Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου & Ρυθμίσεως Μηχανών

Σχετικά έγγραφα
Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου & Ρυθμίσεως Μηχανών (h>p://)

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου & Ρυθμίσεως Μηχανών (h>p://courseware.mech.ntua.gr/ml23147/)

2. Ανάλυση Γραμμικών Χρονικά Αμετάβλητων Συστημάτων (ΓΧΑΣ) Kostas J. Kyriakopoulos - Σ.Α.Ε. ΙΙ 1

Συστήματα Αυτόματου Ελέγχου

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα ΣΗΜΑΤΑ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου & Ρυθμίσεως Μηχανών (h>p://courseware.mech.ntua.gr/ml23147/)

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου & Ρυθμίσεως Μηχανών (h>p://courseware.mech.ntua.gr/ml23147/)

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου & Ρυθμίσεως Μηχανών (h>p://courseware.mech.ntua.gr/ml23147/)

Έλεγχος «Ελάχιστης Ενέργειας»

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου II

Ο Γραμμικός Τετραγωνικός Ρυθμιστής: Ευρεση Νόμου Ελέγχου

Ανάλυση υναµικής ιεργασιών

Εισαγωγή στην Ανάλυση και Προσοµοίωση Δυναµικών Συστηµάτων

Μάθημα: Ρομποτικός Έλεγχος

Συστήματα Αυτόματου Ελέγχου

p& i m p mi i m Με τη ίδια λογική όπως αυτή που αναπτύχθηκε προηγουµένως καταλήγουµε στην έκφραση της κινητικής ενέργειας του ρότορα i,

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου & Ρυθμίσεως Μηχανών (h>p://)

ΜΟΝΤΕΡΝΑ ΘΕΩΡΙΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΙΙ Τμήμα Μαθηματικών - Τομέας Υπολογιστών & Αριθμητικής Ανάλυσης Εξετάσεις Σεπτεμβρίου 2016

Έλεγχος «Ελάχιστης Ενέργειας»

Βέλτιστος Έλεγχος μέσω Λογισμού των. Μεταβολών ( )

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου & Ρυθμίσεως Μηχανών (h>p://courseware.mech.ntua.gr/ml23147/)

Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου & Ρυθμίσεως Μηχανών (

Εισαγωγή στην Ανάλυση και Προσοµοίωση Δυναµικών Συστηµάτων

Όταν θα έχουµε τελειώσει το Κεφάλαιο αυτό θα µπορούµε να:

Συστήµατα Ελέγχου µε Μικροϋπολογιστές

2. ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ. Γενικά τι είναι σύστηµα - Ορισµός. Τρόποι σύνδεσης συστηµάτων.

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 8. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

Άσκηση: Ένα σύστηµα µε είσοδο u(t), έξοδο y(t) και διάνυσµα κατάστασης x(t) = (x 1 (t) x 2 (t)) T περιγράφεται από το ακόλουθο διάγραµµα:

9. ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΛΛΗΛΕΠΙ ΡΑΣΗΣ ΜΕ ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ. Εξετάζουµε διάφορα µοντέλα ελέγχου αλληλεπίδρασης του βραχίονα µε το περιβάλλον.

Κεφάλαιο M4. Κίνηση σε δύο διαστάσεις

Περιγραφή Συστηµάτων Αυτοµάτου Ελέγχου

Εισαγωγή στην Ανάλυση και Προσοµοίωση Δυναµικών Συστηµάτων

Καλώς ήλθατε. Καλό ξεκίνημα.

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΙΙ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΟΛΛΩΝ ΣΩΜΑΤΩΝ

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 11. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

Δυναµική των Ροµποτικών Βραχιόνων. Κ. Κυριακόπουλος

Σύστημα και Μαθηματικά μοντέλα συστημάτων

3. ΥΝΑΜΙΚΗ ΡΟΜΠΟΤΙΚΩΝ ΒΡΑΧΙΟΝΩΝ

( t) όπου το * αντιστοιχεί σε συνέλιξη και. (t 2) * x 2

Δυναμική Μηχανών I. Διάλεξη 10. Χειμερινό Εξάμηνο 2013 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχ., ΕΜΠ

Συστήματα Ελέγχου με Μικροϋπολογιστές (h9p://courseware.mech.ntua.gr/ml23259/)

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου & Ρυθμίσεως Μηχανών (h>p://)

5. (Λειτουργικά) Δομικά Διαγράμματα

Δυναμική Μηχανών I. Αριθμητική Επίλυση Δυναμικών Συστημάτων στο Περιβάλλον MATLAB και Simulink

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου & Ρυθμίσεως Μηχανών (h>p://courseware.mech.ntua.gr/ml23147/)

Λύσεις θεμάτων Α εξεταστικής περιόδου εαρινού εξαμήνου (Ιούνιος 2015)

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου & Ρυθμίσεως Μηχανών (h>p://courseware.mech.ntua.gr/ml23147/)

Kεφάλαιο 4. Συστήµατα διαφορικών εξισώσεων.

