Alaptagok Nyquist- és Bode-diagramjai

Hasonló dokumentumok
Alaptagok Nyquist és Bode diagramjai

Irányítástechnika GÁSPÁR PÉTER. Prof. BOKOR JÓZSEF útmutatásai alapján

Irányítástechnika II. előadásvázlat

L-transzformáltja: G(s) = L{g(t)}.

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

Számítógépes gyakorlat MATLAB, Control System Toolbox

Irányítástechnika GÁSPÁR PÉTER. Prof. BOKOR JÓZSEF útmutatásai alapján

Dr. Gyurcsek István. Példafeladatok. Helygörbék Bode-diagramok HELYGÖRBÉK, BODE-DIAGRAMOK DR. GYURCSEK ISTVÁN

RENDSZERTECHNIKA 8. GYAKORLAT

Gépészeti rendszertechnika (NGB_KV002_1)

Segédlet a gyakorlati tananyaghoz GEVAU141B, GEVAU188B c. tantárgyakból

Történeti Áttekintés

Tartalom. Robusztus stabilitás Additív hibastruktúra Multiplikatív hibastruktúra

Irányítástechnika II. Nem hivatalos vizsga beugró kérdéssor kidolgozás

Függvények határértéke és folytonosság

17/1. Négypólusok átviteli függvényének ábrázolása. Nyquist diagram.

Feladatok megoldásokkal a harmadik gyakorlathoz (érintési paraméterek, L Hospital szabály, elaszticitás) y = 1 + 2(x 1). y = 2x 1.

Bevezetés az állapottér-elméletbe Dinamikus rendszerek állapottér reprezentációi

Számítógépes gyakorlat Irányítási rendszerek szintézise

Rendszervizsgálat frekvencia tartományban

milyen mennyiségeket jelölnek a Bode diagram tengelyei? csoportosítsa a determinisztikus jeleket!

SZABÁLYOZÁSI KÖRÖK 2.

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

Négypólusok tárgyalása Laplace transzformációval

Komplex számok. Wettl Ferenc előadása alapján Wettl Ferenc előadása alapján Komplex számok / 18

6. Függvények. Legyen függvény és nem üreshalmaz. A függvényt az f K-ra való kiterjesztésének

Függvények Megoldások

Szabályozás Irányítástechnika PE MIK MI BSc 1

Az egységugrás függvény a 0 időpillanatot követően 10 nagyságú jelet ad, valamint K=2. Vizsgáljuk meg a kimenetet:

DIFFERENCIÁLEGYENLETEK. BSc. Matematika II. BGRMA2HNND, BGRMA2HNNC

Függvények vizsgálata

Lineáris rendszerek stabilitása

Tartalom. Állapottér reprezentációk tulajdonságai stabilitás irányíthatóság megfigyelhetőség minimalitás

Függvényhatárérték és folytonosság

Nagy Gábor compalg.inf.elte.hu/ nagy ősz

Irányítástechnika 2. előadás

2. REZGÉSEK Harmonikus rezgések: 2.2. Csillapított rezgések

Irányítástechnika (BMEGERIA35I) SOROS KOMPENZÁCIÓ. 2010/11/1. félév. Dr. Aradi Petra

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI KÖZÉPSZINT Függvények

Trigonometria Megoldások. 1) Igazolja, hogy ha egy háromszög szögeire érvényes az alábbi összefüggés: sin : sin = cos + : cos +, ( ) ( )

Nagy Gábor compalg.inf.elte.hu/ nagy ősz

Abszolútértékes egyenlôtlenségek

Megoldott feladatok november 30. n+3 szigorúan monoton csökken, 5. n+3. lim a n = lim. n+3 = 2n+3 n+4 2n+1

Egyenletek, egyenlőtlenségek VII.

Tartalomjegyzék. Tartalomjegyzék Valós változós valós értékű függvények... 2

Abszolútértékes és gyökös kifejezések Megoldások

Diszkrét matematika 1. estis képzés

Digitális jelfeldolgozás

10. Koordinátageometria

DINAMIKAI VIZSGÁLAT OPERÁTOROS TARTOMÁNYBAN Dr. Aradi Petra, Dr. Niedermayer Péter: Rendszertechnika segédlet 1

a) A logaritmus értelmezése alapján: x 8 0 ( x 2 2 vagy x 2 2) (1 pont) Egy szorzat értéke pontosan akkor 0, ha valamelyik szorzótényező 0.

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI EMELT SZINT Paraméter

A derivált alkalmazásai

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

Németh László Matematikaverseny, Hódmezővásárhely március 30. A osztályosok feladatainak javítókulcsa

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI EMELT SZINT Trigonometria

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI KÖZÉPSZINT Függvények

Hurokegyenlet alakja, ha az áram irányával megegyező feszültségeséseket tekintjük pozitívnak:

3.3. A feszültség-munkadiagram

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI KÖZÉP SZINT Függvények

Egyenletek, egyenletrendszerek, egyenlőtlenségek Megoldások

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI EMELT SZINT Abszolútértékes és Gyökös kifejezések

Jelek és rendszerek - 4.előadás

Frekvenciatartomány Irányítástechnika PE MI BSc 1

Diszkrét matematika 1.

Arany Dániel Matematikai Tanulóverseny 2012/2013-as tanév első (iskolai) forduló haladók II. kategória

Analízis elo adások. Vajda István szeptember 10. Neumann János Informatika Kar Óbudai Egyetem. Vajda István (Óbudai Egyetem)

Sorozatok határértéke SOROZAT FOGALMA, MEGADÁSA, ÁBRÁZOLÁSA; KORLÁTOS ÉS MONOTON SOROZATOK

ELLENŐRZŐ KÉRDÉSEK. Váltakozóáramú hálózatok

b) Ábrázolja ugyanabban a koordinátarendszerben a g függvényt! (2 pont) c) Oldja meg az ( x ) 2

Matematika szóbeli érettségi témakörök 2016/2017-es tanév őszi vizsgaidőszak

Komplex számok. (a, b) + (c, d) := (a + c, b + d)

10. Differenciálszámítás

Fourier transzformáció

Tétel: A háromszög belső szögeinek összege: 180

Ferde kúp ellipszis metszete

Ideiglenes példatár az Intelligens rendszerek I. kurzus 1. zárthelyi dolgozatához

9. Trigonometria. I. Nulladik ZH-ban láttuk: 1. Tegye nagyság szerint növekvő sorrendbe az alábbi értékeket! Megoldás:

Gépészeti rendszertechnika (NGB_KV002_1)

Villamos gépek tantárgy tételei

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK KÖZÉP SZINT Függvények

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK KÖZÉPSZINT Függvények

Oktatási Hivatal. 1 pont. A feltételek alapján felírhatók az. összevonás után az. 1 pont

1. Halmazok, számhalmazok, alapműveletek

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

Kalkulus. Komplex számok

Márkus Zsolt Tulajdonságok, jelleggörbék, stb BMF -

Összeállította: dr. Leitold Adrien egyetemi docens

Skaláris szorzat: a b cos, ahol α a két vektor által bezárt szög.

