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

Hasonló dokumentumok
Tartalom. Állapottér reprezentációk tulajdonságai stabilitás irányíthatóság megfigyelhetőség minimalitás

Bevezetés az állapottér elméletbe: Állapottér reprezentációk

Bevezetés az állapottér-elméletbe Dinamikus rendszerek állapottér reprezentációi

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

L-transzformáltja: G(s) = L{g(t)}.

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

Inverz inga irányítása állapot-visszacsatolással

Irányításelmélet és technika I.

Irányítástechnika GÁSPÁR PÉTER. Prof. BOKOR JÓZSEF útmutatásai alapján

Inverz inga állapot-visszacsatolás tervezés Matlab segédlet

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

Irányítástechnika GÁSPÁR PÉTER. Prof. BOKOR JÓZSEF útmutatásai alapján

pont) Írja fel M struktúrában a parametrikus bizonytalansággal jellemzett

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

Irányítástechnika II. Nem hivatalos vizsga beugró kérdéssor kidolgozás

Lineáris algebra Gyakorló feladatok

Irányítástechnika 2. előadás

Tartalom. Soros kompenzátor tervezése 1. Tervezési célok 2. Tervezés felnyitott hurokban 3. Elemzés zárt hurokban 4. Demonstrációs példák

Segédlet a gyakorlati tananyaghoz GEVAU141B, GEVAU188B c. tantárgyakból

3. előadás Stabilitás

"Flat" rendszerek. definíciók, példák, alkalmazások

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

IRÁNYÍTÁSTECHNIKA II.

Mátrix-exponens, Laplace transzformáció

DIFFERENCIÁLEGYENLETEK. BSc. Matematika II. BGRMA2HNND, BGRMA2HNNC

Irányítástechnika II. előadásvázlat

LTI Rendszerek Dinamikus Analízise és Szabályozásának Alapjai

SZABÁLYOZÁSI KÖRÖK 2.

Soros felépítésű folytonos PID szabályozó

RENDSZERTECHNIKA 8. GYAKORLAT

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

Számítógép-vezérelt szabályozás- és irányításelmélet

Matematika A3 1. ZH+megoldás

2. REZGÉSEK Harmonikus rezgések: 2.2. Csillapított rezgések

Márkus Zsolt Tulajdonságok, jelleggörbék, stb BMF -

Számítógépes gyakorlat MATLAB, Control System Toolbox

Matematika A2 vizsga mgeoldása június 4.

Vektorok, mátrixok, lineáris egyenletrendszerek

Számítógépes gyakorlat MATLAB, Control System Toolbox

differenciálegyenletek

y = y 0 exp (ax) Y (x) = exp (Ax)Y 0 A n x n 1 (n 1)! = A I + d exp (Ax) = A exp (Ax) exp (Ax)

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

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

Differenciálegyenlet rendszerek

Az egységugrás függvény a 0 időpillanatot követően 10 nagyságú jelet ad, valamint K=2. Vizsgáljuk meg a kimenetet:

15. LINEÁRIS EGYENLETRENDSZEREK

Mechanika I-II. Példatár

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

Dinamikus modellek szerkezete, SDG modellek

Irányítástechnika GÁSPÁR PÉTER. Prof. BOKOR JÓZSEF útmutatásai alapján

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

1. zárthelyi,

Számítógépvezérelt szabályozások elmélete

1.7. Elsőrendű lineáris differenciálegyenlet-rendszerek

Állapottér modellek tulajdonságai PTE PMMK MI BSc 1

karakterisztikus egyenlet Ortogonális mátrixok. Kvadratikus alakok főtengelytranszformációja

Lineáris algebra gyakorlat

Matematika (mesterképzés)

Irányításelmélet és technika II.

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

6. feladatsor: Inhomogén lineáris differenciálegyenletek (megoldás)

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

Az impulzusnyomatékok általános elmélete

Reakciókinetika és katalízis

3. Lineáris differenciálegyenletek

Mátrixok 2017 Mátrixok

Polinomok maradékos osztása

Differenciálegyenletek gyakorlat december 5.

Infobionika ROBOTIKA. XI. Előadás. Robot manipulátorok III. Differenciális kinematika. Készült a HEFOP P /1.0 projekt keretében

Történeti Áttekintés

Norma Determináns, inverz Kondíciószám Direkt és inverz hibák Lin. egyenletrendszerek A Gauss-módszer. Lineáris algebra numerikus módszerei

Fourier transzformáció

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

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

Infobionika ROBOTIKA. X. Előadás. Robot manipulátorok II. Direkt és inverz kinematika. Készült a HEFOP P /1.0 projekt keretében

Mátrixfüggvények. Wettl Ferenc április 28. Wettl Ferenc Mátrixfüggvények április / 22

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

Modellek és Algoritmusok - 2.ZH Elmélet

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)

Bevezetés az algebrába 2

Bevezetés az algebrába 2


Megoldott feladatok november 30. n+3 szigorúan monoton csökken, 5. n+3. lim a n = lim. n+3 = 2n+3 n+4 2n+1

Meghatározás: Olyan egyenlet, amely a független változók mellett tartalmaz egy vagy több függvényt és azok deriváltjait.

