x k Ax k Bu k y k Cx k Du k «άνυσµα καταστάσεων» «άνυσµα εισόδων»

Σχετικά έγγραφα
Ψηφιακός Έλεγχος. 6 η διάλεξη Σχεδίαση στο χώρο κατάστασης. Ψηφιακός Έλεγχος 1

Ανάλυση Σ.Α.Ε στο χώρο κατάστασης

Εισαγωγή στην Τεχνολογία Αυτοματισμού

Παράδειγµα Θεωρείστε το σύστηµα: αυτοκίνητο επάνω σε επίπεδη επιφάνεια κάτω από την επίδραση δύναµης x( t ) : v(t)

[ ], σχηµατίζουµε το άθροισµα. Το άθροισµα αυτό είναι µια δυαδική πράξη η οποία αντιστοιχεί στις ακολουθίες f [ 1

Ψηφιακός Έλεγχος. 11 η διάλεξη Ασκήσεις. Ψηφιακός Έλεγχος 1

Επίλυση Εξισώσεων. Συστήµατα γραµµικών εξισώσεων. λύση ... = ... ηµοκρίτειο Πανεπιστήµιο Θράκης Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΕΛΑΧΙΣΤΑ ΤΕΤΡΑΓΩΝΑ

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ Ι (ΑΡΤΙΟΙ) Λυσεις Ασκησεων - Φυλλαδιο 2

Ακαδηµαϊκό Έτος , Εαρινό Εξάµηνο ιδάσκων Καθ.: Νίκος Τσαπατσούλης

ΘΕΩΡΙΑ ΑΡΙΘΜΩΝ. Λυσεις Ασκησεων - Φυλλαδιο 3

ΘΕΩΡΙΑ: Έστω η οµογενής γραµµική διαφορική εξίσωση τάξης , (1)

x 2 = x x 2 2. x 2 = u 2 + x 2 3 Χρησιµοποιώντας το συµβολισµό του ανάστροφου, αυτό γράφεται x 2 = x T x. = x T x.

Συστήματα Αυτόματου Ελέγχου

Λύση Για να είναι αντιστρέψιμος θα πρέπει η ορίζουσα του πίνακα να είναι διάφορη του μηδενός =

(β) Από την έκφραση (22) και την απαίτηση (20) βλέπουμε ότι η συνάρτηση Green υπάρχει αρκεί η ομογενής εξίσωση. ( L z) ( x) 0

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

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα ΣΗΜΑΤΑ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου

ΘΕΩΡΙΑ ΑΡΙΘΜΩΝ Ασκησεις - Φυλλαδιο 3

Kεφάλαιο 4. Συστήµατα διαφορικών εξισώσεων.

ΘΕΩΡΙΑ ΣΗΜΑΤΩΝ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Χώρος Κατάστασης. Εµµανουήλ Ζ. Ψαράκης Πολυτεχνική Σχολή Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

εύτερο παράδειγµα ΓΧΑ συστήµατος. Κύκλωµα RLC.

Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου

Το θεώρηµα πεπλεγµένων συναρτήσεων

Κεφάλαιο 1 Συστήματα γραμμικών εξισώσεων

ΛΥΣΕΙΣ ΑΣΚΗΣΕΩΝ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗΣ ΠΕΡΙΟ ΟΥ ΙΟΥΝΙΟΥ 2004., η οποία όµως µπορεί να γραφεί µε την παρακάτω µορφή: 1 e

Ακρότατα υπό συνθήκη και οι πολλαπλασιαστές του Lagrange

Μαθηµατικό Παράρτηµα 2 Εξισώσεις Διαφορών

Ιδιάζουσες τιμές πίνακα. y έχουμε αντίστοιχα τις σχέσεις : Αυτές οι παρατηρήσεις συμβάλλουν στην παραγοντοποίηση ενός πίνακα

Συστήματα Αυτόματου Ελέγχου

Στοχαστικά Σήµατα και Εφαρµογές

Κεφάλαιο 5 Ευστάθεια Ελεγξιµότητα - Παρατηρησιµότητα

x y z d e f g h k = 0 a b c d e f g h k

Κεφάλαιο 5 Ευστάθεια Ελεγξιµότητα - Παρατηρησιµότητα

ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΔΙΑΚΡΙΤΩΝ ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΩΝ ΣΕ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΚΑΙ ΣΥΝΘΕΣΗΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ

Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου

Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου

Αριθμητική Ανάλυση και Εφαρμογές

ΙΑΦΟΡΙΚΕΣ ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ Σεπτέµβριος 2006

Μετασχηµατισµός Ζ (z-tranform)

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

Μοντέρνα Θεωρία Ελέγχου

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

Κεφάλαιο 7 Βάσεις και ιάσταση

Περιεχόμενα. Πρόλογος 3

x 2 = b 1 2x 1 + 4x 2 + x 3 = b 2. x 1 + 2x 2 + x 3 = b 3

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:

Ευκλείδειοι Χώροι. Ορίζουµε ως R n, όπου n N, το σύνολο όλων διατεταµένων n -άδων πραγµατικών αριθµών ( x

Λύσεις θεμάτων Α εξεταστικής περιόδου εαρινού εξαμήνου (Ιούνιος 2015)

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

ΑΛΓΕΒΡΙΚΕΣ ΟΜΕΣ Ι. Ασκησεις - Φυλλαδιο 2

ΜΙΓΑ ΙΚΟΣ ΛΟΓΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΟΛΟΚΛ. ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ ΓΡΑΠΤΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΥ 2010 ΛΥΣΕΙΣ ΤΩΝ ΘΕΜΑΤΩΝ. =. Οι πρώτες µερικές u x y

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

Μετασχηµατισµοί Laplace, Αναλογικά Συστήµατα, ιαφορικές Εξισώσεις

Αλγεβρικες οµες Ι Ασκησεις - Φυλλαδιο 2

Σεµινάριο Αυτοµάτου Ελέγχου

Παράδειγμα 14.2 Να βρεθεί ο μετασχηματισμός Laplace των συναρτήσεων

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: Συνθήκες Αλυσίδων

Αριθµητική Ολοκλήρωση

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ

Σχεδίαση τροχιάς. (α) (β) (γ) (δ) Σχήµα 2.5

Εισαγωγή. Οπως είδαµε για την εκκίνηση της Simplex χρειαζόµαστε µια Αρχική Βασική Εφικτή Λύση. υϊσµός

ΓΡΑΜΜΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΞΙΣΩΣΕΩΝ

2.6 ΟΡΙΑ ΑΝΟΧΗΣ. πληθυσµού µε πιθανότητα τουλάχιστον ίση µε 100(1 α)%. Το. X ονοµάζεται κάτω όριο ανοχής ενώ το πάνω όριο ανοχής.

Αριθµητική Ανάλυση. Ενότητα 5 Προσέγγιση Συναρτήσεων. Ν. Μ. Μισυρλής. Τµήµα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών,

ΑΛΓΕΒΡΑ Α ΛΥΚΕΙΟΥ ΑΠΟΣΤΟΛΟΥ ΓΙΩΡΓΟΣ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΣ

HMY 429: Εισαγωγή στην Επεξεργασία Ψηφιακών

Ψηφιακή Επεξεργασία Σημάτων

Κεφάλαιο 3 ΠΑΡΑΓΩΓΟΣ. 3.1 Η έννοια της παραγώγου. y = f(x) f(x 0 ), = f(x 0 + x) f(x 0 )

HMY 220: Σήματα και Συστήματα Ι

Εισαγωγή στις Ελλειπτικές Καµπύλες

Μάθηµα 1. Κεφάλαιο 1o: Συστήµατα. γ R παριστάνει ευθεία και καλείται γραµµική εξίσωση µε δύο αγνώστους.

1. Για καθένα από τους ακόλουθους διανυσματικούς χώρους βρείτε μια βάση και τη διάσταση. 3. U x y z x y z x y. {(,, ) } a b. c d

Ο Γραμμικός Τετραγωνικός Ρυθμιστής: Ευρεση Νόμου Ελέγχου

Σχεδίαση Συστημάτων Αυτομάτου Ελέγχου με χρήση Αλγεβρικών Τεχνικών

Σ. Φωτόπουλος -1- ΨΕΣ- AΣΚΗΣΕΙΣ-ΛΥΣΕΙΣ- Κεφάλαιο 2 ο

ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΑΛΓΕΒΡΑ Ι (ΠΕΡΙΤΤΟΙ) Λυσεις Ασκησεων - Φυλλαδιο 3