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

Exponenciális és logaritmusos kifejezések, egyenletek

Magasabbfokú egyenletek

First Prev Next Last Go Back Full Screen Close Quit. Komplex számok (2)

Hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálata

Folytonos rendszeregyenletek megoldása. 1. Folytonos idejű (FI) rendszeregyenlet általános alakja

Diagnosztika Rezgéstani alapok. A szinusz függvény. 3π 2

Inverz Laplace-transzformáció. Vajda István március 4.

Komplex számok trigonometrikus alakja

Határozatlan integrál (2) First Prev Next Last Go Back Full Screen Close Quit

Sajátértékek és sajátvektorok. mf1n1a06- mf1n2a06 Csabai István

Átírás:

C Alaptagok Nyquist- és Bode-diagramjai C.1. Bevezetés - Átviteli függvény, frekvenciafüggvény Dinamikus rendszerek leírásának egyik módja az átviteli függvények segítségével történik. Az átviteli függvényeket a rendszer differenciálegyenletéből kiindulva a L -transzformáció alkalmazásával vezethetjük be (lásd [3] A függelék). Vegyük a differenciálegyenlet L -transzformáltját zérus kezdeti értékekkel, majd rendezzük a benne szereplő Y(s) és U(s) tagok szerint, ahonnan kapjuk a G(s) racionális törtfüggvényt: G(s)= Y(s) U(s) = b(s) a(s) = b ms m +...+b 1 s+b a n s n +...+ a 1 s+a. (C.1) Az átviteli függvény tehát a kimenőjel és a bemenőjel zérus kezdeti feltételekkel vett L -transzformáltjainak hányadosa. Az átviteli függvényt ún. pólus-zérus alakban is felírhatjuk: G(s)=k m j=1 (s z j) n i=1 (s p i), (C.2) ahol z j jelöli a rendszer zérusait, vagyis a b(s)= egyenlet gyökeit, míg p i jelöli a rendszer pólusait, vagyis az a(s) = egyenlet gyökeit. A G(s) leírásának egy további lehetséges módja az időállandós alak. Alaptagok általános időállandós alakja a következő: G(s)= C(s) n s n + n 1 s n 1. (C.3) +...+ 1 s+ }{{} 1 }{{} 1

46 C. Alaptagok Nyquist- és Bode-diagramjai Itt a nevező polinom fokszáma adja meg, hogy hány tárolós a tag. Így egy n-edfokú nevező polinom n tárolós tagot jelent, rövid jelölése n. A számláló C(s) eleme háromféle alakú lehet: 1. A ekkor a tag arányos (P), 2. A d s ekkor a tag differenciáló (D), 3. A I s ekkor a tag integráló (I). A lineáris dinamikus időinvariáns rendszerek frekvenciatartományban való vizsgálatát szinuszos lefutású bemenőjelekre adott válaszfüggvényeik segítségével végezhetjük el. Ehhez bevezetjük a frekvenciafüggvény fogalmát. Egy rendszer frekvencia-válaszfüggvényének (vagy egyszerűbben frekvenciafüggvényének) a rendszer egység amplitúdójú szinuszos bemenőjelre állandósult állapotban adott válaszfüggvényét nevezzük. A frekvenciafüggvényt a differenciálegyenletből a jelek exponenciális alakjának és az exponenciális függvény differenciálási szabályának felhasználásával egyszerű átrendezéssel, míg az átviteli függvényből formálisan az s = iω helyettesítéssel kapjuk. Ez utóbbi kapcsolat mutatja azt is, hogy a frekvenciafüggvényeket a differenciálegyenletekből az ún. Fourier-transzformációval, zérus kezdeti feltételekkel közvetlenül is megkaphatjuk [3]. A G(iω) függvényeket a rendszer frekvenciafüggvényének nevezzük, és az ω körfrekvencia szerint ábrázoljuk. Nyquist-diagram: A Nyquist-diagramon való ábrázolás kétféle módon is felfogható. A frekvenciafüggvény értéke egy adott ω frekvencián egy komplex szám: G(iω )=ReG(iω )+iimg(iω ). (C.4) Ez a szám komplex számsíkon ábrázolható és így ω =... tartományon a pontokat ábrázolva adódik a Nyquist-diagram. A másik szemlélethez definiálni kell egy adott ω frekvenciára vonatkozóan az amplitúdót A(ω ) és fázisszöget ϕ(ω ): A(ω )= ReG(iω ) 2 + ImG(iω ) 2, ϕ(ω )=arctg ImG(iω ) ReG(iω ). (C.5) (C.6)

C. Alaptagok Nyquist- és Bode-diagramjai 47 Így az amplitúdó, mint a fázisszöggel irányított szakasz ábrázolható derékszögű koordinátarendszerben. Ez a koordinátarendszer lehet a komplex számsík is, ahol ha a Re valós tengellyel bezárt szög a fázisszög akkor a kétféle szemlélet azonos ábrázolást ad (márpedig definíció szerint a fázisszög a Re tengellyel bezárt szög). A továbbiakban az alaptagok (-tól 2 tárolóig) Nyquist- és Bode-diagramjainak alakját ismertetjük a jellegzetes pontok meghatározását is leírva (és a frekvenciafüggvényt az ábrázoláshoz használt paraméterekkel is megadva). Az ezekhez kapcsolódó hosszabb levezetéseket és az állítások igazolását a C.3 fejezet tartalmazza. Összetett tagok Nyquist-diagramját a következő módon ábrázoljuk: A frekvenciafüggvényt felbontjuk alaptagok összegére. Az így kiadódott alaptagok Nyquist-diagramjait pontonként összeadva (az azonos ω frekvenciához tartozó vektorokat összegezve) kapjuk az eredő Nyquist-diagramot. Összetett tagok Bode-diagramját a következő módon ábrázoljuk: A frekvenciafüggvényt felbontjuk alaptagok szorzatára. Az így kiadódott alaptagok Bode-diagramjait pontonként összeadva (az azonos ω frekvenciához tartozó pontokat összegezve) kapjuk az eredő Bode-diagramot. Ennek igazolását lásd a C.3 pontban. C.2. Alaptagok frekvenciatartományi vizsgálata P tárolós arányos tag Átviteli függvénye: Frekvenciafüggvénye: G(s)=A. G(iω)=A=2. A frekvenciafüggvény jellegzetes pontjai: ω = G(i)=A, ω G(i )=A. Nyquist diagramja egyetlen pont (lásd C.1 ábra). Bode amplitúdó diagramja egy a db-es tengellyel párhuzamos egyenes 2 lg(a) magasságban. Bode fázis diagramja konstans nulla (lásd C.2 ábra). Itt a(ω) = 2 lg A(ω) az amplitúdó felhasznált definíciója, mely az amplitúdót decibel (db) mértékegységben adja eredményül.