Δυναμική Μηχανών I. Συνάρτηση και Μητρώο Μεταφοράς

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 13: Μελέτη ΓΧΑ Συστημάτων με τον Μετασχηματισμό Laplace. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

HMY 220: Σήματα και Συστήματα Ι

10. Παραγώγιση διανυσµάτων

Εισαγωγή στην Ανάλυση Συστηµάτων Αυτοµάτου Ελέγχου: Χρονική Απόκριση και Απόκριση Συχνότητας

Μετασχηµατισµοί Laplace, Αναλογικά Συστήµατα, ιαφορικές Εξισώσεις

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα ΣΗΜΑΤΑ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

website:

Εισαγωγή στην Τεχνολογία Αυτοματισμού

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου & Ρυθμίσεως Μηχανών (h>p://courseware.mech.ntua.gr/ml23147/)

υναµ α ι µ κή τ ων Ρ οµ ο π µ ο π τ ο ικών Βραχιόνων

Βέλτιστος Έλεγχος Συστημάτων

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου 1 Ενότητα # 7: Άλγεβρα βαθμίδων (μπλόκ) Ολική συνάρτηση μεταφοράς

Η Βασική Δομή Συστημάτων Ελέγχου Κίνησης

Κεφάλαιο 5 Ευστάθεια Ελεγξιµότητα - Παρατηρησιµότητα

Δυναμική Μηχανών I. Εισαγωγική Ανάλυση και Γραμμικοποίηση. Μη-Γραμμικών Δυναμικών Εξισώσεων

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΙΙ

Κεφάλαιο 5 Ευστάθεια Ελεγξιµότητα - Παρατηρησιµότητα

Κεφάλαιο 6. Έλεγχος στο Πεδίο της Συχνότητας. Τόπος Ριζών Διάγραµµα Bode Διάγραµµα Nyquist Ψηφιακός PID

M m l B r mglsin mlcos x ml 2 1) Να εισαχθεί το µοντέλο στο simulink ορίζοντας από πριν στο MATLAB τις µεταβλητές Μ,m,br

ΣΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι

= x. = x1. math60.nb

Ανάλυση Σ.Α.Ε στο χώρο κατάστασης

Κεφάλαιο 6. Έλεγχος στο Πεδίο της Συχνότητας. Τόπος Ριζών Διάγραµµα Bode Διάγραµµα Nyquist Ψηφιακός PID

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου & Ρυθμίσεως Μηχανών (

Ενότητα 2: Εισαγωγή στη Θεωρία Βέλτιστου Ελέγχου. Νίκος Καραμπετάκης Τμήμα Μαθηματικών

Συστήματα Ελέγχου με Μικροϋπολογιστές (h9p://courseware.mech.ntua.gr/ml23259/)

Γεωµετρικη Θεωρια Ελεγχου

y 1 Output Input y 2 Σχήµα 1.1 Βασική δοµή ενός συστήµατος ελέγχου κλειστού βρόγχου

ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΦΥΣΙΚΗΣ Α ΛΥΚΕΙΟΥ

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου & Ρυθμίσεως Μηχανών : Στοιχεία Γραμμικής Άλγεβρας

Λύσεις θεμάτων εξεταστικής περιόδου Ιουνίου v 3 (t) - i 2 (t)

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Σερρών Τμήμα Πληροφορικής & Επικοινωνιών Σήματα και Συστήματα

ΔΙΑΜΗΚΗΣ ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΕΠΙΛΥΣΗ ΕΞΙΣΩΣΕΩΝ ΚΙΝΗΣΗΣ ΑΕΡΟΔΥΝΑΜΙΚΕΣ ΠΑΡΑΓΩΓΟΙ ΕΥΣΤΑΘΕΙΑΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΤΟ MATLAB

Προσομoίωση Απόκρισης Συστήματος στο MATLAB

ii) Nα βρείτε την µέγιστη γωνιακή ταχύτητα της ράβδου.

