Κλασσική Θεωρία Ελέγχου

Σχετικά έγγραφα
Κλασσική Θεωρία Ελέγχου

Κλασσική Θεωρία Ελέγχου

Κλασσική Θεωρία Ελέγχου

Κλασσική Θεωρία Ελέγχου

Κλασική Θεωρία Ελέγχου

Κλασσική Θεωρία Ελέγχου

Κλασσική Θεωρία Ελέγχου

Κλασσική Θεωρία Ελέγχου

Κλασσική Θεωρία Ελέγχου

Κλασσική Θεωρία Ελέγχου

Εισαγωγικές έννοιες θεωρίας Συστημάτων Αυτομάτου Ελέγχου

Γενικά Μαθηματικά Ι. Ενότητα 12: Κριτήρια Σύγκλισης Σειρών. Λουκάς Βλάχος Τμήμα Φυσικής ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ

Κλασσική Θεωρία Ελέγχου

Γενικά Μαθηματικά Ι. Ενότητα 15: Ολοκληρώματα Με Ρητές Και Τριγωνομετρικές Συναρτήσεις Λουκάς Βλάχος Τμήμα Φυσικής

Γενικά Μαθηματικά Ι. Ενότητα 17: Αριθμητική Ολοκλήρωση, Υπολογισμός Μήκους Καμπύλης Λουκάς Βλάχος Τμήμα Φυσικής ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ

Κλασσική Θεωρία Ελέγχου

Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου

Κλασσική Θεωρία Ελέγχου

Γενικά Μαθηματικά Ι. Ενότητα 5: Παράγωγος Πεπλεγμένης Συνάρτησης, Κατασκευή Διαφορικής Εξίσωσης. Λουκάς Βλάχος Τμήμα Φυσικής

Γενικά Μαθηματικά Ι. Ενότητα 9: Κίνηση Σε Πολικές Συντεταγμένες. Λουκάς Βλάχος Τμήμα Φυσικής ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ

Γενικά Μαθηματικά Ι. Ενότητα 16: Ολοκλήρωση Τριγωνομετρικών Συναρτήσεων, Γενικευμένα Ολοκληρώματα Λουκάς Βλάχος Τμήμα Φυσικής

Λογισμός 3. Ενότητα 19: Θεώρημα Πεπλεγμένων (γενική μορφή) Μιχ. Γ. Μαριάς Τμήμα Μαθηματικών ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑ ΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ

Γενικά Μαθηματικά Ι. Ενότητα 14: Ολοκλήρωση Κατά Παράγοντες, Ολοκλήρωση Ρητών Συναρτήσεων Λουκάς Βλάχος Τμήμα Φυσικής

Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου

Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου

Εκκλησιαστικό Δίκαιο. Ενότητα 10η: Ιερά Σύνοδος της Ιεραρχίας και Διαρκής Ιερά Σύνοδος Κυριάκος Κυριαζόπουλος Τμήμα Νομικής Α.Π.Θ.

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

Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου

Ιστορία της μετάφρασης

Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου

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

Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου

Θεσμοί Ευρωπαϊκών Λαών Ι 19 ος -20 ος αιώνας

Εισαγωγικές έννοιες θεωρίας Συστημάτων Αυτομάτου Ελέγχου

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

Γενικά Μαθηματικά Ι. Ενότητα 13: Ακτίνα Σύγκλισης, Αριθμητική Ολοκλήρωση, Ολοκλήρωση Κατά Παράγοντες. Λουκάς Βλάχος Τμήμα Φυσικής

Ενότητα 6: Ακρότατα συναρτησιακών διανυσματικών συναρτήσεων. Νίκος Καραμπετάκης Τμήμα Μαθηματικών

Εκκλησιαστικό Δίκαιο

Γενικά Μαθηματικά Ι. Ενότητα 19: Υπολογισμός Εμβαδού και Όγκου Από Περιστροφή (2 ο Μέρος) Λουκάς Βλάχος Τμήμα Φυσικής

Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου

Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου

Θεσμοί Ευρωπαϊκών Λαών Ι 19 ος -20 ος αιώνας

Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου

Τίτλος Μαθήματος: Μαθηματική Ανάλυση Ενότητα Γ. Ολοκληρωτικός Λογισμός

Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου

Οικονομία των ΜΜΕ. Ενότητα 7: Μορφές αγοράς και συγκέντρωση των ΜΜΕ

Εκκλησιαστικό Δίκαιο

Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου

Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου

Γενικά Μαθηματικά Ι. Ενότητα 7: Σειρές Taylor, Maclaurin. Λουκάς Βλάχος Τμήμα Φυσικής ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ

Μηχανολογικό Σχέδιο Ι

Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου

Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου

Γενικά Μαθηματικά Ι. Ενότητα 8: Εφαρμογές Σειρών Taylor. Λουκάς Βλάχος Τμήμα Φυσικής ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ

Τίτλος Μαθήματος: Μαθηματική Ανάλυση Ενότητα Γ. Ολοκληρωτικός Λογισμός

Δυναμική και Έλεγχος E-L Ηλεκτρομηχανικών Συστημάτων

Παράκτια Τεχνικά Έργα

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΙIΙ

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΙIΙ

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΙIΙ

Τίτλος Μαθήματος: Μαθηματική Ανάλυση Ενότητα Β. Διαφορικός Λογισμός

Ιστορία της μετάφρασης

Ενότητα 8: Συναρτησιακά καμπύλων οι οποίες υπόκεινται σε δεσμούς. Νίκος Καραμπετάκης Τμήμα Μαθηματικών

Γενικά Μαθηματικά Ι. Ενότητα 2: Τριγωνομετρικές, Εκθετικές και Σύνθετες Συναρτήσεις. Λουκάς Βλάχος Τμήμα Φυσικής ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ

Τίτλος Μαθήματος: Μαθηματική Ανάλυση Ενότητα Γ. Ολοκληρωτικός Λογισμός

Οικονομετρία. Εξειδίκευση του υποδείγματος. Μορφή της συνάρτησης: Πολυωνυμική, αντίστροφη και αλληλεπίδραση μεταβλητών

Εισαγωγή στους Αλγορίθμους

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΑΝΟΙΚΤΑ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΜΑΘΗΜΑΤΑ Γενικά Μαθηματικά Ι Ενότητα 11 : Ακολουθίες και Σειρές Λουκάς Βλάχος Τμήμα Φυσικής

Φ 619 Προβλήματα Βιοηθικής

Λογιστική Κόστους Ενότητα 12: Λογισμός Κόστους (2)

Θεσμοί Ευρωπαϊκών Λαών Ι 19 ος -20 ος αιώνας

Λογισμός 3. Ενότητα 18: Θεώρημα Πεπλεγμένων (Ειδική περίπτωση) Μιχ. Γ. Μαριάς Τμήμα Μαθηματικών ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑ ΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ

Λογισμός 4 Ενότητα 12

Ενότητα 10: Γραμμικό Τετραγωνικό Πρόβλημα. Νίκος Καραμπετάκης Τμήμα Μαθηματικών

Εκκλησιαστικό Δίκαιο

Θερμοδυναμική. Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα. Πίνακες Νερού σε κατάσταση Κορεσμού. Γεώργιος Κ. Χατζηκωνσταντής Επίκουρος Καθηγητής

Συμπεριφορά Καταναλωτή

Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου

Γραμμική Άλγεβρα και Μαθηματικός Λογισμός για Οικονομικά και Επιχειρησιακά Προβλήματα

Λογιστική Κόστους Ενότητα 8: Κοστολογική διάρθρωση Κύρια / Βοηθητικά Κέντρα Κόστους.

