Modele dynamiki układów fizycznych dla inżynierów

Modele dynamiki układów fizycznych dla inżynierów

Zasady i przykłady konstrukcji modeli dynamicznych obiektów automatyki

1 opinia

Format:

ibuk

W ABONAMENCIE

od 3,50

Masz już abonament? Zaloguj się

TA KSIĄŻKA JEST W ABONAMENCIE

Już od 49,00 zł miesięcznie za 5 ebooków!

WYBIERZ SWÓJ ABONAMENT

Przedmiotem książki są zagadnienia związane z modelowaniem matematycznym różnych obiektów fizycznych i badaniem ich dynamiki przy użyciu programów symulacyjnych, przede wszystkim z punktu widzenia potrzeb inżyniera automatyka. Autorka opisała podstawowe zasady analizowania i konstruowania modeli, zwracając uwagę na fizyczną interpretację stosowanych pojęć. Przeprowadziła krótką powtórkę z fizyki pod kątem zastosowania w modelowaniu dynamiki obiektów.


Wartość dodana do książki, płyta CD znajduje się w sprzedaży jedynie wraz z publikacją w wersji papierowej.


Rok wydania2018
Liczba stron346
KategoriaAutomatyka i robotyka
WydawcaWydawnictwo Naukowe PWN
ISBN-13978-83-01-19520-5
Numer wydania1
Język publikacjipolski
Informacja o sprzedawcyePWN sp. z o.o.

