Šuolinė reakcija: uždaviniai su sprendimais žingsnis po žingsnio

Nemokami uždaviniai tema Šuolinė reakcija su brėžiniais, užuominomis ir išsamiais sprendimais. Kiekvieną kartą naujos reikšmės, trijų lygių: pirmosios eilės sistemos, antrosios eilės parametrai, fizinės sistemos ir projektavimas.

Nemokamas pratybų uždavinysLengvas
+−5 VR = 4,7 kΩC = 47 µFvC​

Neįkrautas kondensatorius C = 47 µF kraunamas iš 5 V šuolinio šaltinio per rezistorių R = 4,7 kΩ. Raskite kondensatoriaus įtampą vC, kai t = 220,9 ms.

R = 4,7 kΩC = 47 µFV = 5 Vt = 220,9 ms
V
Kitas uždavinys →

Ką praktikuositės

  1. Lengvaspirmosios eilės sistemos
  2. Vidutinisantrosios eilės parametrai
  3. Sunkusfizinės sistemos ir projektavimas

Išmokite Šuolinė reakcija nuo nulio

Prieš tai: RC ir RL pereinamieji procesai, Laplaso transformacijos

1Kas yra šuolio atsakas

Šuolis yra įėjimas, kuris ties t = 0 šoktelėja nuo 0 iki pastovios reikšmės ir joje lieka. Pagalvokite apie šildytuvo įjungimą arba akceleratoriaus nuspaudimą ir laikymą.

Šuolio atsakas parodo, kaip išėjimas seka. Jis negali šoktelėti iš karto: jis juda link naujos galutinės reikšmės y(∞) ir joje nusistovi.

tyy(∞)ab

Kreivė a kyla sklandžiai ir niekada neviršija. Tai pirmos eilės sistema, kaip RC grandinė ar šildoma talpykla.

Kreivė b viršija, kelis kartus svyruoja ir tada nusistovi. Tai nepakankamai slopinama antros eilės sistema, kaip automobilio pakaba ar masė ant spyruoklės.

Galutinė reikšmė gaunama iš nuolatinės srovės stiprinimo G(0): U dydžio šuolis nusistovi ties y(∞) = G(0)·U. Tai galutinės reikšmės teorema iš Laplace'o transformacijų.

Savikontrolė Sistema G(s) = 3/(2s + 1) gauna 4 dydžio šuolį. Kokia galutinė reikšmė y(∞)?
  1. 12
  2. 3
  3. 4
  4. 6

Atsakymas: 12. G(0) = 3/(0 + 1) = 3, taigi y(∞) = 3·4 = 12. Reikšmė 4 pamiršta stiprinimą, 3 pamiršta šuolio dydį, o 6 dalija iš 2 prie 2s, kuris ties s = 0 išnyksta.

2Pirmos eilės sistemos

Pirmos eilės sistema turi žemiau pateiktą standartinę formą. K yra statinis stiprinimas, o τ – laiko pastovioji sekundėmis.

G(s) = K/(τs + 1) y(t) = K·U·(1 − e−t/τ)

Jei G(s) užrašyta kaip b/(s + a), skaitiklį ir vardiklį padalykite iš a. Tada K = b/a ir τ = 1/a.

ty(t)K·U0,63·K·Uτ2τ3τ4τ5τ
  • Po 1τ išėjimas atlieka 63 % savo pokyčio, po 3τ – 95 %, po 5τ – daugiau nei 99 %.
  • Laikas, per kurį pasiekiama galutinės reikšmės dalis x: t = −τ·ln(1 − x). 90 % t = τ·ln 10 = 2,3τ.
  • 10–90 % kilimo laikas yra tr = τ·ln 9 ≈ 2,2τ.
  • RC grandinei τ = R·C. Atkreipkite dėmesį, kad kΩ kartų µF duoda milisekundes.

Jei išmatuojate atsaką, τ galite rasti atgaline tvarka. Jei išėjimas laiku t pasiekė dalį x, tai τ = −t/ln(1 − x).

Išspręstas pavyzdys

G(s) = 10/(s + 5) ties t = 0 gauna 2 dydžio šuolį. Raskite galutinę reikšmę ir laiką, per kurį pasiekiama 90 % jos.

