Teoria sterowania Wykład /2016

Prezentacja na temat: "Teoria sterowania Wykład /2016"— Zapis prezentacji:

1 Teoria sterowania Wykład 4 - 2015/2016
Automatyka i Robotyka - studia stacjonarne II stopnia Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. Inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania Wykład /2016 Przygotowanie do teorii sterowania IV Stabilność systemu dynamicznego

2 Stabilność Stabilność to jedno z najważniejszych pojęć dynamiki systemów i teorii sterowania W większości przypadków, stabilność jest warunkiem koniecznym praktycznego zastosowania systemu Interesujemy się stabilnością systemu, bo chcemy:  ustabilizować system niestabilny  uczynić „bardziej” stabilnym system stabilny Istnieje kilka definicji stabilności – większość z nich odwołuje się do pojęcia punktu/stanu równowagi

3 Dla systemów opisanych równaniem stanu
System ciągły System dyskretny mówimy, że punkt/stan jest punktem/stanem równowagi, jeżeli jest stanem systemu dla pewnej chwili początkowej t0 lub k0 i pozostaje nim dla wszystkich chwil następnych przy zerowej wartości wejścia To oznacza, że spełnia równanie System ciągły System dyskretny Inaczej: system znajdujący się w stanie równowagi pozostanie w nim, jeżeli nie będzie na niego oddziaływać żadne wejście

4 Uwaga 1: Istnienie stanu równowagi dla systemu nie zapewnia jego stabilności
Stabilny stan równowagi Niestabilny stan równowagi Uwaga 2: Stan równowagi a stan stacjonarny System ciągły – stan równowagi System dyskretny – stan równowagi System ciągły – stan stacjonarny System dyskretny – stan stacjonarny

5 Dla systemu liniowego stan równowagi może być znaleziony przez rozwiązanie równania
System ciągły System dyskretny Wniosek: stan jest zawsze stanem równowagi systemu liniowego, ale mogą istnieć również inne stany równowagi Stan jest jedynym stanem równowagi systemu liniowego, jeżeli System ciągły System dyskretny Macierz jest nieosobliwa dla wszystkich wartości Macierz jest nieosobliwa dla wszystkich wartości Taki stan równowagi nazywamy odosobnionym/izolowanym (ang. isolated) stanem równowagi

6 Jeżeli, System ciągły System dyskretny Macierz ma co najmniej jedną wartość własną równą zero dla dowolnej wartości Macierz ma co najmniej jedną wartość własną równą jeden dla dowolnej wartości system dynamiczny liniowy ma nieskończenie wiele stanów równowagi W takim przypadku możemy napisać, że stan równowagi spełnia równanie System ciągły System dyskretny co pokazuje, że nieskończenie wiele wektorów własnych postaci jest stanami równowagi

7 Formalne definicje stabilności podamy dla systemów ciągłych, lecz są one poprawne również dla systemów dyskretnych (zamiana czasu ciągłego t na dyskretny k wówczas dla wszystkich Stabilność Stan jest stanem stabilnym równowagi dla chwili , jeżeli dla dowolnej istnieje wartość taka, że jeżeli Stan , który jest stabilny w powyższym sensie jest nazywany stabilnym w sensie Lapunowa’a Jeżeli dla stabilności w powyższym sensie wartość jest niezależna od wyboru chwili to stan to stan nazywamy jednorodnie stabilnym

8 Niestabilność Stan jest stanem niestabilnym równowagi dla chwili , jeżeli nie jest on stabilny

9 Ilustracja stabilności dla systemu rzędu drugiego

10 Ilustracja asymptotycznej stabilności dla systemu rzędu drugiego
taka, że jeżeli wówczas Stabilność asymptotyczna Stan jest stanem asymptotycznie stabilnym równowagi dla chwili , jeżeli jest stabilny (w sensie Lapunowa) i jeżeli istnieje wartość Jeżeli dla stabilności w powyższym sensie wartość jest niezależna od wyboru chwili to stan to stan nazywamy jednorodnie asymptotycznie stabilnym Ilustracja asymptotycznej stabilności dla systemu rzędu drugiego

