1.1 Számítógéppel irányított rendszerek

Hasonló dokumentumok
Irányítástechnika GÁSPÁR PÉTER. Prof. BOKOR JÓZSEF útmutatásai alapján

Analóg-digitális átalakítás. Rencz Márta/ Ress S. Elektronikus Eszközök Tanszék

Digitális jelfeldolgozás

X. ANALÓG JELEK ILLESZTÉSE DIGITÁLIS ESZKÖZÖKHÖZ

2. gyakorlat Mintavételezés, kvantálás

Mintavételezés és AD átalakítók

Tartalom. 1. Számítógéppel irányított rendszerek 2. Az egységugrásra ekvivalens diszkrét állapottér

Iványi László ARM programozás. Szabó Béla 6. Óra ADC és DAC elmélete és használata

Irányítástechnika. II. rész. Dr. Turóczi Antal

Bevezetés a méréstechnikába és jelfeldolgozásba 7. mérés RC tag Bartha András, Dobránszky Márk

ÉRZÉKELŐK ÉS BEAVATKOZÓK I. 6. A MINTAVÉTELI TÖRVÉNY

2. Elméleti összefoglaló

Orvosi Fizika és Statisztika

1.A matematikai mintavételezés T mintavételi idővel felfogható modulációs eljárásnak, ahol a hordozó jel

A mintavételezéses mérések alapjai

Villamos jelek mintavételezése, feldolgozása. LabVIEW előadás

Villamos jelek mintavételezése, feldolgozása. LabVIEW 7.1

Elektronika Előadás. Digitális-analóg és analóg-digitális átalakítók

Mérés és adatgyűjtés

Mintavételezés és FI rendszerek DI szimulációja

Analóg elektronika - laboratóriumi gyakorlatok

Számítógépvezérelt irányítás és szabályozás elmélete (Bevezetés a rendszer- és irányításelméletbe, Computer Controlled Systems) 9. el?

Jelek és rendszerek 1. 10/9/2011 Dr. Buchman Attila Informatikai Rendszerek és Hálózatok Tanszék

Analóg digitális átalakítók ELEKTRONIKA_2

Ellenőrző kérdések a Jelanalízis és Jelfeldolgozás témakörökhöz

Számítógépes gyakorlat MATLAB, Control System Toolbox

Analóg elektronika - laboratóriumi gyakorlatok

π π A vivőhullám jelalakja (2. ábra) A vivőhullám periódusideje T amplitudója A az impulzus szélessége szögfokban 2p. 2p [ ]

Informatika Rendszerek Alapjai

Passzív és aktív aluláteresztő szűrők

3.18. DIGITÁLIS JELFELDOLGOZÁS

Hangtechnika. Médiatechnológus asszisztens

Tartalom. Soros kompenzátor tervezése 1. Tervezési célok 2. Tervezés felnyitott hurokban 3. Elemzés zárt hurokban 4. Demonstrációs példák

Történeti Áttekintés

Néhány fontosabb folytonosidejű jel

A nullád rendű tartóáramkör átviteli függvényének alakulása, ha a tartási időszakban a lezárás nem veszteségmentes

A digitális jelek időben és értékben elkülönülő, diszkrét mintákból állnak. Ezek a jelek diszkrét értékűek és idejűek.

Fourier térbeli analízis, inverz probléma. Orvosi képdiagnosztika 5-7. ea ősz

MECHATRONIKA Mechatronika alapképzési szak (BSc) záróvizsga kérdései. (Javítás dátuma: )

Irányítástechnika GÁSPÁR PÉTER. Prof. BOKOR JÓZSEF útmutatásai alapján

Az Informatika Elméleti Alapjai

RC tag Amplitúdó és Fáziskarakterisztikájának felvétele

8. Laboratóriumi gyakorlat INKREMENTÁLIS ADÓ

10.1. ANALÓG JELEK ILLESZTÉSE DIGITÁLIS ESZKÖZÖKHÖZ

1. ábra a függvénygenerátorok általános blokkvázlata

RC tag Amplitúdó és Fáziskarakterisztikájának felvétele

Számítógépvezérelt irányítás és szabályozás elmélete (Bevezetés a rendszer- és irányításelméletbe, Computer Controlled Systems) 7.

