Kompletterande material till föreläsning 5 TSDT08 Signaler och System I. Erik G. Larsson LiU/ISY/Kommunikationssystem

Relevanta dokument
TSDT08 Signaler och System I Extra uppgifter

TSIU61: Reglerteknik. Sammanfattning från föreläsning 5 (2/4) Stabilitet Specifikationer med frekvensbeskrivning

Kap 3 - Tidskontinuerliga LTI-system. Användning av Laplacetransformen för att beskriva LTI-system: Samband poler - respons i tidsplanet

Tentamen i ESS 010 Signaler och System E3 V-sektionen, 16 augusti 2005, kl

Lösningar Reglerteknik AK Tentamen

Figur 2: Bodediagrammets amplitudkurva i uppgift 1d

Lösningsförslag till tentamen i Reglerteknik Y/D (TSRT12)

Välkomna till TSRT19 Reglerteknik Föreläsning 5. Sammanfattning av föreläsning 4 Frekvensanalys Bodediagram

Frekvensbeskrivning, Bodediagram

TSIU61: Reglerteknik. Frekvensbeskrivning Bodediagram. Gustaf Hendeby.

Nyquistkriteriet, kretsformning

Laplace, Fourier och resten varför alla dessa transformer?

TSIU61: Reglerteknik. de(t) dt + K D. Sammanfattning från föreläsning 4 (2/3) Frekvensbeskrivning. ˆ Bodediagram. Proportionell }{{} Integrerande

Reglerteknik I: F6. Bodediagram, Nyquistkriteriet. Dave Zachariah. Inst. Informationsteknologi, Avd. Systemteknik

Reglerteknik AK. Tentamen 24 oktober 2016 kl 8-13

( ), så kan du lika gärna skriva H ( ω )! ( ) eftersom boken går igenom laplacetransformen före

Frekvensbeskrivning, Bodediagram

1RT490 Reglerteknik I 5hp Tentamen: Del B

Frekvenssvaret är utsignalen då insginalen är en sinusvåg med frekvens ω och amplitud A,

Laplacetransform, poler och nollställen

ÖVNINGSTENTAMEN Modellering av dynamiska system 5hp

AUTOMATIC CONTROL REGLERTEKNIK LINKÖPINGS UNIVERSITET. M. Enqvist TTIT62: Föreläsning 3 AUTOMATIC CONTROL REGLERTEKNIK LINKÖPINGS UNIVERSITET

Laplace, Fourier och resten varför alla dessa transformer?

Exempelsamling Grundläggande systemmodeller. Klas Nordberg Computer Vision Laboratory Department of Electrical Engineering Linköping University

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings universitet KÅRA T1 T2 U2 U4

Tentamen ssy080 Transformer, Signaler och System, D3

Exempelsamling Grundläggande systemmodeller. Klas Nordberg Computer Vision Laboratory Department of Electrical Engineering Linköping University

TSIU61: Reglerteknik. Poler och nollställen Stabilitet Blockschema. Gustaf Hendeby.

Föreläsning 10, Egenskaper hos tidsdiskreta system

Reglerteknik. Kurskod: IE1304. Datum: 12/ Tid: Examinator: Leif Lindbäck ( )

Tentamen i TMA 982 Linjära System och Transformer VV-salar, 27 aug 2013, kl

Lösningsförslag till tentamen i Reglerteknik (TSRT19)

RÄKNEEXEMPEL FÖRELÄSNINGAR Signaler&System del 2

Reglerteknik I: F3. Tidssvar, återkoppling och PID-regulatorn. Dave Zachariah. Inst. Informationsteknologi, Avd. Systemteknik

Uppsala Universitet Matematiska Institutionen Bo Styf. Sammanfattning av föreläsningarna 15-18, 30/11-12/

Reglerteknik AK, FRT010

Kryssproblem (redovisningsuppgifter).

Reglerteknik AK. Tentamen 9 maj 2015 kl 08 13

TSRT91 Reglerteknik: Föreläsning 2

Transformer och differentialekvationer M3, 2010/2011 Ett par tillämpningar av Fourieranalys.

