background image

Wydział EAIiE 

Katedra Automatyki Napędu 

i Urządzeń Przemysłowych 

dr inż. Andrzej Firlit 

LABORATORIUM  

TEORIA STEROWANIA I TECHNIKA REGULACJI 

 

 

 OPIS UKŁADÓW AUTOMATYCZNEJ REGULACJI 

W PRZESTRZENI STANU 

www.agh.edu.pl 

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie 

WEAIiE, Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych 

ANDRZEJ FIRLIT 
pokój H13, pawilon B1 
tel. 12 617-35-93 

andrzej.firlit@keiaspe.agh.edu.pl 

 

konsultacje: 

poniedziałek  14:00-15:00 
środa  12:00-13:00 
umówienie się drogą emailową 

background image

www.agh.edu.pl 

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie 

WEAIiE, Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych 

 
SKRYPT 

– STRONY 57-66 

LITERATURA 

– STRONY: 48, 63  

 
home.agh.edu.pl/~afirlit/

LabTSiTR/02lab06SS 

 

www.agh.edu.pl 

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie 

WEAIiE, Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych 

KOLOKWIUM W UZGODNIONYM 
TERMINIE Z CZTERECH ĆWICZEŃ 
LAB: TF, SS, STABILNIŚĆ, REG. PID 
 
OCENA: 0-10 PKT 

/ ĆWICZENIE 

 
Forma zaliczenia: 

 

background image

www.agh.edu.pl 

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie 

WEAIiE, Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych 

Kolejność działań 

1. zapoznaj się z lab06SSr2014.pdf 

2. zapoznaj się z lab06SSr2014ppt.pdf 

3. stwórz i uruchom m-plik SScz01.m 

4. zastosuj funkcję roundaf.m 

5. skopiuj mpliki: SScz02.m, SScz03.m 

6. przeglądnij, a następnie „świadomie” 

uruchom skopiowane m-pliki 

www.agh.edu.pl 

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie 

WEAIiE, Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych 

równanie wyjścia 

Opis w przestrzeni stanu 

u

B

x

A

x

)

(

     

),

(

     

,

d

)

(

d

)

(

t

t

t

t

t

u

u

y

y

x

x

x

u

D

x

C

y

równanie stanu 

gdzie 

background image

www.agh.edu.pl 

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie 

WEAIiE, Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych 

Opis w przestrzeni stanu 

– wektor stanu 

[ n x 1 ] 

– wektor sterowania 

[ r x 1 ] 

– wektor wyjścia 

[ m x 1 ] 

 

– macierz stanu 

[ n x n ] 

– macierz wejścia (sterowania) 

[ n x r ] 

– macierz wyjścia 

[ m x n ] 

– macierz przejścia 

[ m x r ] 

oznaczenia: sygnały, macierze, wektory; wymiar 

www.agh.edu.pl 

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie 

WEAIiE, Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych 

Opis w przestrzeni stanu 

nn

n

n

a

a

a

a

1

1

11

A

n

x

x

1

x

nr

n

r

b

b

b

b

1

1

11

B

r

u

u

1

u

m

y

y

1

y

mn

m

n

c

c

c

c

1

1

11

C

mr

m

r

d

d

d

d

1

1

11

D

background image

www.agh.edu.pl 

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie 

WEAIiE, Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych 

Opis w przestrzeni stanu 

[Ac,Bc,Cc,Dc] = tf2ss(numG,denG) 

Otrzymane macierze Ac,Bc,Cc,Dc 

są w formie kanoniczej sterowalnej. 

 

   [zG,bG,wG] = tf2zp(numG,denG) 
[zss,bss,wss] = ss2zp(Ac,Bc,Cc,Dc) 

 

        eigAc = eig(Ac) 
       [M,Ad] = eig(Ac) 

)

(

)

(

)

(

)

(

12

4

,

18

2

,

8

8

2

)

(

2

3

2

s

M

s

L

s

U

s

Y

s

s

s

s

s

G

www.agh.edu.pl 

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie 

WEAIiE, Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych 

Opis w przestrzeni stanu 

             sysG = tf(numG,denG) 
             sysc = ss(Ac,Bc,Cc,Dc) 
 

[Ass,Bss,Css,Dss] = ssdata(sysc) 