Digitális szűrők - (BMEVIMIM278) Házi Feladat

Elektronika Előadás. Modulátorok, demodulátorok, lock-in erősítők

Elektronika Oszcillátorok

Mérés 3 - Ellenörzö mérés - 5. Alakítsunk A-t meg D-t oda-vissza (A/D, D/A átlakító)

Bevezetés a méréstechinkába, és jelfeldologzásba jegyzőkönyv

Gyakorló többnyire régebbi zh feladatok. Intelligens orvosi műszerek október 2.

Jelfeldolgozás - ANTAL Margit. impulzusválasz. tulajdonságai. Rendszerek. ANTAL Margit. Sapientia - Erdélyi Magyar Tudományegyetem

Segédlet a gyakorlati tananyaghoz GEVAU141B, GEVAU188B c. tantárgyakból

IRÁNYÍTÁSTECHNIKAI ALAPOK. Erdei István Grundfos South East Europe Kft.

ÉRZÉKELŐK ÉS BEAVATKOZÓK II. 5. DC MOTOROK SZABÁLYOZÁS FORDULATSZÁM- SZABÁLYOZÁS

Mérési jegyzőkönyv a 5. mérés A/D és D/A átalakító vizsgálata című laboratóriumi gyakorlatról

Méréstechnika. Rezgésmérés. Készítette: Ángyán Béla. Iszak Gábor. Seidl Áron. Veszprém. [Ide írhatja a szöveget] oldal 1

RC tag mérési jegyz könyv

Jelek és rendszerek MEMO_03. Pletl. Belépő jelek. Jelek deriváltja MEMO_03

A/D és D/A átalakítók gyakorlat

Mechatronika alapjai órai jegyzet

Híradástechikai jelfeldolgozás

Analóg elektronika - laboratóriumi gyakorlatok

Mintavétel: szorzás az idő tartományban

Wavelet transzformáció

Szabályozástechnika II.

11. Orthogonal Frequency Division Multiplexing ( OFDM)

Soros felépítésű folytonos PID szabályozó

Gépészeti rendszertechnika (NGB_KV002_1)

Számítógépes irányítás

Négyszög - Háromszög Oszcillátor Mérése Mérési Útmutató

Informatika Rendszerek Alapjai

Hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálata

Irányítástechnikai alapok. Zalotay Péter főiskolai docens KKMF

Házi Feladat. Méréstechnika 1-3.

Digitális Fourier-analizátorok (DFT - FFT)

Akusztikus mérőműszerek

Jelgenerátorok ELEKTRONIKA_2

Számítógépes Grafika SZIE YMÉK

1. ábra. Repülő eszköz matematikai modellje ( fekete doboz )

Digitális tárolós oszcilloszkópok

1. Jelgenerálás, megjelenítés, jelfeldolgozás alapfunkciói

Jelfeldolgozás a közlekedésben. 2017/2018 II. félév. Analóg-digitális átalakítás ADC, DAC

ÉRZÉKELŐK ÉS BEAVATKOZÓK I. 3. MÉRÉSFELDOLGOZÁS

Értékelés Összesen: 100 pont 100% = 100 pont A VIZSGAFELADAT MEGOLDÁSÁRA JAVASOLT %-OS EREDMÉNY: EBBEN A VIZSGARÉSZBEN A VIZSGAFELADAT ARÁNYA 35%.

MEMS eszközök redukált rendű modellezése a Smart Systems Integration mesterképzésben Dr. Ender Ferenc

Irányításelmélet és technika II.

Irányítástechnika GÁSPÁR PÉTER. Prof. BOKOR JÓZSEF útmutatásai alapján

ANTAL Margit. Sapientia - Erdélyi Magyar Tudományegyetem. Jelfeldolgozás. ANTAL Margit. Adminisztratív. Bevezetés. Matematikai alapismeretek.

Kalkulus I. gyakorlat Fizika BSc I/1.

Az INTEL D-2920 analóg mikroprocesszor alkalmazása

Ipari mintavételes PID szabályozóstruktúra megvalósítása

Fourier-sorfejtés vizsgálata Négyszögjel sorfejtése, átviteli vizsgálata

A munkavégzés a rendszer és a környezete közötti energiacserének a D hőátadástól eltérő valamennyi más formája.

