Frequency Response Techniques

71
ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 1 240-371 : Frequency Response Techniques Chapter 10 Frequency Response Techniques 1

Transcript of Frequency Response Techniques

Page 1: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 1 240-371 : Frequency Response Techniques

Chapter 10

Frequency Response Techniques

1

Page 2: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 2 240-371 : Frequency Response Techniques

Introduction

1 Bode diagram2 Nyquist diagram3 Relation between Closed- and Open-Loop Frequency Responses4 Stability in frequency5 Example

Page 3: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 3 240-371 : Frequency Response Techniques

Sinusoidal frequencyresponse:a. system;b. transfer function;c. input and outputwaveforms

Concept of Frequency Response

Page 4: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 4 240-371 : Frequency Response Techniques

System with sinusoidal input

r t =Asin t

R s =A

s22

Page 5: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 5 240-371 : Frequency Response Techniques

C s =G s A

s22 G s =

∏i=1

M

sz i

∏j =1

N

s p j

G j =

∏i=1

M

z i j

∏j =1

N

p j j

=∣G j ∣e j

=arctanℑ [G j ]

ℜ [G j ]

Page 6: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 6 240-371 : Frequency Response Techniques

A

s22

G s =a 1

s j

a 2

s − j ...

=−A

2jG − j

a 2=[ A

s j ]s= j

a1=[ A

s− j ]s=− j

=A

2jG j

Page 7: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 7 240-371 : Frequency Response Techniques

C s =−A

2j

1s j

G − j A

2j

1s− j

G j

G j =∣G j ∣ e j

G − j =∣G − j ∣e − j =∣G j ∣e − j

c t =A

2j∣G j ∣ − e − j t e − j

e j t e j

=A ∣G j ∣ e j t −e − j t

2j

Page 8: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 8 240-371 : Frequency Response Techniques

c t =A∣G j ∣sint

จากสมการจะเห็นไดวาเอาตพุตของระบบเชิงเสน(Linear system) จะมีขนาด(Gain) และ มุมเฟสที่เปลี่ยนไปจากอินพุต

Page 9: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 9 240-371 : Frequency Response Techniques

Bode Diagram

G s =K

sk

∏i=1

M

sz i

∏j =1

N

sp j

Bode Diagram 1. Gain diagram – Plot between gain (dB) and frequency on semi-log diagram. 2. Phase diagram – Plot between phase (degree or radian) and frequency on semi-log diagram.

Page 10: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 10 240-371 : Frequency Response Techniques

Gain diagram

dB =20 log ∣G j ∣

∣G j ∣=K ∣ j z 1∣ ... ∣ j z M ∣

∣ j k ∣ ∣ j p 1∣ ... ∣ j p N ∣

dB = 20log K 20log z 12 2 ... 20log z M

2 2

− 20log k − 20log p 12 2− ...− 20log p N

2 2

Page 11: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 11 240-371 : Frequency Response Techniques

∡G j =∡ j z 1 ...∡ j z M

−∡ j p 1− ...−∡ j p N

1=∡ s z 1=arctan j

z 1

M=∡ s z M =arctan j

z M

⋮ ⋮

Phase diagram

Page 12: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 12 240-371 : Frequency Response Techniques

1=∡ s p 1=arctan j

p 1

N=∡ s p 1=arctan j

p N

⋮ ⋮

Page 13: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 13 240-371 : Frequency Response Techniques

∡ G j = 1 . . . M− 1− . . .−

N

การพลอตนั้นจะทําอยูในชวงความถี่() ที่จะทําการศึกษา

d B = 20log K 20log z 12 2 ... 20log z M

2 2

− 2olog k − 20log p 12 2− 20log p N

2 2

Page 14: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 14 240-371 : Frequency Response Techniques

Frequency response plots for G(s) =1/(s +2): separate magnitude and phase

Page 15: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 15 240-371 : Frequency Response Techniques

Bode plots of (s + a) : a. magnitude plot b. phase plot.