Ciekawe propozycje

Spis treści

  Od Autora XVII
  Wprowadzenie XIX
  Wykaz oznaczeń wielkości fizycznych XXIII
  Część I Opis i analiza dynamiki obiektu    1
  1. Fizyczne podstawy dynamiki obiektów    3
  1.1. Statyka i dynamika obiektów    3
  1.2. Analityczne metody konstrukcji modeli dynamiki    5
  1.2.1. Charakterystyka ogólna    5
  1.2.2. Uogólnione prawa zachowania    5
  1.2.3. Modelowanie w ujęciu makroskopowym    6
  1.2.4. Modelowanie w ujęciu mikroskopowym    8
  1.2.5. Szczególne przypadki opisu obiektu    9
  2. Modele w postaci równań różniczkowych    13
  2.1. Równania różniczkowe zwyczajne    13
  2.2. Równania różniczkowe zwyczajne liniowe    14
  2.2.1. Rozwiązanie liniowego równania różniczkowego n-tego rzędu    14
  2.2.2. Rozwiązanie układu n równań stanu    16
  2.2.3. Przekształcanie równań    17
  2.2.4. Analityczne metody badania liniowych równań dynamiki    20
  2.2.5. Charakterystyki statyczne i dynamiczne (czasowe)    22
  2.2.6. Podstawowe liniowe modele dynamiki    24
  2.3. Równania różniczkowe zwyczajne nieliniowe    28
  2.3.1. Lokalna linearyzacja dynamiczna    28
  2.3.2. Lokalna linearyzacja statyczna    30
  2.3.3. Układ n nieliniowych równań stanu    31
  2.3.4. Analityczne metody badania stabilności modeli nieliniowych    32
  2.4. Opis w przestrzeni stanów    34
  2.4.1. Zmienne stanu    34
  2.4.2. Płaszczyzna fazowa i płaszczyzna stanów    36
  2.4.3. Własności portretów na płaszczyźnie fazowej i płaszczyźnie stanów    39
  2.4.4. Zastosowanie płaszczyzny fazowej do analizy dynamiki układów    41
  2.4.5. Definicja stabilności wg Lapunowa    42
  3. Modele operatorowe    45
  3.1. Rachunek operatorowy    45
  3.2. Transmitancje Laplace’a    46
  3.2.1. Przekształcenie Laplace’a    46
  3.2.2. Transmitancja operatorowa    47
  3.2.3. Zastosowanie transmitancji operatorowej w badaniach    50
  3.2.4. Macierz transmitancji    52
  3.2.5. Transmitancje operatorowe podstawowych członów dynamiki    53
  3.3. Transmitancje Fouriera    56
  3.3.1. Przekształcenie Fouriera    56
  3.3.2. Transmitancja widmowa    58
  3.3.3. Charakterystyki częstotliwościowe    60
  3.3.4. Charakterystyki podstawowych członów dynamiki    62
  3.3.5. Układy minimalnofazowe    69
  3.3.6. Linearyzacja harmoniczna    71
  3.3.7. Zastosowanie częstotliwościowego opisu obiektu    71
  4. Porównanie własności i form opisu modeli    75
  4.1. Wprowadzenie    75
  4.2. Podstawowe własności różnych form opisu    75
  4.2.1. Opisy analityczne i graficzne    75
  4.2.2. Układy liniowe i nieliniowe    77
  4.3. Relacje między różnymi formami opisu    78
  4.3.1. Położenie biegunów a odpowiedź skokowa    78
  4.3.2. Odpowiedź skokowa a odpowiedź impulsowa    80
  4.3.3. Transmitancja operatorowa a charakterystyki czasowe    80
  4.3.4. Transmitancja operatorowa a charakterystyki częstotliwościowe    82
  4.3.5. Charakterystyki częstotliwościowe a odpowiedź skokowa    82
  4.4. Ograniczenia i pułapki    84
  4.4.1. Twierdzenie o wartości końcowej    84
  4.4.2. Aproksymacja transformat w otoczeniu punktu s = 0    85
  4.4.3. Hipoteza skracalności    85
  4.4.4. Równoważność opisów    88
  5. Modele rzeczywistych układów    91
  5.1. Nieliniowość rzeczywistych obiektów    91
  5.2. Schematy strukturalne    92
  5.2.1. Charakterystyka ogólna    92
  5.2.2. Elementy schematów strukturalnych    92
  5.2.3. Przekształcanie schematów układów liniowych    93
  5.2.4. Przekształcanie schematów układów nieliniowych    95
  5.3. Eksperymentalna identyfikacja dynamiki    96
  5.3.1. Ogólne zasady identyfikacji dynamiki obiektu    96
  5.3.2. Metoda charakterystyk czasowych    97
  5.3.3. Metoda charakterystyk częstotliwościowych    102
