Sterowalność systemu
Download
Report
Transcript Sterowalność systemu
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Sterowalność i obserwowalność
Obok stabilności – dwa podstawowe pojęcia teorii i inżynierii sterowania
Przykład 1
Mamy system
Liniowy, stacjonarny, 1 – wejście, 1 - wyjście
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
1
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Transmitancja
Zera i bieguny transmitancji
Transmitancja po redukcji
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
2
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Schemat blokowy modelu przestrzeni
stanu
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
3
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Transformacja do postaci diagonalnej
vt Pxt
Schemat blokowy modelu
w nowej przestrzeni stanu
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
4
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Cztery różne statusy zmiennych stanu:
- v1
można na niego wpływać sterowaniem u i można go obserwować z
wyjścia y
- v2 nie można na niego wpływać sterowaniem u, ale można go obserwować z
wyjścia y
- v3 można na niego wpływać sterowaniem u, ale nie można go obserwować z
wyjścia y
- v4
nie można na niego wpływać sterowaniem u, ani nie można go
obserwować z wyjścia y
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
5
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Można wyróżnić cztery podsystemy:
- związany ze zmienną stanu v1 sterowalny i obserwowalny
- związany ze zmienną stanu v2 niesterowalny, ale obserwowalny
- związany ze zmienną stanu v3 sterowalny, ale nieobserwowalny
- związany ze zmienną stanu v4 niesterowalny i nieobserwowalny
Stany niesterowalne i nieobserwowalne mogą być alb stabilne, albo niestabilne
System, którego wszystkie stany niesterowalne są stabilne jest nazywany
stabilizowalnym
System, którego wszystkie stany nieobserwowalne są stabilne jest nazywany
wykrywalnym
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
6
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Sterowalność i osiągalność
Sterowalność/osiągalność określa możliwości wpływania na stan (lub
wyjście) systemu odpowiednim ukształtowaniem wejścia
Ogólnie wyróżnia się dwa określenia sterowalności:
1. Sterowalność do początku (controllability-to-the-origin), nazywana
krócej sterowalnością (controllability)
2. Sterowalność od początku (controllability-from-the-origin), nazywana
krócej osiągalnością (reachability)
Ograniczymy się do zapoznania się z podstawowymi wynikami znanymi dla
systemów liniowych, a w szczególności stacjonarnych
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
7
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Dla systemów liniowych stacjonarnych mówimy:
Stan x0 nazywamy sterowalnym, jeżeli istnieje wejście, które przeprowadza
stan systemu x(t) z stanu x0 do stanu zerowego w pewnym skończonym
czasie T
Stan zerowy osiągany ze stanu x0
przy zastosowaniu różnych wejść
u1(t) i u2(t),
w różnych
skończonych czasach T1 i T2 oraz
po różnych trajektoriach
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
8
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Dla systemów liniowych stacjonarnych mówimy:
Stan x1 nazywamy osiągalnym, jeżeli istnieje wejście, które przeprowadza
stan systemu x(t) z stanu zerowego do stanu x1 w pewnym skończonym
czasie T
Stan x1 osiągany ze stanu
zerowego
przy
zastosowaniu
różnych wejść u1(t) i u2(t),
w
różnych skończonych czasach T1 i
T2 oraz po różnych trajektoriach
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
9
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Systemy ciągłe
Sterowalność stanu
Stan sterowalny
Stan
xt0 0 systemu liniowego
x t Axt But
jest sterowalny, jeżeli można system przeprowadzić z tego stanu do stanu
xt f 0
za pomocą odpowiedniego sterowania w skończonym czasie t f t0 , t t0 ,t f
Jeżeli każdy stan jest sterowalny, mówimy, że system jest całkowicie
sterowalny lub krócej sterowalny
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
10
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Sterowalność systemu
System sterowalny
System liniowy
x t Axt But
t0 ,t f , jeżeli istnieje
jest sterowalny w skończonym przedziale czasu
wejście ut , które przeprowadzi system z dowolnego stanu xt0 x0
do stanu zerowego x t f 0
Jeżeli istnieje chociaż jeden stan systemu, który jest niesterowalny,
wówczas system jest niesterowalny
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
11
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Sterowalność systemu ciągłego liniowego stacjonarnego
System liniowy stacjonarny (twierdzenie SSC LS1)
x t Axt But
jest sterowalny wtedy i tylko wtedy, gdy macierz sterowalności, nazywana
macierzą sterowalności Kalmana
Mc B AB A2B An1B nn p
ma rząd n, tzn. rząd systemu
Wymiar macierzy sterowalności: nxnp; n – wymiar stanu, p – wymiar wejścia