Εισαγωγή στους Αλγορίθμους

Εισαγωγή στην Διοίκηση Επιχειρήσεων

Αξιολόγηση μεταφράσεων ιταλικής ελληνικής γλώσσας

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΙIΙ Ενότητα 6

Οδοποιία IΙ. Ενότητα 14: Υπόδειγμα σύνταξης τευχών θέματος Οδοποιίας. Γεώργιος Μίντσης ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ

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

Διεθνείς Οικονομικές Σχέσεις και Ανάπτυξη

Διδακτική της Περιβαλλοντικής Εκπαίδευσης

ΓΕΝΙΚΗ ΚΑΙ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΧΗΜΕΙΑ

Οικονομία των ΜΜΕ. Ενότητα 9: Εταιρική διασπορά και στρατηγικές τιμολόγησης

Εργαστήριο Χημείας Ενώσεων Συναρμογής

Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου

Διοικητική Λογιστική

Γεωργική Εκπαίδευση Ενότητα 9

Εργαστήριο Χημείας Ενώσεων Συναρμογής

Διπλωματική Ιστορία Ενότητα 2η:

Λογισμός 3. Ενότητα 12:Οι κλασικοί μετασχηματισμοί και ο κανόνας της αλυσίδας. Μιχ. Γ. Μαριάς Τμήμα Μαθηματικών ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑ ΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ

Μαθηματικά Και Στατιστική Στη Βιολογία

Θεσμοί Ευρωπαϊκών Λαών Ι 19 ος -20 ος αιώνας

Μαθηματική Ανάλυση Ι

Transcript:

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΑΝΟΙΧΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΙΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ Ενότητα 8: Συστήματα πρώτης και δεύτερης τάξης Νίκος Καραμπετάκης

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.

Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την 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

Περιεχόμενα Ενότητας Συστήματα πρώτης τάξης. Συστήματα δεύτερης τάξης. 4

Σκοποί Ενότητας Μελέτη συστημάτων πρώτης και δεύτερης τάξης καθώς και των χαρακτηριστικών τους. 5

Χρονική απόκριση συστημάτων 1 ης τάξης 6

Συστήματα 1ης τάξης (1) Έστω το ΓΧΑ σύστημα του οποίου η σχέση εισόδου εξόδου διέπεται από τη διαφορική εξίσωση πρώτης τάξης dy t dx t + ay t = b dt 1 + b dt 0 x t, 1 Ο μετασχηματισμός Laplace της (1) δίνει sy s y 0 + ay s = b 1 sx s x 0 + b 0 X s Αν x(t) δεν είναι συνεχής στο t = 0, αν δηλαδή x 0 x 0 + x(0 ) 0 1 x(0 ) x( t) u( t) t 7

Συστήματα 1ης τάξης () γράφουμε sy s y 0 + ay s = b 1 sx s x 0 + b 0 X s Αν x 0 = 0 sy s y 0 + ay s = b 1 sx s + b 0 X s s + a Y s = y 0 + b 1 s + b 0 X s Y s = y 0 s + a + b 1s + b 0 X s s + a Όρος που εξαρτάται από την αρχική συνθήκη y 0 Όρος που εξαρτάται από το μετασχηματισμό Laplace X(s) της εισόδου x(t) 8

Συστήματα 1ης τάξης (3) Αν η αρχική συνθήκη y 0 = 0 Y s = b 1s + b 0 Y s X s s + a X s = b 1s + b 0 s + a H s : συνάρτηση μεταφοράς του συστήματος H s (λόγος του μετασχηματισμού Laplace Y(s) της εξόδου δια του μετασχηματισμού Laplace X(s) της εισόδου, όταν οι αρχικές συνθήκες είναι μηδέν) και άρα H s = b 1s + b 0 s + a = b 1 + b 0 ab 1 s + a 9

Συστήματα 1ης τάξης (4) Y s = b 1s + b 0 s + a X s = b 1 + b 0 ab 1 s + a X s = b 1 X s + b 0 ab 1 s + a X s 10

Κρουστική απόκριση Για x t = δ τ X s = 1 Y s = H s 1 = H s y t = L 1 Y s = L 1 H s = Άρα = L 1 b 1 + b 0 ab 1 s + a h t = b 1 δ t + b 0 ab 1 e at, t 0 11

Ελεύθερη απόκριση - Δυναμική απόκριση Αν η αρχική συνθήκη y 0 0 και η είσοδος είναι το σήμα x(t) = 0, t < 0 και x t 0, t 0 Y s = y 0 + H s X s s + a y t = y 0 e at + h τ x t τ dτ y ελ t ελεύθερη απόκριση. y δυν t δυναμική απόκριση. 0 t = y ελ t + y δυν t 1

