Bevezetés az állapottér-elméletbe Dinamikus rendszerek állapottér reprezentációi

Hasonló dokumentumok
Bevezetés az állapottér elméletbe: Állapottér reprezentációk

Tartalom. Állapottér reprezentációk tulajdonságai stabilitás irányíthatóság megfigyelhetőség minimalitás

Tartalom. 1. Állapotegyenletek megoldása 2. Állapot visszacsatolás (pólusallokáció)

Ha ismert (A,b,c T ), akkor

Irányítástechnika II. előadásvázlat

Irányításelmélet és technika I.

Irányítástechnika 2. előadás

L-transzformáltja: G(s) = L{g(t)}.

IRÁNYÍTÁSTECHNIKA II.

Irányítástechnika II. Nem hivatalos vizsga beugró kérdéssor kidolgozás

Irányítástechnika GÁSPÁR PÉTER. Prof. BOKOR JÓZSEF útmutatásai alapján

Négypólusok tárgyalása Laplace transzformációval

Számítógépes gyakorlat MATLAB, Control System Toolbox

pont) Írja fel M struktúrában a parametrikus bizonytalansággal jellemzett

Matematika III. harmadik előadás

Inverz Laplace-transzformáció. Vajda István március 4.

Számítógépvezérelt irányítás és szabályozás elmélete (Bevezetés a rendszer- és irányításelméletbe, Computer Controlled Systems) 9.

Segédlet a gyakorlati tananyaghoz GEVAU141B, GEVAU188B c. tantárgyakból

Differenciálegyenletek. Vajda István március 4.

Differenciálegyenletek megoldása Laplace-transzformációval. Vajda István március 21.

3. előadás Stabilitás

Irányítástechnika GÁSPÁR PÉTER. Prof. BOKOR JÓZSEF útmutatásai alapján

Számítógépvezérelt irányítás és szabályozás elmélete (Bevezetés a rendszer- és irányításelméletbe, Computer Controlled Systems) 8.

DINAMIKAI VIZSGÁLAT OPERÁTOROS TARTOMÁNYBAN Dr. Aradi Petra, Dr. Niedermayer Péter: Rendszertechnika segédlet 1

Hurokegyenlet alakja, ha az áram irányával megegyező feszültségeséseket tekintjük pozitívnak:

Számítógépvezérelt irányítás és szabályozás elmélete (Bevezetés a rendszer- és irányításelméletbe, Computer Controlled Systems) 7.

Számítógép-vezérelt szabályozás- és irányításelmélet

Egyenletek, egyenlőtlenségek VII.

Vektorok, mátrixok, lineáris egyenletrendszerek

Állapottér modellek tulajdonságai PTE PMMK MI BSc 1

Differenciálegyenlet rendszerek

9. Előadás. (9. előadás) Lineáris egyr.(3.), Sajátérték április / 35

Inverz inga irányítása állapot-visszacsatolással

Mátrix-exponens, Laplace transzformáció

y + a y + b y = r(x),

Irányítástechnika GÁSPÁR PÉTER. Prof. BOKOR JÓZSEF útmutatásai alapján

Mechanika I-II. Példatár

FEGYVERNEKI SÁNDOR, Valószínűség-sZÁMÍTÁs És MATEMATIKAI

Megoldások MATEMATIKA II. VIZSGA (VK) NBT. NG. NMH. SZAKOS HALLGATÓK RÉSZÉRE (Kérjük, hogy a megfelelő szakot jelölje be!

1. Feladat. 1. ábra. Megoldás

Matematika A3 1. ZH+megoldás

DIFFERENCIÁLEGYENLETEK. BSc. Matematika II. BGRMA2HNND, BGRMA2HNNC

Lineáris algebra Gyakorló feladatok

Matematika (mesterképzés)

Reichardt András okt. 13 nov. 8.

3. Lineáris differenciálegyenletek

6. gyakorlat. Gelle Kitti. Csendes Tibor Somogyi Viktor. London András. jegyzetei alapján

Differenciálegyenletek megoldása próbafüggvény-módszerrel

sin x = cos x =? sin x = dx =? dx = cos x =? g) Adja meg a helyettesítéses integrálás szabályát határozott integrálokra vonatkozóan!

