace

Fyzikální praktikum 3 Operační zesilovač

Opakování z předmětu TES

Lineární a adpativní zpracování dat. 3. Lineární filtrace I: Z-transformace, stabilita

Operační zesilovač, jeho vlastnosti a využití:

ZÁKLADY AUTOMATICKÉHO ŘÍZENÍ

Fakulta elektrotechnická. GUI pro návrh PID regulátorů

A/D převodníky - parametry

ÚPGM FIT VUT Brno,

Fakulta elektrotechnická. Podpora výuky řídicí techniky

Lineární a adaptivní zpracování dat. 2. SYSTÉMY a jejich popis v časové doméně a frekvenční doméně

Fakulta elektrotechnická Katedra řídicí techniky. Optimální nastavení PID regulátoru

7 - Ustálený stav kmitavý a nekmitavý, sledování a zadržení poruchy

Předmět A3B31TES/Př. 13

PROTOKOL O LABORATORNÍM CVIČENÍ - AUTOMATIZACE

Signál v čase a jeho spektrum

Zásady regulace - proudová, rychlostní, polohová smyčka

(s výjimkou komparátoru v zapojení č. 5) se vyhněte saturaci výstupního napětí. Volte tedy

Studentův průvodce po automatickém řízení

elektrické filtry Jiří Petržela všepropustné fázovací články, kmitočtové korektory

Měření na nízkofrekvenčním zesilovači. Schéma zapojení:

Ṡystémy a řízení. Helikoptéra Petr Česák

r Odvoď te přenosovou funkci obvodů na obr.2.16, je-li vstupem napě tí u 1 a výstupem napě tí u 2. Uvaž ujte R = 1Ω, L = 1H a C = 1F.

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE

Hlavní parametry mající zásadní vliv na přesnost řízení a kvalitu pohonu

6 Algebra blokových schémat

Západočeská univerzita v Plzni Fakulta aplikovaných věd KKY/LS2. Plzeň, 2008 Pavel Jedlička

MECHATRONICKÉ SOUSTAVY

Zpětná vazba, změna vlastností systému. Petr Hušek

Statická analýza fyziologických systémů

Počítačové sítě. Lekce 5: Základy datových komunikací

Přenos pasivního dvojbranu RC

DIPLOMOVÁ PRÁCE Lock-in zesilovač 500 khz 10 MHz

Západočeská univerzita. Lineární systémy 2

3 - Póly, nuly a odezvy

Příklady k přednášce 3 - Póly, nuly a odezvy

Nespojité (dvou- a třípolohové ) regulátory

Bezkontaktní měření vzdálenosti optickými sondami MICRO-EPSILON

Příklady k přednášce 3 - Póly, nuly a odezvy

Experiment s FM přijímačem TDA7000

Identifikace systémů

D C A C. Otázka 1. Kolik z následujících matic je singulární? A. 0 B. 1 C. 2 D. 3

Elektromechanický oscilátor

Návrh frekvenčního filtru

4 - Vlastnosti systému: Stabilita, převrácená odezva, řiditelnost a pozorovatelnost

Harmonický průběh napětí a proudu v obvodu

1 LIMITA FUNKCE Definice funkce. Pravidlo f, které každému x z množiny D přiřazuje právě jedno y z množiny H se nazývá funkce proměnné x.

Základy a aplikace digitálních. Katedra radioelektroniky (13137), blok B2, místnost 722

MĚŘENÍ ÚHLOVÝCH KMITŮ ZA ROTACE

Příklady k přednášce 9 - Zpětná vazba

Úvod do zpracování signálů

KTE/TEVS - Rychlá Fourierova transformace. Pavel Karban. Katedra teoretické elektrotechniky Fakulta elektrotechnická Západočeská univerzita v Plzni

20 - Číslicové a diskrétní řízení

Fakulta elektrotechnická Katedra řídicí techniky. Metody návrhu adaptivních PID regulátorů

Obsah. Kmitavý pohyb. 2 Kinematika kmitavého pohybu 2. 4 Dynamika kmitavého pohybu 7. 5 Přeměny energie v mechanickém oscilátoru 9

Vypracoval: Mgr. Lukáš Bičík TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY

Nastavení parametrů PID a PSD regulátorů

31SCS Speciální číslicové systémy Antialiasing

Diplomová práce. Použití frekvenčních charakteristik při analýze a syntéze regulačních obvodů. Inženýrská informatika a automatizace

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Praktické výpočty s komplexními čísly (především absolutní hodnota a fázový úhel) viz např. vstupní test ve skriptech.