48 C. Alaptagok Nyquist- és Bode-diagramjai.5 P tag Nyquist-diagramja.4.3.2 Im.1 A.1.2.3.4.5.5 1 1.5 2 Re C.1. ábra. P alaptag Nyquist-diagramja D tárolós differenciáló tag Átviteli függvénye: G(s)=A d s. Frekvenciafüggvénye: G(iω)=A d iω = 2iω. A frekvenciafüggvény jellegzetes pontjai: ω = G(i)=, ω G(i )=i.

C. Alaptagok Nyquist- és Bode-diagramjai 49 8 P tag Bode amplitudó diagramja Amplitudó (db) 7 6 2 lga 5 1 2 1 1 1 1 1 1 2 1 3 1 P tag Bode fázis diagramja Fázis( ) 1 1 2 1 1 1 Frekvencia ( 1 1 1 2 1 3 ) rad s C.2. ábra. P alaptag Bode-diagramja Nyquist-diagramja egy egyenes -ból i -be (lásd C.3 ábra). Bode amplitúdó diagramja egy a +2 db mereségű egyenes, mely a db-es tengelyt az 1 A d frekvencián metszi. Bode fázis diagramja konstans +9 (lásd C.4 ábra). Ennek igazolását a C.3 alfejezet tartalmazza. 1 ád a tizes alapú logaritmikus skálán a 1 két egymást követő hatványa közti távolságot jellemzi. Például 1 ád a távolság 1 k és 1 k+1 közt, de ugyanígy.25 1 k és.25 1 k+1 között is. I tárolós integráló tag Átviteli függvénye: G(s)= A I s.

41 C. Alaptagok Nyquist- és Bode-diagramjai 5 4.5 D tag Nyquist-diagramja ω 4 3.5 3 Im 2.5 2 1.5 1.5 ω =.5.5.5 Re C.3. ábra. D alaptag Nyquist-diagramja Frekvenciafüggvénye: G(iω)= A I iω = A Ii ω = 2i ω. A frekvenciafüggvény jellegzetes pontjai: ω = G(i)= i, ω G(i )=. Nyquist-diagramja egy egyenes i -ből -ba (lásd C.5 ábra). Bode amplitúdó diagramja egy 2 db mereségű egyenes, mely a db-es tengelyt az A I frekvencián metszi. Bode fázis diagramja konstans 9 (lásd C.6 ábra). Ennek igazolását a C.3 alfejezet tartalmazza.

C. Alaptagok Nyquist- és Bode-diagramjai 411 4 D tag Bode amplitudó diagramja Amplitudó (db) 2 1 A d +2 db 2 1 1 1 1 1 91 D tag Bode fázis diagramja Fázis( ) 9 89 1 1 1 Frekvencia ( 1 1 ) rad s C.4. ábra. D alaptag Bode-diagramja 1P 1 tárolós arányos tag Átviteli függvénye: G(s)= A s+1. Frekvenciafüggvénye: G(iω) = A iω+ 1 = A Aiω 1+ 2 ω 2 = 5 2iω+ 1.

412 C. Alaptagok Nyquist- és Bode-diagramjai.5.5 I tag Nyquist-diagramja ω 1 1.5 Im 2 2.5 3 3.5 4 4.5 ω = 5.5.5 Re C.5. ábra. I alaptag Nyquist-diagramja A frekvenciafüggvény jellegzetes pontjai: ω = G(i)=Aq,, ω G(i )=, ω s = 1 ( G i 1 ) = A Ai = A 2 2 Ai 2. A fenti kifejezésben ω s az úgynevezett sarokkörfrekvencia, itt ϕ(ω s ) = 45. A tag Nyquist-diagramja egy félkör az alsó síknegyedben A-ból -ba (lásd C.7 ábra). A félkör alak igazolása a C.3 alfejezetben megtalálható.

C. Alaptagok Nyquist- és Bode-diagramjai 413 4 I tag Bode amplitudó diagramja Amplitudó (db) 2 2 db 2 1 1 1 1 1 89 A I I tag Bode fázis diagramja Fázis( ) 89.5 9 9.5 91 1 1 1 Frekvencia ( 1 1 ) rad s C.6. ábra. I alaptag Bode-diagramja A Bode-diagram esetében a továbbiakban az aszimptotikus szerkesztés módszerét ismertetjük. A diagramokon szaggatott vonallal jelöljük az aszimptotikus közelítést, míg folytonossal a valódi frekvencia válaszokat. 1P tag Bode amplitúdó diagramja ω s = 1 frekvenciáig egy 2 lg A magasságban haladó vízszintes egyenes, majd a sarokkörfrekvenciától 2 db mereségű egyenes. Fázisdiagramja a sarokkörfrekvencia tizedénél kisebb frekvenciákra, 45 mereségű egyenes.1ω s és 1ω s frekvenciák között és 9 a sarokkörfrekvencia tízszeresénél nagyobb frekvenciák esetén (lásd C.8 ábra). Ennek igazolását a C.3 alfejezet tartalmazza. Látható, hogy ω s = 1 frekvencián a Bode fázis diagram a Nyquist-diagrammal meg

414 C. Alaptagok Nyquist- és Bode-diagramjai.5 1P tag Nyquist-diagramja ω ω = A.5 1 Im 1.5 2 2.5 3 ω s = 1 3.5 1 1 2 3 4 5 6 Re C.7. ábra. 1P alaptag Nyquist-diagramja egyezően éppen 45 értéket vesz fel, melyet az aszimptotikus ábrázolás is pontosan ad vissza. 1D 1 tárolós differenciáló tag Átviteli függvénye: G(s)= A ds s+1. Frekvenciafüggvénye: G(iω)= A diω iω+ 1 = A d ω 2 + A d iω 1+ 2 ω 2 = 5iω 2iω+ 1.

C. Alaptagok Nyquist- és Bode-diagramjai 415 2 1P tag Bode amplitudó diagramja Amplitudó (db) Fázis( ) 1 1 2 lg A 2 db 2 1 2 1 1 1 1 1 1P tag Bode fázis diagramja 5.1 1 1 1 1 1 2 1 1 Frekvencia ( 1 1 1 ) rad s 1 45 C.8. ábra. 1P alaptag Bode-diagramja A frekvenciafüggvény jellegzetes pontjai: ω = G(i)=, ω G(i )= A d, ω s = 1 ( G i 1 ) = A d+ A d i = A d 2 2 + A di 2. A fenti kifejezésben ω s az úgynevezett sarokkörfrekvencia, itt ϕ(ω s ) = +45. A tag Nyquist-diagramja egy félkör a felső síknegyedben -ból A d -be (lásd C.9 ábra). A félkör alak igazolása a C.3 alfejezetben megtalálható.