Βηματική απόκριση 1 G s = a s + a Πόλοι της G(s): s = a Βηματική απόκριση (step response) είναι η έξοδος για είσοδο: u t = 1 U s = 1 s Y s = G s U s = a 1 = c 0 + c 1 Y s = 1 1 s+a s s s+a s a c 0 = lim s s 0 s s + a = lim s 0 c 1 = lim (s + a) a s a s s + a y t a s + a = 1 = lim s a a s = 1 = 1 e at s+a 13

Σταθερά χρόνου y t = 1 e at Σταθερά χρόνου (time constant): 1/a Ο χρόνος που κάνει το σύστημα για να φτάσει στο 63.1% της τελικής του τιμής (δηλ. το 1). 0,6311 = 63,1% = 1 e 1 = 1 e at e 1 = e at 1 = at t = 1 a 14

1. Χρόνος ανόδου T r (Rising Time T r ) y t = 1 e at Χρόνος ανόδου (rise time) Ο χρόνος που κάνει το σύστημα για να φτάσει από το 10% στο 90% της τελικής του τιμής (δηλ. το 1). 0.9 = 1 e at 0.1 = 1 e at 0.1 = e at 1 0.9 = e at 1.3059 = at 0.105361 = at 1 t =.3059 a t 1 = 0.105361 a t r = t t 1 =. a 15

1. Χρόνος αποκατάστασης T s (Settling Time T s ) y t = 1 e at Χρόνος αποκατάστασης (settling time) Το χρονικό διάστημα στο οποίο η βηματική απόκριση θα φθάσει και θα παραμείνει σε κάποια συγκεκριμένα ποσοστιαία όρια τιμών επί τοις εκατό (για παράδειγμα %) της τελικής τιμής (δηλ. το 1). 0.98 = 1 e at s 0.0 = e at s 3.91 = at s t s = 3.91 a 16

Παράδειγμα 1 Υπολογίστε τον χρόνο ανόδου και τον χρόνο αποκατάστασης για τη συνάρτηση μεταφοράς: G s = K s + a Υπολογίστε το Κ και a βάσει της εξόδου του συστήματος πρώτης τάξης που δίνεται παρακάτω: 17

Παράδειγμα Υπολογίστε την σταθερά χρόνου, τον χρόνο ανόδου και τον χρόνο αποκατάστασης για τη συνάρτηση μεταφοράς: G s = s + 18

Παράδειγμα 3 - Κύκλωμα RC (1) dy t RC + y t = x t dt dy t + 1 1 y t = x t dt RC RC Y s = y 0 s + 1/RC + 1/RC X s s + 1/RC Για x t = u t X s = 1 s R xt () C yt () 19

Παράδειγμα 3 - Κύκλωμα RC () Αν y 0 = 0, Y s = y 0 s + 1/RC + 1/RC s + 1 RC s = y 0 s + 1/RC + 1 s 1 s + 1 RC y t = y 0 e 1 RC t + u t e 1 RC t y t = u t e 1 RC t 0

Παράδειγμα 3 - Κύκλωμα RC (3) Συνάρτηση μεταφοράς H s = 1/RC s + 1/RC Πόλος της συνάρτησης μεταφοράς p 1 = 1/RC Μιγαδικό επίπεδο 1 0.8 j 0.6 s j 0.4 0. 1 0 0 4 t 6 y t = u t e 1 RC t 1 RC 8 = 0., 0.5, 1, 1

Χρονική απόκριση συστημάτων ης τάξης

Γραμμικό και χρονικά αναλλοίωτο σύστημα δεύτερης τάξης (1) d y t dy t d x t dt + a 1 + a dt 0 y t = b dt Ο μετασχηματισμός Laplace της () δίνει + b 1 dx t dt s Y s sy 0 y 0 + a 1 sy s y 0 + a 0 Y s + b 0, () = b s X s sx 0 x 0 + b 1 sx s x 0 + b 0 X s Για x 0 = 0, x 0 = 0 s Y s sy 0 y 0 + a 1 sy s y 0 + a 0 Y s = b s X s + b 1 sx s + b 0 X s 3

