Irányítástechnika 2. előadás

Átírás

1 Irányítástechnika 2. előadás Dr. Kovács Levente

2 Tartalom Tipikus vizsgálójelek és azok információtartalma Laplace transzformáció, állapotegyenlet, átviteli függvény Alaptagok leírása Alaptagok kapcsolása

3 Tartalom Tipikus vizsgálójelek és azok információtartalma Laplace transzformáció, állapotegyenlet, átviteli függvény Alaptagok leírása Alaptagok kapcsolása

4 Tipikus vizsgálójelek és azok információtartalma Lineáris idő-invariáns rendszer felírása Tipikus bemenőjelek Kapcsolat a súlyfüggvény és az átmeneti függvény között Amplitúdó fázis függvény Nyquist diagram Különböző vizsgálójelek információtartalma

5 Lineáris idő-invariáns rendszer felírása Bármely lineáris idő-invariáns rendszer felírható a következő n-edrendű differenciálegyenlettel: m m m n n n n n n dt t x d B t x B t y A dt t dy A dt t y d A dt t y d A ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) (

6 Tipikus bemenőjelek Dirac - impulzus x( t) ( t) Ha a bemenőjel dirac-impulzus, akkor a kimenőjel súlyfüggvény. y( t) w( t)

7 Tipikus bemenőjelek Egységugrás x( t) 1( t) Ha a bemenőjel egységugrás, akkor a kimenőjel átmeneti függvény. y( t) v( t)

8 Tipikus bemenőjelek Egység sebességugrás

9 Tipikus bemenőjelek Egység gyorsulásugrás

10 Tipikus bemenőjelek Szinuszos gerjesztő függvény

11 Tipikus bemenőjelek Véletlenszerű gerjesztés

12 Kapcsolat a súlyfüggvény és az átmeneti függvény között t dv dt t w v t w t t 0 dt

13 Amplitúdó fázis függvény n n m m A jw jwa A B jw jwb B jw X jw Y jw W ) ( ) ( n n m m A s sa A B s sb B s X s Y s W ) ( ) ( n m

14 Nyquist diagram

15 Különböző vizsgálójelek információtartalma Tetszés szerinti T periódusidejű periodikus függvénynek van Fourier-sora. Teljesen hasonlóan a nem periodikus függvényekre is felbontás írható. A legtöbb információt a rendszer súlyfüggvénye szolgáltatja.

16 Tartalom Tipikus vizsgálójelek és azok információtartalma Laplace transzformáció, állapotegyenlet, átviteli függvény Alaptagok leírása Alaptagok kapcsolása

17 Laplace transzformáció, állapotegyenlet, átviteli függvény Modellek osztályozása Laplace transzformáció. Állapotegyenlet Átviteli függvény, megvalósíthatóság, pólusok, zérusok Lineáris rendszerek vs. nemlineáris rendszerek Linearizálás

18 Modellek osztályozása Bemenet-kimenet alapú matematikai modell Állapotteres leírás dx( t) Ax( t) Bu( t) dt y ( t) Cx( t) Du( t) Ha: j számú u bemenő jel k számú y kimenő jel x állapotváltozók száma n Akkor: A állapot mátrix (nn) B bemeneti mátrix (nj) C kimeneti mátrix (kn) D együttható mátrix (kj)

19 Laplace transzformáció Célja: differenciál egyenlet algebrai egyenletté való átalakítása (s operátor tartomány) ahol Fontos tulajdonság:

20 Állapotegyenlet

21 Átviteli függvény, megvalósíthatóság Állapotteres leírás Bemenet-kimenet alapú m < n : fizikailag megvalósítható (D = 0) m = n : fizikai megvalósítható határán van (D 0) m > n : fizikailag nem megvalósítható

22 Lineáris rendszerek vs. nemlineáris rendszerek A jelátvivő tagok matematikai modellje szerint: Lineáris szabályozás Ha a szabályozási kör minden tagjára érvényes a szuperpozíció elve Nemlineáris szabályozás Ha a szuperpozíció elve a szabályozási kör legalább egy tagjára nem érvényes emlineáris rendszerek állapotteres leírása f(x,u,t): az állapotváltozók függését leíró függvény Általánosságban nemlineáris függvény h(x,u,t): az kimenetek függését leíró függvény Általánosságban nemlineáris függvény

23 Lineáris rendszerek vs. nemlineáris rendszerek Példa nemlineáris rendszerre: víztartály Q 1 : a beömlő vízmennyiség [m 3 /s] Q 2 : a kiömlő vízmennyiség [m 3 /s] h: a vízoszlop magassága [m] A: a tartály keresztmetszete [m 2 ] a: a kiömlő nyílás keresztmetszete [m 2 ] v: a kiömlő víz sebessége m: a folyadékra és a kiömlő nyílásra jellemző állandó h Q 1 A a Q 2 A tartályból kiömlő vízmennyiség függ a víz sebességétől és a kiömlő nyílás keresztmetszetétől A kiömlő víz sebessége függ a tartályban lévő folyadék magasságától A tartályban lévő víz térfogatváltozása egyenlő a beömlő és kiömlő vízmennyiség különbségével

24 Lineáris rendszerek vs. nemlineáris rendszerek Példa nemlineáris rendszerre: víztartály Q 1 h A Feladat: Q 1 (t) =? a Q 2 Bemenő jel (irányító jel): Q 1 beömlő vízmennyiség Belső változó (állapotváltozó): h vízszint Egyben kimeneti jel is Az irányítás célja: állandó h vízszint Szintmérővel mérjük Zavaró jel a változó vízfogyasztás Egy csappal változtathatjuk a értékét