  5.3.4. Inne metody identyfikacji dynamiki    104
  5.4. Podstawowe reguły upraszczania modeli dynamiki    105
  5.4.1. Wprowadzenie    105
  5.4.2. Pomijanie biegunów transmitancji    105
  5.4.3. Obniżanie rzędu równania różniczkowego    106
  5.4.4. Metoda średniej stałej czasowej    107
  Część II Elementy modeli dynamiki obiektów    109
  6. Elementy obwodów elektrycznych    111
  6.1. Charakterystyka    111
  6.2. Idealne źródła energii elektrycznej    112
  6.3. Rezystancja (opór czynny)    113
  6.4. Pojemność elektryczna    114
  6.5. Indukcja magnetyczna i elektromagnetyczna    116
  6.5.1. Wprowadzenie    116
  6.5.2. Indukcja magnetyczna    116
  6.5.3. Siła pola magnetycznego    118
  6.5.4. Indukcja elektromagnetyczna    120
  6.5.5. Indukcyjność własna    121
  6.5.6. Indukcyjność wzajemna    122
  6.6. Podstawy działania maszyn elektrycznych    123
  6.6.1. Transformator idealny    123
  6.6.2. Prądnica    125
  6.6.3. Silnik elektryczny    126
  6.7. Zastępcze opisy elementów liniowych    127
  6.7.1. Impedancja operatorowa    127
  6.7.2. Impedancja zespolona (opór pozorny)    129
  6.7.3. Wzmacniacze operacyjne    131
  7. Elementy układów mechanicznych    133
  7.1. Charakterystyka    133
  7.2. Idealne źródła energii mechanicznej    134
  7.2.1. Definicja źródła energii    134
  7.2.2. Źródła siły i prędkości    134
  7.2.3. Źródła momentu siły i prędkości obrotowej    135
  7.3. Sprężystość postaci    135
  7.3.1. Sprężyna w ruchu posuwistym    135
  7.3.2. Sprężyna w ruchu obrotowym    137
  7.3.3. Kształt sprężyny a odkształcenia sprężyste materiału    137
  7.4. Tarcie    139
  7.4.1. Wprowadzenie    139
  7.4.2. Tarcie lepkie w ruchu posuwistym    139
  7.4.3. Tarcie lepkie w ruchu obrotowym    141
  7.4.4. Tarcie suche    141
  7.5. Bezwładność ciał w ruchu    142
  7.5.1. Bezwładność w ruchu posuwistym     142
  7.5.2. Moment bezwładności    143
  7.6. Maszyny proste    144
  7.7. Wektorowy charakter wielkości opisujących ruch    146
  7.7.1. Wprowadzenie    146
  7.7.2. Ruch po okręgu     146
  7.7.3. Wypadkowe wielkości układu sił    148
  7.7.4. Pole grawitacyjne    150
  8. Elementy układów hydraulicznych    153
  8.1. Charakterystyka    153
  8.2. Źródła ciśnienia i przepływu    154
  8.3. Opór hydrauliczny (opór czynny przepływu)    155
  8.3.1. Czynniki warunkujące opór przepływu    155
  8.3.2. Opór przewodu    156
  8.3.3. Opory miejscowe    157
  8.4. Pojemność ściśliwości    158
  8.4.1. Pojęcie ściśliwości i sprężystości    158
  8.4.2. Pojemność ściśliwości cieczy w sztywnym zbiorniku    158
  8.4.3. Pojemność elastycznej aparatury przy nieściśliwej cieczy    159
  8.4.4. Pojemność ściśliwej cieczy i elastycznej aparatury    159
  8.5. Bezwładność cieczy (inertancja)    160
  8.6. Transformacja ciśnienia i siły    160
  8.6.1. Przekładnia tłokowa    160
  8.6.2. Przekładnia turbinowa    161
  8.6.3. Prasa hydrauliczna    162
  8.7. Dynamika cieczy doskonałej    162
  8.7.1. Równanie ciągłości    162
  8.7.2. Stan równowagi dynamicznej    163
  8.8. Zbiornik    164
  8.8.1. Bilans zbiornika    164
  8.8.2. Swobodny wypływ    165
  8.9. Elementy nastawcze    166
  8.9.1. Wprowadzenie    166
  8.9.2. Przepływ przez zwężkę    167
  8.9.3. Charakterystyka zaworu    168
  9. Elementy układów przenoszenia substancji    171
  9.1. Charakterystyka    171
  9.2. Źródła ruchu    171
  9.3. Transport i opóźnienie transportowe    172
  9.4. Zasób (zbiornika, magazynu) i gromadzenie zasobu    172
  9.4.1. Bilans wielkości zasobu    172
  9.4.2. Cechy zasobu    173
  10. Elementy układów termokinetycznych    175
  10.1. Charakterystyka    175
  10.2. Przenoszenie energii w postaci ciepła    176
  10.2.1. Mechanizmy przenoszenia ciepła    176