Determinánsok. A determináns fogalma olyan algebrai segédeszköz, amellyel. szolgáltat az előbbi kérdésekre, bár ez nem mindig hatékony.

Számítógépes Grafika mintafeladatok

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

Gyártórendszerek irányítási struktúrái

Bevezetés az algebrába 2 Differencia- és differenciálegyenlet-rendszerek

MODELLEK ÉS ALGORITMUSOK ELŐADÁS

Lineáris egyenletrendszerek

Feladatok Differenciálegyenletek II. témakörhöz. 1. Határozzuk meg a következő elsőrendű lineáris differenciálegyenletek általános megoldását!

Mechatronika alapjai órai jegyzet

2.1. Másodrendű homogén lineáris differenciálegyenletek. A megfelelő másodrendű homogén lineáris differenciálegyenlet általános alakja

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

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

Digitális jelfeldolgozás

Mérnöki alapok 2. előadás

Gépészeti rendszertechnika (NGB_KV002_1)

Reichardt András okt. 13 nov. 8.

Átírás:

Tartalom 1. Állapotegyenletek megoldása 2. Állapot visszacsatolás (pólusallokáció) 2015 1

Állapotgyenletek megoldása Tekintsük az ẋ(t) = ax(t), x(0) = 1 differenciálegyenletet. Ismert, hogy a megoldás függvény x(t) = e at alakú. Hasonló alakú megoldást kapunk akkor is ha x(t) R n és A R n n. Az ẋ(t) = Ax(t), x(0) = x 0 homogén diff. egyenlet megoldása: x(t) = e At x 0, 2015 2

Állapotgyenletek megoldása ahol az e At exponenciális mátrixfüggvényt a következőképpen értelmezzük: e At = I + At + A2 t 2 2! + A3 t 3 3! +..., az e at = 1+at +a 2 t 2 /2!+... hatványsorral való analógia alapján. 2015 3

Állapotgyenletek megoldása Diagonál reprezentációknál e A dt alakja igen egyszerű. Legyen A d R 2 2, ekkor e A dt = eλ 1t 0 0 e λ 2t. 2015 4

Állapotgyenletek megoldása Az inhomogén ẋ = Ax(t) + bu(t) y(t) = c T x(t) egyenlet megoldása a következő: x(t) = e At x 0 + y(t) = c T x(t). t 0 e A(t τ) bu(τ)dτ 2015 5

Állapotgyenletek megoldása Ebből a konvolúciós integrálból közvetlenül látható, hogy a rendszer súlyfüggvényét az állapottér reprezentáció ismeretében a következőképp kapjuk: g(t) = c T e At b. 2015 6

Tartalom 1. Állapotegyenletek megoldása 2. Állapot visszacsatolás (pólusallokáció) 2015 7

Állapot visszacsatolás Adott egy rendszer n-dimenziós (A,b,c T ) állapottér reprezentációja: ẋ = Ax + bu y = c T x. A rendszer karakterisztikus polinomja: a(s) = det(si A) = s n + a n 1 s n 1 +... + a 1 s + a 0. Cél: módosítsuk a rendszer dinamikáját az x(t) állapot visszacsatolásával, azaz legyen a bemenőjel u = k T x + r, 2015 8

Állapot visszacsatolás ahol: r(t) egy külső referencia jel, k T a visszacsatolás erősítési tényezőinek sorvektora: [ ] k T = k n 1... k 0. 2015 9

Állapot visszacsatolás A visszacsatolt (zárt) rendszer blokkdiagramja: 2015 10

Állapot visszacsatolás Behelyettesítve a bemenőjel alakját az állapotegyenletbe, a zárt rendszer állapotegyenlete a következő lesz: ẋ = Ax + b( k T x + r), ẋ = ( A bk T) x + br, y = c T x, amiből a zárt rendszer karakterisztikus polinomjára azt kapjuk, hogy ā(s) = det(si A+bk T ) = s n +ā n 1 s n 1 +...+ā 1 s+ā 0. 2015 11

Állapot visszacsatolás Az alábbiakban megmutatjuk, hogy a k erősítés megfelelő megválasztásával a zárt rendszer karakterisztikus polinomja tetszőlegesen beállítható, ha az (A,b,c T ) rendszer irányítható. Mivel minden irányítható állapottér reprezentáció irányítható alakra hozható, tegyük fel, hogy a rendszert irányítható alakra hoztuk: ẋ c = A c x c + b c u y = c T c x c. 2015 12

