Laborator 3 I.S.A. Stabilitatea sistemelor liniare şi răspunsul în frecvență.

Σχετικά έγγραφα
Seminar 5 Analiza stabilității sistemelor liniare

Metode iterative pentru probleme neliniare - contractii

(a) se numeşte derivata parţială a funcţiei f în raport cu variabila x i în punctul a.

Curs 10 Funcţii reale de mai multe variabile reale. Limite şi continuitate.

a n (ζ z 0 ) n. n=1 se numeste partea principala iar seria a n (z z 0 ) n se numeste partea

5. FUNCŢII IMPLICITE. EXTREME CONDIŢIONATE.

Sisteme diferenţiale liniare de ordinul 1

Analiza sistemelor liniare şi continue

A1. Valori standardizate de rezistenţe

Aplicaţii ale principiului I al termodinamicii la gazul ideal

Planul determinat de normală şi un punct Ecuaţia generală Plane paralele Unghi diedru Planul determinat de 3 puncte necoliniare

Analiza în curent continuu a schemelor electronice Eugenie Posdărăscu - DCE SEM 1 electronica.geniu.ro

Analiza sistemelor liniare şi continue

Curs 14 Funcţii implicite. Facultatea de Hidrotehnică Universitatea Tehnică "Gh. Asachi"

Integrala nedefinită (primitive)

Seminariile Capitolul X. Integrale Curbilinii: Serii Laurent şi Teorema Reziduurilor

Functii definitie, proprietati, grafic, functii elementare A. Definitii, proprietatile functiilor X) functia f 1

Curs 1 Şiruri de numere reale

DISTANŢA DINTRE DOUĂ DREPTE NECOPLANARE

Proiectarea sistemelor de control automat

V.7. Condiţii necesare de optimalitate cazul funcţiilor diferenţiabile

Definiţia generală Cazul 1. Elipsa şi hiperbola Cercul Cazul 2. Parabola Reprezentari parametrice ale conicelor Tangente la conice

5.4. MULTIPLEXOARE A 0 A 1 A 2

Lucrarea nr. 7: Reprezentarea în frecvenţă a funcţiilor de transfer. Criterii de stabilitate

Proiectarea filtrelor prin metoda pierderilor de inserţie

Curs 4 Serii de numere reale

5.5. REZOLVAREA CIRCUITELOR CU TRANZISTOARE BIPOLARE

SEMINAR 14. Funcţii de mai multe variabile (continuare) ( = 1 z(x,y) x = 0. x = f. x + f. y = f. = x. = 1 y. y = x ( y = = 0

Stabilitatea sistemelor liniare si invariante in timp

Metode de interpolare bazate pe diferenţe divizate

III. Serii absolut convergente. Serii semiconvergente. ii) semiconvergentă dacă este convergentă iar seria modulelor divergentă.

Conice. Lect. dr. Constantin-Cosmin Todea. U.T. Cluj-Napoca

Problema a II - a (10 puncte) Diferite circuite electrice


RĂSPUNS Modulul de rezistenţă este o caracteristică geometrică a secţiunii transversale, scrisă faţă de una dintre axele de inerţie principale:,

Functii definitie, proprietati, grafic, functii elementare A. Definitii, proprietatile functiilor

riptografie şi Securitate

Transformata Laplace

MARCAREA REZISTOARELOR

2. Sisteme de forţe concurente...1 Cuprins...1 Introducere Aspecte teoretice Aplicaţii rezolvate...3

Examen AG. Student:... Grupa: ianuarie 2016

Laborator 11. Mulţimi Julia. Temă

Transformări de frecvenţă

Functii Breviar teoretic 8 ianuarie ianuarie 2011

Subiecte Clasa a VII-a

Stabilitatea circuitelor cu reacţie

( ) () t = intrarea, uout. Seminar 5: Sisteme Analogice Liniare şi Invariante (SALI)

