Odpružená sedačka. Petr Školník, Michal Menkina. TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií

Podobné dokumenty
Vozíky Graf Toku Výkonu

( LEVEL 2 něco málo o matematickém popisu, tvorbě simulačního modelu a práci s ním. )

MODIFIKOVANÝ KLIKOVÝ MECHANISMUS

Modelování a simulace Lukáš Otte

1 Modelování systémů 2. řádu

Úvod do analytické mechaniky

Dynamika vázaných soustav těles

9.2. Zkrácená lineární rovnice s konstantními koeficienty

Analýza lineárních regulačních systémů v časové doméně. V Modelice (ale i v Simulinku) máme blok TransfeFunction

Určení hlavních geometrických, hmotnostních a tuhostních parametrů železničního vozu, přejezd vozu přes klíny

Tlumené a vynucené kmity

9.7. Vybrané aplikace

SEMI-AKTIVNĚ ŘÍZENÉ TLUMENÍ PODVOZKU VYSOKORYCHLOSTNÍHO VLAKU

Tuhost mechanických částí. Předepnuté a nepředepnuté spojení. Celková tuhosti kinematické vazby motor-šroub-suport.

ZÁKLADY AUTOMATICKÉHO ŘÍZENÍ

Fyzikální praktikum I

Mechanické kmitání - určení tíhového zrychlení kyvadlem

Verifikace modelu VT přehříváků na základě provozních měření

KMS cvičení 6. Ondřej Marek

Nastavení parametrů PID a PSD regulátorů

Měření momentu setrvačnosti prstence dynamickou metodou

Experimentální realizace Buquoyovy úlohy

I. část - úvod. Iva Petríková

Téma: Dynamiky - Základní vztahy kmitání

Dynamika soustav hmotných bodů

Rezonanční jevy na LC oscilátoru a závaží na pružině

Řízení modelu letadla pomocí PLC Mitsubishi

MECHANICKÉ KMITÁNÍ. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - 3.A

Nejdřív spočítáme jeden příklad na variaci konstant pro lineární diferenciální rovnici 2. řádu s kostantními koeficienty. y + y = 4 sin t.

Elektromechanický oscilátor

Testovací příklady MEC2

KMITÁNÍ PRUŽINY. Pomůcky: Postup: Jaroslav Reichl, LabQuest, sonda siloměr, těleso kmitající na pružině

Teorie měření a regulace

ZATÍŽENÍ KŘÍDLA - I. Rozdělení zatížení. Aerodynamické zatížení vztlakových ploch

ZÁKLADY ŘÍZENÍ ENERGETICKÝCH STROJŮ

Diferenciální rovnice

Čerpadla na beton. Obecné informace o čerpadlech na beton. Provedení. Nástavby na čerpadla na beton jsou považovány za extra torzně tuhé.

Dynamika systémů s proměnnou hmotností. Vojtěch Patočka Univerzita Karlova - MFF

DIPLOMOVÁ PRÁCE Nelineární řízení magnetického ložiska

Harmonický pohyb tělesa na pružině

25.z-6.tr ZS 2015/2016

Numerické řešení obyčejných diferenciálních rovnic

Kapitola 12: Soustavy diferenciálních rovnic 1. řádu

3.1. Newtonovy zákony jsou základní zákony klasické (Newtonovy) mechaniky

Řízení asynchronních motorů

pracovní list studenta Kmitání Studium kmitavého pohybu a určení setrvačné hmotnosti tělesa

Numerické modelování interakce proudění a pružného tělesa v lidském vokálním traktu

KNIHOVNA MODELŮ TECHNOLOGICKÝCH PROCESŮ

Budeme hledat řešení y(x) okrajové úlohy pro diferenciální rovnici druhého řádu v samoadjungovaném tvaru na intervalu a, b : 2 ) y i p i+ 1

pouze u některých typů rovnic a v tomto textu se jím nebudeme až na

Statika tuhého tělesa Statika soustav těles

Téma 13, Úvod do dynamiky stavebních konstrukcí dynamiky

Název: Studium kmitů na pružině

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze

Řízení tepelné soustavy pomocí PLC Siemens

4. OBYČEJNÉ DIFERENCIÁLNÍ ROVNICE

1/15. Kapitola 12: Soustavy diferenciálních rovnic 1. řádu

VYBRANÉ STATĚ Z PROCESNÍHO INŢENÝRSTVÍ cvičení 8

SERIOVÉ A PARALELNÍ ZAPOJENÍ PRUŽIN

Diferenciální rovnice 3

Soustavy lineárních diferenciálních rovnic I. řádu s konstantními koeficienty

Necht na hmotný bod působí pouze pružinová síla F 1 = ky, k > 0. Podle druhého Newtonova zákona je pohyb bodu popsán diferenciální rovnicí

Zadání programu z předmětu Dynamika I pro posluchače kombinovaného studia v Ostravě a Uherském Brodu vyučuje Ing. Zdeněk Poruba, Ph.D.

