Κεφάλαιο 5 Ευστάθεια Ελεγξιµότητα - Παρατηρησιµότητα

Transcript

1 Κεφάλαιο 5 Ευστάθεια Ελεγξιµότητα - Παρατηρησιµότητα u u u u Ευστάθεια Ευστάθεια κατά Lyapunov Ασυµπτωτική Ευστάθεια Κριτήρια Ευστάθειας Ελεγξιµότητα Παρατηρησιµότητα Επίδραση της Δειγµατοληψίας στην Ελεγξιµότητα και Παρατηρησιµότητα

2 Ευστάθεια Εξίσωση Γ.Χ.Α.Σ. : Χ.Α.Σ. : x = A + x + B u x = + f x, u, è ειδική περίπτωση του Αρχική Κατάσταση : Αλληλουχία σηµάτων εισόδου : x u = { u,u,,u } u =ϕ x x : «επίλυση», δηλαδή αλληλουχία καταστάσεων που προκύπτει µε είσοδο u και αρχική κτάσταση x, x u x u u x 2 x = x =ϕ x u, Κων/νος Ι. Κυριακόπουλος Συστήµατα Ελέγχου µε Μικροϋπολογιστές 2

3 Αν υπάρχει xe Ευστάθεια συνεχ. έτσι ώστε x = + f x, u, = τότε x e : «κατάσταση ισορροπίας» δηλαδή x f ( x ) e e,, Για Γ.Χ.Α.Σ. x A x B u x A x A I x = + = = + e e e Αν λ = eig ( A) τότε η παραπάνω εξίσωση έχει λύση µόνο το x e = που, κατά συνέπεια, είναι το µοναδικό Σ.Ι. του ΓΧΑΣ. Ειδάλλως, υπάρχουν άπειρα Σ.Ι. και είναι αυτά που αντιστοιχούν στα ιδιοδυανύσµατα του για. A λ = Κων/νος Ι. Κυριακόπουλος Συστήµατα Ελέγχου µε Μικροϋπολογιστές 3

4 Ευστάθεια κατά Lyapunov Μία κατάσταση ισορροπίας συστήµατος ευσταθής αν : ενός είναι για κάθε σφαιρική περιοχή γύρω από το xe µε ακτίνα ε > είναι δυνατόν να ευρεθεί µία άλλη σφαιρική N x e, περιοχή δ, γύρω από την e, µε ακτίνα, έτσι ώστε δ ε > αν το σύστηµα εκκινήσει από µία κατάσταση ( x ) xe δ εντός αυτής (δηλ. της στήµατος δεν πρόκειται να εξέλθει της, δηλαδή όπου x = ϕ x µε u = u i =, i =,,, u x e x = + f x, u, ( ), Nε x e x Nε x e N x e ) τότε η πορεία του ελευθέρου συ ε u { } x x < ε e Κων/νος Ι. Κυριακόπουλος Συστήµατα Ελέγχου µε Μικροϋπολογιστές 4.

5 Μία κατάσταση ισορροπίας x e ενός συστήµατος x =, είναι ασυµ+ f x, u, πτωτικα ευσταθής αν για κάθε σφαιρική περιοχή N x e γύρω από την µε ακτίνα είναι ε e δυνατόν να ευρεθεί µία άλλη σφαιρική περιοχή N x e δ γύρω από την e µε ακτίνα, έτσι ώστε αν το σύστηµα εκκινήσει από µία κατάσταση εντός αυτής u τότε η πορεία του ελευθέρου συστήµατος u = u i =, i =,,, : δεν πρόκειται να εξέλθει της, δηλαδή και u e θα ανήκει τελικά εντός της N ( x e ), δηλαδή x δ u ( ) x e < δ + T ε, δ, Δηλαδή όταν η κατάσταση ισορροπίας x e είναι ασυµπτωτικά ευσταθής τότε : είναι ευσταθής κατά Lyapunov και. Ασυµπτωτική Ευστάθεια x ε > x ( ) δ ε, > ( x ) xe δ = ϕ x x, lim x = x e { } ε N x e x x < ε Κων/νος Ι. Κυριακόπουλος Συστήµατα Ελέγχου µε Μικροϋπολογιστές 5

