Αυτόματος Έλεγχος. Ενότητα 3 η : Δυναμικά Χαρακτηριστικά Τυπικών Συστημάτων Ευστάθεια Δυναμικών Συστημάτων. Παναγιώτης Σεφερλής

Σχετικά έγγραφα
Αυτόματος Έλεγχος. Ενότητα 9 η : Σχεδίαση ελεγκτών με το γεωμετρικό τόπο ριζών. Παναγιώτης Σεφερλής

Αυτόματος Έλεγχος. Ενότητα 10 η : Σχεδίαση αντισταθμιστών στο πεδίο της συχνότητας. Παναγιώτης Σεφερλής

Εισαγωγικές έννοιες θεωρίας Συστημάτων Αυτομάτου Ελέγχου

Αυτόματος Έλεγχος. Ενότητα 4 η : Πρότυπα μεταβλητών κατάστασης. Παναγιώτης Σεφερλής. Εργαστήριο Δυναμικής Μηχανών Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών

Αυτόματος Έλεγχος. Ενότητα 11 η : Σχεδίαση ελεγκτών στο πεδίο του χώρου μεταβλητών κατάστασης. Παναγιώτης Σεφερλής

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου 1 Ενότητα # 8: Αντίστροφος μετασχηματισμός Laplace Εφαρμογή σε απόκριση συστήματος: Σύστημα 1 ης τάξης

Κλασσική Θεωρία Ελέγχου

Συστήματα Αυτόματου Ελέγχου

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου 1 Ενότητα # 9: Σύστημα 2 ης τάξης: Χρονική απόκριση και χαρακτηριστικά μεγέθη (φυσικοί συντελεστές)

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου ΙΙ

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου

Παραρτήματα. Παράρτημα 1 ο : Μιγαδικοί Αριθμοί

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου 1 Ενότητα # 6: Έννοια της συνάρτησης μεταφοράς Παραδείγματα εφαρμογής σε φυσικά συστήματα

9 ο ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΣΗΜΑΤΑ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

Ευστάθεια, Τύποι συστημάτων και Σφάλματα

Υποθέστε ότι ο ρυθμός ροής από ένα ακροφύσιο είναι γραμμική συνάρτηση της διαφοράς στάθμης στα δύο άκρα του ακροφυσίου.

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

Ευστάθεια συστημάτων

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου ΙΙ

ΧΡΟΝΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙ ΤΩΝ ΠΟΛΩΝ ΤΗΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΗΣ ΕΞΟΔΟΥ Y(s) ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΓΝΩΡΙΣΜΑΤΑ ΤΗΣ ΧΡΟΝΙΚΗΣ ΑΠΟΚΡΙΣΗΣ ΣΕ ΕΙΣΟΔΟ ΜΟΝΑΔΙΑΙΑΣ ΒΑΘΜΙΔΑΣ

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου II

Συστήματα Αυτόματου Ελέγχου

(είσοδος) (έξοδος) καθώς το τείνει στο.

Αυτόματος Έλεγχος. Ενότητα 5 η : Απόκριση Συχνότητας Δυναμικών Συστημάτων. Παναγιώτης Σεφερλής

Έλεγχος Κίνησης

5o Εργαστήριο Σ.Α.Ε Ενότητα : Ελεγκτές PID

Κλασσική Θεωρία Ελέγχου

Λύσεις θεμάτων εξεταστικής περιόδου Ιανουαρίου Φεβρουαρίου 2015

Αυτόματος Έλεγχος. Ενότητα 8 η : Βελτίωση απόδοσης βρόχου ανάδρασης Α. Έλεγχος διαδοχικών βρόχων. Παναγιώτης Σεφερλής

Αυτόματος Έλεγχος. Ενότητα 12 η : Συστήματα ελέγχου πολλαπλών βρόχων ανάδρασης. Παναγιώτης Σεφερλής