V O. = v I v stabilizator

R R, f ( x) = x 7x+ 6. Determinați distanța dintre punctele de. B=, unde x și y sunt numere reale.

a. 11 % b. 12 % c. 13 % d. 14 %

1.7. AMPLIFICATOARE DE PUTERE ÎN CLASA A ŞI AB

Aparate de măsurat. Măsurări electronice Rezumatul cursului 2. MEE - prof. dr. ing. Ioan D. Oltean 1

Tratarea numerică a semnalelor

IV. CUADRIPOLI SI FILTRE ELECTRICE CAP. 13. CUADRIPOLI ELECTRICI

LUCRAREA nr.6: Sinteza SRA. Criteriul Ziegler Nichols

Subiecte Clasa a VIII-a

Componente şi Circuite Electronice Pasive. Laborator 3. Divizorul de tensiune. Divizorul de curent

3. Momentul forţei în raport cu un punct...1 Cuprins...1 Introducere Aspecte teoretice Aplicaţii rezolvate...4

4. Măsurarea tensiunilor şi a curenţilor electrici. Voltmetre electronice analogice

2 Transformări liniare între spaţii finit dimensionale

Fig Impedanţa condensatoarelor electrolitice SMD cu Al cu electrolit semiuscat în funcţie de frecvenţă [36].

Toate subiectele sunt obligatorii. Timpul de lucru efectiv este de 3 ore. Se acordă din oficiu 10 puncte. SUBIECTUL I.

z a + c 0 + c 1 (z a)

Erori si incertitudini de măsurare. Modele matematice Instrument: proiectare, fabricaţie, Interacţiune măsurand instrument:

Curs 2 Şiruri de numere reale

2.1 Amplificatorul de semnal mic cu cuplaj RC

Ecuatii trigonometrice

* K. toate K. circuitului. portile. Considerând această sumă pentru toate rezistoarele 2. = sl I K I K. toate rez. Pentru o bobină: U * toate I K K 1


Ecuatii exponentiale. Ecuatia ce contine variabila necunoscuta la exponentul puterii se numeste ecuatie exponentiala. a x = b, (1)

Capitolul 4 PROPRIETĂŢI TOPOLOGICE ŞI DE NUMĂRARE ALE LUI R. 4.1 Proprietăţi topologice ale lui R Puncte de acumulare

SERII NUMERICE. Definiţia 3.1. Fie (a n ) n n0 (n 0 IN) un şir de numere reale şi (s n ) n n0

Examen AG. Student:... Grupa:... ianuarie 2011

Criptosisteme cu cheie publică III

COLEGIUL NATIONAL CONSTANTIN CARABELLA TARGOVISTE. CONCURSUL JUDETEAN DE MATEMATICA CEZAR IVANESCU Editia a VI-a 26 februarie 2005.

Ecuaţia generală Probleme de tangenţă Sfera prin 4 puncte necoplanare. Elipsoidul Hiperboloizi Paraboloizi Conul Cilindrul. 1 Sfera.

Ovidiu Gabriel Avădănei, Florin Mihai Tufescu,

Esalonul Redus pe Linii (ERL). Subspatii.

Lucrarea Nr. 5 Circuite simple cu diode (Aplicaţii)

Spatii liniare. Exemple Subspaţiu liniar Acoperire (înfăşurătoare) liniară. Mulţime infinită liniar independentă

Valori limită privind SO2, NOx şi emisiile de praf rezultate din operarea LPC în funcţie de diferite tipuri de combustibili

VII.2. PROBLEME REZOLVATE

Sisteme discrete liniare şi invariante în timp

Circuite electrice in regim permanent

SIGURANŢE CILINDRICE

L2. REGIMUL DINAMIC AL TRANZISTORULUI BIPOLAR

10/31/2014. În evoluţia sistemelor dinamice unele semnale apar cu o anumită întârziere faţă de un anumit moment convenţional ales ca t = 0. (2.