          [lG,mG] = tfdata(sysG,'v') 

deklaracja obiektu (modelu) w opisie SS i TF 

background image

www.agh.edu.pl 

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie 

WEAIiE, Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych 

Opis w przestrzeni stanu 

D

B

A

I

C

G

1

)

(

)

(

s

s

konwersja opisu SS do TF 

[numss,denss] = ss2tf(A,B,C,D) 

 

ZAOKRĄGLENIE !!! 

         numG = round

af

(numG) 

         denG = round

af

(denG) 

www.agh.edu.pl 

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie 

WEAIiE, Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych 

m-plik: SScz01.m 

echo on, 
clc, clear, close all 
%------------------------------------- 

transmitancja G(s) - wektory współczynników 

numG = [2, 0, 8]; 
denG = [1, 8.2, 18.4, 12]; 
sysG = tf(numG,denG) %printsys(numG,denG) 
pause 
%------------------------------------- 
% funkcja tf2ss() => forma sterowalna 
[Ac,Bc,Cc,Dc] = tf2ss(numG,denG) 
pause 
%------------------------------------- 
% funkcja ss2tf() 
[numGc,denGc] = ss2tf(Ac,Bc,Cc,Dc), 
pause 
%------------------------------------- 
sysGc = tf(numGc,denGc) 
%printsys(numG,denG),  
pause 

% ZAOKRĄGLENIE  
% numGc=roundaf(numGc); denGc=roundaf(denGc) 
% sysGc = tf(numGc,denGc), pause 
%------------------------------------- 
% model przestrzeni stanu 
sysc = ss(Ac,Bc,Cc,Dc), pause 
%------------------------------------- 

funkcja eig() - wartości własne macierzy A 

eigAc       = eig(Ac) 
[Mww,Mdiag] = eig(Ac) % Ac*Mww = Mww*Mdiag 
pause 
%------------------------------------- 
% funkcja tf2zp() - zera, bieguny 
[z,b,w] = tf2zp(numG,denG) 
[zGc,bGc,wGc] = tf2zp(numGc,denGc), pause 
%------------------------------------- 
% funkcja ss2zp() - zera, bieguny 
[zss,bss,wss] = ss2zp(Ac,Bc,Cc,Dc), pause 
%-------------------------------------  

background image

www.agh.edu.pl 

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie 

WEAIiE, Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych 

Ogólny schemat blokowy dla opisu w przestrzeni stanu 

Równanie stanu i równanie wyjścia 

Du

Cx

y

Bu

Ax

x

)

(

),

(

  

,

d

)

(

d

)

(

t

t

t

t

t

u

u

y

y

x

x

x

x – wektor stanu 

[ n 

 1 ] 

u – wektor sterowania 

[ r 

 1 ] 

y – wektor wyjścia 

[ m 

 1 ] 

A – macierz stanu 

[ n 

 n ] 

B – macierz wejścia (sterowania) [ n 

 r ] 

C – macierz wyjścia 

[ m 

 n ] 

D – macierz przejścia 

[ m 

 r ] 

www.agh.edu.pl 

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie 

WEAIiE, Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych 

Wyznaczenie opisu układu w postaci równań 
algebraiczno-

różniczkowych oraz w przestrzeni stanu 

background image

www.agh.edu.pl 

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie 

WEAIiE, Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych 

Wyznaczenie opisu układu w postaci równań 
algebraiczno-

różniczkowych oraz w przestrzeni stanu 

Otrzymane macierze A,B,C,D 

są w formie kanoniczej sterowalnej 

- zmiennych fazowych. 

www.agh.edu.pl 

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie 

WEAIiE, Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych 

Schemat blokowy dla opisu w przestrzeni stanu 

 

2

3

2

2

8

8 2

18 4

12

s

G s

s

, s

, s

u

x

x

x

x

x

x

1

0

0

2

,

8

4

,

18

12

1

0

0

0

1

0

3

2

1

3

2

1

3

2

1

2

0

8

x

x

x

y

background image

www.agh.edu.pl 

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie 

WEAIiE, Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych 

Opis w przestrzeni stanu 

A = [0 1 0; -4 -1 1; 0 0 -20]; 
B = [0; 0; 20]; 
C = [1 0 0]; 
D = [0]; 

sys = ss(A,B,C,D) 
 

20

0

0

1

1

4

0

1

0

A

20

0

0

B

0

0

1

C

 