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα. Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου. Ενότητα Β: Ευστάθεια Συστήματος (Γ Μέρος)

Συστήματα Αυτόματου Ελέγχου

Κλασσική Θεωρία Ελέγχου

Έλεγχος Κίνησης

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα ΣΗΜΑΤΑ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ. Ενότητα : ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ Ζ (ΖTransform)

ΣΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι

Εισαγωγή στην Τεχνολογία Αυτοματισμού

Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου

Εισαγωγικές έννοιες θεωρίας Συστημάτων Αυτομάτου Ελέγχου

Συστήματα Αυτόματου Ελέγχου

Εισαγωγή στην Τεχνολογία Αυτοματισμού

ΚΥΡΙΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ

Κλασσική Θεωρία Ελέγχου

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου ΙΙ

Λύσεις θεμάτων Α εξεταστικής περιόδου Χειμερινού εξαμήνου

Έλεγχος Κίνησης

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου ΙΙ Ασκήσεις Πράξης

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου 2

Εισαγωγή στην Τεχνολογία Αυτοματισμού

Κλασσική Θεωρία Ελέγχου

ΔΥΝΑΜΙΚΗ & ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΕΠΑΝΑΛΗΨΗΣ

Λύσεις θεμάτων Α εξεταστικής περιόδου εαρινού εξαμήνου (Ιούνιος 2015)

Βιομηχανικοί Ελεγκτές

Σερβοκινητήρες πρόωσης σε συστήματα CNC

Κλασσική Θεωρία Ελέγχου

Βιομηχανικοί Ελεγκτές

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα ΣΗΜΑΤΑ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

Εισαγωγικές έννοιες θεωρίας Συστημάτων Αυτομάτου Ελέγχου

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου 1 Ενότητα # 5: Χρήση μετασχηματισμού Laplace για επίλυση ηλεκτρικών κυκλωμάτων Μέθοδοι εντάσεων βρόχων και τάσεων κόμβων

Συστήματα Αυτόματου Ελέγχου

Ευστάθεια Συστηµάτων Αυτοµάτου Ελέγχου: Αλγεβρικά κριτήρια

7 ο ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΣΗΜΑΤΑ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

Λύσεις θεμάτων εξεταστικής περιόδου Ιανουαρίου Φεβρουαρίου 2015

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:

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα ΣΗΜΑΤΑ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

Θεωρείστε το σύστηµα του ανεστραµµένου εκκρεµούς-οχήµατος του Σχ. 1 το οποίο περιγράφεται από το δυναµικό µοντέλο

Εισαγωγή στον Αυτόματο Έλεγχο

Δυναμική Ηλεκτρικών Μηχανών

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα. Τίτλος Μαθήματος

Αυτόματος Έλεγχος. Ενότητα 7 η : Αναλογικός Ολοκληρωτικός Διαφορικός (PID) ελεγκτής Α. Στοιχεία ελεγκτή. Παναγιώτης Σεφερλής

ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ. Διδάσκων: Κολιόπουλος Παναγιώτης

Σήματα και Συστήματα ΙΙ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΠΡΟΗΓΜΕΝΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΛΕΓΧΟΥ. (α) Ο Διαδοχικός Έλεγχος (β) Ο Προσωτροφοδοτικός έλεγχος (γ) Τα Πολυμεταβλητά Συστήματα

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου ΙΙ Ασκήσεις Πράξης

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

Εισαγωγικές έννοιες θεωρίας Συστημάτων Αυτομάτου Ελέγχου

Εισαγωγικές έννοιες θεωρίας Συστημάτων Αυτομάτου Ελέγχου Ενότητα 2 η : ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΜΟΝΤΕΛΑ

Λύσεις θεμάτων Εξεταστικής Περιόδου Σεπτεμβρίου 2014

Βιομηχανικοί Ελεγκτές

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 11: Μετασχηματισμός Laplace. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

