Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 8. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

Σχετικά έγγραφα
Επίλυση Δυναμικών Εξισώσεων

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 7. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

Δυναμική Μηχανών I. Επίλυση Προβλημάτων Αρχικών Συνθηκών σε Συνήθεις. Διαφορικές Εξισώσεις με Σταθερούς Συντελεστές

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 11. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 9. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

Δυναμική Μηχανών I. Χρονική Απόκριση Συστημάτων 2 ης Τάξης

Δυναμική Μηχανών I. Επίλυση Προβλημάτων Αρχικών Συνθηκών. σε Συστήματα Συνήθων Διαφορικών Εξισώσεων με Σταθερούς Συντελεστές

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 22. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 12. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

Δυναμική Μηχανών Ι. Διδάσκων: Αντωνιάδης Ιωάννης. Απόκριση Συστημάτων 1 ου Βαθμού Ελευθερίας, που περιγράφονται από Σ.Δ.Ε.

Δυναμική Μηχανών I. Εισαγωγή στον Υπολογισμό της Χρονικής. Απόκρισης Δυναμικών Εξισώσεων

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 13: Μελέτη ΓΧΑ Συστημάτων με τον Μετασχηματισμό Laplace. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

Δυναμική Μηχανών I. Σύνοψη Εξεταστέας Ύλης

Δυναμική Μηχανών I. Απόκριση Γραμμικών Συστημάτων στο. Πεδίο της Συχνότητας

Απόκριση σε Αρμονική Διέγερση

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 13. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

Δυναμική Μηχανών I. Συνάρτηση και Μητρώο Μεταφοράς

() min. xt δεν έχει μετασχηματισμό LAPLACE () () () Αν Λ= το σήμα ( ) Αν Λ, έστω σ. Το σύνολο μιγαδικών αριθμών. s Q το ολοκλήρωμα (1) υπάρχει.

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Σερρών Τμήμα Πληροφορικής & Επικοινωνιών Σήματα και Συστήματα

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 5: Γραφική Μέθοδος Υπολογισμού του Συνελικτικού Ολοκληρώματος. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 10. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Σερρών Τμήμα Πληροφορικής & Επικοινωνιών Σήματα και Συστήματα

website:

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 11: Μετασχηματισμός Laplace. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Σερρών Τμήμα Πληροφορικής & Επικοινωνιών Σήματα και Συστήματα

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 2: Στοιχειώδη Σήματα Συνεχούς Χρόνου. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 9: Μελέτη ΓΧΑ Συστημάτων με τον Μετασχηματισμό Fourier. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

Εισαγωγή στην Τεχνολογία Αυτοματισμού

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 20. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

Παραρτήματα. Παράρτημα 1 ο : Μιγαδικοί Αριθμοί

Σήματα και Συστήματα

Εισαγωγή στις Τηλεπικοινωνίες. Δομή της παρουσίασης

Όταν θα έχουµε τελειώσει το Κεφάλαιο αυτό θα µπορούµε να:

Διδάσκων: Κολιόπουλος Παναγιώτης

Δυναμική Μηχανών I. Εισαγωγική Ανάλυση και Γραμμικοποίηση. Μη-Γραμμικών Δυναμικών Εξισώσεων

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 4: Μελέτη των Γραμμικών και Χρονικά Αμετάβλητων Συστημάτων. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

Λύσεις θεμάτων Α εξεταστικής περιόδου εαρινού εξαμήνου (Ιούνιος 2015)

ΕΝΟΤΗΤΑ 12: ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ BODE

ΑΣΚΗΣΗ 8. έκδοση DΥΝI-EXC b

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου 1 Ενότητα # 8: Αντίστροφος μετασχηματισμός Laplace Εφαρμογή σε απόκριση συστήματος: Σύστημα 1 ης τάξης

Δυναμική Μηχανών I. Αριθμητική Επίλυση Δυναμικών Συστημάτων στο Περιβάλλον MATLAB και Simulink

ΕΞΑΝΑΓΚΑΣΜΕΝΕΣ ΤΑΛΑΝΤΩΣΕΙΣ ΠΟΛΥΒΑΘΜΙΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 93

Δυναμική Μηχανών I. Συνάρτηση Απόκρισης Συχνότητας

Εξαναγκασμένη Ταλάντωση. Τυχαία Φόρτιση (Ολοκλήρωμα Duhamel)

