Modelování a simulace

Podobné dokumenty
Teoretická elektrotechnika - vybrané statě

Modelování a simulace Lukáš Otte

Vlastnosti členů regulačních obvodů Osnova kurzu

Inverzní Laplaceova transformace

Diskretizace. 29. dubna 2015

Analýza lineárních regulačních systémů v časové doméně. V Modelice (ale i v Simulinku) máme blok TransfeFunction

U Úvod do modelování a simulace systémů

MATEMATIKA III. Olga Majlingová. Učební text pro prezenční studium. Předběžná verze

Diferenciální rovnice a jejich aplikace. (Brkos 2011) Diferenciální rovnice a jejich aplikace 1 / 36

Laplaceova transformace

MODIFIKOVANÝ KLIKOVÝ MECHANISMUS

Obsah Obyčejné diferenciální rovnice

Řízení a regulace II. Analýza a řízení nelineárních systémů Verze listopadu 2004

SIGNÁLY A SOUSTAVY, SIGNÁLY A SYSTÉMY

IV120 Spojité a hybridní systémy. Jana Fabriková

Praha technic/(4 -+ (/T'ERATU"'P. ))I~~

CW01 - Teorie měření a regulace

Ing. Petr BLAHA, PhD. Prof. Ing. Petr VAVŘÍN, DrSc.

Flexibilita jednoduché naprogramování a přeprogramování řídícího systému

CVIČENÍ 4 Doc.Ing.Kateřina Hyniová, CSc. Katedra číslicového návrhu Fakulta informačních technologií České vysoké učení technické v Praze 4.

Program SMP pro kombinované studium

1 Modelování systémů 2. řádu

Opakování z předmětu TES

Aplikovaná numerická matematika

4EK311 Operační výzkum. 1. Úvod do operačního výzkumu

1. března Organizace Základní informace Literatura Úvod Motivace... 3

MKI Funkce f(z) má singularitu v bodě 0. a) Stanovte oblast, ve které konverguje hlavní část Laurentova rozvoje funkce f(z) v bodě 0.

Úlohy k přednášce NMAG 101 a 120: Lineární algebra a geometrie 1 a 2,

Obsah. Gain scheduling. Obsah. Linearizace

Aplikovaná numerická matematika - ANM

Ivan Švarc. Radomil Matoušek. Miloš Šeda. Miluše Vítečková. c..~"f~ AKADEMICKÉ NAKlADATEL.STVf. Brno 20 I I

Modelování a simulace

Řešení diferenciálních rovnic

Modelov an ı syst em u a proces

DIPLOMOVÁ PRÁCE Nelineární řízení magnetického ložiska

PŘÍKLAD PŘECHODNÝ DĚJ DRUHÉHO ŘÁDU ŘEŠENÍ V ČASOVÉ OBLASTI A S VYUŽITÍM OPERÁTOROVÉ ANALÝZY

Matematika I A ukázkový test 1 pro 2014/2015

CITLIVOSTNÍ ANALÝZA DYNAMICKÝCH SYSTÉMŮ I

11. přednáška 10. prosince Kapitola 3. Úvod do teorie diferenciálních rovnic. Obyčejná diferenciální rovnice řádu n (ODR řádu n) je vztah

Numerické metody optimalizace - úvod

Stavový popis, linearizace

Michael Valášek Vedoucí práce: doc. Ing. Václav Bauma, CSc.

Diferenˇcní rovnice Diferenciální rovnice Matematika IV Matematika IV Program

Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb. CW01 - Teorie měření a regulace 10.2 ZS 2010/2011. reg Ing. Václav Rada, CSc.

MODELOVÁNÍ. Základní pojmy. Obecný postup vytváření induktivních modelů. Měřicí a řídicí technika magisterské studium FTOP - přednášky ZS 2009/10

1/15. Kapitola 12: Soustavy diferenciálních rovnic 1. řádu

Automatizace je proces při němž je řídicí funkce člověka nahrazována činností

Kapitola 12: Soustavy diferenciálních rovnic 1. řádu

Pozorovatel, Stavová zpětná vazba

Numerické metody a programování. Lekce 7

Numerická matematika 1

21. Úvod do teorie parciálních diferenciálních rovnic

Matematika I A ukázkový test 1 pro 2011/2012. x + y + 3z = 1 (2a 1)x + (a + 1)y + z = 1 a

Nelineární obvody. V nelineárních obvodech však platí Kirchhoffovy zákony.