Προγραμματισμός Ηλεκτρονικών Υπολογιστών 2 - Εργαστήριο

ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ. Γενικά Μαθηματικά Ι. Ενότητα 6: Ακρότατα Συνάρτησης. Λουκάς Βλάχος Τμήμα Φυσικής

Γενικά Μαθηματικά Ι. Ενότητα 1: Συναρτήσεις και Γραφικές Παραστάσεις. Λουκάς Βλάχος Τμήμα Φυσικής ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα ΣΗΜΑΤΑ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

Μαθηματικά. Ενότητα 7: Μη Πεπερασμένα Όρια. Σαριαννίδης Νικόλαος Τμήμα Λογιστικής και Χρηματοοικονομικής

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου II

Λύσεις θεμάτων Α εξεταστικής περιόδου χειμερινού εξαμήνου (Ιούνιος 2014)

10 2a 1 0 x. 1) Να εξεταστεί η ελεγξιμότητα και η παρατηρησιμότητα του συστήματος για τις διάφορες

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα. Μετάδοση Θερμότητας. Ενότητα 3: Βασικές Αρχές Θερμικής Συναγωγιμότητας

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα. Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου. Ενότητα Α: Γραμμικά Συστήματα

Μιγαδικός λογισμός και ολοκληρωτικοί Μετασχηματισμοί

Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου

HMY 220: Σήματα και Συστήματα Ι

ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ Ενότητα 3&4: ΤΑΛΑΝΤΩΣΗ ΑΡΜΟΝΙΚΗΣ ΔΙΕΓΕΡΣΗΣ. Διδάσκων: Κολιόπουλος Παναγιώτης ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα. Μετάδοση Θερμότητας. Ενότητα 5: Ελεύθερη ή Φυσική Θερμική Συναγωγιμότητα

Όταν θα έχουµε τελειώσει το Κεφάλαιο αυτό θα µπορούµε να:

ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ. Διδάσκων: Κολιόπουλος Παναγιώτης

Βιομηχανικοί Ελεγκτές

Transcript:

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΙΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ Ενότητα 3 η : Δυναμικά Χαρακτηριστικά Τυπικών Συστημάτων Ευστάθεια Δυναμικών Συστημάτων Παναγιώτης Σεφερλής Εργαστήριο Δυναμικής Μηχανών

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. Τμήμα Μηχανολόγων Μηχναικών 2

Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο» 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. Τμήμα Μηχανολόγων Μηχναικών 3

Δυναμικά χαρακτηριστικά τυπικών συστημάτων Ευστάθεια δυναμικών συστημάτων Στόχοι του κεφαλαίου Χαρακτηριστικά μεγέθη απόκρισης δυναμικών συστημάτων ης, 2 ης και ανώτερης τάξης, με καθυστέρηση χρόνου και με θετικά μηδενικά. Εμπειρική αναγνώριση συστημάτων. Προσδιορισμός και κατανόηση ευστάθειας δυναμικών γραμμικών συστημάτων. Εκτίμηση ευστάθειας δυναμικών συστημάτων. 4

Δυναμικά χαρακτηριστικά τυπικών συστημάτων Ευστάθεια δυναμικών συστημάτων Περίληψη του κεφαλαίου Προσεγγιστικός υπολογισμός τυπικών μεγεθών συστημάτων. Προσδιορισμός μοντέλων από δυναμικά δεδομένα. Ορισμός ευστάθειας δυναμικών συστημάτων. Κριτήριο ευστάθειας Rοuth-Hurwitz. Ευστάθεια σε σύστημα κλειστού βρόχου. 5

Δυναμικά χαρακτηριστικά συστημάτων Γενικευμένη μορφή συνάρτησης μεταφοράς. Μηδενικά συστήματος. ( ) = K ( s- z ) s- z 2 ( s- p ) s- p 2 G s ( ) s- z m ( ) s- p n ( ) ( ) Πόλοι (ρίζες) συστήματος. Με το σύστημα αυτόματου ελέγχου επιδιώκεται η μεταβολή των πόλων του συστήματος ώστε να επιτευχθεί η επιθυμητή δυναμική συμπεριφορά. 6

