سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389

67
ی ط خ رل ت ن ک های م ت س سی ر ت ی ا پ1389 ! ن م$ ح ر ل م ا... ا س, ب م ي ح ر ل ا اده ل ز ی ع ما س د ا ی, ج م د ی س ر کت د- دی ی ل, پ! ن سي ح ر کت د

description

بسم ا... الرحمن الرحيم. سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389. دکتر حسين بلندي- دکتر سید مجید اسما عیل زاده. مرور. 1) استخراج معادلات ديفرانسيل از مدل فيزيكي سيستم. 2) استخراج مدل رياضي سيستم و خلاصه کردن نتيجه بصورت يك بلوك دياگرام. 3) نتيجه خلاصه شدن يك سيگنال فلوگراف. مثال :. - PowerPoint PPT Presentation

Transcript of سیستمهای کنترل خطی پاییز 1389

Page 1: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

سیستمهای کنترل خطی

1389پاییز

بسم ا... الرحمن الرحيم

دکتر حسين بلندي- دکتر سید مجید اسما عیل زاده

Page 2: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

مرور

2

Page 3: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

( استخراج معادالت ديفرانسيل از 1( اس#تخراج م#دل رياض#ي سيس#تم و خالص#ه ک#ردن نتيج#ه 2 مدل فيزيكي سيستم.

.بصورت يك بلوك دياگرام نتيجه خالصه شدن يك (3

.سيگنال فلوگراف

)(

)()(

sD

sNsT

مثال :

اعمال وروديهای تست

اعمال وروديهای تست

تحلي###ل پاس###خ سيستم

پاي#داري مطل#ق و نسبي

: طراحیتنظیم

پارامترها

جبران سازها

Page 4: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

تك -تك ورودي( 1خروجي

تابع تبديل در (2sحوزة

روشهاي (3 رسم مكان (4 فركانسي

هندسي ريشه ها

حصول اهداف کنترلی

حصول اهداف کنترلی

طراحی جبرانساز

ها

طراحی جبرانساز

ها

Page 5: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

5

OBJECTIVES On completion of this course, the student will be able to do the

following:Define the basic terminologies used in controls systems

Explain advantages and drawbacks of open-loop and closed loop control systems

Obtain models of simple dynamic systems in ordinary differential equation, transfer function, state space, or block diagram form

Obtain overall transfer function of a system using either block diagram algebra, or signal flow graphs, or Matlab tools

Compute and present in graphical form the output response of control systems to typical test input signals

Page 6: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

6

Explain the relationship between system output response and transfer function characteristics or pole/zero locations

Determine the stability of a closed-loop control systems using the Routh-Hurwitz criteria

Analyze the closed loop stability and performance of control systems based on open-loop transfer functions using the Root Locus technique

Design PID or lead-lag compensator to improve the closed loop system stability and performance using the Root Locus technique

Analyze the closed loop stability and performance of control systems based on open-loop transfer functions using the frequency response techniques

Design PID or lead-lag compensator to improve

Page 7: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

7

Topics CoveredModeling of control systems using ode, block diagrams, and transfer

functionsBlock diagrams and signal flow graphsModeling and analysis of control systems using state space methodsAnalysis of dynamic response of control systems, including transient

response, steady state response, and tracking performance.Closed-loop stability analysis using the Routh-Hurwitz criteriaStability and performance analysis using the Root Locus techniquesControl system design using the Root Locus techniquesStability and performance analysis using the frequency response

techniquesControl system design using the frequency response techniques

Page 8: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

8

References for reading

1. R.C. Dorf and R.H. Bishop, Modern Control Systems,10th Edition, Prentice Hall, 2008,

2. Golnaraghi and Kuo, Automatic Control Systems,, ninth edition, Wiley, 2009

Page 9: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

9

Grading

• Midterm 40% • Final 40%• Quiz 10%• H.W. 10%

Page 10: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

Mathematical Models of Systems

Page 11: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

Objectives

• We use quantitative mathematical models of physical systems to design and analyze control systems.

• The dynamic behavior is generally described

by ordinary differential equations.

