chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/software.coe/240-209/slides/controlch3.pdf240-209: modelling in the...
TRANSCRIPT
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 1240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Chapter 3
Modelling in the Frequency Domain
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 2240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Outline
Signals and systems Transfer function Developing a mathematical model by
apply the fundamental physical laws of science end engineering in frequency domain
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 3240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Introduction to Signals and Systems
Signal Taxonomy
1 Deterministic signal x(t) = sin(t), x(t)=, x(t)=t 2 Random signalCausal system – physical signal generator is turned on at time t=0 then the produced causal signal y(t) satisfies.
y t ={x t for t≥00 for t0}
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 4240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Continuous-Time Signals
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 5240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Discrete-Time Signals
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 6240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Element signals
Unit step functions
u t ={0 for t01 for t≥0}
u kT s=u k ={0 for k01 for k≥0}
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 7240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Unit impulse, Dirac impulse
t =du t dt
u t =∫−∞
td
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 8240-209 : Modelling in the Frequency Domain
1.∫−∞
∞d =1
2. limt 0
t =∞
3.t =0 for t≠04.t =−t
Properties of Dirac
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 9240-209 : Modelling in the Frequency Domain
∫−∞
∞x t t−t 0dt=∫−∞
∞x t 0t−t 0dt=x t 0
Sampling property
Kronecker delta function
kT s =k ={0 if k≠01 for k=0}
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 10240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Property of discrete-time impulse
1. ∑k=−∞
∞
K [k ]=1
2.K [k ]=K [−k ]
Sampling property of discrete-time impulse function
∑k=−∞
∞
x [k ]K [k−k 0]=∑k=−∞
∞
x [k 0]K [k−k 0 ]=x [k 0 ]
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 11240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Rectangular Pulse
rect t={1 if ∣t∣/2
0 otherwise }rect kK ={1 if ∣k∣K /2
0 otherwise }
Continuous-time
Discrete-time
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 12240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Triangular Pulse
Continuous-time
Discrete-time
tri t={1−∣ t∣ if ∣t∣
0 otherwise }tri kK ={1−∣kK∣ if ∣k∣K
0 otherwise }
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 13240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Ramp function
ramp tT ={ tT if 0≤tT
0 otherwise }ramp k
K ={kK if 0≤kK
0 otherwise }Continuous-time
Discrete-time
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 14240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Complexe causal exponentials
x t =Ae t u t
x k =Ae kT s u k
= j
e j t=cos t j sin t
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 15240-209 : Modelling in the Frequency Domain
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 16240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Linear system
Y(t) = (Sx)(t)
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 17240-209 : Modelling in the Frequency Domain
S an x n...a1 x 1t =S an x n t ...Sa1 x 1t
=an S x n t ...a1S x 1t
Superposition
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 18240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Cascaded interconnections
Subsystem Subsystem Subsystemr t
Inputc t
Output
- Input (Reference input)- Output (Controlled variable)
r t c t
SystemInput Output
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 19240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Laplace Transform
For solving linear differential equations by convert to complex plane.
s = σ + jω s = complex variable σ = real part ω = imaginary part
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 20240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Definition
Laplace Transform
Inverse Laplace Transform
L [ f t ]=F s =∫0
∞f t e−st dt
L−1[F s ]= 12 j∫− j ∞
− j ∞F s est ds
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 21240-209 : Modelling in the Frequency Domain
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 22240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Inverse Laplace TransformPartial-function expansion
1 Roots of the Denominator of F(s) are Real and distinct
F s =N s D s
=N s
an snan−1 s n−1...a0
=N s
sP 1sP 2 ...sP msP n
=K 1
sp 1
K 2
sp 2...
K m
spm
K n
sp n
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 23240-209 : Modelling in the Frequency Domain
F s = N s sp1sp 2 ...spmsp n
=K 1
sp 1
K 2
sp 2...
K m
spm...
K n
sp n
sp mF s =spmK 1
sp 1spm
K 2
sp 2
K mspmK n
sp n
K m=N pm
−pmp 1−pmp 2 ... −pmp n
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 24240-209 : Modelling in the Frequency Domain
F s = 1s1s2s4
=K 1
s1K 2
s2K 3
s4
K 1=1
−12−14=13
K 2=1
−21−24= 1
2
K 3=1
−41−42=1
6
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 25240-209 : Modelling in the Frequency Domain
F s = 1 /3s1
1/2s2
1/6s4
f t =13 e−t1
2 e−2t16 e−4t
F s =N s D s
=N s
sp 1r sp 2 ...sp n
2. Root of the Denominator of F(s) are real and repeated
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 26240-209 : Modelling in the Frequency Domain
=K 1
sp1r
K 2
sp1r−1...
K r
sp1
K r1
sp 2...
K n
sp n
F s = N s sp1
r sp 2 ...sp n
=K 1sp1K 2sp 12K 3...sp1
r−1K r
sp1r K r1
sp 2...
sp 1r K n
sp n
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 27240-209 : Modelling in the Frequency Domain
K i=[ 1 i−1!
d i−1 F s ds i−1 ]
s p 1
F s = 2s1s22
F s =K 1
s22
K 2
s2K 3
s1
s22ค�ณด�วย
2s1=K 1s2K 2
s22K 3
s1
Example
i = 1, 2, ..., r 0! = 1
K 1=−2
........ (1)
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 28240-209 : Modelling in the Frequency Domain
−2s12
=K 2−[s12s2K 3 ]−s22K 3
s12
=K 2s2K 3[2 s1−s2]
s12
−2s12
=K 2s s2K 3
s12
K 2=−2
First derivative of (1)
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 29240-209 : Modelling in the Frequency Domain
F s = −2s22
−2s2
2s1
2s22
=s1K 1
S22s1K 2
s2 K 3
K 3=2
f t =−2te−2t−2 e−2t2 e−t
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 30240-209 : Modelling in the Frequency Domain
F s =N s D s
=N s
sp 1s2asb ...