Ποιοτική ανάλυση δυναμικής συμπεριφοράς Χρησιμοποιώντας το ανάπτυγμα μερικών κλασμάτων η συνάρτηση μεταφοράς φέρεται στην ακόλουθη μορφή. = Y s G s X s q s p s X s C s α C s α... 2 2 Έστω a i οι ρίζες του παρονομαστή της συνάρτησης μεταφοράς, p(s) =. α t α2t 2 2 2 Y t A A e A e... B B t B t... e Πραγματικά, διακριτά a i p q... C cos ωt C sin ωt e... 2 Μιγαδικά a i a q είναι Re{a i } αt αt Πραγματικά, επαναλαμβανόμενα a p 7

Ποιοτική ανάλυση δυναμικής συμπεριφοράς α t α2t 2 2 2 Y t A A e A e... B B t B t... e p q... C cos ωt C sin ωt e... 2. Αν όλοι οι πόλοι a i έχουν αρνητικό πραγματικό μέρος, τότε όλοι οι εκθετικοί όροι τείνουν στο μηδέν με το χρόνο και η Υ(t) συγκλίνει σε πεπερασμένη τιμή. Αν έστω ένας πόλος a i που έχει θετικό πραγματικό μέρος, τότε ο αντίστοιχος όρος απειρίζεται με το χρόνο και συνεπώς και η Y(t). 2. Αν όλοι οι πόλοι a i είναι πραγματικοί, τότε η Y(t) δεν ταλαντώνεται. Αν έστω υπάρχει ένα ζεύγος πόλων a i που είναι μιγαδικοί, τότε η Y(t) ταλαντώνεται περιοδικά. αt αt 8

Χαρακτηριστικά συστημάτων Οι πόλοι της χαρακτηριστικής εξίσωσης καθορίζουν τη δυναμική συμπεριφορά του συστήματος. 4 3.5 3 2.5 Impulse Response Κρουστική μεταβολή Impulse Response 6 Amplitude 2.5 5 4 8 Impulse Response.5 6 -.5 Amplitude 3 2 4 2 -..2.3.4.5.6.7.8.9 Time (sec) Amplitude -2-4 -.2.4.6.8.2 Time (sec) -6-8.5 Impulse Response - 2 3 4 5 6 7.45 Time (sec) 2.5 Impulse Response.4.35.3 2 Amplitude.25.2.5.5..5 Amplitude 2 4 6 8 2 Time (sec).5 Βηματική μεταβολή 2 4 6 8 2 Time (sec).4 Step Response Impulse Response.2 8 6 Amplitude.8.6 Amplitude 4 2.4.2-2..2.3.4.5.6.7.8.9 Time (sec) -4..2.3.4.5.6.7.8.9 Time (sec) 9

Ευστάθεια γραμμικών συστημάτων Ορισμός ευσταθούς συστήματος. Για φραγμένη (πεπερασμένη) είσοδο Η έξοδος είναι φραγμένη Ένα σύστημα είναι ευσταθές όταν όλοι οι πόλοι του έχουν αρνητικά πραγματικά μέρη (οι πόλοι βρίσκονται στο αριστερό μιγαδικό ημιεπίπεδο). Αν έστω κι ένας πόλος έχει θετικό πραγματικό μέρος τότε το σύστημα είναι ασταθές. Συστήματα με πόλο στο μιγαδικό άξονα χαρακτηρίζονται ως οριακά ευσταθή.