Μαθηµατικές Μέθοδοι (Μοντελοποίηση)

Παραρτήματα. Παράρτημα 1 ο : Μιγαδικοί Αριθμοί

x(t) 2 = e 2 t = e 2t, t > 0

Σεισμική Απόκριση Μονοβάθμιου Συστήματος

Σεµινάριο Αυτοµάτου Ελέγχου

Σ 1 γράφεται ως. διάνυσµα στο Σ 2 γράφεται ως. Σ 2 y Σ 1

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου & Ρυθμίσεως Μηχανών (

Γραµµικη Αλγεβρα Ι Επιλυση Επιλεγµενων Ασκησεων Φυλλαδιου 4

x(t) ax 1 (t) y(t) = 1 ax 1 (t) = (1/a)y 1(t) x(t t 0 ) y(t t 0 ) =

ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ/ ΣΤΕΦ 3/2/2016 ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΓΡΑΠΤΗ ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ

Τυπική µορφή συστήµατος 2 ας τάξης

ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟ MATLAB- SIMULINK

Διαγώνισμα Φυσική Κατεύθυνσης Γ Λυκείου

Λύσεις θεμάτων Α εξεταστικής περιόδου Χειμερινού εξαμήνου

Transcript:

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου & Ρυθμίσεως Μηχανών Κων/νος Ι. Κυριακόπουλος Καθηγητής ΕΜΠ (hhp://users.ntua.gr/kkyria/) Kostas J. Kyriakopoulos - Σ.Α.Ε. ΙΙ 1

Δομή της Ύλης του Μαθήματος Εισαγωγή στο Χώρο Κατάστασης Μοντελοποίηση στο Χώρο Κατάστασης Ανάλυση Συστημάτων στο Χώρο Κατάστασης Δομικές Ιδιότητες Συστημάτων Ελεγξιμότητα Παρατηρησιμότητα Ευστάθεια Σχεδίαση Συστημάτων Ελέγχου Ανατροφοδότηση Κατάστασης Παρατηρητές και Ανατροφοδότηση Εξόδου Βέλτιστος Έλεγχος Υλοποίηση Συστημάτων Ελέγχου?? Kostas J. Kyriakopoulos - Σ.Α.Ε. ΙΙ 2

1. Παράσταση Συστημάτων Kostas J. Kyriakopoulos - Σ.Α.Ε. ΙΙ 3

Παράσταση Συστημάτων Τρόποι παράστασης δυναµικών συστηµάτων κατάλληλοι για ανάλυση και σχεδιασµό συστηµάτων ελέγχου: Εξισώσεις Κατάστασης (State-Space Equations): Συνίστανται από: µία Διανυσµατική Διαφορική Εξίσωση 1 ης τάξης που συσχετίζει ανεξάρτητες µεταβλητές (είσοδοι) µε µεταβλητές κατάστασης, και Μία Διανυσµατική Αλγεβρική Εξίσωση που συσχετίζει µεταβλητές εξόδου που εκφράζονται συναρτήσει των εισόδων και των µεταβλητών κατάστασης. Δοµικό Διάγραµµα (Block Diagram): Γραφική παράσταση των εξισώσεων κατάστασης. Μήτρες Μεταφοράς (Transfer Matrices): είναι Πίνακες Συναρτήσεων Μεταφοράς (Matrix Transfer Functions) που συσχετίζουν τους µετασχηµατισµούς Laplace των εισόδων και των εξόδων. Kostas J. Kyriakopoulos - Σ.Α.Ε. ΙΙ 4

Εξισώσεις Κατάστασης (State- Space Equa@ons) Γενική µορφή παράστασης Γραµµικών Χρονικά Αµετάβλητων Συστηµάτων ΓΧΑ (Linear Time Invariant - LTI) σε µορφή εξισώσεων κατάστασης: Το n-διάστατο διάνυσµα κατάστασης (state vector) αποτελείται από n µεταβλητές κατάστασης (state variables) Τα διανύσµατα εισόδου και εξόδου είναι αντίστοιχα: Kostas J. Kyriakopoulos - Σ.Α.Ε. ΙΙ 5