A soros RC-kör. t, szög [rad] feszültség áramerősség. 2. ábra a soros RC-kör kapcsolási rajza. a) b) 3. ábra

ALAPFOGALMIKÉRDÉSEK VILLAMOSSÁGTANBÓL 1. EGYENÁRAM

Gibbs-jelenség viselkedésének vizsgálata egyszer négyszögjel esetén

DIGITÁLIS KOMMUNIKÁCIÓ Oktató áramkörök

Átírás:

Számítógépes irányításelmélet 4. Számítógéppel irányított rendszerek A fejezetnek az a célja, hogy bevezesse a számítógéppel irányított rendszerek alapfogalmait. Bemutatja a folytonos jel mintavételezését, a mintavételezési jelenséget és annak fő jellemzőit, az időfüggést és a látszólagos frekvencia jelenségét. Tanácsot ad a mintavételezési idő megválasztásához. Bevezeti az időben diszkrét időanalízis eszközét, a Z-transzformációt. A fejezet végén az időben diszkrét jelanalízisre és az időben diszkrét átviteli függvény analízisére mutat be példákat.. Számítógéppel irányított rendszerek Napjainkban egyre több számítógépet használunk a folyamat automatizálásban: a természetüknél fogva analóg, időben folytonos folyamatokat (is) digitális, időben diszkrét működésű egységekkel szabályozzuk. A szabályozó hurok így időben folytonos és diszkrét időpillanatokban jelentkező jeleket egyaránt tartalmaz, amelyek egymással nem egyszerűen mérhetők össze. Ezért bizonyos jelfeldolgozás szükséges. Előbb azonban tekintsük a digitális számítógép működését. A digitális számítógép a számításokat csak bizonyos időpillanatokban hajtja végre ezek a szimulációs lépések. A k-adik szimulációs lépésben a [k-]-edik a [k-2]-edik,...[k-i]-edik időpillanatokban rendelkezésre álló információkat használja fel. (lásd az.a ábrát) h mintavételezés dt k-3 k-2 k- k idő szimulációs lépések.a ábra A digitális számítógépi rendszerek számítási eljárása Mivel a digitális szabályzót is magával a digitális számítógéppel valósítjuk meg, a szabályzó a jelet is csak bizonyos időpillanatokban vagyunk képesek előállítani. Mindemellett a mintavételezési idő (h) a mintavételezési időpillanatok közötti időtartam nem feltétlenül egyezik meg a szimulációs időlépés (dt) értékével. (lásd az.a ábrát) A számítógépek a szimulációt általában belső órajelűk által meghatározott sebességgel végzik, míg a mintavételezési időt (h) alapvetően a szabályozandó folyamat lomhasága határozza meg. A digitális szabályzó mintavételezési ideje (h) értéke a milliszekundumtól a perc értékig terjedhet. A folytonos idejű szabályozó digitális szabályozóval történő helyettesítését az.b ábra mutatja be. Az alapjel y*(t) és a szabályozott jellemző y(t) között mért hibát e(t) először mintavételezzük, majd állandó értéken tartjuk a mintavételezési időpillanatok között (S/H = Sample and Hold => Mintavételezés és tartás ). A tartási funkció azért szükséges,

Számítógépes irányításelmélet 5 mert a bemenő jel minden egyes szimulációs lépésben szükséges még akkor is, ha h >dt. A mintavételezett analóg jelet az analóg-digitális átalakító (ADC = Analog Digital Converter) alakítja át digitális jellé. A számítógép értelmezi az átalakított hibát e[k] és egy új ellenőrző jel sorozatot u[k] állít elő a szabályozó algoritmus segítségével. Mind a digitális számítógépbe érkező, mind pedig az onnan távozó jelek egy-egy számsorozatot alkotnak. A kimenő jelsorozatot a digitális-analóg jelátalakító (DAC = Digital Analog Convereter) alakítja vissza analóg jellé. Ez a jel a mintavételezési időpontokban megjelenő impulzusok sorozata. A természetükből eredően az időben folytonos folyamatnak azonban folytonos jelre van szükségük. Ezért egy olyan jelformáló függvényt alkalmazunk (Hold = Tartó függvény), amely a jelet állandó értéken tartja a mintavételezési időpontok között. A mintavételezést és a jel visszaalakítást egy digitális órajel szinkronizálja. Digital Controller Disturbance r(t) e(t) S/H e(k) u(k) and ADC DAC u(t) y(t).b ábra Az analóg szabályozó helyettesítése digitális szabályozóval: S/H mintavételező és tartó; ADC analóg-digitális jelátalakító; DAC digitális-analóg jelátalakító 2. ábra A digitális szabályozó rendszer jelei a szabályozási kör meghatározott pontjain A szabályozási eltérés ( e(t) ) bemenő jelű digitális szabályozót és a szabályozott jellemző mért jelének digitális szűrését rendszerint ugyanazzal a számítógéppel valósítják meg. Egy másik értelmezés pontosabban leírja a szabályozó rendszert. (3. ábra)