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 7: Μετασχηματισμός Fourier. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

x(t) 2 = e 2 t = e 2t, t > 0

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Σερρών Τμήμα Πληροφορικής & Επικοινωνιών Σήματα και Συστήματα

Παράδειγμα 14.2 Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Laplace των συναρτήσεων

ΑΣΚΗΣΗ 7. έκδοση DΥΝI-EXC b

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΙΙ

Δυναμική Μηχανών I. Ιδιοανυσματική Ανάλυση

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 3. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

Γραμμικό και Χρονικά Αμετάβλητο Σύστημα σε καθοριστική και τυχαία πρόκληση (8.1.3)

Σήματα και Συστήματα. Νόκας Γιώργος

Μαθηματικά μοντέλα συστημάτων

Κλασσική Θεωρία Ελέγχου

HMY 220: Σήματα και Συστήματα Ι

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 4. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΜΗΧΑΝΩΝ Ι

6. ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ LAPLACE

Επίλυση Δ.Ε. με Laplace

Εισαγωγή στην Τεχνολογία Αυτοματισμού

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου

x(t) ax 1 (t) y(t) = 1 ax 1 (t) = (1/a)y 1(t) x(t t 0 ) y(t t 0 ) =

4. ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥ FOURIER

ΣΥΝΟΠΤΙΚΗ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ

Σύστημα και Μαθηματικά μοντέλα συστημάτων

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΡΗΤΗΣ Τµήµα Επιστήµης Υπολογιστών

Κλασσική Θεωρία Ελέγχου

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 1. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

HMY 220: Σήματα και Συστήματα Ι

Εξαναγκασμένη Ταλάντωση. Αρμονική Φόρτιση (...)

Ανάλυση Κυκλωμάτων. Φώτης Πλέσσας Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών

ΑΕΝ / ΑΣΠΡΟΠΥΡΓΟΥ ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΥ. Σημειώσεις για τη χρήση του MATLAB στα Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου

Δυναμική Μηχανών I. Επανάληψη: Μαθηματικά

Λύσεις θεμάτων εξεταστικής περιόδου Ιουνίου v 3 (t) - i 2 (t)

ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΟ ΓΕΝΙΚΟ ΠΛΑΝΟ 2019Κ7-1

Ασκήσεις στους Μετασχηµατισµούς Laplace και Fourier και τα Συστήµατα Εξισώσεων

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 8: Ιδιότητες του Μετασχηματισμού Fourier. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 21. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

Ελεύθερη Ταλάντωση Μονοβάθμιου Συστήματος

ΣΥΣΤΗΜΑ ΚΑΙ ΣΥΝΑΡΤΗΣΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ

ΣΥΝΑΡΤΗΣΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ & ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ LAPLACE

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 1: Σήματα Συνεχούς Χρόνου. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Σερρών Τμήμα Πληροφορικής & Επικοινωνιών Σήματα και Συστήματα

ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ Ενότητα 3&4: ΤΑΛΑΝΤΩΣΗ ΑΡΜΟΝΙΚΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ. Διδάσκων: Κολιόπουλος Παναγιώτης ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ

Δυναμική Μηχανών I. Ιδιομορφές

ΑΣΚΗΣΗ 19. έκδοση DΥΝI-EXC a

Μεταβατική Ανάλυση - Φάσορες. Κατάστρωση διαφορικών εξισώσεων. Μεταβατική απόκριση. Γενικό μοντέλο. ,, ( ) είναι γνωστές ποσότητες (σταθερές)

Πολυβάθμια Συστήματα. (συνέχεια)

Μάθημα: Θεωρία Δικτύων

Εισαγωγή στην Τεχνολογία Αυτοματισμού

[1] είναι ταυτοτικά ίση με το μηδέν. Στην περίπτωση που το στήριγμα μιας συνάρτησης ελέγχου φ ( x)

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΕΝΤΡΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ. Μαθηματικά 2. Σταύρος Παπαϊωάννου

