02 Opis matematyczny układów liniowych

background image

Politechnika Warszawska

Instytut Automatyki i Robotyki

Prof. dr hab. inż. Jan Maciej Kościelny

PODSTAWY AUTOMATYKI

PODSTAWY AUTOMATYKI

część 2

Opis matematyczny układów liniowych

background image

Linearyzacja układów nieliniowych

Rzeczywiste układy regulacji zazwyczaj są układami nieliniowymi.

Dla uproszczenia opisu matematycznego przeprowadza się ich

linearyzację, co pozwala na sformułowanie przybliżonego opisu

liniowego, ważnego w otoczeniu wybranego

punktu pracy na

charakterystyce statycznej (punkt ten odpowiada najczęściej

nominalnym lub uśrednionym warunkom pracy układu).

1

12

12

1

1

2gL

S

F

dt

dL

A

α

=

U

F

Charakterystyka statyczna

1

12

12

2gL

S

F

α

=

L

1

punkt pracy

F

background image

Opis matematyczny układów liniowych

Ogólna postać równania różniczkowego układu liniowego:

gdzie: y- sygnał wyjściowy, u-sygnał wejściowy, a

i

, b

i

- współczynniki stałe

u

b

dt

u

d

b

dt

u

d

b

y

a

dt

y

d

a

dt

y

d

a

m

m

m

m

m

m

n

n

n

n

n

n

0

1

1

1

0

1

1

1

+

+

+

=

+

+

+

K

K

i

i

y, u – są odchyłkami od punktu pracy

ZASADA SUPERPOZYCJI

y(u

1

+u

2

)=y(u

1

)+y(u

2

)

gdzie: y(u

i

) oznacza odpowiedź układu y na wymuszenie u

i

;

oraz y(0)=0

background image

Układy liniowe

Układ liniowy – układ, w którym zachowana jest zasada superpozycji.

Modele matematyczne układów liniowych są opisywane liniowymi

równaniami algebraicznymi lub liniowymi równaniami

różniczkowymi, np.:

u

u

,

y

y

y

2

5

0

2

2

+

=

+

+

&

&

&

&

&

Układ nieliniowy – układy w których nie jest zachowana zasada

superpozycji.

y(u

1

+u

2

)=y(u

1

)+y(u

2

)

Układ, w którym y(0)≠0 nie spełnia zasady superpozycji
np. układ opisanym równaniem algebraicznym y=u+1.

background image

Charakterystyka statyczna

Charakterystyka statyczna układu – przedstawia zależność sygnału

wyjściowego układu od sygnału wejściowego w stanie ustalonym

Stan ustalony układu – wszystkie pochodne sygnału wejściowego

i sygnału wyjściowego są równe zero

u

y

Postać charakterystyki statycznej układów liniowych i zlinearyzowanych:

gdzie: u,y – wejście, wyjście z układu

u

a

b

y

0

0

=

background image

Przekształcenie Laplace’a

Zastąpienie równania różniczkowego transmitancją operatorową,

przejście z dziedziny czasu rzeczywistego na zmienną zespoloną

)

(

)

(

s

f

t

f

ω

j

c

s

+

=

)]

(

[

)

(

t

f

L

s

f

=

=

0

)

(

)

(

dt

e

t

f

s

f

st

)]

(

[

)

(

t

f

L

s

f

=

)]

(

[

)

(

1

s

f

L

t

f

=

+

=

jω

c

jω

c

st

ds

e

s

F

πj

f(t)

)

(

2

1

przekształcenie

Laplace’a

odwrotne

przekształcenie

Laplace’a

background image

Opis matematyczny układów liniowych

Zastąpienie równania różniczkowego transmitancją operatorową:

u

b

dt

u

d

b

dt

u

d

b

y

a

dt

y

d

a

dt

y

d

a

m

m

m

m

m

m

n

n

n

n

n

n

0

1

1

1

0

1

1

1

+

+

+

=

+

+

+

K

K

)

0

(

)

0

(

)

(

1

1

+

+

=

n

n

n

n

y

y

s

s

y

s

y

d

L

K

)

(

)

(

)

(

)