Radiologická fyzika základy diferenciálního počtu derivace a tečny, integrály a plochy diferenciální rovnice

1. Řešená konstrukce Statické řešení Výpočet průhybové čáry Dynamika Vlastní netlumené kmitání...

(Cramerovo pravidlo, determinanty, inverzní matice)

teorie elektronických obvodů Jiří Petržela úvod, organizace výuky

Interpolace, ortogonální polynomy, Gaussova kvadratura

České vysoké učení technické v Praze Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská OKRUHY. ke státním závěrečným zkouškám BAKALÁŘSKÉ STUDIUM

Soustavy lineárních rovnic

KMS cvičení 6. Ondřej Marek

Elektronické obvody analýza a simulace

Soustavy lineárních diferenciálních rovnic I. řádu s konstantními koeficienty

Požadavky k písemné přijímací zkoušce z matematiky do navazujícího magisterského studia pro neučitelské obory

U1, U2 vnější napětí dvojbranu I1, I2 vnější proudy dvojbranu

Regresní analýza 1. Regresní analýza

l, l 2, l 3, l 4, ω 21 = konst. Proved te kinematické řešení zadaného čtyřkloubového mechanismu, tj. analyticky

Regulační obvod s měřením akční veličiny

Semestrální práce z předmětu Teorie systémů

Odhad stavu matematického modelu křižovatek

Lineární a adaptivní zpracování dat. 2. SYSTÉMY a jejich popis v časové doméně a frekvenční doméně

Předmět A3B31TES Př. 2 B

Regulační obvod s měřením regulováné veličiny

11MAMY LS 2017/2018. Úvod do Matlabu. 21. února Skupina 01. reseni2.m a tak dále + M souborem zadané funkce z příkladu 3 + souborem skupina.

Elementární křivky a plochy

Teorie. Hinty. kunck6am

7. Derivace složené funkce. Budeme uvažovat složenou funkci F = f(g), kde některá z jejich součástí

0 = 2e 1 (z 3 1)dz + 3z. z=0 z 3 4z 2 + 3z + rez. 4. Napište Fourierův rozvoj vzhledem k trigonometrickému systému periodickému

ÚSTAV MATEMATIKY A DESKRIPTIVNÍ GEOMETRIE. Matematika 0A1. Cvičení, zimní semestr. Samostatné výstupy. Jan Šafařík

Diferenciální rovnice

Řízení a optimalizace Stavové modely a model-prediktivní řízení

Jméno... Cvičení den... hodina... Datum...rok... Počet listů... Varianta A

Pavel Klavík. Katedra aplikované matematiky, Matematicko-fyzikální fakulta, Univerzita Karlova v Praze

Algebra blokových schémat Osnova kurzu

Modelování systémů a procesů (11MSP) Bohumil Kovář, Jan Přikryl, Miroslav Vlček. 8. přednáška 11MSP pondělí 20. dubna 2015

Kapitola 10: Diferenciální rovnice 1/14

Učební texty k státní bakalářské zkoušce Matematika Vlastní čísla a vlastní hodnoty. študenti MFF 15. augusta 2008

Vypracovat přehled paralelních kinematických struktur. Vytvořit model a provést analýzu zvolené PKS

Lineární a adaptivní zpracování dat. 2. SYSTÉMY a jejich popis v časové doméně a frekvenční doméně

Hledáme lokální extrémy funkce vzhledem k množině, která je popsána jednou či několika rovnicemi, vazebními podmínkami. Pokud jsou podmínky

Nelineární optimalizace a numerické metody (MI NON)

NUMERICKÉ METODY. Problematika num. řešení úloh, chyby, podmíněnost, stabilita algoritmů. Aproximace funkcí.