25 Lineáris rendszerek vs. nemlineáris rendszerek Példa nemlineáris rendszerre: víztartály Q 1 h A a Q 2

26 Linearizálás Taylor-sorba fejtés víztartály példa: Ha P munkapont környezetében munkaponti linearizálás Ekkor:

27 Összefoglalás Rendszeranalízis alapvető feladatai Fizikai / modellezni kívánt folyamat megismerése Bemenetek, kimenetek, állapotok szeparálása Lineáris vs. Nemlin. Rendszer Blokkdiagram alkotása Nyílt rendszer Zárt rendszer Átviteli függvény felírása

28 Tartalom Tipikus vizsgálójelek és azok információtartalma Laplace transzformáció, állapotegyenlet, átviteli függvény Alaptagok leírása Alaptagok kapcsolása

29 zavarás d Ref. r hiba e Szabályozó beavatkozó / irányító jel u Folyamat kimenet y Feedback jel / visszacsatolás Érzékelő

30 Alapvető szabályozási követelmények Klasszikus szabályozások: stabilitás & minőség bizonytalanságok Jó jelkövetés zavarelhárítás u irányító jel szándékolt módosítása

31 Tagok leírásának lehetőségei U(s) Y(s) u(t): bemenet időfüggvénye y(t): kimenet időfüggvénye U(s): bemenet Laplace-transzformáltja Y(s): kimenet Laplace-transzformáltja Átviteli függvény Állapotteres leírás Zérus-Pólus-Erősítés

32 Átviteli függvény (transfer function) a számláló gyökei: a tag zérusai a nevező gyökei: a tag pólusai Az átviteli függvény az lineáris differenciálegyenlet Laplace-transzformáltja, ha a kezdeti feltételek nullák:

33 Állapotteres leírás (state-space) Egy tagot állapotegyenletével is jellemezhetünk Kezdeti állapot: az állapotteres leírás gazdagabb, mint az átviteli függvénnyel történő leírás (nem irányítható és nem megfigyelhető alrendszereket is tartalmazza) Az állapotegyenlet Lapalace-transzformáltja: Karakterisztikus polinom ( s) det( si A)

34 Zérus-Pólus-Erősítés (Zero- Pole-Gain) Az átviteli függvényt gyöktényezős alakra hozva: a gyökök valós számok vagy komplex konjugált párok lehetnek

35 Tagok leírása MATLAB-ban A Matlab Control Systems Toolbox segítségével a lineáris tagok mindhárom alakban vizsgálhatóak. átviteli függvény: transfer function (tf), állapotegyenlet: state-space (ss), gyöktényezs alak: zero-pole-gain (zpk) ss2tf(), tf2ss(), ss2zp(), zp2ss(), zp2tf(), tf2zp() áttérések conv() polinom szorzás

36 Tartalom Tipikus vizsgálójelek és azok információtartalma Laplace transzformáció, állapotegyenlet, átviteli függvény Alaptagok leírása Alaptagok kapcsolása

37 Soros kapcsolás sys = series(sys1,sys2) A parancs a tagok szorzását jelenti: sys = sys2 * sys1

38 Párhuzamos kapcsolás sys = parallel(sys1,sys2) A parancs a tagok összeadását jelenti: sys = sys1 + sys2

39 Visszacsatolás Előre vezető ág / (1 plusz hurokerősítés) sys = feedback(sys1,sys2) A default feedback negatív visszacsatolást jelent. Pozitív visszacsatolás: sys = feedback(sys1,sys2,+1)

40 Példa r e 10 s 1 2 u 1 u 1 y s s 3 5 z 4 Mennyi az eredő átviteli függvény?

41 Példa W 2 (s) W 10 1 (s) W 4 (s) s 1 r e 2 u 1 u 1 y s W 3 (s) s 3 5 z W 5 (s) 4

42 Példa W 2 (s) W 10 1 (s) W 4 (s) s 1 r e 2 u 1 u 1 y s W 3 (s) s 3 5 W 5 (s) z 4 Párhuzamos kapcsolás W 23 ( s) W2 ( s) W3 ( s) 10 5 s 1 5 ( s 3) s 1 mo2=10; no2=[1 1]; mo3=5; no3=1; [p1,p2]=parallel(mo2,no2,mo3,no3);

43 Példa W 2 (s) W 10 1 (s) W 4 (s) s 1 r e 2 u 1 u 1 y s W 3 23 (s) (s) s 3 5 z W 5 (s) 4 Soros kapcsolás W 123 ( s) W1 ( s) W23 ( s) 2 5 ( s 3) s s 1 10 ( s 3) s ( s 1) mo1=2; no1=[1 0]; [s1,s2]=series(p1,p2,mo1,no1);

44 Példa W 2 (s) W 10 1 (s) W 4 (s) s 1 r e 2 u 1 u 1 y W s 123 (s) W 3 (s) s 3 5 z W 5 (s) 4 Soros kapcsolás W ( s) W123( s) W4 10 s ( s 1) 10( s 3) 1 ( s) s ( s 1) s mo4=1; no4=[1 3]; [s3,s4]=series(s1,s2,mo4,no4);

45 Példa W 10 1 (s) W 4 (s) s 1 r e 2 u 1 u 1 y s W 3 (s) W 1234 (s) s 3 5 z W 5 (s) 4 Negatív visszacsatolás W W ( s) 1W ( s) 10 s ( s 1) ( s) s ( s 1) ( s) W5 s 2 10 s 40 mo5=4; no5=1; [m,n]=feedback(s3,s4,mo5,no5)

46 Példa r e 10 s 1 2 u 1 u 1 y s s 3 5 z 4 W ( s) s 3 s 2 4s 10 s 40 10s s 120 Eredmény: m = n =

47 Köszönöm a figyelmet! kovacs.levente@nik.uni-obuda.hu