Zadania do wykładu 2

2

s + 2 s + 3

1. Dana jest transmitancja operatorowa G( s) =

. Znajdź realizację w przestrzeni

3

s + 7 2

s +14 s + 8

stanów stosując pierwszy wariant metody bezpośredniej.

Rozwiązanie:

Transmitancję operatorową (jest funkcją wymierną właściwą) można zapisać w postaci ( e( s) -

transformata wprowadzonego dodatkowo sygnału): 2

s + 2 s + 3

1

s− + 2 2

s− + 3 3

s −

y( s) e( s) G( s) =

=

=

3

s + 7 2

s +14 s + 8

1+ 7 1

s − +14 −2

s

+ 8 −3

s

e( s) u( s) gdzie:

1

e( s) =

u( s)

−

−

−

1 + 7 1

s

+14 2

s

+ 8 3

s

−

−

−

y( s) = ( 1

s

+ 2 2

s

+ 3 3

s

) e( s)

[1+7 1

s − +14 2

s− + 8 3

s − ] e( s) = u( s) y( s) = [ 1

s− + 2 −2

s

+ 3 −3

s ] e( s)

e( s) = −8 3

s − e( s) −14 2

s − e( s) − 7 1

s − e( s) + u( s) Pamiętając że s-1 jest transmitancją elementu całkującego można narysować schemat blokowy: Opisowi temu odpowiada schemat blokowy: 1

2

1

2

3

e( s

s −

)

e( s

s − e( s)

s −

)

e( s)

y( s)

u( s)

1

−

s

1

−

s

1

−

s

3

sx ( s)

x ( s) = sx ( s) x ( s)

x ( s)

3

3

2

= sx ( s)

2

1

1

-7

-14

-8

1

W dziedzinie czasu:

1

2

x& ( t)

x ( t) = x& ( t) 3

3

2

x ( t) = x& ( t) x ( t)

y( t)

u( t)

2

1

1

∫

∫

∫

3

-7

-14

-8

w którym przyjmuje się następujące oznaczenia: x ( s)

3

= s− e( s)

1

x ( s)

−2

= s e( s) = sx ( s) 2

1

x ( s)

1

= s− e( s) = sx ( s) 3

2

sx ( s) = e( s) 3

sx ( s) = −8 x ( s) −14 x ( s) − 7 x ( s) + u( s) 3

1

2

3

y( t) = 3 x ( t) + 2 x ( t) + x ( t) 1

2

3

Stąd transformaty zmiennych stanu:

 sx ( s) x s

 x& ( t) x t

1

= ( )

1

= ( )



2



2

 sx ( s)

x s

czyli  x& ( t)

x t

2

= ( )

2

= ( )

3

3





 sx ( s)

x s

x s

x s

u s

 x& ( t)

x t

x t

x t

u t

3

= −7 ( )

1

−14 ( )

2

−8 ( )

3

+ ( )

3

= −8 ( )

1

−14 ( )

2

− 7 ( )

3

+ ( )

I równanie wyjścia:

y( s) = 3 x ( s) + 2 x ( s) + x ( s) y( t) = 3 x ( t) + 2 x ( t) + x ( t) 1

2

3

1

2

3

Poszukiwane macierze równań stanu są postaci:

 0

1

0 

0





 

A

B

C

I =

0

0

1

I =

0

I =





 

[3 2 ]1

−8 −14 − 7





1

Dla sprawdzenia można obliczyć:



−



1

s

0

0

 0

1

0 

 

0

G( s) = [3 2

]





 



 

1  0

s

0 − 0

0

1 



 



 

0 =……..





 s s s 





− 8 −14 − 7

1





  

2

2. Dla układu opisanego równaniami:

 0

1

0 

 4 









x&( t) =

0

0

1

x( t) + − 3 u( t)











− 6 −11 − 6





 0 

y( t) = [1 − 1 0] x( t) 1. Wyznacz strukturę własną układu, 2. Wyznacz macierz tranzycyjną,

3. Zbadaj stabilność układu,

 3 





4. Wyznacz odpowiedź układu na skok jednostkowy (warunki początkowe x( ) 0 = − 2 ),

 0 





Rozwiązanie:

Wartości własne układu:

s

−1

0

s

−1

det( sI − )

A = 0

s

−1 0

2

s = s ( s + ) 6 + 6 +11

3

s = s + 6 2

s +11 s + 6 = ( s + ) 1 ( s + )

2 ( s + )

3

6

11

s + 6 6 11

stąd s = 1

− , s = 2

− s = −3

1

2

3

Wektory własne układu:

5. [ s I

A v

,

i

− ] i = 0

s = 1

−

s = 2

−

s = −3

1

2

3

− 1 − 1 0   v 

− 2 − 1

0   v 

− 3 − 1

0   v 

11



 



12



 



13



 



0

−1 −1 v

= 0

6.