(

0

1

1

0

1

1

b

s

b

s

b

s

u

a

s

a

s

a

s

y

m

m

m

m

n

n

n

n

+

+

+

=

+

+

+

K

K

)

0

(

)

0

(

)

(

1

1

+

+

=

n

n

n

n

y

y

s

s

y

s

dt

y

d

L

K

)

(s

y

s

dt

y

d

L

n

n

n

=

przy zerowych warunkach
początkowych

background image

Transmitancja operatorowa

Transmitancja operatorowa: stosunek transformaty sygnału

wyjściowego do transformaty sygnału wejściowego

przy zerowych warunkach początkowych

)

(

)

(

)

(

)

(

0

1

1

0

1

1

b

s

b

s

b

s

u

a

s

a

s

a

s

y

m

m

m

m

n

n

n

n

+

+

+

=

+

+

+

K

K

m

n

a

s

a

s

a

b

s

b

s

b

s

u

s

y

s

G

n

n

n

n

m

m

m

m

+

+

+

+

+

+

=

=

,

)

(

)

(

)

(

0

1

1

0

1

1

K

K

)

(

)

(

)

(

s

N

s

M

s

G

=

0

1

1

0

1

1

)

(

)

(

a

s

a

s

a

s

N

b

s

b

s

b

s

M

n

n

n

n

m

m

m

m

+

+

+

=

+

+

+

=

K

K

background image

Wyznaczanie transmitancji operatorowej

Przykład 1: Wyznaczyć transmitancję operatorową układu

opisanego równaniem różniczkowym:

Wykorzystując operator różniczkowania s można

powyższe równanie zapisać w postaci

u

y

dt

dy

3

2

=

+

1

2

3

)

(

)

(

)

(

)

(

3

)

(

)

1

2

(

)

(

3

)

(

)

(

2

+

=

=

=

+

=

+

s

s

u

s

y

s

G

s

u

s

y

s

s

u

s

y

s

sy

c

c

background image

Opis elementów na schematach blokowych

Obiekty o jednym wejściu i jednym wyjściu:

u

y

G(s)

)

(

)

(

)

(

s

u

s

y

s

G

=

Obiekty wielowymiarowe:

..

.

..

.

u

1

u

2

u

m

y

1

y

2

y

n

MG(s)

=

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

2

1

2

22

21

1

12

11

s

G

s

G

s

G

s

G

s

G

s

G

s

G

s

G

s

G

s

MG

nm

n

n

m

m

K

M

M

M

M

K

K

m

k

n

i

s

u

s

y

s

G

k

i

ik

K

K

1

,

1

,

)

(

)

(

)

(

=

=

=

background image

Wyznaczenie charakterystyki statycznej

z transmitancji operatorowej

)

(

)

(

lim

)

(

lim

)

(

lim

0

0

0

s

u

s

sG

s

sy

t

y

y

s

s

t

=

=

=

),

(

lim

),

(

lim

0

0

t

y

y

t

u

u

t

t

=

=

Na podstawie twierdzenia o wartości końcowej:

1

)

(

u

s

u

const

u

=

=

)

(

lim

0

0

0

s

G

u

y

s

=

Końcowe równanie charakterystyki statycznej:

0

0

0

0

u

a

b

y =

0

0

1

)

(

u

s

s

u

const

u

=

=

background image

Własności układów

Właściwości dynamiczne – prezentacja przebiegu wielkości wyjściowej

y(t) po wprowadzeniu do układu wymuszenia u(t)

Postać charakterystyki w typowym układzie współrzędnych:

Gdzie: u - sygnał wejściowy

y - sygnał wyjściowy
t - czas [s]

background image

Metody wyznaczania odpowiedzi układu y(t)

Klasyczna:

• Założyć warunki początkowe
• Rozwiązać równanie różniczkowe

u

b

dt

u

d

b

dt

u

d

b

y

a

dt

y

d

a

dt

y

d

a

m

m

m

m

m

m

n

n

n

n

n

n

0

1

1

1

0

1

1

1

+

+

+

=

+

+

+

K

K

Operatorowa:

)]

(

)

(

[

)

(

)]

(

[

)