1

Standartinė forma

Skaitiklį ir vardiklį padalykite iš 5:

G(s) = 2/(0,2s + 1) ⇒ K = 2, τ = 0,2 s
2

Galutinė vertė

y(∞) = K·U = 2·2 = 4
3

Laikas iki 90 %

Išspręskite 1 − e−t/τ = 0,9, taigi e−t/τ = 0,1:

t = −τ·ln(0,1) = 0,2·2,303 = 0,461 s
Atsakymas

y(∞) = 4 ir išėjimas pasiekia 90 % po t ≈ 0,461 s.

Savikontrolė Kokia yra G(s) = 10/(s + 5) laiko pastovioji?
  1. 0,2 s
  2. 10 s
  3. 2 s
  4. 5 s

Atsakymas: 0,2 s. Užrašius kaip 2/(0,2s + 1), laiko pastovioji yra τ = 1/5 = 0,2 s. 5 s painioja τ su a, o 2 yra stiprinimas K, o ne laikas.

3Antros eilės sistemos

Antros eilės sistema turi kvadratinį vardiklį. Palyginkite jį su standartine forma:

G(s) = K/(s² + 2ζωns + ωn²)
  • Laisvasis narys yra ωn², taigi laisvųjų virpesių dažnis yra ωn = √(laisvasis narys), rad/s.
  • Koeficientas prie s yra 2ζωn, taigi slopinimo santykis yra ζ = (koeficientas prie s)/(2ωn).
  • Kai 0 < ζ < 1, atsakas viršija ir svyruoja. Mažesnis ζ reiškia didesnį viršijimą.

Vienetiniam šuoliui galutinė reikšmė yra G(0) = K/ωn². Atsako formą aprašo penki skaičiai:

ty(t)y(∞)tp​ymax​%OSts​
ωd = ωn·√(1 − ζ²) tp = π/ωd
%OS = 100·e−ζπ/√(1 − ζ²) ts ≈ 4/(ζωn)
  • ωd yra slopinamų virpesių dažnis: kaip greitai atsakas svyruoja.
  • tp yra maksimumo laikas, kai išėjimas didžiausias. %OS yra procentinis viršijimas virš galutinės reikšmės.
  • ts yra nusistovėjimo laikas, po kurio išėjimas lieka 2 % ribose nuo galutinės reikšmės.
ReImσjωd​ωn​θ

Du poliai yra s = σ ± jωd, kai realioji dalis σ = −ζωn. Jų atstumas nuo pradžios taško yra ωn, o cos θ = ζ.

Savikontrolė Sistemos vardiklis yra s² + 4s + 25. Koks slopinimo santykis ζ?
  1. 0,08
  2. 0,4
  3. 0,8
  4. 2

Atsakymas: 0,4. ωn = √25 = 5, o 2ζωn = 4 duoda ζ = 4/(2·5) = 0,4. 0,8 pamiršta 2, 0,08 dalija iš ωn² vietoj ωn, o 2 yra ζωn.

4Metodas žingsnis po žingsnio

  1. Nustatykite eilę: 1 laipsnio vardiklis reiškia pirmą eilę, 2 laipsnio – antrą eilę.
  2. Pirma eilė: užrašykite G(s) kaip K/(τs + 1) ir nuskaitykite K ir τ.
  3. Antra eilė: palyginkite vardiklį su s² + 2ζωns + ωn². Pirmiausia raskite ωn, tada ζ.
  4. Raskite galutinę reikšmę y(∞) = G(0)·U.
  5. Taikykite formulę tam, ko klausiama: y(t), laikui, tp, %OS, ts ar σ.
  6. Patikrinkite vienetus: laikas sekundėmis, ω rad/s, o kampas e… ir π formulėse radianais.

5Išspręstas pavyzdys

Tai tipiškas vidutinio sunkumo klausimas. Išbandykite kiekvieną žingsnį, prieš jį atidarydami.

Išspręstas pavyzdys

G(s) = 16/(s² + 4s + 16) gauna vienetinį šuolį. Raskite ζ, ωn, procentinį viršijimą ir maksimumo laiką.