11 Podane definicje stabilności dotyczą stabilności wewnętrznej – sformułowane dla zerowych wartości wejścia Stabilność zewnętrzna - definicje spełniające warunek dla wszystkich , wówczas system Stabilność BIBO Jeżeli jakiekolwiek wejście systemu spełniające warunek (tzn. wejście jest ograniczone) dla wszystkich wywołuje wyjście systemu jest stabilny w sensie ograniczone-wejście-ograniczone-wyjście (ang. bounded-input-bounded-output, BIBO)

12 Przełożenie (bez dowodów) podanych warunków stabilności dla systemu liniowego stacjonarnego ciągłego; ograniczymy się do stanu równowagi Stabilność wewnętrzna Stan systemu liniowego stacjonarnego jest stabilny w sensie Lapunow’a Stabilność (w sensie Lapunow’a) wtedy i tylko wtedy, gdy wartości własne macierzy systemu mają niedodatnie części rzeczywiste i jeżeli wartości własne leżące na osi urojonej (mające zerowe części rzeczywiste) są jednokrotne (nie powtarzają się) Stan systemu liniowego stacjonarnego jest globalnie asymptotycznie Stabilność asymptotyczna stabilny wtedy i tylko wtedy, gdy wartości własne macierzy systemu mają ujemne części rzeczywiste

13 Przykłady zastosowania metody wartości własnych do badania stabilności
Patrz: Dodatek A

14 Przełożenie (bez dowodów) podanych warunków stabilności dla systemu liniowego stacjonarnego dyskretnego; ograniczymy się do stanu równowagi Stabilność wewnętrzna Stan systemu liniowego stacjonarnego jest stabilny w sensie Lapunow’a Stabilność (w sensie Lapunow’a) wtedy i tylko wtedy, gdy wartości własne macierzy systemu nie leżą na zewnątrz okręgu jednostkowego i jeżeli wartości własne leżące na okręgu jednostkowym są jednokrotne Stan systemu liniowego stacjonarnego jest globalnie asymptotycznie Stabilność asymptotyczna stabilny wtedy i tylko wtedy, gdy wartości własne macierzy systemu leżą ściśle wewnątrz okręgu jednostkowego

15 Przykład spełniania kryteriów stabilności wewnętrznej i zewnętrznej
Stabilność zewnętrzna – kryteria Przełożenie (bez dowodów) podanych warunków stabilności BIBO na kryteria dla systemu liniowego stacjonarnego ciągłego i dyskretnego Stabilność BIBO – system ciągły System ciągły liniowy stacjonarny jest opisany równaniem stanu i równaniem wyjścia jest BIBO stabilny wtedy i tylko wtedy, gdy bieguny macierzy transmitancji leżą ściśle w lewej półpłaszczyźnie zespolonej Stabilność BIBO – system dyskretny System dyskretny liniowy stacjonarny jest opisany równaniem stanu i równaniem wyjścia jest BIBO stabilny wtedy i tylko wtedy, gdy bieguny macierzy transmitancji leżą ściśle wewnątrz okręgu jednostkowego Przykład spełniania kryteriów stabilności wewnętrznej i zewnętrznej Dodatek B

16 Policzmy macierz tranzycji
Ilustracja związków sterowalności i obserwowalności systemów ciągłych oraz ich stabilności Przykład 1. Rozważmy system SISO Policzmy macierz tranzycji Przyjmijmy zerowe warunki początkowe i skokowe wejście poza tym

17 Korzystając z macierzy tranzycji możemy policzyć odpowiedź stanu
dla zerowych warunków początkowych

18 oraz odpowiedź wyjścia
dla zerowych warunków początkowych

19 Odpowiedź wyjścia stabilizuje się

20 ale odpowiedź stanu wykazuje niestabilność
Złe zachowanie stanu zostało „ukryte” na wyjściu – nie jest widoczne na wyjściu

21 Zbadajmy obserwowalność systemu
Mamy n=2, p=1 oraz Zatem System jest nieobserwowalny

22 Zmieńmy warunki początkowe
Wyjście systemu Wyjście systemu dla tych warunków początkowych Takie samo jak dla zerowych w.p.