Analogové modulace. Podpora kvality výuky informačních a telekomunikačních technologií ITTEL CZ.2.17/3.1.00/36206

Příklady k přednášce 5 - Identifikace

Digitalizace převod AS DS (analogový diskrétní signál )

Dvoustupňový Operační Zesilovač

íta ové sít baseband narrowband broadband

Proudové převodníky AC proudů

Kapacita, indukčnost; kapacitor-kondenzátor, induktor-cívka

Oscilátory. Oscilátory s pevným kmitočtem Oscilátory s proměnným kmitočtem (laditelné)

I. Současná analogová technika

Zesilovače. Ing. M. Bešta

Transkript:

12 - Frekvenční metody Michael Šebek Automatické řízení 218 28-3-18

Proč frekvenční metody? Řídicích systémy se posuzují z časových odezev na určité vstupní signály Naopak v komunikačních systémech častěji užívají frekvenční odezvu (signály většinou sinusovky nebo periodické) Přesto jsou frekvenční metody důležitým doplňkem, neboť z frekvenčních vlastností můžeme odhadnout časové Pracují s naměřenou frekvenční odezvou, nemusíme hledat model To je současně nevýhodou: frekvenční odezva se musí dát naměřit! Metody tedy obvykle fungují jen pro stabilní (a často minimálně fázové) soustavy. Naopak jim nevadí dopravní zpoždění. Často dávají více než jen test CL stability: dávají informaci o velikosti stability či nestability Pro pouhý test CL stability se dnes (máme-li model) nepoužívají Pro zkoumání stability neminimálně-fázových systémů nepoužívej Bodeho graf, ale jen Nyquistův Michael Šebek ARI-12-216 2

Nyquistovo kritérium stability Z Cauchyho principu argumentu plyne pro řízení: Nyquistův graf otevřené smyčky obkrouží kritický bod -1 ve směru hodinových ručiček právě tolikrát, kolik je počet ryze nestabilních CL pólů minus počet ryze nestabilních OL pólů. Jinak řečeno: CL systém má právě tolik ryze nestabilních pólů, kolik je počet ryze nestabilních OL pólů plus počet obkroužení bodu -1 Nyquistovým grafem OL po směru hodinových ručiček. Obkroužení proti směru hodinových ručiček se počítají záporně. Nyquistovo kritérium stability CL systém je stabilní počet obkroužení kritického bodu -1 proti směru hodinových ručiček roven počtu ryze nestabilních OL pólů Speciálně pro OL stabilní systém Je-li OL systém stabilní, pak je i CL systém stabilní Nyquistův OL graf neobkrouží kritický bod -1 Michael Šebek Pr-ARI-12-216 3

Amplitudová bezpečnost Gain Margin Verze pro stabilní OL přenos, který dá po uzavření smyčky (CL) stabilní systém, tedy OL graf neobkrouží kritický bod. Co se stane, když zvětšujeme zesílení? Fáze zůstává stejná, amplituda roste rezerva v zesílení klesá, až klesne na nulu, graf L( jω) protne kritický bod a CL systém je na mezi stability ω18 K = 3 K = 2 K =1 ω18 Označíme (phase crossover) frekvenci ω : L( jω ) = 18 18 18 Definujeme amplitudovou bezpečnost (Gain Margin): GM = 1 L( jω ) 18 GM říká, kolikrát se ještě může zvětšit OL zesílení, než CL ztratí stabilitu Michael Šebek 4

Fázová bezpečnost Phase Margin Co se stane, když (za stejných podmínek) naopak zmenšujeme fázi např. přidáním dopravního zpoždění (při stejném zesílení)? amplituda zůstává stejná, fáze roste rezerva ve fázi klesá, až klesne na nulu, graf L( jω) protne kritický bod a CL je na mezi stability ω C Označíme přechodovou (gain crossover) frekvenci ωc : L( jω C) = 1 = db Definujeme fázovou bezpečnost (Phase Margin): PM = 18 + L( jω C ) Říká, o kolik ještě můžeme zmenšit fázi (zvětšit negativní fázi = zpoždění) Někdy vyjadřujeme přímo v dopravním zpoždění θ = PM ω = π 18 PM ω ( ) max rad c deg Michael Šebek ARI-12-215 5 c

Shrnutí GM je ochrana proti neurčitosti v zesílení: typicky GM > 2 (6dB) PM je ochrana proti neurčitosti dopravního zpoždění: typicky PM >3 1 1 GM 1 GM ω c ω 18 GM [ db] ω 18 PM PM ω c ω 18 ω c Michael Šebek ARI-12-213 6

Obrácený případ 1 GM Kromě uvedených případů to může být i opačně (nestabilní OL, stabilní CL): PM L( jω) Pokud graf protne reálnou osu nalevo od -1, definujeme podobně dolní GM pak GM říká, kolikrát můžeme zesílení beztrestně zmenšit podobně, protne-li graf jednot. kružnici v horní polorovině, odměříme PM nahoru Pak PM říká, o kolik můžeme fázi beztrestně zvětšit L( jω) 1 GM PM Michael Šebek ARI-12-213 7

GM obecný případ Pokud graf protne zápornou reálnou osu vícekrát na jedné straně uvažujeme to protnutí nejbližší bodu -1 Pokud ji protne na obou stranách, definujeme GM intervalem K Definice Pro CL stabilní Ls zůstane CL stabilní pro všechna L s = ale bude nestabilní pro Ls () = kminl () s a Ls () = k L() s Přitom min () = L() s () kl () s k < k < k min max max k 1 1 k max (, K ) Michael Šebek ARI-12-213 8 min max

