Základy automatického riadenia

Σχετικά έγγραφα
Základy automatického riadenia

Základy automatického riadenia

Motivácia Denícia determinantu Výpo et determinantov Determinant sú inu matíc Vyuºitie determinantov. Determinanty. 14. decembra 2010.

Matematika Funkcia viac premenných, Parciálne derivácie

Matematika 2. časť: Analytická geometria

Matematika prednáška 4 Postupnosti a rady 4.5 Funkcionálne rady - mocninové rady - Taylorov rad, MacLaurinov rad

Goniometrické rovnice a nerovnice. Základné goniometrické rovnice

ARMA modely čast 2: moving average modely (MA)

Komplexné čísla, Diskrétna Fourierova transformácia 1

M6: Model Hydraulický systém dvoch zásobníkov kvapaliny s interakciou

ARMA modely čast 2: moving average modely (MA)

Obvod a obsah štvoruholníka

Automatická regulácia Otázky ku skúške 3B031

PRUŽNOSŤ A PEVNOSŤ PRE ŠPECIÁLNE INŽINIERSTVO

Eulerovské grafy. Príklad Daný graf nie je eulerovský, ale obsahuje eulerovskú cestu (a, ab, b, bc, c, cd, d, da, a, ac, c, ce, e, ed, d, db).

Cieľom cvičenia je zvládnuť riešenie diferenciálnych rovníc pomocou Laplaceovej transformácie,

Ján Buša Štefan Schrötter

24. Základné spôsoby zobrazovania priestoru do roviny

3. Striedavé prúdy. Sínusoida

MIDTERM (A) riešenia a bodovanie

Zbierka rie²ených úloh z matematickej fyziky

DESKRIPTÍVNA GEOMETRIA

M8 Model "Valcová a kužeľová nádrž v sérií bez interakcie"

Moderné vzdelávanie pre vedomostnú spoločnosť Projekt je spolufinancovaný zo zdrojov EÚ M A T E M A T I K A

23. Zhodné zobrazenia

Integrovanie racionálnych funkcií

Vlastnosti regulátorov pri spätnoväzbovom riadení procesov

VLASTNÉ ČÍSLA A JORDANOV KANONICKÝ TVAR. Michal Zajac. 3 T b 1 = T b 2 = = = 2b

PREHĽAD ZÁKLADNÝCH VZORCOV A VZŤAHOV ZO STREDOŠKOLSKEJ MATEMATIKY. Pomôcka pre prípravný kurz

Priamkové plochy. Ak každým bodom plochy Φ prechádza aspoň jedna priamka, ktorá (celá) na nej leží potom plocha Φ je priamková. Santiago Calatrava

KATEDRA DOPRAVNEJ A MANIPULAČNEJ TECHNIKY Strojnícka fakulta, Žilinská Univerzita

MATEMATIKA I. Základy diferenciálneho počtu. Návody k cvičeniam pre odbory VSVH a STOP. Andrea Stupňanová, Alexandra Šipošová

Riadenie zásobníkov kvapaliny

Matematický model robota s diferenciálnym kolesovým podvozkom

Otáčky jednosmerného motora

Základy automatického riadenia

1. Limita, spojitost a diferenciálny počet funkcie jednej premennej

7. FUNKCIE POJEM FUNKCIE

Jednotkový koreň (unit root), diferencovanie časového radu, unit root testy

Maticové hry. doc. RNDr. tefan Pe²ko. 9. marca Katedra matematických metód a opera nej analýzy, FRI šu

Prechod z 2D do 3D. Martin Florek 3. marca 2009

Cvičenie č. 4,5 Limita funkcie

1. Komplexné čísla. Doteraz ste pracovali s číslami, ktoré pochádzali z nasledovných množín:

Funkcie komplexnej premennej

Ekvačná a kvantifikačná logika

Jednotkový koreň (unit root), diferencovanie časového radu, unit root testy

IIR filtrov. Metóda. Metódy návrhu. 2. pretransform. 4. transformáciat. diskrétny). frekvenciu =

Metódy vol nej optimalizácie

Súradnicová sústava (karteziánska)

Start. Vstup r. O = 2*π*r S = π*r*r. Vystup O, S. Stop. Start. Vstup P, C V = P*C*1,19. Vystup V. Stop