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ 5ο Σετ Ασκήσεων (Λύσεις) Πίνακες Επιμέλεια: I. Λυχναρόπουλος

Θερμοδυναμική - Εργαστήριο

Γραµµικη Αλγεβρα Ι Επιλυση Επιλεγµενων Ασκησεων Φυλλαδιου 8

Γραμμική Άλγεβρα και Μαθηματικός Λογισμός για Οικονομικά και Επιχειρησιακά Προβλήματα

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ

1 x m 2. degn = m 1 + m m n. a(m 1 m 2...m k )x m 1

Kεφάλαιο 4. Συστήµατα διαφορικών εξισώσεων

Ο ΑΜΦΙΠΛΕΥΡΟΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ Z

Άσκηση 3. Έλεγχος ανατροφοδότησης κατάστασης dc κινητήρα. Έλεγχος ανατροφοδότησης κατάστασης

Λύσεις θεμάτων Α εξεταστικής περιόδου Χειμερινού εξαμήνου

Αλγεβρικες οµες Ι Ασκησεις - Φυλλαδιο 8

h(t) δ(t+3) ( ) h(t)*δ(t)

Απαντήσεις Διαγωνισµού Μηχανικής ΙΙ Ιουνίου Ερώτηµα 2

1 Ασκήσεις. Άσκηση 1.1 Να επιλυθούν τα παρακάτω γραμμικά συστήματα.

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΕΝΤΡΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ. Μαθηματικά 2. Σταύρος Παπαϊωάννου

Κεφάλαιο 4 ιανυσµατικοί Χώροι

ΙΑΝΥΣΜΑΤΑ ΘΕΩΡΙΑ ΘΕΜΑΤΑ ΘΕΩΡΙΑΣ. Τι ονοµάζουµε διάνυσµα; αλφάβητου επιγραµµισµένα µε βέλος. για παράδειγµα, Τι ονοµάζουµε µέτρο διανύσµατος;

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΑΡΕΜΒΟΛΗ. Εστω f πραγµατική συνάρτηση, της οποίας είναι γνωστές µόνον οι τιµές f(x i ) σε n+1 σηµεία xi

Ψηφιακή Επεξεργασία Σημάτων

Ψηφιακή Επεξεργασία και Ανάλυση Εικόνας. Ακαδημαϊκό Έτος Παρουσίαση Νο. 2. Δισδιάστατα Σήματα και Συστήματα #1

ΓΡΑΠΤΗ ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧ/ΚΩΝ & ΜΗΧ/ΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ

Transcript:

ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΙΑΚΡΙΤΟΥ ΧΡΟΝΟΥ ΣΤΟΝ ΧΩΡΟ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ Μία άλλη περιγραφή συστηµάτων διακριτού χρόνου είναι η περιγραφή µέσω των εξισώσεων του «χώρου των καταστάσεων» (state space represetatios) όπου οι εξισώσεις διαφορών που περιγράφουν την χρονική εξέλιξη του συστήµατος σε διακριτό χρόνο k έχουν την µορφή: ( + ) = + x k Ax k Bu k όπου = + y k Cx k Du k A, B, C, D m p p m x k u k x x = x u u = um m «άνυσµα καταστάσεων» «άνυσµα εισόδων»

y k y y = yp p «άνυσµα εξόδων» Παράδειγµα Θεωρείστε ένα σύστηµα διακριτού χρόνου του οποίου η σχέση εισόδου εξόδου περιγράφεται από την γραµµική εξίσωση διαφορών µε σταθερούς συντελεστές ( ) ( ) y k + a y k + a y k = b u k (.) Ορίζουµε µεταβλητές x ( k ), x «καταστάσεις» µέσω των εξισώσεων : k τις οποίες ονοµάζουµε x k = y k (.) x k = y k (.) : Η (.) λόγω της (.) δίνει την = y( k ) x k+ = x k (.3) και η (.) λόγω της (.) δίνει την ( + ) = y = a y( k ) a ( k ) + x k y bu k = a x k a x k + bu k (.4)