METODE NUMERICE: Laborator #5 Metode iterative pentru rezolvarea sistemelor: Jacobi, Gauss-Siedel, Suprarelaxare

Analiza funcționării și proiectarea unui stabilizator de tensiune continuă realizat cu o diodă Zener

Metode Runge-Kutta. 18 ianuarie Probleme scalare, pas constant. Dorim să aproximăm soluţia problemei Cauchy

Profesor Blaga Mirela-Gabriela DREAPTA

T R A I A N ( ) Trigonometrie. \ kπ; k. este periodică (perioada principală T * =π ), impară, nemărginită.

Asupra unei inegalităţi date la barajul OBMJ 2006

14. Grinzi cu zăbrele Metoda secţiunilor...1 Cuprins...1 Introducere Aspecte teoretice Aplicaţii rezolvate...3

Stabilizator cu diodă Zener

Laborator 1: INTRODUCERE ÎN ALGORITMI. Întocmit de: Claudia Pârloagă. Îndrumător: Asist. Drd. Gabriel Danciu

Sisteme de ecuaţii diferenţiale

Componente şi Circuite Electronice Pasive. Laborator 4. Măsurarea parametrilor mărimilor electrice

Proiectarea filtrelor IIR prin metode de transformare

Laborator 6. Integrarea ecuaţiilor diferenţiale

Transcript:

Laborator 3 I.S.A. Stabilitatea sistemelor liniare şi răspunsul în frecvență. 1. Introducere...1 2. Stabilitatea sistemelor liniare...1 2.1 Stabilitatea internă...2 2.2 Stabilitatea externă...3 2.3. Exemple...4 3. Trasarea caracteristicilor de frecvenţă logaritmice (Bode)...5 3.1. Exemplu...6 4. Analiza sistemelor liniare pe baza caracteristicilor de frecvenţă...8 4.1. Exemplu...10 5. Cerinţele lucrării de laborator...10 1. Introducere Acest laborator urmăreşte: Prezentarea noţiunilor de stabilitate internă şi externă a sistemelor liniare şi a metodelor practice de testare a acestora. Trasarea caracteristicilor de frecvenţă logaritmice (Bode). Analiza sistemelor liniare utilizând caracteristicile în frecvență. 2. Stabilitatea sistemelor liniare Stabilitatea sistemelor este de două tipuri: internă, numită şi în sens Liapunov

2 Ingineria Sistemelor Automate Laborator 03 externă, numită şi în sens intrare mărginită, ieşire mărginită sau BIBO (Bounded Input, Bounded Output) 2.1 Stabilitatea internă Un sistem liniar este intern asimptotic stabil dacă evoluţia stărilor sale tinde către zero când t, în absenţa intrărilor (comenzi şi perturbaţii): (3.1) Din punct de vedere practic, verificarea stabilităţii interne asimptotice se face utilizând următoarea teoremă: Un sistem este intern asimptotic stabil dacă: Re( λ i ) < 0, t R în cazul sistemelor cu timp continuu (3.2) λ i < 1, t Z în cazul sistemelor cu timp discret unde: λ i sunt valorile proprii ale matricei A, din reprezentarea în spaţiul stărilor, adică soluţiile ecuaţiei: det(λi A) = 0. Relaţiile (3.2) definesc domeniile de stabilitate pentru sistemele liniare: Figura 3.1 Domeniul de stabilitate pentru sisteme liniare cu timp continuu. Figura 3.2 Domeniul de stabilitate pentru sisteme liniare cu timp discret.

