Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Dynamic_System_Modeling_and_Control.pdf
Скачиваний:
19
Добавлен:
23.03.2016
Размер:
5.61 Mб
Скачать

 

 

bode plots - 10.25

 

 

10.6 PRACTICE PROBLEM SOLUTIONS

 

 

1.

 

 

 

 

20dB

 

 

 

 

0dB

 

 

 

 

-20dB

 

0dB

 

-40dB/dec

 

 

 

 

1

100

1000

 

 

-----

--------

-----------

 

5

2π

2π

2π

 

------

 

 

 

2

π

90deg

 

0deg

 

 

 

 

 

 

-45deg

 

-180deg

 

 

bode plots - 10.26

2.

 

y( D)

( D + 10) ( D + 5)

 

=

( D + 10)

 

 

 

 

-----------

= ---------------------------------------

 

--------------------

 

 

 

 

x(

D)

 

(

D + 5)

2

 

 

 

 

( D + 5)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6dB

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0dB

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.8

1.6

 

 

 

 

 

 

90

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.8

1.6

 

 

 

 

 

 

-90

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x( t)

= 20 cos ( 9t + 0.3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Aside: the numbers should be obtained from the graphs, but I have calculated them

 

y

=

( D + 10)

 

=

 

9j + 10

5 – 9j

=

50 + 81 – 45j

= 1.236 – 0.425j

 

 

-

--------------------

 

----------------

 

-------------

 

-------------------------------

 

 

x

 

( D + 5)

 

 

9j + 5

 

5 – 9j

 

25 + 81

 

 

 

y

=

1.236

2

+ 0.425

2

atan

–0.425

= 1.307 –0.3312rad

 

 

-

 

 

----------------

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.236

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x- = 2.33dB –9.49°

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y( t)

= 20( 1.307) sin ( 9t + 0.3 + ( –0.3312) )

 

 

y( t)

= 26.1 sin ( 9t – 0.031)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Aside: This can also be done entirely with phasors in cartesian notation

 

y

=

( D + 10)

=

9j + 10

5 – 9j

=

50 + 81 – 45j

1.236 – 0.425j

 

-

--------------------

----------------

 

-------------

------------------------------- =

 

x

 

( D + 5)

 

 

 

9j + 5

5 – 9j

 

 

25 + 81

 

 

x

=

20( cos ( 0.3rad)

+ j sin ( 0.3rad) )

=

19.1 + 5.91j

 

 

 

 

y

 

 

( 1.236 – 0.425j) ( 19.1 + 5.91j) = 26.1 – 0.813j = 26.1

–0.031

---------------------------- =

19.1 + 5.91j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y( t)

= 26.11 sin ( 9t – 0.031)

 

 

 

 

 

 

 

 

bode plots - 10.27

(cont’d

Aside: This can also be done entirely with phasors in polar notation

 

y

( D + 10)

=

 

9j + 10

=

13.45 0.733

=

13.45

0.733 – 1.064 = 1.31

–0.331

- =

--(--D------+-----5---)--

----------------

10.30-------------------1.064------------

10.30------------

x

 

 

9j + 5

 

 

 

 

x = 20 0.3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

20-----------------0.3 = 1.31 –0.331

 

 

 

 

 

 

y = 1.31( 20) ( – 0.331 + 0.3)

= 26.2 –0.031

 

 

 

y( t)

= 26.2 sin ( 9t – 0.031)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

bode plots - 10.28

3.

for the numerator, (zero)

1000

rad

= 159Hz

--------

 

 

s

 

for the denominator, (poles)

 

D2 + 2ω

nζ D +

ω n2 = D2 + 5D + 100

 

 

 

 

 

 

 

 

ω

n2 = 100

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω

n

=

rad

fn

= 1.59Hz

 

 

 

 

10--------

 

 

 

 

 

 

 

 

s

 

 

 

 

 

 

 

 

2ω

nζ

= 5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ζ

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

=

-------------

= 0.25

(underdamped)

 

 

 

 

2

( 10)

 

 

 

 

fd

 

= fn

1 – ζ

2

= 1.54Hz

 

for the initial gain

G( 0)

=

0 + 1000

 

= 10 = 20dB

 

 

 

-------------------------------------

 

 

 

 

 

 

02 + 5( 0) + 100

 

 

 

 

Gain

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(dB)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

159

f(Hz)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.1

1

1.54

 

10

 

 

 

 

100

 

1000

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-40dB/dec

 

-60

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-20dB/dec

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-80

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

phase

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(deg)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0.154

 

 

 

 

15.4,15.9

 

 

1590 f(Hz)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.1

1

1.54

 

10

 

 

 

 

100

159

1000

-90

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-180

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

bode plots - 10.29

4.

a)

b)

0 deg

-90 deg

Vo( t)

= 0.050 sin ( 105t – 1.561)

 

16Hz

159Hz

1.6KHz

 

 

 

-20dB/dec

5.

a)

 

b)

 

c)

8.89 sin ( 624t + 1.571) + 0.141× 10–3 sin ( 6.2t + 2.356)

bode plots - 10.30

6.

a)x 0.0667 m

---= ----------------------- ---

F D2 + 33.3 N

b) ω

= 1

D =

1j

 

 

x

 

0.0667

 

 

–3

m

---

 

----------------------------

 

 

 

