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冷冷冷冷冷冷冷冷 - Laplace Transfor m 李李李

冷凍空調自動控制 - Laplace Transform 李達生. Focusing here … 概論 自動控制理論發展 自控系統設計實例 Laplace Transform 冷凍空調自動控制 控制系統範例

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冷凍空調自動控制- Laplace Transform

李達生

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Focusing here…

概論自動控制理論發展自控系統設計實例Laplace Transform

冷凍空調自動控制控制系統範例控制元件作動原理控制系統除錯

自動控制理論系統穩定度分析系統性能分析PID Controller

自動控制實務節能系統控制訊號擷取系統訊號雜訊處理快速溫控系統

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Time Domain v.s. Frequency Domain

Time

Frequency

Amplitude

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From Time Domain to Complex Plane

Complex Plane

Time

F(t)

Exp(t)

j

Time

F(t)

Exp(t) x Exp(it)

Plus

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The Definition of Laplace Transform

若函數滿足下列條件

0,)( Rdtetf t Function of

Exponential Order

則可定義函數的 Laplace Transform 為

0)()()( dtetftfLsF st

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Laplace Transform Example

s

eTransformatu

Transformtas

)(

1)(

22

22

1

2

cos

sin

1

!

1

11

)()(

as

sTransformat

as

aTransformat

asTransforme

t

nTansformt

sTransformt

sTransform

sFtF

at

nn

22

22

)cosh(

)sinh(

as

sTransformat

as

aTransformat

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Laplace Transform Example

試證明 L[1] = 1/S

ss

e

s

est

dtedteL

ss

stst

se 1

)1(]1[

0

0

0 0

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Laplace Transform Example

試證明 L[t] = 1/S2

2

0

20

0

1)1()(

)()()()()()(

][

ss

e

s

etdtte

dxxfxgxgxfdxxgxfConsider

tdtetL

st

t

stst

st

How to prove L[tn] = n!/Sn+1 ?????

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Laplace Transform Example

試證明 L[eat] = 1/(s-a)

asas

e

edteeeL

tas

tasstatat

1

][

0

)(

0

)(

0

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Laplace Transform of Derivation

試證明 L[f′(t)] = sF(s)-f(0)

)0()(

)0()(

)()()(

)()]([

0

00

0

fssF

fdttfes

dttfestfe

dttfetfL

st

stst

st

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Laplace Transform of Second Derivation

試證明 L[f″(t)] = s2F(s)-sf(0)-f′(0)

)0()0()(

)0()}0()]([{

)0()]([)]([

2 fsfsFs

fftfsLs

ftfsLtfL

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Laplace Transform of Integration

試證明

t

s

sFdttfL

0

)(])([

t

t

s

sFdttfL

tgLs

tgL

gtgsLtgL

ThendttftgIf

0

0

)(])([

)]([1

)]([

)0()]([)]([

)()(

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Laplace Transform of sin

試證明 L[sinat]=a / (s2+a2)

22

22

22

2

][sin

][sin][sin

)0cos()0sin(][sin]sin[

)0()0()()]([

as

aatL

aatLsatLa

aaasatLsataL

fsfsFstfL

可得

How to prove L[cosat] = s / s2+a2 ?????

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Time Domain Shift – If L[f(t)]=F(s), then L[eatf(t)] = F(s-a)

0

)(

0

)()(

)()]([

asFdttfe

dttfeetfeL

tas

atstat

Laplace Plane Shift

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Time Domain Shift

at

atatftg

0

)()( 則 )()]([ sFetgL as

)(

)(

)()(

)(

)(0

)()()()]([

0

0

)(

0

0 00

sFe

duufee

atdatfe

dtatfe

dsatfedte

dttgedttgedttgetgL

as

suas

asats

a

st

a

a

stst

a ststst

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Initial Value Problem

試證起始值定理 )(lim)(lim0

ssFtfst

)0()(lim

0)('lim

)0()()]([

0

fssFSo

tfeand

fssFtfLSince

s

st

s

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Tend to Infinite

試證終值定理 )(lim)(lim0

ssFtfst

)0(

)(lim)(lim

)(lim)()(lim

)0()()]([

0

0 00f

ssFtfSo

tfdttfdttfeand

fssFtfLSince

st

t

st

s

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Determine the Steady State Error by the infinite Time Value

TiKp = 0.33

Toe

b

)120)(110(

50

ss

Controller System

Feedback

12

1

s

P

P

i

o

Ksss

sK

sT

sT

50)120)(110)(12(

)12(50

)(

)(

System Transfer Function 可表示為

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Determine the Steady State Error by the infinite Time Value

外界溫度變化輸入設為

P

Po

i

Laplace

i

Ksss

sK

s

TsT

s

TsTTtT

50)120)(110)(12(

)12(50)(

)()(

可得

系統穩態誤差可以終值定理求得

)(lim)(lim0

ssEteest

SS

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Determine the Steady State Error by the infinite Time Value

系統穩態誤差可以終值定理求得

33.0sin0571.0

50111

501

50)120)(110)(12(

)12(50lim

)()(lim

0

0

P

P

P

P

P

s

ois

SS

KceT

K

KT

Ksss

sK

s

T

s

Ts

sTsTse

系統穩態誤差以百分比表示為 %71.50571.0

T

T

T

e

i

SS

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Inverse Laplace Transform

逆轉換可由正轉換導出

atInverseas

s

atInverseas

a

eInverseas

tInverses

n

tInverses

Inverses

tfsF

at

nn

cos

sin

1

!

1

11

)()(

22

22

1

2

)(

)(1

cosh

sinh

22

22

atuInverses

etInverse

atInverseas

s

atInverseas

a

as

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Convolution

若 L-1[G(s)] = g(t), L-1[F(s)]=f(t) 則

tgfduutgufsGsFL

0

1 )()()]()([

How to prove?????

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How to get time response

控制系統 Transfer Function 可由下式表示

)84)(8(

)4(8

)(

)()(

2

sss

s

sR

sCsT

當輸入函數為單位步階訊號時 , 輸出訊號為何 ?

225

25

310

12

1

2

2

2)2(

)2(

8

)84)(8(

)4(8)(

)84)(8(

)4(81

)(

s

s

ss

ssss

ssC

sss

s

s

sC

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How to get time response

各個 Item 均有其對應時間項

225

25

310

12

1

2

2

2)2(

)2(

8

)84)(8(

)4(8)(

)84)(8(

)4(81

)(

s

s

ss

ssss

ssC

sss

s

s

sC 2

1

Inverse L

aplace

te 810

1

tte t 2sin

5

12cos

5

32

C(t)