Γραμμικό και χρονικά αναλλοίωτο σύστημα δεύτερης τάξης () Y s = sy 0 + y 0 + a 1y 0 s + a 1 s + a 0 + b s + b 1 s + b 0 s + a 1 s + a 0 X s Όρος που εξαρτάται Όρος που εξαρτάται από από τις αρχικές το μετασχηματισμό Laplace συνθήκη y 0, y 0 X(s) της εισόδου x(t) Αν οι αρχικές συνθήκες y 0 = 0, y 0 = 0 Y s = b s + b 1 s + b 0 s X s H s = b s + b 1 s + b 0 + a 1 s + a 0 s + a 1 s + a 0 Το σύστημα είναι αιτιατό αν και μόνο αν deg (b s + b 1 s + b 0 ) deg s + a 1 s + a 0 4

Χρονική απόκριση συστημάτων ης τάξης Την συνάρτηση μεταφοράς G s = a 0 s +a 1 s+a 0 με α 0 = ω n, a 1 = ζω n (ζ damping ratio ω n natural frequency) γράφουμε Πόλοι της G s G s = ω n s + ζω n s + ω n p 1, = ζω n ± 4ζ ω n 4ω n = ζω n ± ω n ζ 1 p 1 = ζω n + ω n ζ 1 p = ζω n ω n ζ 1 5

Βηματική απόκριση (1) G s U s = c 0 = lim s 0 s u t = 1 U s = 1 s ω n s s + ζω n s + ω = c 0 n s + c 1 + c s p 1 s p ω n ω = n = 1 p 1 p ζω n ω n ζ 1 s s p 1 s p = ω n ω c 1 = lim s p n 1 s p1 ω n s s p 1 s p = ζω n +ω n ζ 1 ω n ζ 1 = 1 ζ ω n p 1 p 1 p = 1 ζ 1 + ζ 1 6

Βηματική απόκριση () G s U s = ω c = lim s p n s p = u t = 1 U s = 1 s ω n s s + ζω n s + ω = c 0 n s + c 1 + c s p 1 s p s s p 1 s p = ω n p p p 1 = ω n ζω n ω n ζ 1 ω n ζ 1 = = 1 1 ζ ζ 1 + ζ 1 7

Βηματική απόκριση (3) Συστήματα μεγάλης απόσβεσης (overdumped) 1. Αν ζ > 1: δύο πραγματικοί και διαφορετικοί πόλοι p 1 = ζω n + ω n p = ζω n ω n ζ 1 R ζ 1 R Βηματική απόκριση y t = 1 + c 1 e p1t + c e p t Συστήματα κρίσιμης απόσβεσης (criticallydumped). Αν ζ = 1: δύο πραγματικοί και ίσοι πόλοι (ή ένας πόλος με πολλαπλότητα ) p 1 = ω n R p = ω n R 8

Βηματική απόκριση (4) G s U s = c 0 = lim s 0 s c 1 = d lim s ω n ds ω n s s + ω n = c 0 s + c 1 s + ω n + ω n s s+ω n = ω n ω n = 1 s + ω n ω n s s+ω n = lim s ω n c s + ω n ω n s ω c = lim s + ω n n = ω n s ω n s s+ω = ω n ω n n Y s = G s U s = 1 s 1 ω n s + ω n s + ω n y t = 1 1 + ω n t e ωnt, t 0 L 1 = 1 9

Βηματική απόκριση (5) Συστήματα μικρής απόσβεσης (under-dumped) 3. Αν 0 < ζ < 1: δύο καθαρά μιγαδικοί και συζυγείς πόλοι p 1 = ζω n + jω d p = p1 = ζω n jω d όπου ω d = ω n 1 ζ. Βηματική απόκριση: G s U s = ω n s s + ζω n s + ω n = c 0 s + c 1 s p 1 + c s p 30

Βηματική απόκριση (6) c 0 = lim s 0 s ω n = ω n = s s p 1 s p p 1 p ω c 1 = lim s p n 1 s p1 = s s p 1 s p = ω n ζω n + jω d jω d = 1 ω n ζω n +ω n 1 ζ = 1 ω n p 1 p 1 p ω n ω d jζω n ω d = 1 ω d ω n + jζω n 3 ω d ω d + ζω n ω d = c 1R + jc 1I 31