Ευστάθεια δυναμικών συστημάτων Να προσδιοριστεί η ευστάθεια των ακόλουθων συστημάτων..8.6.4.2 -.2 -.4 u(t) G(s) y(t).5 -.6 -.8-2 4 6 8 2 4 6 8 2 -.5 2 4 6 8 2 4 6 8 2 2 4 8 35 6 3 4 2 8 6 u(t) G(s) y(t) 25 2 5 4 5 2 2 4 6 8 2 4 6 8 2 G s 3 2 s 2 s 7s 5s s. 4 2 4 6 8 2 4 6 8 2

Σχεδιασμός ελεγκτή για ευστάθεια R(s) + - E(s) K c M(s) G p s K τ s τ s 2 Y(s) H s τs 3 3 Y s KcGp s KK c τs R s K G s H s τ s τ s τ s K K c p 2 3 c Η ευστάθεια του κλειστού βρόχου ορίζεται αποκλειστικά από τις ρίζες της χαρακτηριστικής εξίσωσης. Αυτές επηρεάζονται από την τιμή της παραμέτρου του ελεγκτή Κ c. Ζητείται λοιπόν το εύρος τιμών της Κ c για τις οποίες το σύστημα καθίσταται ευσταθές. 2

Κριτήριο ευστάθειας Rοuth-Hurwitz Ένα σύστημα είναι ευσταθές όταν και μόνο όταν όλα τα στοιχεία της πρώτης στήλης του πίνακα Routh είναι θετικά. n n n2 2 n f s s a s a s a s a n s n a 2 a 4 a 6 s n- a a 3 a 5 a 7 s n-2 b b 2 b 3 s n-3 c c 2 c 3 : y y 2 z b b b a2 a a3 det det a a b b 3 2 c a b a4 a a5 det det a a b b 5 3 2 c2 a b a6 a a7 det det a a b b 7 4 3 c3 a b 3

Χαρακτηριστικά συστήματος ης τάξης R(s) + E(s) K c M(s) G p s K τs Y(s) Ανοικτός βρόχος Y s R s Κλειστός βρόχος K Gs πόλος s / τ τs Y s KK G c s πόλος s KK c / τ R s τs KK c Υπάρχει μετακίνηση του πόλου προς τα αριστερά στο μιγαδικό επίπεδο για Κ c >. Επομένως η ταχύτητα απόκρισης του συστήματος κλειστού βρόχου αυξάνεται. 4

Amplitude Χαρακτηριστικά ολοκληρωτή Ο ολοκληρωτής υποδηλώνει συσσώρευση μάζας, φορτίου ή ενέργειας. G s s.4 Step Response Τάση, v, στα άκρα πυκνωτή που διαρρέεται από ρεύμα έντασης, i. v idt V s I s C Cs.2.8.6.4.2..2.3.4.5.6.7.8.9 Time (sec) Πόλος στην αρχή των αξόνων. Μονότονα αύξουσα συμπεριφορά σε βηματική μεταβολή. 5

Χαρακτηριστικά συστήματος 2ης τάξης G s 2 ωn 2 2 n 2 n s ζω s ω Ρίζες χαρακτηριστικού πολυωνύμου ζ<: s ζω iω ζ n σ ζω, ω ω ζ n n d n 2 2 Εξαναγκασμένη δυναμική απόκριση σε βηματική μεταβολή: x t e cos ωdt θ 2 ζ ζω n t ζ θ tan sin ζ 2 ζ 6

Χαρακτηριστικά συστήματος 2ης τάξης Πόλοι συστήματος 2ης τάξης. Για ζ= ο πόλος κείται στο μιγαδικό άξονα (ταλαντώσεις χωρίς απόσβεση). Για ζ= ο πόλος κείται στον πραγματικό άξονα. sin ζ ωn ζ 2 ω n ζω n 7