416 C. Alaptagok Nyquist- és Bode-diagramjai 1D tag Nyquist-diagramja 1.5 ω s = 1 1 Im.5 ω = A d ω.5.5.5 1 1.5 2 2.5 3 Re C.9. ábra. 1D alaptag Nyquist-diagramja Az 1D tag Bode-diagramját legkönnyebben szerkesztéssel határozhatjuk meg. Figyelembe véve az összetett tagok ábrázolására vonatkozó tételt (lásd C.3 alfejezet), az 1D tag felfogható egy D és egy 1P alaptag sorba kapcsolt eredőjeként. Az alaptagok amplitúdó és fázis görbéit megrajzolva, majd minden frekvencián összegezve kapjuk az eredő görbéket, melyről a következőket mondhatjuk: az amplitúdó görbe egy +2 db mereségű egyenes ω < 1 frekvenciákon, mely az 1 A d pontban metszi (metszené) a db-es tengelyt, majd 1 < ω frekvenciákra egy 2 lg A d erősítésű vízszintes egyenes. A db-es tengellyel való metsződés az 1 és 1 A d frekvenciák viszonyától függ. Ha 1 > 1 A d akkor létrejön a metsződés, ha 1 < 1 A d akkor

C. Alaptagok Nyquist- és Bode-diagramjai 417 2 1D tag Bode amplitudó diagramja Amplitudó (db) 2 +2 db 1 2 lg A d 4 1 2 1 1 1 1 1 1 1D tag Bode fázis diagramja Fázis( ) 5.1 1 45 1 1 1 2 1 1 Frekvencia ( 1 1 1 ) rad s C.1. ábra. 1D alaptag Bode-diagramja nem jön létre metsződés, ha 1 = 1 A d akkor a diagram éppen a db-es tengelyre törik. a fázis 9 és között változik,.1ω s -nél kisebb frekvenciák esetén 9,.1ω s és 1ω s frekvenciatartományon 45 mereségű egyenes, 1ω s -nél nagyobb frekvenciák esetén (lásd C.1 ábra). Látható, hogy ω s = 1 frekvencián a Bode fázisdiagram a Nyquistdiagrammal megegyezően éppen+45 értéket vesz fel, melyet az aszimp- totikus ábrázolás is pontosan ad vissza.

418 C. Alaptagok Nyquist- és Bode-diagramjai 1 1I tag Nyquist-diagramja 1 ω 2 3 A I 4 Im 5 6 7 8 9 ω = 1 7 6 5 4 3 2 1 Re C.11. ábra. 1I alaptag Nyquist-diagramja 1I 1 tárolós integráló tag Átviteli függvénye: Frekvenciafüggvénye: G(iω) = G(s)= A I s( s+1). A I iω( iω+ 1) = A I ω 2 A i ωi 2 ω 4 + ω 2 = A I A I ω i 2 ω 2 + 1 = 2 3(iω) 2 + iω.

C. Alaptagok Nyquist- és Bode-diagramjai 419 1 1I tag Bode amplitudó diagramja Amplitudó (db) Fázis( ) 5 2 db.1 1 4 db 5 1 1 2 1 1 1 1 1 5 1 15 1I tag Bode fázis diagramja 45 1 1 2 1 2 1 1 Frekvencia ( 1 1 1 ) rad s C.12. ábra. 1I alaptag Bode-diagramja A frekvenciafüggvény jellegzetes pontjai: ω = G(i)= A I i, ω G(i )=, ω s = 1 ( G i 1 ) = A I A I i = A I 2 2 A Ii 2. A fenti kifejezésben ω s az úgynevezett sarokkörfrekvencia, itt ϕ(ω s ) = 135. A tag Nyquist-diagramja ω = -ban az A I i pontból indul és a pontba fut be. Aszimptotája az A I -vel jellemzett egyenes (lásd C.11 ábra). Az 1I tagot mint I és 1P tagok soros kapcsolásának tekintve a Bodediagramok:

42 C. Alaptagok Nyquist- és Bode-diagramjai az amplitúdó görbe egy 2 db mereségű egyenes ω < 1 frekvenciákon, majd 1 db < ω frekvenciákra egy 4 mereségű egye- nes. A db-es tengellyel való metsződés az 1 és A I frekvenciák viszonyától függ. Ha 1 > A I akkor 2 db db, egyéb esetben 4 mereséggel metszi a görbe a db-es tengelyt. a fázis 9 és 18 között változik,.1ω s -nél kisebb frekvenciák esetén 9,.1ω s és 1ω s frekvenciatartományon 45 mereségű egyenes, 1ω s -nél nagyobb frekvenciák esetén 18 (lásd C.12 ábra). Látható, hogy ω s = 1 frekvencián a Bode fázisdiagram a Nyquist-diagrammal megegyezően éppen 135 értéket vesz fel, melyet az aszimptotikus ábrázolás is pontosan ad vissza. 2P 2 tárolós arányos tag Átviteli függvénye: Frekvenciafüggvénye: G(s)= A 2 s 2 + 2 ξ s+1. G(iω) = = A 2 (iω) 2 + 2 ξ iω+ 1 = A(1 2 ω 2 2 ξ iω) (1 2 ω 2 ) 2 + 4 2 ξ 2 ω 2 A A 2 ω 2 2Aξ iω 4 ω 4 +(4 2 ξ 2 2 2 )ω 2 + 1, ξ =.8 G(iω)= ξ =.3 G(iω)= 5 4(iω) 2 + 3,2iω+ 1, 5 4(iω) 2 + 1,2iω+ 1.

C. Alaptagok Nyquist- és Bode-diagramjai 421 2P tag Nyquist-diagramja ω A ω = 2 ξ.5 ω s = 1 Im 4 6 ξ <.5 8 ω s = 1 1 4 2 2 4 6 Re C.13. ábra. 2P alaptag Nyquist-diagramja A frekvenciafüggvény jellegzetes pontjai: ω = G(i)=A, ω G(i )=, ω s = 1 ( G i 1 ) = A A 2Aξ i 4ξ 2 = 2Aξ i 4ξ 2. A fenti kifejezésben ω s az úgynevezett sarokkörfrekvencia, itt a frekvenciafüggvény értéke tisztán képzetes ϕ(ω s )= 9. A tag Nyquist-diagramja egy torz félkör az alsó két síknegyedben A-ból -ba (ahány tárolós a tag, annyi síknegyeden halad át a Nyquist-diagramja) (lásd C.13 ábra). Bizonyítható (lásd C.3 alfejezet), hogy az A pontba húzott függőleges egyenest ξ <.5 csillapítás esetén fogja a diagram kétszer metszeni (ekkor lóg át

422 C. Alaptagok Nyquist- és Bode-diagramjai Amplitudó (db) 5 5 2 lg A.1 p 2P tag (ξ < 1) Bode amplitudó diagramja p 4 db 1 1 2 1 1 1 1 1 1 2 2P tag (ξ < 1) tag Bode fázis diagramja Fázis( ) 1 9 1 p 2 1 2 1 1 1 Frekvencia ( 1 1 1 2 ) rad s C.14. ábra. 2P alaptag Bode-diagramja rajta jobbra) egyébként minden pontja az egyenesen, vagy annak bal oldalán helyezkedik el. A kéttárolós tagok esetében a rendszer viselkedését a ξ csillapítási tényező befolyásolja, három esetet különböztetünk meg (tipikus kéttárolós tag az egytömegű csillapított lengőrendszer): ξ < 1 a rendszer gyengén csillapított, ekkor a rendszernek komplex konjugált póluspárja van, ξ = 1 esetén a rendszer aperiodikus-periodikus határhelyzetben van, a rendszernek egy darab kétszeres multiplicitású valós pólusa van (kritikus csillapítás), ξ > 1 esetén a rendszer túlcsillapított, két eltérő valós pólusa van ( p 1 < p 2 ).

