ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου 1 Ενότητα # 2: Μοντελοποίηση φυσικών συστημάτων στο πεδίο του χρόνου Διαφορικές Εξισώσεις Δ. Δημογιαννόπουλος, dimogian@teipir.gr Επ. Καθηγητής Τμήματος Μηχανικών Αυτοματισμού Τ.Ε
Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Αθηνών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3
Σκοποί ενότητας Μαθηματική αναπαράσταση συστήματος: Πως; Βαθμός συστήματος και διαφορικές εξισώσεις Παραδείγματα αναπαράστασης: Ομοιότητες μεταξύ διαφορετικών συστημάτων; 4
Περιεχόμενα ενότητας Μελέτη συμπεριφοράς συστημάτων (προς έλεγχο) Μαθηματική εξομοίωση στο πεδίο χρόνου Γραμμικό Σύστημα Γραμμική διαφορική εξίσωση (Δ.Ε) Μη γραμμικά συστήματα 5
Περιεχόμενα ενότητας Εύρεση μοντέλου (ομοιώματος) συστήματος: Μάζα, ελατήριο, αποσβεστήρας Μέρος ανάρτησης βαρέως οχήματος Ηλεκτρικό κύκλωμα RLC με πηγή τάσης Ηλεκτρικό κύκλωμα RLC με πηγή έντασης Ηλεκτρομηχανικό Σύστημα: Κινητήρας Συνεχούς Ρεύματος 6
Μελέτη συμπεριφοράς συστημάτων (Προς έλεγχο) Μαθηματική εξομοίωση στο πεδίο του χρόνου 7
Μαθηματική εξομοίωση στο πεδίο χρόνου Ορισμός: Μαθηματικό μοντέλο (ομοίωμα) ενός φυσικού συστήματος είναι η μαθηματική σχέση που περιγράφει / αναπαριστά τη φυσική σχέση ανάμεσα στα στοιχεία του συστήματος, άρα και τη συμπεριφορά του 8
Μαθηματική εξομοίωση στο πεδίο χρόνου Ορισμός: Μαθηματικό μοντέλο (ομοίωμα) ενός φυσικού συστήματος είναι η μαθηματική σχέση που περιγράφει / αναπαριστά τη φυσική σχέση ανάμεσα στα στοιχεία του συστήματος, άρα και τη συμπεριφορά του Σχέση: Αλγεβρική εξίσωση: g(u,y)=0 ή y=g*(u), u: είσοδος, y: έξοδος Π.χ. F(t) = K y(t), F(t): έξοδος (δύναμη ελατηρίου) y(t): είσοδος (μετατόπιση) 9
Μαθηματική εξομοίωση στο πεδίο χρόνου Σχέση: Διαφορική εξίσωση g(u,y)=g(u, d dt u,, dm dt m u, y, d dt y,, dn dt ny)=0 Π.χ. F(t) =B d dt y(t) F(t): έξοδος (δύναμη αποσβεστήρα) y(t): είσοδος (μετατόπιση) Ερώτηση 1: Ποίες οι διαφορές ανάμεσα στις δύο; Ερώτηση 2: Παράγωγος Ολοκλήρωμα: Πώς τα αντιλαμβάνεστε στην πράξη; 10
Γραμμικό σύστημα Ένα γραμμικό σύστημα (linear system) περιγράφεται από μια γραμμική διαφορική εξίσωση (Δ.Ε.) oπότε και ισχύει η αρχή της υπέρθεσης: Αν g(u, y) η σχέση εισόδου εξόδου συστήματος και για είσοδο u i t παράγεται έξοδος y i t, τότε εφόσον: u 1 (t) y 1 (t) u 2 (t) y 2 (t) u k (t) y k (t) u t = c 1 u 1 t + c 2 u 2 t + + c k u k t θα είναι: y t = c 1 y 1 t + c 2 y 2 t + + c k y k t 11
Γραμμική διαφορική εξίσωση (Δ.Ε) a n d n dt n 1 y t + a n 1 d n 1 dt n 1 y t + + a 1 d m dt m u(t) = b 0 u t + b 1 d dt u t + + b m d dt y t + a 0y t = a 0 a n, b 0,, b m συντελεστές Δ.Ε ΠΡΟΣΟΧΗ: n m για φυσικά συστήματα Αν οι συντελεστές της Δ.Ε. είναι σταθερές τότε μιλάμε για στάσιμο σύστημα (Άρα αν οι συντελεστές της Δ.Ε. μεταβάλλονται με το χρόνο, τότε χρονικά μεταβαλλόμενο σύστημα) 12