0

D

deklaracja obiektu w opisie SS 

www.agh.edu.pl 

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie 

WEAIiE, Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych 

Opis w przestrzeni stanu 

% macierze 

A1 = [0 1; -3 -5]; B1 = [0; 1]; C1 = [1 2]; D1 = [0]; 
A2 = [-3 1; 0 4]; B2 = [0; 4]; C2 = [3 0]; D2 = [2]; 

%------------------------------------- 
sys1 = ss(A1,B1,C1,D1); 
sys2 = ss(A2,B2,C2,D2); 
%------------------------------------- 
% połączenie szeregowe 
[As,Bs,Cs,Ds] = 

series

(A1,B1,C1,D1,A2,B2,C2,D2); 

[sys_s] = series(sys1,sys2); 
%------------------------------------- 
% połączenie równoległe 
[Ap,Bp,Cp,Dp] = 

parallel

(A1,B1,C1,D1,A2,B2,C2,D2); 

[sys_p] = parallel(sys1,sys2); 
%------------------------------------- 
% układ z ujemnym sprzężeniem zwrotnym 
[Afd,Bfd,Cfd,Dfd]= 

feedback

(A1,B1,C1,D1,A2,B2,C2,D2); 

[sys_fd]= feedback(sys1,sys2); 

series(), parallel(), feedback() 

background image

10 

www.agh.edu.pl 

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie 

WEAIiE, Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych 

Opis w przestrzeni stanu 

A = [0,1,0; 0,0,1; -12,-18.4,-8.2] % m. stanu 
B = [0; 0; 1]                      % m. wejścia 
C = [8 0 2]                        % m. wyjścia 
D = [0]                            % m. przejcia 

 

instrukcje pomocnicze 

tu = [0:.1:20]'; 
% niezerowe warunki początkowe    

 

x0 = [.5; 0; -1];  
u = ones(length(tu),1); 

%u = 2*ones(20,1); u(21:201,1) = 0.5*ones(181,1); 

[yu,xu] = lsim(A,B,C,D,u',tu,x0); 

step(), impulse(), subplot() 

www.agh.edu.pl 

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie 

WEAIiE, Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych 

Opis w przestrzeni stanu 

[Am,Bm,Cm,Dm,

Tm

] = canon(A,B,C,D,'modal') 

          csys_m = canon(sys,'modal') 

[An,Bn,Cn,Dn,

Tn

] = canon(A,B,C,D,'companion') 

          csys_n = canon(sys,'companion') 

2

1

  

,

  

,

j

2

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

n

n

n

n

a

s

a

s

a

s

s

M

1

1

1

)

(

1

2

1

1

0

..

..

0

0

1

.

.

0

.

.

0

.

.

0

1

0

0

..

0

0

1

0

..

..

0

0

a

a

a

a

n

n

Tm, Tn 

MACIERZE TRANSFORMACJI

 

background image

11 

www.agh.edu.pl 

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie 

WEAIiE, Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych 

Opis w przestrzeni stanu 

[Am,Bm,Cm,Dm,

Tm

] = canon(A,B,C,D,'modal') 

          csys_m = canon(sys,'modal') 

[An,Bn,Cn,Dn,

Tn

] = canon(A,B,C,D,'companion') 

          csys_n = canon(sys,'companion') 

2

1

  

,

  

,

j

2

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

n

n

n

n

a

s

a

s

a

s

s

M

1

1

1

)

(

1

2

1

1

0

..

..

0

0

1

.

.

0

.

.

0

.

.

0

1

0

0

..

0

0

1

0

..

..

0

0

a

a

a

a

n

n

Tm, Tn 

MACIERZE TRANSFORMACJI

 

Otrzymane macierze A,B,C,D 

są w formie kanoniczej modalnej. 

Otrzymane macierze A,B,C,D 

są w formie kanoniczej obserwowalnej. 

www.agh.edu.pl 

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie 

WEAIiE, Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych 

Opis w przestrzeni stanu 

Transformacje układu współrzędnych

 

Transformacja musi dać te same wartości własne! 

1

P

T

background image

12 

www.agh.edu.pl 

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie 

WEAIiE, Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych 

Sterowalność i obserwowalność 

www.agh.edu.pl 

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie 

WEAIiE, Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych 

Sterowalność 

 

background image

13 

www.agh.edu.pl 

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie 

WEAIiE, Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych 

Obserwowalność