Számítógépes irányításelmélet 6 A [ DAC szabályozott folyamat ADC ] csoport egy olyan diszkretizált rendszerként értelmezhető, amely a szabályozóból kijövő jelet u[k] alakítja át kimenő jel sorozattá y[k]. A diszkretizált rendszer egy diszkrét időpillanatokban értelmezett átviteli függvénnyel jellemezhető G(z), amely a szabályozott folyamat G(s) folytonos átviteli függvényéből határozható meg. Ez az értelmezés azzal az előnnyel rendelkezik, hogy biztosítja a diszkretizált szabályozott folyamat modelljéhez illeszkedő szabályozó algoritmus tervezését. digital signal analogue signal Clock Computer u(k) DAC+ZOH Plant G(s) ADC y(k) Discretised plant G(z) 3. ábra Digitális szabályozott rendszer A mintavételezési művelet amplitúdó modulált impulzus jelet ad. A jelformáló művelet rekonstruálja az analóg jelet. A cél az, hogy kitöltsük a mintavételezési időpillanatok közötti űrt, és így állítsuk vissza az (időben) folytonos analóg jelet. A jelformáló áramkör extrapolációval adja meg a jelet két egymást követő mintavételi pont között. (2. ábra) A lépcsős hullámalak a legegyszerűbb módja az analóg jel rekonstruálásának: a mintavételezett érték állandó értéken tartása a következő jel megérkezéséig. (4. ábra) A lépcsős alakú hullámformát adó jelformáló áramkör neve nullad-rendű tartó (ZOH). Kifinomultabb, magasabb-rendű jelformáló tagok is léteznek, például első-rendű jelformáló illetve magasabb rendű jelformálók. (5. ábra) Az első-rendű jelformáló átlagolja az előző és a jelenlegi jel értéket, és így határozza meg a mintavétel pontban az aktuális értéket. 4. ábra A nullad-rendű jelformáló (ZOH) kimenete

Számítógépes irányításelmélet 7 5. ábra Az első-rendű jelformáló (FOH) kimenete Egy digitálisan szabályozott rendszer legfontosabb elemeinek fizikai megvalósítását a 6.-9. ábrák mutatják: ADC analóg-digitális jelátalakító; DAC digitális-analóg jelátalakító; ZOH nullad-rendű jelformáló. (A 4. illetve 6.-9. ábrák K. Ogata(995): Discrete-time Control Systems című munkája nyomán) 6. ábra Analóg csatorna kiválasztó (multiplexer) 7. ábra Mintavételező és jelformáló 8. ábra Fokozatos közelítés elvén működő A/D jelátalakító 9. ábra Súlyozott ellenállásokat alkalmazó D/A jelátalakító

Számítógépes irányításelmélet 8.2 Időben folytonos jelek mintavételezése A Random House Compact Unabridged Dictionary-nek megfelelően, a mintavételezés tesztelés, analízis céljából egy minta kiválasztásának folyamata, ahol a minta egy kis része valaminek. A mintavételezés a szabályozásban vagy a kommunikációban, az időben folytonos jel helyettesítését jelenti egy olyan számsorozattal, amely a jel értékét meghatározott időpillanatokban a mintavételezési időpontban - mutatja. (. ábra ) A mintavételezés egy lineáris művelet. A mintavételezési időpillanatok (amikor a mintavételezés történik), gyakran egyenlő időközönként követik egymást, tk = k * h, ahol h a mintavételezési periódus, a mintavételezési pillanatok közötti időintervallum. Ha h állandó, akkor periodikus mintavételezésről beszélünk. A megfelelő mintavételezési frekvencia fs = / h (Hz) vagy ωs = 2π/h (rad/s). A mintavételezési frekvencia fele, a Nyquist frekvencia, ami a későbbiekben fontos szerepet játszik: f N = /2h (Hz) vagy ω N = π/h (rad/s). Az időben folytonos jelet általában x( t) -vel jelöljük, a mintavételezett jelet pedig x[k] -val. A jelölések a következők: időben folytonos jel x(t) t R mintavételezési periódus (vagy idő) h (T s néhány irodalomban) mintavételezési frekvencia f = /h (Hz) mintavételezési időpillanat t k = k h k =...-2, -,,, 2,... (periodikus mintavételezés) mintavételezett sorozat x[t k ] vagy egyszerűen x[k] Ebben a leírásban feltételezzük, hogy a mintavételezés periodikus, a mintavételezési periódus állandó, és csak egy mintavételezési periódust alkalmazunk a zárt-hurkú rendszerben. h. ábra Az időben folytonos jel mintavételezése (alul-mintavételezés)