(Παρένθεση. Λαµβάνοντας υπ όψιν µας ότι ή εξίσωση διαφορών που περιγράφει την µοναδιαία χρονική καθυστέρηση (Uit time delay) είναι η yk= xk (.5) η παλµική απόκριση της µοναδιαίας χρονικής καθυστέρησης είναι η = ( k ) hk Στο πεδίο του µετασχηµατισµού Z. Αν Z { } είναι ο µετασχηµατισµός Z του σήµατος µετασχηµατισµού Z και για x( ) ( ) = + ( ) Z { x k } z x = από την (.5) έχουµε ότι X z x k x k z = = k= k x k, από την ιδιότητα του Y( z) = Z{ y } = Z { x( k } ) = z X( z) Και άρα η συνάρτηση µεταφοράς της µοναδιαίας χρονικής καθυστέρησης είναι = = ( ) H z z h t k Έτσι ώστε η µοναδιαία χρονική καθυστέρηση να περιγράφεται από το διάγραµµα ροής στο σχήµα: 3

u( k ) z u( k ) Τέλος της παρένθεσης. Από τα παραπάνω προκύπτει ότι το διάγραµµα ροής που περιγράφει τις (.3) και (.4) είναι το y u b + + x ( k+ ) x = x( k+ ) z z x ( k ) a a Γράφοντας τις (.3) - (.4) ( + ) = ( + ) = + x k x k (.3) x k a x k a x k bu k (.4) υπό µορφή πινάκων έχουµε 4

( ) x k + x k = u k x k a a + x k b + Η (.4) επίσης είναι x ( k + ) = y = a x a x + bu( k) η οποία υπό µορφή πινάκων γράφεται x y = [ a a] + b u k x [ ] Άρα οι πίνακες των εξισώσεων του χώρου των καταστάσεων για το συγκεκριµένο σύστηµα είναι οι A=, B=, C = a a, D= b [ ] [ ] a a b Γενικά Αν θεωρήσουµε την γραµµική εξίσωση διαφορών µε σταθερούς συντελεστές (ΓΕ ΣΣ) τάξης : ( m yk+ ayk bxk i i i ) (.6) ή 5

( ) ( )... yk+ ayk + ayk + + ayk = + ( ) + ( ) +... + ( ) bx k bx k bx k b x k m m (.7) Τότε αν D είναι ο τελεστής µοναδιαίας καθυστέρησης: Dx k = x( k ) = = ( ) = ( ) D x k DDx k Dx k x k = ( ) Dxk xk η (.7) γράφεται ή + + +... + yk adyk adyk adyk m + + +... + bx k bdx k bdx k b D x k... m + ad + ad +... + ad y k m b+ bd + bd + + bmd x k = = (.8) (.9) Εισάγοντας την νέα µεταβλητή ισοδύναµη µε τις ΓΕ ΣΣ: β η παραπάνω ΓΕ ΣΣ είναι 6

( ad ad... ad ) β x + + + + = (.) m β yk= b+ bd+ bd+ + bd k (.)... (διότι απαλείφοντας από τις (.) και (.) την µεταβλητή β παίρνουµε την (.9)) Οι (.) (.) γράφονται a ( k ) a ( k ) a ( k ) x β + β + β +... + β = (.) β β β β yk= b k+ b k + b k +... + bm k m(.3) Ορίζουµε µεταβλητές τις οποίες ονοµάζουµε «καταστάσεις» µέσω των x : = β ( k ) x ( k ): = β k ( ) = β k + x x β ( k ) = β ( k ) = Οι οποίες, λόγω των παραπάνω και την (.) δίνουν τις ΓΕ ΣΣ : ( + ) : = β ( k + ) = ( k + ) = β ( k + ) = x x k x k x k 3 m 7

( + ) = β ( k + ) = β ( k ) = ( k + ) = β = aβ( k ) aβ( k )... aβ( k ) + x = a x a x... a x ( k ) + x x k x k x Οι παραπάνω υπό µορφή πινάκων γράφονται ( + ) ( + ) x k + x k x k x k = + x k x k x k x k + a a a a x k Επίσης η ΓΕ ΣΣ = β + β( ) + β( ) + + β( ) yk b k b k b k... bm k m Γράφεται = β + β( ) + β( ) +... + β( ) yk b k b k b k b k m... = b ax k ax k ax k + x k + bx k + x k +... + b x b m m+ m 8