Frekvensplanet och Bode-diagram. Frekvensanalys

Föreläsning 1 Reglerteknik AK

TSDT18/84 SigSys Kap 4 Laplacetransformanalys av tidskontinuerliga system. De flesta begränsade insignaler ger upphov till begränsade utsignaler

För ett andra ordningens system utan nollställen, där överföringsfunktionen är. ω 2 0 s 2 + 2ζω 0 s + ω0

i(t) C i(t) = dq(t) dt = C dy(t) dt y(t) + (4)

TSRT91 Reglerteknik: Föreläsning 5

Välkomna till TSRT19 Reglerteknik Föreläsning 6. Sammanfattning av föreläsning 5 Lite mer om Bodediagram Den röda tråden!

TENTAMEN Reglerteknik 4.5hp X3

ÖVNINGSTENTAMEN Reglerteknik I 5hp

Introduktion Digitala filter. Filter. Staffan Grundberg. 12 maj 2016

TENTAMEN I TSRT19 REGLERTEKNIK

Reglerteknik AK. Tentamen kl

TENTAMEN I REGLERTEKNIK

Tentamen i Reglerteknik. 7,5 hp varav tentamen ger 4,5 hp

Lösningar till Tentamen i Reglerteknik AK EL1000/EL1100/EL

DT1130 Spektrala transformer Tentamen

TENTAMEN Modellering av dynamiska system 5hp

Elektronik 2018 EITA35

TSIU61: Reglerteknik. Sammanfattning av kursen. Gustaf Hendeby.

Filter. Mätteknik. Ville Jalkanen, TFE, UmU. 1

Lösningar till tentamen i styr- och reglerteknik (Med fet stil!)

TSIU61: Reglerteknik. Sammanfattning från föreläsning 3 (2/4) ˆ PID-reglering. ˆ Specifikationer. ˆ Sammanfattning av föreläsning 3.

Reglerteknik AK Tentamen

TSIU61: Reglerteknik. PID-reglering Specifikationer. Gustaf Hendeby.

Formelsamling i Reglerteknik

REGLERTEKNIK KTH REGLERTEKNIK AK EL1000/EL1110/EL En tillståndsmodell ges t.ex. av den styrbara kanoniska formen: s 2 +4s +1.

TIDSDISKRETA SYSTEM SYSTEMEGENSKAPER. Minne Kausalitet Tidsinvarians. Linjäritet Inverterbarhet Stabilitet. System. Tillämpad Fysik och Elektronik 1

Impulssvaret Betecknas h(t) respektive h(n). Impulssvaret beskriver hur ett system reagerar

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings universitet G33(1) TER4(63)

Cirkelkriteriet (12.3)

DIGITALA FILTER. Tillämpad Fysik Och Elektronik 1. Frekvensfunktioner FREKVENSSVAR FÖR ETT TIDSDISKRET SYSTEM. x(n)= Asin(Ωn)

TENTAMEN I REGLERTEKNIK TSRT03, TSRT19

REGLERTEKNIK KTH REGLERTEKNIK AK EL1000/EL1110/EL1120

Figure 1: Blockdiagram. V (s) + G C (s)y ref (s) 1 + G O (s)

System. Z-transformen. Staffan Grundberg. 8 februari 2016

1RT490 Reglerteknik I 5hp Tentamen: Del A Tid: Torsdag 15 december 2016, kl

Sammanfattning TSBB16

DT1130 Spektrala transformer Tentamen

REGLERTEKNIK Laboration 5

Tentamen i Reglerteknik. 7,5 hp varav tentamen ger 4,5 hp

Välkomna till Reglerteknik Föreläsning 2

Välkomna till TSRT19 Reglerteknik Föreläsning 8. Sammanfattning av föreläsning 7 Framkoppling Den röda tråden!

Föreläsning 7. Reglerteknik AK. c Bo Wahlberg. 26 september Avdelningen för Reglerteknik Skolan för elektro- och systemteknik

Övning 3. Introduktion. Repetition

Tentamen ssy080 Transformer, Signaler och System, D3

TENTAMEN Reglerteknik 3p, X3

1. Vi har givet två impulssvar enligt nedan (pilen under sekvenserna indikerar den position där n=0) h 1 (n) = [ ]

Föreläsning 2. Reglerteknik AK. c Bo Wahlberg. 3 september Avdelningen för reglerteknik Skolan för elektro- och systemteknik

TENTAMEN Reglerteknik I 5hp

TSIU61: Reglerteknik. Matematiska modeller Laplacetransformen. Gustaf Hendeby.

