Transcript 3.osa
Automaatjuhtimissüsteemid ISS0021 2-2-0 E 6 EAP Modaaljuhtimine olekuruumis Ennu Rüstern [email protected], TTÜ U02-316, tel. 6202104 TTÜ automaatikainstituut Automaatjuhtimise ja süsteemianalüüsi õppetool Modaaljuhtimine olekuruumis Teooria (SISO süsteemide näitel): Olekuregulaatori arvutus (eeldus – juhitav süsteem on täielikult juhitav) Olekutaastaja arvutus (eeldus – jälgitav süsteem on täielikult jälgitav) Staatilise vea probleem juhtimissüsteemides (ehk nn integraatorite probleem juhtimissüsteemides) Olekuregulaatori arvutus x Ax Bu u = -Kx ● Juhitav süsteem: ● Olekuregulaator: A – nxn B – nx1 K –1xn Tagasisidestatud süsteemi võrrand: x ( A BK ) x Viimase lahend x(t ) e( ABK )t x(0). Tagasisidestatud süsteemi (soovitud) omaväärtused A BK : 1 , 2 ,, n Eeldame, et juhitav süsteem on täielikult juhitav s.t. juhitavusmaatriksi Q B C AB A B n1 astak rank QC n. Defineerime lineaarteisenduse T=QC∙W, kus an1 a n2 W a 1 1 1 0 0 0 an2 a1 an 3 1 1 0 0 0 Maatriksi W elementideks on maatriksi A karaktelistliku polünoomi kordajad det sI A s n a1s n1 an1s an Defineerime uue olekuvektori xˆ järgmiselt x Txˆ Juhitav süsteem teisendatud olekuruumis 1 1 xˆ T AT x T Bu , ˆ Aˆ Bˆ kus 0 0 Aˆ 0 an 1 0 0 1 0 0 an 1 an 2 0 0 0 0 , Bˆ 0 1 a1 1 nn. olekumudeli juhitav kanooniline kuju! Tagasisidestatud süsteemi etteantud (soovitud) karakteristlik polünoom (s 1 )(s 2 )(s n ) s n 1s n1 n1s n Olekuregulaator teisendatud olekuruumis u KT xˆ, Kˆ n n1 1 Kˆ ja tagasisidestatud süsteemi võrrand xˆ ( Aˆ Bˆ Kˆ ) xˆ (*) NB! Süsteemi karakteristlik polünoom on invariantne regulaarse lineaarteisenduse suhtes. detsI A BK detsI Aˆ Bˆ Kˆ 0 0 det sI 0 an s 0 det an n 0 0 . n n1 1 0 0 a1 1 0 1 1 0 0 an1 1 s an1 n1 0 0 1 s a1 1 s n (a1 1 )s n1 (an1 n1 )s (an n ) (**) (*) ≡ (**) a1 1 1 1 1 a1 a a 2 2 2 2 2 2 an n n n n an Kˆ KT K Kˆ T 1 n n1 1 T 1 n an n1 an1 2 a2 1 a1 T 1 st tagasisidemaatriksi K valikuga on tagatav suvaline suletud süsteemi omaväärtuste paigutus (eeldusel, et süsteem on täielikult juhitav!) Olekuregulaatori arvutusskeem Juhitav süsteem: x Ax Bu u = -Kx Olekuregulaator: Tagasisidestatud süsteemi omaväärtused: 1 , 2 ,, n 1.samm - juhitavuse kontroll Kui rank QC= n, siis 2.samm Kui rank QC< n, siis süsteem mittejuhitav 2.samm - leiame maatriksi A karakteristliku polünoomi detsI A s n a1s n1 an1s an a1 , a2 ,, an . 