Számítógépes irányításelmélet 9.2. Mintavételezési tétel A mintavételezés akkor jó, ha az eredeti időben folytonos jel amplitúdó jellemzői megőrződnek a mintavételezett jelben is (A folytonos jel a mintavételezett jelből adott pontossággal visszaállítható.). Ezért a mintavételezési frekvenciát az időben folytonos jel legmagasabb frekvencia összetevőjének figyelembe vételével kell megválasztani. Shannon (Nyquist) mintavételezési tétele: ha a mintavételezési frekvencia nagyobb minta az időben folytonos jel legmagasabb frekvencia összetevő ω s > 2 ω, ω s ω kétszerese = 2π/ h akkor az eredeti jel visszaállítható a mintavételezett jelből. A Nyquist-frekvencia felhasználásával a mintavételezés ki kell, hogy elégítse a következő egyenlőtlenséget: ω 2 s ω < ω < ωn. A. ábra bemutatja az f frekvenciával jellemzett szinuszos jel mintavételezését. Az ábrasorozat felső sora mutatja azt az esetet, amikor a mintavételezési frekvencia fs = 8 f ; az időben folytonos jel jellemzője megmaradt. Csökkentve a mintavételezési frekvenciát fs = 2 f, a periodikus jellemzői és az amplitúdó jellemzői még mindig megmaradnak, ha a mintavételezési időpillanatok tk = 2 π f t. Az ábrasorozat alsó sora azt az esetet mutatja, amikor a mintákat rossz időpontokban kaptuk. A mintavételezés inverz művelete a jelrekonstrukció, a számsorozat visszafordítása időben folytonos jellé. A számítógép szabályozású rendszerekben a számított szabályozási műveletet (számsorozatot) a folyamat által használható, időben folytonos jellé kell vissza alakítani. Különböző rekonstrukciós technikák adottak a mintavételezett függvény, x[k] időben folytonos alakra, x(t)-re való átalakítására, amelyek a következők:

Számítógépes irányításelmélet. ábra A szinuszos jel mintavételezése

Számítógépes irányításelmélet a) Shannon rekonstrukció: x ( t) = x( k h) sin ( ωs ( t k h) / 2) ( t k h) / 2 k= ωs Az alábbiakban felsoroljuk ennek a rekonstrukciónak néhány hátrányát: Az x értékét a t időpillanatban a megelőző ( x[ k h] : k t/h ) ( x [ k h] : k > t/h ) értékekből határozzuk meg; bonyolult; csak periodikus jelek esetén alkalmazható. Néhány kommunikációs- és jel-feldolgozó folyamatban alkalmazzák. és következő b) Nullad-rendű jelformáló (ZOH): A 4. ábrán bemutatott ZOH egy szakaszos állandót eredményez, és a mintavételezési időpillanatban megegyezik a mintavételezett jellel. (véletlenszerű) ( t) x[ ] x = t k, t k t t k +. c) Első-rendű jelformáló (FOH): Az 5. ábrán bemutatott FOH lineáris (elsőfokú) extrapolációval dolgozik a mintavételezési időpillanatok között: x t t k ( t) x[ t ] + [ x[ t ] x[ t ] = k k k, t k t < t tk t k + k. A magasabb-rendű polinomokkal történő extrapolációval kisebb rekonstruálási hibák és egyenletesebb függvényalak érhető el.