Reglerteknik AK, FRTF05

Reglerteknik. Datum: 20/ Tid: Examinator: Leif Lindbäck ( ) Hjälpmedel: Formelsamling, dimensioneringsbilaga, miniräknare.

1RT490 Reglerteknik I 5hp Tentamen: Del B

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings universitet

Transkript:

ompletterande material till föreläsning 5 TSDT8 Signaler och System I Erik G. Larsson LiU/ISY/ommunikationssystem erik.larsson@isy.liu.se November 8

5.1. Första och andra ordningens tidskontinuerliga LTI system 1 5.1 Första och andra ordningens tidskontinuerliga LTI system Ett första ordningens tidskontinuerligt system har en överföringsfunktion av formen F 1 (s) = /(s + a). Andra ordningens system har en överföringsfunktion av formen F (s) = /(s + as + b). 1 Det är speciellt intressant att betrakta i detalj hur dessa två system uppför sig. Skälet till det är att alla system med rationell överföringsfunktion, säg H(s), alltid kan ses som en sammansättning av system av typen F 1 (s), F (s), 1/F 1 (s) och 1/F (s). 5.1.1 Första ordningens tidskontinuerliga LTI system Betrakta det kausala systemet med överföringsfunktion H(s) = s + a, Re {s} > a Detta system har en pol i s = a och är stabilt om a >. Differentialekvation Vi har Y (s) = H(s)X(s) dvs Inverstransformering ger (s + a)y (s) = X(s) d y(t) + ay(t) = x(t) dt Ett kausalt system som beskrivs av denna differentialekvation har alltså överföringsfunktionen H(s). Ett exempel på ett sådant system är en RC-krets. Impulssvar Impulssvaret kan vi beräkna via h(t) = L 1 {H(s)} = e at u(t) Ju större a, desto längre från origo ligger systemets pol och ju snabbare dör impulssvaret ut när t. Se figur 5.1. 1 System av typen F 1 (s) = (s + a)/ eller F (s) = (s + as + b)/ är också av första respektive andra ordningen. De är dock inte realiserbara och därför mindre intressanta i sig själva.

5.1. Första och andra ordningens tidskontinuerliga LTI system Stegsvar Stegsvaret r(t) kan vi beräkna via r(t) = t h(τ)dτ = t e aτ dτ = a (1 e at )u(t) Alternativt, får vi det via Laplacetransformering: { } { 1 r(t) = L 1 {U(s)H(s)} = L 1 /a = L 1 s s + a s /a } = s + a a (1 e at )u(t) där U(s) = 1/s är Laplacetransformen för ett enhetssteg u(t). Se figur 5.. Notera att konvergensområdet för H(s)/s är Re {s} >. Stegsvarets slutvärde fås ur lim r(t) = lim t t a (1 e at ) = a Alternativt, kan detta gränsvärde uträknas genom att använda slutvärdesteoremet för Laplace-transformen: lim t r(t) = lim sr(s) = lim H(s) = s s a Slutvärdet är alltså lika med likströmsförstärkningen H() = /a, vilket är rätt naturligt: när t, är det ingen praktisk skillnad mellan ett steg och en konstant signal. Att stegsvarets slutvärde är lika med H() gäller allmänt, inte bara för ett första ordningens system. Tiden T s = 1/a kallas stigtiden hos systemet. Eftersom 1 e ats = 1 1/e, är T s nämligen precis den tid det tar för stegsvaret att nå (1 1/e) ( 67%) av sitt slutvärde. Ju längre från origo polen ligger (större a), desto kortare stigtid och vice versa. Polens läge bestämmer alltså hur snabbt systemet är: Polen närmare origo ger ett långsammare system och tvärtom. Frekvensfunktion Frekvensfunktionen ges av H(jω) = jω + a

5.1. Första och andra ordningens tidskontinuerliga LTI system 3 1.8 a =.1 h(t).6.4. a = 1 a = 1 4 6 8 1 Figur 5.1. Exempel på impulssvar för systemet 1/(s + a). t r(t) 1.8.6 a = 1 a = 1.4. a =.1 4 6 8 1 Figur 5.. Exempel på stegsvar för systemet 1/(s + a). t