ZÁKLADY AUTOMATICKÉHO ŘÍZENÍ

(K611MSAP) prof. Miroslav Vlček. 24. února Ústav aplikované matematiky Fakulta dopravní ČVUT

Návrh a simulace zkušební stolice olejového čerpadla. Martin Krajíček

Verifikace modelu VT přehříváků na základě provozních měření

Změna koeficientů PDR při změně proměnných

DISKRÉTNÍ PROCESY V ELEKTROTECHNICE

25.z-6.tr ZS 2015/2016

Transkript:

Modelování a simulace Doc Ing Pavel Václavek, PhD Modelování a simulace Úvod - str /48

Obsah a organizace Obsah a org Cíl předmětu Náplň přednášek Vyučující Hodnocení Literatura Modelování a simulace Úvod - str 2/48

Cíl předmětu Seznámení s principy matematického modelování Sestavování matematických modelů fyzikálních systémů Prostředky pro simulaci Základní seznámení s modelováním a simulací systémů diskrétních událostí Obsah a org Cíl předmětu Náplň přednášek Vyučující Hodnocení Literatura Modelování a simulace Úvod - str 3/48

Náplň přednášek,model,simulace Vztah reálný systém-model systémů, souvislosti stavového a V/V popisu systému, linearizace Analogové modely, operační zesilovač, základní stavební prvky, problémy měřítek Matlab Simulink, numerické metody řešení dynamických systémů Modely mechanických dynamických systémů - základní prvky Obsah a org Cíl předmětu Náplň přednášek Vyučující Hodnocení Literatura Modely mechanických dynamických systémů-metoda uvolňování, Lagrangeovy rovnice Modelování dynamických systémů pomocí vazebních grafů Přidělení kauzality Modelovací schéma z vazebního grafu Modelování a simulace Úvod - str 4/48

Náplň přednášek Modelování dynamických systémů pomocí vazebních grafů Principy modelování elektrických systémů Modelování dynamických systémů pomocí vazebních grafů, zjednodušování grafů, modelování mechanických systémů, kolize kauzality, algebraické smyčky Půlsemestrální test Modelování systémů diskrétních událostí Modelování náhodných veličin Modelování systémů diskrétních událostí, základní algoritmus Obsah a org Cíl předmětu Náplň přednášek Vyučující Hodnocení Literatura modelování systémů diskrétních událostí, Markovovy řetězce Modelování tepelných a hydraulických systémů Opakování Modelování a simulace Úvod - str 5/48

Vyučující přednášky Doc Ing Pavel Václavek, PhD Prof Ing František Šolc, CSc numerická cvičení Doc Ing Pavel Václavek, PhD počítačová cvičení Ing Libor Veseselý Ing Dušan Zámečník Obsah a org Cíl předmětu Náplň přednášek Vyučující Hodnocení Literatura Modelování a simulace Úvod - str 6/48

Hodnocení skladba bodového hodnocení 4 bodů numerická a počítačová cvičení minitesty na cvičení, nebo jiné úlohy 6 bodů půlsemestrální test proběhne na přednášce 84203 70 bodů písemná zkouška řádný termín 45203 první opravný termín 235203 druhý opravný termín 305203 Obsah a org Cíl předmětu Náplň přednášek Vyučující Hodnocení Literatura podmínky udělení zápočtu účast na cvičeních získání alespoň 0 bodů v průběhu semestru Modelování a simulace Úvod - str 7/48

Literatura a informace k předmětu skripta Šolc, Václavek: Modelování a simulace, elektronický text VUT Horáček: Systémy a modely, skripta ČVUT Rábová, Blatný, Češka, Zendulka: Modelování a simulace, skripta VUT informace k předmětu bmodvaclaveknet Obsah a org Cíl předmětu Náplň přednášek Vyučující Hodnocení Literatura Modelování a simulace Úvod - str 8/48

Obsah a org Proč Model Abstr mod Simulace Nástroje Modelování a simulace Úvod - str 9/48

Důvody k modelování a simulaci experimenty s modelem ekonomické bezpečné časové hledisko získání podkladů pro zlepšení existujících reálných systémů návrh řízení ověřování činnosti dosud neexistujících reálných systémů Obsah a org Proč Model Abstr mod Simulace Nástroje Modelování a simulace Úvod - str 0/48

Model Reálný systém fyzikální model Abstraktní model Model Fyzikální model náhrada reálného systému jiným fyzikálním systémem ikonické, modely v měřítku, analogové modely, trenažéry abstraktní model matematické modelování Obsah a org Proč Model Abstr mod Simulace Nástroje Modelování a simulace Úvod - str /48

Abstraktní model Abstraktní model Abstraktní Systém abstraktní model = matematický model Algebraické rovnice Diferenciální rovnice Diferenční rovnice Algoritmy požadavky na abstraktní model musí mít řešení řešení musí být jednoznačné musí být kauzální - nesmí reagovat na události v budoucnosti Obsah a org Proč Model Abstr mod Simulace Nástroje Reálný systém Abstraktní systém Reálný systém Počítač Modelování a simulace Úvod - str 2/48