Asymptotic Approximation

Page 16: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 16 240-371 : Frequency Response Techniques

Asymptotic and actual normalized and scaled magnitude response of (s + a)

Page 17: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 17 240-371 : Frequency Response Techniques

Asymptotic and actual normalized and scaled phase response of (s +a)

Page 18: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 18 240-371 : Frequency Response Techniques

Normalized and scaled Bode plots fora. G(s) = s; b. G(s) = 1/s;

Page 19: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 19 240-371 : Frequency Response Techniques

Normalized and scaled Bode plots forc. G(s) = (s + a); d. G(s) = 1/(s + a)

Page 20: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 20 240-371 : Frequency Response Techniques

Example (Nise) Draw the Bode plot for the system shown below

G s =K s 3

s s 1 s 2

Page 21: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 21 240-371 : Frequency Response Techniques

Bode log- magnitude plot : a. components; b. composite

Page 22: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 22 240-371 : Frequency Response Techniques

Bode phase plota. components; b. composite

Page 23: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 23 240-371 : Frequency Response Techniques

Bode asymptotesfor normalizedand scaled G(s) =

a. magnitude;b. phase

Page 24: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 24 240-371 : Frequency Response Techniques

Normalized and scaledlog-magnitude response for

Page 25: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 25 240-371 : Frequency Response Techniques

Scaled phase response for

Page 26: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 26 240-371 : Frequency Response Techniques

Normalized and scaled log magnitude response for

Page 27: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 27 240-371 : Frequency Response Techniques

Scaled phase response for

Page 28: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 28 240-371 : Frequency Response Techniques

Bode magnitudeplot for G(s) =(s + 3)/[(s + 2)(s2 + 2s + 25)]:a. components;b. composite

Page 29: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 29 240-371 : Frequency Response Techniques

Polar plot

Page 30: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 30 240-371 : Frequency Response Techniques

Page 31: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 31 240-371 : Frequency Response Techniques

Page 32: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 32 240-371 : Frequency Response Techniques

Page 33: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 33 240-371 : Frequency Response Techniques

Page 34: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 34 240-371 : Frequency Response Techniques

Page 35: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 35 240-371 : Frequency Response Techniques

Page 36: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 36 240-371 : Frequency Response Techniques

Page 37: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 37 240-371 : Frequency Response Techniques

Page 38: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 38 240-371 : Frequency Response Techniques

G j =K z 1 j ...

j k p 1 j ...

Page 39: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 39 240-371 : Frequency Response Techniques

Page 40: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 40 240-371 : Frequency Response Techniques

Introduction to the Nyquist Criterion

The NyC relates the stability of a closed-loop system toopened-loop frequency response and open loop pole locationThus knowledge of the opened-loop system's frequency res-ponse yields information about the stability of the closed-loop system.

Page 41: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 41 240-371 : Frequency Response Techniques

Closed- loop control system

Page 42: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 42 240-371 : Frequency Response Techniques

Mapping contour A through function F(s) to contour B

Page 43: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 43 240-371 : Frequency Response Techniques

Examples of contour mappingZero outside the contour

Page 44: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 44 240-371 : Frequency Response Techniques

Pole outside the contour

Page 45: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 45 240-371 : Frequency Response Techniques

Zero inside the contour

Page 46: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 46 240-371 : Frequency Response Techniques

Pole inside the contour

Page 47: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 47 240-371 : Frequency Response Techniques

Pole and zero inside the contour

Page 48: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 48 240-371 : Frequency Response Techniques

Vector representation of mapping

Page 49: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 49 240-371 : Frequency Response Techniques

Contour enclosingright half-plane todetermine stability

Page 50: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 50 240-371 : Frequency Response Techniques

Nyquist Stability Criterion

If a contour A that encircles the entire right half-plane ismapped through G(s)H(s), then the number of closed-loop poles, Z, in the right half-plane equals the number of open-loop poles, P, that are in the right half plane minus the number of counterclockwise revolutions, N, around -1 of the mapping;that is, Z=P-N. The mapping is called the Nyquist diagram, orNyquist plot of G(s)H(s).