Ευστάθεια, Τύποι συστημάτων και Σφάλματα

ΚΥΡΙΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΙΙ

ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΓΕΝΙΚΟ ΤΜΗΜΑ

ΚΥΚΛΩΜΑ RC ΜΕ ΚΡΟΥΣΤΙΚΗ ΔΙΕΓΕΡΣΗ

Λύσεις θεμάτων Α εξεταστικής περιόδου Χειμερινού εξαμήνου

Transcript:

Δυναμική Μηχανών I Διάλεξη 8 Χειμερινό Εξάμηνο 23 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

Ανακοινώσεις To μάθημα MATLAB/simulink για όσους δήλωσαν συμμετοχή έως χθες θα γίνει στις 6//24: Office Hours: Δευτέρα -3 μμ, Εργαστήριο Εμβιομηχανικής, Ισόγειο Κτηρίου Μ (2 772-56) DMmeche23@gmail.com http://cw.mech.ntua.gr/ml2365 2

Περιεχόμενα Μορφές Δυναμικών Εξισώσεων Μ-Κ, μεταβλητές κατάστασης, συνάρτηση μεταφοράς Επίλυση δυναμικών εξισώσεων Μεταβατική απόκριση πρωτοβάθμιου δυναμικού συστήματος Παραδείγματα 3

Δυναμικές Εξισώσεις Μοντελοποίηση Μ q q + C q q + K q = ξ grav + ξ nonlin + ξ Μη γραμμικές δυναμικές εξισώσεις Γραμμικοποίηση Μ q + C q + K q = ξ Γραμμικές δυναμικές εξισώσεις (Μ-Κ) x = A x + B u y = C x + D u Eξισώσεις μεταβλητών κατάστασης Y(s) = H(s) U(s) Συνάρτηση μεταφοράς 4

Δυναμικές Εξισώσεις Γραμμικές δυναμικές εξισώσεις Μ-Κ Μητρώο αδράνειας Μ q + C q + K q = ξ Μητρώο απόσβεσης Μητρώο ελαστικότητας Εξισώσεις μεταβλητών κατάστασης x = q q x = A x + Β u Μεταβλητές κατάστασης A = Εξωτερική διέγερση O M K I M C u = ξ Διεγέρσεις συστήματος Β = O M 5

Δυναμικές Εξισώσεις Εξισώσεις μεταβλητών κατάστασης με εξόδους x = A x + Β u y = C x + D u x = q q Μεταβλητές κατάστασης u = ξ Διεγέρσεις συστήματος y Διάνυσμα εξόδου (οποιαδήποτε σύνολο μεταβλητών ενδιαφέροντος) 6

Συνάρτηση Μεταφοράς Για γραμμικές διαφορικές εξισώσεις Περιγραφή του συστήματος μέσω του μητρώου μεταφοράς H(s) Y(s) = H(s) U(s) Στην περίπτωση μιας εισόδου και μιας εξόδου H s = β m s m + β m s m + + β s + β s n + α n s n + + α s + α Υπολογίζεται μέσω του μ/χ Laplace Περισσότερα σε επόμενη παράδοση 7

Ιδιότητες Γραμμικών Συστημάτων Επαλληλία q t = q h (t) + q p (t) Απόκριση Ειδική λύση (διέγερση, μηδενικές αρχικές συνθήκες) Χρονική ανεξαρτησία Η απόκριση δεν εξαρτάται από πότε έγινε η διέγερση Ευστάθεια Ομογενής λύση (χωρίς διέγερση, αρχικές συνθήκες) Απόκριση σε αρχικές συνθήκες καταλήγει στο q t = 8

Ομογενής λύση Συστημάτων Β.Ε. Μοντέλο: m x + c x + k x = f(t) x + c m x + k m x = Αδιάστατοποιημένο μοντέλο x + 2 ζ ω x + ω 2 x = ω = k m Λόγος απόσβεσης Φυσική κυκλική συχνότητα 2 ζ ω = c m 9