Διαμήκης άξονας αεροσκάφους Χαρακτηριστικά συστήματος 2ης τάξης a(t) θ(t) Οριζόντιο επίπεδο Πλευρικός άξονας (yaw) Διεύθυνση αεροσκάφους Σχετικής ροής αέρα Ταχύτητα διαμήκους άξονα, v(t) κατακόρυφος άξονας a: γωνία προσβολής, v: ταχύτητα διαμήκους άξονα, θ: γωνία πρόνευσης (pitch) δ: γωνία πτερυγίου ανύψωσης. 2 2 5 7 5 5 6 4 2 2 2 2 8 65 6 5 6 4 2 2 4 2 4 5 6 4 v s δ s. s s. s. s. s s. a s δ s. s s. s. s. s. s s. θ s δ s. s. s. s. s. s s. πτερύγιο ανύψωσης δ(t) Δυο υποσυστήματα 2 ης τάξης 8

Χαρακτηριστικά συστήματος 2ης τάξης (s 2 +.5s+.6) αργά δυναμικά χαρακτηριστικά χαμηλή απόσβεση Ιδιοτιμές ζ ω n (rad/s) -2.5e-3 +.774i.323.775-2.5e-3.774i.323.775 (s 2 +s+.4) γρήγορα δυναμικά μεσαία απόσβεση Ιδιοτιμές ζ ω n -.5 +.7i.4226.832 -.5 -.7i.4226.832 2 Step Response.4 Step Response.8.2.6.4 Amplitude.2.8 System: untitled Rise Time (sec): 3.6 System: untitled Settling Time (sec):.55e+3 Amplitude.8.6 System: untitled Rise Time (sec):.27 System: untitled Settling Time (sec): 7..6.4.4.2.2 5 5 2 25 Time (sec) 2 4 6 8 2 Time (sec) 9

Χαρακτηριστικά συστήματος 2ης τάξης Στην απόκριση του συστήματος κυριαρχούν τα αργά δυναμικά χαρακτηριστικά..6 Impulse Response a(t) Amplitude.4.2 -.2 -.4 θ(t) v(t) -.6 -.8 2 3 4 5 6 7 8 9 Time (sec) a: γωνία προσβολής, v: ταχύτητα διαμήκους άξονα, θ: γωνία πρόνευσης, δ: γωνία πτερυγίου ανύψωσης. 2

Χαρακτηριστικά συστήματος 2ης τάξης Step response of a 2nd order system.4 System: g Peak amplitude:.3 Overshoot (%): 2.6.2 At time (sec):.37 Amplitude.8.6.4.2.2.4.6.8.2 Time (sec) Ποσοστό υπερύψωσης (percentage overshoot): ζπ ζ PO e 2 2

Χαρακτηριστικά συστήματος 2ης τάξης Μεταβολή μέγιστου ποσοστού υπερύψωσης για συστήματα 2 ης τάξης σε σχέση με το συντελεστή απόσβεσης. 9 8 7 Overshoot, % 6 5 4 3 2..2.3.4.5.6.7.8.9 Damping coefficient, z 22

Χαρακτηριστικά συστήματος 2ης τάξης Χρόνος αποκατάστασης (<2% τελικής τιμής): t s =4/(ζω n ). 23

Χαρακτηριστικά συστήματος 2ης τάξης.4 Step response of a 2nd order system.2 Amplitude.8.6.4 System: g Rise Time (sec):.74.2.2.4.6.8.2 Time (sec) Χρόνος ανόδου (% 9%): t r =(2.6ζ+.6)/ω n για ζ=.5 t r =.8/ω n. 24

Επίδραση μηδενικού στη δυναμική απόκριση.8 Step Response Amplitude.6.4.2.8.6.4.2 System: g Settling Time (sec):.594 System: g Time (sec):.857 Amplitude:.993 2 G s.2.4.6.8 s 25s 2s Time (sec) 2 G s s 2s 25

Αντίστροφη απόκριση Υπερθερμαντήρας Δοχείο διαχωρισμού Τροφοδοσία νερού Ελεγκτής στάθμης δοχείου Εξατμιστήρας Αύξηση της τροφοδοσίας νερού προκαλεί προσωρινά μείωση της στάθμης του δοχείου λόγω πτώσης της θερμοκρασίας του ατμού (μειώνεται η θερμοκρασία του νερού και συνεπώς αυξάνεται η πυκνότητά του με αποτέλεσμα να μειωθεί ο όγκος του νερού στο δοχείο διαστολής) προτού η στάθμη ανέβει πέρα από το σημείο εκείνο προ της επιβολής της διαταραχής. 26