Pavol Jozef afárik University in Ko²ice Faculty of Science. Testovanie a verikácia programov Floydova metóda Gabriela Andrejková

104Θ Αναλογικά Ηλεκτρονικά 12: Φίλτρα

Odporníky. 1. Príklad1. TESLA TR

Technická univerzita v Košiciach Fakulta elektrotechniky a informatiky MATEMATIKA II. Zbierka riešených a neriešených úloh

x x x2 n

Technická univerzita v Košiciach. Zbierka riešených a neriešených úloh. z matematiky. pre uchádzačov o štúdium na TU v Košiciach

Obsah. 1.1 Reálne čísla a ich základné vlastnosti Komplexné čísla... 8

Matematika 2. časť: Funkcia viac premenných Letný semester 2013/2014

Dijagrami: Greda i konzola. Prosta greda. II. Dijagrami unutarnjih sila. 2. Popre nih sila TZ 3. Momenata savijanja My. 1. Uzdužnih sila N. 11.

DIFERENCÁLNE ROVNICE Matematická analýza (MAN 2c)

7 Derivácia funkcie. 7.1 Motivácia k derivácii

HMY 220: Σήματα και Συστήματα Ι

NUMERICKÁ MATEMATIKA. Moderné vzdelávanie pre vedomostnú spoločnosť/ Projekt je spolufinancovaný zo zdrojov EÚ. Fakulta elektrotechniky a informatiky

Výpočet. grafický návrh

Analytická geometria

Súčtové vzorce. cos (α + β) = cos α.cos β sin α.sin β cos (α β) = cos α.cos β + sin α.sin β. tg (α β) = cotg (α β) =.

4. Výrokové funkcie (formy), ich definičný obor a obor pravdivosti

Smernicový tvar rovnice priamky

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΡΗΤΗΣ Τµήµα Επιστήµης Υπολογιστών. HY-215: Εφαρµοσµένα Μαθηµατικά για Μηχανικούς Εαρινό Εξάµηνο 2013 ιδάσκων : Π.

FUNKCIE N REÁLNYCH PREMENNÝCH

Ispitivanje toka i skiciranje grafika funkcija

Úvod do lineárnej algebry. Monika Molnárová Prednášky

6 Limita funkcie. 6.1 Myšlienka limity, interval bez bodu

1 Prevod miestneho stredného slnečného času LMT 1 na iný miestny stredný slnečný čas LMT 2

Einsteinove rovnice. obrázkový úvod do Všeobecnej teórie relativity. Pavol Ševera. Katedra teoretickej fyziky a didaktiky fyziky

Goniometrické rovnice riešené substitúciou

Polynómy. Hornerova schéma. Algebrické rovnice

Margita Vajsáblová. ρ priemetňa, s smer premietania. Súradnicová sústava (O, x, y, z ) (O a, x a, y a, z a )

Nekone ný antagonistický konikt

Príklady na precvičovanie Fourierove rady

Mate Vijuga: Rijeseni zadaci iz matematike za srednju skolu

1. písomná práca z matematiky Skupina A

Obyčajné diferenciálne rovnice

Matematická analýza pre fyzikov IV.

- pravac n je zadan s točkom T(2,0) i koeficijentom smjera k=2. (30 bodova)

HASLIM112V, HASLIM123V, HASLIM136V HASLIM112Z, HASLIM123Z, HASLIM136Z HASLIM112S, HASLIM123S, HASLIM136S

Vektorové a skalárne polia

Zadaci sa prethodnih prijemnih ispita iz matematike na Beogradskom univerzitetu

Základy matematickej štatistiky

Život vedca krajší od vysnívaného... s prírodou na hladine α R-P-R

DIPLOMOVÁ PRÁCE. Monika Jakubcová Míry ecience portfolia vzhledem k stochastické dominanci

ME 365: SYSTEMS, MEASUREMENTS, AND CONTROL (SMAC) I

3. prednáška. Komplexné čísla

Vzorové príklady s riešeniami k lineárnej algebre a geometrie pre aplikovaných informatikov k písomke

Metodicko pedagogické centrum. Národný projekt VZDELÁVANÍM PEDAGOGICKÝCH ZAMESTNANCOV K INKLÚZII MARGINALIZOVANÝCH RÓMSKYCH KOMUNÍT

Príklady a úlohy z krivkových integrálov

OKRUH 1: Nevyhnutná geometria

stereometria - študuje geometrické útvary v priestore.