1

Savasis dažnis

Laisvasis narys yra ωn² = 16.

ωn = √16 = 4 rad/s
2

Slopinimo koeficientas

Koeficientas prie s yra 2ζωn = 4.

ζ = 4/(2·4) = 0,5

ζ yra tarp 0 ir 1, taigi atsakas viršija.

3

Procentinis viršijimas

ζπ/√(1 − ζ²) = 0,5·π/√0,75 = 1,814
%OS = 100·e−1,814 = 16,3%
4

Maksimumo laikas

ωd = 4·√(1 − 0,25) = 3,464 rad/s
tp = π/3,464 = 0,907 s
5

Patikrinkite atsakymą

Galutinė reikšmė yra G(0) = 16/16 = 1, taigi maksimumas yra apie 1,163. Ankstesnio skyriaus paveikslas naudoja tą pačią sistemą.

Nusistovėjimo laikas 4/(ζωn) = 4/2 = 2 s yra vėlesnis nei maksimumas, kaip ir turi būti.

Atsakymas

ωn = 4 rad/s, ζ = 0,5, %OS ≈ 16,3 % ir tp ≈ 0,907 s.

6Dažnos klaidos

  • Kilimas laikomas tiesiniu. Eksponentė pasiekia 90 % po 2,3τ, o ne po 0,9τ: naudokite t = −τ·ln(1 − x).
  • Vietoj ln(1 − x) naudojamas ln(x). Logaritmas imamas iš dar trūkstamos dalies.
  • Iš b/(s + a) nuskaitomas τ = a. Laiko pastovioji yra 1/a.
  • ωn² naudojamas kaip ωn. Ištraukite laisvojo nario kvadratinę šaknį.
  • Pamirštamas 2 formulėje 2ζωn arba tp = π/ωd naudojamas ωn vietoj ωd.
  • Viršijimas pateikiamas kaip trupmena (0,163), kai klausiama procentų (16,3 %).
Savikontrolė G(s) = 2/(s + 4) gauna šuolį. Kiek laiko išėjimui prireikia pasiekti 90 % galutinės reikšmės?
  1. 0,026 s
  2. 0,225 s
  3. 0,576 s
  4. 9,21 s

Atsakymas: 0,576 s. τ = 1/4 = 0,25 s ir t = −0,25·ln(0,1) = 0,576 s. 0,225 s kilimą laiko tiesiniu (0,9τ). 0,026 s naudoja ln(0,9) vietoj ln(0,1). 9,21 s naudoja a = 4 vietoj τ.

7Kaip atrodo egzamino uždaviniai

  • Lengvi: pirmos eilės sistemos. Randate y(∞), išėjimą duotu laiku, laiką iki tam tikro procento, τ pagal išmatuotą tašką arba RC grandinės įkrovimo laiką.
  • Vidutiniai: antros eilės parametrai. Iš G(s) = K/(s² + a₁s + a₀) randate ζ, ωn, %OS, tp, ts ar polių realiąją dalį σ.
  • Sunkūs: fizinės sistemos ir projektavimas. Masė–spyruoklė–slopintuvas ar RLC grandinė arba ζ ir ωn, apskaičiuoti atgal iš išmatuoto viršijimo ir maksimumo laiko.

Masei m, slopintuvui c ir spyruoklei k lygtis m·x″ + c·x′ + k·x = F duoda:

ωn = √(k/m) ζ = c/(2√(k·m)) x(∞) = F/k

Norėdami grįžti nuo viršijimo, išspręskite %OS formulę ζ atžvilgiu:

ζ = −ln(OS)/√(π² + ln²(OS)), OS = %OS/100

Mokykitės žingsnis po žingsnio programėlėjeMokykitės žingsnis po žingsnio programėlėje

Išspręsti pavyzdžiai

Pavyzdys 1Lengvas
t (s)y(t)y(∞) = ?

Pirmosios eilės sistema G(s) = 2/(2s + 1) gauna 2 dydžio šuolinį įėjimą, kai t = 0, pradėdama iš rimties. Raskite galutinę išėjimo vertę y(∞).