6 Ασυµπτωτική Ευστάθεια: ΓΧΑΣ Κριτήρια Ευστάθειας Δεδοµένου ότι το Σ.Ι. είναι: Όµως επειδή: πρέπει Προκύπτει η αναγκαία και ικανή συνθήκη για ασυµπτωτική ευστάθεια: x = limx = x = = = e e + x A x x A x lim A =. Δεδοµένου ότι: A eig A = λi λi eig A [ ] λi < λi eig A Συγκρίνετε την µε την αντίστοιχη για συνεχή ΓΧΑΣ!!! [ ] Ζ s Κων/νος Ι. Κυριακόπουλος Συστήµατα Ελέγχου µε Μικροϋπολογιστές 6

7 Ασυµπτωτική Ευστάθεια: Παράδειγµα-! s K G s R G( z) = z = ( z )! G( z) = K z s 2 K a s + a =, a = 27! s a 2 s + a s + a Tz = K ( z ) ( z ) z a 2 z + K.655 z = z ( z.672) = z a z e at = Κων/νος Ι. Κυριακόπουλος Συστήµατα Ελέγχου µε Μικροϋπολογιστές 7 G R ( s) = 27 s s + 27

8 Ασυµπτωτική Ευστάθεια: Παράδειγµα- Συνάρτηση Μεταφοράς Κλειστού Βρόχου (ΣΜΚΒ) G( z) = ( z.672) = G( z) + G( z) K.655 z z T z T ( z) = K.655 z z 2 + (.655 K.672) z K Κ=2, πόλοι ΣΜΚΒ: z,2 =.2 ± j.78 εντός µοναδιαίου κύκλου ΕΥΣΤΑΘΕΣ Κ=, πόλοι ΣΜΚΒ: z,2 = -.58, -4.9 ένας εκτός µοναδ. κύκλου ΑΣΤΑΘΕΣ Κων/νος Ι. Κυριακόπουλος Συστήµατα Ελέγχου µε Μικροϋπολογιστές 8

9 Ασυµπτωτική Ευστάθεια: Παράδειγµα-2 Να ευρεθεί η επίδραση της περιόδου δειγµατοληψίας Τ στην ευστάθεια του συστήµατος. ( )! s s + G( z) = z = ( z )! s s + ( T e ) = z e T = G ( z ) + G( z) T ( z ) = T z e T z e T πόλος z = (e -T -) R Ευστάθεια < e T < < T < ln 9!.2 Κων/νος Ι. Κυριακόπουλος Συστήµατα Ελέγχου µε Μικροϋπολογιστές 9

10 Ασυµπτωτική Ευστάθεια: ΓΧΑΣ Κριτήρια Ευστάθειας Τρόπος ελέγχου ευστάθειας ψηφιακού ΓΧΑΣ: Βήµα : χρήση µετασχηµατισµού Mobius w + w (µετασχηµατίζει το δεξιό µιγαδικό ηµιεπίπεδο στο εσωτερικό του µοναδιαίου κύκλου) Βήµα 2: χρήση του κριτηρίου Routh-Hurwitz. Χαρ. Πολυώνυµο ψηφιακού ΓΧΑΣ: f z Πολυώνυµο στο οποίο εφαρµόζεται το Routh-Hurwitz: z = = a n z n + a n z n + + a z + a = w + F w f w w = ( ) n Κων/νος Ι. Κυριακόπουλος Συστήµατα Ελέγχου µε Μικροϋπολογιστές

11 Κριτήρια Ευστάθειας: Παράδειγµα-3 Δεδοµένου συστήµατος µε ΣΜΚΒ T(z)=N(z)/D(z) µε D( z) = z 3 z 2.2z +. Να εξετασθεί η ευστάθειά του µε χρήση του κριτηρίου Routh Αντικαθιστούµε στο D(z) µε = D w + F w w w που οδηγεί στον πίνακα Routh Το σύστηµα Κλειστου βρόχου έχει ένα πόλο εκτός µοναδιαίου κύκλου (ασταθές), δεν έχει πόλους επι του κύκλου και έχει 2 πόλους εντός του µοναδιαίου κύκλου z = w + w οπότε λαµβάνουµε: n = w 3 +9w 2 45w 7 = s 3-45 s s s -7 Κων/νος Ι. Κυριακόπουλος Συστήµατα Ελέγχου µε Μικροϋπολογιστές

12 Ελεγξιµότητα Η ελεγξιµότητα είναι αναγκαία συνθήκη για µία σειρά προβληµάτων που σχετίζονται µε τον αυτόµατο έλεγχο π.χ. τοποθέτηση πόλων, βέλτιστος έλεγχος κλπ. x = A x + + B u A. Ας θεωρήσουµε το Γ.Χ.Α. σύστηµα µε Το σύστηµα είναι ελέγξιµο αν είναι δυνατόν να ευρεθεί µία σειρά εισόδων ελέγχου { u,u,,u } l που οδηγεί το σύστηµα από οιαδήποτε αρχική κατάσταση x σε f n µία τελική κατάσταση x R µέσω ενός πεπερασµένου αριθµού βηµάτων l x u x f x u x 2 u l Κων/νος Ι. Κυριακόπουλος Συστήµατα Ελέγχου µε Μικροϋπολογιστές 2