Βηματική απόκριση (7) ω c = lim s p n s p = = 1 ω n p p p 1 = ω n ω d jζω n ω d s s p 1 s p ω n ζω n + jω d jω d = 1 ω d ω n jζω n 3 ω d ω d + ζω n ω d = c 1R jc 1I 3

Βηματική απόκριση (8) c 1R c 1I = 1 1 ω d ω n ω d + ζω n ω d ζω n 3 ω d ω d + ζω n ω d = ω d ζω n = = ω n 1 ζ = 1 ζ ζω n ζ 33

Βηματική απόκριση (9) c 1R + c 1I ω d ω n ζω n 3 ω d = 1 ω d + ζω n ω d + 1 ω d + ζω n ω d = 1 ω d ω n + ζω n 3 ω d ω d + ζω n ω d = 1 ω n 4 ω d + ζω n ω d = ω n 1 ω n 1 ζ + ζ ω n 1 ζ ω n = 1 1 ζ 34

Βηματική απόκριση (10) e jθ = cos θ y t + jsin θ = 1 + c 1R + jc 1I e ζω n+jω d t + c 1R jc 1I e ζω n jω d t = 1 + c 1R + jc 1I e ζω n t cos ω d t + jsin ω d t + c 1R jc 1I e ζω n t cos ω d t jsin ω d t = 1 + c 1R cos ω d t c 1I sin ω d t e ζω n t c 1R = tan θ c 1I c 1R = 1 + c 1I cos ω c d t sin ω d t e ζω n t = 1I cos θ = c 1R c 1I + c 1I 35

Βηματική απόκριση (11) = 1 + c 1I sin θ cos θ cos ω dt sin ω d t e ζω n t = 1 c 1I cos θ sin θ cos ω dt + cos θ sin ω d t e ζω n t = 1 c 1I cos θ sin ω dt θ e ζω n tcos θ = = 1 c 1R + c 1I sin ω d t θ e ζω n t = c 1I c 1R + c 1I 36

Βηματική απόκριση (1) 1 = 1 1 ζ sin ω dt θ e ζω n t = 1 1 1 ζ sin ω n 1 ζ t tan 1 1 ζ ζ 1 = 1 1 ζ sin ω n 1 ζ t + tan 1 1 ζ ζ = 1 ω n sin ω ω d t + θ e ζω n t, d θ = tan 1 ζ = tan 1 ζω n 1 ζ ω d e ζω n t e ζω n t 37

Λόγος απόσβεσης (damping ratio) Εξάρτηση της απόκρισης του συστήματος σε σχέση με τον λόγο απόσβεσης (damping ratio) ζ. 38

Χρόνος πρώτου μεγίστου (Peak time) (1) Peak time: t p = π ω d = ω n d dt 1 1 1 ζ sin ω n 1 ζ t + tan 1 1 ζ ζ ω n cos ω n 1 ζ t + tan 1 1 ζ π (χρόνος πρώτου μεγίστου) 1 ζ ζ e ζω n t + ζω n 1 ζ sin ω n 1 ζ t + tan 1 1 ζ ζ e ζω n t = 0 e ζω n t = 0 ω n e ζω n t cos ω d t + tan 1 θ +θ 1 sin ω d t + tan 1 θ = 0 39

Χρόνος πρώτου μεγίστου (Peak time) () sin ω d t + tan 1 θ θcos ω d t + tan 1 θ = 0 tan ω d t + tan 1 θ = θ ω d t + tan 1 θ = tan 1 θ + kπ ω d t = kπ t = kπ ω d, k = 1,, y max t = 1 1 1 ζ sin ω n 1 ζ π + tan 1 1 ζ ω d ζ e ζω n π ω d = 1 e ζπ 1 ζ 1 ζ sin π + 1 ζ tan 1 ζ 40

Χρόνος πρώτου μεγίστου (Peak time) (3) π + tan 1 1 ζ ζ ζ = cos θ π + tan 1 tan θ = π + θ = sin 1 sin π + θ = sin 1 sin θ = sin 1 1 ζ 41

