• Nem Talált Eredményt

Vizsgáló jelek

In document Irányítástechnika (Pldal 44-48)

2. Rendszerelemek matematikai leírása és vizsgálata

2.2. Vizsgáló jelek

A rendszerek tulajdonságainak, jellemző paramétereinek megfigyelésen alapuló vizsgálatát alapvetően két fő csoportba sorolhatjuk. Az első csoportban az ún. aktív kísérletek tartoznak, ahol különböző, előre meghatározott jellegű és nagyságú tesztjeleket alkal-mazunk és ezeknek a kimeneten megjelenő hatásaiból következtetünk a vizsgált jellem-zőre. A kísérletek ilyen módon történő elvégzése nyilvánvalóan megkönnyíti a vizsgálatot végző feladatát, hiszen az adott időpontban és bemeneten alkalmazott bemenő jel kimenetre gyakorolt hatásának vizsgálata a lineáris, időinvariáns modellek esetében általá-ban egyszerű. Ilyen vizsgálatokat általááltalá-ban tesztrendszereken vagy egyszerűbb techno-lógiai rendszereken lehet és szabad elvégezni. A valós fizikai rendszerek többségénél ezek a vizsgálatok komoly technológiai problémákat és veszélyhelyzeteket okozhatnak, ezért az ilyen rendszereken ún. passzív kísérleteket végeznek. A passzív kísérletek azt jelentik, hogy a rendszer normális üzemmenetű működése során felmerülő zajok, zavarások kimenetre gyakorolt hatását használjuk fel a rendszer megismerésére. Természetesen ez mind méréstechnikai, mind modellezési szempontból összetettebb feladatot jelent, hiszen a

2. Rendszerelemek matematikai leírása és vizsgálata 45

zajok, zavarások mind a jel formája és nagysága, mind az időbeli lefolyása szempontjából véletlenszerű. A továbbiakban az aktív kísérleteknél használt jeleket, és azok legfontosabb tulajdonságait ismertetjük.

2.2.1. Egységimpulzus függvény

Az egységimpulzus függvény, vagy Dirac-delta függvény definíciója a következő:

( ) = ∞, = 0 0, ≠ 0

A Dirac delta függvényt elsősorban a rendszert ért impulzus jellegű zavarások model-lezésére alkalmazzuk. Bár, mint a definícióból látszik, a jel fizikailag nem valósítható meg, azonban könnyen adhatunk meg olyan jelenségeket, amelyek jó közelítéssel így játszódnak le. Ilyen például két biliárdgolyó ütközése, teniszütő és labda találkozása, vagy egy kon-denzátor adott állandó áramerőséggel való feltöltése. Ezeknél a folyamatoknál az energia-átadás igen rövid idő alatt játszódik le, ezért alkalmasak az impulzusfüggvény megjele-nítésére.

Az egységimpulzus függvénynek számos fontos tulajdonsága van.

- Integráljának értéke:

( ) = 1 . - Laplace transzformáltja:

ℒ{ ( )} = ( ) = 1 .

- Bármely t = 0-ban folytonos f(t) függvény esetén:

( ) ( ) ≜ (0) ,

vagyis az egységimpulzus függvény segítségével meghatározhatjuk egy folytonos jelnek adott időponthoz tartozó értékét.

- Az egységimpulzus függvény deriváltját a következő módon értelmezhetjük:

( )( ) = ( ) = lim

( ) − ( − ) .

A Dirac függvény deriváltját tehát úgy képzelhetjük el, mint két egymástól e távolságban lévő, 1/e amplitúdójú, ellentétes irányú impulzus. Elfogadva ennek az általánosított deriváltnak a létezését, és feltételezve, hogy az f(t) függvénynek

létezik az első, …, n-dik deriváltja a t = 0 időpontban, ekkor az egységimpulzus függvény segítségével ezek a derivált-függvényértékek is meghatározhatók:

( ) ( )( ) ≜ − ( )(0) , ( ) ( )( ) ≜ (−1) ( )(0)

- Az egységimpulzus függvényre adott válasz a súlyfüggvény, h(t). A dinamikus tagok kísérleti vagy szimulációs vizsgálata során a súlyfüggvény viselkedése fontos információt ad a rendszer tulajdonságairól.

2.2.2. A négyszög-impulzus függvény

A négyszög-impulzus függvény elsősorban elektronikai rendszerekben alkalmazott vizs-gáló jel, de más technológiai rendszerek esetében is könnyen megvalósítható és használ-ható. Definíciója:

( ) =

0, < 0 1, 0 ≤ ≤

0, >

.