3.samm - leiame teisendusmaatriksi T T=QC∙W 4.samm - arvutame tagasisidestatud süsteemi (soovitud) karakteristliku polünoomi ( s 1 )(s 2 )( s n ) s n 1s n1 n1s n 1 , 2 , , n 5.samm - leiame regulaatori maatriksi K K n an n1 an1 2 a2 1 a1 T 1 Kommentaarid: 1) Arvutusskeem on kasutatav ka diskreetaja juhtimissüsteemide disainil 2) Madalat järku süsteemide korral (n=2,3) on mugav arvutada tagasisidemaatriksi K maatriksi elemendid otse polünoomvõrrandist detsI A BK ( s 1 )(s 2 )(s n ). ↓ Olekutaastaja arvutus ● Jälgitav süsteem: ● Olekutaastaja: xˆ x Ax Bu y Cx A – nxn B – nx1 K –1xn xˆ Axˆ Bu L( y Cxˆ ) on oleku x hinnang! x xˆ Ax Axˆ L(Cx Cxˆ ) ~ x ( A LC )( x xˆ ) ~ x viga x ( A LC ) ~ x, ~ ~ ( A LC ) t ~ x ( t ) e x (0) → veavõrrand Süsteemi jälgitavusmaatriks Q0 C T AT C T ( AT )n1 C T Süsteem on täielikult jälgitav, kui Q0 astak rank Q0=n. Jälgitava süsteemi karakteristlik polünoom: detsI A s n a1s n1 an1s an Defineerime lineaarteisenduse T kujul T (W Q0T )1 , kus an1 a n2 W a 1 1 an2 a1 1 an 3 1 0 1 0 0 0 0 0 elemendid on jälgitava süsteemi karakteristliku polünoomi kordajad! Defineerime uue olekuvektori kujul x T Jälgitav süsteem teisendatud olekuruumis 1 1 AT T Bu T ~ ~ B A , y CT ~ C kus 0 1 ~ A 0 0 0 0 an 0 0 an1 1 0 an 2 , 0 1 a1 ~ C 0 0 1 bn anb0 ~ bn1 an1b0 B , b ab 1 1 0 nn. jälgitav kanooniline kuju Veavõrrand uues olekuruumis: ~ ~ x T ~ ~ T ( A LC )T ~ ~ 1 T ( A LC )T NB! A-LC karakteristlik polünoom on invariantne teisenduse T suhtes. Tähistame l1 n l L 2 ja T 1 L n1 l 1 n Kuna CT 0 0 0 1, siis n 0 0 T 1 LCT n1 0 0 1 0 1 0 0 n 0 0 n1 0 1 ja 0 1 1 T ( A LC )T 0 0 0 0 an n 0 0 an1 n1 1 0 an 2 n 2 0 1 a1 1 Karakteristlik polünoom det(sI T 1 ( A LC )T ) 0 s 1 s 0 1 0 0 an n 0 an1 n1 s an 2 n 2 0 s a1 1 0 s n (a1 1 )s n1 (a2 2 )s n2 (an n ) Etteantud karakteristlik polünoom s n 1s n1 2 s n2 n 1 1 a1 2 2 a2 n an a T 1 L n1 n1 a n n an 1 1 n an l1 a l L T n1 n2 2 a l 1 1 n Olekutaastaja arvutusskeem Jälgitav süsteem: Olekutaastaja: x Ax Bu y Cx xˆ Axˆ Bu L( y Cxˆ ) Suletud süsteemi omaväärtused: 1 , 2 ,, n 1. samm – jälgitavuse kontroll Kui rank Q0= n, siis 2.samm Kui rank Q0< n, siis süsteem mittejälgitav 2. samm – leiame maatriksi A karakteristliku polünoomi det(sI A) s n a1s n1 an1s an a1 , a2 ,, an 3. samm – leiame teisendusmaatriksi T T (W Q0T ) 1 4. samm – arvutame suletud süsteemi (soovitud) karakteristliku polünoomi (s 1 )(s 2 )(s n ) s n 1s n1 n1s n 1 , 2 ,, n 5. samm – leiame olekutaastaja tagasiside maatriksi L n an l1 a l L T n1 n1 2 a l 1 1 n Kommentaarid: 1) Arvutusskeem on kasutatav ka diskreetaja olekutaastajate disainil. 