Χρόνος πρώτου μεγίστου (Peak time) (4) y max t = 1 e ζπ 1 ζ 1 ζ sin π + 1 ζ tan 1 ζ = 1 e ζπ 1 ζ = 1 + e ζπ 1 ζ 1 ζ sin sin 1 1 ζ 4

Μέγιστο Ποσοστό Υπερύψωσης M p (Maximum Overshoot M p ) M p = 100 y max 1 1 ζ = y final = 1 ln M p 100 π +ln M p 100 = 100e ζπ 1 ζ 43

. Χρόνος αποκατάστασης T s (Settling Time T s ) (1) y t y t = 1 ω n ω d sin ω d t + θ e ζω n t ω d = ω n 1 ζ 1 = 1 1 ζ sin ω dt + θ e ζω nt 1 1 ζ sin ω dt + θ e ζω nt 0.0 1 1 ζ e ζω nt 0.0 44

. Χρόνος αποκατάστασης T s (Settling Time T s ) () ln 0.0 T s = 1 ζ ζω n Ο αριθμητής κυμαίνεται από 3.91 έως 4.74 καθώς το ζ παίρνει τιμές από το 0 έως το 0.9. T s 4 ζω n 45

. Χρόνος ανόδου T r (Rising Time T r ) T r.16ζ + 0.60 ω n, 0.3 ζ 0.8 46

Άσκηση 1(1) G s = 5 s + 6s + 5 = 5 s + 3, ζ = 3 5 5s + 5, ω n = 5 5 p 1, = ζω n ± ω n 1 ζ = 3 5 5 ± j5 1 3 5 M p = 100e ζπ 1 ζ = 100e 3 5 π 1 3 5 = 100e 3π 4 = 9.478% T s 4 = 4 3 = 4 = 1.333, ζω n 5 5 3 T r.16ζ+0.60 =.16 5 +0.60 ω n 5 3 = 0.379 3 = 100e 5 π 4 5 = = 3 ± j4 47

Amplitude Άσκηση 1() 1.4 Step Response 1. System: sys Peak amplitude: 1.09 Overshoot (%): 9.47 At time (sec): 0.777 System: sys Settling Time (sec): 1.19 1 System: sys Rise Time (sec): 0.37 0.8 0.6 0.4 0. 0 0 0. 0.4 0.6 0.8 1 1. 1.4 1.6 Time (sec) 48

Άσκηση 1(3) Αν θέλαμε Mp=5% και Ts=1 τότε θα έπρεπε να έχουμε ζπ 1 ζ M p = 100e = 5 e = 0.05 ζπ 1 ζ = ln 0.05 =.9957 ζ 1 ζ =.9957 ζ>0 = 0.9535 3.14 ζ 1 ζ ζπ 1 ζ = 0.90916 ζ 1 ζ = 0.90916 ζ 1 ζ + ζ = 0.90916 1 + 0.90916 ζ = 0.476 ζ = 0.476 0.69 49

Άσκηση 1(4) T s 4 ζω n = 1 ω n = 4 ζ ω n = 4 0.69 = 5.7971 p 1, = ζω n ± jω n 1 ζ = G s = 0.69 5.7971 ± j5.7971 1 0.69 = 4 ± j4.196 ω n s + ζω n s + ω n = = 5.7971 s + 0.69 5.7971s + 5.7971 33.6064 s + 8s + 33.6064 50

Amplitude Άσκηση 1(5) 1.4 Step Response 1. 1 System: sys Peak amplitude: 1.05 Overshoot (%): 5 At time (sec): 0.74 System: sys Settling Time (sec): 1.03 System: sys Rise Time (sec): 0.36 0.8 0.6 0.4 0. 0 0 0.5 1 1.5 Time (sec) 51

Γενικά M p = 100 y max 1 1 = 100e ζπ 1 ζ ζω n + ω n 1 ζ = ω n, cosθ = ζω n ω n Settling time T s = 4 T p = ω n π ζω n 1 ζ = π ω d Peak response = ζ 5

Χρόνος αποκατάστασης T s T s = 4 ζω n 53

Μέγιστη απόκριση T p T p = ω n π 1 ζ = π ω d 54

Μέγιστη Υπερύψωση M p M p = 100 y max 1 1 = 100e ζπ 1 ζ ζω n + ω n 1 ζ = ω n, cosθ = ζω n ω n = ζ 55