ELEKTROTEHNIČKI ODJEL

UNIVERZITA KOMENSKÉHO V BRATISLAVE FAKULTA MATEMATIKY, FYZIKY A INFORMATIKY KATEDRA APLIKOVANEJ MATEMATIKY A TATISTIKY

Transcript:

Základy automatického riadenia Predná²ka 8 doc. Ing. Anna Jadlovská, PhD., doc. Ing. Ján Jadlovský, CSc. Katedra kybernetiky a umelej inteligencie Fakulta elektrotechniky a informatiky Technická univerzita v Ko²iciach ZS 2015/2016 (TUKE) Základy automatického riadenia ZS 2015/2016 1 / 25

Frekven né kritéria stability: Michajlovo kritérium Lineárny dynamický systém reprezentovaný fyzikálnym systémom (f (t) = u(t)) alebo lineárnym regula ným obvodom (f (t) = z(t), f (t) = w(t)), ktorý je vyjadrený LDR: s charakteristickou rovnicou: a n y (n) (t) +... + a 1 y (t) + a 0 y(t) = f (t) (1) a n s n +... + a 1 s + a 0 = 0 (2) je stabilný, ak po substitúcii s = jω do charakteristického polynómu H(s) = 1 + F 0 (s): sp a dve podmienky: H(jω) = a n (jω) n +... + a 1 (jω) + a 0 (3) pre ω = 0 leºí koncový bod vektora H(jω) na kladnej polovici reálnej osi pri zmene uhlovej frekvencie ω (0, ) sa vektor H(jω) oto í o uhol n π 2, teda platí: arg = n 0<ω< H(jω) π 2 (TUKE) Základy automatického riadenia ZS 2015/2016 2 / 25 (4)

Frekven né kritéria stability: Michajlovo kritérium Uvaºujme CHR n-tého stup a s kon²t. reálnymi koecientami: a n s n +... + a 1 s + a 0 = 0 (5) Z ktorej vytvoríme charakteristický polynóm: H(s) = a n s n +... + a 1 s + a 0 (6) Dosa me do charakteristického polynómu H(s) za s = jω: H(jω) = a n (jω) n +... + a 1 (jω) + a 0 (7) H(jω) = U(ω) + jv (ω) (8) U(ω) = a 0 a 2 ω 2 + a 4 ω 4... V (ω) = a 1 ω a 3 ω 3 + a 5 ω 5... (9) (TUKE) Základy automatického riadenia ZS 2015/2016 3 / 25

Frekven né kritéria stability: Michajlovo kritérium Ak má rovnica H(s) = 0 r kore ov v pravej komplexnej polrovine a al²ích (n-r) kore ov v avej komplexnej polrovine vieme vyjadri zmenu argumentu vektora H(jω): arg H(jω) = (n r)π rπ = (n 2r)π (10) <ω< Ak sú v²etky korene rovnice H(s) = 0 v avej asti komplexnej roviny, teda r = 0 platí: arg H(jω) = nπ (11) <ω< Pri uvaºovaní zmeny argumentu ω (0, ) dostávame: arg = n 0<ω< H(jω) π 2 (12) (TUKE) Základy automatického riadenia ZS 2015/2016 4 / 25

Frekven né kritéria stability - Michajlovo kritérium Michajlovo kritérium: lineárny regula ný obvod n-tého rádu je stabilný, ak sa pri zmene ω (0, ) oto í vektor H(jω) v kladnom zmysle o uhol n π 2 Geometrické miesto bodov vektora H(jω) pri zmene ω (0, ) sa nazýva Michajlov hodograf vektora H(jω) Kritérium stability je moºné sformulova : lineárny regula ný obvod je stabilný, ak Michajlov hodograf H(jω) pre ω (0, ) za ína na reálnej osi a prejde postupne v kladnom zmysle n kvadrantov roviny komplexných ísel, t. j. striedavo pretína reálnu a imaginárnu os. (TUKE) Základy automatického riadenia ZS 2015/2016 5 / 25

Frekven né kritéria stability - Michajlovo kritérium (TUKE) Základy automatického riadenia ZS 2015/2016 6 / 25