= K1sp 1
K 2 sK 3
s 2asb...
s2asb
3. Root of the Denominator of F(s) are complex
- complex or imaginary
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 31240-209 : Modelling in the Frequency Domain
F s = 3s s 22s5
3s s22s5
=K 1
s K 2 sK 3
s 22s5
K 1=35
s s 22s5ค�ณด�วย
3=s22s5K 1K 2 s2K 3 s
=K 1K 2s22K1K 3s5K1
Example
และจ�ดสมการใหม�
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 32240-209 : Modelling in the Frequency Domain
3=K 235s2K 3
65s3
K 235=0 K 3
65=0
K 2=−35 K 3=
−65
F s = 3s s 22s5
= 3/5s − 3
5s2
s22s5
แทนค�า K1
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 33240-209 : Modelling in the Frequency Domain
L [Ae−t cos t ]= Asasa22
L [Be−at sin t ]= Bsa22
L [Ae−at cost Be−at sin t ]=AsaBsa22
F s = 3/5s − 3
5s11/22s1222
f t =35−
35 e−t cos2t1
2 sin 2t
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 34240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Advantages : rapidly provide stability and transient response information.
Disadvantages : Limited applicability to linear to linear, time invariant system or system that can be approximated as such.
Advantages and Disadvantages
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 35240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Transfer function
and n c t dt n
an−1d n−1c t dt n−1 ⋯a0c t
=bmd m r t dt m
bm−1d m−1 r t dt m−1 ⋯b0 r t
an snC s ...a0C s =bm s
m R s ...b0R s
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 36240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Transfer function
C sR s
=G s =bm s
mbm−1 sm−1⋯b 0
an sna n−1 s
n−1⋯a 0
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 37240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Electric Network Transfer Functions
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 38240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Electric Network Transfer Functions
When v(t) is input and i(t) is output.
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 39240-209 : Modelling in the Frequency Domain
By Kirchhoff’s voltage law, we have
v t =
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 40240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Transfer Function of RL circuit
I s V s
=
I(s) V(s)
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 41240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Electric Network Transfer Functions
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 42240-209 : Modelling in the Frequency Domain
By Kirchhoff’s voltage law, we have
When we define : v(t) is input and vc(t) is output.
v t =
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 43240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Block Diagram of Series RLC Network
1LCs2RCs1
V(s) Vc(s)
When v(t) is input and vc(t) is output.
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 44240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Block Diagram of Series RLC Network
CsLCs 2RCs1
V(s) I(s)
When v(t) is input and i(t) is output.
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 45240-209 : Modelling in the Frequency Domain
1. Replace passive element values with their impedances.
2. Replace all sources and time variables with their Laplace Transform3. Assume a transform current and a current direction in each mesh.4. Write Kirchhoff’s voltage law around the output.5. Solve the simultaneous equations for the output.6. Form the Transfer function.
Complex Circuits via Mesh Analysis
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 46240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Complex Circuits via Mesh Analysis
Example Find the transfer function of the circuit below when input is v(t) and output is i(t), vc(t)
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 47240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Replace passive element values with their impedances and Replace all sources and time variables with their Laplace Transform
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 48240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Transfer function of the circuit
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 49240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Translational Mechanical System Transfer Functions
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 50240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Translational Mechanical System Transfer Functions
Example Find Transfer function of the translational system below when input is f(t) and output is x(t)
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 51240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Transfer function of the translational system
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 52240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Rotational Mechanical System Transfer Functions
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 53240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Example Find Transfer function of the rotational system below when input is T(t) and output is 2(t)
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 54240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Schematic of the system
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 55240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Equation on mass 1 (M1)
T t =J 1d 21t
d t
Equation on mass 2 (M2)
0=J 2d 22 t
d t
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 56240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Transfer function of the system
2 s T s K J 1 s
2D 1 sK J 2 s2D 2 sK K 2
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 57240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Transfer Functions for Systems with Gears
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 58240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Transfer Functions for Systems with Gears
a. angular displacement inlossless gears.b. torque in lossless gears.
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 59240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Electromechanical System
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 60240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Electromechanical System Transfer Functions
Schematic of DC motor
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 61240-209 : Modelling in the Frequency Domain
ea(t) - Applied voltageia(t) - Armature currentvb(t) - Back emfTm(t) - Motor torquem(t) - Rotor displacementm(t)- Rotor angular velocity
Motor Variables
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 62240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Motor parameters
La - Armature inductanceRa - Armature resistanceJm - Rotor inertiaDm - Viscous-friction coefficientkT - Torque constantkb - Back-emf constant
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 63240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Electromechanical System Transfer Functions
Position control transfer function
Input is ea(t) and output is m(t)
Electrical equation
e a t =L ad i a t dt Ra i a t v b t
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 64240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Mechanical Equation
Relation between Electrical and Mechanical
T m t =J md 2m t
dt 2 D md m t
dt
v b t =k bd m t
dt
T m t =k m i at
ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 65240-209 : Modelling in the Frequency Domain
Position control transfer function
m s E as
=k m
L a sRa J m s2Dm s km k b s
k m
L a sRa J m s2D m s k m k b s
E as m s