Ingineria Sistemelor Automate Laborator 03 3 Observații: - Stabilitatea internă este determinată doar de valorile matricei A, celelalte matrice neavând nici o influență. - Dacă un sistem continuu este intern asimptotic stabil, prin discretizarea lui stabilitatea internă se păstrează. - În Matlab, valorile proprii ale unei matrici se pot obţine cu funcţia eig Exemplu: >> A=[0 1;-2-3]; >> eig(a) ans = -1-2 2.2 Stabilitatea externă Din punct de vedere practic, verificarea stabilităţii externe stricte se face utilizând următoarea teoremă: Un sistem este extern strict stabil dacă: în cazul sistemelor cu timp continuu (3.3) în cazul sistemelor cu timp discret unde: p i sunt polii funcţiei de transfer, adică soluţiile ecuaţiei: Relaţiile (3.3) definesc aceleaşi domenii de stabilitate ca şi relaţiile (3.2), domenii prezentate în Figura 3.1 şi Figura 3.2. O definiţie alternativă a stabilităţii externe este: Un sistem este extern strict stabil dacă şi numai dacă, astfel încât pentru Altfel spus, dacă sistemul este extern strict stabil la o intrare mărginită, ieşirea este tot mărginită (Bounded Input, Bounded Output). Se poate demonstra că aceată condiţie se îndeplineşte numai dacă relaţiile (3.3) sunt respectate.

4 Ingineria Sistemelor Automate Laborator 03 Observaț ii: - Dacă un sistem este intern asimptotic stabil atunci el este şi extern strict stabil. În schimb este posibil ca un sistem să nu fie intern asimptotic stabil, dar să fie extern strict stabil. Acest lucru se întâmplă dacă în urma aducerii H(s) la forma ireductibilă se simplifică polii situaţi în zona de instabilitate. - În Matlab, rădăcinile unui polinom se pot obţine cu funcţia roots Exemplu: >> A=[1 4 3]; >> roots(a) ans = -3-1 2.3. Exemple 1. Să se testeze stabilitatea internă şi externă pentru următorul sistem cu timp continuu: Rezolvare: a) Testarea stabilităţii interne. Se calculează valorile proprii ale matricei A, prin rezolvarea ecuaţiei det (si A) = 0 : Întrucât s 2 = 1 C sistemul nu este intern asimptotic stabil. b) Testarea stabilităţii externe. Se calculează funcţia de transfer cu sau alternativ utilizând >> A=[1 10;0-1]; >> b=[-1;1]; >> ct=[0 2]; >> d=0; >> [num,den]=ss2tf(a,b,ct,d) num = 0 2-2

Ingineria Sistemelor Automate Laborator 03 5 den = 1 0-1 Se aduce H(s) la forma ireductibilă şi se determină polii, adică rădăcinile numitorului: Întrucât p 1 C - sistemul este extern strict stabil, deşi intern nu este asimptotic stabil. 2. Să se testeze stabilitatea internă şi externă pentru următorul proces discretizat: Rezolvare: a) Testarea stabilităţii interne. Se calculează valorile proprii ale matricei A, prin rezolvarea ecuaţiei det(zi A) = 0 : sau alternativ utilizând Matlab: >> Ad=[-0.5 0;0-0.5]; >> eig(ad) ans = -0.5000-0.5000 Întrucât z 1, z 2 U 1 (0) sistemul este intern asimptotic stabil. b) Testarea stabilităţii externe. Deoarece sistemul este intern asimptotic stabil el este şi extern strict stabil. 3. Trasarea caracteristicilor de frecvenţă logaritmice (Bode) Pentru trasarea manuală a caracteristicilor de frecvenţă logaritmice se procedează astfel: Se aranjează H(s) în forma unde: k este factorul de amplificare de regim staţionar ;