5.1. Första och andra ordningens tidskontinuerliga LTI system 4 Det innebär att (om > ) H(jω) = a + ω, och arg H(jω) = arg(jω + a) = tan 1 ( ω a Frekvensfunktionen åskådliggörs bäst i logaritmisk-logaritmisk skala. kallas Bodediagram. För att rita Bodediagrammet behöver vi ( ) ( ) log 1 H(jω) = log 1 log a 1 1 + ω a ( log ) 1 a, ω a ( log ) 1 a 3 db, ω = a log 1 () log 1 (ω), ω a ) Detta (om ihåg att 1 log 1 () 3 db.) Frekvensen ω = a kallas brytfrekvens eller gränsfrekvens. Bodediagrammet för amplitud är alltså en horisontell linje för ω a och en linje med lutning db/dekad för ω a. Se figur 5.3. Systemet fungerar alltså som ett lågpassfilter som släpper igenom frekvenser lägre än ω = a. (Genom att använda ett högre ordnings system kan man konstruera bättre filter, dvs., vars Bodediagram har en brantare lutning än db/dekad.) För att rita faskurvan noterar vi att ( w ), ω a arg H(jω) = tan 1 = π/4, ω = a a π/, ω a Se figur 5.4. Fasen minskar från till π/. Halva fasskiftet, π/4, uppnås precis vid ω = a. Faskurvans form ( lutning ) är densamma för alla värden på a. Respons till tillslag av cosinus-signal Antag att man matar systemet med signalen x(t) = cos(ω t)u(t) Vad blir utsignalen y(t)? Sinus-in sinus-ut egenskapen är inte direkt tillämpbar (utom när t ) eftersom vår cosinussignal inte börjar förrän vidt =. Ett sätt att beräkna y(t) är via Laplace-transformering. Notera först att s X(s) =, Re {s} > s + ω

5.1. Första och andra ordningens tidskontinuerliga LTI system 5 log 1 H(jω) 1 1 ω = a a = 1 a =.1 3 db lutn. db/dek. 3 4 a = 1 5 6 1 1 3 4 log 1 (ω) Figur 5.3. Exempel på Bodediagram (amplitud) för systemet 1/(s + a). arg H(jω) [grader] 4 6 a =.1 a = 1 ω = a 45 grader a = 1 8 9 grader 1 1 1 3 4 log 1 (ω) Figur 5.4. Exempel på Bodediagram (fas) för systemet 1/(s + a).

5.1. Första och andra ordningens tidskontinuerliga LTI system 6 och efter lite arbete Y (s) = X(s)H(s) = s s + ω s + a = ( a a + ω s + a + as + ω s + ω ), Re {s} > Inverstransformering ger y(t) = a e at u(t) + a + ω ( cos a + ω ω t tan 1 ( ω a )) u(t) = a a + ω e at u(t) + H(jω ) cos(w t + arg H(jω ))u(t) Den första termen dör ut när t och kallas därför transient. Den andra termen är en cosinussignal med frekvens ω och kallas stationär del. Notera att den stationära termen hade kunnat beräknas (mycket enklare) direkt via sinus-in sinus-ut egenskapen!

5.1. Första och andra ordningens tidskontinuerliga LTI system 7 5.1. Andra ordningens tidskontinuerliga LTI system Vi studerar nu ett andra ordningens kausalt system med två komplexvärda poler i s = a ± iω p. (Ett system med två distinkta reellvärda poler behandlas enklast som en sammansättning av två första ordningens system.) Systemets överföringsfunktion kan skrivas H(s) = (s + a) + ω p = s + ξω s + ω där vi definierat ξ via ξω = a, < ξ 1 ω = a + ω p = ξ ω + ω p (ω är polernas avstånd till origo) Systemet är stabilt om a >. Om ξ = 1 blir ω p =, dvs. systemet har en reell dubbelpol i a. När ξ, närmar sig båda polerna imaginära axeln. Impulssvar. För ξ < 1 är impulssvaret h(t) = L 1 {H(s)} = ω p e at sin(ω p t)u(t) Detta impulssvar h(t) oscillerar med frekvensen ω p och avtar exponentiellt med en tidskonstant T = 1/a. Detta system kallas underdämpat. (Andra ordningens system med två reella poler kallas ibland överdämpade andra ordningens system.) Se figur 5.5. För ξ = 1 (systemet har en reell dubbelpol) är impulssvaret h(t) = te at u(t) För detta värde på ξ oscillerar inte impulssvaret. dämpat. Systemet kallas kritiskt Stegsvar. Stegsvaret kan beräknas ur r(t) = L 1 {U(s)H(s)} = L 1 { 1 s H(s) }