2) Madalat järku süsteemide korral (n=2,3) on mugav arvutada tagasiside maatriksi L elemendid otse polünoomvõrrandist detsI A LC s n 1s n1 n1s n . Olekutaastaja mõju tagasisidestud süsteemis Juhitav süsteem: Olekuregulaator: x Ax Bu y Cx u Kxˆ x Ax BKxˆ ( A BK ) x BK ( x xˆ ) ~ x x xˆ x ( A BK ) x BK~ x ~ x ( A LC ) ~ x olekutaastaja veavõrrand x A BK xˆ 0 Karakteristlik võrrand BK x ~ A LC x sI A BK det 0 det( sI A BK ) det( sI A LC ) 0 BK sI A LC Järeldus: Olekuregulaatori ja olekutaastaja arvutused on sõltumatud. Saadav juhtimissüsteem on järku 2n. Järgnevalt leiame regulaator-olekutaastaja ülekandefunktsiooni. x Ax Bu ● Juhitav ja jälgitav süsteem: y Cx ● Regulaator: u Kxˆ ● Olekutaastaja: xˆ Axˆ Bu L( y Cxˆ ) ( A LC ) xˆ Bu Ly L: U ( s ) KXˆ ( s ) sX ( s ) ( A LC ) Xˆ ( s ) BU ( s ) LY ( s ) Xˆ ( s ) ( sI A LC BK ) LY ( s ) 1 U ( s ) K ( sI A LC BK ) LY ( s ) 1 toimib nagu regulaatorsüsteemis xˆ (0) 0 eeldus! Integraatorite probleem tagasisidestatud süsteemides n(t) w(t) e(t) - WR(s) W0(s) y(t) Eeldame, et n(t)=0. W ( s ) WR ( s ) W0 ( s ) n K ( s zi ) i 1 W ( s ) n N s ( s pk ) k 1 z p W (s) 1 e( s ) w( s ) w( s ) w( s ) 1 W (s) 1 W ( s) y(s) Järgnevalt analüüsime vea e(t) käitumist erinevate seadesuuruste korral. A 1) w(t ) A 1(t ) w( s ) s A s( ) A s e() lim s e( s ) lim s 0 s 0 1 W ( s ) 1 W (0) N=0 A A K zi 1 k p e( ) 1 i p k k kp N≥1 e( ) 1 A 0 K zi i s N pk ∥ 0 k 2) w(t ) A t w( s) A s2 A s( 2 ) s e() lim s e( s ) lim s 0 s 0 1 W ( s) A A lim lim s 0 s sW ( s ) s0 sW ( s ) N=0 N=1 e() A A e() lim s 0 K ( s zi ) K zi i i s pk s ( s p ) k k k Kv N≥2 e( ) 0 3) At 2 A w(t ) w( s) 3 2 s A s( 3 ) A s e() lim lim s 0 1 W ( s ) s0 s 2W ( s ) N 0 N 1 N 2 e( ) e( ) A ka N 3 e() 0 Kokkuvõte: Süsteemi tüüp N 0 1 Seadesuurus w(t) A∙1(t) e( ) A 1 kp e( ) 0 A∙t A∙t2/2 ∞ ∞ A kv ∞ 2 e( ) 0 0 A ka 3 e( ) 0 0 0 N – integraatorite arv (ehk nulliste pooluste/omaväärtuste arv ) süsteemis Järeldused staatilise vea probleemist juhtimissüsteemides (1) Vead juhtimissüsteemis (sh staatiline viga) sõltuvad seadesuuruse iseloomust (ühikhüpe, lineaarselt kasvav funktsioon jne), regulaatori tüübist ja juhitavast süsteemist. Pidevaja juhtimissüsteemides räägitakse nn integraatorite probleemist (teatavas mõttes on see släng). Selgituseks: integraator on süsteem, millel on üks nulline poolus või omaväärtus; kahekordne integraator on süsteem, millel on 2 nullist poolust või omaväärtust jne. Järeldused staatilise vea probleemist juhtimissüsteemides (2) Juhtimissüsteemis staatiline viga on null, kui: Seadesuurus on ühikhüpe ja juhtimissüsteemis (regulaator + juhitav süsteem) on vähemalt üks nulline omaväärtus (või poolus); Seadesuurus on lineaarselt kasvav funktsioon ja juhtimissüsteemis (regulaator + juhitav süsteem) on vähemalt kaks nullist omaväärtust (või poolust). Järgivsüsteemi arvutus 1) Integraatoriga juhitav süsteem ● Juhitav süsteem: x Ax Bu y Cx A – n xn B – n x1 K –1xn ● Järgivsüsteemi struktuurskeem w(t) - k1 x Ax Bu -- xn k2 kn Eeldame, et y=x1. x1 x2 