(

1

1

s

u

s

G

L

t

f

s

y

L

t

f

=

=

background image

Typowe wymuszenia

Skok jednostkowy

t

u

1(t)

=

0

)

(

1

)

(

t

t

u

dla t ≥ 0

dla t < 0

=

0

)

(

1

)

(

t

u

t

u

st

dla t ≥ 0

dla t < 0

Skok o wartość stałą

background image

Typowe wymuszenia

Impuls jednostkowy – Delta Diraca

t

u

0

=

=

0

)

(

)

(

t

δ

t

u

dla t ≠ 0

dla t = 0

Wymuszenie liniowo narastające

at

t

u

=

)

(

background image

Typowe wymuszenia

Wymuszenie skokowe jednostkowe

u(t)=1(t)

Wymuszenie skokowe o wartość stałą

u(t)=u

st

·1(t)

s

s

u

1

)

(

=

st

u

s

s

u

1

)

(

=

Wymuszenie w postaci impulsu

u(t)=δ(t) Delta Diraca

Wymuszenie liniowo narastające

u(t)= a·t

1

)

(

=

s

u

2

)

(

s

a

s

u

=

background image

Tablica transformat

background image

Opis układów z użyciem współrzędnych stanu

=

)

(

)

(

)

(

)

(

2

1

t

u

t

u

t

u

t

U

p

M

)

(

1

t

x

wektor wejść

W ogólnym opisie układów wielowymiarowych poszczególne wielkości
określone są w postaci wektorów i oznaczają:

y

Schemat obiektu

=

)

(

)

(

)

(

)

(

2

1

t

x

t

x

t

x

t

X

n

M

=

)

(

)

(

)

(

)

(

2

1

t

y

t

y

t

y

t

Y

q

M

wektor stanu

wektor wyjść

Obiekt

u

1

u

2

u

p

y

1

y

2

y

q

x

n

x

2

x

1

...

background image

Współrzędne stanu

Współrzędne stanu – wielkości charakteryzujące zachowanie się układu

dynamicznego

Wektor stanu układu dynamicznego – minimalny zbiór współrzędnych

stanu wystarczający łącznie ze znajomością wielkości

wejściowych do określenia zachowania się układu w przyszłości.

Liczba współrzędnych stanu jest równa rzędowi równania różniczkowego

opisującego obiekt

opisującego obiekt

Opis układów we współrzędnych stanu jest trudniejszy do interpretacji

fizycznej niż opis w postaci transmitancji i niemożliwy do bezpośredniego

określenia na drodze pomiarowej, ale wygodniejszy do celów modelowania

analogowego oraz projektowania układów wielowymiarowych.

background image

Przestrzeń stanów

Zbiór wszystkich możliwych wartości wektora stanu X(t) w chwilach t

tworzy

przestrzeń stanów układu (przestrzeń fazową).

Zbiór wartości wektora stanu układu w kolejnych chwilach czasu

tworzy w tej przestrzeni krzywą, zwaną

trajektorią stanu układu

(

trajektorią fazową).

x

2

x

3

x

2

x

1

background image

Równania stanu i wyjść

Ogólna postać równania stanu:

z n warunkami początkowymi:

=

=

10

0

1

2

1

2

1

1

1

)

(

)

(

);

;

,

,

,

;

,

,

,

(

)

(

p

n

t

dx

x

t

x

t

u

u

u

x

x

x

f

dt

t

dx

L

L

L

L

L

L

L

L

L

L

L

L

L

L

L

L

L

L

L

L

L

K

K

=

=

0

0

2

1

2

1

)

(

);

;

,

,

,

;

,

,

,

(

)

(

n

n

p

n

n

n

x

t

x

t

u

u

u

x

x

x

f

dt

t

dx

K

K

Ogólna postać równania wyjść:

=

=

)

;

,

,

,

;

,

,

,

(

)

(

)

;

,

,

,

;

,

,

,

(

)