Számítógépes irányításelmélet 2. példa: Az időben folytonos jel mintavételezése. Ismételje meg a szimulációt más mintavételezési idővel is! Jel: x ( t) = sin( ω t) T period = sec ω f = = T 2 π T period period rad =.628 s =. Hz Shannon mintavételezési tétele alapján ω s > 2ω : 2π 2π Tperiod > 2 -> h < = 5 sec, h = 2 sec h 2 Simulink modell: T period dim(h) = [sec] h = 2 h =.2.5.5 -.5 -.5 - - 5 5 2 Time 5 5 2 Time

Számítógépes irányításelmélet 3 h =.4.5 -.5-5 5 2 Time

Számítógépes irányításelmélet 4.2.2 A periodikus mintavételezés jellemzői A periodikus mintavételezéssel a szabályozott rendszer egy olyan zárt-hurkú rendszert eredményez, amely: lineáris periodikus rendszer. A számítógéppel szabályozott rendszerek periodikus tulajdonságából eredően adó két speciális tulajdonság jelenik meg: az időfüggés és a látszólagos frekvencia jelensége..2.2. Időfüggés A rendszer egy külső jelre (ingerre) adott válasza (pl. alapjel változása) a külső esemény és a számítógép belső órájának összehangolásától függ. (Lásd az órajelet a 3. ábrán.) A 2. ábra négy esetet mutat be, amikor a külső esemény, a bemenő jel lépésköz változása a mintavételezési időpontban (h = 2), illetve amikor két mintavételezési időpont között történik. Ha a szinkronban vannak, akkor a mintavételezési rendszernek mindig egymintavételezési időnyi késése van..8.8.6.6.4.4.2.2 2 3 4 5 6 7 8 9 Time (second) 2 3 4 5 6 7 8 9 Time (second).8.8.6.6.4.4.2.2 2 3 4 5 6 7 8 9 Time (second) 2 3 4 5 6 7 8 9 Time (second) 2. ábra Idő szinkronizáció

Számítógépes irányításelmélet 5.2.2.2 Látszólagos frekvencia jelensége A mintavételezés másik következménye a látszólagos frekvencia jelensége: két különböző jelhez ugyanaz a mintavételezett jel tartozhat. A következő példával mutatjuk be a problémát. Két különböző időben folytonos jel adott f =, Hz illetve f 2 =, Hz frekvenciával. A mintavételezési frekvencia: fs = Hz. Mindkét jelnek azonos a mintavételezési jele f sampled =, Hz frekvenciával. (3. ábra) Vegyük észre, hogy a fs = Hz nem megfelelő a f = 2. Hz frekvenciájú jelnek; i.e. f < 2f. s 2.8.6.4.2 -.2 -.4 -.6 -.8 - f =. Hz f =. Hz 2 3 4 5 6 7 8 9 Time (second) 3. ábra Látszólagos frekvencia jelenség problémája A látszólagos frekvencia jelenség: adott az időben folytonos jel frekvenciája ω és a mintavételezési frekvencia ω s = 2π/ h ( ω < ω s / 2) ; a mintavételezett jel frekvenciája egyenlő a következő időben folytonos jelek mintavételezett jelével ω = ω ± n, ahol ω [ ω s 2 ω / 2] *ω s A mintavételezett jel frekvenciája ω sampled = / s ( ω + ωn ) mod( ωs ) ωn = ω amit ezért látszólagos (alias) frekvenciának nevezünk. Vegyük észre, hogy ( ω + ωn ) mod( ωs ) ωn = ω,, n tetszőleges egész ha a mintavételezési időt a mintavételezési tételnek megfelelően választjuk meg, akkor a mintavételezett jel frekvenciája megegyezik az eredeti időben folytonos jellel.