  10.2.2. Przewodzenie (konduktancja)    176
  10.2.3. Konwekcja (unoszenie)    178
  10.2.4. Promieniowanie (radiacja)    178
  10.3. Gromadzenie energii dostarczonej w postaci ciepła    179
  10.4. Wymiennik ciepła    179
  10.5. Opóźnienie transportowe w układach termokinetycznych    181
  10.6. Wpływ temperatury na parametry układu    181
  11. Elementy układów termodynamicznych    183
  11.1. Charakterystyka    183
  11.2. Opis stanu gazu    184
  11.2.1. Równanie stanu    184
  11.2.2. Przemiana izotermiczna    185
  11.2.3. Przemiana adiabatyczna    185
  11.3. Mechanika gazów    186
  11.3.1. Wprowadzenie    186
  11.3.2. Opór czynny    186
  11.3.3. Pojemność ściśliwości    186
  12. Analogie elementów    189
  Część III Zasady konstrukcji modeli dynamiki obiektów i przykłady modeli    191
  13. Obwody elektryczne    193
  13.1. Ogólne zasady konstruowania modeli    193
  13.2. Operatorowe modele obwodów liniowych    194
  13.2.1. Ogólne zasady układania równań dla obwodów elektrycznych    194
  13.2.2. Metoda prądów oczkowych    194
  13.2.3. Metoda praw Kirchhoffa    198
  13.2.4. Metoda potencjałów węzłowych    198
  13.2.5. Metoda przekształcania sieci    198
  13.2.6. Zastosowanie schematów zastępczych    198
  13.3. Równania stanu obwodów elektrycznych    199
  13.3.1. Zasady wyboru zmiennych stanu    199
  13.3.2. Dwuoczkowy obwód z dwoma magazynami energii    199
  13.3.3. Dwuoczkowy obwód z trzema magazynami    200
  13.3.4. Obwody z zależnymi magazynami energii    201
  13.4. Transformator    202
  13.4.1. Założenia dla modelu transformatora    202
  13.4.2. Transformator bez obciążenia    203
  13.4.3. Transformator z obciążeniem czynnym    204
  13.5. Silnik prądu stałego    206
  13.5.1. Zasada działania silnika prądu stałego    206
  13.5.2. Silnik z trwałym polem magnetycznym    207
  13.5.3. Silnik obcowzbudny    208
  14. Układy mechaniczne    211
  14.1. Ogólne zasady konstruowania modeli    211
  14.2. Prosty ruch postępowy i obrotowy    212
  14.2.1. Zasady konstruowania modelu    212
  14.2.2. Układ pojedynczej masy i tłumika    212
  14.2.3. Układ pojedynczej sprężyny i tłumika    213
  14.2.4. Układ pojedynczej masy, sprężyny i tłumika    213
  14.2.5. Przykład układu z kilkoma punktami ruchu    214
  14.2.6. Układ obrotowy z pojedynczą masą, sprężyną i tłumikiem    215
  14.2.7. Przykład układu z punktami o różnej prędkości obrotu    216
  14.3. Ruch względny    216
  14.3.1. Względny układ odniesienia    216
  14.3.2. Przesunięty układ odniesienia    218
  14.3.3. Układ odniesienia względny i przesunięty    219
  14.4. Ruch złożony    219
  14.4.1. Wprowadzenie    219
  14.4.2. Ruch mechanizmu odśrodkowego    220
  14.4.3. Uproszczony model mechanizmu odśrodkowego    222
  14.5. Układy z napędem elektrycznym    223
  14.5.1. Charakterystyka ogólna    223
  14.5.2. Napęd z silnikiem o trwałych magnesach    224
  14.5.3. Napęd z silnikiem obcowzbudnym    224
  15. Układy hydrauliczne    227
  15.1. Ogólne zasady konstruowania modeli    227
  15.2. Zbiornik ze swobodnym wypływem    228
  15.2.1. Model ogólny dynamiki wypływu    228
  15.2.2. Prosty zbiornik o płaskim dnie i pionowych ścianach    228
  15.2.3. Zbiornik o kształcie ostrosłupa    229
  15.2.4. Zbiorniki z pionową osią obrotu    229
  15.3. Układy zbiorników    231
  15.3.1. Wprowadzenie    231
  15.3.2. Zbiornik z pompą    231
  15.3.3. Zbiornik z wypływem swobodnym    231
  15.3.4. Zbiornik z wypływem swobodnym przez zawór    232
  15.3.5. Zbiornik z wypływem ograniczonym oporem hydraulicznym    232
  15.3.6. Kaskada zbiorników ze swobodnym wypływem    234
  15.3.7. Kaskada zbiorników połączonych krótkim przewodem rurowym    236