Γραφικές παραστάσεις Γραφικές παραστάσεις σταθερή T p, T s, και υπερύψωση %OS. Note: T s < T s1 ; T p < T p1 ; %OS 1 < %OS 56

Παράδειγμα 4 Να υπολογιστούν τα ζ, ω n, T p, M p, T s. T p ή T s 4 4 1.333sec 3 0.394 n n 3 7 58 7.616 3 cos 0.394 7.616 cos tan 0.394 3 1 7 3.14 0.449sec d 1 7.1616 1 0.394 n M p 1 e 100 6% 57

Επιπλέον πόλοι (1) C s = A s + B s + ζω n + Cω d s + ζω n + ω d + D s + a r c t = Au t + e ζω nt Bcosω d t + Csinω d t + De a rt 58

Επιπλέον πόλοι () 59

Επιπλέον πόλοι (3) C s = bc s s + as + b s + c = A Bs + C + s s + as + b + D s + c ca c A = 1; B = c + b ca C = ca c a bc ca c c ; D = + b ca c + b ca c A = 1; B = 1; C = a; D = 0 60

Επιπλέον πόλοι (4) T 1 s = T s = T 3 s = 4.54 s +4s+4.45 45.4 s+10 (s +4s+4.45) 73.66 s+3 (s +4s+4.45) c t c 3 t c 1 t = 1 1.09e t cos 4.53t 3. 8 o = 1 0.9e 10t 1.189e t cos 4.53t 53. 34 o = 1 1.14e 3t + 0.707e t cos 4.53t 78. 63 o 61

Επιπλέον μηδενικά (1) T s a s + a T s = s + b s + c = A s + b + B s + c b + a c + a = b + c + c + b s + b s + c 1 b + c s + b + a b, a c 1 c + b s + c = s + b a s + c 1 b + c 6

Επιπλέον μηδενικά () 63

Επιπλέον μηδενικά (3) Παράγωγος s + a C s = sc s + ac s Μεγάλο a (θετικό) δεν επηρεάζει η παράγωγος. Μικρό a (θετικό) επηρεάζει η παράγωγος με επιπρόσθετο overshoot. a (αρνητικό) nonninimum-phase. 64

Επιπλέον μηδενικά (4) T s = C s = K s + z s + p 3 s + as + b 6.5 s + a s s + 4.01 s + 5 s + 6 C s = 0.87 5.3 s s + 5 + 4.4 s + 6 + 0.033 s + 4.01 C s 0.87 5.3 s s + 5 + 4.4 s + 6 c t 0.87 5.3e 5t + 4.4e 6t 65

Βιβλιογραφία Βαρδουλάκης Α.Ι., 011, Εισαγωγή στη Μαθηματική Θεωρία Συστημάτων και Ελέγχου, Τόμος Α: Κλασική Θεωρία Ελέγχου, Εκδόσεις Τζιόλα. Πουλιέζος Αναστάσιος, 013, Περί Συστημάτων Ελέγχου. Εισαγωγικό Εγχειρίδιο της Σύγχρονης Θεωρίας Συστημάτων Αυτομάτου Ελέγχου, ΕΚΔΟΣΕΙΣ Α. ΤΖΙΟΛΑ & ΥΙΟΙ Α.Ε. Norman Nise, 011, Control Systems Engineering, 6th Edition, John Willey. 66

Σημείωμα Αναφοράς Copyright, Νικόλαος Καραμπετάκης. «. Ενότητα 8: Συστήματα πρώτης και δεύτερης τάξης». Έκδοση: 1.0. Θεσσαλονίκη 014. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: http://eclass.auth.gr/courses/ocrs43/ 67

Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά - Παρόμοια Διανομή [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί. [1] http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/ 68

Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς το Σημείωμα Αδειοδότησης τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει) μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους. 69

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΑΝΟΙΧΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΙΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ Τέλος Ενότητας Επεξεργασία: Αναστασία Γ. Γρηγοριάδου Θεσσαλονίκη, Χειμερινό εξάμηνο 014-015