...... = ab x k ab x k ab x k + b x k + bx k + b x k + + b x k m m+ ( b ab ) x ( b ab ) x ( bm amb) x m+ a b x... a b x + b x = + + + m+ m και υπό µορφή πίνακα ως x x y k = a b a b b a b b ab + b x k m+ x x Παράδειγµα Θεωρήστε την γραµµική εξίσωση διαφορών µε σταθερούς συντελεστές (ΓΕ ΣΣ) 3 ης τάξης: [ ] + ( ) + ( ) + ( 3) = + ( ) + ( ) yk ayk ayk ayk bxk bxk bxk 3 Η οποία µέσω του τελεστή µοναδιαίας καθυστέρησης D γράφεται 3 + + + = + + yk adyk adyk adyk bxk bdxk bdxk ή 3 3 + ad + ad + ad 3 y k = b+ bd + bd x k 9

x 3 Εισάγοντας την νέα µεταβλητή ισοδύναµη µε τις ΓΕ ΣΣ: β η παραπάνω ΓΕ ΣΣ είναι ( + ad 3 + ad + ad 3 ) β = x = ( + + ) β yk b bd bd k Οι παραπάνω γράφονται και ως a ( k ) a ( k ) a ( k 3) x β + β + β + β = (.4) 3 β β( ) β yk= b k+ b k + b k (.5) x k x k x k µέσω των Ορίζουµε «καταστάσεις»,, 3 x : = β ( k 3) x : = β ( k ) x ( k ): = β ( k ) 3 Οι οποίες, λόγω της (.4) δίνουν τις 3 ΓΕ ΣΣ πρώτης τάξης: x( k + ) : = β ( k 3+ ) = β ( k ) = x x( k + ) : = β( k + ) = β( k ) = x3 ( k + ) = β ( k + ) = β = aβ( k ) aβ( k ) a3β( k 3) + x( k ) = a x a x a x ( k ) + x( k ) 3 3 Οι οποίες µε την βοήθεια πινάκων γράφονται ως

x k + x k x k + = x k + x k + x3 k a3 a a x3 k Η εξίσωση (.5) γράφεται = β + β( ) + β( ) yk b k b k b k ( ) ( ) ( 3) = b aβ k aβ k a3β k + x k + bβ( k ) + bβ( k ) β β 3β β β( = ( b ba) β( k ) + ( b ba) β( k ) ba3β( k 3) + bx = ( b b a ) x + ( b b a ) b a ( k ) + b x ( k ) = ba k ba k ba k 3 + bx k + b k + b k 3 k x k x Και υπό µορφή πίνακα 3 x y = ba 3 ( b ba ) ( b ba ) x k + [ b] x x 3 (σχεδιάστε το διάγραµµα ροής του παραπάνω συστήµατος) Λύση των εξισώσεων του χώρου των καταστάσεων Αρχικά ξεκινάµε µε την λύση της οµογενούς ( + ) = Ax x k Έστω x( k ) το άνυσµα κατάστασης την αρχική χρονική στιγµή k. )

Αν ( + ) = Ax ( + ) = ( + ) = = ( + ) = ( + ) = = 3 x k x k Ax k AAx k A x k x k Ax k AA x k A x k ( + ) = x k A x k k + = k = k k k k = x k A x k Και για k = Λύση της k = A x x k ( + ) = + x k Ax k Bu k Για k = k

( + ) = + ( + ) = ( + ) + ( + ) = + + ( + ) = A x + ABu + Bu( k + ) ( + 3) = ( + ) + ( + ) = + + ( + + Bu( k + ) 3 = A x( k ) + A Bu( k ) + ABu( k + ) + Bu( k + ) x k Ax k Bu k x k Ax k Bu k A Ax k Bu k Bu k x k Ax k Bu k A A x k ABu k Bu k k + k + i () x k + = A x k + A Bu i Για k + =k και αν k = k k = + k k k k i () x k A x k A Bu i k k k i x k A x A Bu i = + Από την (.6) ή έξοδος είναι = + y k Cx k Du k k = + + k k i () k k C A x k A Bu i Du k k k i () k k CA x k CA Bu i Du k = + + k (.6) (.7) ) 3

Για k = k k k i = + + y k CA x CA Bu i Du k (.8) Αν το άνυσµα της αρχικής κατάστασης x είναι η µηδενική κατάσταση και η είσοδος x = u είναι ο µοναδιαίος παλµός k =, k =, k =, k η έξοδος (εξ ορισµού) ταυτίζεται µε την µοναδιαία παλµική απόκριση hk του συστήµατος Άρα k hk CA B i D k k i = + h = D k k i = + h k CA B i D k k ( ) ( ) ( ) = + + + + k CA B CA B CAB k CB k k = CA B = CA k B δηλαδή = k =,,... hk CAB k 4