  15.4. Sieci hydrauliczne    237
  15.4.1. Wprowadzenie    237
  15.4.2. Pozioma sieć z obiegiem zamkniętym    238
  15.4.3. Rekurencyjny model sieci z obiegiem zamkniętym    240
  15.5. Elementy hydrauliczne    240
  15.5.1. Siłownik    240
  15.5.2. Siłownik ze sprężyną    241
  15.6. Kaskady przepływowe    243
  15.6.1. Wprowadzenie    243
  15.6.2. Kaskada sztywna otwarta    243
  15.6.3. Kaskada sztywna zamknięta    243
  15.6.4. Kaskada elastyczna otwarta    244
  16. Układy przenoszenia substancji    247
  16.1. Ogólne zasady konstruowania modeli    247
  16.2. Przepływ substancji przez pojedynczy zasobnik    247
  16.2.1. Zasobnik ze sterowanym dopływem i odpływem    247
  16.2.2. Zasobnik o proporcjonalnym odpływie     248
  16.2.3. Zasobnik uśredniający    248
  16.2.4. Zasobnik uśredniający ze zmiennym wypełnieniem    249
  16.3. Układy zasobników    252
  17. Układy termokinetyczne    255
  17.1. Ogólne zasady konstruowania modeli    255
  17.2. Magazyny energii w układzie termokinetycznym    255
  17.2.1. Obiekt z grzałką i „cienką” obudową    255
  17.2.2. Obiekt z grzałką i „grubą” obudową    256
  17.2.3. Obiekt z grzejnikiem kumulacyjnym    258
  17.3. Centralne ogrzewanie    260
  17.3.1. Wprowadzenie    260
  17.3.2. Obiekt z grzejnikiem c.o. o temperaturze Tg    260
  17.3.3. Obiekt z grzejnikiem c.o. o temperaturze zasilania Tgz    260
  17.3.4. Obiekt z grzejnikiem c.o. o temperaturze zasilania Tgz i pojemności cieplnej Cvg    263
  17.3.5. Kocioł c.o. o mocy qk i pojemności Cvk    264
  17.3.6. Sieć grzewcza    265
  17.4. Wymienniki ciepła    266
  17.4.1. Wprowadzenie    266
  17.4.2. Wymiennik charakteryzowany przez temperaturę wypływu    267
  17.4.3. Wymiennik charakteryzowany przez temperatury średnie    267
  17.5. Mieszanie substancji    268
  17.5.1. Klimatyzacja (ogrzewanie przez nawiew)    268
  17.5.2. Ogrzewanie zbiornika przepływowego    269
  18. Układy termodynamiczne    271
  18.1. Ogólne zasady konstruowania modeli    271
  18.2. Przepływ gazu przez zbiorniki    272
  18.2.1. Wprowadzenie    272
  18.2.2. Zbiornik włączony szeregowo    272
  18.2.3. Zbiornik włączony równolegle    273
  18.2.4. Układ zbiorników włączonych szeregowo    273
  18.3. Kaskady przepływowe    274
  18.3.1. Wprowadzenie    274
  18.3.2. Izotermiczne sprężanie gazu w kaskadzie otwartej    275
  18.3.3. Adiabatyczne sprężanie gazu w kaskadzie otwartej    276
  19. Analogie układów    279
  19.1. Charakterystyka ogólna    279
  19.2. Układy mechaniczne i elektryczne     279
  19.2.1. Wprowadzenie    279
  19.2.2. Przykłady układów analogicznych    279
  19.3. Układy hydrauliczne (pneumatyczne) i elektryczne    281
  19.3.1. Charakterystyka ogólna    281
  19.3.2. Analogiczne układy inercyjne    281
  19.3.3. Filtrujące własności zbiorników    282
  19.3.4. Różne formy układu analogicznego    282
  19.4. Układy cieplne i hydrauliczne    283
  19.4.1. Wprowadzenie    283
  19.4.2. Układ dwóch współdziałających zasobników    283
  19.4.3. Układ trzech współdziałających zasobników    284
  19.4.4. Układ z „martwą” pojemnością boczną    284
  19.4.5. Układ z „czynną” i „martwą” pojemnością boczną    285
  19.5. Analogie a różnice i uogólnienia    286
  20. Układy o parametrach rozłożonych    287
  20.1. Jednorodna linia elektryczna    287
  20.2. Przewód rurowy    287
  20.3. Wymiennik ciepła    287
  20.3.1. Wymiennik ogrzewany parą    287
  20.3.2. Przeciwprądowy wymiennik ciepła typu rura w rurze    287
  Część IV Zastosowanie prostych modeli dynamiki    289
  21. Techniczne aspekty badań symulacyjnych    291
  21.1. Wprowadzenie    291
  21.2. Identyfikacja parametrów modelu    291
  21.3. Aplikacja modelu w programie symulacyjnym    294