(

2

1

2

1

2

1

2

1

1

1

t

u

u

u

x

x

x

g

t

y

t

u

u

u

x

x

x

g

t

y

p

n

q

q

k

n

K

K

L

L

L

L

L

L

L

L

L

L

L

L

L

L

L

L

K

K

background image

Zlinearyzowane równania stanu

Po linearyzacji w otoczeniu wybranego stanu ustalonego (nominalnego
punktu pracy), równania przyjmują wówczas postać:

t

t

f

u

u

f

u

u

f

u

u

f

x

x

f

x

x

f

x

x

f

dt

t

dx

p

p

n

n

+

+

+

+

+

+

+

+

=

1

1

2

2

1

1

1

1

1

2

2

1

1

1

1

1

)

(

K

K

t

t

g

u

u

g

u

u

g

u

u

g

x

x

g

x

x

g

x

x

g

y

p

p

n

n

+

+

+

+

+

+

+

+

=

1

1

2

2

1

1

1

1

1

2

2

1

1

1

1

1

K

K

...

t

u

u

u

x

x

x

p

n

2

1

2

1

...

przy czym:

A(t) – macierz układu stopnia n×n

B(t) – macierz wejść stopnia n×p

C(t) – macierz wyjść stopnia q×n

D(t) – macierz transmisyjna układu stopnia q×p

Układ niestacjonarny

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

t

U

t

D

t

X

t

C

t

Y

t

U

t

B

t

X

t

A

t

X

+

=

+

=

&

background image

Równania stanu układów liniowych stacjonarnych

Układ stacjonarny - o parametrach niezależnych od czasu

W przypadku szczególnym, gdy układ jest liniowy stacjonarny,
pochodne cząstkowe względem zmiennych x

1

,…,x

n

,…,u

1

,…,u

k

nie

zawierają czasu i pochodne cząstkowe względem czasu są równe
zeru - elementy macierzy są wówczas stałe i równania stanu można
zapisać w postaci:

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

t

DU

t

CX

t

Y

t

BU

t

AX

t

X

+

=

+

=

&

D

B

A

C

∫∫∫∫

)

(t

U

)

(t

Y

)

(t

X

)

(t

X

)

(

)

(

)

(

t

DU

t

CX

t

Y

+

=

background image

Przykład wyznaczania równań stanu

u

b

y

a

dt

y

d

a

dt

y

d

n

n

n

n

n

0

0

1

1

1

=

+

+

+

K

u

b

y

a

dt

y

d

a

dt

y

d

n

n

n

n

n

0

0

1

1

1

+

=

K

1

=

=

=

dy

x

x

y

x

Współrzędne stanu

Równania stanu

1

2

3

1

2

...

=

=

=

=

n

n

x

x

x

x

dt

dy

x

x

&

&

&

u

b

x

a

x

a

x

x

x

x

x

n

n

n

0

1

0

1

3

2

2

1

...

+

=

=

=

K

&

&

&

1

x

y =

Równanie wyjść

background image

Przykład wyznaczania równań stanu

u

b

x

a

x

a

x

x

x

x

x

n

n

n

0

1

0

1

3

2

2

1

...

+

=

=

=

K

&

&

&

Równania stanu

=

−1

2

1

0

...

1

...

0

0

0

...

...

...

...

...

0

...

1

0

0

0

...

0

1

0

n

a

a

a

a

A

=

o

b

B

0

...

0

0

1

x

y =

Równanie wyjść

[

]

0

...

0

0

1

=

C

[ ]

0

=

D

D

B

A

C

∫∫∫∫

)

(t

U

)

(t

Y

)

(t

X

)

(t

X&

background image

Wyznaczanie równań stanu z transmitancji

Metoda bezpośrednia

n

n

n

n

n

m

m

m

m

s

s

a

s

a

s

a

s

b

s

b

s

b

s

b

s

u

s

y

s

G

+

+

+

+

+

+

+

+

=

=

)

(

)

(

)

(

0

1

1

1

0

1

1

1

K

K

1

)

(

)

(

)

(

0

1

1

1

1

0

1

1

1

1

n

n

n

n

n

n

m

m

n

m

m

s

a

s

a

s

a

s

b

s

b

s

b

s

b

s

u

s

y

s

G

+

+

+

+

+

+

+

+

=

=

K

K

)

(

)