---

F

=

( 1j) 2 + 33.3

= 2.07

× 10

 

0rad N

F( t) = 10 cos ( t + 1) N

 

 

 

 

Fω(

)

= ( 10 1rad) N

 

 

 

 

 

x

 

 

 

–3

 

m

-------------------------------

 

 

 

 

---

( 10 1rad) N = 2.07

× 10 0rad N

 

x( ω

)

= 2.07 × 10

–3

 

 

m

( 10 1rad) N

 

 

 

---

 

0rad N

 

x( ω

)

= ( 10) 2.07 ×

10–3 ( 0rad + 1rad) m

 

x( ω

)

= 0.0207 1radm

 

 

 

 

x( t)

 

= 0.0207 cos ( t + 1) m

 

c)F D2 + 33.3 N

--= ----------------------- ---

x 0.0667 m

bode plots - 10.31

d)

for the denominator, (poles)

D2 + 2ω

nζ D + ω

n2 =

D2 + 33.3

 

 

 

ω

 

rad

fn

=

0.918Hz

 

 

 

n = 5.77--------

 

 

 

 

 

s

 

 

 

 

 

 

ζ

= 0

(undamped)

 

 

 

 

fd

= fn

1 – ζ 2

= 0.918Hz

 

 

 

G( 0) =

0.0667

 

 

 

 

for the initial gain

---------------

= 2 = –54dB

 

 

 

 

 

33.3

 

 

 

Gain

 

 

 

 

 

 

 

(dB)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-54

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

f(Hz)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.1

1

 

 

 

10

 

100

-94

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-40dB/dec

 

 

 

 

 

 

 

 

-134

 

 

 

 

 

 

 

-20dB/dec

 

 

 

 

 

 

 

 

phase

 

 

 

 

 

 

 

 

(deg)

 

 

 

 

 

 

 

f(Hz)

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.1

1

 

 

 

10

 

100

 

 

 

 

 

 

-90

 

 

 

 

 

 

 

 

-180

 

 

 

 

 

 

 

 

e)

x( t)

= ( – 0.020 cos ( 5.77t)

+ 0.020) m

 

 

 

f)

x( t)

= ( – 0.2162 cos ( 5.77t) + 0.2162) m

 

 

 

bode plots - 10.32

7.

a)

·

 

v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

·

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v = – v – 7y + F

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

yi + 1

=

 

yi

+ h

 

 

 

 

0 1

 

 

yi

+

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

vi + 1

 

 

 

 

vi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

–7 –1

 

 

vi

 

F

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

given

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y0

 

 

 

=

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F = 10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v0

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

using h=0.001s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y1

=

1

 

 

+ 0.001

 

0

1

 

 

 

 

1

+

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v1

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

–7 –1

 

 

0

 

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.428m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

etc.. until

 

 

 

 

 

 

y100

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v100

 

 

 

 

 

 

 

---

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.000 s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y( t) = ( – 0.437e–0.5t cos ( 2.598t – 0.19) + 1.429) m

bode plots - 10.33

d)

 

y

=

 

1

=

 

 

1

=

1

 

---

 

 

--------------------------

-----

----------

-------------------

2--)----+-----j--(---ω----)-

 

 

F

 

 

D2 + D + 7 ( jω ) 2

+ jω + 7 ( 7 – ω

 

 

 

y

 

=

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

--

 

-------------------------

---------

----

-

 

 

 

 

 

 

F

 

 

 

2

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( 7 – ω )

+

ω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

θ

 

 

0

 

 

= ( 0 – angle( ω

2

2

 

 

= ----------------------------------------------

, 7 – ω ) )

= –angle( ω , 7 – ω )

 

 

 

 

 

 

angle( ω

, 7 – ω 2)

 

 

 

 

-20dB

-40dB

0.01Hz

1Hz

100Hz

0deg

 

 

0.01Hz

1Hz

100Hz

-180deg

 

 

bode plots - 10.34

8.

a)

x

=

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

---

-------------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F

 

5 + D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b)

x

=

1

1

=

 

 

 

 

1 0

 

 

=

 

 

1

 

 

 

 

ω

 

 

 

---

-------------

= --------------

-----------------------------------------------

--------------------- – atan

 

---

 

 

 

F 5 + D 5 + jω

 

 

 

2

+ ω

2

atan

 

ω

 

 

5

2

+ ω

2

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

---

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c)

 

gain(dB)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

initial gain

=

20log

=

–14dB

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-----------

 

-14dB

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

5 + 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

corner freq. =

 

0.8Hz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

----- =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-20dB/dec

 

 

 

2π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

phase(deg)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0°

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

–45°

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

–90°

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.08Hz

0.8Hz

 

 

 

8Hz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d)

f =

100

16Hz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-------- =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

From the Bode plot,

 

 

gain = –40dB = 0.01

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

phase = –90°

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= –--rad

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x( t)

=

10( 0.01)

sin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

100t – --

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

Aside: verified by calculations,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

1

 

 

 

 

 

100

 

=

0.00999 –1.521

 

 

 

 

 

 

------------- = -------------------------- – atan

--------

 

 

 

 

 

 

 

10 0

5

2

+ 100

2

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

= ( 10 0) ( 0.00999 –1.521)

= 0.0999 –1.521

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x( t) = 0.0999 sin ( 100t – 1.521)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]