= k< hk Λύση της x( k ) Ax Bu + = + µέσω του µετασχηµατισµού Ζ Ξεκινάµε πρώτα από την ιδιότητα του µετασχηµατισµού Z. Αν k Z { x k } X z x k z Τότε Απόδειξη της (.7). = = k = ( + ) = Z{ x k } zx z zx (.9) k ( k ) k+= k k = k = () 3 3... () () Z{ x k + } = x k + z = x k z = x z + x z + x 3 z +... = z x z + x z + x z + + + + + + 3 = z x z x z x z x z x 3 z... = z x z + x z k = zx = zx z k Θεωρώντας τον µετασχηµατισµό Z της έχουµε: ( + ) = + x k Ax k Bu k 5

ή ( + ) = = + ( Z{ x k } zx z zx AX z BU z ) zx ( z) AX ( z) = zx + BU ( z) ( zi A) X ( z) = zx + BU ( z) X z = z zi A x + zi A BU z (.) Συγκρίνοντας την (.) µε την (.7): k k k i x k = A x + A Bu i (.7) έχουµε Z Z { z zi A } = A { k } = k k i ( zi A) BU ( z) A Bu( i) Θεωρώντας τον µετασχηµατισµό Z της έχουµε: όπου y = Cx + Du Y( z) = CX( z) + DU( z) (.) = k, = Y z y k z U z u k z k= k= k 6

Συνδυάζοντας τις (.)(.) = ( ) + ( ) + Y z C z zi A x zi A BU z DU z ( ) + ( ) + = Cz zi A x C zi A B D U z Αν x = = ( ) + Y s C zi A B D U z Άρα η συνάρτηση µεταφοράς G( z) : U( z) Y( z) είναι Παράδειγµα Με (.) του συστήµατος G z = C zi A B+ D (.3) A =, B=, C = a a, D a a [ ] = [ b ] b z zi A = z = a a a z+ a z z+ a = = + z + za+ a ( zi A) a z a a z 7

[ ] ( a a z) = + z + za+ a z + za+ a z + za+ a ` a z b z + za+ a z + za+ a z+ a G z = C zi A B+ D= a a + b + b 8

ΕΛΕΓΞΙΜΟΤΗΤΑ (Cotrollability) Θεωρείστε το σύστηµα του χώρου των καταστάσεων ( ) x k + = Ax k + Bu k (.4) y = Cx + Du (.5) όπου A, B, C, D m p p m x k u k y k x x = x u u = um m y y = yp p «άνυσµα καταστάσεων» «άνυσµα εισόδων» «άνυσµα εξόδων» 9

Ορισµός. Το σύστηµα (.4) ονοµάζεται ελέγξιµο (cotrollable) αν και µόνο αν, για κάθε αρχική κατάσταση x υπάρχει είσοδος u, k =,,..., N τέτοια ώστε, σε χρόνο N, να µεταφέρει την αρχική κατάσταση x σε κάθε τελική κατάσταση x( N). Από την λύση (.6) της εξίσωσης καταστάσεων: για k = και k = N έχουµε k = + k k k k i () x k A x k A Bu i ή N N k i ( = + ) x N A x A Bu i N N k i ( = x N A x A Bu i ) (.6) Έστω ότι : N X N = x N A x Τότε η (.6) γράφεται

N N i = X N A Bu i όπου N ( )... ( ) ( ) u u() = + + + + N A Bu A Bu ABu N Bu N = = u( N ) u( N ) N N A B A B AB B SU S: = A B A B AB B N N mn () u u U : = u( N ) u( N ) mn (.7) Θεώρηµα Το σύστηµα (.4) είναι ελέγξιµο αν και µόνο αν ο mnπίνακας «ελεγξιµότητας»: S: = A B A B AB B N N mn