Dla p=1 macierz sterowalności jest macierzą kwadratową i dla sprawdzenia
sterowalności wystarczy sprawdzić nieosobliwość macierzy sterowalności
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
12
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Przykład 2:
Dany jest system dynamiczny
Zbadać sterowalność systemu
Konstruujemy macierz sterowalności
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
13
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Stąd
Mc
Dla sprawdzenia sterowalności policzymy wyznacznik
det M c det B
AB
A2 B
1
3
0
det 1 3 7
3 7 15
0 21 21 27 0 15 42 42 0
zatem
rankMc 3
System jest niesterowalny (względem stanów)
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
14
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Lewa górna podmacierz macierzy sterowalności
ma wyznacznik różny od zera, zatem
rankMc 2
Przykład 3.
Dany jest system dynamiczny
Zbadać sterowalność systemu
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
15
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Transmitancja systemu
Konstruujemy macierz sterowalności
stąd
Mc
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
16
Systemy dynamiczne 2014/2015
Macierz sterowalności
transmitancji systemu
Sterowalność - osiągalność
jest
niezależna
od
współczynników
licznika
Wyznacznik macierzy sterowalności
0
0
M c 0
1
1 a2
a2
a22 a1
1
det M c 1
Wyznacznik macierzy sterowalności nie zależy od współczynników wielomianu
charakterystycznego a0, a1 oraz a2, zatem system o takiej strukturze jest
zawsze sterowalny względem stanu
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
17
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Przykład 4 – powrót do przykładu 1
Konstruujemy macierz sterowalności
Mc
rank Mc 2 4
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Dwa stany sterowalne, dwa niesterowalne
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
18
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Przykład 5
Dany jest system dynamiczny
Zbadać sterowalność systemu
Macierz sterowalności
System sterowalny
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
19
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Przykład 6
Dany jest system dynamiczny
Zbadać sterowalność systemu
Macierz sterowalności
System sterowalny
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
20
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Inne testy sterowalności systemów ciągłych
Dodatek A
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
21
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Sterowalność a przekształcenia podobieństwa
x t Axt But
vt At vt Bt ut
vt Pxt P 1vt P 1Pxt xt P 1vt
x t P 1vt
x t Ax t But P 1v t AP 1v t But
PP 1v t PAP 1v t PBut
v t PAP 1v t PBut
Sterowalność zostaje zachowana podczas transformacji podobieństwa
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
22
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Osiągalność stanu
Stan osiągalny
Stan
xt f 0 systemu liniowego
x t Axt But
jest osiągalny, jeżeli można system przeprowadzić do tego stanu ze stanu
xt0 0
za pomocą odpowiedniego sterowania w skończonym czasie t f t0 , t t0 ,t f
Jeżeli każdy stan jest osiągalny, mówimy, że system jest całkowicie osiągalny
lub krócej osiągalny
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
23
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Osiągalność systemu
System osiągalny
System liniowy
x t Axt But
t0 ,t f , jeżeli istnieje
Jest osiągalny w skończonym przedziale czasu
wejście ut , które przeprowadzi system do dowolnego stanu xt f x f
ze stanu zerowego xt0 0
Jeżeli istnieje chociaż jeden stan systemu, który nie jest osiągalny, wówczas
system jest niesterowalny
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
24
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Dla systemów ciągłych sterowalność i osiągalność
są równoważne
Osiągalność systemu ciągłego liniowego stacjonarnego
System liniowy stacjonarny (twierdzenie OSC LS1)
x t Axt But
jest osiągalny wtedy i tylko wtedy, gdy macierz osiągalności, nazywana
macierzą osiągalności Kalmana
Mc B AB A2 B An1B nn p
ma rząd n, tzn. rząd systemu
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
25
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Możemy tą równoważność wypowiedzieć też w następujący sposób:
Jeżeli system ciągły posiada cechę sterowalności stwierdzoną w
oparciu o podane wyżej twierdzenie, to oznacza to, że będziemy mogli
znaleźć trajektorię wejścia, która będzie przemieszczać system z
dowolnego stanu początkowego do dowolnego stanu końcowego
System ciągły sterowalny
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
system ciągły osiągalny
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
26
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Systemy dyskretne
Przykład 7.