Το διάνυσµα κατάστασης x εµπεριέχει εκείνες τις (εσωτερικές) µεταβλητές που αποτελούν το ελάχιστο σύνολο µεταβλητών που απαιτείται να παραστήσουν πλήρως την εξέλιξη του συστήµατος µε βάση την επενέργηση της εισόδου και την αρχική κατάσταση Το διάνυσµα εισόδου u εµπεριέχει τις µεταβλητές που επενεργούν στο (δηλ. «οδηγούν» το) σύστηµα. Το διάνυσµα εξόδου y (θα θεωρήσουµε προς το παρόν ότι απλά) περιέχει εκείνες τις µεταβλητές που µπορούν να µετρηθούν. Δεδοµένης της δοµής Εξισώσεις Κατάστασης (State- Space Equa@ons) και των διαστάσεων των σχετικών διανυσµάτων, είναι προφανές ότι για τούς παραπάνω πίνακες ισχύει: nn nm pn pm A= a ij R B= b ij R C= c ij R D= d ij R Kostas J. Kyriakopoulos - Σ.Α.Ε. ΙΙ 6

Προφανώς οι (µητρωικές) εξισώσεις Κατάστασης (διαφορική) Εξόδου (αλγεβρική) Εξισώσεις Κατάστασης (State- Space Equa@ons) είναι «συµπτυγµένες» µορφές των n διαφορικών εξισώσεων (i = 1,2,,n) κατάστασης p αλγεβρικών εξισώσεων ( j = 1,2,,p) εξόδου Οι εξισώσεις κατάστασης προκύπτουν από τις βασικές διαφορικές εξισώσεις που περιγράφουν τη «δυναµική» του συστήµατος. Με αυτό το τρόπο αν η δυναµική περιγράφεται από ll ΔΕ, όπου κάθε µία είναι n k = 1, 2, l, τάξεως, τότε η µητρωική µορφή αντιπροσωπεύει έναν αριθµό n= n εξισώσεων πρώτης τάξεως l k = 1 k Kostas J. Kyriakopoulos - Σ.Α.Ε. ΙΙ 7

Δομικά Διαγράμματα Αποτελούν ουσιαστικά γραφική παράσταση των Δ.Ε. κατάστασης και των αλγεβρικών εξισώσεων εξόδου. Συνίστανται στη διασύνδεση 3 βασικών συναρτησιακών στοιχείων: Ενισχυτή: στοιχείο πολλαπλασιασµού σηµάτων µε πίνακα σταθερών. q e R K r z R Αθροιστή: στοιχείο άθροισης (ή και αφαίρεσης) µεταξύ οµοδιάστατων q διανυσµατικών µεταβλητών e R 1 q Ολοκληρωτή: στοιχείο που ολοκληρώνει τις ΔΕ κατάστασης (1 ης τάξης) αποδίδοντας της µεταβλητές κατάστασης δεδοµένων των αρχικών συνθηκών. e = e ( ) 0 0 Σ e R 2 e= e + e R 1 2 q et!( ) ( ) ( τ) et = e+ e dτ 0 t 0 Kostas J. Kyriakopoulos - Σ.Α.Ε. ΙΙ 8

Δομικά Διαγράμματα Η γενική παράσταση Γραµµικών Χρονικά Αµετάβλητων Συστηµάτων (ΓΧΑΣ) σε µορφή εξισώσεων κατάστασης: παρίσταται σε µορφή Δοµικού Διαγράµµατος. D u(t) B u(t) C x(t) Α x(t) Kostas J. Kyriakopoulos - Σ.Α.Ε. ΙΙ 9

Μήτρες Μεταφοράς Σε ΓΧΑ συστήµατα µίας εισόδου µίας εξόδου (Single Input Single Output SISO), Συνάρτηση Μεταφοράς (Transfer Function TF) είναι ο λόγος των µετασχηµατισµών Laplace της εξόδου προς την είσοδο, θεωρώντας ότι όλες οι αρχικές συνθήκες είναι µηδενικές. Y ( ) ( s) F s = U U s ( s ) F(s) Y( s) ( ) Παροµοίως σε ΓΧΑ συστήµατα πολλών εισόδων πολλών εξόδων (Multiple Input Multiple Output MIMO) η συσχέτιση των µετασχηµατισµών Laplace των διανυσµάτων εξόδου (p-διάστατο) εισόδου (m-διάστατο), θεωρώντας ότι όλες οι αρχικές συνθήκες είναι µηδενικές, γίνεται από την Μήτρα Μεταφοράς (p m-διάστατη). Y( s) = G( s) U( s) U( s ) Y( s) G(s) Προφανώς το στοιχείο G ij (s) δείχνει την επίδραση του U j (s) στο Y i (s). Kostas J. Kyriakopoulos - Σ.Α.Ε. ΙΙ 10