y=Cx y=x1 Süsteemil on tagasiside oleku järgi x x u 0 k k k ( w x ) x Kx k w, kus K k k k 1 2 2 n 1 1 n 1 1 2 n Eeldame, et seadesuurus rakendub süsteemile ajahetkel t=0 t 0 x Ax Bu ( A BK ) x Bk w 1 Olgu w hüppefunktsioon, siis järgivsüsteem peab tagama järgmist: t y () w() u ( ) 0 Väljakujunenud režiimis t=∞ x () ( A BK ) x() Bk w() x (t ) x () ( A BK )x(t ) x() 1 Defineerime järgivsüsteemi vea järgmiselt x(t ) x() e(t ), saame veavõrrandi kujul e(t ) ( A BK )e(t ). Eeldame, et juhitav süsteem on täielikult juhitav. Arvutame olekuregulaatori, mis muudab e(t)→0 suvalise algväärtuse e(0) korral, kasutades eelpool esitatud olekuregulaatori arvutusskeemi. Järgivsüsteemi dünaamilised omadused anname ette suletud süsteemi omaväärtuste kujul (λ1,λ2,…,λn). Oleku väärtus t=∞ x () 0 ( A BK ) x() Bk w x() ( A BK ) Bk w 1 1 1 ja juhttoime väärtus u(∞) u() Kx() k w 0. 1 2) Integraatorita juhitav süsteem ● Juhitav süsteem: u Kx k w y w Cx ● Regulaator: w - x Ax Bu y Cx A – nxn B – nx1 K –1xn I ∫ kI B ∫ x A K x (t ) A 0 x(t ) B 0 (t ) C 0 (t ) 0 u (t ) 1 w(t ) C y x () A 0 x() B 0 () C 0 () 0 u () 1 w() x (t ) x () A 0 x(t ) x() B (t ) () C 0 (t ) () 0 u (t ) u () w(t) – hüppefunktsioon! Defineerime: x (t ) x(t ) x() e (t ) (t ) () e u (t ) u (t ) u () e Saame: x (t ) A 0 x (t ) B (t ) C 0 (t ) 0 u (t ) , e e e e kus e u (t ) Kx (t ) k (t ) e e I e Defineerime (n+1) mõõtmelise veavektori x (t ) e(t ) , (t ) e e saame e Aˆ e Bˆ u , kus e ja u Kˆ e , e kus A 0 B Aˆ , Bˆ C 0 0 Kˆ K k I Arvutada tuleb (n+1) järku regulaator, mis muudab veavektori e(t) koordinaadid nulliks suvalise e(0) puhul vt. olekuregulaatori arvutus! Modaaljuhtimine olekuruumis: rakendusskeemid + näited ▪ AJS kvaliteedinäitajad (reguleerimisaeg/siirdeaeg, ülereguleerimine, staatiline viga) ▪ 2.järku prototüüpülekandefunktsioon ▪ Olekuregulaator (seadesuurus Xs ) ▪ Tagasiside väljundi järgi – väljundregulaator (seadesuurus Ys) ▪ Tagasiside väljundi järgi – PI regulaator ▪ Olekutaastaja, vähendatud järguga olekutaastaja ▪ Olekutaastaja ja olekuregulaator juhtimissüsteemis ▪ Järgivsüsteemi (aeg – pidev, diskreetne) ▪ Mõned MATLAB/SIMULINK skeemid AJS kvaliteedinäitajad - nõuded siirdeprotsessile X(t) Ülereguleerimine δ 1+ 1 1- est 0.90 = 5% seadesuurusest Seadesuurus Staatiline viga Reguleerimise aeg 0.1 0 trise t t ts AJS siirdekarakteristik – reaktsioon ühikhüppelisele seadesuurusele 2. järku prototüüpülekandefunktsioon n 2 F ( s) 2 2 s 2 n s n staatiline ülekandetegur K = 1 sumbuvus omavõnke(resonants-)sagedus n 1.6 1.4 n= 1 = 0.2 0.4 1.2 1 % 0.9 0.2 0.8 1.5 0.7 4.6 0.6 9.5 0.5 16.3 0.4 25.4 0.3 37.2 0.7 =1 0.8 0.6 ligikaudne reg.aeg =2 0.4 0.2 