Simulace Obsah a org, Reálný systém, Proč Model Abstr mod Simulace Nástroje Reálný systém Simulační systém porovnání chování reálného systému a modelu verifikace modelu ověření, zda model vystihuje významné vlastnosti modelovaného objektu adekvátnost modelu Modelování a simulace Úvod - str 3/48

Simulační nástroje Simulační prostředky v teorii řízení MATLAB-Simulink Simnon 20sim Simulační prostředky jiných oborů Adams - simulace mechanických systémů Simmechanics - simulace mechanických systémů PSpice - simulace elektrických obvodů Simcript - obecný simulační jazyk Simula - obecný simulační jazyk Wittness - systémy diskrétních událostí Obsah a org Proč Model Abstr mod Simulace Nástroje Modelování a simulace Úvod - str 4/48

Obsah a org Vnější popis Stav Nelineární LTV LTI Vypnel Výpočet LTI LTI Lapla Vnitřní vnější Snižování Forma řid Forma pozor Paralelní Seriové Modelování a simulace Úvod - str 5/48

Vnější popis Popisuje jen vstupně výstupní chování systému, nepopisuje děje probíhající uvnitř systému parametrické diferenciální rovnice, diferenční rovnice operátorový přenos frekvenční přenos neparametrické přechodová a impulsní charakteristika frekvenční charakteristika Obsah a org Vnější popis Stav Nelineární LTV LTI Vypnel Výpočet LTI LTI Lapla Vnitřní vnější Snižování Forma řid Forma pozor Paralelní Seriové Modelování a simulace Úvod - str 6/48

Stav systému t o t o t o Interval pozorování <t o ;t f > Interval pozorování <t o ;t f > Interval pozorování <t o ;t f > t f t f t f t t t Vstupní segment Stavový segment Výstupní segment Stav systému je nejmenší množina údajů, které musíme znát v čase t 0, abychom na základě znalosti vstupního segmentu dokázali jednoznačně určit stavový a výstupní segment (stav a výstup v čase t f ) Obsah a org Vnější popis Stav Nelineární LTV LTI Vypnel Výpočet LTI LTI Lapla Vnitřní vnější Snižování Forma řid Forma pozor Paralelní Seriové Modelování a simulace Úvod - str 7/48

Obecný tvar stavových rovnic dx = f dt (u ; u 2 ; u r ; x ; x 2 ; x n ; t) dx 2 = f dt 2 (u ; u 2 ; u r ; x ; x 2 ; x n ; t) y = g (u ; u 2 ; u r ; x ; x 2 ; x n ; t) y 2 = g 2 (u ; u 2 ; u r ; x ; x 2 ; x n ; t) dx n dt = f n (u ; u 2 ; u r ; x ; x 2 ; x n ; t) x (t o ); x 2 (t o ); x n (t o ); }{{} stavové rovnice Tvar s vektory y m = g m (u ; u 2 ; u r ; x ; x 2 ; x n ; t) }{{} výstupní rovnice dx dt = f(u;x;t) y = g(u; x; t) x(t o ) Modelování a simulace Úvod - str 8/48

Lineární t-variantní systém ẋ = a (t)x + a 2 (t)x 2 + + a n (t)x n + b (t)u + b 2 (t)u 2 + + b r (t)u r ẋ 2 = a 2 (t)x + a 22 (t)x 2 + + a 2n (t)x n + b 2 (t)u + b 22 (t)u 2 + + b 2r (t)u r ẋ n = a n (t)x + a n2 (t)x 2 + + a nn (t)x n + b n (t)u + b n2 (t)u 2 + + b nr (t)u r y = c (t)x + c 2 (t)x 2 + + c n (t)x n + d (t)u + d 2 (t)u 2 + + d r (t)u r y 2 = c 2 (t)x + c 22 (t)x 2 + + c 2n (t)x n + d 2 (t)u + d 22 (t)u 2 + + d 2r (t)u r y m = c m (t)x + c m2 (t)x 2 + + c mn (t)x n + d m (t)u + d m2 (t)u 2 + + d mr (t)u r x (t o );x 2 (t o );x n (t o ) Tvar s vektory dx dt = A(t)x + B(t)u y = C(t)x + D(t)u x(t o ) Modelování a simulace Úvod - str 9/48