Ομογενής λύση Συστημάτων Β.Ε. x + 2ζωx + ω 2 x = x() = x x () = u x h t = c e λ t + c 2 e λ 2t λ, λ 2 είναι οι ρίζες του χαρακτηριστικού πολυωνύμου λ 2 + 2ζωλ + ω 2 = Σταθερές c, c 2 προκύπτουν από αρχικές συνθήκες x, u Το σημείο ισορροπίας του συστήματος είναι το x = Η μοναδική λύση που προκύπτει θέτοντας x = x =

x(t) x (t) u(t) Ομογενής λύση Συστημάτων Β.Ε. Περίπτωση ζ>: Υπερκρίσιμη απόσβεση.9.8 Τα λ, λ 2 είναι πραγματικοί αρνητικοί αριθμοί =.2, = =.2, = 2 =.2, = 4.5 λ,2 = ζω ± ω ζ 2 =.2, = =.2, = 2 =.2, = 4.7.6.5.4.3.2. -.5 - -.5 2 4 6 8 time -2 - -.5.5 Καθώς αυξάνεται η φυσική συχνότητα (για σταθερό ζ), η απόκριση γίνεται πιο γρήγορη (χρειάζεται λιγότερος χρόνος για να καταλήξει το σύστημα στο σημείο ισορροπίας x=) x(t)

x(t) x (t) u(t) Ομογενής λύση Συστημάτων Β.Ε. Περίπτωση ζ>: Υπερκρίσιμη απόσβεση.9.8.7.6.5.4.3 =, = =.5, = = 3, =. -. -.2 -.3 -.4 -.5 -.6 -.7 =, = =.5, = = 3, =.2 -.8. -.9 5 5 2 25 3 time -.2.4.6.8 Καθώς αυξάνεται ο λόγος απόσβεσης ζ (για σταθερό ω), η απόκριση γίνεται πιο αργή (χρειάζεται περισσότερος χρόνος για να καταλήξει στο σημείο ισορροπίας x=) x(t) 2

x(t) x(t) Βηματική Απόκριση Συστημάτων Β.Ε. Περίπτωση ζ>: Υπερκρίσιμη απόσβεση 4 3.5 3 2.5 2 =.2, =.5 =.2, = =.2, = 2.8.6 =.2, = =.5, = = 3., =.5.4.5.2 5 5 2 25 3 time 5 5 2 25 3 Καθώς αυξάνεται ο ζ ή ελατώνεται η ω, η απόκριση γίνεται πιο αργή (χρειάζεται περισσότερος χρόνος για να καταλήξει στην τελική τιμή). Η τελική τιμή x ss = ω 2 υπολογίζεται θέτωντας x = x = στην ΣΔΕ που περιγράφει την απόκριση x + 2ζωx + ω 2 x = time 3

x(t) x (t) u(t) Ομογενής λύση Συστημάτων Β.Ε. Περίπτωση <ζ<: Υποκρίσιμη απόσβεση.8.6 Τα λ, λ 2 είναι μιγαδικοί αριθμοί: =.4, = =.4, = 2 =.4, = 4.5 λ,2 = ζω ± ω ζ 2 j =.4, = =.4, = 2 =.4, = 4.4.2 -.5 - -.5 -.2-2 -.4 5 5 time -2.5 -.4 -.2.2.4.6.8 Καθώς αυξάνεται η φυσική συχνότητα (για σταθερό ζ), η απόκριση γίνεται πιο γρήγορη και χαρακτηρίζεται από πιο έντονες ταλαντώσεις (μεγαλύτερα x ) x(t) 4

x(t) x (t) u(t) Ομογενής λύση Συστημάτων Β.Ε. Περίπτωση <ζ<: Υποκρίσιμη απόσβεση Τα λ, λ 2 είναι μιγαδικοί αριθμοί: λ,2 = ζω ± ω ζ 2 j =.9, = =.5, = =.25, =.6.4 =.9, = =.5, = =.25, =.5.2 -.2 -.4 -.6 -.5 5 5 2 25 3 time -.8 -.5.5 Καθώς μειώνεται ο λόγος απόσβεσης ζ (για σταθερό ω), η απόκριση γίνεται πιο αργή και χαρακτηρίζεται από πιο έντονες ταλαντώσεις (μεγαλύτερη υπερακόντηση, μεγαλύτερα x x(t) 5

x(t) u(t) x(t) u(t) Βηματική Απόκριση Συστημάτων Β.Ε. Περίπτωση <ζ<: Υποκρίσιμη απόσβεση Τα λ, λ 2 είναι μιγαδικοί αριθμοί: λ,2 = ζω ± ω ζ 2 j 6 5 =.4, =.5 =.4, = =.4, = 2.5 =.9, = =.5, = =.25, = 4 3 2.5 5 5 2 25 3 x(t) time 5 5 2 25 3 x(t) time 6