Αντίστροφη απόκριση U(s) s 5.. s + - Y(s).2.8 Step Response s Drum level, cm.6.4.2 -.2 -.4 -.6.2.4.6.8 Time, s (sec) 5.. s 27

Αντίστροφη απόκριση Amplitude 5 U(s) Inverse Response -5 2 4 6 8 2 Time (sec) 2s 5. 2s + - G s Y(s) 8s 5. 2s 2s Μηδενικό με θετικό πραγματικό μέρος. Να εξηγηθεί πώς αυτή η δυναμική συμπεριφορά μπορεί να επιφέρει σημαντικές δυσκολίες σε ένα σύστημα ελέγχου ανάδρασης. 28

Συστήματα με καθυστέρηση χρόνου Έννοια καθυστέρησης χρόνου Ας θεωρήσουμε εμβολική ροή (plug flow) μέσα σε σωλήνα. Θεωρείται ότι δεν υπάρχει ανάμειξη κατά μήκος του οριζόντιου άξονα του σωλήνα. Ποια είναι η δυναμική απόκριση της ιδιότητας του ρευστού στην έξοδο (π.χ. συγκέντρωση, θερμοκρασία) σε μια βηματική μεταβολή της ιδιότητας του ρευστού στην είσοδο; 29

Συστήματα με καθυστέρηση χρόνου Υ in Υ out Υ out θ Υ in χρόνος θ: καθυστέρηση χρόνου ή νεκρός χρόνος. 3

Συστήματα με καθυστέρηση χρόνου Υ in Υ out Σημαντικό στοιχείο σε διεργασίες με κυκλοφορία ρευστών, διάδοση σήματος σε μεγάλη απόσταση και σε κυκλοφοριακά μοντέλα οχημάτων. Το δυναμικό μοντέλο του νεκρού χρόνου είναι: Y t Y t θ out in Ο μετασχηματισμός Laplace για μια μεταβλητή με καθυστέρηση χρόνου είναι: { ( t) } = L Y ( in t -J) L Y out { } = e Js Y in s ( ) 3

Αναγνώριση δυναμικών συστημάτων Η αναγνώριση των δυναμικών χαρακτηριστικών των συστημάτων γίνεται με την επιβολή μιας εξαναγκασμένης διέγερσης του συστήματος (π.χ. βηματική μεταβολή, παλμός στις μεταβλητές εισόδου, τυχαία διέγερση) με ταυτόχρονη καταγραφή της συμπεριφοράς των μεταβλητών εξόδου. 32

Εμπειρική αναγνώριση μοντέλων συστημάτων Διαδικασία αναγνώρισης προτύπων Πρωταρχική γνώση Εκκίνηση Σχεδιασμός πειραμάτων Εκτέλεση πειραμάτων στη διεργασία Καθορισμός δομής μοντέλου Εκτίμηση παραμέτρων Αξιολόγηση αποτελεσμάτων Άλλα δεδομένα Επαλήθευση μοντέλου Τερματισμός 33

Μέθοδος Καμπύλης Απόκρισης G C (s) G v (s) D(s) G d (s) R(s) E(s) U(s) + + - Y m (s) G P (s) G S (s) + Y(s) Τίθεται το σύστημα σε χειροκίνητο έλεγχο (ανοικτός βρόχος). Εφαρμόζεται μια βηματική μεταβολή στο σήμα του ενεργοποιητή, αρκετά μεγάλη ώστε να γίνει αισθητή στην έξοδο του συστήματος, αλλά όχι να προκαλέσει την εμφάνιση μη γραμμικών φαινομένων. Καταγράφεται η καμπύλη απόκρισης της μεταβλητής εξόδου. Προσεγγίζεται η καμπύλη απόκρισης, αν ομοιάζει με σιγμοειδή καμπύλη, με συνάρτηση μεταφοράς ης τάξης με νεκρό χρόνο. 34