C. Alaptagok Nyquist- és Bode-diagramjai 423 Amplitudó (db) Fázis( ) 5 5 2 lg A 2P tag(ξ = 1) Bode amplitudó diagramja.1 p p 2P tag(ξ = 1) Bode fázis diagramja 9 4 db 1 1 2 1 1 1 1 1 1 2 1 1 p 2 1 2 1 1 1 Frekvencia ( 1 1 1 2 ) rad s C.15. ábra. 2P alaptag Bode-diagramja A kéttárolós tagok Bode-diagramjait szorzatra bontással és az alaptagok ábrázolása utáni eredő számítással kaphatjuk meg. A pólusok alapján a 2P aszimptotikus Bode-diagramokról a következőket mondhatjuk: Komplex konjugált póluspár vagy kétszeres multiplicitású valós pólus esetén az amplitúdó diagram 2 lg(a) erősítésű vízszintes egyenes az p 1 = p 2 = p frekvenciáig, majd onnan 4 db mereségű egyenes. A fázisfüggvény és 18 között forgat: a.1 p frekvenciánál kisebb frekvenciákra, 9 mereségű egyenes.1 p és 1 p frekvenciák között és 18 1 p -nél nagyobb frekvenciák esetén (lásd C.14, C.15, C.16 ábrák). Látható, hogy

424 C. Alaptagok Nyquist- és Bode-diagramjai Amplitudó (db) Fázis( ) 5 5 2 lg A.1 p 1 45 2P tag(ξ > 1) Bode amplitudó diagramja 2 db p 1 2P tag(ξ > 1) Bode fázis diagramja.1 p 2 9 p 2 1 p 1 4 db 1 1 2 1 1 1 1 1 1 2 3 6 9 12 15 18 45 1 p 2 1 2 1 1 1 Frekvencia ( 1 1 1 2 ) rad s C.16. ábra. 2P alaptag Bode-diagramja ω s = 1/ frekvencián a Bode fázis diagram a Nyquist-diagrammal megegyezően éppen 9 értéket vesz fel, melyet az aszimptotikus ábrázolás is pontosan ad vissza. A valós Bode amplitúdó diagramon a p frekvencián kiemelés található gyengén csillapított esetben. Határeset a ξ = csillapítatlan rendszer ahol az ω s = p sajátlengési (vagy sarok-) frekvencián végtelen nagy amplitúdó és ezért végtelen nagy kiemelés alakul ki. Két valós pólus esetén az amplitúdó diagram 2 lg(a) erősítésű vízszintes egyenes az p 1 frekvenciáig, majd onnan 2 db mereségű egyenes a p 2 frekvenciáig. p 2 frekvenciától pedig 4 db mereségű egyenes.

C. Alaptagok Nyquist- és Bode-diagramjai 425 A fázisfüggvény és 18 között forgat: a.1 p 1 frekvenciánál kisebb frekvenciákra, 45 mereségű egyenes.1 p 1 és.1 p 2 frekvenciák között, 9 mereségű egyenes.1 p 2 és 1 p 1 frekvenciák között, 45 mereségű egyenes 1 p 1 és 1 p 2 frekvenciák között, és 18 1 p 2 - nél nagyobb frekvenciák esetén(lásd C.14, C.15, C.16 ábrák). Látható, hogy ω s = 1/ frekvencián a Bode fázisdiagram a Nyquistdiagrammal megegyezően éppen 9 értéket vesz fel, melyet az aszimptotikus ábrázolás is pontosan ad vissza. 2D 2 tárolós differenciáló tag Átviteli függvénye: Frekvenciafüggvénye: G(s)= A d s 2 s 2 + 2 ξ s+1. A d iω G(iω) = 2 (iω) 2 + 2 ξ iω+ 1 = A diω(1 2 ω 2 2 ξ iω (1 2 ω 2 ) 2 + 4 2 ξ 2 ω ( 2 1 2 ω 2) A d iω+ 2A d ξ ω 2 ) = 4 ω 4 +(4 2 ξ 2 2 2 )ω 2 + 1, ξ =.8 G(iω) = 5iω 4(iω) 2 + 3,2iω+ 1. A frekvenciafüggvény jellegzetes pontjai: ω = G(i)=, ω G(i )=, ω s = 1 G ( i 1 ) = + 2A dξ 4ξ 2 = A d 2ξ + i.

426 C. Alaptagok Nyquist- és Bode-diagramjai 2D tag Nyquist-diagramja 1.8.6.4 Im.2.2 ω = ω φ = A d 2ξ.4.6.8 1.5.5 1 1.5 2 Re C.17. ábra. 2D alaptag Nyquist-diagramja A fenti kifejezésben ω s az úgynevezett sarokkörfrekvencia, itt a frekvenciafüggvény értéke tisztán valós (ϕ(ω s )=). A tag Nyquist-diagramja egy teljes kör a felső és alsó két síknegyedben -ból -ba (ahány tárolós a tag, annyi síknegyeden halad át a Nyquist-diagramja) (lásd C.17 ábra). A teljes kör alak igazolása a C.3 alfejezetben megtalálható. A pólusok alapján a 2D aszimptotikus Bode-diagramokról a következőket mondhatjuk: Komplex konjugált póluspár vagy egy darab kétszeres multiplicitású pólus esetén az amplitúdó diagram +2 db mereségű egyenes az p 1 = p 2 frekvenciáig (mely db-es tengelyt

C. Alaptagok Nyquist- és Bode-diagramjai 427 2 2D tag(ξ < 1) Bode amplitudó diagramja Amplitudó (db) Fázis( ) 2 +2 db p 2 db 4 1 2 1 1 1 1 1 1 5 5 2D tag(ξ < 1) Bode fázis diagramja.1 p 9 1 p 1 1 2 1 1 Frekvencia ( 1 1 1 ) rad s C.18. ábra. 2D alaptag Bode-diagramja az 1 A d frekvencián metszi), majd onnan 2 db mereségű egyenes. A db-es tengellyel való metsződés az 1 és 1 A d frekvenciák viszonyától függ. Ha 1 > 1 A d akkor létrejön a metsződés, ha 1 < 1 A d akkor nem jön létre metsződés. A fázisfüggvény 9 és 9 között forgat: 9 a.1 p frekvenciánál kisebb frekvenciákra, 9 mereségű egyenes.1 p és 1 p frekvenciák között és 9 1 p -nél nagyobb frekvenciák esetén (lásd C.18, C.19, C.2 ábrák). Látható, hogy

