Příklady k přednášce 26 Nelineární systémy a řízení



Podobné dokumenty
Příklady k přednášce 26 Nelineární systémy a řízení

26 Nelineární systémy a řízení

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

Flexibilita jednoduché naprogramování a přeprogramování řídícího systému

14 - Moderní frekvenční metody

Nelineární systémy. 1 / Úvod

1 Modelování systémů 2. řádu

Nelineární obvody. V nelineárních obvodech však platí Kirchhoffovy zákony.

Vlastnosti členů regulačních obvodů Osnova kurzu

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

4 - Vlastnosti systému: Stabilita, převrácená odezva, řiditelnost a pozorovatelnost

Mnohé problémy analýzy dynamických systémů vedou k řešení diferenciální rovnice (4.1)

Příklady k přednášce 8 - Geometrické místo kořenů aneb Root Locus

Zdrojem většiny příkladů je sbírka úloh 1. cvičení ( ) 2. cvičení ( )

Skládání kmitů

25.z-6.tr ZS 2015/2016

Numerické metody a programování. Lekce 7

Opakování z předmětu TES

Pozorovatel, Stavová zpětná vazba

Obsah. Matematika. Obsah. Ljapunovova metoda. Volba LF

Nejdřív spočítáme jeden příklad na variaci konstant pro lineární diferenciální rovnici 2. řádu s kostantními koeficienty. y + y = 4 sin t.

Automatizace je proces při němž je řídicí funkce člověka nahrazována činností

Modelování a simulace Lukáš Otte

1 Rozdělení mechaniky a její náplň

Kapitola 11: Lineární diferenciální rovnice 1/15

IX. Vyšetřování průběhu funkce

SIGNÁLY A LINEÁRNÍ SYSTÉMY

MECHANICKÉ KMITÁNÍ POJMY K ZOPAKOVÁNÍ. Testové úlohy varianta A

Vlastní (charakteristická) čísla a vlastní (charakteristické) Pro zadanou čtvercovou matici A budeme řešit maticovou

Příklad 1 ŘEŠENÉ PŘÍKLADY Z M1A ČÁST 6

Zadání a řešení testu z matematiky a zpráva o výsledcích přijímacího řízení do magisterského navazujícího studia od podzimu 2015

Obr. 1 Činnost omezovače amplitudy

Přechodné děje 2. řádu v časové oblasti

Necht na hmotný bod působí pouze pružinová síla F 1 = ky, k > 0. Podle druhého Newtonova zákona je pohyb bodu popsán diferenciální rovnicí

D C A C. Otázka 1. Kolik z následujících matic je singulární? A. 0 B. 1 C. 2 D. 3

Obsah. Kmitavý pohyb. 2 Kinematika kmitavého pohybu 2. 4 Dynamika kmitavého pohybu 7. 5 Přeměny energie v mechanickém oscilátoru 9

b) Maximální velikost zrychlení automobilu, nemají-li kola prokluzovat, je a = f g. Automobil se bude rozjíždět po dobu t = v 0 fg = mfgv 0

15 - Stavové metody. Michael Šebek Automatické řízení

Definice Tečna paraboly je přímka, která má s parabolou jediný společný bod,

6 Algebra blokových schémat

12 - Frekvenční metody

Příklady k přednášce 5 - Identifikace

Fyzikální praktikum 1

Osnova přednášky. Univerzita Jana Evangelisty Purkyně Základy automatizace Stabilita regulačního obvodu

Diferenciální počet 1 1. f(x) = ln arcsin 1 + x 1 x. 1 x 1 a x 1 0. f(x) = (cos x) cosh x + 3x. x 0 je derivace funkce f(x) v bodě x0.