Vy²etrenie stability pod a Michajlovho kritéria: Príklad 1 Príklad: Pod a Michajlovho kritéria vy²etrite stabilitu lineárneho regula ného obvodu, ak má jeho CHR tvar: 0.04s 3 + 0.5s 2 + 2s + 10 = 0 Rie²enie: 1. Charakteristický polynóm lineárneho regula ného obvodu má tvar: H(s) = 0.04s 3 + 0.5s 2 + 2s + 10 (13) 2. Dosadením do charakteristického polynómu H(s) za s = jω dostaneme hodograf H(jω) uvedeného lineárneho regula ného obvodu: { U(ω) = a 0 a 2 ω 2 = 10 0.5ω 2 H(jω) = U(ω) + jv (ω) V (ω) = a 1 ω a 3 ω 3 = ω(2 0.04ω 2 ) (TUKE) Základy automatického riadenia ZS 2015/2016 7 / 25

Vy²etrenie stability pod a Michajlovho kritéria: Príklad 1 3. Následne ur íme hodnoty ω, v ktorých budú priese níky s reálnou a imaginárnou osou. Priese níky s reálnou osou: Im[H(jω)] = V (ω) = 0 Imaginárnu zloºku V (ω) = ω(2 0.04ω 2 ) hodografu H(jω) poloºíme rovnú nule: Im[H(jω)] = V (ω) = 0 { ω 1 = 0 2 0.04ω 2 = 0 ω 2 = 7.07 a vypo ítané hodnoty ω dosadíme do reálnej zloºky U(ω) = 10 0.5ω 2 hodografu H(jω): U(ω 1 ) = 10, prvý priese ník s Re[H(jω)]: U(ω 2 ) = 15, druhý priese ník s Re[H(jω)]: (TUKE) Základy automatického riadenia ZS 2015/2016 8 / 25

Vy²etrenie stability pod a Michajlovho kritéria: Príklad 1 Priese níky s imaginárnou osou: Re[H(jω)] = U(ω) = 0 Reálnu zloºku U(ω) = 10 0.5ω 2 hodografu H(jω) poloºíme rovnú nule: Re[H(jω)] = U(ω) = 0 ω 3 = 4.47 a vypo ítanú hodnotu ω dosadíme do imaginárnej zloºky V (ω) = ω(2 0.04ω 2 ) hodografu H(jω): V (ω 3 ) = 5.364 Záver: Pretoºe vektor vedený z po iatku ku krivke opí²e uhol v kladnom zmysle a prechádza to kými kvadrantmi akého rádu je systém obvod je stabilný. (TUKE) Základy automatického riadenia ZS 2015/2016 9 / 25

Vy²etrenie stability pod a Michajlovho kritéria: Príklad 1 (TUKE) Základy automatického riadenia ZS 2015/2016 10 / 25

Príklad 2: vy²etrenie stability URO a výpo et kritického parametra P-regulátora vyuºitím Michajlovho kritéria Príklad: Je daný regula ný obvod pod a obrázku: Úlohy: 1 vy²etrite stabilitu tohto regula ného obvodu pomocou Michajlovho kritéria 2 ur te kritické zosilnenie P-regulátora Rie²enie: 1) regula ný obvod je nestabilný (TUKE) Základy automatického riadenia ZS 2015/2016 11 / 25

Príklad 2: vy²etrenie stability URO a výpo et kritického parametra P-regulátora vyuºitím Michajlovho kritéria 2) výpo et kritického zosilnenia P-regulátora r0: 1. vyjadríme prenos uzavretého regula ného obvodu F Y /Z (s): F Y /Z (s) = Y (s) Z(s) = F P (s) = 1 + F P (s)f R (s) }{{} F 0 (s) 0.5 0.05s 3 + 0.6s 2 + s + 0.5r 0 }{{} H(s) (14) 2. charakteristický polynóm systému má tvar: H(s) = 0.05s 3 + 0.6s 2 + s + 0.5r 0 3. substitúciou s = jω do H(s) dostaneme hodograf H(jω): { U(ω) = 0.6ω 2 + 0.5r H(jω) = 0, 05jω 3 0.6ω 2 0 + jω + 0.5r 0 V (ω) = 0.05ω 3 + ω (TUKE) Základy automatického riadenia ZS 2015/2016 12 / 25