0 0 5 10 15 20 Time (second) 25 30 35 5 ts 0 1 n Olekuregulaator (1) X AX BU Ann , Bnr Y CX Cmn Juhitav süsteem: Olekuregulaator (tagasiside): U = K ( Xs - X ) Regulaator Xs K + - X U B + s-1 X Krn C Y + A Juhitav süsteem Tagasiside oleku järgi Antud tagasisidestatud süsteemi (nõutavad) omaväärtused: 1, 2, …, n Olekuregulaator (2) X AX BK ( X S X ) XS 0 X ( A BK ) X tagasisidestatud süsteemi vabaliikumise võrrand Vastav karakteristlik polünoom: det (sI - A + BK) AJS soovitud omadusi tagav karakteristlik polünoom : (s) = sn + a1sn-1 + … + an = (s - 1)(s - 2) … (s - n) det (sI - A + BK) = (s) ? n - võrrandit, r n – tundmatut, probleem ! Olekuregulaator (3) Tagasisidemaatriksi K arvutatakse polünoomvõrrandist det (sI - A + BK) = (s), kus K on r x n maatriks ja polünoomvõrrand on n järku st ainult n võrrandit r x n tundmatu leidmiseks. Probleemi lahendamiseks esitame maatriksi K kahe maatriksi p ja q korrutisena, kus p on r-elemendiline veeruvektor ja p on n-elemendiline reavektor. Valides vektori p elemendid vabalt on polünoomvõrrand lahendatav st n võrrandit ja n tundmatut. NB! Vektori p elemendid on tõlgendatavad juhitava süsteemi sisendite kaaludena, soovitav vahemik [ 0,1]. Näiteks, väärtus 1 tähendab, et selle sisendi kaudu soovime süsteemi juhtida, väärtus 0 tähendab, et antud sisendit ei ole otstarbekas või vajalik juhtimisel kasutada. Olekuregulaator – näide (1) 1 7 1 X (t ) X (t ) Z U (t ) 12 0 0 Y (t ) 1 0 X (t ) 7 Z0 1 Kontrollime juhitavust: QC B AB 12 Z 0 det QC 12 Z 0 (7 Z 0 ) ( Z 02 7 Z 0 12) Juhitav süsteem: Z0 = - 3 ; - 4 mittejuhitav Valime Z0 = 0 Olekuregulaatori süntees: ( Z 0 3)(Z 0 4) det(sI A BK ) ( s) K k1 k2 ( s) s 2 2 n s n 2 s 0 7 1 1 s 7 k1 k 2 1 det k k det 1 2 s 12 0 s 12 0 0 s( s 7 k1 ) 12(k 2 1) s 2 (7 k1 ) s 12 12k2 s 2 2 n s n 2 Olekuregulaator - näide(2) s 2 (7 k1 ) s 12 12k 2 s 2 2 n s n 7 k1 2 n 12 12k 2 n 2 k1 2 7 2 k2 n 2 12 12 Arvestades nõudeid ts 10 s; 10% valime prototüüpülekandefunktsiooni järgi 0.6; n 1 1 n 3 k1 1 Tagasisidestatud süsteemi analüüs: X AX BU U K(XS X ) XS X Y CX WX S X ( s ) ? sX ( s) AX ( s) BK ( X S ( s) X ( s)) 1 sI A BK X (s) BK X S (s) X (s) sI A BK BK X S ( s) WX S X ( s ) k2 1 4 Olekuregulaator - näide(3) Tagasisidestatud süsteemi ülekandemaatriks s 7 k1 sI A BK 12 k 2 1 s 6 3 4 s 12 s 3 s 1 4 1 sI A BK 2 s 6 s 9 12 s 6 3 1 s 1 4 1 4 1 sI A BK BK 2 s 6 s 9 12 s 6 0 0 s s 1 4 1 2 s 6 s 9 12 3 WX S X ( s ) L XS=1/s olekusiirded: X (t ) s s s 14 2 WX S X ( s ) s 2 6s 9 0 0 0 s 6 s 9 X (t ) lim s lim 12 1 s 0 s 0 12 3 s t 2 9 3 1 2 s 6s 9 s 6s 9 Tagasiside väljundi järgi - väljundregulaator Regulaator Ys K + U - B + Juhitav ja jälgitav