Μη-Γραμμικά Συστήματα Περιγράφονται από μη-γραμμικές Δ.Ε. Π.χ. d dt y t + k y2 t = u t d dt y t + cos y t y t = u t d dt y t + k y t = u t με συνθήκες y < λ και d dt y < μ!! 13
Μη-Γραμμικά Συστήματα Η επακριβής μελέτη των συστημάτων αυτών απαιτεί εξειδικευμένες μεθόδους εκτός των ορίων του παρόντος μαθήματος (ΣΑΕ Ι) 14
Μη-Γραμμικά Συστήματα Η επακριβής μελέτη των συστημάτων αυτών απαιτεί εξειδικευμένες μεθόδους εκτός των ορίων του παρόντος μαθήματος (ΣΑΕ Ι) Μια προσεγγιστική μελέτη των συστημάτων αυτών μπορεί να γίνει σε γειτονίες γύρω από συγκεκριμένα σημεία λειτουργίας, με την παραδοχή ότι σε κάθε τέτοια γειτονία το τοπικό μοντέλο του συστήματος προκύπτει από γραμμικοποίηση του γενικού μηγραμμικού μοντέλου αυτού 15
Μη-Γραμμικά Συστήματα (Συνέχεια) Δηλαδή, ότι σε κάθε γειτονία γύρω από σημείο λειτουργίας που εξετάζεται ισχύει προσεγγιστικά ένα γραμμικό ομοίωμα που αναπαριστά τη λειτουργία του συστήματος εκεί. Αν το μη-γραμμικό μοντέλο του συστήματος δίδεται από τη μη-γραμμική Δ.Ε. g*(u, y) = 0 ή y=g(u) τότε για κάποιο u κοντά στο u 0 y = g u = g u 0 + u u 0 1! d du g(u) u=u 0 Όροι που θεωρούνται για τη γραμμικοποίηση (u u 0 ) 2 + 2! d 2 du 2 g u Σειρά Taylor u=u 0 + 16
Παράδειγμα Αν: Μ η ροπή κίνησης εκκρεμούς Τότε: M=B l sinφ Γειτονιά M=B l φ 17
Υπολογίζοντας Μοντέλα (ομοιώματα) Φυσικών Συστημάτων (1) Με ποιο τρόπο περιγράφουμε (άρα και μελετάμε) μια εφαρμογή (σύστημα); Α) Προσδιορισμός φυσικών μεγεθών του συστήματος: Μετατόπιση Ταχύτητα Επιτάχυνση Ρεύμα Δύναμη 18
Υπολογίζοντας Μοντέλα (ομοιώματα) Φυσικών Συστημάτων (2) Με ποιο τρόπο περιγράφουμε (άρα και μελετάμε) μια εφαρμογή (σύστημα); Β) Προσδιορισμός φυσικών νόμων: Διατήρηση ύλης Διατήρηση ενέργειας 19
Υπολογίζοντας Μοντέλα (ομοιώματα) Φυσικών Συστημάτων (3) Με ποιο τρόπο περιγράφουμε (άρα και μελετάμε) μια εφαρμογή (σύστημα); Β) Προσδιορισμός φυσικών νόμων: Διατήρηση ύλης Διατήρηση ενέργειας Γ) Προσδιορισμός υλικών στοιχείων: (Μέσω των φυσικών νόμων «παράγουν» τα μετρήσιμα φυσικά μεγέθη) Στοιχεία τριβής Στοιχεία συσσώρευσης ενέργειας Στοιχεία μετατροπής/ απόδοσης ενέργειας 20
Εφαρμογή σε μηχανικά συστήματα που εκτελούν ευθύγραμμη κίνηση Μεγέθη - Μετατόπιση y(t) - Ταχύτητα u(t) d y(t) dt - Επιτάχυνση d (t) dt y(t) - Δύναμη f(t) 2 a 2 d dt u(t) 21
Εφαρμογή σε μηχανικά συστήματα που εκτελούν ευθύγραμμη κίνηση Μεγέθη - Μετατόπιση y(t) - Ταχύτητα u(t) d y(t) dt - Επιτάχυνση d (t) dt a 2 y(t) - Δύναμη f(t) 2 d dt u(t) Νόμοι Νεύτωνα ΣF = m a «Ισορροπία Δυνάμεων».. Ενεργειακά πως εξηγείται; 22