428 C. Alaptagok Nyquist- és Bode-diagramjai 2 2D tag(ξ = 1) Bode amplitudó diagramja Amplitudó (db) 2 +2 db p 2 db 4 1 2 1 1 1 1 1 1 2 1 2D tag(ξ = 1) Bode fázis diagramja Fázis( ) 5.1 p 9 5 1 p 1 1 2 1 1 1 Frekvencia ( 1 1 1 2 ) rad s C.19. ábra. 2D alaptag Bode-diagramja ω s = 1 frekvencián a Bode fázis diagram a Nyquist-diagrammal megegyezően éppen értéket vesz fel, melyet az aszimptotikus ábrázolás is pontosan ad vissza. A valós Bode amplitúdó diagramon a p frekvencián kiemelés található gyengén csillapított esetben. Határeset a ξ = csillapítatlan rendszer ahol az ω s = p sajátlengési (vagy sarok) frekvencián végtelen nagy amplitúdó és ezért végtelen nagy kiemelés alakul ki. Két valós pólus esetén az amplitúdó diagram +2 db mereségű egyenes az p 1 frekvenciáig (mely db-es tengelyt az 1 A d frekvencián metszi), majd onnan vízszintes egyenes a p 2 frek

C. Alaptagok Nyquist- és Bode-diagramjai 429 Amplitudó (db) Fázis( ) 1 2 3 +2 db.1 p 1 2D tag(ξ > 1) Bode amplitudó diagramja 45 p 1 2D tag(ξ > 1) tag Bode fázis diagramja.1 p 2 p 2 9 1 p 1 45 2 db 4 1 2 1 1 1 1 1 1 2 1 5 5 1 p 2 1 1 2 1 1 1 Frekvencia ( 1 1 1 2 ) rad s C.2. ábra. 2D alaptag Bode-diagramja venciáig. p 2 frekvenciától pedig 2 db mereségű egye- nes. A db-es tengellyel való metsződés az p 1 és 1 A d frekvenciák viszonyától függ. Ha p 1 > 1 A d akkor létrejön a metsződés, ha p 1 < 1 A d akkor nem jön létre metsződés. A fázisfüggvény 9 és 9 között forgat: 9 a.1 p 1 frekvenciánál kisebb frekvenciákra, 45 mereségű egyenes.1 p 1 és.1 p 2 frekvenciák között, 9 mereségű egye-

43 C. Alaptagok Nyquist- és Bode-diagramjai nes.1 p 2 és 1 p 1 frekvenciák között, 45 mereségű egyenes 1 p 1 és 1 p 2 frekvenciák között, és 9 1 p 2 -nél nagyobb frekvenciák esetén (lásd C.18, C.19, C.2 ábrák). Látható, hogy ω s = 1 frekvencián a Bode fázis diagram a Nyquistdiagrammal megegyezően éppen értéket vesz fel, melyet az aszimptotikus ábrázolás is pontosan ad vissza. 2I 2 tárolós integráló tag 1 2I tag Nyquist-diagramja ω 1 ξ <.77 Im 2 ξ.77 2ξ A I 3 4 5 ω = 16 14 12 1 8 6 4 2 Re C.21. ábra. 2I alaptag Nyquist-diagramja

C. Alaptagok Nyquist- és Bode-diagramjai 431 Amplitudó (db) 1 5 5 2I tag(ξ = 1) Bode amplitudó diagramja 2 db p 6 db 1 1 2 1 1 1 1 1 2I tag(ξ = 1) Bode fázis diagramja Fázis( ) 1 2.1 p 9 1 p 3 1 2 1 1 Frekvencia ( 1 1 1 ) rad s C.22. ábra. 2I alaptag Bode-diagramja Átviteli függvénye: G(s)= A I s( 2 s 2 + 2 ξ s+1)

432 C. Alaptagok Nyquist- és Bode-diagramjai Amplitudó (db) 1 5 5 2I tag(ξ = 1) Bode amplitudó diagramja 2 db p 6 db 1 1 2 1 1 1 1 1 2I tag(ξ = 1) Bode fázis diagramja Fázis( ) 1 2.1 p 9 1 p 3 1 2 1 1 Frekvencia ( 1 1 1 ) rad s C.23. ábra. 2I alaptag Bode-diagramja Frekvenciafüggvénye: G(iω) = = G(iω) ξ=.8 = G(iω) ξ=.6 = A I 2 (iω) 3 + 2 ξ(iω) 2 + iω = A I( 2 ξ ω 2 iω+ 2 iω 3 ) 4 2 ξ 2 ω 4 + ω 2 2 2 ω 4 + 4 ω 6 2 ξ A I A I ω i+ 2 A i ωi 4 2 ξ 2 ω 2 + 1 2 2 ω 2 + 4 ω 4, 5 4(iω) 3 + 3.2(iω) 2 + iω, 5 4(iω) 3 + 2.4(iω) 2 + iω.

C. Alaptagok Nyquist- és Bode-diagramjai 433 Amplitudó (db) Fázis( ) 1 1 2 db.1 p 1 2I tag(ξ > 1) Bode amplitudó diagramja 45 2I tag(ξ > 1) Bode fázis diagramja.1 p 2 4 db p 1 9 p 2 6 db 2 1 2 1 1 1 1 1 1 2 1 2 3 45 1 p 2 1 p 1 1 2 1 1 1 Frekvencia ( 1 1 1 2 ) rad s C.24. ábra. 2I alaptag Bode-diagramja A frekvenciafüggvény jellegzetes pontjai: ω = G(i)= 2A I ξ i, ω G(i )=, ω s = 1 ( G i 1 ) = 2A Iξ + i(a I A I ) 4ξ 2 = A I + i 2ξ A fenti kifejezésben ω s az úgynevezett sarokkörfrekvencia, itt a frekvenciafüggvény értéke tisztán valós (ϕ(ω s )= 18 ). A tag Nyquist-diagramja az 1I tag diagramjának torzítása (két síknegyeden halad át) 2A I ξ értékkel jellemzett aszimptotával (lásd C.21 ábra). Bizonyítható (lásd C.3 alfejezet), hogy a 2A I ξ pontba húzott függőleges egyenest ξ < 1/ 2 csillapítás esetén fogja a diagram kétszer metszeni (ekkor lóg át rajta balra) egyébként minden pontja az egyenesen, vagy annak jobb oldalán helyezkedik el.