Lineární t-invariantní systém ẋ = a x + a 2 x 2 + + a n x n + b u + b 2 u 2 + + b r u r ẋ 2 = a 2 x + a 22 x 2 + + a 2n x n + b 2 u + b 22 u 2 + + b 2r u r ẋ n = a n x + a n2 x 2 + + a nn x n + b n u + b n2 u 2 + + b nr u r y = c x + c 2 x 2 + + c n x n + d u + d 2 u 2 + + d r u r y 2 = c 2 x + c 22 x 2 + + c 2n x n + d 2 u + d 22 u 2 + + d 2r u r y m = c m x + c m2 x 2 + + c mn x n + d m u + d m2 u 2 + + d mr u r Tvar s vektory x (t 0 );x 2 (t 0 );x n (t 0 ) dx dt = Ax + Bu y = Cx + Du x(t 0 ) Modelování a simulace Úvod - str 20/48

Výpočet (simulace) stavových rovnic dx dt = f (u ; u 2 ; u l ; x ; x 2 ; x n ; t); x (t 0 ) Obsah a org [ 2, 3, ] ( ; 2; ; ; 2; ; ) ( 0 ) Vnější popis Stav Nelineární LTV LTI Vypnel Výpočet LTI LTI Lapla Vnitřní vnější Snižování Forma řid Forma pozor Paralelní Seriové Modelování a simulace Úvod - str 2/48

Výpočet (simulace) stavových rovnic 2 dx dt = f (u, u 2, x, x 2 ); x (t 0 ) dx 2 dt = f 2 (u, u 2, x, x 2 ); x 2 (t 0 ) y = x + x 2 (, 2,, 2) (, 2,, 2) 2 ( 0 ) 2 + Obsah a org Vnější popis Stav Nelineární LTV LTI Vypnel Výpočet LTI LTI Lapla Vnitřní vnější Snižování Forma řid Forma pozor Paralelní Seriové 2 ( 0 ) Modelování a simulace Úvod - str 22/48

Výpočet (simulace) stavových rovnic dx dt = f(u,x, t) y = g(u, x, t) x(t 0 ) ( 0 ) (,, ) (,, ) Obsah a org Vnější popis Stav Nelineární LTV LTI Vypnel Výpočet LTI LTI Lapla Vnitřní vnější Snižování Forma řid Forma pozor Paralelní Seriové Modelování a simulace Úvod - str 23/48

Výpočet LTI systému 2 dx dt = a x + a 2 x 2 + b u + b 2 u ; x (t 0 ) dx 2 dt = a 2 x + a 22 x 2 + b 2 u + b 22 u 2 ; x 2 (t 0 ) y = x + x 2 2 2 2 22 2 2 2 22 2 2 2 ( 0 ) 2 + Obsah a org Vnější popis Stav Nelineární LTV LTI Vypnel Výpočet LTI LTI Lapla Vnitřní vnější Snižování Forma řid Forma pozor Paralelní Seriové 2 ( 0 ) Modelování a simulace Úvod - str 24/48

Výpočet LTI systému dx dt = Ax + Bu y = Cx + Du x(t 0 ) ( 0 ) Obsah a org Vnější popis Stav Nelineární LTV LTI Vypnel Výpočet LTI LTI Lapla Vnitřní vnější Snižování Forma řid Forma pozor Paralelní Seriové Modelování a simulace Úvod - str 25/48

Řešení LTI systému pomocí Laplaceovy transformace rovnice systému dx dt = Ax + Bu y = Cx + Du x(0) aplikace Laplaceovy trasnformace po úpravě px(p) x(0) = AX(p) + BU(p) Y(p) = CX(p) + DU(p) X(p) = (pi A) BU(p) + (pi A) x(0) Obsah a org Vnější popis Stav Nelineární LTV LTI Vypnel Výpočet LTI LTI Lapla Vnitřní vnější Snižování Forma řid Forma pozor Paralelní Seriové Modelování a simulace Úvod - str 26/48