PM obecný případ pokud graf protne jednotkovou kružnici vícekrát na jedné straně uvažujeme to protnutí nejbližší bodu -1 Pokud ji protne na obou stranách definujeme PM intervalem φ Definice Pro CL stabilní při Ls () = L () s zůstane CL stabilní pro všechna ale bude nestabilní pro a Přitom jφ Ls () = e L() s φ < φ < φ min max Ls = e L s jφmin () () jφmax () () Ls = e L s π φ φ min π (, φ ) max Michael Šebek ARI-12-213 9 min max

Co je špatného na klasických pojmech? Nedostatky klasických pojmů: GM má smysl, když je změna (neurčitost) jen v zesílení PM má smysl, když je změna (neurčitost) jen ve fázi Ale co když je neurčitost v zesílení i fázi současně? Realističtější případ změny (neurčitosti) : v zesílení i fázi současně Ls () = kl () se jφ k [ k, k ], φ [ φ, φ ] min max min max přestože GM i PM jsou O.K., současná změna fáze i zesílení může být problém! je proto lepší použít vzdálenost grafu od kritického bodu tedy moderní přístup s tzv. normou H Michael Šebek ARI-12-213 1

Frekvenční odezva uzavřené smyčky Vztah mezi OL a CL frekvenční charakteristikou CL přenos je Ls () T() s = 1 + Ls () přibližně platí T() s 1 pro Ls () velké Ls () pro Ls () malé T() s Ls () protože je typicky Ls () je také typicky T() s velké pro malé frekvence malé pro velké frekvence 1 pro malé frekvence Ls () pro velké frekvence ω << ω c ω >> ω c ω << ω c ω >> ω c ω c Podobně 1 Ss () = 1 + Ls () 1 Michael Šebek ARI-12-217 11

Pásmo kolem přechodové frekvence v pásmu kolem ω c je Ls () 1 a T() s může být různé velikost T() s souvisí s PM PM=9 L( jωc) = 9, L( jωc) = j T ( jω ) 1 2.7 1 c = < M, p db < PM=45 L( jω M, p db > c) = 135, L( jωc) = 2 j 2 T( jωc ) 1.36 > 1 Pro 2. řád bez nul se dá odvodit PM M p p = arctan n 2ζ 2ζ + 1+ 4ζ 2 4 2 1 2, 2 2.77 ω = ω ζ ζ 1 = 2 2ζ 1 ζ M p pro ζ > 2 2.77 špička není Pozor, neplést s překmitem! návrháři raději užívají PM, protože neurčitost způsobená nelinearitami a zpožděními spíše ovlivňuje fázi Michael Šebek ARI-12-217 12

přirozenou frekvenční specifikací je šířka pásma = maximální frekvence, při které výstup rozumně sleduje sinusový vstup řízené systémy bývají dolní propusti: výstup dobře sleduje vstup pro malé ω ( T 1), ale ne pro velké ( T <<1) v klasickém řízení je šířka pásma dána frekvencí, na které má výstup poloviční energii než vstup Z toho y Šířka pásma a přechodová frekvence =.5u 2 2 Y( jω) = ½ U( jω) =.77 U( jω) Y( jω) = U( jω) 3dB šířka pásma rozhoduje o rychlosti odezvy Větší šířka rychlejší náběh, ale větší citlivost na šum a variaci parametrů. Menší šířka pásma pomalejší odezvu, ale obvykle robustnější systém 1 abs 1.7.1 M( ω) = T( jω) ω BW db M bandwidth P, ω ω P ω c db P ω c crossover ω 2 db 3 2 Michael Šebek ARI-12-214 13

pro 2. řád můžeme odvodit (z M ( ω ) = 1 2) BW n ( ) ω = ω ς + ς ς + Někdy velmi přibližně bereme ωbw ωn (Pozor CL!) ale přesně to platí jen pro ζ = 1 2.7 Platí také ωc ωbw 2ωc Předchozího vzorce můžeme spojit se známými T p = ζ = ω T n s T BW 2 4 2 1 2 4 4 2 4 = ζω r π 1 ζ n 1.8 ω n 2 ln(%os 1) 2 2 π + ln (%OS 1) 4 ωbw = ( ς ) + ς ς + ς T S Vzorečky ( ) 1 2ς 2 + 4ς 4 4ς 2 + 2 >> zeta=:.1:1/sqrt(2); >> faktorbw=sqrt((1-2*zeta.^2)+... sqrt(4*zeta.^4-4*zeta.^2+2)); >> plot(zeta,faktorbw) π ωbw = ( ς ) + ς ς + 2 1 ζ T p 2 4 2 1 2 4 4 2 1.8 ω = ς + ς ς + BW T r ( ) 2 4 2 1 2 4 4 2 2 4 2 1 2 4 4 2 ζ Michael Šebek ARI-12-213 14