11

Page 12: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

A wide range of physical Systems, including:

• mechanical,• hydraulic, and• electrical

could be considered.

13

Page 13: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

16

Introduction

• To understand and control complex systems we must obtain quantitative mathematical models of system.

Page 14: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

17

• A model is a representation of the process or a system existing in reality or planned for realization which expresses the essential attributes of a process or a system in a useful form.

Norbert Wiener, 1945

Page 15: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

18

Page 16: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

19

Approach to dynamic systems

• 1. Define the system and its components.• 2. Formulate the MM and list the necessary

assumptions.• 3. Write the differential equations describing

the model.• 4. Solve the equations for the desired output

variables.• 5. Examine the solutions and the

assumptions.• 6. If necessary, reanalyze or redesign the

system.

Page 17: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

20

Differential Equations of Physical Systems

The differential equations describing the dynamic performance of a physical system are obtained by utilizing the physical laws of the process.

A differential equation is any algebraic equality which involves either differentials or derivatives.

Page 18: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

21

This approach applies equally well to;• Mechanical,• Electrical,• Fluid,• Thermodynamic systems.

Page 19: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

22

Physical laws

The physical laws define relationships between fundamental quantities and are usually represented by equations.

Page 20: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

بط###ور كلي دو دي###دگاه جهت مدلس###ازي :وجود دارد

تقسيم نمودن سيستم به اجزاء تشكيل دهنده و الف: .مدلسازي آن توسط روابط رياضي

در اين حالت : شناسايي پارامتري سيستمب :بررسي آزمايشهايي سيستم انجام مي پذيرد و با

نتايج حاصله يك مدل رياضي براي سيستم تعيين مي شود. در راس##تاي پايه گ##ذاري و تب##يين سيس##تم، م##دل

بدست آمده بايد مبين پارامترهای زير باشد:

# ارتباط ديناميكي بين پارامترهاي دستگاه

# ورودي كارانداز

# خروجي قابل اندازه گيري باشد.

جمعبندی :اولیه

Page 21: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

نکاتی که در مدلسازی سيستمها بايد در نظر داشت

مدلس##ازي دربرگيرن##ده اطالع##ات دروني سيس##تمبينب#وده و همچ#نين ارتب#اط effect , cause متغيره#اي

.سيستم مي باشد پاي#ه و اس#اس اص#لي جهت انج#ام ك#ار اس#تفاده از

قوانين فيزيكي حاكم بر سيستم مي باشد.

انتخ###اب متغيره###اي ح###الت در روش متغيره###ايف#يزيكي براس#اس عناص#ر موج#ود نگهدارن#ده ان#رژي

سيستم بنا مي شود. متغ#ير ف#يزيكي در معادل#ة ان#رژي ب#راي ه#ر عنص#ر

نگهدارن##ده ان##رژي مي توان##د بعن##وان متغ##ير ح##الت سيس#تم انتخ#اب ش#ود. الزم ب#ه ي#ادآوری اس#ت ک#ه متغيره#اي ف#يزيكي باي#د بگون#ه ای انتخ#اب ش#وند ك#ه

.ناوابسته باشند

Page 22: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

عناصر نگهدارندة انرژي

عناصر نگهدارندة انرژي

Page 23: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

• Circuit: KCL: S(i into a node) = 0

KVL: S(v along a loop) = 0

RLC: v=Ri, i=Cdv/dt, v=Ldi/dt• Linear motion: Newton: ma = SF

Hooke’s law: Fs = KDx

damping: Fd = CDx_dot• Angular motion: Euler: J a = St

= t KDq = t C _Dq dot

In GeneraL:Common Physical Laws

Page 24: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

28

Symbols and units

Page 25: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

Voltage-current, voltage-charge, and impedance relationships for capacitors, resistors, and inductors

Page 26: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

Ex.1; Find ODE eqn.