Selected article from Tento dokument byl publikován ve sborníku

Harmonické oscilátory

MECHANICKÉ KMITÁNÍ POJMY K ZOPAKOVÁNÍ. Testové úlohy varianta A

Zadání semestrální práce z předmětu Mechanika 2

Drsná matematika III 6. přednáška Obyčejné diferenciální rovnice vyšších řádů, Eulerovo přibližné řešení a poznámky o odhadech chyb

SOUTĚŽNÍ PŘEHLÍDKA STUDENTSKÝCH PRACÍ FST 2007 KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ KINEMATIKY VÝMĚNÍKU NÁSTROJŮ PRO VERTIKÁLNÍ OBRÁBĚCÍ CENTRO ŘADY MCV.

Experimentální dynamika (motivace, poslání, cíle)

Teorie tkaní. Modely vazného bodu. M. Bílek

Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb. CW01 - Teorie měření a regulace 10.2 ZS 2010/2011. reg Ing. Václav Rada, CSc.

Fyzika 6. ročník. přesahy, vazby, mezipředmětové vztahy průřezová témata. témata / učivo. očekávané výstupy RVP. očekávané výstupy ŠVP

České vysoké učení technické v Praze Fakulta biomedicínského inženýrství

Obyčejnými diferenciálními rovnicemi (ODR) budeme nazývat rovnice, ve kterých

ZÁKLADY AUTOMATICKÉHO ŘÍZENÍ

rovnic), Definice y + p(x)y = q(x), Je-li q(x) = 0 na M, nazývá se y + p(x)y =

Fyzikální praktikum 1

Práce, energie a další mechanické veličiny

R2.213 Tíhová síla působící na tělesa je mnohem větší než gravitační síla vzájemného přitahování těles.

Mechanické kmitání (oscilace)

Kapitola 4. Tato kapitole se zabývá analýzou vnitřních sil na rovinných nosnících. Nejprve je provedena. Každý prut v rovině má 3 volnosti (kap.1).

Fyzika_6_zápis_8.notebook June 08, 2015

úloh pro ODR jednokrokové metody

Příklady kmitavých pohybů. Mechanické kmitání (oscilace)

Téma: Dynamika - Úvod do stavební dynamiky

Návod k použití programu pro výpočet dynamické odezvy spojitého nosníku

( LEVEL 3 Laplaceova transformace jako nástroj řešení lineárních diferenciálních rovnic. )

Pružnost a pevnost. zimní semestr 2013/14

Matematika 2 LS 2012/13. Prezentace vznikla na základě učebního textu, jehož autorem je doc. RNDr. Mirko Rokyta, CSc. J. Stebel Matematika 2

JEDNOTKY. E. Thöndel, Ing. Katedra mechaniky a materiálů, FEL ČVUT v Praze. Abstrakt

U Úvod do modelování a simulace systémů

12 DYNAMIKA SOUSTAVY HMOTNÝCH BODŮ

9.5. Soustavy diferenciálních rovnic

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

Metoda konečných prvků Charakteristika metody (výuková prezentace pro 1. ročník navazujícího studijního oboru Geotechnika)

+ ω y = 0 pohybová rovnice tlumených kmitů. r dr dt. B m. k m. Tlumené kmity

DYNAMICKÁ ANALÝZA KMITÁNÍ S VÍCE STUPNI VOLNOSTI

Reologické modely technických materiálů při prostém tahu a tlaku

Modelování polohových servomechanismů v prostředí Matlab / Simulink

Transkript:

Petr Školník, Michal Menkina TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0247, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR

Cíl cvičení: Cílem tohoto cvičení by mělo být oprášení znalostí z předmětu Základy Spojitého Řízení. Měla by se osvěžit znalost tvorby simulačních modelů z dané diferenciální rovnice, která je odvozena na základě fyzikálních principů dané situace. Dále by mělo být osvěženo využití prostředí Matlab/Simulink Simulink k výpočtu vytvořeného simulačního modelu. Příklad 1: y(t) g k m F g=10 m/s m=20 kg F=800 N k=4000 N/m c=100 N s/m c Úkolem je vytvořit simulační model a provézt simulaci systému, který je dán odpruženou sedačkou. Úlohu je možné si představit jako hmotu, která reprezentuje samotnou sedačku, která je pak pomocí pružiny s tuhostí k [N/m] a tlumiče s tlumením c [N s/m] pružně spojena s pevným rámem. Jako buzení budeme uvažovat vnější sílu F [N], která je vyvolána usednutím řidiče na sedačku. Výsledkem by měl být průběh polohy sedačky v čase y(t) [m] v závislosti na působící síle a parametrech prvků sedačky.