  21.3.1. Ogólne zasady    294
  21.3.2. Aplikacja modelu w postaci transmitancji operatorowych    295
  21.3.3. Aplikacja modelu w postaci liniowych równań stanu    297
  21.3.4. Aplikacja modelu w postaci nieliniowych równań różniczkowych    298
  21.4. Weryfikacja modelu    301
  21.4.1. Wprowadzenie    301
  21.4.2. Poprawność aplikacji modelu    301
  21.4.3. Wiarygodność modelu    303
  21.5. Badania symulacyjne modelu    304
  21.5.1. Skrypty jako robocza dokumentacja badań    304
  21.5.2. Warunki początkowe    305
  21.5.3. Badania z rejestracją przebiegów czasowych    306
  21.5.4. Interpretacja wyników symulacji    308
  21.5.5. Funkcje wspomagające podstawowe badania dynamiki    308
  22. Warianty modelu na przykładzie instalacji c.o.    311
  22.1. Opis modelowanego obiektu    311
  22.2. Sparametryzowany model ogrzewanego pomieszczenia    312
  22.2.1. Opis zmiennych i parametrów modelu    312
  22.2.2. Nieliniowy model pomieszczenia przy założeniu Cvg « Cvw    313
  22.2.3. Nieliniowy model pomieszczenia przy założeniu Cvg ≈ Cvw .    314
  22.2.4. Liniowe modele pomieszczenia ogrzewanego    314
  22.3. Model ogrzewanego budynku – zjawiska cieplne    315
  22.3.1. Zastępczy model całego budynku    315
  22.3.2. Model budynku jako suma zastępczych modeli mieszkań    316
  22.3.3. Model budynku z opóźnieniami transportowymi    317
  22.4. Model instalacji c.o. – zjawiska cieplne i hydrauliczne    317
  22.4.1. Opis zmiennych i parametrów modelu    317
  22.4.2. Prosty model hydrauliczny instalacji    318
  22.4.3. Model instalacji c.o.    319
  22.5. Sparametryzowany model kotła    320
  22.5.1. Opis parametrów i zmiennych    320
  22.5.2. Nieliniowy model kotła przy założeniu Cvk « Cvw    320
  22.5.3. Nieliniowy model kotła przy założeniu Cvk ≈ Cvw    321
  22.5.4. Liniowe modele kotła    321
  22.5.5. Model budynku i kotłowni    321
  23. Zastosowanie prostych modeli    323
  23.1. Wprowadzenie    323
  23.2. Badanie dynamiki obiektów    323
  23.2.1. Cel zastosowania prostych modeli    323
  23.2.2. Ogólna metodologia konstrukcji modelu    324
  23.2.3. Analiza własności modelu    326
  23.3. Układy regulacji    328
  23.3.1. Wybór układu regulacji    328
  23.3.2. Dobór nastaw    329
  23.3.3. Model jako element układu regulacji    330
  Część V Zadania    333
  24. Formy modeli    335
  24.1. Klasyfikacja modeli i podstawowa analiza    335
  24.2. Interpretacja charakterystyk    335
  24.3. Przekształcanie formy modeli    335
  24.4. Modele złożone    335
  25. Obiekty jednorodne    336
  25.1. Odpowiedzi czasowe    336
  25.2. Własności układów elementarnych    336
  26. Parametry charakterystyk częstotliwościowych    337
  26.1. Układy elektryczne    337
  26.2. Układy mechaniczne    337
  27. Przepływ cieczy przez zbiorniki    338
  27.1. Wypływ cieczy ze zbiorników o różnych kształtach    338
  27.2. Zbiorniki o różnych kształtach w kaskadzie    338
  27.3. Przepływ przez kaskadę niewspółdziałającą    338
  27.4. Przepływ przez kaskadę współdziałającą    338
  27.5. Układ trzech zbiorników    338
  28. Układy z ogrzewaniem    339
  28.1. Przepływ ciepłego (zimnego) medium    339
  28.2. Ogrzewanie (chłodzenie) elementu    339
  28.3. Model zastępczy układu cieplnego    339
  28.4. Przepływ i podgrzewanie    339
  29. Ruch i napęd    340
  29.1. Kierunek ruchu i punkt odniesienia    340
  29.2. Napęd elektryczny    340
  29.3. Elementy hydrauliczne    340
  29.4. Parametry ruchu    340
  30. Symulacja    341
  30.1. Parametry symulacji    341
  30.2. Rozwiązania analityczne i symulacyjne    341
  31. Egzamin    342
  31.1. Egzamin z teorii    342
  31.2. Egzamin z „obiektów”    342
  Bibliografia    343
  Skorowidz    345
RozwińZwiń