chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/software.coe/240-209/slides/controlch3.pdf240-209: modelling in the...

65
เรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ แกไข 30 ตลาคม 2547 หนา 1 240-209 : Modelling in the Frequency Domain Chapter 3 Modelling in the Frequency Domain

Upload: others

Post on 25-Apr-2020

3 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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

Page 2: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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

Page 3: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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}

Page 4: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 4240-209 : Modelling in the Frequency Domain

Continuous-Time Signals

Page 5: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 5240-209 : Modelling in the Frequency Domain

Discrete-Time Signals

Page 6: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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}

Page 7: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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

Page 8: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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

Page 9: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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}

Page 10: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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 ]

Page 11: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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

Page 12: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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 }

Page 13: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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

Page 14: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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

Page 15: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 15240-209 : Modelling in the Frequency Domain

Page 16: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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)

Page 17: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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

Page 18: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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

Page 19: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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

Page 20: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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

Page 21: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 21240-209 : Modelling in the Frequency Domain

Page 22: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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

Page 23: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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

Page 24: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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

Page 25: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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

Page 26: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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

Page 27: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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)

Page 28: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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)

Page 29: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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

Page 30: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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

Page 31: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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�

Page 32: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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

Page 33: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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

Page 34: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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

Page 35: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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

Page 36: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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

Page 37: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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

Page 38: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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.

Page 39: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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 =

Page 40: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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)

Page 41: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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

Page 42: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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 =

Page 43: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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.

Page 44: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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.

Page 45: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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

Page 46: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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)

Page 47: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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

Page 48: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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

Page 49: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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

Page 50: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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)

Page 51: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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

Page 52: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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

Page 53: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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)

Page 54: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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

Page 55: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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

Page 56: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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

Page 57: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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

Page 58: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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.

Page 59: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

ผ��เร�ยบเร�ยง ธเนศ เคารพาพงศ� แก�ไข 30 ต�ลาคม 2547 หน�า 59240-209 : Modelling in the Frequency Domain

Electromechanical System

Page 60: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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

Page 61: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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

Page 62: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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

Page 63: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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

Page 64: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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

Page 65: Chapter 3fivedots.coe.psu.ac.th/Software.coe/240-209/Slides/controlch3.pdf240-209: Modelling in the Frequency Domain ผเรยบเรยง ธเนศ เคารพาพงศ

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