Príklad 2: vy²etrenie stability URO a výpo et kritického parametra P-regulátora vyuºitím Michajlovho kritéria 4. Lineárny regula ný obvod je na hranici stability, ak jeho reálna Re[H(jω)] a imaginárna Im[H(jω)] zloºka prechádza bodom [0, 0] a teda musí plati U(ω) = 0 V (ω) = 0 poloºením imaginárnej asti V (ω) hodografu H(jω) nule dostaneme hodnoty kritickej frekvencie ω KR : V (ω) = 0 ω KR, ω 1 = 0, ω KR = 4.47 následne vyjadríme r 0 z reálnej zloºky U(ω) = 0 hodografu H(jω) a do vyjadreného vz ahu pre r 0KR dosadíme vypo ítanú hodnotu frekvencie ω KR : U(ω) ω=ωkr = 0 r 0KR, r 0KR = 0.6ω2 KR 0.5 = 24 (TUKE) Základy automatického riadenia ZS 2015/2016 13 / 25

Frekven né kritéria stability: Nyquistovo kritérium Nyquistovo kritérium: sformuloval Nyquist v roku 1932 na vy²etrenie stability uzavretého regula ného obvodu sta í pozna frekven nú charakteristiku otvoreného regula ného obvodu, ktorú môºeme získa analyticky alebo experimentálne CHR URO získame z CHP: H(s) = 1 + F 0 (s), ak 1 + F 0 (s) = 0, kde F 0 (s) = M(s) N(s) je prenos otvoreného regula ného obvodu N(s) - CHP otvoreného regula ného obvodu M(s), N(s) - mnoho leny: N(s) - stup a n, M(s) - stup a m (TUKE) Základy automatického riadenia ZS 2015/2016 14 / 25

Frekven né kritéria stability: Nyquistovo kritérium Budeme uvaºova dva prípady: 1 obvod v otvorenom stave je stabilný 2 obvod v otvorenom stave je nestabilný 1) Obvod v otvorenom stave je stabilný Ak je systém v otvorenom stave stabilný, potom rovnako ako pri Michajlovovom kritériu platí: arg = n 0<ω< N(jω) π 2 (15) Ak má by URO stabilný musí plati : arg + M(jω)] = n 0<ω< [N(jω) π 2 (16) (TUKE) Základy automatického riadenia ZS 2015/2016 15 / 25

Frekven né kritéria stability: Nyquistovo kritérium Na základe vz ahov pre stabilitu otvoreného a uzavretého regula ného obvodu môºeme odvodi prírastok argumentu charakteristického mnoho lena 1 + F 0 (jω): N(jω) + M(jω) arg [1 + F 0 (jω)] = arg = 0<ω< 0<ω< N(jω) = arg [N(jω) + M(jω)] arg N(jω) = n π 0<ω< 0<ω< 2 n π (17) 2 = 0 URO je stabilný, ak je zmena argumentu komplexného výrazu (1 + F 0 (jω)) pre ω (0, ) rovná nule. (TUKE) Základy automatického riadenia ZS 2015/2016 16 / 25

Frekven né kritéria stability: Nyquistovo kritérium Výraz (1 + F 0 (jω)) moºno geometricky znázorni ako vektor, ktorého za iatok leºí v bode [ 1, j0] a koncový bod leºí na frekven nej charakteristike otvoreného regula ného obvodu. Ak je ORO stabilný, iºe platí arg H(jω) = n π, potom musí bod 2 0<ω< [ 1, j0] leºa mimo frekven nej charakteristiky otvoreného regula ného obvodu. Ak je podmienka pre stabilitu ORO splnená, je stabilný aj URO. (TUKE) Základy automatického riadenia ZS 2015/2016 17 / 25

Frekven né kritéria stability: Nyquistovo kritérium Nyquistov diagram otvoreného regula ného obvodu (TUKE) Základy automatického riadenia ZS 2015/2016 18 / 25

Frekven né kritéria stability: Nyquistovo kritérium 2) Lineárny regula ný obvod v otvorenom stave je nestabilný nech je obvod v otvorenom stave nestabilný a jeho CHR má r kore ov v pravej asti komplexnej roviny: arg = (n 2r) 0<ω< N(jω) π 2 (18) Ak má by URO stabilný musí plati : arg + M(jω)] = n 0<ω< [N(jω) π 2 (19) (TUKE) Základy automatického riadenia ZS 2015/2016 19 / 25