Page 51: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 51 240-371 : Frequency Response Techniques

Mapping examples:a. contour does notenclose closed- looppoles;b. contour doesenclose closed- looppoles

Page 52: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 52 240-371 : Frequency Response Techniques

Detouring around open-loop poles:a. poles on contour;b. detour right;c. detour left

Page 53: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 53 240-371 : Frequency Response Techniques

a. Contour;b. Nyquist diagram

Page 54: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 54 240-371 : Frequency Response Techniques

Stability via the Nyquist Diagram

If the Nyquist path in s-plane encircles Z zeros and P polesof 1+G(s)H(s) and does not pass through any poles or zerosof 1+G(s)H(s) as a representative point s moves in the clock-wise direction along the Nyquist path, then the correspondingcontour in the G(s)H(s)-plane encircles the -1+j0 point N=Z-Ptime in clockwise direction (Negative values of N imply counter-clockwise encirclements)

Page 55: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 55 240-371 : Frequency Response Techniques

1. There is no encirclement of the -1+j0 point. This impiles that the system is stable if there are no poles of G(s)H(s) in the right-half s-plane, otherwise the system is unstable.

2. There is a counterclockwise encirclement or encirclements of the -1+j0 point. In this case, the system is stable if the number of counterclockwise encirclements is the same as the nmber of polse of G(s)H(s) in the right-half s-plane, otherwise the system is unstable.

3. There is a clockwise encirclement or encirclements of the -1+j0 point. In this case, the system is unstable.

Page 56: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 56 240-371 : Frequency Response Techniques

DemonstratingNyquist stability:a. system;b. contour;c. Nyquist diagram

Page 57: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 57 240-371 : Frequency Response Techniques

a. Contour ;b. Nyquist diagram

Page 58: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 58 240-371 : Frequency Response Techniques

a. Contour and root locus of system thatis stable for small gain and unstablefor large gain;b. Nyquist diagram

Page 59: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 59 240-371 : Frequency Response Techniques

a. Contour and root locus of system that is unstable for small gain and stable for large gain;b. Nyquist diagram

Page 60: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 60 240-371 : Frequency Response Techniques

a. Portion of contour to be mapped for Example 10.7b. Nyquist diagram of mapping of positive imaginary axis

Page 61: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 61 240-371 : Frequency Response Techniques

Nyquist diagramshowing gain andphase margins

Gain Margin and Phase Margin

Page 62: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 62 240-371 : Frequency Response Techniques

Gain and phase margins on the Bode diagrams

Page 63: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 63 240-371 : Frequency Response Techniques

Relation between Closed-Loop and Open-Loop Frequency Response

Constant M cycles and Constant N cycles

T s =G s

1G s

R(s) C(s)G(s)+

-

T j =G j

1G j

Close-loop transfer function and frequency response

Page 64: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 64 240-371 : Frequency Response Techniques

Let G j =P jQ

T j =P jQ

P 12Q2

M2= ∣T

2 j ∣=

P jQ

P 12Q2

P M

2

M2−1

2

Q2=

M2

M2−12

Page 65: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 65 240-371 : Frequency Response Techniques

Constant M circles

Page 66: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 66 240-371 : Frequency Response Techniques

=arctan Q

P −arctan Q

P 1

tan A±B =tan A±tan B

1±tan A tan B

N = tan =

Q

P −

Q

P 1

1 Q

P

Q

P 1

Page 67: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 67 240-371 : Frequency Response Techniques

N =Q

P2 P Q

2

P2 P Q

2

Q

N= 0

P 12

2

Q −1

2N 2

=N

21

4N2

Page 68: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 68 240-371 : Frequency Response Techniques

Constant N circles

Page 69: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 69 240-371 : Frequency Response Techniques

Nyquist diagram forExample 10.11 andconstant M and Ncircles

Page 70: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 70 240-371 : Frequency Response Techniques

Nichols Chart

Page 71: Frequency Response Techniques

ผูเรียบเรียง ธเนศ เคารพาพงศ, อํานวย สิทธิเจริญชัย แกไข 28 ธันวาคม 2545 หนา 71 240-371 : Frequency Response Techniques

Typical unnormalizedand unscaled Bodelog-magnitude plotsshowing the value ofstatic error constants:a. Type 0;b. Type 1;c. Type 2

Steady-State Error Characteristics from Frequency Response