süsteem Y X -1 X s C + A Tagasiside väljundi järgi U = K ( Ys - Y ) Krm X AX BK (YS Y ) ( A BKC) X BKYS YS 0 X ( A BKC) X det (sI - A + BKC) = (s) n - võrrandit, r m - tundmatut Diskreetaja juhtimissüsteemid Juhitav süsteem: X (k 1) Ad X (k ) BdU (k ) Y (k ) CX (k ) TAGASISIDE OLEKU JÄRGI Ann , Bnr Cmn U(k) = K(XS(k) - X(k)) det (zI - Ad + BdK) = (z) TAGASISIDE VÄLJUNDI JÄRGI U(k) = K(YS(k) - Y(k)) det (zI - Ad + BdKC) = (z) Tagasiside väljundi järgi – PI regulaator (1) Eeldame, et süsteem on täielikult juhitav ja jälgitav t PI - regulaator: U K1 (YS Y ) K2 Z , Z (YS Y )d 0 Y 0, Z CX S X AX BU , Y CX U K1Y K 2 Z , Z CX Regulaator -K1 s-1 -K2 ~ X X Z ~ Y Y Z U B + - + ~ ~ ~ ~ ~~ X AX BU , U KY ~ ~~ Y CX Juhitav ja jälgitav süsteem Y X -1 X s C + Y Z Tagasiside väljundi järgi A Tagasiside väljundi järgi – PI regulaator (2) Moodustame üldistatud süsteemi ~ ~ ~ ~ ~~ X AX BU , U KY ~ ~~ Y CX ~ X ~ A 0 X A C 0 Z ~ Y ~ C 0 Y C Z 0 I ~ X X Z ~ B B 0 ~ K K1 K 2 ~ A (n m) (n m) ~ B (n m) r ~ C 2m ( n m ) ~ K r 2m ~ ~~~ ~ ~ tagasisidestatud süsteemi X ( A BKC ) X vabaliikumise võrrand ~ ~~~ det (sI A BKC ) ( s ) ? antud PI - regulaatori näide (1) Antud: 5 1 1 1 A B C 1 2 0 6 0 2 (s) = (s + 4)(s + 5)(s + 6) = s3 +15s2 + 74s + 120 Lahendus: 1. Juhitavuse ja jälgitavuse kontroll 2. PI - regulaatori arvutus ~ ~ ~~ det(sI A BKC ) ( s) 5 1 0 1 ~ ~ A 6 0 0 B 0 1 2 0 0 k11 ~ 1 2 0 C K 0 0 1 k21 1 2 0 k12 k22 PI - regulaatori näide (2) ~ ~~~ det(sI A B KC ) s 3 15s 2 74s 120 s 0 0 5 1 det 0 s 0 6 0 0 0 s 1 2 s 5 det 6 1 1 s 2 0 1 1 k11 0 0 2 k 21 0 0 0 0 k11 k 21 0 2k 21 s 0 k12 1 2 0 k 22 0 0 1 2k11 2k 21 4k 21 0 va lim e k22 2 k11 5k21 15 5 1 15 K 2 12k11 k12 30k21 5k22 74 6 2 1910 12k12 30k22 120 k12 k 22 2k 22 0 PI-regulaatori näide (3) 3. Tagasidestatud süsteemi analüüs X(0) = 0 U(s) = K1[YS(s)-Y(s)] - s-1K2 [YS(s)-Y(s)] = [K1 - s-1K2][YS(s)-Y(s)] Y(s) = C(sI - A)-1BU(s) Y(s) = C[sI-A]-1B[K1 - s-1K2][YS(s)-Y(s)] = WUY(s)WPI(s)[YS(s)-Y(s)] WUY(s) WPI(s) 1 1 [I+ WUY(s)WPI(s)]Y(s) = WUY(s)WPI(s) YS(s) 2 s 15 WPI ( s) -1 19 1 Y(s) = [I+ WUY(s)WPI(s)] WUY(s)WPI(s) YS(s) 2 20 s WYsY(s) 10s 2 68s 120 WYSY ( s ) 3 s 15s 2 74s 120 s 12 WUY ( s) ( s 2)(s 3) 5s 30 ( s 2)(s 3) Olekutaastamine Olekuvektori hinnang asümptootiline: Xˆ (t ) lim[ Xˆ (t ) X (t )] 0 t Jälgitav süsteem: lineaarne, statsionaarne X (t ) AX (t ) BU (t ) Y (t ) CX (t ) Ann , Bnr Cmn Xˆ (t ) AXˆ (t ) BU (t ) LeY (t ) eY (t ) Y (t ) Yˆ (t ) Y (t ) CXˆ (t ) Xˆ (t ) ( A LC ) Xˆ (t ) BU (t ) LY (t ) Olekutaastaja (1) Xˆ (0) - algoleku hinnang X U B + s-1 X(0) X(t) C Y + Jälgitav süsteem A Xˆ (0) Xˆ s-1 U B + + Olekutaastaja A eY L - C Xˆ (t ) Yˆ Olekutaastaja (2) ˆ X (t ) X (t ) ( A LC )( Xˆ (t ) X (t )) eXˆ ( A LC ) eXˆ Maatriksi A - LC omaväärtused si Kui Re si < 0 i = 1, …, n lim e Xˆ 0 t det(sI A LC) ( s) si x xx x eig(A) Lnxm = ? j s x xx x Re AJS: olekutaastajaga olekuregulaator (1) X AX BU Juhitav ja jälgitav süsteem: Y CX Xˆ AXˆ BU LC ( X Xˆ ) Olekutaastaja: Regulaator (tagasiside): U Regulaator Xs K + K ( X S Xˆ ) U Y Süsteem - Olekutaastaja Xˆ Tagasisidestatud süsteemi (nõutavad) omaväärtused: 1, 2, …, n AJS: olekutaastajaga olekuregulaator (2) XS 0 X AX BKXˆ eX X Xˆ Xˆ AXˆ BKXˆ LCX LCXˆ ) Y CX X ˆ X A LC X ( A BK ) X BKeX eXˆ ( A LC )eXˆ BK X A BK LC Xˆ X A BK eXˆ 0 X Y C 0 eXˆ A* BK X A LC eXˆ AJS: olekutaastajaga olekuregulaator (3) Tagasisidestatud süsteemi karakteristlik polünoom: det(sI A* ) det(sI A BK) det(sI A LC) det(sI A BK ) R ( s) det(sI A LC) OT ( s) Diskreetaja olekutaastaja +olekuregulaator X (k 1) Ad X (k ) BdU (k ) Objekt: jälgitav ja juhitav Olekutaastaja: Y (k ) CX (k ) Xˆ (k 1) Ad Xˆ (k ) BdU (k ) L(Y (k ) Yˆ (k )) Olekuregulaator: U K ( X S (k ) Xˆ (k )) det(zI Ad LC) OT ( z ) det(zI Ad Bd K ) R ( z ) Finiitne olekutaastaja - näide(1) 0 1 1 Jälgitav süsteem: X (k 1) X ( k ) U (k ) 1 2,5 0 Y (k ) 0 1 X (k ) C 0 1 Q Jälgitavuse kontroll: O CA 1 2,5 det QO 0 rank QO 2 Olekutaastaja süntees: det(zI Ad LC ) ( z ) 1 X (0) 0 ( z) z 2 l L 1 l2 z 0 0 1 l1 z 1 0 l1 det 0 1 det 0 z 1 2,5 l2 1 z 2,5 0 l2 l1 1 z det z 2 (l2 2,5) z (l1 1) z 2 1 z 2,5 l2 l2 2,5 0 l2 2,5 l1 1 0 l1 1 Finiitne olekutaastaja – näide(2) Analüüs (st olekutaastamise vea analüüs): eXˆ (k ) X (k ) Xˆ (k ) , eXˆ () ? eXˆ (k 1) ( Ad LC)eXˆ (k ) k 0,1, 2, 0 1 1 0 1 0 1 0 0 Ad LC 0 1 1 2 , 5 2 , 5 1 2 , 5 0 2 , 5 1 0 1 eXˆ (0) X (0) Xˆ (0) 1 0 eXˆ (1) ( Ad LC )eXˆ (0) 1 0 eXˆ (2) ( Ad LC )eXˆ (1) 1 0 eXˆ (3) , 0 Finiitne: 2-järku süsteem läheb 2 taktiga paika (st lõpliku siirdega) 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 Viga läheb 2 taktiga nulli !! Olekutaastaja alternatiivne kuju Xˆ (0) - algoleku hinnang X U B + s-1 X(0) X(t) C Y + Jälgitav süsteem A Xˆ (0) Xˆ s-1 U B L + + F=A-LC Olekutaastaja Xˆ (t ) Vähendatud järguga olekutaastaja(1) Ideaalne oleks X=C-1Y, aga C-1 tavaliselt ei eksisteeri 1 1 C C Y Valime lineaarteisenduse Z = T·X nii ,et eksisteerib siis Xˆ T T Z X U B + s-1 X(0) X(t) C Y Z hinnatakse n-m järku olekutaastajaga + A Jälgitav süsteem n-m m L Z U J + + n-m Olekutaastaja s-1 F n-m C T 1 Xˆ Vähendatud järguga olekutaastaja(2) võrrandsüsteem Kehtivad definitsioonid: J = T·B ja F·T = T·A - L·C F, L, T muutujatena (võrrandeid vähem, kui muutujaid) C T valik peab tegema ruutmaatriksiks T Kui C on kujul [ I 0 ], siis tasub T valida kujul