x(t) Συνολική Απόκριση q t = q h (t) + q p (t) 2 =, =.25.5.5 -.5 - x()=u()=, step input x()= u()=2, no input x()= u()=2, step input -.5 5 5 2 time 7

x(t) x(t) Ρίζες συστήματος m-c-k στο μιγαδικό επίπεδο.9.8.7 =, = =.5, = = 3, = <ζ< Im(s).6.5.4.3.2 x. 5 5 2 25 3 time ζ> x x Re(s).5 =.9, = =.5, = =.25, = x -.5 5 5 2 25 3 time Ευστάθεια Αστάθεια 8

Απόκριση Γραμμικού Συστήματος σε Μοναδιαίο Παλμό Ο μοναδιαίος παλμός διάρκειας Τ ορίζεται ως u p,t t = Ιδίοτητες:, t <, t < T T, t T Μπορεί να εκφραστεί σαν γραμμική επαλληλία δύο βηματικών εισόδων τις στιγμές t= και t=t Καθώς Τ τότε η u p,t t τείνει στην συνάρτηση Dirac (κρουστική είσοδο) To χρονικό ολοκλήρωμα απο - έως ισούται με /T u p,t t = T u s t T u s t T u p,t τ dτ T lim u p,t t Τ + = u p,t τ dτ t = δ t = 9

Απόκριση Γραμμικού Συστήματος σε Μοναδιαίο Παλμό Λόγω επαλληλίας, η απόκριση h p,t t ενός γραμμικού συστήματος σε μοναδιαίο παλμό εύρους Τ μπορεί να εκφραστεί μέσω της απόκρισης h s t του ίδιου συστήματος σε βηματική είσοδο h p,t t = T h s t T h s t T Καθώς Τ τότε η απόκριση h p,t t τείνει στην απόκριση h t του συστήματος σε κρουστική είσοδο Η h t υπολογίζετε ως η παράγωγος της απόκρισης h s t σε βηματική είσοδο lim Τ h p,t t = T h s t h s t T T dh s t dt T = dh s t dt = h(t) 2

Απόκριση Γραμμικού Συστήματος σε Κρουστική Είσοδο Η απόκριση h t σε κρουστική είσοδο είναι χαρακτηριστικό μέγεθος του συστήματος Μπορεί να μετρηθεί πειραματικά Σε πραγματικά συστήματα h t = για t< Μπορεί να εκφραστεί σαν (για 2 ο -βάθμιο σύστημα) h t = c e λt + c e λ 2t όπου λ,2 : ρίζες χαρακτηριστικού πολυωνύμου του συστήματος Ο μετασχηματισμός Laplace της h t είναι η συνάρτηση μεταφοράς H(s) του συστήματος L{h t } = H(s) 2

h p,t (t) Απόκριση Γραμμικού Συστήματος σε Κρουστική Είσοδο.5.4 T = 4 sec T = 2 sec T = sec T =.2 sec T =.5 sec.3.2. -. 5 5 Απόκριση του συστήματος x +.4x + x = f (ζ =.7, ω = ) σε μοναδιαίους παλμούς f = u p,t (t). Καθώς η διάρκεια Τ μικραίνει κάτω από κάποιο όριο (το οποίο εξαρτάται από το σύστημα) η απόκριση h p,t (t) δεν μεταβάλεται, και ταυτίζεται με την απόκριση σε κρουστική είσοδο h(t) time 22

Απόκριση σε τυχαία είσοδο H απόκριση y t ενός γραμμικού συστήματος σε μια οποιαδήποτε είσοδο u t μπορεί να υπολογιστεί αναλυτικά μέσω του ολοκληρώματος της συνέλιξης y t = h t u t = u t h t = h τ u t τ dτ = h t τ u τ dτ Απόκριση συστήματος σε κρουστική είσοδο Τυχαία είσοδος 23