23 Twierdzenie Niech będzie dany system liniowy stacjonarny SISO i niech będą wejściami odcinkami ciągłymi oraz i są określone przez Następujące stwierdzenia są równoważne (i) są obserwowalne (ii)

24 Przykład 2. Rozważmy system SISO Zbadajmy obserwowalność systemu Mamy n=2, p=1 oraz

25 Zatem rank Mo = 2 – system jest obserwowalny Policzmy macierz tranzycji

26 Korzystając z macierzy tranzycji możemy policzyć odpowiedź stanu
dla zerowych warunków początkowych i skokowego wejścia oraz odpowiedź wyjścia dla zerowych warunków początkowych i skokowego wejścia

27 Zmieńmy warunki początkowe z zerowych na
Odpowiedź stanu dla nowych warunków początkowych i skokowego wejścia

28 Odpowiedź wyjścia systemu
dla nowych warunków początkowych

29 Odpowiedź wyjścia systemu
Odpowiedź stanu systemu

30 Równania stanu Zbadajmy sterowalność systemu n=2 System jest niesterowalny

31 Przykład 3. Rozważmy system SISO Zbadajmy obserwowalność systemu Mamy n=2, p=1 oraz

32 Zatem rank Mo = 2 – system jest obserwowalny Zbadajmy sterowalność systemu n=2, r=1 rank Mc = 2 – system jest sterowalny

33 Policzmy macierz tranzycji
Zadajmy wejście Odpowiedź stanu (zerowe w.p.) Odpowiedź wyjścia (zerowe w.p.)

34 Odpowiedź wyjścia (zerowe w.p.)
Odpowiedź stanu (zerowe w.p.) System jest nieminimalnofazowy

35 Dziękuję za uczestnictwo w wykładzie i uwagę

36 Przykłady zastosowania metody wartości własnych do badania stabilności
Dodatek A Przykłady zastosowania metody wartości własnych do badania stabilności

37 Przykład 1. Dany jest system dynamiczny z wartościami współczynników Zbadać stabilność wewnętrzną systemu

38 Wielomian charakterystyczny macierzy
Dla przykładu Wartości własne macierzy Wnioski:  System a ma wszystkie wartości własne w lewej półpłaszczyźnie zespolonej i jest zatem globalnie asymptotycznie stabilny  System b ma jedną wartość własna na osi urojonej i jest zatem stabilny w sensie Lapunow’a  System c ma podwójną wartość własną na osi urojonej i jest zatem niestabilny

39 Wyniki symulacji System a.  Macierz nieosobliwa, zatem stan równowagi Weźmy: warunek początkowy wejście

40 Wyniki symulacji System b.  Macierz osobliwa, stanów równowagi nieskończenie wiele Weźmy: warunek początkowy wejście Wektor własny związany z wartością własną ma postać gdzie, q dowolna liczba Dowolny wektor początkowy równy temu wektorowi własnemu będzie stanem równowagi Jeżeli wybierzemy inny warunek początkowy system osiągnie pewien stan równowagi zgodny z podanym warunkiem dla stanu równowagi

41 Wynik symulacji

42 Wyniki symulacji System c.  Macierz osobliwa, stanów równowagi nieskończenie wiele, brak stabilnych Weźmy: warunek początkowy wejście

43 Przykład spełniania kryteriów stabilności wewnętrznej i zewnętrznej
Dodatek B Przykład spełniania kryteriów stabilności wewnętrznej i zewnętrznej

44 Przykład 2. Stabilność wewnętrzna a zewnętrzna Dany jest system dynamiczny Zbadać stabilność wewnętrzną i zewnętrzną systemu Wyliczenie wartości własnych wielomianu charakterystycznego macierzy

45 Wartości własne Wniosek: system jest niestabilny wewnętrznie Model zewnętrzny

46 Wskutek skrócenia pary biegun-zero bieguny systemu
system jest zewnętrznie stabilny (BIBO – stabilny) Wyniki symulacji dla wejścia – skok jednostkowy i zerowych warunków początkowych Niestabilność stanów

47 Stabilność wyjścia

48 Koniec zestawu slajdów