0

− 2 −1 v

= 0

0

− 3 −1 v

=

21



 



22



 



10.

0

23



 



 6 11 5   v 

 

 6

11

4   v 

 6

11

3   v 

31 

  32 

  33 

− 3 v

v

13 −

23 = 0

− v

v

− 2 v

v



12 −

22 = 0

11 −

21 = 0





− 3 v

v

23 −

33 = 0

− v

v

7. − 2 v

v



22 −

32 = 0

21 −

31 = 0





6 v

v

v

13 + 11 23 + 3 33 = 0

6 v

v

v

6 v

v

v

12 + 11 22 + 4 32 = 0

11 + 11 21 + 5 31 = 0

 v

v

23 = −3



13

v

v

 v

v



22 = −2

21 = −



11



12

11. 9 v

v

13 −

33 = 0

 v

v

8. 4 v

v



12 −

32 = 0

11 −

31 = 0





− 27 v

v

13 + 3 33 = 0

− 5 v

v

− 16 v

v

12 + 4 32 = 0

11 + 5 31 = 0

 v

3 v

23 = −



13

v

v

 v

2 v



22 = −

21 = −



11

12

9. 

 v

9 v

33 =

13

 v

v

 v

4 v

32 =

31 =

11

12

3

Przyjmujemy:



 1

1

1 

1 

 1 

 1 

















v = − 1 , v = − 2 , v =

,

czyli V = − 1 − 2

− 3

1





2





3

− 

3





 1 

 4 

 9 













 1

4

9 





Stąd

− 6 − 5 − 

1

 3

5

,

2



5

,

0

1

1 







W =

−

V

= −

6

8

2

=





− 3 − 4 − 

1 ,

2 − 2 − 3 − 1  1

5

,

1











5

,

0

T

T

T

czyli w

=

w = −

−

−

w =

1

[3 5,

2

]5

,

0

,

2

[ 3 4

]1 3 [1 5,

1

]5

,

0

Macierz tranzycyjna

Na podstawie wartości i wektorów własnych

 1 

 1 

 1 





−





−





Φ( t) = −1

−



 [3

5

,

2

5

,

0 ] e t ⋅ (

1 t) + − 2



 [− 3 − 4 − ]

1

2

e t ⋅ (

1 t) + − 3



 [1

5

,

1

5

,

0 ] 3

e t ⋅ (

1 t) =

 1 





 4 





 9 

 3 e− t − 3 −2 t

−3

e

+ e t

5

,

2 e − t − 4 −2

e t + 5

,

1

−3

e t

5

,

0

− t

−2

e

− e t + 5

,

0

−3

e t 





= − 3 e− t + 6 −2

e t − 3 −3

e t

− 5

,

2 e − t + 8 −2

e t − 5

,

4

−3

e t

− 5

,

0 e− t + 2 −2

e t − 5

,

1

−3

e t



 ⋅ (

1 t)

 3 e− t −12 −2

e t + 9 −3

e t

5

,

2 e − t − 16 −2

e t + 13 5

,

−3

e t

5

,

0 e − t − 4 −2

e t +

5

,

4

−3

e t 





Stabilność układu:

Układ jest stabilny (bieguny układu leżą w lewej półpłaszczyźnie), aperiodyczny (odpowiedzi układu są sumą przebiegów t

t

− t

wykładniczych e− , e 2

− i e 3 .

Odpowiedź wektora stanu na wymuszenie jednostkowe z warunkami

 3 





początkowymi x( )

0 = − 2 ,

 0 





3

3

t





s t

T

T

s ( t −τ )

x( t) = ∑ e i v w x(0) + ∑ v w ∫ e i B u(τ ) dτ  ⋅ (

1 t)

i

i

i

i

 i 1

=

i 1

=



0

x ( t)

x ( t)

s

w

x ( t) =

+

+

⋅

=

s

{ T st

T

s t

T

s t

1

2

3

v w e

v w e

v w e

x

t

1

1

2

2

3

3

} (0) (1 )





  1 

 3 

 1 

 3 

 1 

 3 



  



 −







 −











=  −1

−



 [3

5

,

2

5

,

0 ] − 2 e t + − 2







 [− 3 − 4 − ]

1 − 2

2

e t + − 3







 [1

5

,

1

]5

,

0

− 2

3

e t  ⋅ (

1 t)