Ολοκλήρωμα Συνέλιξης: Φυσική Σημασία Oποιαδήποτε είσοδος u(t) μπορεί να εκφραστεί σαν ένα άθροισμα παλμών πλάτους Τ (το Τ είναι αρκετά μικρό) u t = T u p,t (t k T) u(k T) k= Αναγκαίο διότι το u p,t περιέχει το /Τ ώστε το εμβαδόν του να είναι Η απόκριση του συστήματος σε αυτή την είσοδο (λόγω επαλληλίας) είναι το άθροισμα αποκρίσεων σε παλμούς: y t = T h p,t (t k T) u(k T) k= Όταν η διάρκεια T είναι αρκετά μικρή, τότε h p,t h ενώ το άθροισμα καταλήγει σε ολοκλήρωμα y t = h t τ u τ dτ 24

Αναλυτικός Υπολογισμός Συνέλιξης To ολοκλήρωμα της συνέλιξης μπορεί να υπολογιστεί αναλυτικά ως: t y t = h t u t = h τ u t τ dτ = h τ u t τ dτ Η αλλαγή στα όρια της ολοκλήρωσης προκύπτει διότι h(t)=u(t)= για t< Διαδικασία υπολογισμού της y t Ξεκινώντας από την u(τ), η u(t-τ) προκύπτει γραφικά σε δύο βήματα. Η u(-τ) είναι ο «καθρέπτης» της u(τ) ως προς τον άξονα t= 2. Η u(t-τ) προκύπτει μετακινώντας την u(-τ) δεξιά κατά t Υπολογισμός της φ τ = u(t τ) h τ Η τιμή y t υπολογίαζεται ως το ολοκλήρωνα της φ τ από τ= έως τ=t 25

Παράδειγμα: Αναλυτικός Υπολογισμός Aπόκρισης Μέσω Συνέλιξης Παράδειγμα: Nα υπολογιστεί αναλυτικά η απόκριση του συστήματος x + x + x = u (ζ =.5, ω = ) στην είσοδο u(t) όταν x = x = u(t) =, t < sin π t, t <, t D t u(t) Λύση O υπολογισμός της απόκρισης μέσω συνέλιξης χρειάζεται την απόκριση h(t) σε κρουστική είσοδο. Η απόκριση h(t) θα υπολογιστεί μέσω της απόκρισης σε βηματική είσοδο h s (t) 26

Παράδειγμα: Αναλυτικός Υπολογισμός Aπόκρισης Μέσω Συνέλιξης Υπολογισμός της απόκρισης σε βηματική είσοδο h s (t) h s (t) ονομάζουμε την απόκριση x(t) σε βηματική είσοδο x t = x h t + x p t Η ειδική λύση x p t, είναι η λύση της ΣΔΕ x + x + x = Δοκιμάζουμε (βλέπε θεωρεία ΣΔΕ) λύσεις της μορφής x p t = c Αντικαθιστώντας την x p t στην ΣΔΕ προκύπτει c = οπότε η ειδική λύση είναι x p t = 27

Παράδειγμα: Αναλυτικός Υπολογισμός Aπόκρισης Μέσω Συνέλιξης Η ομογενής λύση x h t ισούται με (βλέπε θεωρεία ΣΔΕ): x h t = c e λ t + c 2 e λ 2t Όπου τα λ,2 είναι οι ρίζες του χαρακτηριστικού πολυωνύμου λ 2 + λ + = Επειδή <ζ<, οι ρίζες είναι μιγαδικοί αριθμοί: λ,2 = ζω ± ω n j =.5 ± 3 2 j Επειδή οι ρίζες είναι μιγαδικοί αριθμοί, η ομογενής λύση γράφεται ως x h t = e.5t A sin ( 3 2 t + φ) 28

Παράδειγμα: Αναλυτικός Υπολογισμός Aπόκρισης Μέσω Συνέλιξης Η συνολική λύση (ομογενής + ειδική) είναι: x t = e.5t A sin 3 2 t + φ + Οι σταθερές Α και φ υπολογίζονται από τις αρχικές συνθήκες: x = A sin φ = x =.5 A sin φ + 3 2 A cos φ Συνδιάζοντας της δύο συνθήκες προκύπτει το σύστημα: A sin φ = A cos φ = 3 3 Eπειδή το πλάτος Α>, τότε τα sin φ και cos φ είναι αρνητικοί αριθμοί, οπότε η γωνία φ βρίσκεται στο 3 ο τεταρτημόριο. H λύση δίνει A =.35 και φ = 2π/3 29