Rozważmy system dyskretny
Równania dla poszczególnych stanów maja postać:
W świetle podanej definicji system jest sterowalny, bo:
Weźmy dowolny stan
Wybierając sterowanie
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
27
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Przeprowadzimy system do stanu
dla
Zatem system jest sterowalny, w świetle podanej definicji
jest równy zero dla wszystkich
niezależnie
Drugi stan
od przyłożonego wejścia i nie można go przeprowadzić gdziekolwiek
indziej
System nie posiada zatem cechy osiągalności
Wniosek z przykładu:
Można wskazać systemy dyskretne posiadające cechę sterowalności, ale nie
posiadające cechy osiągalności
Uzasadnione jest zatem w odniesieniu
stwierdzać posiadanie cechy osiągalności
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
do
systemów
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
dyskretnych
28
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
W ogólności zatem
System dyskretny sterowalny
system dyskretny osiągalny
Implikacja ta zachodzi jednak tylko dla przypadków, gdy AD jest osobliwa, w
przeciwnym przypadku podobnie jak dla systemów ciągłych
System dyskretny sterowalny
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
system dyskretny osiągalny
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
29
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Osiągalność stanu
Stan osiągalny
Stan x k f 0 systemu liniowego
xk 1 AD k xk BD k uk
jest osiągalny, jeżeli można system przeprowadzić do tego stanu ze stanu
xk0 0
za pomocą odpowiedniego sterowania w skończonym czasie k f k0 , k k0 , k f
Jeżeli każdy stan jest osiągalny, mówimy, że system jest całkowicie osiągalny
lub krócej osiągalny
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
30
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Osiągalność systemu dyskretnego liniowego stacjonarnego
Twierdzenie OSD LS1
System liniowy stacjonarny
xk 1 AD xk BD uk
jest osiągalny wtedy i tylko wtedy, gdy macierz osiągalności, nazywana
macierzą osiągalności Kalmana
McD BD
AD BD
2
n1
AD BD AD BD nn p
ma rząd n, tzn. rząd systemu
Wymiar macierzy osiągalności: nxnp; n – wymiar stanu, p – wymiar wejścia
Dla p=1 macierz osiągalności jest macierzą kwadratową i dla sprawdzenia
osiągalności wystarczy sprawdzić nieosobliwość macierzy osiągalności
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
31
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Dla systemów dyskretnych sterowalność i
osiągalność nie są równoważne
Sterowalność systemu dyskretnego liniowego stacjonarnego
Twierdzenie SSD LS1
System liniowy stacjonarny
xk 1 AD xk BD uk
jest sterowalny wtedy, gdy macierz sterowalności, nazywana macierzą
sterowalności Kalmana
McD BD
AD BD
2
n1
AD BD AD BD nn p
ma rząd n, tzn. rząd systemu
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
32
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Inne testy sterowalności systemów dyskretnych
Dodatek B
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
33
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Sterowalność wyjścia
Twierdzenie SW LS1
Wyjście liniowego systemu stacjonarnego ciągłego jest sterowalne wtedy i
tylko wtedy, gdy rząd macierz o wymiarze qxnp
jest równy q (q – wymiar przestrzeni wyjścia)
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
34
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Dziękuję za uczestnictwo w wykładzie i uwagę
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
35
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Dodatek A
Inne testy sterowalności systemów ciągłych
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
36
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Zwykle i-ty wektor własny odpowiadający i-tej wartości własnej macierzy A
jest definiowany
Ze względu na porządek mnożenia, tak określony wektor własny vi jest
nazywany prawostronnym wektorem własnym
Podobnie można zdefiniować lewostronny wektor własny wi
Dokonując transpozycji
Widać: lewostronne wektory własne A są prawostronnymi wektorami własnymi
AT
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
37
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Twierdzenie SSC LS2
System liniowy stacjonarny
x t Axt But
jest sterowalny wtedy i tylko wtedy, gdy nie istnieje żadem lewostronny