Elhangzott tananyag óránkénti bontásban

Differenciálegyenletek numerikus megoldása

"Flat" rendszerek. definíciók, példák, alkalmazások

6. feladatsor: Inhomogén lineáris differenciálegyenletek (megoldás)

Inverz inga állapot-visszacsatolás tervezés Matlab segédlet

Feladatok a Diffrenciálegyenletek IV témakörhöz. 1. Határozzuk meg következő differenciálegyenletek általános megoldását a próba függvény módszerrel.

Számítógépvezérelt irányítás és szabályozás elmélete (Bevezetés a rendszer- és irányításelméletbe, Computer Controlled Systems) 9. el?

MECHATRONIKA Mechatronika alapképzési szak (BSc) záróvizsga kérdései. (Javítás dátuma: )

Számítógépvezérelt szabályozások elmélete

Matematika II. 1 sin xdx =, 1 cos xdx =, 1 + x 2 dx =

Márkus Zsolt Tulajdonságok, jelleggörbék, stb BMF -

Történeti Áttekintés

Saj at ert ek-probl em ak febru ar 26.

Differenciálegyenletek december 13.

Lineáris leképezések. 2. Lineáris-e az f : R 2 R 2 f(x, y) = (x + y, x 2 )

Gauss-Jordan módszer Legkisebb négyzetek módszere, egyenes LNM, polinom LNM, függvény. Lineáris algebra numerikus módszerei

Gauss-Seidel iteráció

Lineáris leképezések (előadásvázlat, szeptember 28.) Maróti Miklós, Kátai-Urbán Kamilla

RENDSZERTECHNIKA 8. GYAKORLAT

Egyenletek, egyenlőtlenségek V.

Matematika II képletek. 1 sin xdx =, cos 2 x dx = sh 2 x dx = 1 + x 2 dx = 1 x. cos xdx =,

15. LINEÁRIS EGYENLETRENDSZEREK

0-49 pont: elégtelen, pont: elégséges, pont: közepes, pont: jó, pont: jeles

Matematika III előadás

Ideiglenes példatár az Intelligens rendszerek I. kurzus 1. zárthelyi dolgozatához

Egyenes és sík. Wettl Ferenc szeptember 29. Wettl Ferenc () Egyenes és sík szeptember / 15

Jelek és rendszerek - 4.előadás

Folytonos rendszeregyenletek megoldása. 1. Folytonos idejű (FI) rendszeregyenlet általános alakja

4. Laplace transzformáció és alkalmazása

1. zárthelyi,

Differenciálegyenletek

Gauss-eliminációval, Cholesky felbontás, QR felbontás

Alaptagok Nyquist és Bode diagramjai

Vektorterek. =a gyakorlatokon megoldásra ajánlott

Reakciókinetika és katalízis

Határozatlan integrál

Kvadratikus alakok és euklideszi terek (előadásvázlat, október 5.) Maróti Miklós, Kátai-Urbán Kamilla

LNM folytonos Az interpoláció Lagrange interpoláció. Lineáris algebra numerikus módszerei

1. feladatsor: Vektorterek, lineáris kombináció, mátrixok, determináns (megoldás)

1.9. B - SPLINEOK B - SPLINEOK EGZISZTENCIÁJA. numerikus analízis ii. 34. [ a, b] - n legfeljebb n darab gyöke lehet. = r (m 1) n = r m + n 1

10. Előadás. Megyesi László: Lineáris algebra, oldal. 10. előadás Sajátérték, Kvadaratikus alak

Bevezetés a modern fizika fejezeteibe. 1.(a) Rugalmas hullámok. Utolsó módosítás: szeptember 28. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

Lineáris egyenletrendszerek

Gauss elimináció, LU felbontás

λx f 1 (x) e λx f 2 (x) λe λx f 2 (x) + e λx f 2(x) e λx f 2 (x) Hasonlóan általában is elérhető sorműveletekkel, hogy csak f (j)

Az impulzusnyomatékok általános elmélete

Mechatronika alapjai órai jegyzet

: s s t 2 s t. m m m. e f e f. a a ab a b c. a c b ac. 5. Végezzük el a kijelölt m veleteket a változók lehetséges értékei mellett!