Řešení LTI systému pomocí Laplaceovy trasnformace obraz vektoru stavových veličin X(p) = (pi A) BU(p) + (pi A) x(0) aplikace zpětné Laplaceovy trasnformace x(t) = L {(pi A) }x(0)+l {(pi A) BU(p)} x(t) = Φ(t)x(0) + t 0 Φ(t τ)bu(τ)dτ matice Φ(t) se nazývá matice přechodu Φ(t) = e At = I + At + A 2 t2 2! + A3 t3 3! Obsah a org Vnější popis Stav Nelineární LTV LTI Vypnel Výpočet LTI LTI Lapla Vnitřní vnější Snižování Forma řid Forma pozor Paralelní Seriové Modelování a simulace Úvod - str 27/48

matematické kyvadlo je možné pro malé výchylky popsat modelem [ ] [ ] [ ] α 0 α = ω g/l 0 ω Laplaceův obraz stavových veličin dostaneme pomocí α(p) ω(p) = p 2 +g/l X(p) = (pi A) BU(p) + (pi A) x(0); A = det A adja = p 0 0 0 p g/l 0 p α(0) = g/l p ω(0) p p 2 +g/l g/l p 2 +g/l α(0) ω(0) p 2 +g/l s p 2 +g/l = p g/l p α(0) ω(0) α(0) ω(0) Modelování a simulace Úvod - str 28/48

Pokud budeme uvažovat počáteční podmínku α(0) 0, ω(0) = 0 dostaneme řešení [ ] [ ] [ ] [ p α(p) p = 2 +g/l p 2 +g/l α(0) = ω(p) ω(0) g/l p 2 +g/l s p 2 +g/l p p 2 +g/l α(0) g/l p 2 +g/l α(0) ] pomocí inverzní Laplaceovy trasnformace dostaneme řešení v časové oblasti [ ] {[ p α(t) = L α(0) ]} [ p 2 +g/l α(0) cos(t g/l) g/l ω(t) α(0) = α(0) g/l sin(t g/l) p 2 +g/l ] Modelování a simulace Úvod - str 29/48

Vnitřní vnější ẋ(t) = Ax(t) + Bu(t) y(t) = Cx(t) + Du(t) Laplaceova transformace px(p) = AX(p) + BU(p) Y(p) = CX(p) + DU(p) Y(p) = [ C(pI A) B + D ] U(p) = [ ] = C adj(pi A)B + D U(p) det(pi A) }{{} F(p) F (p) F 2 (p) F m (p) F F (p) = 2 (p) F 22 (p) F 2m (p) F r (p) F r2 (p) F rm (p) Obsah a org Vnější popis Stav Nelineární LTV LTI Vypnel Výpočet LTI LTI Lapla Vnitřní vnější Snižování Forma řid Forma pozor Paralelní Seriové Modelování a simulace Úvod - str 30/48

model řízeného kyvadla pro malé výchylky [ ] [ ] [ ] [ α 0 α = + ω g/l 0 ω 0 ml 2 ] M stavové veličiny budeme považovat za výstupy C = I, není přímá vazba ze vstupu na výstup D = 0 F(p) = (pi A) B po dosazení a výpočtu [ G(p) = p p 2 +g/l g/l p 2 +g/l p 2 +g/l s p 2 +g/l ] [ 0 ml 2 ] = [ p 2 +g/l ml 2 p p 2 +g/l ml 2 ] Modelování a simulace Úvod - str 3/48

Snižování řádu derivace předpokládáme přenos systému F (p) = Y (p) U(p) = b 0 p n + a n p n + a p + a 0 odpovídající diferenciální rovnice y (n) = a n y (n ) a n 2 y (n 2) a y () a 0 y + b 0 u realizace 0 + - ( ) ( ) 2 2 ( 2) () 0 Obsah a org Vnější popis Stav Nelineární LTV LTI Vypnel Výpočet LTI LTI Lapla Vnitřní vnější Snižování Forma řid Forma pozor Paralelní Seriové + + + + Modelování a simulace Úvod - str 32/48

Modelování a simulace Úvod - str 33/48 Snižování řádu derivace ẋ ẋ 2 ẋ n ẋ n = 0 0 0 0 0 0 0 0 0 a 0 a a 2 a n x x 2 x n x n + 0 0 0 b 0 u y = x

Kanonická forma řiditelnosti operátorový přenos F (p) = Y (p) U(p) = b n p n + b n 2 p n 2 + + b p + b 0 p n + a n p n + a p + a 0 zlomek rozšíříme výrazem p n X(p) F (p) = označíme (b n p + b n 2 p 2 + + b p n+ + b 0 p n )X(p) ( + a n p + a n 2 p 2 + + a p n+ + a 0 p n )X(p) Y (p) = (b n s + b n 2 s 2 + + b s n+ + b 0 s n )X(p) U(p) = ( + a n s + a n 2 s 2 + + a s n+ + a 0 s n )X(p) z druhé rovnice pak vyjádříme Obsah a org Vnější popis Stav Nelineární LTV LTI Vypnel Výpočet LTI LTI Lapla Vnitřní vnější Snižování Forma řid Forma pozor Paralelní Seriové X(p) = U(p) (a n p + a n 2 p 2 + + a p n+ + a 0 p n )X(p) Modelování a simulace Úvod - str 34/48