T= [T’ I ]; T’ (n-m)xm F saab määrata valides olekutaastajale sobivad omaväärtused det (sI - F) = (s) Järgivsüsteem – tagasiside oleku järgi + integreeriv tagasiside väljundi järgi (PI) Juhitav süsteem: antud lineaarne statsionaarne pidevaja olekumudel Z Ys + - Regulaator s-1 Z Kr U B + + Juhitav süsteem X -1 X s + - A K Regulaator U K X Kr Z , Tagasiside oleku järgi Tagasiside väljundi järgi Z YS Y YS CX C Y Järgivsüsteem – tagasiside oleku järgi + integreeriv tagasiside väljundi järgi (PI) Laiendatud olekuvektoriga süsteem ~ ~ ~ ~ ~ ~~ X A X B U I YS , U KX ~ X X Z ~ K K ~ A 0 A C 0 Kr suletud süsteemi vea vabaliikumine ~ ~~ ~ ~ X e ( A BK ) X e , ~ X X Z ~ B B 0 ~ 0 I I ~ ~ ~ X e X (t ) X ( ) laiendatud süsteem peab olema täielikult juhitav st. 0 X ( ) A 1 U () P Y , P C S B rankP n m m r 0 Järgivsüsteem – diskreetaja PI (1) Juhitav süsteem: antud lineaarne statsionaarne diskreetaja olekumudel Ys Z(k) + - U(k) Kr + + Bd + - Z(k-1) z -1 Juhitav süsteem X(k+1) X(k) -1 z + + C Y(k) Ad K Tagasiside oleku järgi Tagasiside väljundi järgi U (k ) K X (k ) Kr Z (k ) Z (k ) Z (k 1) Ys (k ) Y (k ) Z (k 1) Ys (k ) CX (k ) Järgivsüsteem – diskreetaja PI (2) Laiendatud olekuvektoriga süsteem ~ ~ ~ ~ ~ X (k 1) Ad X (k ) BdU (k ) I Ys X (k 1) ~ X (k 1) Z ( k 1 ) ~ Ad Ad CAd 0 I ~ X ( k ) X Z ( k ) suletud süsteemi vabaliikumine ~ ~ ~ ~ ~ X (k 1) ( Ad Bd K ) X (k ) ~~ ~ U (k ) KX (k ), K K Kr ~ Bd Bd CB d ~ 0 I I Järgivsüsteemi simulatsioon Tagasiside oleku järgi [Ys.*1.05 +/-5% U Ys seadesuurus + - dZ/dt Mux Z 1/s Integrator_ OLEKUMUDEL |------------------------------------------------------------| -K2 B PI reg nxr G olekuhäiring Xh Tagasisisde väljundi järgi + + + dX/dt X(t) 1 s Y(t) C Mux Y Integrator mxn A X nxn Tagasiside oleku järgi Ys.*0.95] U Ys seadesuurus + - Mux + + z(k) - K2d PI reg 1/z Tagasisisde väljundi järgi Diskr. OLEKUMUDEL |------------------------------------------------------------| Bd nxr Gd olekuhäiring Xh +/-5% X(k) + 1/z + + Unit Delay X(k+1) C Y(k) Mux Y mxn Ad X nxn Olekutagasiside simulatsioon staatiliste ülekandetegurite korrigeerimisega K0 Ys seadesuurus Xs seadesuurus [Ys.*1.05; +/-5% Stat.korr. rxm + TS K U + + OLEKUMUDEL |------------------------------------------------------------| B olekuregul. rxn nxr G Tagasiside oleku järgi olekuhäiring Xh Xs seadesuurus Kd + + olekuregul. rxn s C Mux Mux Integrator Y mxn A X nxn ; Ys.*0.95] +/-5% Bd nxr Gd Tagasiside oleku järgi X(t) Diskr. OLEKUMUDEL |------------------------------------------------------------| Stat.korr. rxm + TS 1 U K0 Ys seadesuurus + + + dX/dt olekuhäiring Xh + 1/z + + Unit Delay X(k+1) X(k) C Mux Mux Y mxn Ad X nxn