Παράδειγμα: Αναλυτικός Υπολογισμός Aπόκρισης Μέσω Συνέλιξης Οπότε η ομογενής λύση είναι: x h (t) = e t/2.35 sin ( 3 2 t 2π/3) Η συνολική λύση είναι το άθροισμα της ομογενούς και της ειδικής λύσης x t = x p t + x h t = + e t/2.35 sin ( 3 2 t 2π/3) Η απόκριση ενός συστήματος σε βηματική είσοδο (μηδενικές αρχικές συνθήκες) ονομάζεται (για λόγους συμβολισμού) h s (t): h s t = + e t/2.35 sin ( 3 2 t 2π/3) 3

Παράδειγμα: Αναλυτικός Υπολογισμός Aπόκρισης Μέσω Συνέλιξης Υπολογισμός της απόκρισης σε κρουστική είσοδο h(t) Η απόκριση σε κρουστική είσοδο h(t) προκύπτει από την χρονική παράγωγο της απόκρισης h s (t) h t = dh s t dt =.5.35 e t 2 sin 3 2 t 2π 3 + +.35 3 2 e t 2 cos 3 2 t 2π 3 Οπότε προκύπτει η έκφραση για την h(t) h t = e t 2 [.568 sin 3 2 t 2π 3 +.983 cos 3 2 t 2π 3 ] 3

Παράδειγμα: Αναλυτικός Υπολογισμός Συνέλιξης Τα επόμενα σχήματα δείχνουν τις γραφικές παραστάσεις για τις απόκρισεις h s (t), h(t) του συστήματος σε βηματική και κρουστική είσοδο αντίστοιχα.4.6.2.8 h s (t).5.4.3 h(t).6.2.4..2 5 5 2 time -. 5 5 2 time Μεταβατική (transient) απόκριση Μόνιμη (steady state) απόκριση Μεταβατική (transient) απόκριση Μόνιμη (steady state) απόκριση 32

Παράδειγμα: Αναλυτικός Υπολογισμός Aπόκρισης Μέσω Συνέλιξης Η απόκριση x t την στιγμή t> μπορεί να υπολογιστεί μέσω του ολοκληρώματος της συνέλιξης για τον υπολογισμό του ολοκληρώματος διακρίνουμε 2 περιπτώσεις Κάθε περίπτωση διαφέρει στο εύρος του ολοκληρώματος, δηλαδή στο εύρος των τιμών του τ όπου το γινόμενο h τ u t τ είναι μη-μηδενικό Βλέπε επόμενα 2 slides x t = h τ u t τ dτ t 33

Παράδειγμα: Αναλυτικός Υπολογισμός Aπόκρισης Μέσω Συνέλιξης Όταν t <, το γινόμενο h τ u t τ είναι μη-μηδενικό για τ < t Η απόκριση x t για οποιαδήποτε t < μπορεί να υπολογιστεί αναλυτικά ως: t x t = h τ u t τ dτ t h τ sin ( π (t τ))dτ Παράδειγμα υπολογισμού της απόκρισης x(4) μέσω του ολοκληρώματος της συνέλιξης. Η τιμή x(4) ισούται με το ολοκλήρωμα της u(t-τ)*h(τ) (τέταρτη εικόνα) =.5.5.5.5 u( ) - -5 5 5 u(- ) - -5 5 5 h( ) u(4- ) - -5 5 5 h( )*u(4- ) - -5 5 5 time 34

Παράδειγμα: Αναλυτικός Υπολογισμός Aπόκρισης Μέσω Συνέλιξης Όταν t, το γινόμενο h τ u t τ είναι μημηδενικό για t τ < t Η απόκριση x t για οποιαδήποτε t μπορεί να υπολογιστεί αναλυτικά ως: t x t = h τ u t τ dτ t t t h τ sin ( π (t τ))dτ Παράδειγμα υπολογισμού της απόκρισης x(5) μέσω του ολοκληρώματος της συνέλιξης. Η τιμή x(5) ισούται με το ολοκλήρωμα της u(t-τ)*h(τ) (τέταρτη εικόνα) =.5.5.5.2 -.2 u( ) - -5 5 5 u(- ) - -5 5 5 h( ) u(5- ) - -5 5 5 - -5 5 5 time h( )*u(5- ) 35