Frekven né kritéria stability: Nyquistovo kritérium 2) Lineárny regula ný obvod v otvorenom stave je nestabilný Na základe vz ahov pre stabilitu otvoreného a uzavretého regula ného obvodu môºeme odvodi prírastok argumentu charakteristického mnoho lena (1 + F 0 (jω)): N(jω) + M(jω) arg [1 + F 0 (jω)] = arg 0<ω< 0<ω< N(jω) = arg [N(jω) + M(jω)] arg N(jω) = n π 0<ω< 0<ω< 2 (n 2r)π 2 = r 2 2π (20) URO je stabilný, ak frekven ná charakteristika otvoreného obvodu F 0 (jω) obehne r krát bod ( 1, jω) v kladnom smere. 2 = (TUKE) Základy automatického riadenia ZS 2015/2016 20 / 25

Frekven né kritéria stability: Nyquistovo kritérium Pri vy²etrovní podmienok stability sme ur ili, ºe ak má by URO stabilný, musia korene CHR (1 + F 0 (s) = 0) leºa v avo od imaginárnej osi komplexnej roviny s. (TUKE) Základy automatického riadenia ZS 2015/2016 21 / 25

Frekven né kritéria stability: Nyquistovo kritérium Pre korene s 1, s 2,..., s n je splnená CHR F 0 (s) = 1: v²etky korene z roviny s sa zobrazia do bodu ( 1, 0j) v rovine F 0. Imaginárna os je mnoºina bodov, pre ktorú platí s = jω, kde ω (, ) Pre posúdenie stability berieme do úvahy ω (0, ). Teda máme vy²etri v rovine F 0 krivku, odpovedajúcu vz ahu: F 0 (jω) = F R (jω)f P (jω) (21) pre ω (0, ). Tento vz ah denuje frekven nú charakteristiku ORO. Imaginárna os z roviny s sa zobrazí v rovine F 0 ako frekven ná charakteristika rozpojeného obvodu: iºe obraz kore ov, t.j. kritický bod, musí leºa v avo od obrazu imaginárnej osi, teda od frekven nej charakteristiky ORO, ak má by obvod stabilný. (TUKE) Základy automatického riadenia ZS 2015/2016 22 / 25

Príklad 3: vy²etrenie stability URO pod a Nyquistovho kritéria Príklad: Pod a Nyquistovho kritéria vy²etrite stabilitu lineárneho regula ného obvodu zadaného na obrázku ak w(t) = 1(t): Rie²enie: 1. Ur íme prenos otvoreného regula ného obvodu F 0 (s): F 0 (s) = F P (s)f R (s) = 1 s(s + 1)(10s + 1) (TUKE) Základy automatického riadenia ZS 2015/2016 23 / 25

Príklad 3: vy²etrenie stability URO pod a Nyquistovho kritéria 2. Korene menovate a s(s + 1)(10s + 1) sú s 1 = 0, s 2 = 1, s 3 = 0.1. šiadny z nich neleºí v pravej asti komplexnej roviny, preto môºeme pouºi Nyquistovo kritérium na vy²etrenie stability. 3. Vyjadríme frekven ný prenos F 0 (jω) otvoreného regula ného obvodu: F 0 (jω) = 11 121ω 2 + (10ω 2 1) + j 10ω 2 1 2 ω(121ω 2 + (10ω 2 1) 2 ) a pre rôzne hodnoty ω vypo ítame hodnoty Re[F 0 (jω)] a Im[F 0 (jω)] ako aj priese ník s reálnou osou: Im[F 0 (jω)] = 0 ω KR Re[F 0 (ω) ω=ωkr ] ω Re Im ω Re Im 0.2-2.12-0.58 0.316-0.91 0 0.5-0.34 0.09 0.6-0.22 0.08 1-0.05 0.08 2-0.005 0.01 (TUKE) Základy automatického riadenia ZS 2015/2016 24 / 25

Príklad 3: vy²etrenie stability URO pod a Nyquistovho kritéria (TUKE) Základy automatického riadenia ZS 2015/2016 25 / 25