G(s) = 2/(2s + 1)U = 2

Raskite y(∞)

Rodyti užuominas
  1. Galutinės vertės teorema: y(∞) = lim s·G(s)·U/s = G(0)·U.
  2. G(0) yra nuolatinės srovės stiprinimas.
  3. G(0) = 2.
Rodyti atsakymą ir sprendimą žingsnis po žingsnio

Šuolinė reakcija: pirmosios eilės sistema G(s) = K/(τs + 1) į U dydžio šuolį atsako y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): po vienos laiko pastoviosios τ ji pasiekia 63,2 % galutinės vertės K·U, o po 4τ – 98 %. Antrosios eilės sistema G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) turi polius s = −ζωₙ ± jωd, kur ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Kai 0 < ζ < 1, šuolinė reakcija viršija galutinę vertę: procentinis viršijimas %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), pikų laikas tp = π/ωd, o 2 % nusistovėjimo laikas ts ≈ 4/(ζωₙ). Palyginkite vardiklį su s² + 2ζωₙs + ωₙ², kad nustatytumėte ωₙ ir ζ. Masės, spyruoklės ir slopintuvo sistemai ωₙ = √(k/m) ir ζ = c/(2√(km)); nuosekliajai RLC grandinei ωₙ = 1/√(LC) ir ζ = (R/2)·√(C/L).

Nuolatinės srovės stiprinimas

G(0) = 2

Galutinė vertė

y(∞) = G(0)·U = 2·2 = 4

Atsakymas

y(∞) = 4
Pavyzdys 2Vidutinis
t (s)y(t)3?

Sistemos perdavimo funkcija G(s) = 213/(s² + 8s + 71), o jos įėjimas yra vienetinis šuolis. Raskite šuolinės reakcijos procentinį viršijimą %OS.

G(s) = 213/(s² + 8s + 71)

Raskite %OS (%)

Rodyti užuominas
  1. Palyginkite vardiklį su s² + 2ζωₙs + ωₙ².
  2. ωₙ = √71 = 8,426 rad/s, ζ = 8/(2ωₙ).
  3. ζ = 0,4747.
Rodyti atsakymą ir sprendimą žingsnis po žingsnio

Šuolinė reakcija: pirmosios eilės sistema G(s) = K/(τs + 1) į U dydžio šuolį atsako y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): po vienos laiko pastoviosios τ ji pasiekia 63,2 % galutinės vertės K·U, o po 4τ – 98 %. Antrosios eilės sistema G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) turi polius s = −ζωₙ ± jωd, kur ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Kai 0 < ζ < 1, šuolinė reakcija viršija galutinę vertę: procentinis viršijimas %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), pikų laikas tp = π/ωd, o 2 % nusistovėjimo laikas ts ≈ 4/(ζωₙ). Palyginkite vardiklį su s² + 2ζωₙs + ωₙ², kad nustatytumėte ωₙ ir ζ. Masės, spyruoklės ir slopintuvo sistemai ωₙ = √(k/m) ir ζ = c/(2√(km)); nuosekliajai RLC grandinei ωₙ = 1/√(LC) ir ζ = (R/2)·√(C/L).

Palyginkite su standartine forma

Vardiklis turi atitikti s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 71 → ωₙ = 8,426 rad/s
2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·8,426) = 0,4747

Rezultatas

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1,694 = 18,37 %

Atsakymas

%OS = 18,37 %
Pavyzdys 3Sunkus
k = 800 N/mc = 9 N·s/mm = 2,5 kgF = 10 Nx(t)

2,5 kg masė kabo ant 800 N/m spyruoklės su klampiuoju slopintuvu c = 9 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Pusiausvyroje rimtyje staiga pridedama pastovi jėga F = 10 N. Raskite laiką tp, kai poslinkis didžiausias.

m = 2,5 kgk = 800 N/mc = 9 N·s/mF = 10 N

Raskite tp (s)

Rodyti užuominas
  1. Padalykite iš m: x″ + (c/m)·x′ + (k/m)·x = F/m, taigi ωₙ = √(k/m) ir ζ = c/(2√(km)).
  2. ωₙ = 17,89 rad/s, ζ = 0,1006.
  3. Galutinis poslinkis yra F/k = 12,5 mm.
Rodyti atsakymą ir sprendimą žingsnis po žingsnio

