KWALIFIKACJA ELM6 - PAŹDZIERNIK 2013

PYTANIE NR 21.
Odpowiedź regulatora D na wymuszenie sygnałem liniowo narastającym pokazano na rysunku
Ilustracja przedstawia cztery wykresy oznaczone literami A, B, C i D, które pokazują różne odpowiedzi regulatora na sygnał
A.
B.
C.
D.
Wyjaśnienie poprawnej odpowiedzi:
Regulator D realizuje różniczkowanie sygnału wejściowego: y(t)=Td·dx(t)/dt.
Dla rampy x(t)=a·t pochodna jest stała (dx/dt=a), więc wyjście regulatora ma stałą wartość w czasie. Graficznie jest to linia pozioma, czyli wykres przedstawiony jako odpowiedź B.

Pełne wyjaśnienie:

Regulator różniczkujący (człon D) reaguje na szybkość zmian sygnału wejściowego, a nie na jego samą wartość. W modelu idealnym opisuje go zależność:

y(t)=Td·dx(t)/dt

Jeżeli wymuszeniem jest sygnał liniowo narastający (rampa) x(t)=a·t, to jego pochodna wynosi:

dx(t)/dt=a

czyli jest wartością stałą. To oznacza, że wyjście idealnego regulatora D również jest stałe: y(t)=Td·a. Na wykresie czasowym taka odpowiedź ma postać poziomej linii na dodatnim poziomie.

Dlatego poprawny jest przebieg przedstawiający stałą wartość w czasie (linia pozioma).

Pozostałe przebiegi nie pasują do różniczkowania rampy:

  • Wykres z zanikiem do zera odpowiada raczej zjawisku wygaszania/inercji lub odpowiedzi na impuls, a nie stałej pochodnej rampy.
  • Wykres liniowo rosnący w czasie to typowy kształt samej rampy, czyli częsty błąd polega na pomyleniu wejścia z wyjściem regulatora.
  • Wykres rosnący nieliniowo (wypukły, "paraboliczny") bardziej kojarzy się z całkowaniem (narastanie coraz szybciej) niż z różniczkowaniem rampy.

W praktyce człon D często realizuje się z filtracją (ze względu na szumy), ale na poziomie egzaminacyjnym rozpoznaje się idealną własność: pochodna rampy jest stała.

Dodatkowe pytania

Dodatkowe pytania (FAQ):
Regulator D (różniczkujący) wytwarza sygnał wyjściowy proporcjonalny do szybkości zmian sygnału wejściowego. W idealnym ujęciu opisuje go zależność y(t)=Td·dx(t)/dt, więc wzmacnia on nagłe zmiany i działa "wyprzedzająco".
Rampa ma postać x(t)=a·t, czyli rośnie liniowo ze stałym nachyleniem. Pochodna funkcji liniowej jest stała: dx(t)/dt=a. Skoro regulator D zwraca pochodną (razy Td), to na wyjściu otrzymujesz wartość stałą w czasie.
Rampa to sygnał, który rośnie proporcjonalnie do czasu, np. x(t)=a·t. Na wykresie jest to linia prosta rosnąca. W automatyce używa się rampy do testowania zachowania układu przy stałej prędkości zmian, np. przy zadawaniu pozycji lub prędkości.
Wejście rampowe jest linią rosnącą. Wyjście idealnego regulatora D jest stałe, bo jest pochodną rampy. Najprostsza kontrola: zapytaj, czy wykres pokazuje "wartość" rosnącą, czy raczej "tempo zmian" (nachylenie) – dla rampy tempo zmian jest niezmienne.
W praktyce rzadko stosuje się sam człon D, bo jest bardzo wrażliwy na szumy i wzmacnia składowe szybkozmienne z czujników. Najczęściej występuje jako część regulatora PD lub PID, zwykle z dodatkową filtracją pochodnej.
Najczęstsza pomyłka to wybór wykresu rampy jako odpowiedzi (bo "D kojarzy się ze zmianą"). Inna pomyłka to wybór przebiegu rosnącego nieliniowo, myląc różniczkowanie z całkowaniem. Pomaga reguła: pochodna rampy = stała.
Dla idealnego regulatora różniczkującego transmitancja ma postać G(s)=Td·s. Oznacza to, że w dziedzinie czasu wyjście jest proporcjonalne do pochodnej sygnału wejściowego. W zadaniach egzaminacyjnych często wykorzystuje się tę własność do rozpoznania wykresu.
Człon D pomaga głównie w stanach przejściowych: tłumi przeregulowanie i poprawia dynamikę, bo reaguje na szybkie zmiany uchybu (działa wyprzedzająco). Nie poprawia stanu ustalonego tak jak człon I. W mechatronice jest przydatny np. w sterowaniu pozycją i prędkością.
W teorii idealnej tak (dla rampy), ale w praktyce stosuje się różniczkowanie z inercją/filtracją, więc przebieg może mieć krótkie przejście lub być lekko "zaokrąglony". Na egzaminie zwykle przyjmuje się model idealny: pochodna rampy jest stała, więc wykres jest poziomy.
Użyj skojarzeń z operacjami: P skaluje sygnał, I całkuje (np. ze skoku robi rampę), a D różniczkuje (np. z rampy robi stałą). Najpierw rozpoznaj typ wejścia (skok/rampa), a potem zastosuj prostą regułę z pochodną lub całką.
info

To pytanie poprawnie rozwiązuje 51% zdających egzamin. trudne

Specjaliści zwracają uwagę: "Regulator D realizuje różniczkowanie sygnału wejściowego: y(t)=Td·dx(t)/dt.Dla rampy x(t)=a·t pochodna jest stała (dx/dt=a), więc wyjście regulatora ma stałą wartość w czasie."

Źródła:

  • Karl J. Åström, Richard M. Murray, "Feedback Systems: An Introduction for Scientists and Engineers", rozdział "PID Control" (część o członie derivative D), Princeton University Press, 2008 (wersja online na stronie autorów).
  • Katsuhiko Ogata, "Modern Control Engineering", rozdziały dotyczące regulatorów PID oraz odpowiedzi na podstawowe wymuszenia (skok/rampa), wydania współczesne.

Materiały:

  • Podręcznik z automatyki/teorii sterowania omawiający regulatory P, I, D oraz odpowiedzi na podstawowe wymuszenia
  • Materiały z matematyki: pochodne funkcji elementarnych (szczególnie funkcji liniowej)
  • Zadania treningowe z rozpoznawania przebiegów czasowych i ich interpretacji w automatyce

Aktualizacja pytania: 31.03.2026



Aktualizacja pytania: 31.03.2026
📡 Brak połączenia internetowego