Lineáris algebra 2. Filip Ferdinánd december 7. siva.banki.hu/jegyzetek

Dinamikus modellek szerkezete, SDG modellek

karakterisztikus egyenlet Ortogonális mátrixok. Kvadratikus alakok főtengelytranszformációja

Átírás:

Tartalom Bevezetés az állapottér-elméletbe Irányítható alak Megfigyelhetőségi alak Diagonális alak Állapottér transzformáció 2018 1

A szabályozáselmélet klasszikus, BODE, NICHOLS, NYQUIST nevéhez kötődő, dominánsan frekvenciatartománybeli analízis és szintézis (tervezési) módszerei az 1960-as évektől kezdődően kiegészültek új, főleg időtartománybeli rendszer- és irányításelméleti módszerekkel. 2018 2

Ezeket az ún. modern irányzatokat a rendszer állapot és az állapottér bevezetése jellemezte, így a hozzájuk illeszkedő tervezési módszereket állapottér módszereknek nevezzük. A modern kor egyik legjelesebb képviselője a magyar származású RUDOLF E. KALMAN, akinek 1961 és 1965 között megjelent cikkei számos alapvető koncepció letételét és probléma megoldását jelentették. 2018 3

A súlyfüggvény segítségével a bemenő- és kimenőjelek kapcsolata a következőképp adható meg (zérus kezdeti feltétel esetén) y(t) = 0 g(τ)u(t τ)dτ u(t) g(t) y(t) 2018 4

Az átviteli függvény definíciója a LAPLACE-transzformáltak segítségével G(s) = Y (s) U(s), ahol Y (s) = L{y(t)}, U(s) = L{u(t)}, tehát G(s) = L{g(t)}. 2018 5

1. Definíció (Állapot). A rendszer állapota egy t 0 időpontban az az információ (olyan jelek ismerete), a- melyből az u(t), t t 0 bemenőjel ismeretében a rendszer válasza minden t t 0 időpontra meghatározható. A rendszer válasza itt a jövőbeli, t t 0 időpontra vonatkozó állapotokat és a kimenőjeleket jelenti. A rendszer állapotait leíró jeleket, illetve ezek függvényeit, a rendszer állapotváltozóinak nevezzük. 2018 6

Az állapotváltozók elektromechanikai rendszerekben tipikusan az elmozdulás, sebesség, szögelfordulás, szögsebesség, feszültség, áram vagy az ezekből (lineáris kombinációval, differenciálással, integrálással) képzett jelek lehetnek. Az állapot meghatározását a differenciálegyenlet, majd az átviteli függvény ismeretéből kiindulva a következő példákon keresztül mutatjuk be. 2018 7

1. Példa: Tekintsük az alábbi rezgő tömegpont dinamikáját. Az m tömeget a c rugómerevségű rugón keresztül gerjesztjük, elmozdulását egy potenciométerrel mérjük. 2018 8

Ekkor a rendszer differenciálegyenlete m l + k l = c(u l), amiből átrendezéssel kapjuk, hogy l + k m l + c m l = c m u. 2018 9

A mérési vagy megfigyelési egyenlet a feszültségosztó összefüggése alapján y = U 0 l 0 l. Legyenek az állapotváltozók a tömegpont elmozdulása és sebessége (ezeket a mechanikában szokás fázisváltozóknak nevezni), azaz x 1 = l, x 2 = l. 2018 10

Ekkor l = ẋ 2 és ẋ 1 = x 2, ezeket a dinamikát leíró differenciálegyenletbe és a megfigyelési egyenletbe helyettesítve kapjuk ẋ 2 = c m x 1 k m x 2 + c m u, y = U 0 l 0 x 1. 2018 11

Mátrixos jelölésekkel: ẋ1 = 0 1 x 1 ẋ 2 a 1 a 0 x 2 [ ] y = c 1 c 2 x 1, x 2 + b 1 b 2 u amiből a következő állapot egyenleteket kapjuk: ẋ f = A f x f + b f u y = c T f x f 2018 12

ahol a 1 = c m, a 0 = k m, b 1 = 0, b 2 = c m c 1 = U 0 l 0, c 2 = 0. Tekintettel arra, hogy az x f állapotvetor az ún. fázissík eleme, a fenti speciális alakú állapottér alakot fázisváltozós alaknak nevezzük, jelölésére pedig az f indexet használhatjuk. 2018 13