Μέθοδος Καμπύλης Απόκρισης G s G A s 5. 6 Ke θs s 3s 3s τs 72. s 8. e 54. 3s G B s 72. s 8. e 37. s Amplitude.8.7.6.5.4.3.2. Step Response Φέρουμε την εφαπτόμενη από το σημείο μέγιστης κλίσης της σιγμοειδούς καμπύλης απόκρισης. Η τομή της εφαπτομένης με τον άξονα του χρόνου προσδιορίζει προσεγγιστικά το νεκρό χρόνο, θ. Η ασύμπτωτος στην καμπύλη απόκρισης για t χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό του κέρδους Κ=ΔΥ m /ΔU. Προσεγγίζουμε τη σταθερά χρόνου από το χρόνο που η απόκριση χρειάζεται για να φθάσει το 63.2% της τελικής τιμής (αφαιρούμε την καθυστέρηση χρόνου). Εναλλακτικά υπολογίζεται από το σημείο τομής της καθέτου από το σημείο τομής 5 5 Time (sec) της εφαπτομένης με την τελική τιμή της διεργασίας με τον οριζόντιο άξονα.

Μέθοδος Καμπύλης Απόκρισης G s G A s 5. 6 Ke θs s 3s 3s τs.8.7 72. s 8. e 54. 3s G B s Step Response 72. s 8. e 37. s Amplitude.8.7.6.5.4.3.2. Step Response 5 5 Time (sec).6 Amplitude.5.4.3.2. 5 5 2 25 3 35 Time (sec) 36

Παράδειγμα Δυναμική απόκριση της πίεσης σε ένα δοχείο που υπόκειται σε βηματική μεταβολή της θέσης της βάνας διαφυγής κατά 5% τη χρονική στιγμή 5 min. 25 2 95 Pressure, kpa 9 85 8 75 7 65 5 5 2 25 3 35 4 Time, min Nα προσδιορισθούν το κέρδος, η σταθερά χρόνου και η πιθανή καθυστέρηση χρόνου του δυναμικού συστήματος. 37

Επίτευξη μαθησιακών στόχων Στο τέλος αυτής της ενότητας ο/η εκπαιδευόμενος/η θα πρέπει να μπορεί να: Εξαγάγει τα πλήρη χαρακτηριστικά της δυναμικής απόκρισης ενός συστήματος ης, 2 ης και ανώτερης τάξης χωρίς επίλυση στο πεδίο του χρόνου. Εκτιμά τα χαρακτηριστικά της δυναμικής απόκρισης συστημάτων με καθυστέρηση χρόνου και μηδενικό στο δεξί μιγαδικό ημι-επίπεδο (μηδενικό με θετικό πραγματικό μέρος). Εκτιμά την ευστάθεια ενός δυναμικού συστήματος. 38

Επίτευξη μαθησιακών στόχων Στο τέλος αυτής της ενότητας ο/η εκπαιδευόμενος/η θα πρέπει να μπορεί να: Υπολογίζει το εύρος τιμών παραμέτρων του συστήματος για την εξασφάλιση ευσταθούς συμπεριφοράς με το κριτήριο Routh-Hurwitz. Αναγνωρίζει την τάξη ενός συστήματος από πειραματικά δεδομένα. Προσεγγίζει τη δυναμική συμπεριφορά ενός συστήματος με μοντέλο ης τάξης με καθυστέρηση χρόνου με χρήση πειραματικών δεδομένων. 39

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΙΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ Τέλος ενότητας Επεξεργασία: Δρ Αθανάσιος Ι. Παπαδόπουλος Δρ Αγγελική Μονέδα Θεσσαλονίκη, Μάιος 24