6 Ingineria Sistemelor Automate Laborator 03 s q este numărul de integratoare (dacă q > 0 ) sau derivatoare (dacă q < 0 ) 1 + sτ i,k sunt polinoamele de ordinul 1 în s ale numărărorului şi numitorului 1 + 2ξτs j,l + τ 2 s 2 j,l sunt polinoame de ordinul 2 în s Se determină pulsaţiile de tăiere ale tuturor elementelor standard cu relaţia Trasarea caracteristiciilor se face începând cu frecvenţele joase. Valorile iniţiale pentru panta amplitudinii şi fază sunt: 20 q db respectiv -q π/2 unde s q este numărul de integratoare (dacă q > 0 ) sau derivatoare (dacă q < 0). Pentru caracteristica amplitudine-pulsaţie, dacă panta iniţială este nenulă, se calculează valoarea amplitudinii A(ω) pentru o anumită pulsaţie ω0 ω t1 unde ω t1 este cea mai mică pulsaţie de tăiere, astfel încât să se determine un punct prin care trebuie să treacă dreapta la frecvenţe joase. Caracteristica amplitudine-pulsaţie se ajustează ca pantă la fiecare pulsaţie de tăiere. În final, la frecvenţe înalte, panta caracteristicii logaritmice amplitudine pulsaţie trebuie să fie e 20 db, unde e = număr poli număr zerouri ale H(s). Caracteristica fază-pulsaţie se trasează cu aproximaţie, ajustându-se la fiecare pulsaţie de tăiere. În final, la frecvenţe înalte, defazajul trebuie să fie e π / 2, unde e = număr poli număr zerouri ale H(s) 3.1. Exemplu Să se traseze manual şi cu ajutorul Matlab, caracteristicile Bode, pentru funcţia de transfer: A) Trasarea manuală Funcţia este deja descompusă în elemente standard. Tabelul 1 prezintă polii şi zerourile ei precum şi pulsaţiile de tăiere asociate. Tabelul.1 - Pulsaţiile de tăiere corespunzătoare zerourilor şi polilor funcţiei de transfer Zerourile (rădăcinile numărătirului) Pulsațiile de tăiere Polii (rădăcinile numitorului) Pulsațiile de tăiere s = 0 zerou de ordin 2 - s = -10, pol de ordin 2 ω t = 10 s = -10 2 zerou de ordin 1 ω t = 10 2 s = -10 3, pol de ordin 1 ω t = 10 3 s = -10 6 zerou de ordin 2 ω t = 10 6 s = -10 5, pol de ordin 4 ω t = 10 5

Ingineria Sistemelor Automate Laborator 03 7 Panta iniţială este de + 40dB / decadă datorită dublului integrator s 2. La prima pulsaţie de tăiere ω t1 = 10-1 valoarea H(s) este: H 10 1 = 10 10 1 2 1 10 2 10 1 1 10 6 10 1 2 1 10 1 10 1 2 1 10 3 10 1 1 10 5 10 1 4 10 1 H 10 1 db=20lg 10 1 = 20db Figura 3.3 Caracteristica logaritmică amplitudine-pulsaţie Figura 3.4 Caracteristica logaritmică fază-pulsaţie B) Trasarea utilizând Matlab >> s = tf('s') >> y = 10*s^2*(1+s/10^2)*((1+s/10^6)^2)/((1+s/10)^2*(1+s/10^3)*(1+s/10^ 5)^4); >>w = logspace(-1, 8, 100); % genereaza un vector de 100 de puncte, pe o % scara logaritmica, de 10-1 pana la 10 8 >> bode(y, w) >> grid

8 Ingineria Sistemelor Automate Laborator 03 Figura 3.5 Caracteristicile Bode obţinute cu Matlab 4. Analiza sistemelor liniare pe baza caracteristicilor de frecvenţă În cazul sistemelor de reglare automate, caracteristicile de frecvenţă logaritmice pot fi utilizate pentru: Proiectarea regulatoarelor Analiza sistemelor de reglare În cele ce urmează se va discuta cel de-al doilea punct. Figura 3.6 prezintă structura generală a unui sistem de reglare unde s-a notat cu H bd (s) = H R (s)h P (s) funcţia de transfer în buclă deschisă. Prin analiza caracteristicilor de frecvenţă ale H bd (s) se poate determina gradul de robusteţe al întregului sistem de reglare având funcţia de transfer echivalentă (în buclă inchisă): Figura 3.6 Schema unui sistem de reglare în buclă închisă Prima condiţie pentru ca un sistem de reglare să funcționeze este ca acesta să fie stabil.