13 Ελεγξιµότητα συνεχ. Η λύση του Γ.Χ.Α. συστήµατος αν εφαρµοσθεί η ακολουθία ελέγχων u,u,,u l είναι { } και επειδή απαιτούµε l x f = x l = A l x + A l j B u j = A l x + B AB! A l B j= x f A l x = C l U l x x l = A l x + f l j= = x παίρνουµε l όπου A l j B u j C l = B AB! A l B U l = u l " u u Αναγκαία συνθήκη υπάρξεως ακολουθίας εισόδων υπάρξεως λύσεων γιά το U l = u l! u u T T u,u,,u l ran C l { } είναι: = n (δηλ. u l " u u Κων/νος Ι. Κυριακόπουλος Συστήµατα Ελέγχου µε Μικροϋπολογιστές 3

14 Ελεγξιµότητα συνεχ. Αν ran C l < n µήπως, επειδή C l+ = B AB! A l B πράγµα που συνεπάγεται ότι, µπορούµε να συνεχίσουµε την αύξηση των βηµάτων έως ότου:??? ran( C ) l+ ran( C ) l ran ( C ) l + = = C A l B l n Απάντηση: Το Θεώρηµα Caley-Hamilton είναι a n A n + a n A n + + a A + a I = A n = a n που σηµαίνει ότι ο πίνακας A n, A n 2,, A οπότε και ο A n B, A n 2 B,, AB,B n A n AB. Κατά συνέπεια a n A n + + a A + a I γράφεται σαν γραµµικός συνδυασµός των είναι γραµµικός συνδυασµός των ran C =ran C. n+ n Κων/νος Ι. Κυριακόπουλος Συστήµατα Ελέγχου µε Μικροϋπολογιστές 4

15 Ελεγξιµότητα συνεχ. Κατά συνέπεια, η µέγιστη τάξη που µπορεί να επιτευχθεί είναι για l = n οπότε η συνθήκη ελεγξιµότητας (δηλ. υπάρξεως ακολουθίας εισόδων ) είναι: ran( C) = n C = C n = B AB! A n B Πίνακας Ελεγξιµότητας Κων/νος Ι. Κυριακόπουλος Συστήµατα Ελέγχου µε Μικροϋπολογιστές 5

16 Παρατηρησιµότητα Δυαδική (dual) ιδιότητα της ελεγξιµότητας. Καθορίζει, το κατά πόσο είναι δυνατόν να καθορισθεί η αρχική κατάσταση x ενός συστήµατος µε βάση την παρακολούθηση της ακολουθίας σηµάτων εισόδου - εξόδου. Το Γ.Χ.Α.Σ x + A x B u = + y = C x πεπερασµένος αριθµός είναι παρατηρήσιµο αν υπάρχει ένας βηµάτων που επιτρέπει, µε βάση τις παρατηρήσεις των ακολουθιών εισόδου και εξόδου, τον προσδιορισµό της αρχικής κατάστασης. l { } y, y 2,, y l u,u,,u l x { } Κων/νος Ι. Κυριακόπουλος Συστήµατα Ελέγχου µε Μικροϋπολογιστές 6

17 Παρατηρησιµότητα συνεχ Η λύση του Γ.Χ.Α.Σ. είναι και επειδή y = C x j j j= j j= x = A x + A B u παίρνουµε { } u,u,,u l y = C A x + C A B u Δεδοµένου ότι οι είσοδοι και οι έξοδοι είναι διαθέσιµες, είναι γνωστή και η διαφορά Δ e = y C A j B u j = C A x =,,2,,l j= C e που γράφεται σε µορφή πινάκων ως CA e x! = O l x = E l! CA l e l Αναγκαία συνθήκη ευρέσεως της αρχική κατάστασης είναι: ran O l = n x { } y, y 2,, y l j Κων/νος Ι. Κυριακόπουλος Συστήµατα Ελέγχου µε Μικροϋπολογιστές 7