Állapot visszacsatolás Ekkor az ẋ c = ( A c b c k T c ) xc + br egyenletben A c b c k T c = = a n 1... a 1 a 0 1 1 0 0 0 [ ] k 0..... cn 1... k c0 = 0... 1 0 0 (a n 1 + k cn 1 )... (a 1 + k c1 ) (a 0 + k c0 ) 1 0 0, 0.... 0... 1 0 2015 13

Állapot visszacsatolás amiből következik, hogy ā(s) = det(si A c + b c k T c ) = s n + (a n 1 + k cn 1 )s n 1 +... + (a 1 + k c1 )s + (a 0 + k c0 ), tehát a zárt rendszer karakterisztikus polinomjának ā i, (i = 0,...,n 1) együtthatóit előírva ehhez a k vektor elemei meghatározhatók: ā i = a i + k ci = k ci = ā i a i, i = 0,...,n 1. 2015 14

Állapot visszacsatolás Ha a zárt rendszer pólusait előírjuk, akkor rögzítjük a p 1,..., p n pólusokat, amiből az ā(s) karakterisztikus polinomot ā(s) = (s p 1 )... (s p n ) alakban számítjuk. 2015 15

Állapot visszacsatolás Ezzel az eljárással az irányíthatósági alakra vonatkozó k T c erősítés vektort tetszőlegesen előírt ā(s) karakterisztikus polinomhoz meg tudjuk határozni. Ha a rendszer irányítható, de nem irányíthatósági alakban adott, akkor egy T c nemszinguláris transzformációs mátrix segítségével irányíthatósági alakra hozható. 2015 16

Állapot visszacsatolás Az irányíthatósági alakban jelöljük A c és b c -vel az állapotdinamikai egyenlet mátrixait. A tervezés ebben az irányíthatósági alakban történik. A tervezett kc T erősítést azonban vissza kell transzformálni az eredeti rendszer állapotterére! A visszatranszformálás összefüggése: k T = k T c T c 2015 17

Állapot visszacsatolás Az állapot visszacsatolás tervezési lépései: 1. A rendszer irányíthatóságának ellenőrzése 2. Az eredeti rendszer karakterisztikus polinomjának számítása: a(s) = det (si A) 3. A T c irányíthatósági alakba transzformáló mátrix meghatározása 2015 18

Állapot visszacsatolás 4. Az új p i pólusok előírása, a szabályozott rendszer karakterisztikus polinomjának kiszámítása: ā(s) = (s p 1 )... (s p n ) 5. Az irányíthatósági alakra vonatkozó erősítések számítása: k ci = ā i a i 2015 19

Állapot visszacsatolás 6. A kapott erősítés vektor visszatranszformálása az eredeti állapottérbe: k T = k T c T c 7. A zárt, szabályozott rendszer időtartományi viselkedésének elemzése 2015 20

Inverz inga egyszerűsített modellje Az inverz inga egy M tömegű kocsira rögzített csapágyon szabadon elforgó rúd, melynek m tömege a rúd középpontjába van redukálva. 2015 21

Az inverz inga mint dinamikus rendszer súlyfüggvényének és átviteli függvényének levezetéséhez a Newton mozgásegyenletekből indulunk ki, amelyeket az M és m tömegekre írunk fel. 2015 22

Példa: Inverz inga szabályozása pólusallokációval Az inverz inga u bemenőjele (horizontális erő) és θ kimenőjele (szögelfordulás) közötti átviteli függvény. θ(s) = 1/Ml s 2 a 0 U(s), ahol M a kocsi tömege m az inga tömege a 0 = (M + m)g Ml g l > 0, l az inga hossza. A rendszer pólusai: p 1,2 = ± a 0. Az inverz inga instabil, de ha irányítható, akkor pólusallokációval stabilizálhatjuk. 2015 23

Az inga irányíthatósági állapottér reprezentációja: A c = 0 a 0 1 0, b c = 1 0, irányíthatósági mátrixa: C 2 (A c,b c ) = 1 0 0 1, tehát rangc 2 (A c,b c ) = 2, így az inga irányítható, állapot visszacsatolással stabilizálható. Megjegyzés: az a rendszer, aminek létezik irányíthatósági állapottér reprezentációja, eleve irányítható! 2015 24

Legyen l = 9.81m, ekkor a(s) = s 2 a o = s 2 1 és írjuk elő, hogy a zárt rendszernek két valós pólusa legyen, pl. p 1 = 1 és p 2 = 2! A ā(s) = (s + 1)(s + 2) = s 2 + 3s + 2, így ā 1 = 3, ā 0 = 2. Az állapot erősítés tehát: k 1 = ā 1 a 1 = 3, k 0 = ā 0 a 0 = 2 ( 1) = 3. 2015 25