 1 





 0 





 4 





 0 





 9 





 0 





1

4

4

4

4

4

2

4

4

4

4

4

3



=0



 4 

 −1

 4 − t

−2

e − e t 



 −









= − 4 e t ⋅ (

1 t) +

2

−2

e t ⋅ (

1 t) = − 4 e− t + 2 −2

e t











 ⋅ (

1 t)



−

−

 4 





− 4





4 e t − 4 2

e t 





4

 3 





Warunek początkowy x( )

0 = − 2 zawiera się w płaszczyźnie rozpiętej na wektorach

 0 





 1 

 1 









v = − 1 , v = − 2 ,

(łatwo sprawdzić, że det[ x(0) v v

= ) więc wT x(0) = 0 i stąd w składowej 1

2 ]

0

1





2





3

 1 





 4 

przejściowej odpowiedzi nie ma modu związanego z wartością własną -3.

3

t





τ

x ( t)

T

s ( t − )

= ∑ v w ∫ e i

B u(τ ) dτ  ⋅ (

1 t) =

w

i

i

 i 1

=



0

 1 

 4 



 1 

 4 



t

t

 

− −τ 









−

−τ 





=  − 1



 [3

5

,

2

]5

,

0

( t

)

∫ e

− 3 dτ  ⋅ (

1 t) +  − 2







 [− 3 − 4 − ]

1

2( t

)

∫ e

− 3 dτ  ⋅ (

1 t) +













 1

0







 0 









 4

0







 0



 

1

4

4

4

4

4

4

4

2

4

4

4

4

4

4

4

3

=0

 1 

 4 



t





−

−τ 





+  − 3



 [1

5

,

1

]5

,

0

3( t

)

∫ e

− 3 dτ  ⋅ (

1 t) =









 9

0







 0



 



5

,

4





− 5

,

0 



t

t









− −τ







=  − 5

,

4

( t

)

∫ e

dτ  ⋅ (

1 t) + 

5

,

1

−3( t−τ )

∫ e

dτ  ⋅ (

1 t) =

















 5

,

4

0











− 5

,

4

0









5

,

4 e − t 



− 5

,

0

−3

e t 



t

t













=  − 5

,

4 e − t ∫ eτ d

−

τ





τ  ⋅ (

1 t) + 

5

,

1

3 t

3

e

∫ e d





τ  ⋅ (

1 t) =



−







− 



5

,

4

t

0

e

− 5

,

4

3 t

0

e















5

,

4 e − t 

− 5

,

0

−3

e t 





t





− t  τ



1

t

−

 τ 

= − 5

,

4 e

 e







⋅ (

1 t) +

5

,

1

3 t

3

e

 e







⋅ (

1 t) =



0 

3



0 



5

,

4 e − t 

− 5

,

4

−3

e t 













− t

1

− t

− t

−3 t





−



5

,

4

1

( − e ) −

1

(

3

− e )

5

,

4 e

5

,

0 e





6









−

−



−

−



t

t

1

= − 5

,

4 e

( e





− )

1 ⋅ (

1 t) +

5

,

1

3

e t

( 3

e t





− )

1 ⋅ (

1 t) = − 5

,

4

1

( − e t ) + 5

,

0

1

(

3

− e t ) ⋅ (

1 t)





3



5

,

4 e − t 

− 5

,

4

−3

e t 



5

,

4

1

( − e− t ) − 5

,

1

1

(

−3

− e t ) 

















Jednokolumnowa macierz wejścia B zawiera się w płaszczyźnie rozpiętej na wektorach v , v (łatwo sprawdzić, że 1

3

det[ B v

v

= ) więc wT B = 0 i stąd w składowej przejściowej odpowiedzi nie ma modu związanego z 1

3 ]

0

2

wartością własną -2.





− t

1

− t

− t

−2 t



−



5

,

4

1

( − e ) −

1

(

3

− e )

4 e

e





6





−

−



−

−



t

2 t

t

3 t

x( t) = x ( t) + x ( t) = − 4 e

+ 2 e



 ⋅ (

1 t) + − 5

,

4

1

( − e ) + 5

,

0

1

( − e

) ⋅ (

1 t)

s

w





 4 e− t − 4 −2

e t 



5

,

4

1

( − e− t ) − 5

,

1

1

(

−3

− e t ) 













5

Odpowiedź wektora stanu na wymuszenie jednostkowe 5

4

x ( t)

x ( t)

1

3

3

2

1

 3 





0

x( )

0 = − 2

 0 





-1

-2

-3

x ( t)

2

-4

-5 0

1

2

3

4

5

6

6