Μήτρες Μεταφοράς Αν στη γενική παράσταση Γραµµικών Χρονικά Αµετάβλητων Συστηµάτων (ΓΧΑΣ) σε µορφή εξισώσεων κατάστασης: εφαρµόσουµε το µετασχηµατισµό Laplace (µηδενικές αρχικές συνθήκες) ( ) 0 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) s X s x/ = A X s + B U s Y s = C s I A B+ D U s Y s = C X s + D U s 1 ( si A) Xs ( ) = BUs ( ) X( s) = ( si A) BUs ( ) η Μήτρα Μεταφοράς είναι 0 1 ( ) ( ) ( ) Y( s) = G( s) U( s) ( ) ( ) 1 G s = C s I A B+ D Kostas J. Kyriakopoulos - Σ.Α.Ε. ΙΙ 11

Γ.Χ.Α.Σ. - Παράδειγμα 1 Η διαφορική εξίσωση που περιγράφει το φυσικό φαινόµενο είναι: Εφόσον είναι 2 ης τάξης, αντιστοιχούν 2 µεταβλητές κατάστασης Προφανώς που οδηγεί την αρχική ΔΕ στην µορφή Εποµένως η αρχική ΔΕ 2 ης τάξης αντιστοιχεί σε 2 ΔΕ 1 ης τάξης Οι µεταβλητές κατάστασης συνδέονται µε τα στοιχεία συσσώρευσης ενέργειας. Kostas J. Kyriakopoulos - Σ.Α.Ε. ΙΙ 12

Γ.Χ.Α.Σ. - Παράδειγμα 1 Η έξοδος είναι ενώ η είσοδος είναι Εποµένως λαµβάνουµε τις µητρωικές εξισώσεις Κατάστασης (διαφορική) Εξόδου (αλγεβρική) Έχουµε δηλαδή ένα 2-διάστατο (n=2) σύστηµα µίας εισόδου µίας εξόδου (Single Input Single Output SISO) (m=p=1) Kostas J. Kyriakopoulos - Σ.Α.Ε. ΙΙ 13

Γ.Χ.Α.Σ. - Παράδειγμα 2 Οι µεταβλητές κατάστασης συνδέονται µε τα στοιχεία συσσώρευσης ενέργειας: Οι είσοδοι συσχετίζονται µε τις ανεξάρτητες πηγές Έστω ότι επιλέγουµε ως έξοδο την τάση του πηνίου Kostas J. Kyriakopoulos - Σ.Α.Ε. ΙΙ 14

Γ.Χ.Α.Σ. - Παράδειγμα 2 Δεδοµένου ότι Λαµβάνουµε Από τους νόµους τάσεων και ρευµάτων του Kirchoff: Γράφοντας αυτές τις εξισώσεις σε µητρωική µορφή µε όρους που ξεχωρίζουν τις χρονικές παραγώγους, το διάνυσµα κατάστασης και το διάνυσµα εισόδου παίρνουµε... Kostas J. Kyriakopoulos - Σ.Α.Ε. ΙΙ 15

Γ.Χ.Α.Σ. - Παράδειγμα 2... Οπότε κάνοντας τις πράξεις... Kostas J. Kyriakopoulos - Σ.Α.Ε. ΙΙ 16

Γ.Χ.Α.Σ. - Παράδειγμα 2 Δεδοµένου ότι Λαµβάνουµε Έχουµε δηλαδή ένα 3-διάστατο (n=3) σύστηµα, δύο εισόδων (m=2) και µίας εξόδου (p=1) Kostas J. Kyriakopoulos - Σ.Α.Ε. ΙΙ 17

Γ.Χ.Α.Σ. - Παράδειγμα 3 Αν η ΔΕ που περιγράφει ένα σύστηµα είναι (n=3): η αντίστοιχη Συνάρτηση Μεταφοράς είναι... Αν ορίσουµε τις 3 µεταβλητές κατάστασης τότε η ΔΕ γίνεται Οπότε λαµβάνουµε τις µητρωικές εξισώσεις Κατάστασης (διαφορική) Εξόδου (αλγεβρική) Kostas J. Kyriakopoulos - Σ.Α.Ε. ΙΙ 18