έχει βαθµίδα. (Ισοδύναµα οι γραµµές του είναι γραµµικά ανεξάρτητες ή τουλάχιστον µία υπό-ορίζουσα του S είναι διάφορη του µηδενός) Αποδειξη. Η (.7) είναι X ( N) = SU (.8) N Έστω ότι m = (δηλαδή το σύστηµα έχει µια είσοδο) τότε S. Αν raks = και επιλέξουµε τον αριθµό των βηµάτων N µέσα στον οποίο επιθυµούµε να γίνει η µετάβαση από την αρχική κατάσταση x στην τελική κατάσταση x( N )) να είναι ίσος µε, αν δηλαδή επιλέξουµε N = τότε S και η raks = συνεπάγεται το ότι ο S υπάρχει και άρα η είσοδος u, k =,,..., N πού επιτελεί την µεταφορά από την αρχική κατάσταση x στην τελική κατάσταση x( N) δίνεται από την λύση της (.8) () u u = = = x u( N ) u( N ) N U S X N S x N A

Και η µετάβαση από την αρχική κατάσταση x κατάσταση x( N) = x από N = βήµατα. στην τελική µπορεί να γίνει σε όχι περισσότερα Αν m > τότε και άρα S: = A B A B AB B N N mn S τ mn τ, SS και τ τ raks = rakss = SS υπάρχει Σε αυτή την περίπτωση ( m > ) η (.8) περιγράφει ένα γραµµικό σύστηµα εξισώσεων µε Nm αγνώστους: ( ) m, ( ) m,..., ( ) m, ( ) u u u N u N όπως στο σχήµα: m S Nm U X Nm Έστω ότι υπάρχει πίνακας S τέτοιος ώστε Nm 3

SS S = S (.9) Ένας τέτοιος πίνακας (αν υπάρχει) ονοµάζεται ψευδόαντίστροφος του S. Για την λύση ενός γραµµικού συστήµατος γραµµικών εξισώσεων µε Nm αγνώστους και < Nm έχουµε το Θεώρηµα (*) Το σύστηµα εξισώσεων SU = X = X ( U ) (.3) µε Nm αγνώστους m, m,..., m m u u u N, u N Nm έχει λύση U αν και µόνο αν, για κάποιο ψευδό-αντίστροφο του S ισχύει ή σχέση SS X = X (.3) S Αν η (.3) ισχύει τότε µία λύση της (.3) είναι η U = S X (.3) και η γενική λύση είναι η ( Nm ) = + (.33) U S X I S S Z όπου Nm Z αυθαίρετο άνυσµα. Απόδειξη. Αν υπάρχει πίνακας S τέτοιος ώστε Nm 4

SS S = S τότε υπάρχει και µόνο αν Nm U το οποίο να ικανοποιεί την (.3) αν SU = SS SU = SS X = X (.3) (.34) Προφανώς αν η (.34) ικανοποιείτε τότε µία λύση δίνεται από την (.3). Αντικαθιστώντας την (.33) στην (.3) έχουµε = + = + SU S S X I Nm S S Z SS X SZ SS SZ = + = = SS X SZ SZ SS X X = (τέλος της απόδειξης του θεωρήµατος (*)) Γυρνώντας στο θεώρηµα της ελεγξιµότητας και στην περίπτωση που m > η συνεπάγεται την τ τ raks = rakss = SS υπάρχει τ τ SS SS = I (.35) Και άρα αν raks =, ένας ψευδό αντίστροφος του S είναι ο τ τ S S SS = (.36) Από το Θεώρηµα (*) η (.36) σηµαίνει ότι το σύστηµα εξισώσεων SU = X = X ( U ) (.37) 5

µε τους Nm αγνώστους m, m,..., m m u u u N, u N έχει λύση U () u u = u( N ) u( N ) και άρα η είσοδος u, k =,,..., N πού επιτελεί την µεταφορά από την αρχική κατάσταση x x( N) δίνεται από την λύση της (.3) στην τελική κατάσταση ( ) τ τ τ τ Nm Nm = + = + Z U S X I S S Z S SS X I S SS S (.38) Είναι προφανές ότι και στην περίπτωση αυτή ( m > ) µπορούµε να επιλέξουµε τον αριθµό των βηµάτων N µέσα στον οποίο επιθυµούµε να γίνει η µετάβαση από την αρχική κατάσταση x στην τελική κατάσταση x( N) ) να είναι ίσος µε, δηλαδή να επιλέξουµε N = Άρα raks = συνεπάγεται και το ότι η µετάβαση από την αρχική κατάσταση x στην τελική κατάσταση x( N) = x µπορεί να γίνει σε όχι περισσότερα από N = βήµατα. 6

7