Számítógépes irányításelmélet 6 2. példa Látszólagos frekvencia jelenség bemutatására készítsen egy Simulink modellt! Mintavételezze az alábbi jeleket x(t) = sin( ω t) ω = 2π.=.2 π (t) = sin( ω t) ω = 2π. = 2. 2 π x2 2 x3(t) sin( 3 ( f =.Hz) 2 ( f 2 =.Hz) 3 = 2π 2. = 4. ( f 2 = 2.Hz) = ω t) ω 2 π a következő mintavételezési frekvencia használatával ω = 2π s ( Hz) f s =, ami csak az első jel esetében elégíti ki a Shannon mintavételezési tételt, ω s > 2 ω. A rétegződés azért fordul elő, mert ω2 = 2.2 π =.2 π + 2 π = ω + n ωs = ω + ωs, 3 = 4.2 π =.2 π 4 π = ω + ωs = ω + 2ωs ω n. 3.a példa Látszólagos frekvencia probléma magas frekvencia zavar. Határozza meg a látszólagos (alias) frekvenciát és futtassa a Simulink szimulációt. Jel: négyszög jel ω =.2 rad/sec Magas frekvenciás zavar: szinuszos ω d = 5. 65 rad/sec Mintavételezés: f s = Hz, ω s = 6. 28 rad/sec Vegyük észre: ω d > ω s / 2 látszólagos frekvencia jelenség Mintavételezési frekvencia: f s = Hz ω s = 6.283 rad / sec Nyquist frekvencia: Zavar jel: f N =.5 Hz ω N = 3.45 rad / sec f d =.9 Hz ω d = 5.6548 rad / sec ω = ω + ω mod ω ω ( 5.6548 + 3.45) mod( 6.283) 3.45 =. rad/s Az látszólagos (alias) frekvencia: a ( d N ) ( s ) N ω a = 6283 ω f a a = =.9999. Hz Talias = 2π f = sec. a

Számítógépes irányításelmélet 7 T alias = sec Úgy tűnik, mintha a mintavételezett jel a négyszög jel és a szinuszos jel összege lenne, Hz-es frekvenciával. A látszólagos frekvencia jelenség gyakorlati következménye: a mintavételezés után lehetetlen megállapítani, hogy az időben folytonos jel frekvenciája ω vagy ω + n ωs. Ez azt jelenti, hogy a magas frekvenciájú jel alacsony frekvenciájú jelként fog megjelenni a látszólagos frekvencia jelenség miatt. Alacsony frekvencia esetén elsődlegesen fontos a magas frekvenciájú komponensek kiszűrése. Az anti-aliasing szűrés hatását a következő Simulink példa mutatja be. 3.b példa A látszólagos frekvencia jelenségére megoldás a mintavételezendő jel szűrése Bessel szűrő: sávszélesség f =.25 Hz.57 rad/sec (sávszélesség = ahol az erősítés 3 db-el csökken)

Számítógépes irányításelmélet 8 3 db Bode Diagrams -2 Phase (deg); Magnitude (db) -4-6 - -2-3 -4 - Frequency (rad/sec) 5.6548 rad / sec

Számítógépes irányításelmélet 9.5 -.5-5 5 2 25 3 35 4 Time (second) A mintavételezett jel az eredeti négyzet hullámot ábrázolja.

Számítógépes irányításelmélet 2.2.3 A mintavételezési periódus megválasztása A digitális szabályozott rendszerek mintavételezési frekvenciáját a zárt-hurkú rendszer tranziens (dinamikus) viselkedésének megfelelően választjuk meg, függetlenül a megkívánt teljesítéstől. Az eredeti jel visszaállítása nehézkes túl hosszú mintavételezési időt használva. Túl rövid mintavételezési időt alkalmazva szükségtelenül nagy adathalmaz keletkezik, a számítási idő megnő, és ezzel stabilitási problémákat okozhat. (Lásd későbbi fejezetekben.) A mintavételezési periódus Åström szerint (997): h (..25) Tr Ahol T r az a lépésidő, ami alatt 4 mintavételezés történik. A első rendű rendszer lépésideje egyenlő az időállandóval: + T s ( ) = h (..25 ) T G s. A másod-rendű rendszer mintavételezési ideje a csillapítási tényezőből ξ és a sajátfrekvenciából ω o határozható: ϕ ϕ = ω / tan T r o e, ξ = cos(ϕ). A =. 7 csillapítási tényező esetén T ω o 2. 8 ξ (.7983 rad) (..25) T = (.2 ) ω o h r.55. r =, és így

Számítógépes irányításelmélet 2. Számítógéppel irányított rendszerek... 4. Számítógéppel irányított rendszerek... 4.2 Időben folytonos jelek mintavételezése... 8.2. Mintavételezési tétel... 9.2.2 A periodikus mintavételezés jellemzői... 4.2.2. Időfüggés... 4.2.2.2 Látszólagos frekvencia jelensége... 5.2.3 A mintavételezési periódus megválasztása... 2