Γ.Χ.Α.Σ. - Παράδειγμα 3 Η γενίκευση του προηγούµενου παραδείγµατος για Δίνει προφανώς µε Kostas J. Kyriakopoulos - Σ.Α.Ε. ΙΙ 19

Γ.Χ.Α.Σ. - Παράδειγμα 4 Θεωρούµε το SISO σύστηµα Αν, όπως και προηγουµένως, ορίσουµε = ( ) ( ) Y s U s τότε Εποµένως οι µεταβλητές κατάστασης πρέπει να ορισθούν διαφορετικά. Θεωρώντας Y( s) = U s όπου ( ) τότε... Kostas J. Kyriakopoulos - Σ.Α.Ε. ΙΙ 20

Γ.Χ.Α.Σ. - Παράδειγμα 4 Και στο πεδίο του χρόνου παίρνουµε Από τη πρώτη ΣΜ... Και από τη δεύτερη... Οπότε επιλέγοντας αυτή τη φορά µεταβλητές κατάστασης... Βέβαια αυτές οι μεταβλητές κατάστασης ΔΕΝ έχουν προφανή φυσική σημασία... Kostas J. Kyriakopoulos - Σ.Α.Ε. ΙΙ 21

Γ.Χ.Α.Σ. - Παράδειγμα 4... λαµβάνουµε τις µητρωικές εξισώσεις Κατάστασης (διαφορική) Εξόδου (αλγεβρική) Προφανώς αυτή η µεθοδολογία είναι φανερό ότι επεκτείνεται άµεσα για Kostas J. Kyriakopoulos - Σ.Α.Ε. ΙΙ 22

Γ.Χ.Α.Σ. - Παράδειγμα 4 Η περαιτέρω επέκταση στην αµέσως γενικότερη περίπτωση γίνεται µέσω πολυωνυµικής διαίρεσης που οδηγεί σε όπου bˆ = b b a i= 1, 2,, n 1 i i n i Σε αυτή τη περίπτωση προχωρούµε όπως και προηγουµένως στην ανάπτυξη του µοντέλου εξισώσεων κατάστασης που οδηγεί στην ανεύρεση των πινάκων Α, Β, C. Σε αυτή την περίπτωση βεβαίως D= b n Kostas J. Kyriakopoulos - Σ.Α.Ε. ΙΙ 23

Συμπέρασμα για τα Παραδ. 3 & 4 Οι εξισώσεις κατάστασης είναι «υλοποίηση στο χώρο κατάστασης» (statespace realization) της συµπεριφοράς εισόδου-εξόδου ενός συστήµατος αν «αντιστοιχεί» είτε στη σχέση Y(s)=H(s) U(s) είτε στη σχετική ΔΕ που σχετίζει τα y(t) και u(t) στο πεδίο του χρόνου (µηδενικές αρχικές συνθήκες). Στα µέχρι τώρα παραδείγµατα (3, 4) που αφορούσαν συστήµατα SISO η συγκρότηση της «υλοποίησης στο χώρο κατάστασης» : έγινε µε µη συστηµατικό (γενικευµένο) τρόπο (κάτι που θα γίνει πιο µετά), και ονοµάζεται «κανονική µορφή µεταβλητών φάσης» (phase-variable canonical form) ή «κανονική µορφή τύπου ελεγκτή» (controller canonical form) Η έννοια της «υλοποίησης στο χώρο κατάστασης» θα αντιµετωπισθεί και σε επόµενη φάση. Kostas J. Kyriakopoulos - Σ.Α.Ε. ΙΙ 24

Μη- Γραμμικά Συστήματα & Γραμμικοποίηση Γενική µορφή παράστασης (Μη-Γραµµικών, Χρονικά Μεταβλητών) Συστηµάτων σε µορφή εξισώσεων κατάστασης: όπου οι συναρτήσεις f (,, ) και h (,, ) είναι συνεχώς παραγωγίσιµες (continuously differentiable) ως προς τα ορίσµατά τους. Ορισµός: Για ένα ονοµαστικό σήµα εισόδου u! ( t) η αντίστοιχη ονοµαστική τροχιά της κατάστασης xt! ικανοποιεί την ΔΕ και η αντίστοιχη ονοµαστική τροχιά εξόδου είναι Αν υπάρχει (δηλ. σταθερά διανύσµατα) για τα οποία ισχύει (!! ) ( ) ( ), ( ) ut! = uxt!! = x! 0 = f x, u, t t τότε έχουµε την ειδική περίπτωση όπου η ισορροπίας» (equilibrium state). x! είναι «κατάσταση Kostas J. Kyriakopoulos - Σ.Α.Ε. ΙΙ 25