Ellenőrzésképpen a visszacsatolt rendszer karakterisztikus egyenlete: det ( si A c + b c k T) = det s 1 + 3 3 = 1 s 0 0 = det s + 3 2 = s 2 + 3s + 2, 1 s a zárt rendszer pólusai tehát valóban stabilak és p 1 = 1, p 2 = 2. 2015 26

Az inverz inga összetett mechanikai modellje: z = m M g θ + 1 M u θ = (M + m)g θ 1 M l M l u Válasszuk meg az állapotvektort és a rendszer kimenetét a következő módon: x = [ ] T z ż θ θ y = z 2015 27

Így az inverz inga állapotdinamikai és megfigyelési egyenletei: ż z θ θ = 0 1 0 0 0 0 m M g 0 0 0 0 1 0 0 (M+m)g Ml 0 z ż θ θ + 0 1 M 0 1 Ml u y = [ 1 0 0 0 ] z ż θ θ 2015 28

Helyettesítsük be az M = 2kg, m = 0, 1kg és l = 0, 5m paramétereket! A = 0 1 0 0 0 0 0,4903 0 0 0 0 1 0 0 20,594 0 b = 0 0,5 0 1 c T = [ ] 1 0 0 0 2015 29

Az irányíthatósági mátrix: 0 0, 5 0 0, 4903 0, 5 0 0, 4903 0 C = 0 1 0 20, 594 1 0 20, 594 0 2015 30

1. det(c) = 96,1714 0 tehát az inga irányítható, állapot visszacsatolással stabilizálható. 2. Az eredeti rendszer karakterisztikus polinomja: a(s) = s 4 20,594s 2, pólusai pedig: 0, 0, 4.5381, 4.5381 2015 31

3. Az irányíthatósági alakba vivő transzformációs mátrix: 1 0 20,594 0 T c = (C T ) 1 0 1 0 20,594 T = 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 T c = 0 0, 102 0 0, 051 0, 102 0 0, 051 0 2015 32

4. Tervezés kétféle pólus konfigurációra: p 1 = [ 5 5 2 + 3,46i 2 3,46i] p 2 = [ 4,5381 4,5381 2 2] ā 1 (s) =s 4 + 14s 3 + 80,9716s 2 + 259,716s + 399,29 ā 2 (s) =s 4 + 13,0762s 3 + 60,8992s 2 + 118,6822s + 82,3774 2015 33

5. Erősítések irányíthatósági alakban: k T c 1 = [14 101,5656 259,716 399,29] k T c 2 = [13,0762 81,4932 118,6822 82,3774] 6. Erősítések visszatranszformált alakban: k T 1 = [ 40,7160 26,4835 121,9236 27,2418] k T 2 = [ 8,4001 12,1022 85,6932 19,1273] 7. Elemzés időtartományban, az 1. másodpercben Dirac δ gerjesztést adva a rúd szögsebességére ( pöckölés ): 2015 34

A rúd θ szögelfordulása az első esetben: 0.5 0.4 0.3 θ rúd szögelfordulás [fok] 0.2 0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Idõ [sec] 2015 35

A kocsi z elmozdulása az első esetben: 10 8 z kocsi elmozdulás [mm] 6 4 2 0 2 4 6 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Idõ [sec] 2015 36

A rendszer bemenetének alakulása az első esetben: 30 25 20 Bemenet [N] 15 10 5 0 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Idõ [sec] 2015 37

A rúd θ szögelfordulása a második esetben: 0.6 0.5 0.4 θ rúd szögelfordulás [fok] 0.3 0.2 0.1 0 0.1 0.2 0.3 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Idõ [sec] 2015 38

A kocsi z elmozdulása a második esetben: 8 6 z kocsi elmozdulás [mm] 4 2 0 2 4 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Idõ [sec] 2015 39

A rendszerbemenet alakulása a második esetben: 20 15 Bemenet [N] 10 5 0 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Idõ [sec] 2015 40

Látható, hogy a második esetben kisebbek a túllendülések mind θ-t, mind z-t tekintve és a rendszer bemenetének maximális értéke is kisebb (ahogy a k T erősítés vektor elemei is kisebbek). Ez annak köszönhető, hogy a komplex konjugált pár helyett csak a valós részeket használtuk a második esetben és a valós pólusokat is közelebb helyeztük el a 0-hoz. 2015 41

Jól megfigyelhető az is, hogy a komplex konjugált pár lengőrendszert jelent. Az első esetben minden jellemző több lengésen keresztül áll csak be zérus értékűre. Ezzel szemben a második esetben a csak valós pólusok egyszeri lengés után aszimptotikus beállást eredményeznek. 2015 42