(

0

1

1

1

1

s

u

s

b

s

b

s

b

s

b

s

y

n

n

n

m

m

n

m

m

+

+

+

+

=

K

1

)

(

)

(

0

1

1

1

1

n

n

n

s

a

s

a

s

a

s

u

s

E

+

+

+

+

=

K

)

(

]

[

)

(

0

1

1

1

1

s

E

s

b

s

b

s

b

s

b

s

y

n

n

n

m

m

n

m

m

+

+

+

+

=

K

)

(

1

)

(

0

1

1

1

1

0

1

1

s

u

s

a

s

a

s

a

s

b

s

b

s

b

s

b

s

y

n

n

n

m

m

+

+

+

+

+

+

+

+

=

K

K

)

(

]

[

)

(

)

(

0

1

1

1

1

s

E

s

a

s

a

s

a

s

u

s

E

n

n

n

+

+

+

=

K

background image

Wyznaczanie równań stanu z transmitancji

)

(

]

[

)

(

0

1

1

1

1

s

E

s

b

s

b

s

b

s

b

s

y

n

n

n

m

m

n

m

m

+

+

+

+

=

K

)

(

]

[

)

(

)

(

0

1

1

1

1

s

E

s

a

s

a

s

a

s

u

s

E

n

n

n

+

+

+

=

K

)

(s

E

m

b

1

b

)

(s

u

)

(s

y

)

(s

E

+

s

1

s

1

s

1

1

n

a

2

n

a

)

(

1

s

E

s

)

(

2

s

E

s

0

a

0

b

+

+

+

+

)

(s

E

s

n

)

(s

y

s

dt

y

d

L

n

n

n

=

background image

Wyznaczanie równań stanu z transmitancji

)

(s

u

)

(s

y

)

(s

E

+

s

1

s

1

s

1

1

n

a

2

n

a

)

(

1

s

E

s

)

(

2

s

E

s

0

b

m

b

1

b

+

+

+

+

+

)

(s

E

s

n

)

(s

E

s

n

m

1

x

2

x

n

x

u

x

a

x

a

x

a

x

x

x

x

x

n

n

n

+

=

=

=

−1

2

1

1

0

3

2

2

1

...

...

&

&

&

1

2

1

1

0

...

+

+

+

+

=

m

m

x

b

x

b

x

b

y

m

n

a

0

a

background image

Przykład

2

2

2

6

5

2

2

)

3

)(

2

(

)

1

(

2

)

(

)

(

)

(

+

+

+

=

+

+

+

=

=

s

s

s

s

s

s

s

s

s

u

s

y

s

G

6

5

1

2

2

)

(

)

(

2

1

2

1

+

+

+

=

s

s

s

s

s

u

s

y

)

6

5

1

)

(

)(

2

2

(

)

(

2

1

2

1

+

+

+

=

s

s

s

u

s

s

s

y

)

(s

u

6

5

1

)

(

)

(

2

1

+

+

=

s

s

s

u

s

E

)

(

)

6

5

1

)(

(

2

1

s

u

s

s

s

E

=

+

+

)

(

)

6

5

)(

(

)

(

2

1

s

u

s

s

s

E

s

E

=

+

+

)

(

)

6

5

(

)

(

)

(

2

1

s

E

s

s

s

u

s

E

+

=

)

(

)

2

2

(

)

(

2

1

s

E

s

s

s

y

+

=

background image

Przykład

)

(

)

6

5

(

)

(

)

(

2

1

s

E

s

s

s

u

s

E

+

=

)

(

)

2

2

(

)

(

2

1

s

E

s

s

s

y

+

=

)

(s

u

)

(s

y

)

(s

E

+

s

1

s

1

2

2

+

)

(s

u

s

s

5

6

2

+

+

+

+

1

x

2

x

u

x

x

x

x

x

+

=

=

2

1

2

2

1

5

6

&

&

2

1

2

2

x

x

y

+

=

=

5

6

1

0

A

=

1

0

B

[

]

2

2

=

C

[ ]

0

=

D

background image

Transmitancja na podstawie równań stanu

)

(

]

)

(

[

)