434 C. Alaptagok Nyquist- és Bode-diagramjai A pólusok alapján az 1I aszimptotikus Bode diagramokról a következőket mondhatjuk: Komplex konjugált póluspár vagy egy darab kétszeres multiplicitású pólus esetén az amplitúdó diagram 2 db mereségű egyenes az p 1 = p 2 = p frekvenciáig, majd onnan 6 db mereségű egyenes. A db-es tengellyel való metsződés a p és A I frekvenciák viszonyától függ. Ha p >A I, akkor 2 db, egyéb esetben 6 db mereséggel metszi a görbe a db-es tengelyt. A fázisfüggvény 9 és 27 között forgat: 9 a.1 p frekvenciánál kisebb frekvenciákra, 9 mereségű egyenes.1 p és 1 p frekvenciák között és 27 1 p -nél na- gyobb frekvenciák esetén (lásd C.22, C.23, C.24 ábrák). Látható, hogy ω s = 1 frekvencián a Bode fázisdiagram a Nyquist diagrammal megegyezően éppen 18 értéket vesz fel, melyet az aszimptotikus ábrázolás is pontosan ad vissza. A valós Bode amplitúdó diagramon a p frekvencián kiemelés található gyengén csillapított esetben. Két valós pólus esetén az amplitúdó diagram 2 db mereségű egyenes az p 1 frekvenciáig, majd onnan 4 db mereségű egyenes a p 2 frekvenciáig. p 2 frekvenciától pedig 6 db mereségű egyenes. A db-es tengellyel való metsződés a p 1 és A I frekvenciák viszonyától függ. Ha p 1 > A I, akkor 2 db db db, egyéb esetben 4 vagy 6 mereséggel metszi a görbe a db-es tengelyt. A fázisfüggvény 9 és 27 között forgat: 9 a.1 p 1 frekvenciánál kisebb frekvenciákra, 45 mereségű egye-

C. Alaptagok Nyquist- és Bode-diagramjai 435 nes.1 p 1 és.1 p 2 frekvenciák között, 9 mereségű egyenes.1 p 2 és 1 p 1 frekvenciák között, 45 mereségű egyenes 1 p 1 és 1 p 2 frekvenciák között, és 27 1 p 2 -nél nagyobb frekvenciák esetén (lásd C.22, C.23, C.24 ábrák). Látható, hogy ω s = 1 frekvencián a Bode fázis diagram a Nyquist-diagrammal megegyezően éppen 18 értéket vesz fel, melyet az aszimptotikus ábrázolás is pontosan ad vissza. PD arányos deriváló tag 5 PD tag Nyquist diagramja ω 4 3 Im 2 1 ω =.5 1 1.5 2 Re C.25. ábra. PD alaptag Nyqusit-diagramja Átviteli függvénye: G(s)= s+1.

436 C. Alaptagok Nyquist- és Bode-diagramjai 6 PD tag Bode amplitudó diagramja Amplitudó (db) 4 +2 db 2 1 1 1 1 1 1 1 2 1 3 1 PD tag Bode fázis diagramja Fázis( ) 5.1 1 +45 1 1 1 1 1 1 1 Frekvencia ( 1 2 1 3 ) rad s C.26. ábra. PD alaptag Bode-diagramja Frekvenciafüggvénye: G(iω)= iω+ 1. A frekvenciafüggvény jellegzetes pontjai: ω = G(i)=1, ω G(i )=1+i, ω s = 1 ( G i 1 ) = i+1. A fenti kifejezésben ω s az úgynevezett sarokkörfrekvencia, itt ϕ(ω s ) = 45. A tag Nyquist-diagramja egy egyenes az 1 pontból az 1+i -be (lásd C.25 ábra).

C. Alaptagok Nyquist- és Bode-diagramjai 437 A PD tag Bode amplitúdó diagramja ω s = 1 frekvenciáig egy db magasságban haladó vízszintes egyenes, majd a sarokkörfrekvenciától +2 db mereségű egyenes. Fázisdiagramja a sarokkörfrekvencia tizedénél kisebb frekvenciákra, +45 mereségű egyenes.1ω s és 1ω s frekvenciák között és+9 a sarokkörfrekvencia tízszeresénél nagyobb frekvenciák esetén (lásd C.26 ábra). Az alak igazolása a C.3 alfejezetben található. C.3. Bizonyítások Igazolás: Összetett tag Bode-diagramja szorzat alakból a szorzatban szereplő alaptagok Bode-diagramjainak összegeként kapható meg Vegyük egy összetett tag alaptagok szorzataként felírt frekvenciafüggvényét: G(iω )=G 1 G 2...G n, G j C j = 1...n, (C.7) (C.8) G j = r j e iϕ j, (C.9) G(iω )=r 1 e iϕ 1 r 2 e iϕ 2...r n e iϕ n = r 1 r 2...r n e iϕ 1 e iϕ 2...e iϕ n = re iϕ. (C.1) Az eredő amplitúdó így r= r 1 r 2...r n az eredő fázis pedig ϕ = ϕ 1 + ϕ 2 +...+ϕ n. A fázisszögről így azonnal látható, hogy az alaptagok fázisszögeit összegezve megkapjuk az eredő szöget. Vizsgáljuk most a Bode amplitúdó diagram értékét felhasználva az amplitúdó definícióját: a(ω )=2 lg G(iω ) =2 lg r 1 r 2...r n e iϕ = (C.11) = 2 lg(r 1 r 2...r n )=2 lgr 1 + 2 lgr 2 +...+2 lgr n = (C.12) = a 1 (ω )+a 2 (ω )+...+ a n (ω ). (C.13) ehát az alaptagok amplitúdóinak összegét kaptuk. Igazolás: D alaptag Bode diagramja Az ideális differenciáló tag erősítését a következő módon írhatjuk: a(ω)= 2 lg A d iω =2 lg(a d ω)=2 lg A d + 2 lgω.

438 C. Alaptagok Nyquist- és Bode-diagramjai Amennyiben a körfrekvencia egy ádnyit változik akkor az erősítés változása: a(1 ω) a(ω)=2 lga d + 2 lg1+2 lgω 2 lga d 2 lgω = = 2 lg1=2. vagyis az amplitúdó görbe meresége +2 db. A vágási körfrekvencia: =2 lga d + 2 lgω c, lgω c = lga d = lga 1 d, ω c = 1 A d. A fázisfüggvény: ϕ(ω)=arctg ImG(iω) ReG(iω) = arctg ImA diω ReA d iω = arctg A dω = arctg =+9. minden ω-ra. Igazolás: I alaptag Bode diagramja Az ideális integráló tag erősítését (hasonlóan a differenciálóhoz) a következő módon írhatjuk: A I a(ω)= 2 lg ω = 2 lg A I ω = 2 lga I 2 lgω. Amennyiben a körfrekvencia egy ádnyit változik akkor az erősítés változása: a(1 ω) a(ω)=2 lga I 2 lg1 2 lgω 2 lga I + 2 lgω = 2 lg1= 2. vagyis az amplitúdó görbe meresége 2 db. A vágási körfrekvencia: =2 lga I 2 lgω c, lgω c = lga I, ω c = A I

C. Alaptagok Nyquist- és Bode-diagramjai 439 A fázisfüggvény: A I i ϕ(ω)=arctg ImG(iω) Im ReG(iω) = arctg ω Re A Ii ω A I = arctg ω = arctg = 9 minden frekvencián. Igazolás: 1P alaptag Nyquist diagramja félkör alakú hálesz tétele értelmében egy kör átmérője fölé rajzolt háromszögek, melyek harmadik csúcsa a körön helyezkedik el mindig derékszögűek. Mi ezt a tételt fordítva fogjuk alkalmazni és belátjuk, hogy adott Nyquist diagram esetén a futó pont (ω) és a kezdő- (ω = ) és végpont (ω ) által alkotott háromszögek derékszögűek, így a futó pont félkört (teljes kört) fut be. Jelölje a futó pont valós és képzetes részből képzett vektorát a komplex számsíkon G. A pedig az ω = ponthoz tartozó vektort. Azt szükséges belátni, hogy a G vektor a GA különbségi vektorra mindig merőleges. Ez akkor áll fenn, ha skalár szorzatuk nulla. [ ] A Aω G=, N N N = 1+ 2 ω 2, A= [ A ], [ GA=A G= A A N ] Aω, N GA G= A2 N A2 A2 2 ω 2 N 2 N 2 = A2 N N 2 A2 + A 2 2 ω 2 N 2 = = A2 + A 2 2 ω 2 N 2 A2 + A 2 2 ω 2 N 2 = ω, q.e.d.