5.1. Första och andra ordningens tidskontinuerliga LTI system 8 Man får Se figur 5.6. { (1 (1 + at)e at )u(t), ξ = 1 a r(t) = ( )) (1 e at cos(ω p t) + a ω p sin(ω p t) u(t), ξ < 1 ω Tiden det tar för stegsvaret att stabilisera sig kallas insvängningstid och ges av T s = 1/(ξω ) = 1/a, och motsvarar stigtiden hos ett första ordningens system. Slutvärdet för stegsvaret ges genom direkt uträkning av gränsvärdet eller, enklare, genom att titta på DC-förstärkningen lim r(t) = lim H(s) = t s ω Frekvensfunktion Frekvensfunktionen ges av så H(jω) = (jω) + jξω ω + ω /ω log 1 H(jω) = ( ) 1 ω + 4ξ ( ω ) ω ω log 1 (/ω), ω ω log 1 (/ω ) log 1(ξ), ω = ω log 1 () 4 log 1 (ω), ω ω För ω ω är Bodediagrammet en horisontell linje. För ω ω blir det en rät linje med lutningen 4 db/dekad. Frekvensen ω kallas brytfrekvens. Man kan visa att om ξ < 1/, får man en resonanstopp runt brytfrekvensen, mer precist vid följande resonansfrekvens: ω r = ω 1 ξ Frekvensfunktionen antar då sitt maximum vid resonanstoppen: 1 H(jω r ) = ξ 1 ξ

5.1. Första och andra ordningens tidskontinuerliga LTI system 9 1 a =., ω p = 1.5 h(t).5 a =.1, ω p = 1 1 4 6 8 1 Figur 5.5. Exempel på impulssvar för systemet 1/((s + a) + ω p). t 1.5 a =., ω p = 1 r(t) 1.5 a =.5, ω p = 4 6 8 1 Figur 5.6. Exempel på stegsvar för systemet 1/((s + a) + ω p ). t

5.1. Första och andra ordningens tidskontinuerliga LTI system 1 Om ξ 1 så ligger resonanstoppen mycket nära brytfrekvensenω och dess höjd är ungefär log 1 (ξ). Ju mindre ξ (polerna närmare imaginära axeln), desto högre resonanstopp. När ξ, växer toppen obegränsat och till slut blir systemet instabilt (frekvensfunktionen upphör då att existera vid ω = ω ). Se figur 5.7. Faskurvan får man ur (förutsatt att > ) arg H(jω) = tan 1 ξω/ω ( 1 ) ω ω, ω ω π/, ω = ω π, ω ω Se figur 5.8. Fasen minskar alltså från till π, och halva fasskiftet ( π/) uppnås vid ω = ω. Ju högre resonanstopp (polerna närmare imaginära axeln), desto brantare blir faskurvan runt brytpunkten ω = ω.

5.1. Första och andra ordningens tidskontinuerliga LTI system 11 log 1 H(jω) 4 6 8 a =., ω p = 1 a =.1, ω p = 1 ω = ω 1 ξ ω ( log 1 1 ξ ) 1 1 14 a = 1, ω p = 1 lutn. 4 db/dek. 1 1 3 4 log 1 (ω) Figur 5.7. Exempel på Bodediagram (amplitud) för systemet 1/((s + a) + ω p). arg H(jω) [grader] 4 6 8 1 1 a = 1, ω p = 1 ω = ω 9 grader a =.1, ω p = 1 14 16 a =., ω p = 1 18 1 1 3 4 log 1 (ω) Figur 5.8. Exempel på Bodediagram (fas) för systemet 1/((s + a) + ω p ).