(

1

s

u

D

B

A

Is

C

s

y

+

=

D

B

A

Is

C

s

u

s

y

s

G

+

=

=

−1

)

(

)

(

)

(

)

(

Przykład

=

1

0

2

1

A

=

1

0

B

[

]

0

1

=

C

[ ]

0

=

D

Przykład

[

]

2

1

)

1

(

2

1

0

1

0

2

1

0

0

0

1

)

(

=



=

s

s

s

s

G

background image

Wyznaczanie równań stanu z transmitancji

Metoda równoległa

)

(

)

(

1

1

+

=

=

n

i

i

n

i

c

s

k

s

G

s

G

1

s

1

k

1

c

1

x

+

+

1

s

1

s

2

k

n

k

2

c

n

c

)

(s

u

2

x

n

x

)

(s

y

+

+

+

+

+

+

+

=

+

=

i

i

i

i

i

i

x

k

y

u

x

c

x&

background image

Wyznaczanie równań stanu z transmitancji

Metoda równoległa – bieguny urojone

)

(

2

i

i

i

i

d

s

c

s

k

s

G

+

+

=

1

s

c

)

(s

u

i

x

1

i+

x

)

(s

y

+

+

+

1

s

i

d

i

c

i

i

i

i

i

i

i

x

x

u

x

d

x

c

x

=

+

=

+

+

1

1

&

&

background image

1

s

1

2

2

1

x

2

x

+

+

+

+

3

4

2

2

)

3

)(

2

(

)

1

(

2

)

(

)

(

)

(

+

+

+

=

+

+

+

=

=

s

s

s

s

s

s

u

s

y

s

G

Przykład

1

s

4

3

)

(s

u

2

x

)

(s

y

+

+

+

u

x

x

u

x

x

+

=

+

=

2

2

1

1

3

2

&

&

2

1

4

2

x

x

y

+

=

background image

Wyznaczanie równań stanu z transmitancji

Metoda iteracyjna

=

=

+

+

=

=

n

i

i

i

n

i

i

c

s

b

s

s

G

s

G

1

1

)

(

)

(

)

(s

u

)

(s

y

1

s

1

b

1

x

+

+

1

s

n

b

n

x

+

+

)

(s

u

s

1

c

+

s

n

c

+

i

i

i

i

i

i

i

i

x

b

x

y

u

x

c

x

+

=

+

=

&

&

background image

)

2

(

2

)

3

(

1

)

3

)(

2

(

)

1

(

2

)

(

)

(

)

(

+

+

+

=

+

+

+

=

=

s

s

s

s

s

s

s

u

s

y

s

G

Przykład

)

(s

u

)

(s

y

1

s

1

3

1

x

+

+

1

s

2

2

-

2

x

+

+

1

y

u

x

x

x

u

x

x

+

=

+

=

2

1

2

1

1

2

4

3

&

&

2

2x

y =

1

1

1

1

1

3

x

x

y

u

x

x

+

=

+

=

&

&

2

1

2

2

2

2

x

y

y

x

x

=

+

=

&


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
02 Opis matematyczny układów liniowych
02 Modelowanie matematyczne układów dynamicznych
02 Modelowanie matematyczne układów dynamicznych
PA2 opis matematyczny [tryb zgodności]
02 Statystyka Matematyczna Zmienna Losowa Ciągłaid 3789
Modele matematyczne ukladow reg Nieznany
DYSKRETYZACJA CIĄGŁYCH UKŁADÓW LINIOWYCH
02 opis metoda Lehmanna[1]id 3914
12 02 S1 W Matematyka
02 opis metoda Lehmanna(1)
2077 02.,Opis,techniczny Budownictwo,komunikacyjne
w 3 dynamika ukladów liniowych
calkowanie 1 opis matematyczny Nieznany
04 Własności dynamiczne układów liniowych
Modele matematyczne układów elementarnych mod mat
IV.13.14.15 Metody numeryczne rozwiązywania układów liniowyc, IV
Scilab rozwiazywanie ukladow liniowych
zadania pochodne2 (dr R. Lizak), 2 Semestr, Analiza matematyczna i algebra liniowa, zad mat

więcej podobnych podstron