Vypracoval: Mgr. Lukáš Bičík TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY

teorie elektronických obvodů Jiří Petržela obvodové funkce

BIOMECHANIKA KINEMATIKA

[1] Motivace. p = {t u ; t R}, A(p) = {A(t u ); t R} = {t A( u ); t R}

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

CW01 - Teorie měření a regulace

Vlastní číslo, vektor

Matematika 5 FSV UK, ZS Miroslav Zelený

Aplikace derivace a průběh funkce

Funkce jedné reálné proměnné. lineární kvadratická racionální exponenciální logaritmická s absolutní hodnotou

Předmět A3B31TES/Př. 13

ZÁKLADY AUTOMATICKÉHO ŘÍZENÍ

Drsná matematika III 6. přednáška Obyčejné diferenciální rovnice vyšších řádů, Eulerovo přibližné řešení a poznámky o odhadech chyb

GE - Vyšší kvalita výuky CZ.1.07/1.5.00/

(test version, not revised) 9. prosince 2009

Nelineární systémy. Fázové portréty Hezké příklady nelineárních systémů

Reference 10. Předpokládejme stavový popis spojitého, respektive diskrétního systému

Drsná matematika III 2. přednáška Funkce více proměnných: Aproximace vyšších rádů, Taylorova věta, inverzní zobrazení

i β i α ERP struktury s asynchronními motory

8.4. Shrnutí ke kapitolám 7 a 8

filtry FIR zpracování signálů FIR & IIR Tomáš Novák

Přijímací zkouška na navazující magisterské studium Studijní program Fyzika obor Učitelství fyziky matematiky pro střední školy

Příklady k přednášce 14 - Moderní frekvenční metody

z = a bi. z + v = (a + bi) + (c + di) = (a + c) + (b + d)i. z v = (a + bi) (c + di) = (a c) + (b d)i. z v = (a + bi) (c + di) = (ac bd) + (bc + ad)i.

Funkce jedn e re aln e promˇ enn e Derivace Pˇredn aˇska ˇr ıjna 2015

Matematika I, část I. Rovnici (1) nazýváme vektorovou rovnicí roviny ABC. Rovina ABC prochází bodem A a říkáme, že má zaměření u, v. X=A+r.u+s.

Předmět A3B31TES/Př. 7

Funkce komplexní proměnné a integrální transformace

Fourierova transformace

Příklady k přednášce 1. Úvod. Michael Šebek Automatické řízení 2019

Příklady k přednášce 13 - Návrh frekvenčními metodami

Drsná matematika III 2. přednáška Funkce více proměnných: Aproximace vyšších rádů, Taylorova věta, inverzní zobrazení

B. MECHANICKÉ KMITÁNÍ A VLNĚNÍ

AVDAT Nelineární regresní model

Teoretický úvod: [%] (1)

Úvodní informace. 17. února 2018

Laserová technika prosince Katedra fyzikální elektroniky.

Graf závislosti dráhy s na počtu kyvů n 2 pro h = 0,2 m. Graf závislosti dráhy s na počtu kyvů n 2 pro h = 0,3 m

f(x) = arccotg x 2 x lim f(x). Určete všechny asymptoty grafu x 2 2 =

1.8. Mechanické vlnění

Úvod do zpracování signálů

Úvod do analytické mechaniky

Funkce - pro třídu 1EB

Kapitola 4: Průběh funkce 1/11

Operační zesilovač, jeho vlastnosti a využití:

Mechanické kmitání Kinematika mechanického kmitání Vojtěch Beneš

Hlavní parametry mající zásadní vliv na přesnost řízení a kvalitu pohonu

PRAKTIKUM I. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Pracoval: Pavel Ševeček stud. skup.: F/F1X/11 dne:

Signál v čase a jeho spektrum

Digitální učební materiál

Přednáška 11, 12. prosince Část 5: derivace funkce

Modelov an ı syst em u a proces

Elementární křivky a plochy

y = 1/(x 3) - 1 x D(f) = R D(f) = R\{3} D(f) = R H(f) = ( ; 2 H(f) = R\{ 1} H(f) = R +

Transkript:

Příklady k přednášce 6 Nelineární systémy a řízení Michael Šebek Automatické řízení 14 18-5-15

DC motor s omezením - odezva na rampu, sinus a součet rampa+sinus nefunguje superpozice ne-věrnost frekvence hůř sleduje Příklad: Nelineární systém s lineární ZV reference vystup po saturaci před saturací

Příklad: Nelineární stabilizace integrátoru Porovnejte lineární stabilizaci integrátoru = u } = x u = x s nelineární stabilizací = u x ( ) ( sign x) x u sign x x = = typu spojitý deadbeat Vhodná Lyapunovova funkce je V( x) = x V ( x) = x sign x x < x ( ) IntegratorNonlinear.mdl x x u u 3

Příklad: Nelineární stabilizace integrátoru Jiná nelineární stabilizace je IntegratorNonlinear_JF.mdl u = u = = x 3 3 x x 4

Příklad: Únik v konečném čase rovnice = x s počátečním stavem má řešení x () = 1 xt () 1 = 1 t Pro srovnání: výstup lineárního systému roste nejvýše exponenciálně, a do nekonečna se dostane až v nekonečném čase 5

Příklad: Více izolovaných ekvilibrií Systém je v ekvilibriu, když jsou všechny stavové proměnné konstantní ekvilibrium je dáno konstantními vektory takovými, že e e = f( x, u ) = e e e z této rovnice ho vypočteme, nejčastěji pro LTI má většinou jediný ustálený stav v nule x, u (výjimečně podprostor ustálených stavů pro A singulární) Nelineární systém může mít více izolovaných ekvilibrií = sin( x) = sin( x ) e u e = x = kπ, k =, ± 1, e 6

Srovnání: Lineární a nelineární oscilátor Lineární oscilátor x+ x= může oscilovat (když má póly na imaginární ose), ale oscilace jsou nestabilní (póly jsou na mezi stability) a jejich amplituda závisí na počátečních podmínkách Nelineární oscilátor x+ x+ 3( x 1) = jen nelineární systém může mít stabilní oscilace s pevnou amplitudou a frekvencí nezávisle na poč. stavu, tzv. limitní cykly např. van der Polova rovnice (model stahů srdce, nerv. pulsů, stahů svalů v jícnu a střevech, další známé oscilátory: Raleigh: klarinet, housle, Voltera: populace 7

Příklad: Špatné vlastnosti lineárního oscilátor LTI může oscilovat (když má póly na imaginární ose), ale jejich amplituda závisí na počátečních podmínkách x+ x= >> sys=ss(1/(s^+1));initial(sys,[1,],), hold >>initial(sys,[,],),initial(sys,[.5,],) a oscilace jsou nestabilní (póly na mezi stability) Uvažme perturbovaný oscilátor x+ ε + (1 + ε ) x= 1 ε 4+ 4ε 1 ε1 λ1, = ± i ε < 4+ 4ε 1 >> eps1=;eps=1;sys=ss(1/(s^+eps1*s+1+eps)); >> initial(sys,[1,],3),hold >> eps1=.1;eps=1; // atd. 8

Co ještě může nastat u nelineárních systémů? řešení neexistuje: Např. rovnice, kde 1 x = sign( x), x() = sign( x) = 1 x < nemá žádné řešení (= žádná spojitě dif. fce ji nesplňuje), i když není zas tak nesmyslná: je to zjednodušený model termostatu řešení není jednoznačné: Např. rovnice = x x = 3 3, () 3 je řešitelná každou funkcí ( t a) t a x s libovolným a a = t < a bifurkace (kvalitativní rysy se mění se změnou parametrů) synchronizace (vázané oscilátory se synchronizují) složité dynamické chování (turbulence, chaos, ) 9

Příklad: Fázový portrét tlumeného kyvadla Pohybová rovnice v tečném směru ml ϕ = mg sinϕ kl ϕ x = ϕ, x = ϕ Pro stavové proměnné dostaneme nelineární stavový model 1 = x k g = x sin( x1) m l 1 demoph Fázový portrét je na obr. Vidíme např. stabilní a nestabilní ekvilibria 1

Příklad: Jiný portrét netlumeného kyvadla mgl 1 g 1 θ = sinθ + Mkot θ = sinθ + J J l ml M kot J = ml θ l r Fg = mg M kot 11

Příklad: vliv saturace v aktuátoru Řízení motoru otáčejícím anténou se saturací v aktuátoru = výkonovém zesilovači Zesilovač má zesílení 1, ale také saturaci ± 5 V úhlová rychlost antény v rad/s bez saturace se saturací Efekt saturace v zesilovači je podle očekávání: saturace pouze zmenší skokový signál na vstupu a tomu odpovídá výstup 1

Příklad: Vliv pásma necitlivosti pásmo necitlivosti dead zone na výstupní hřídeli vstupní signály v pásmu od - V do + V nemají efekt na výstup (neotočí hřídelí) úhlová výchylka antény v rad bez dead zone s dead zone dobře se projeví při sinusovém vstupním signálu hřídel reaguje teprve až vstupní signál překročí práh necitlivosti výsledkem je menší amplituda 13

Příklad: Vliv mrtvého chodu mrtvý chod - backlash vůle v ložiscích šířka pásma necitlivosti.15 úhlová výchylka antény v rad s backlash bez backlash dobře se projeví při sinusovém vstupním signálu po změně směru rotace motoru zůstane výstupní hřídel na chvilku v klidu dokud ložiska nezaberou opačně 14

Příklad: Hammersteinův model lidského svalu Lýtkové svaly: triceps surae = Gastrocnemius + Soleus Jejich reakci na elektrickou stimulaci popisuje Hammersteinův empirický model: statická nelinearita + lineární dynamika z experimentální impulsní charakteristiky odvodíme tvar nelinearity sval 1-1 a potom ji vyrušíme f f B r r m( z ) 1 Am ( z ) umělou inverzí a z výsledkem je lineární systém Např. řízení momentu pro stabilizaci postoje paraplegika mt () 15

Podivný příklad stability Může být ekvilibrium stabilní asymptoticky, ale ne Lyapunovsky? Uvažme systém s ekvilibriem (,) fázový portrét = x x = xx 1 1 1 pro x () = má řešení x1 () x1 () t = 1 tx1 () x() t = speciálně pro x1() = 1, x() = má řešení 1 x1 () t = 1 t x () t = modré trajektorie konvergují k a co zelená? také tato trajektorie asymptoticky konverguje k ekvilibriu, ale podivně: přes v čase t =1 x x 1 x () t 1 t 16

Kdy je lineární systém Lyapunovsky stabilní? = Zvláštním případem nelineárního systému je systém lineární: U lineárního systému je stabilita ekvilibria globální = stabilitě systému U lineárního systému asymptotická stabilita implikuje Lyapunovskou Kdy ještě je lineární systém Lyapunovsky stabilní? (není-li asymptoticky) Role vlastních čísel na mezi stability: Jednonásobná vlastní čísla na mezi neporuší Lyapunovskou stabilitu Ale co vícenásobná? Neporuší ji taková vícenásobné vl. č. na mezi, pro která platí, že násobnost vl. č. = počet jeho lineárně nezávislých vlastních vektorů Alternativně: násobnost vl. č. = počet jeho Jordanových bloků Paralelní spojení Kaskáda integrátorů 1 integrátorů je A = není A = Lyapunovsky stabilní Lyapunovsky stabilní Ax 17

Příklad: Stabilní a nestabilní ekvilibrium stabilní 3 Uvažme dva nelineární systémy: x= x a = x oba mají ekvilibrium v počátku a oba mají v jeho okolí x = nestabilní stejnou linearizaci x = tj. A =, která má pól v s = všechny pp. jdou k» syms x» sol=dsolve('dx=-x^3','x()=x') sol = [ -1/(*t+1/x^)^(1/)] [ 1/(*t+1/x^)^(1/)] odmocnina z hyperboly posunuté do 1 x znaménko podle znaménka počáteční podmínky jen kladné pp. jdou k» sol=dsolve('dx=-x^','x()=x') sol = 1/(t+1/x)» sol=dsolve('dx=-x^','x()=-1') sol = 1/(t-1) hyperbola posunutá do 1 x tj. pro x < druhá větev! Pozor: lim v nehraje roli 18

Jak zkoumat stabilitu - motivace Určeme stabilitu ekvilibria v počátku pro systém. řádu zkoumáním vzdálenosti jeho řešení od počátku d () t = x1() t + x() t sledujme její změnu jako funkce času podél tohoto řešení Nejprve 3 1 = x x1 3 pro systém je = x1 x d ( x1() t + x() t ) dt = x11 + x dosazením rovnic systému dostaneme 3 3 4 4 ( 1 ) 1( 1 ) ( 1 ) ( 1 + ) d x () t + x () t dt = x x x + x x x = x x t dokud nejsou x 1 a x současně, čtverec vzdálenosti klesá k a řešení blíží k nule ekvilibrium je lokálně asymptoticky stabilní Naopak 3 1 = x + x1 3 pro systém je = x1+ x 3 3 d( x1() t + x() t ) dt = x1( x + x1 ) + x( x1+ x 1 = x ) 4 4 = x1 = ( x1 + x) t tedy vzdálenost roste bez omezení ekvilibrium je nestabilní Mimochodem: Oba systémy mají stejnou linearizaci s vlastními čísly ± j stabilitu z ní nepoznáme. 19

Příklad: Lyapunova funkce Polohová ZV, Fe5 Ex 9.16, s. 695 1 Ts ZV od polohy + nelinearita nelinearita v aktuátoru (saturace apod.) statická nelinearita s grafem procházejícím 1. a 3. kvadrantem a s rovnicí u = f() e takovou, že e f () e de > a f() e = e= celkový systém je popsán rovnicemi e = x, = x T + f() e T, T > Zkusme Lyapunovovu funkci ve tvaru potenciální + kinetická energie T e V = x + f( σ) dσ Zřejmě je V = x = e= a Zbývá ověřit 3. podmínku r e u y 1 s V > x + e

vypočteme derivaci dle trajektorie zřejmě platí V takže počátek je Lyapunovsky stabilní ekvilibrium Dále je zřejmě V vždy klesající pro x a k tomu ještě žádná trajektorie kromě nemá počátek je dokonce globálně asymptoticky stabilní a celý systém je asymptoticky stabilní Příklad - pokračování Zopakujme, že nelinearita musí splňovat tyto podmínky: Simulace: 1 f() e V = Tx + f () e e = Tx x + + f () e x = x T T ( ) x = V( x ) = e f () e de > f() e = e= 1

Příklad: Lyapunova fce pro lineární systém Speciálně pro LTI = Ax Najdeme vždy Lyapunovovu funkci ve tvaru kvadratické formy T Uvažme V = x Px, P je reálná symetrická matice Derivace podle trajektorie T T T T T T T V = Px + x P = x A Px + x PAx = x A P + PA x ( ) Položíme T A P + PA = Q, což je tzv. Lyapunova maticová rovnice a dostaneme T V = x Qx Prakticky: Volíme positivně definitní Q, vypočteme P a určíme její definitnost Je-li P pozitivně definitní, pak je systém asymptoticky stabilní Není-li, pak je systém nestabilní

Příklad: příprava na kruhové kritérium někdy ZV nelineární systém překreslujme do struktury s nelinearitou ve zpětné vazbě rs () Fs () Gs () Fsrs ()() Fs () Gs () F() sgs () Fsrs ()() 3

Příklad: Kruhové kritérium Systém s přenosem 1 Ls () = ss ( + 1)( s+ ) má Nyquistův graf, který leží napravo od svislé přímky v -.8 tomu odpovídá kruh s k 1 = a k = 1/.8 = 1.5 systém je tedy stabilní s nelinearitou typu saturace či dead-zone kde směrnice lineární části < 1.5 jiné vhodné kruhy jsou mezi -.5 a -.5, tj. k 1 =.4 a k = mezi -.5 a -.3, tj. k 1 = a k = 3.3.8 4