A négyszög-impulzus ilyen módon történő megadása egységnyi függvény alatti területet jelent, és ha az impulzus időtartamának e értékét minden határon túl csökkentjük, akkor az egységimpulzus függvényt kapjuk meg.

Laplace transzformáltja:

ℒ{ ( )} =1

∙1 − . 2.2.3. Egységugrás függvény

Az egységugrás függvény szintén a leggyakrabban alkalmazott vizsgáló jelek közé tartozik. Definíciója:

1( ) = 1, ≥ 0 0, < 0 .

Az egységugrás függvényt elsősorban a szabályozási körben megvalósított ugrásszerű alapjel-váltások, illetve hasonlóan ugrásszerű módon fellépő zavarások modellezésére használhatjuk. Szigorúan matematikai szempontból vizsgálva a jelet szakadásos függvény-ről van szó, melynek a t = 0 időpontban nem egyezik meg a jobb és bal oldali határértéke.

A fizikai értelmezés során olyan folytonos jelnek tekintjük az egységugrás jelet, melynél a két jelérték közötti felfutás a rendszer működése szempontjából elhanyagolhatóan rövid idő alatt játszódik le.

Az egységugrás függvény tulajdonságai a következők:

2. Rendszerelemek matematikai leírása és vizsgálata 47

- Az egységugrás függvény deriváltja a Dirac delta, illetve a négyszög impulzus függvények segítségével értelmezhető. A négyszög impulzus függvényt felbont-hatjuk, mint egy t = 0 időpontban felfutó, 1/e amplitúdójú, majd t = e időpont-ban lefutó, -1/e amplitúdójú egységugrás függvények együttese, így:

( ) = lim

( ) = lim

1( ) − 1( − )

= 1( ) . - Laplace transzformáltja:

ℒ{1( )} =1 .

- Az egységugrás függvényre adott válasz az átmeneti függvény. Szerepe a súly-függvényhez hasonlóan fontos a jelformáló tagok dinamikus vizsgálata során.

2.2.4. Egységsebesség-ugrás függvény

Az egységsebesség-ugrás függvényt a következő módon definiálhatjuk:

( ) = , ≥ 0 0, < 0 .

A gyakorlatban általában programozott, azaz előírt ideig tartó alapjel-váltások, illetve növekvő jellegű zavarások modellezésére használjuk. Mint az a definícióból is látható, az egység jelzőt a felfutás meredeksége miatt kapta. Miután az alapjel-váltás egy előírt értékig történik, ezért az előbbi definíciót – megtartva egységnyi meredekséget – a következő-képpen módosíthatjuk:

( ) = 0, < 0 , 0 ≤ ≤

, > , ahol T a felfutás előírt időtartama. Laplace transzformáltja:

ℒ{ ( )} = 1 . 2.2.5. Egységgyorsulás-ugrás függvény

Ez a vizsgáló jel a hagyományos technológia rendszerekben ritkán használatos, de például mechanikai mozgást leíró rendszerekben (pl. robotkarok mozgása) nagy jelentőségű.

Definíciója:

( ) = /2, ≥ 0 0, < 0 . Laplace transzformáltja:

ℒ{ ( )} = 1 .

Belátható, hogy az egységimpulzus, az egységugrás, az egységsebesség-ugrás és az egységgyorsulás függvények között időtartományban az alábbi kapcsolat van:

( ) = 1( ) , 1( ) = ( ) , ( ) = ( ) ,

( ) = 1( ) , 1( ) = ( ) , ( ) = ( ) , ≥ 0 .

Az egységsebesség-ugrás és az egységgyorsulás függvény esetén is értelmezhető a megfelelő válasz függvény, de azokra nem alkalmaznak külön elnevezést.

2.2.6. Szinuszos bemenő jel

A szinusz függvényt, mint vizsgáló jelet a következő módon adhatjuk meg:

= , ≥ 0, = 1

0, < 0 .

Ezt a vizsgáló jelet elsősorban periodikus bemenetű hálózatok esetében használjuk a gyakorlatban, illetve frekvenciatartománybeli rendszervizsgálatok során alkalmazzuk tipikus bemenetként. Laplace transzformáltja:

ℒ{ } = + .

A szinuszos bemenő jellel és az arra adott válasszal a frekvenciatartományban elvégzett rendszervizsgálatok során foglalkozunk részletesen.

2.3. Válaszfüggvény meghatározása időtartományban a

In document Irányítástechnika (Pldal 44-48)