RLC network dt

tdiL

)()(tRi

dttiC

)(1

)()(1

)()(

tvdttiC

tRidt

tdiL

vcdttiC

)(1

Page 27: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

را بنویس#ید. odeمع#ادالت :2مث#ال

dt

dvCiii

iRdt

diLtV

tVdt

diLtiRte

cc

C

C

21

222

2

1111

)(

)()()(

Page 28: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

سيستمهای مکانيکی

( انتق##الي : مجموع##ة نيروه##ا براب##ر اس##ت ب##ا 1)(N) حاصلضرب شتاب در جرم

maF

دوراني : مجموع##ة گش##تاورها براب##ر اس##ت ب##ا ( 2)حاصلضرب ممان اينرسي در شتاب زاويه اي

.I

Page 29: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

اجزای اصلی سيستمهای مکانيکی

Page 30: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

مث##ال 3:

)(tfKxxBxm )(1

tfm

xm

Kx

m

Bx

)(tfm

xm

Kx

m

Bx

xx1

122

21

:

Page 31: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

مث##ال 4:

21112111222222 YKYKYBYBYBYKYN

)()()( tfyykxxBYN 21121111

Page 32: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

36

MECHANICAL ROTATIONAL SYSTEMS

Page 33: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

37

Transforms

• The term transform refers to a mathematical operation that takes a given function and returns a new function.

• The transformation is often done by means of an integral formula.

• Commonly used transforms are named after Laplace and Fourier.

Page 34: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

38

• Transforms are frequently used to change a complicated problem into a simpler one.

• The simpler problem is then solved, usually using elementary algebraic means.

• The solution to the simpler problem is taken over to the original problem using the inverse transform.

Page 35: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

39

Page 36: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

40

Laplace transform

• Laplace transform can significantly reduce the effort required to solve linear differential equations.

• A major benefit is that this transformation convert differential equations to algebraic equations, which can simplify the mathematical manipulations required to obtain a solution.

Page 37: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

41

Page 38: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

42

• Step 1. Take the Laplace transform of both sides of the differential equation.

• Step 2. Solve for Y(s)If the expression for Y(s) does not appear in Laplace Transform Table

• Step 3a. Factor the characteristic equation polynomial.• Step 3b. Perform the partial fraction expansion.

• Step 4. Use the inverse Laplace transform relations to find y(t).

General solution procedure:

Page 39: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

43

Example 5

)(2)(342

2

trtydt

dy

dt

yd

y(0) 1,dy

dt(0) 0, r(t) 1, t 0

)(2)(3)]0()([4)]0()([ 2 sRsYyssYsysYs

Page 40: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

44

Example 5

)34(

2

)34(

)4()(

22

sssss

ssY

0)3)(1(34)( 2 sssssq

)()()(3/2

)3(

3/1

)1(

1

)3(

2/1

)1(

2/3)( 321 sYsYsY

ssssssY

Page 41: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

45

Example 5

3

2

3

11

2

1

2

3)( 33

tttt eeeety

limt y(t) 2

3

Page 42: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

46

Disadvantage:

• The solution of the differential equation involves use of Laplace transforms as an intermediate step.

• Any change in the initial conditions or in the forcing function requires that the complete solution be redeliver.

Page 43: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

47

The transfer function - a modified approach.

• The transfer function is an algebraic expression for the dynamic relation between input and output of the process model.

• It is defined so as to be independent of initial conditions and of the particular choice of forcing function.

Page 44: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

48

G(s)

• To obtain the transfer function G(s) of the LTI system, we take the Laplace transform on both sides of the equation, and assume zero initial conditions.

Page 45: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

49

Properties of the G(s)

• The G(s) is defined only for a LTI system. • All initial conditions of the system are set to zero.• The G(s) is independent of the input of the system.• The G(s) of a continuous-data system is expressed

only as a function of the complex variable s.• For discrete-data systems modeled by difference

equations, the transfer function is a function of z when the z-transform is used.

Page 46: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

50

• A transfer function can be derived only

for a LTI differential equation model.

Page 47: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

51

A transfer function

• A transfer function of the LTI system is defined as a ratio of the Laplace transform of the output variable to the Laplace transform of the input variable, with all initial conditions assumed to be zero.