Εφαρμογή σε μηχανικά συστήματα που εκτελούν ευθύγραμμη κίνηση Μεγέθη - Μετατόπιση y(t) - Ταχύτητα u(t) d y(t) dt - Επιτάχυνση d (t) dt y(t) - Δύναμη f(t) 2 a 2 d dt u(t) Νόμοι Νεύτωνα ΣF = m a «Ισορροπία Δυνάμεων».. Ενεργειακά πως εξηγείται; Υλικά στοιχεία -Τριβή με έδαφος -Αποσβεστήρας (τριβή) F a = B d dt y(t) -Ελατήριο (αποθήκευση ενέργειας) Μ K = K y(t) -Μάζα (μετατροπή ενέργειας) 23
Εφαρμογή σε Μηχανικά Συστήματα που εκτελούν Περιστροφική κίνηση Μεγέθη -Μετατόπιση: φ(t) -Ταχύτητα: ω t -Επιτάχυνση: α t = d2 y φ t dt2 = -Ροπή M(t) = d dt φ(t) mg φ d dt ω(t) περιστροφικός αποσβεστήρας και περιστροφικό ελατήριο Νόμοι Νεύτωνα ΣM = J α «Ισορροπία Ροπών». Ενεργειακά πως εξηγείται; Υλικά στοιχεία -Αποσβεστήρας (τριβή) M a = B d dt φ(t) -Ελατήριο (αποθήκευση) Μ K = Kφ(t) -Αδράνεια (μετατροπή) M J = J α = J d2 dt 2 φ(t) 24
Εφαρμογή σε Ηλεκτρικά Συστήματα (Κυκλώματα) Μεγέθη -Φορτίο Q(t) -Ρεύμα i t -Τάση u(t) = d dt Q(t) Νόμοι (Kirchhoff) - Σi=0 (ισορροπία εντάσεων κόμβου) - Σu=0 (ισορροπία τάσεων βρόχου).. Ενεργειακά πως εξηγείται; Υλικά στοιχεία -Αντίσταση (τριβή) U R t -Πυκνωτής (συσσώρευση) u = Q C = 1 C -Πηνίο (μετατροπή) u t i t dt = L d dt i(t) = i t R 25
Γενικά θα ισχύουν οι αντιστοιχίες του παρακάτω πίνακα 26
Παραδείγματα εύρεσης μοντέλου (ομοιώματος) συστήματος 1) Μάζα, ελατήριο, αποσβεστήρας 27
1) Μάζα, ελατήριο, αποσβεστήρας B Κ m F(t) Λείο (όχι τριβή) Διάγραμμα Ελευθέρου Σώματος: Δ.Ε.Σ d B dt x(t) m F(t) k x(t) + Θετική φορά x(t) ΣF = m α Β d x t k x t + f t dt d2 = m x t dt2 m d2 dt 2 x t + B d x t + k x t dt = f(t) 28
1) Μάζα, ελατήριο, αποσβεστήρας (συνέχεια) B Κ m F(t) Λείο (όχι τριβή) d B dt x(t) m F(t) k x(t) + Θετική φορά x(t) ή αν Τότε: d x t = dt x d2 t, x t = dt2 x m x t + B x t + kx t t = f(t) 29
Παραδείγματα εύρεσης μοντέλου (ομοιώματος) συστήματος 2) Μέρος ανάρτησης βαρέως οχήματος 30
2) Κομμάτι ανάρτησης βαρέως οχήματος - Έστω m 2 τροχός (ζάντα), m 1 μέρος ελαστικού και m 2 > m 1 - Το αμετακίνητο όριο αντιστοιχεί στη μάζα αμαξώματος Μ. x 2 Άρα: Η προσέγγιση αυτή θεωρεί μικρές μετατοπίσεις (μόνο κίνηση τροχού, το αμάξωμα σχεδόν ακίνητο). x 1 31
2) Κομμάτι ανάρτησης βαρέως οχήματος (συνέχεια) Προσοχή: x 1 (t), x 2 (t) από τη θέση ισορροπίας! m 1 : B 1 x 1 x 2 k 1 x 1 x 2 + f = m 1 x 1 (1) x 2 m 2 : B 1 x 1 x 2 + k 1 x 1 x 2 k 2 x 2 B 2 x 2 = m 2 x 2 (2) Το όρισμα (t) παραλείπεται για συντομία! x 1 32
Κομμάτι ανάρτησης βαρέως οχήματος (συνέχεια) ταξινομώντας τους όρους στις (1), (2): m 1 x 1 + B 1 x 1 x 2 + k 1 x 1 x 2 = F (3) m 2 x 2 + B 2 x 2 + k 2 x 2 = k 1 x 1 x 2 + B 1 x 1 x 2 (4) Για κάθε σώμα μια Δ.Ε. 2 ης τάξης 33
2) Κομμάτι ανάρτησης βαρέως οχήματος (συνέχεια) Αν θέλουμε τη σχέση x 2 (μετατόπιση της ζάντας) και F; - Ορίζω τελεστή D, ώστε Dx = d x : Η παράγωγος έγινε γινόμενο! dt - Μετατρέπω τις Διαφορικές εξισώσεις (3) και (4) σε αλγεβρικές εξισώσεις! 3 => m 1 D 2 x 1 +B 1 D x 1 B 1 D x 2 +k 1 x 1 k 1 x 2 = F (5) 4 => m 2 D 2 x 2 +B 2 D x 2 +k 2 x 2 = k 1 x 1 k 1 x 2 +B 1 D x 1 B 1 D x 2 (6) 34