44 C. Alaptagok Nyquist- és Bode-diagramjai Igazolás: 1P alaptag Bode amplitúdó diagramja Az 1P tag amplitúdó függvénye: A a(ω)= 2 lg iω+ 1 = 2 lga 2 lg 1+( ω) 2, ami alacsony frekvenciák esetén, azaz amikor a gyök alatti kifejezésben a frekvencia függés elhanyagolható: ω 1, 1+( ω)2 1: a(ω) ω 1 = 2 lg A, az aszimptota egyenlete. Magas frekvenciák esetén, mikor is a gyök alatti kifejezésben az 1 elhanyagolható, ω 1, 1+( ω)2 ( ω) 2 : a(ω) ω 1 = 2 lg A 2 lg( ω), az aszimptota egyenlete, ami egy 2 db mereségű egyenes. A két aszimptota metszéspontját meghatározó egyenlet: 2 lg A=2 lga 2 lg( ω), amiből ω s = 1 adódik. Igazolás: 1D alaptag Nyquist diagramja félkör alakú Az igazolás elve azonos az 1P tagra vonatkozóéval. Jelölje a futó pont valós és képzetes részből képzett vektorát a komplex számsíkon G. A pedig az ω ponthoz tartozó vektort. Azt szükséges belátni, hogy a G vektor a GA különbségi vektorra mindig merőleges:

C. Alaptagok Nyquist- és Bode-diagramjai 441 [ Ad ω G= 2 N, A ] dω, N N = 1+ 2 ω 2, ] Ad A=[,, Ad GA=A G=[ A ] d ω 2 N, A dω, N N A2 d 2 ω 4 N 2 A2 d ω2 N 2 = A2 d ω2 N N 2 A2 d ω2 + A 2 d 2 ω 4 N 2 = = A2 d ω2 + A 2 d 2 ω 4 N 2 A2 d ω2 + A 2 d 2 ω 4 N 2 = ω, q.e.d. GA G= A2 d ω2 Igazolás: 2P alaptag Nyquist diagramjának viszonya az A ponttal jellemzett függőleges egyeneshez ξ függvényében A 2P tag Nyquist diagramja akkor lóg át az [A ] pontba állított függőleges egyenesen, ha ReG(iω) = A lehetséges ω esetén is. Az erre vonatkozó számítás: A= A A 2 ω 2 4 ω 4 +(4 2 ξ 2 2 2 )ω 2 + 1, A 4 ω 4 + ( 4A 2 ξ 2 2A 2) ω 2 + A=A A 2 ω 2 A 4 a 2 + ( 4A 2 ξ 2 A 2) a=, A 4 a=a 2 4A 2 ξ 2, a= 1 2 4 2ξ 2. (C.14) a ω 2 >, (C.15) (C.16) (C.17) (C.18) Könnyen belátható, hogy (C.14)-nek akkor létezik a > megoldása, ha ξ <,5. Ezzel igazoltuk, hogy ekkor fog a Nyquist-diagram átlógni az A pontba húzott függőlegesen.

442 C. Alaptagok Nyquist- és Bode-diagramjai Igazolás: 2I alaptag Nyquist diagramjának viszonya a 2A I ξ ponttal jellemzett függőleges egyeneshez ξ függvényében A 2I tag Nyquist diagramja akkor lóg át a [ 2A I ξ ] pontba állított függőleges egyenesen, ha ReG(iω) = 2A I ξ lehetséges ω esetén is. Az erre vonatkozó számítás (hasonlóan a 2P taghoz): 2A I ξ = 2A I ξ 4 ω 4 +(4 2 ξ 2 2 2 )ω 2 + 1, (C.19) 4 ω 4 + ( 4 2 ξ 2 2 2) ω 2 = a ω 2 >, (C.2) 4 a 2 = 2 2 a 4 2 ξ 2 a, a= 2 2 4 2ξ 2. (C.21) (C.22) Könnyen belátható, hogy (C.19)-nak akkor létezik a > megoldása, ha ξ < 1/ 2. Ezzel igazoltuk, hogy ekkor fog a Nyquist-diagram átlógni a 2A I ξ pontba húzott függőlegesen. Igazolás: 2D alaptag Nyquist diagramja kör alakú Az igazolás elve azonos az 1P tagra vonatkozóéval. Jelölje a futó pont valós és képzetes részből képzett vektorát a komplex számsíkon G. A pedig az ω s = 1/ sarokkörfrekvenciához tartozó vektort. Azt szükséges belátni, hogy a G vektor a GA különbségi vektorra mindig merőleges:

C. Alaptagok Nyquist- és Bode-diagramjai 443 2 ξ ω G=[ 2 ( A d 1 2 ω 2) ] A d ω,, N N N = 4 ω 4 + ( 4 2 ξ 2 2 2) ω 2 + 1, [ ] Ad A= 2ξ,, GA=A G= GA G= 2ξ A2 d ω2 2ξ N [ Ad 2ξ 2 ξ ω2 A d, N 4 2 ξ 2 ω 4 A 2 d N 2 = A2 d ω2( 4 ω 4 + 4 2 ξ 2 ω 2 2 2 ω 2 + 1 ) ( 1 2 ω 2) ] A d ω, N ( 1 2 ω 2) 2 A 2 d ω 2 N 2 = N 2 A2 d ω2( 4 ω 4 + 4 2 ξ 2 ω 2 2 2 ω 2 + 1 ) q.e.d. N 2 =, Igazolás: PD alaptag Bode amplitúdó diagramja A PD tag amplitúdó függvénye: a(ω)= 2 lg iω+ 1 =2 lg 1+(ω) 2, ami alacsony frekvenciák esetén, azaz amikor a gyök alatti kifejezésben a frekvencia függés elhanyagolható, ω 1, 1+(ω)2 1 : a(ω) ω 1 = 2 lg1=db, az aszimptota egyenlete. Magas frekvenciák esetén, mikor is a gyök alatti kifejezésben az 1 elhanyagolható, ω 1, 1+( ω)2 ( ω) 2 : a(ω) ω 1 = 2 lg( ω), az aszimptota egyenlete, ami egy+2 db mereségű egyenes. A két aszimptota metszéspontját meghatározó egyenlet: 2 lg 1=2 lg( ω),

444 C. Alaptagok Nyquist- és Bode-diagramjai amiből ω = 1 adódik.