Šuolinė reakcija: pirmosios eilės sistema G(s) = K/(τs + 1) į U dydžio šuolį atsako y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): po vienos laiko pastoviosios τ ji pasiekia 63,2 % galutinės vertės K·U, o po 4τ – 98 %. Antrosios eilės sistema G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) turi polius s = −ζωₙ ± jωd, kur ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Kai 0 < ζ < 1, šuolinė reakcija viršija galutinę vertę: procentinis viršijimas %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), pikų laikas tp = π/ωd, o 2 % nusistovėjimo laikas ts ≈ 4/(ζωₙ). Palyginkite vardiklį su s² + 2ζωₙs + ωₙ², kad nustatytumėte ωₙ ir ζ. Masės, spyruoklės ir slopintuvo sistemai ωₙ = √(k/m) ir ζ = c/(2√(km)); nuosekliajai RLC grandinei ωₙ = 1/√(LC) ir ζ = (R/2)·√(C/L).

Savasis dažnis ir slopinimo koeficientas

ωₙ = √(k/m) = √(800/2,5) = 17,89 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 9/(2·√(800·2,5)) = 0,1006

Rezultatas

ωd = 17,8 rad/s
tp = π/ωd = 0,1765 s

Atsakymas

tp = 0,1765 s

Klausimai ir atsakymai

Šuolinė reakcija: kas tai?

Kreivė a kyla sklandžiai ir niekada neviršija. Tai pirmos eilės sistema, kaip RC grandinė ar šildoma talpykla.

Kreivė b viršija, kelis kartus svyruoja ir tada nusistovi. Tai nepakankamai slopinama antros eilės sistema, kaip automobilio pakaba ar masė ant spyruoklės.

Šuolinė reakcija: kaip spręsti uždavinius žingsnis po žingsnio?

Šuolinė reakcija: pirmosios eilės sistema G(s) = K/(τs + 1) į U dydžio šuolį atsako y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): po vienos laiko pastoviosios τ ji pasiekia 63,2 % galutinės vertės K·U, o po 4τ – 98 %. Antrosios eilės sistema G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) turi polius s = −ζωₙ ± jωd, kur ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Kai 0 < ζ < 1, šuolinė reakcija viršija galutinę vertę: procentinis viršijimas %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), pikų laikas tp = π/ωd, o 2 % nusistovėjimo laikas ts ≈ 4/(ζωₙ). Palyginkite vardiklį su s² + 2ζωₙs + ωₙ², kad nustatytumėte ωₙ ir ζ. Masės, spyruoklės ir slopintuvo sistemai ωₙ = √(k/m) ir ζ = c/(2√(km)); nuosekliajai RLC grandinei ωₙ = 1/√(LC) ir ζ = (R/2)·√(C/L).

Šuolinė reakcija: kokios klaidos dažniausios?
  • Išėjimas nusistovi ties K·U, o ne ties U: nuolatinės srovės stiprinimas yra G(0) = 2.
  • Viršijimą išreikškite procentais: padauginkite iš 100.
  • Rodiklis yra −ζπ/√(1 − ζ²).
Šuolinė reakcija: ką lavinsite?
  • Lengvas: pirmosios eilės sistemos
  • Vidutinis: antrosios eilės parametrai
  • Sunkus: fizinės sistemos ir projektavimas

Kiekviename uždavinyje naujos reikšmės, todėl išmokstate metodą, o ne atsakymą. Strigote? Pirmiausia atverkite nedidelę užuominą, o visą paaiškinimą – tik kai jo prireiks.

Kaip vyksta praktika

  • Kiekviename uždavinyje naujos reikšmės, todėl išmokstate metodą, o ne atsakymą.
  • Strigote? Pirmiausia atverkite nedidelę užuominą, o visą paaiškinimą – tik kai jo prireiks.
  • Jūsų pažanga, klaidos ir išsaugoti uždaviniai išlieka, todėl prieš egzaminą galite viską pakartoti.

Temos prieš šią ir po jos

Pirmiausia išmokite

Toliau

Kursai su šia tema

Daugiau temų: Elektros inžinerija

Spausdinamas užduočių lapas