Ingineria Sistemelor Automate Laborator 03 9 Acest lucru se poate deduce din caracteristicile de frecvență ale funcț iei de transfer în buclă deschisă H bd (s). Pentru ca sistemul în buclă închisă să fie stabil, este necesar ca amplitudinea (amplificarea) H bd (s) să fie subunitară (sau < 0 exprimată în db) când defazajul atinge minus 180 (vezi Figura 3.4). În acest moment, reacția negativă devine pozitivă ș i sistemul devine instabil dacă amplificarea H bd (s) ar fi supraunitară. Gradul de robusteț e al unui sistem de reglare este dat de rezerva disponibilă până la atingerea limitei de stabilitate. Această rezervă se poate exprima prin următorii indicatori de robustețe: Margine de amplitudine M A inversa amplitudinii (amplificării) când faza atinge minus 180 o. Marginea de amplitudine indică de câte ori mai poate fi crescută amplificarea sistemului pe bucla deschisă, până se atinge limita de stabilitate; Marginea de fază Mφ diferenț a dintre faza sistemului când amplitudinea (amplificarea) devine unitară şi -180 o. Marginea de fază indică defazajul suplimentar care mai poate fi introdus pe bucla deschisă, până se atinge limita de stabilitate; Marginea de întârziere timpul mort echivalent cu marginea de fază. Se calculează ca fiind raportul dintre marginea de fază (exprimată în radiani) şi pulsaţia ce corespunde acesteia. Marginea de întârziere indică durata timpului mort suplimentar ce poate fi introdus pe bucla deschisă, până când defazajul provocat de acesta devine egal cu marginea de fază când sistemul atinge limita de stabiltate. Marginea de întârziere reprezintă un alt mod de exprimare a marginii de fază; Marginea de modul valoarea minimă a expresiei 1 + H bd (jω). Inversa acestei expresii caracterizează gradul de sensibilitate al sistemului în raport cu perturbaţiile. Amplificarea maximă este dată de inversa marginii de modul. Marginea de modul reprezintă o măsură a sensibilităţii maxime a sistemului. Valorile limită ale acestor indicatori, necesare asigurării unui grad de robusteţe acceptabil, sunt: Marginea de amplitudine M A : > 2 (6dB); Marginea de fază Mφ: 30 60 ; Marginea de întârziere > T = perioada de eşantionare; Marginea de modul > 0.5 (-6dB). Observație: Indicatorii de robusteţe: margine de amplitudine şi de fază se pot obţine în Matlab cu funcţia margin. Figura 3.4 Caracteristicile Bode cu evidenţierea marginii de fază şi de amplitudine

10 Ingineria Sistemelor Automate Laborator 03 4.1. Exemplu Să se determine marginea de fază Mφ, marginea de amplitudine M A şi pulsaţiile corespunzătoare lor pentru funcţia de transfer: >> num = [0 0 0 2]; >> den = [1/10 7/10 1 0]; >> w=logspace(-1,2,100); % genereaza un vector de 100 de puncte, pe o scară % logaritmica, de la 10-1 pana la 10 2 >> [mag, phase] = bode(num, den, w); % calculeaza raspunsul in frecventa >> [Gm, Pm, Wcg, Wcp] = margin(mag, phase, w) %caluleaza MA şi Mφ şi % pulsaţiile lor >> mag = 20*log10(mag); >> subplot(211), semilogx(w, mag) >>subplot(212), semilogx(w, phase) Gm = 3.5017 Pm = 35.7871 Wcg = 3.1623 Wcp = 1.5224 Marginea de amplitudine: Gm = 3,5017 (10,881 db), la 3,1623 rad/s Margine de fază: Pm =35,787 deg, la 1,5224 rad/sec. 5. Cerinţele lucrării de laborator 1. Să se traseze manual caracteristicile de frecvenţă pentru funcţia de transfer: Se vor compara graficele obţinute cu cele date de MATLAB. 2. Să se determine marginea de fază şi marginea de amplitudine pentru funcţia de transfer: