Sterowanie – działanie całkujące

1. Sterowanie – działanie całkujące Zastosowanie macierzy kompensacji M pozwala zapewnić wzmocnienie w torze wartość zadana – wartość aktualna wyjścia równą jeden, inaczej mówiąc równość tych dwóch wielkości Wada: rozwiązanie takie nie gwarantuje zerowej wartości uchybu ustalonego, np. w sytuacjach, kiedy model systemu nie jest dokładnie znany Alternatywa: dodanie jednego lub kilku integratorów (elementów całkujących) w pętli sterowania

2. Rozwiązanie Przypadek ciągły: Dla zlikwidowania uchybu ustalonego, - wprowadzamy integratory w liczbie na wyjściu komparatora (elementu porównującego) wartości zadanej (referencyjnej) i aktualnej wielkości wyjściowej systemu – po jednym dla każdej składowej wektora wielkości referencyjnej - poprzez macierz zamykamy sprzężenie zwrotne (ujemne) - sprzężenie od wektora stanu realizowane jest jak poprzednio za pomocą macierzy oznaczonej

3. Pojawiają się nowe zmienne stanu będące skutkiem wprowadzenia integratorów Niech system jest dany jako Nowe zmienne stanu Łącząc zmienne stanu otrzymujemy system rozszerzony Równania stanu systemu rozszerzonego

4. Pełny opis systemu rozszerzonego (otwartego) Macierz wzmocnień dla działania regulacyjnego wprowadzamy jak poprzednio

5. Równania stanu systemu po zamknięciu sprzężenia Pełny opis systemu po zamknięciu sprzężenia

6. Projektowanie sterowania ze sprzężeniem od stanu Opis systemu rozszerzonego może być dany gdzie

7. Problem polega teraz na określeniu rozszerzonej macierzy wzmocnień sprzężenia zwrotnego od stanu tak, aby system zamknięty realizujący prawo sterowania i mający macierz systemu posiadał wymagane własności dynamiczne

8. Rozwiązanie problemu – jedna z przedstawionych uprzednio metod Warunek: system określony parą macierzy jest sterowalny Warunek ten jest równoważny trzem następującym 1. 2. Para jest sterowalna 3. , to znaczy liczba wejść sterujących musi być co najmniej równa liczbie wyjść sterowanych

9. Likwidacja uchybu ustalonego w odniesieniu do wartości zadanej w stanie równowagi W stanie ustalonym rozszerzonego systemu Drugie równanie oznacza zatem

10. Eliminacja stałych zakłóceń w stanie równowagi Dodanie integratorów w pętli sterowania powinno również powodować likwidację uchybu ustalonego wynikającego z istnienia stałych zakłóceń pomiarowych lub występowania stałych zakłóceń obciążenia, ponieważ integratory są ulokowane pomiędzy wyjściem komparatora (uchyb sterowania) a punktami przyłożenia tych zakłóceń Zaburzenie obciążenia Zaburzenie pomiaru

11. Uzupełniony w ten sposób system rozszerzony spełnia równania stanu i wyjścia postaci Równanie stanu systemu zamkniętego przyjmie postać

12. W stanie równowagi jak poprzednio czyli dwa warunki Stałe zakłócenia są eliminowane w stanie równowagi

13. Przykład 1. Kontynuacja Przykładu 2 z poprzedniego wykładu System trzeciego rzędu Zatem system rozszerzony

14. Otrzymamy System rozszerzony jest sterowalny – sprawdzić! Jak poprzednio, będziemy wymagali wartości własnych

15. Wykorzystamy wzór Ackermann’a do obliczenia macierzy wzmocnień – dla obliczeń numerycznych można skorzystać z funkcji acker przybornika Control System środowiska MATLAB Otrzymamy Wyniki symulacji: Wartość zadana - sygnał skokowy Zakłócenia: brak

16. Wyniki symulacji: t [s]

17. Wyniki symulacji: t [s]

18. Przykład 2. Dany jest system opisany macierzami Opis – postać kanoniczna sterowalności Wielomian charakterystyczny systemu otwartego Wartości własne wielomianu charakterystycznego systemu otwartego Stabilny asymptotyczne, słabo tłumiony system rzędu trzeciego

19. Wyniki symulacji System otwarty: Odpowiedź wyjścia na skok jednostkowy System zamknięty: y [m] Chcemy poprawić jakość charakterystyki dynamicznej systemu Otwarty Zamknięty Czas [s]

20. System zamknięty Chcemy:  Dominujące wartości własne (człon drugiego rzędu oscylacyjny) - Przeregulowanie procentowe: 6% - Czas ustalania się 2%: 3 [s] W oparciu o Pomocnik możemy dla tak sformułowanych warunków obliczyć Postulowane wartości własne odpowiadające tym parametrom  Trzecia wartość własna (człon pierwszego rzędu) - ujemna, dziesięć razy większa od części rzeczywistej dominujących wartości własnych

21. Wielomian charakterystyczny systemu zamkniętego Macierz wzmocnień sprzężenia zwrotnego od stanu Prawo sterowania – działanie regulacyjne i śledzące (M = 0)

22. Macierz stanu Macierze systemu zamkniętego Macierz sterowania Macierz wyj scia

23. Wyniki symulacji System zamkniety: Odpowiedź wyjścia na skok jednostkowy System zamknięty: y [m] - Przeregulowanie procentowe: 5.9% Otwarty Zamknięty - Czas ustalenia 2%: 3.09 [s] Ale: Odpowiedź na skok jednostkowy nie osiąga wartości 1.0 Dla systemu zamkniętego oznacza to stan ustalony nie osiąga poziomu zadanego (referencyjnego) Czas [s]

24. Sprawdzenie uzyskanego wyniku z wykorzystaniem wzoru Ackermann’a Dla systemu danego w postaci kanonicznej sterowalności, macierz sterowalności dana jest (patrz: Dodatek 1 do Zadań Lab T1 Zatem:

25. Dla pożądanego wielomianu charakterystycznego systemu zamkniętego policzymy Macierz wzmocnień Wynik jak poprzednio

26. Zmodyfikujemy prawo sterowania wprowadzając macierz kompensacji wzmocnienia statycznego M Transmitancja systemu otwartego System w postaci kanonicznej sterowalności

27. Odpowiadająca mu transmitancja systemu otwartego Zatem dla przykładu transmitancja ta wynosi

28. Wzmocnienie statyczne System zamknięty opisany macierzami Odpowiadająca mu transmitancja

29. Wzmocnienie statyczne systemu zamkniętego Wzmocnienie kompensacji wzmocnienia statycznego Wzmocnienie statyczne systemu zamkniętego będzie równe wzmocnieniu systemu otwartego jeżeli wzmocnienie kompensacji wyniesie Dla takiego wzmocnienia kompensacji prowadzimy symulację

30. Wyniki symulacji y [m] Otwarty Zamknięty Czas [s]

31. Zastosujemy teraz rozwiązanie z działaniem całkującym Warunki stosowalności 1. Sprawdzimy warunek 1 2. Para jest sterowalna 3. , to znaczy liczba wejść sterujących jest co najmniej równa liczbie wyjść sterowanych

32. Wprowadzamy jeden integrator Macierze systemu rozszerzonego Wybierzemy wartości pożądane wartości własne w oparciu o kryterium ITAE (Integral of Time multipying the Absolute value of Error)

33. Tablica wielomianów charakterystycznych ITAE Rząd systemu Wielomian charakterystyczny Pierwszy Drugi Trzeci Czwarty Piąty Szósty - pożądana wartość pulsacji drgań nietłumionych; im większa, tym szybsza odpowiedź

34. Wybieramy Pożądany wielomian charakterystyczny systemu zamkniętego Wartości własne tego wielomianu System rozszerzony o integrator nie jest już postaci kanonicznej sterowalności

35. Korzystając np. z wzoru Ackermann’a policzymy macierz wzmocnień sprzężenia zwrotnego od stanu Prawo sterowania Pełny opis systemu po zamknięciu sprzężenia

36. Pełny opis systemu po zamknięciu sprzężenia

37. Pokażemy krzepkość rozwiązania sterowania z działaniem całkującym Niech zaburzona macierz stanu

38. Wielomian charakterystyczny systemu otwartego Wartości własne wielomianu charakterystycznego systemu otwartego Stabilny (krytycznie), system rzędu trzeciego Stosując prawo sterowania znalezione dla modelu nominalnego

39. Pełny opis systemu po zamknięciu sprzężenia

40. Wartości własne wielomianu charakterystycznego systemu zamknietego Stabilny asymptotycznie, system rzędu czwartego

41. Wyniki symulacji (odpowiedzi wyjścia na skok jednostkowy wielkości referencyjnej) y [m] Nominalny Zaburzony Czas [s]

42. Rozwiązanie Przypadek dyskretny: Opóźnienie Opóźnienie

43. Wyście integratora (dyskretnego) gdzie, zmienne reprezentują dodatkowych zmiennych stanu Równania systemu rozszerzonego Pełny opis systemu rozszerzonego (otwartego)

44. Sterowanie przez sprzężenie zwrotne od stanu Prawo sterowania System z zamkniętą pętlą sterowania Uchyb sterowania w stanie równowagi Stan równowagi

45. Przykład 1. Weźmy system z Przykładu 2 z poprzedniego wykładu System trzeciego rzędu Zdyskretyzujemy system stosując metodę gdzie,

46. Wykorzystując np. funkcję c2d MATLAB’a znajdziemy, przyjmując System dyskretny System trzeciego rzędu, jednowymiarowy

47. Przyjmiemy takie same pożądane położenie wartości własnych systemu zamknietego Stąd pożądane położenie wartości własnych systemu zamkniętego dyskretnego Pożądany wielomian charakterystyczny systemu zamkniętego Wielomian charakterystyczny macierzy stanu (zastosujemy wzór Ackermann’a)

48. Sprawdzamy sterowalność systemu otwartego (możemy skorzystać z funkcji ctrb MATLAB’a) Wyznacznik macierzy sterowalności Złe uwarunkowanie numeryczne! Zastosujemy (jednak) wzór Ackermann’a do obliczenia macierzy wzmocnień sprzężenia zwrotnego od stanu (możemy wykorzystać np. funkcję acker MATLAB’a)

49. Sprawdzimy wartości własne systemu zamkniętego (sprawdzenie wpływu uwarunkowania numerycznego na wynik obliczenia macierzy wzmocnień) Uzyskany wynik wskazuje, że odwracanie macierzy (wzór Ackermann’a) odbyło się beż numerycznych problemów z powodu złego uwarunkowania Problemy mogą jednak pojawić się, jeżeli wyznacznik będzie zbyt mały Np. dla Powtarzając powyższą procedurę dostaniemy macierz sterowalności o wyznaczniku

50. Macierz wzmocnień dla tego przypadku Wzmocnienia do kilku tysięcy razy większe niż poprzednio! Problemy … Symulacja Zerowe warunki początkowe