2. Példa: Tegyük fel, hogy adott egy rendszer átviteli függvénye: G(s) = b(s) a(s) = b 1s + b 0 s 2 + a 1 s + a 0 = Y (s) U(s). A bemenőjel LAPLACE-transzformáltja U(s) és a kimenőjel LAPLACE-transzformáltja Y (s) közötti kapcsolatot ekkor a következőképp írhatjuk: Y (s) = b(s)a 1 (s)u(s). 2018 14

Vezessük be a ξ(s) változót az alábbi módon: ξ(s) = a 1 (s)u(s). Ekkor a kimenő, ill. a bemenő jel LAPLACE-transzformáltja: Y (s) = b(s)ξ(s), U(s) = a(s)ξ(s), vagyis esetünkben: Y (s) = [b 1 s + b 0 ]ξ(s) és U(s) = [ ] s 2 + a 1 s + a 0 ξ(s). 2018 15

Időtartományban a ξ(t) változó, az y(t) kimenő- és az u(t) bemenőjel kapcsolatát leíró differenciálegyenletek: y(t) = b 1 ξ(t) + b0 ξ(t) u(t) = ξ(t) + a 1 ξ(t) + a0 ξ(t) 2018 16

Vezessük be a következő új változókat, amelyeket állapotváltozóknak nevezünk: x 1 = ξ, x 2 = ξ. Figyelembe véve, hogy ẋ 1 = ξ és ẋ 2 = ξ = x 1, az alábbi elsőrendű differenciálegyenletekhez jutunk: ẋ 1 = a 1 x 1 a 0 x 2 + u ẋ 2 = x 1 állapotdinamika egyenletrendszere. 2018 17

Az állapotváltozókból a rendszer kimenőjele a következőképp kapható meg: y = b 1 x 1 + b 0 x 2 megfigyelési egyenlet. 2018 18

Mátrixos jelölésekkel: ẋ1 ẋ 2 = y = a 1 a 0 x 1 1 0 x 2 [ ] b 1 b 0 x 1, x 2 + 1 0 u amiből a következő állapotegyenleteket kapjuk: ẋ c = A c x c + b c u y = c T c x c 2018 19

ahol A c = a 1 a 0 1 0, b c = 1 0, c T c = [ ] b 1 b 0. Az állapotegyenletben szereplő mátrixok speciális struktúrája miatt ezt az állapottér reprezentációt irányítható alaknak nevezzük. 2018 20

Irányítható alak Irányítható alak: Ha egy rendszer átviteli függvénye G(s) = b(s) a(s) alakú, ahol a(s) = s n + a n 1 s n 1 +... + a 1 s + a 0 b(s) = b n 1 s n 1 +... + b 1 s + b 0, akkor az (A c,b c,c T c ) állapottér reprezentációban az A c mátrix legelső sorát az a(s) polinom együtthatóiból (negatív előjellel véve!), a c T c vektort pedig a b(s) polinom együtthatóiból képezzük. és 2018 21

Irányítható alak Az A c mátrix speciális struktúrájából következően egyszerűen megmutatható, hogy a(s) = det(si A c ), ahol I az n dimenziós egységmátrix. 2018 22

Irányítható alak 1. Megjegyzés: Vegyük észre, hogy az átviteli függvény nevezőjének fokszáma megegyezik az x(t) állapotvektor dimenziójával, azaz deg{a(s)} = dim{x(t)}! A példában a dim{x(t)} = 2, amit az állapottér reprezentáció dimenziójának nevezünk és erre a dim{x(t)} = n jelölést használjuk. 2018 23

Irányítható alak 2. Megjegyzés: Ha a(s) = a n s n + a n 1 s n 1 +... + a 1 s + a 0 alakú, akkor le kell osztani a G(s) átviteli függvény számlálóját és nevezőjét is a n -nel, hogy a szükséges a n = 1 alakhoz (főegyütthatós) jussunk. A főegyütthatós a(s) polinom tehát: a(s) = s n + a n 1 s n 1 +... + a 1 s + a 0 2018 24