Kanonická forma řiditelnosti Obsah a org ẋ ẋ 2 ẋ n ẋ n 0 0 0 0 0 0 = 0 0 0 a 0 a a 2 a n [ ] T y = [b 0 b b n 2 b n ] x x 2 x n x n Frobeniův kanonický tvar x x 2 x n x n + 0 0 0 u Vnější popis Stav Nelineární LTV LTI Vypnel Výpočet LTI LTI Lapla Vnitřní vnější Snižování Forma řid Forma pozor Paralelní Seriové Modelování a simulace Úvod - str 35/48

Kanonická forma pozorovatelnosti operátorový přenos F (p) = Y (p) U(p) = b n p n + b n 2 p n 2 + + b p + b 0 p n + a n p n + a p + a 0 zlomek rozšíříme p n a upravíme (+a n p +a n 2 p 2 ++a p n+ +a 0 p n )Y (s) = (b n p +b n 2 p 2 ++b p n+ +b 0 p n )U(s) Y = ( a n Y +b n U)p +( a n 2 Y +b n 2 U)p 2 +( a Y +b U)p n +( a 0 Y +b 0 U)p n Modelování a simulace Úvod - str 36/48

Kanonická forma pozorovatelnosti Obsah a org ẋ ẋ 2 ẋ n ẋ n = 0 0 0 0 a 0 0 0 0 a 0 0 0 0 a n 2 0 0 0 a n x x 2 x n x n + b 0 b b n 2 b n u Vnější popis Stav Nelineární LTV LTI Vypnel Výpočet LTI LTI Lapla Vnitřní vnější Snižování Forma řid Forma pozor Paralelní Seriové [ y = [0 00 ] x x 2 x n x n ] T Modelování a simulace Úvod - str 37/48

Paralelní programování F (p) = Y (p) U (p) = b p + a + b 2 p + a 2 + + A = C = [ a 0 0 0 0 0 0 a 2 0 0 0 0 0 0 a 3 0 0 0 0 0 0 a k a k 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 a n b b 2 b 3 0 b k b n ] D = [0] b k p 2 + a k p + a k + Jordanův kanonický tvar B = b n p + a n Modelování a simulace Úvod - str 38/48

Modelování a simulace Úvod - str 39/48 Seriové programování F (p) = Y (p) U (p) = b 0 (p + b ) (p + b 2 ) (p + b m ) (p + a ) (p + a 2 ) (p + a n ) A = a (b 2 a 2 ) (b 3 a 3 ) 0 0 0 0 a 2 (b 3 a 3 ) 0 0 0 0 0 a 3 0 0 0 0 0 0 a n m 0 0 0 0 0 0 a n B = m=n, 0 0 0 0 0 m<n C = [ b 0 (b a ) b 0 (b 2 a 2 ) b 0 0 0 ] D = [b 0 ] n=m, [0] m<n Kaskádní řazení

Obsah a org Cíl linearizace Metoda nejmenších čtverců Taylorova řada Modelování a simulace Úvod - str 40/48

Cíl linearizace předpokládejme nelineární systém dx = f(x, u) dt nelineární systém nahradíme lineárním, jehož chování pak vyšetřujeme pomocí metod známých z teorie lineárních systémů hledáme lineární náhradu - linearizace funkcí f i (x, u) linearizační metody metoda nejmenších čtverců rozvoj do Taylorovy řady Obsah a org Cíl linearizace Metoda nejmenších čtverců Taylorova řada Modelování a simulace Úvod - str 4/48

9 8 7 6 5 4 3 2 0 y y = f(x 0 ) + k(x x 0 ) min E k pracovní bod (x 0, y 0 ) Metoda nejmenších čtverců y = f(x) y = b + ax E = Δyi 2 E min a,b nezachová pracovní bod 0 0 20 30 40 50 60 70 80 90 Δy i x Obsah a org Cíl linearizace Metoda nejmenších čtverců Taylorova řada Modelování a simulace Úvod - str 42/48