wektor własny macierz A, taki że
wiT B 0
co oznacza, że żaden wektor własny macierz A nie jest ortogonalny do
wszystkich kolumn macierz B
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
38
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Twierdzenie SSC LS3
System liniowy stacjonarny
x t Axt But
jest sterowalny wtedy i tylko wtedy, gdy macierz o wymiarze nx(n+p)
ma rząd n dla dowolnego zespolonego skalara s
Test sterowalności w oparciu o twierdzenia 2 i 3 nosi nazwę testu Popov’a –
Belevitch’a-Hautus’a
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
39
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Przykład 7 – powrót do przykładu 1
Test sterowalności Popov’a – Belevitch’a-Hautus’a
Lewostronne wektory własne
dla
dla
dla
dla
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
40
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Patrząc na
nietrudno spostrzec, że
System jest niesterowalny
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
41
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Twierdzenie SSC LS4
Diagonalny system liniowy stacjonarny z jednokrotnymi wartościami
własnymi jest sterowalny wtedy i tylko wtedy, gdy macierz B nie ma wierszy
zerowych
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
42
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Przykład 6.
Układ elektryczny; wejście – napięcie u, wyjście - prąd y
Budowa modelu
Równania bilansowe
Zależność wiążąca
Różniczkując zależność wiążącą
bilansowego
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
i podstawiając do drugiego równania
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
43
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Wybierając zmienne stanu
Równania stanu
Równanie wyjścia
System z natury ma diagonalną strukturę – możemy zastosować
Twierdzenie 4 jeżeli wartości własne są jednokrotne
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
44
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Wartości własne
Ponieważ obydwa wiersze macierzy B są zawsze niezerowe – system jest
sterowalny, jeżeli tylko wartości własne są jednokrotne
Macierz testu Kalmana
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
45
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Wyznacznik macierzy Kalmana
1 1
R1
det M c
R2 LC R2C L
Jeżeli wartości parametrów elementów układu
Równania stanu
Równanie wyjścia
Wartość własna dwukrotna
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
46
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Wyznacznik macierzy Kalmana
M c B
100
1
AB
0
100 10000
Schemat blokowy układu
Równania stanu są niezależne
Odpowiedzi stanu
gdzie,
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
, x10 i x20 – warunki początkowe
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
47
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Do stanu końcowego
Można doprowadzić system tylko ze stanów początkowych
a nie ze wszystkich
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
48
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Dodatek B
Inne testy sterowalności systemów dyskretnych
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
49
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Twierdzenie OSD LS2
System liniowy stacjonarny
xk 1 AD xk BD uk
jest osiągalny wtedy i tylko wtedy, gdy nie istnieje żadem lewostronny wektor
własny macierz AD , taki że
wiT BD 0
co oznacza, że żaden wektor własny macierz AD nie jest ortogonalny do
wszystkich kolumn macierz BD
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
50
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Twierdzenie OSD LS3
System liniowy stacjonarny
xk 1 AD xk BD uk
jest osiągalny wtedy i tylko wtedy, gdy macierz o wymiarze nx(n+m)
Rr zI AD
BD
ma rząd n dla dowolnego zespolonego skalara z
Test sterowalności w oparciu o twierdzenia 2 i 3 nosi nazwę testu Popov’a –
Belevitch’a-Hautus’a
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
51
Systemy dynamiczne 2014/2015
Sterowalność - osiągalność
Twierdzenie OSD LS4
Diagonalny system liniowy stacjonarny z jednokrotnymi wartościami
własnymi jest osiągalny wtedy i tylko wtedy, gdy macierz BD nie ma wierszy
zerowych
Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż.
Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
52