2) Κομμάτι ανάρτησης βαρέως οχήματος (συνέχεια) Λύνω την (5) ως προς x 1 και αντικαθιστώ στην (6) οπότε λαμβάνω: m 1 m 2 D 4 x 2 + m 1 B 1 + m 1 B 2 + m 2 B 1 D 3 x 2 + (m 1 k 1 + m 1 k 2 + m 2 k 1 + Β 1 Β 2 ) D 2 x 2 + B 1 k 2 + Β 2 k 1 D x 2 +k 1 k 2 x 2 = B D F + k 1 F με D d dt Άρα: Ο βαθμός του συστήματος με είσοδο δύναμης F και έξοδο την μετατόπιση x 2 είναι 4 (εφόσον η σχετική Δ.Ε. είναι 4 ης τάξης) Ερώτηση: Τι βαθμού θα είναι το σύστημα με είσοδο F και έξοδο μετατόπιση x1; 35
Παραδείγματα εύρεσης μοντέλου (ομοιώματος) συστήματος 3) Ηλεκτρικό κύκλωμα RLC με πηγή τάσης 36
3) Ηλεκτρικό κύκλωμα RLC με πηγή Σύστημα με: τάσης - Είσοδο: e(t) και - Έξοδο: Τάση πυκνωτή U c t = 1 C i t dt 37
3) Ηλεκτρικό κύκλωμα RLC με πηγή 2 ος Νόμος του Kirchhoff: τάσης (συνέχεια) U L + U R + U C e t = 0 => L d dt i t + i t R + 1 C i t dt e t = 0 (1) - Όμως U c t = 1 C i t dt => i t = c d dt U c t (2) - Οπότε μέσω των (1), (2): LC d2 dt 2 U c t + RC d dt U c t + U c t e t = 0 => LC U c t + RC U c t + U c t = e t 38
Παραδείγματα εύρεσης μοντέλου (ομοιώματος) συστήματος 4) Ηλεκτρικό κύκλωμα RLC με πηγή έντασης 39
4) Ηλεκτρικό κύκλωμα RLC με πηγή Σύστημα με: έντασης - Είσοδο: i(t) και - Έξοδο: Τάση πυκνωτή U c t = 1 C i t dt 40
4) Ηλεκτρικό κύκλωμα RLC με πηγή έντασης (συνέχεια) - U L (t)=u R (t)=u C (t) εφόσον πρόκειται για παράλληλους κλάδους - Πρώτος (1 ος ) Νόμος του Kirchhoff: i t = i L t + i R t + i c t (1) - U L t = L d il L(t) > t => i dt L t = 1 L U L t dt = 1 L U C t dt (2) και U R t = i R t R => i R t = U R(t) R = U Uc(t) R(t) R (3) U C t = 1 C iic(t) R (t)dt => i C t = C d Uc t (4) dt 41
4) Ηλεκτρικό κύκλωμα RLC με πηγή έντασης (συνέχεια) Θέτοντας τις (2), (3), (4) στην (1) είναι: i t = 1 L U C t dt + U c(t) R + C d dt U c t => ή C d2 dt 2 U C t + 1 R d dt U C t + 1 L U C t = d dt i(t) 42
Παραδείγματα εύρεσης μοντέλου (ομοιώματος) συστήματος 5) Ηλεκτρομηχανικό Σύστημα: Κινητήρας Συνεχούς Ρεύματος 43
5) Ηλεκτρομηχανικό Σύστημα: Κινητήρας Συνεχούς Ρεύματος Φ Σύστημα με: i 2 =σταθ Uin (t) L 1 L 2 - Είσοδο: U in (t) i 1 (t) και Στάτης M, ω Άξονας αδράνειας J Δρομέας - Έξοδο: Ταχύτητα ω(t) και με απόσβεση B Στάτης: U in t i 1 t L 1 d dt i 1 t = 0 (1) i 1 (t) R 1 Πεδίο: M t = k i 1 (t) (2) ΓΙΑΤΙ; Άξονας: J d dt ω t = B ω t + M(t) (3) 44
5) Ηλεκτρομηχανικό Σύστημα: Κινητήρας Συν. Ρεύματος (συνέχεια) - Χρησιμοποιώ τον τελεστή D ώστε να λύσω την (1) ως προς i 1 (t): i 1 t = U in(t) R 1 + L 1 D (4) - Αντικαθιστώ τις (4) και (2) στην (3) οπότε: J L 1 D 2 ω t + R J + L 1 B D ω t + B R 1 ω t 1 ή J L 1 d2 dt 2 ω t + R J + L 1 B d 1 dt ω t + B R 1 ω t = K U in (t) = K U in (t) 45
Τέλος Ενότητας