Metoda nejmenších čtverců předpokládáme nelineární funkci y = f(x, u) hledáme lineární náhradu F (h) = f(h 0 ) + k(h h 0 ) v okolí pracovního bodu h 0, kde h = [x, x 2,, x n, u, u 2,, u m ] kriterium E = r [f(h i ) F (h i )] 2 = r [y i y 0 k(h i h 0 )] 2 = min i= i= odchylka od pracovního bodu Δy i = y i y 0, Δh i = h i h 0 E = r [Δy i (k Δh,i + k 2 Δh 2,i + + k n+m Δh n+m,i )] 2 i= hledání minima kriteria E E r = 2 [Δy i (k Δh,i + k 2 Δh 2,i + + k n+m Δh n+m,i )]( Δh j,i ) = 0 k j i= j =, 2,, n + m Modelování a simulace Úvod - str 43/48

Metoda nejmenších čtverců k r i= k i= k i= r r Δh 2,i + k 2 Δh 2,i Δh,i + + k n i= r r Δh,i Δh 2,i + k 2 Δh 2 2,i + + k n Δh,i Δh n,i + k 2 r i= i= r i= r i= Δh 2,i Δh n,i + + k n+m Δh n,i Δh,i = r i= Δh n,i Δh 2,i = r r i= i= Δh 2 n+m,i = r i= Δy i Δh,i Δy i Δh 2,i Δy i Δh n+m,i soustava n + m lineárních rovnic řešení existuje, pokud máme data z n + m lineárně nezávislých bodů Δh i obdobné rovnice lze nalézt i pro náhradu bez zachování pracovního bodu F (u) = a 0 + au Modelování a simulace Úvod - str 44/48

rozvojem do Taylorovy řady předpokládejme systém popsaný stavovými rovnicemi dx = f(x, u, t) y = g(x, u, t) dt pracovní bod x 0, u 0, y 0 (obvykle volen jako rovnovážný stav - příští přednáška) odchylkové rovnice x = x 0 + Δx, y = y 0 + Δy, u = u 0 + Δu dx 0 + Δx = f(x 0 + Δx, u 0 + Δu, t) dt y 0 + Δy = g(x 0 + Δx, u 0 + Δu, t) rozvoj do Taylorovy řady, uvažujeme jen absolutní člen a první derivaci dx 0 dt + dδx ( ) ( ) f f = f(x 0, u 0, t) + Δx + Δu + R f dt x u ( ) ( ) g g y 0 + Δy = g(x 0, u 0, t) + Δx + Δu + R g x u Modelování a simulace Úvod - str 45/48

rozvojem do Taylorovy řady dx 0 dt + dδx ( ) f = f(x 0, u 0, t) + dt x ( ) g y 0 + Δy = g(x 0, u 0, t) + x ( ) f Δx + u ( ) g Δx + u Δu + Δu + R f R g pro okolí blízké pracovnímu bodu jsou chyby malé, lze je zanedbat odpovídá pracovnímu bodu, lze odečíst dynamický systém odchylek od pracovního bodu ( ) ( ) dδx f f = Δx + dt x u ( ) ( ) g g Δy = Δx + x u Δu Δu Modelování a simulace Úvod - str 46/48

rozvojem do Taylorovy řady Jacobiho matice ( ) f x ( ) dδx f = dt x ( ) g Δy = x = ( ) f x ( ) f2 x ( ) fn x ( ) f Δx + u ( ) g Δx + u ( ) f x ( 2 ) f2 x 2 ( ) fn x 2 Δu Δu ( f ) x ( n ) f2 x n ( ) fn x n matice ( lineárního ) systému ( f f A, B x u ), C ( ) g, D x ( g u ) Modelování a simulace Úvod - str 47/48

matematický model M Obsah a org α = ω ω = g sin α + M l ml 2 pracovní bod M 0 = 0; α 0 = 0 linearizace [ ] [ Δ α = Δ ω 0 g l cos α 0 ] 0 [ Δα Δω ] + [ 0 ml 2 l ] m ΔM Cíl linearizace Metoda nejmenších čtverců Taylorova řada po dosazení pracovního bodu [ ] [ ] [ Δ α 0 Δα = Δ ω g 0 Δω l ] + [ 0 ml 2 ] ΔM Modelování a simulace Úvod - str 48/48