Μη- Γραμμικά Συστήματα & Γραμμικοποίηση Θεωρούµε τις αποκλίσεις από τις «ονοµαστικές τροχιές»: και τις σχετικές µερικές παραγώγους: Kostas J. Kyriakopoulos - Σ.Α.Ε. ΙΙ 26

Μη- Γραμμικά Συστήματα & Γραμμικοποίηση Αναπτύσσοντας κατά Taylor: και ορίζοντας...... παίρνουµε:... όπου: Kostas J. Kyriakopoulos - Σ.Α.Ε. ΙΙ 27

Μη- Γραμμικά Συστήματα & Γραμμικοποίηση Θεωρώντας ότι η κατάσταση, η είσοδος και η έξοδος είναι «κοντά» στις ονοµαστικές τους τιµές, οι «οροι υψηλότερης τάξεως» (higher order terms h.o.t.) αγνοούνται οπότε λαµβάνεται η «γραµµικοποίηση» (linearization) του αρχικού συστήµατος Από τις εξισώσεις της προηγούµενης σελίδας γίνεται φανερό ότι αν: το αρχικό (µη-γραµµικό) σύστηµα δεν εξαρτάται από το χρόνο, και η γραµµικοποίηση γίνει γύρω από τροχιές (κατάσταση, είσοδο, έξοδο) ισορροπίας, τότε το γραµµικοποιηµένο σύστηµα είναι ΓΧΑ. Kostas J. Kyriakopoulos - Σ.Α.Ε. ΙΙ 28

Παράδειγμα 5: Γραμμικοποίηση Οι εξισώσεις της διάταξης «µπάλλας Δοκού» είναι p(t) είναι η θέση της µπάλλας, θ(t) είναι η γωνίας της δοκού, τ(t) είναι η ροπή του άξονα της δοκού (είσοδος) g είναι η επιτάχυνση της βαρύτητας, J είναι η ροπή αδράνειας της δοκού, και m, r, J b είναι οι µάζα, ακτίνα & ροπή αδράνειας της σφαίρας. Ορίζουµε... και... Kostas J. Kyriakopoulos - Σ.Α.Ε. ΙΙ 29

Παράδειγμα 5: Γραμμικοποίηση Οι εξισώσεις Κατάστασης και Εξόδου όπου. Οπότε : (, ) = x ( t) h x u 1 Kostas J. Kyriakopoulos - Σ.Α.Ε. ΙΙ 30

Παράδειγμα 5: Γραμμικοποίηση Θεωρούµε την ονοµαστική τρόχιά όπου η ράβδος είναι οριζόντια & σταθερή x ( t) x ( t) η µπάλλα κινείται µε σταθερή ταχύτητα υ 0 όντας, την χρονική στιγµή t 0, στη θέση p 0 οπότε προκύπτει ότι ( ) ( ) ( ) ( 3 = 4 = 0) Προφανώς δε,! yt = x! 1 t =! pt Για να προχωρήσουµε στη γραµµικοποίηση, θεωρούµε τις µεταβλητές απόκλισης από τις ονοµαστικές...... και προχωρούµε στον υπολογισµό των Kostas J. Kyriakopoulos - Σ.Α.Ε. ΙΙ 31

Παράδειγμα 5: Γραμμικοποίηση όπου Kostas J. Kyriakopoulos - Σ.Α.Ε. ΙΙ 32

Παράδειγμα 5: Γραμμικοποίηση Οι παράµετροι του γραµµικοποιηµένου συστήµατος λαµβάνονται από τις µερικές παραγώγους για τιµές επι των ονοµαστικών τροχιών Kostas J. Kyriakopoulos - Σ.Α.Ε. ΙΙ 33

Παράδειγμα 5: Γραμμικοποίηση Για µηδενική αρχική ταχύτητα (υ 0 = 0), οπότε η θέση της µπάλλας είναι p 0, η γραµµικοποίηση γίνεται γύρω από τη τροχιά... Οπότε οι πίνακες του ΓΧΑΣ είναι: Kostas J. Kyriakopoulos - Σ.Α.Ε. ΙΙ 34