Megfigyelhetőségi alak A megfigyelhetőségi alak közvetlenül képezhető az irányíthatósági alakból az alábbiak szerint: A o = A c T, b o = ( c T c ) T, c T o = b T c Így az előző kétdimenziós esetre (lásd 2. Példa): A o = a 1 1, b o = b [ ] 1, c T o = 1 0. a 0 0 b 0 2018 25

Diagonális alak 3. Példa (Diagonális alak): Induljunk ki a G(s) átviteli függvény parciális tört alakban való felírásából: Y (s) = b(s) a(s) U(s) = b 1s + b 0 U(s) = s 2 + a 1 s + a [ 0 r1 = + r ] 2 U(s), s λ 1 s λ 2 ahol λ 1, λ 2 az s 2 +a 1 s+a 0 = 0 karakterisztikus egyenlet gyökei, 2018 26

Diagonális alak r 1, r 2 pedig a λ 1, λ 2 gyökökhöz (a G(s) = b(s) a(s) átviteli függvény pólusaihoz) tartozó reziduumok: b 1 s + b 0 r 1 = lim (s λ 1 ) s λ1 (s λ 1 )(s λ 2 ) = b 1λ 1 + b 0, λ 1 λ 2 b 1 s + b 0 r 2 = lim (s λ 2 ) s λ2 (s λ 1 )(s λ 2 ) = b 1λ 2 + b 0. λ 2 λ 1 2018 27

Diagonális alak Vezessük be új változóként az X 1 (s), X 2 (s) változókat, ahol amiből X 1 (s) = r 1 s λ 1 U(s) X 2 (s) = r 2 s λ 2 U(s) Y (s) = X 1 (s) + X 2 (s) (s λ i )X i (s) = r i U(s) sx i (s) = λ i X i (s) + r i U(s), i = 1,2. 2018 28

Diagonális alak Ekkor időtartományban a következő elsőrendű differenciálegyenleteket kapjuk: ẋ1 ẋ 2 ẋ i = λ i x i + r i u, i = 1,2 = λ 1 0 x 1 + r 1 0 λ 2 x 2 r 2 [ ] y = 1 1 x 1 x 2 u 2018 29

Diagonális alak Az állapotegyenletek mátrixos alakban felírva: ẋ d = A d x d + b d u y = c T d x d, ahol az (A d,b d,c T d ) jelölésben a d index az A d mátrix diagonális alakjára utal, A d = λ 1 0, b d = 0 λ 2 r 1 r 2, c T d = [ 1 1 ]. 2018 30

Diagonális alak Az előző két példában egy adott rendszer átviteli függvényéből kétféle módon írtuk fel az állapotegyenleteket. Ebből látható, hogy egy dinamikus rendszer adott dimenziójú állapottér reprezentációja nem egyértelmű. 2018 31

Állapottér transzformáció Vizsgáljuk azt az esetet, amikor egy adott x állapotvektorból egy új x állapotvektort képezünk az alábbi módon: x = T x ahol T R n n egy n n méretű nemszinguláris transzformációs mátrix, és x R n, x R n. 2018 32

Állapottér transzformáció Tegyük fel, hogy az x állapotvektor az (A,b,c T ) állapottér reprezentációhoz tartozik: ẋ = Ax + bu y = c T x, Határozzuk meg az x állapotvektorhoz tartozó x = Ā x + bu y = c T x egyenletekben szereplő (Ā, b, c T ) mátrixokat. 2018 33

Állapottér transzformáció Mivel x = T 1 x, ezt behelyettesítve az állapotegyenletbe kapjuk, hogy azaz tehát T 1 x = AT 1 x + bu y = c T T 1 x, x = T AT 1 x + T bu y = c T T 1 x, Ā = T AT 1, b = T b, c T = c T T 1. 2018 34

Állapottér transzformáció Az A és Ā mátrixok közötti fenti kapcsolatot hasonlósági transzformációnak nevezzük. Egy rendszer adott dimenziós állapottér reprezentációi egymásból hasonlósági transzformációval alakíthatók át. 2018 35