18 Αν T = O l ran( O ) l < n ( A T ) l C T Παρατηρησιµότητα µήπως, επειδή πράγµα που συνεπάγεται ότι, µπο- ρούµε να συνεχίσουµε την αύξηση των βηµάτων έως ότου:??? Απάντηση: Το Θεώρηµα Caley-Hamilton είναι a n A n + a n A n + + a A + a I = A n = a n που σηµαίνει ότι ο πίνακας A n, A n 2,, A, I CA n,ca n 2,,CA,C T οπότε και ο O l+ = C T A T C T! A T ran O l+ n A n CA. Κατά συνέπεια συνεχ. l C T ran( O ) l = n ran O l+ a n A n + + a A + a I γράφεται σαν γραµµικός συνδυασµός των είναι γραµµικός συνδυασµός των ran( O ) n+ = ran( O ) n. T = Κων/νος Ι. Κυριακόπουλος Συστήµατα Ελέγχου µε Μικροϋπολογιστές 8

19 Παρατηρησιµότητα συνεχ. Κατά συνέπεια, η µέγιστη τάξη που µπορεί να επιτευχθεί είναι για l = n οπότε η συνθήκη παρατηρησιµότητας (δηλ. δυνατότητας ευρέσεως της αρχικής συνθήκης) είναι: ran( O) = n O = O n = C CA! CA n Πίνακας Παρατηρησιµότητας Κων/νος Ι. Κυριακόπουλος Συστήµατα Ελέγχου µε Μικροϋπολογιστές 9

20 Ελεγξιµότητα Παρατηρησιµότητα παράδειγµα: Για το εν λόγω σύστηµα, να ελεγχθούν η ελεγξιµότητα & παρατηρησιµότητα τόσο στην συνεχή (αναλογική) µορφή όσο και σε αυτή που προκύπτει σε διάταξη δειγµατοληπτικών δεδοµένων.!x!x 2 y = = ω 2 x x 2 x x 2 + u Λύση: A = 2 ω = C = εποµένως οι πίνακες ελεγξιµότητας και παρατηρησιµότητας είναι: B [ ] C2 = [ B AB] = ( C2) 2 ran = C O2 = = ran ( O2 ) = 2 CA Εποµένως το Συνεχές σύστηµα είναι ελέγξιµο και παρατηρήσιµο. Κων/νος Ι. Κυριακόπουλος Συστήµατα Ελέγχου µε Μικροϋπολογιστές 2

21 Ελεγξιµότητα Παρατηρησιµότητα παράδειγµα: A ω = 2 B = [ ]!x = A x + B u y = C x AT cosωt sinωt Φ T = e = ω ωsinωt cosωt 2 ( cos ωt ) ω Θ ( T) = T Φ( T τ) B dτ = sin ωt ω x ( T) x ( T) u 2 ( cosωt ) cosωt sinωt ω x+ = ω x + u ωsin ωt cosωt sinωt ω y = x =Φ +Θ + y = C x Κων/νος Ι. Κυριακόπουλος Συστήµατα Ελέγχου µε Μικροϋπολογιστές 2

22 Έχουµε πίνακες ελεγξιµότητας και παρατηρησιµότητας : Εποµένως το σύστηµα είναι ελέγξιµο και παρατηρήσιµο... εκτός όταν ισχύει Γιατί? «Φυσική Εξήγηση»: Για Παρατηρησιµότητα ω T = κ π ω T = κ π 2 ( cosωt ) cosωt sinωt ω x+ = ω x + u ωsinωt cosωt sinωt ω y = [ ] x συνεχ. 2 2 ω ω C2 = [ Θ ΦΘ ] = sinωt sinωt sin 2ωT ω ω C O 2 = C = Φ cosωt sinωt ω κ =,, κ =,, ( cosωt ) ( cosωt cos 2ωT) ( ) το σύστηµα γίνεται λ ± x x ω = u + ± y = [ ] x 2 + Κων/νος Ι. Κυριακόπουλος Συστήµατα Ελέγχου µε Μικροϋπολογιστές 22

23 Παρατηρησιµότητα λ λ ± 2 x + ± x + u 2 x+ = x ω u ω 2 + = ± x 2 + ± x y = [ ] x y = x συνεχ. x ( ) Που δείχνει ότι η 2 : α) εξελίσσεται χωρίς «έλεγχο» (άµεσο µέσω u( ) ή έµµεσο µέσω x ( )) και β) δεν µπορεί να «παρατηρηθεί» (ούτε άµεσα µέσω της εξόδου y = x ( ) ούτε έµµεσα µέσω της εφόσον δεν την επηρεάζει αυτή). x ( ) Κων/νος Ι. Κυριακόπουλος Συστήµατα Ελέγχου µε Μικροϋπολογιστές 23