Pro vytvoření simulačního modelu je nutno nejprve vytvořit diferenciální pohybovou rovnici daného problému. Použijeme tedy princip uvolňování tělesa, kde provedeme odstranění jednotlivých částí (pružina, tlumič) a nahradíme je silami kterými působí na těleso. Působící síly: gravitační síla působící na sedačku směrem dolů síla stlačené pružiny působící na sedačku proti směru výchylky sílatlumiče působící proti směru okamžité rychlosti hmotnost řidiče přepočtená na gravitační sílu Síla vzniklá součtem těchto sil se nazývá d Alambertova a způsobuje zrychlení sedačky y (t) Výsledná pohybová rovnice pak vypadá následovně: m y (t) k y(t) c y (t) m g F(t)

Jak je vidět jde o lineární diferenciální rovnici druhého řádu s konstantními koeficienty a jak je známo pro vytvoření simulačního schématu můžeme použít dvě metody a to: a) Metodu snižování řádu derivace b) Metodu postupné integrace Metoda snižování řádu derivace: Metoda snižování řádu derivace spočívá vtom, vyjádřit si na jednu stranu rovnice nejvyšší řád derivace a ve schématu pak vyjádřit takto daný součet nižších řádů derivací. k c F(t) y (t) y(t) y (t) g m m m

Metoda postupné integrace: Metoda postupné integrace spočívá vtom, vyjádřit si na jednu stranu rovnice nejvyšší řád derivace a postupně rovnici integrovat až zmizí všechny derivace. y(t) c k y( )d y( )d F u( )d g u( )d m m m

Ověření výsledků: Sílu F(t) je třeba volit tak, aby se její účinek projevil až po nějaké době a sedačka měla dostatek času k ustálení počátečního poklesu. Ten je způsoben vlivem vlastní vahou sedačky. Je možné simulovat zatížení a odlehčení sedačky. Pro kontrolu výsledku je možné si spočítat ustálené hodnoty výchylky sedačky s řidičem a bez řidiče. 0.1 S řidičem Bez řidiče F( ) m g y( ) k m g y( ) k F[10.kN];y[m] 0.05 0-0.05-0.1-0.15-0.2-0.25-0.3-0.35-0.4 0 5 10 15 t[s]

Příklad 2: Matematicko-fyzikální analýzou se nám podařilo vyřešit příklad 1 a provést několik simulací. Ovšem nastává zde problém v popisu řidiče, který byl v prvním příkladě nahrazen pouze silou, která aproximovala gravitační sílu, jenž je způsobena jeho vahou. Je třeba si uvědomit, že usednutím řidiče na sedačku dojde ke zvětšení její hmotnosti, respektive řidič se stane součástí sedačky a působí i na něj reakce pružiny a tlumiče. Právě změnou hmotnosti sedačky pak dojde ke značné změně dynamických vlastností, kterou si ukážeme v tomto příkladě. Předešlí příklad tedy můžeme modifikovat, tak že v první řadě vypustíme gravitační sílu vyvolanou hmotností řidiče. V druhé řadě pak připustíme že hmotnost, která je k podložce přichycena pružinou a tlumičem, nebude konstantní, ale bude funkcí času. Pohybovou rovnici pak můžeme modifikovat do následujícího tvaru: m(t) y (t) k y(t) c y (t) m(t) g

Jak je vidět, tak vstupem do rovnice je časově proměnná hmotnost, která je dána hmotností sedačky a řidiče, jenž na ní usedá. Tedy rovnice přestává být lineární diferenciální rovnice s konstantními koeficienty a tudíž její analytické řešení by už bylo o poznání komplikovanější. Při vytváření schémata v Simulinku, pak můžeme například použít blok PRODUCT k násobení dvou signálů, z nichž jeden je dán funkcí hmotnosti.

Jak je vidět na porovnání simulačních výsledků pro oba případy, tak při zatížení sedačky se dynamika výchylky podstatně změní. Co by se, ale měnit nemělo je dynamika při odlehčení sedačky a ustálená hodnota výchylky. 0.2 0.1 0 m[1000*kg];y[m] -0.1-0.2-0.3-0.4-0.5 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 t[s]

Příklad 3: Mějme zadavatele, který pro maximální pohodlnost svých výrobků požaduje zadaný průběh výchylky po dosednutí řidiče. Tedy sedačka musí po určité době poklesnout do dvojnásobku ustálené výchylky a následně za stejnou dobu se vrátit do ustálené výchylky a to pokud možno bez překmitů. Hodnoty požadovaného průběhu výchylky jsou uvedeny na obrázku.

Hodnotu požadované výchylky lze dosáhnout vhodnou volbou pružiny, potom tedy velikost a počet kmitů sedačky je nutno nastavit parametry tlumiče. To je právě kámen úrazu. Jestliže máme lineární diferenciální rovnici druhého řádu, pak právě nastavením tlumení můžeme mít dva komplexně sdružené kořeny charakteristické rovnice, které ovlivňují tlumené kmitání systému. To je v pořádku, ale problém je, že vrcholy těchto překmitů jsou obaleny křivkou K(1+e -1/T ) a nelze tedy najít takové tlumení, aby bylo dosaženo tak velkého překmitu, natož aby tento překmit byl právě jeden. y 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 1+exp(-t) 1-exp(-t) 1 0i 1 0.5i 1 1i 1 2i 1 5i 1 20i 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 t[s] Zadání proto nelze splnit při zachování stávající struktury odpružení. K řešení by mohlo vézt použití nelineárních prvků nebo kombinace většího množství sérioparalelně zapojených prvků.