Page 48: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

52

EX. 6: An automobile shock absorber

Spring-mass-damper Free-body diagram

Page 49: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

53

The automobile shock absorber

)()()()(

2

2

trtkydt

tdyb

dt

tydM

Output

InputG(s)

Y (s)

R(s)

1

Ms2 bs k

Page 50: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

54

EX.7:Transfer function of the RC network

V1(s) = (R + 1/Cs) I(s)

V2(s) = I(s) 1/Cs

G(s) = V2(s)/V1(s) = 1/(RC s + 1) = 1/T/(s + 1/T)

Page 51: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

55

The transfer function of the RC network is obtained by writing the Kirchhoff voltage equation.

The circuit is a voltage divider, where

V2(s)/V1(s) = Z2(s)/(Z1(s) + Z2(s)),

where Z1(s)= R and Z2 = 1/Cs

The single pole s = -1/T

Page 52: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

Ex.8; Find G(S)?

RLC network dt

tdiL

)()(tRi

dttiC

)(1

)()(1

)()(

tvdttiC

tRidt

tdiL

Page 53: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

2

2

C C

2C C

C2

2C C C

C2

2

( ) 1( ) ( ) ( )

q(t) i(t)dt

( ) ( ) 1( ) ( )

v , q(t) Cv ( )

v ( ) v ( )v ( ) ( )

V ( ) V ( ) V ( ) ( )

1V ( ) 1

( )( ) 1

di tL Ri t i t dt v t

dt C

as

d q t dq tL R q t v t

dt dt Coutput t

d t d tLC RC t v t

dt dt

LCs s RCs s s V s

s LCG sRV s LCs RCs s sL

1LC

Page 54: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

Ex. 9: Mesh analysis

Mesh 1 Mesh 2

Page 55: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

01

)()(

01

2

)(

1

221

211

12222

2111

ICs

RLsLsI

sVLsIILsR

LsIICs

IRLsI

mesh

sVLsILsIIR

mesh

Sum of impedance around mesh 1

Sum of impedance around mesh 2

Sum of impedance common to two meshes

Sum of applied voltages around the mesh

Write equations around the meshes

Page 56: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

)(0

)(

'

0

)(1

1

2

2

1

2

1

sLsVLs

sVLsR

I

RulesCramer

sV

I

I

CsRLsLs

LsLsR

Determinant

Page 57: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

1212

21

2

2

1212

21

322

21

221

)(

)(

)(

1

1

RsLCRRsRRLC

sVLCsI

Cs

RsLCRRsRRLC

Cs

CsLCsRLCsLsR

LsCs

RLsLsR

Page 58: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

65

• A transfer function of LTI system is defined as the Laplace transform of the impulse response, with initial conditions set to zero.

Page 59: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

66

Input-Output description

• A transfer function is an input-output description of the behavior of a system.

• Thus the transfer function description does not include any information concerning the internal structure of the system.

Page 60: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

67

Summary

1. The differential equations describing the dynamic performance of physical systems were utilized to construct a mathematical model. The physical systems included mechanical, electrical, fluid, and thermodynamic systems.

2. For linear systems we apply the Laplace transformation and its related input-output relationship given by the transfer function.

Page 61: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

68

Summary

3. The transfer function allows to determine the response of the system to various input signals.

Y(s) = X(s) G(s)

Page 62: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

69

Page 63: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

70

Page 64: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

71

Page 65: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

مدرن روش

از معادالت ديفرانسي

ل

از معادالت ديفرانسي

ل

معادالت فضاي حالت

معادالت فضاي حالت

پيش گفتار:

يادآوراك#ثر روش#هاي ط#راحي سيس#تم هاي كن#ترل مبت#ني ب#ر ن#وعي م#دل ی :

رياضي از سيستم فيزيكي مي باشد. طراحي ه###اي كالس###يك سيس###تم هاي كن###ترل از

روش#هايي مانن#د مك#ان، پاس#خ فركانس#ي جهت تحلي#ل کنیم. و طراحي سيستم ها استفاده مي فع##اليت ،ش##ايان توج##ه اس##ت ك##ه در اين دي##دگاه است. متمركز بر استفاده از تابع تبديل

Page 66: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

قاب##ل SISOاين روش ب##راي سيس##تمهاي ص##نعتي ( 1 نت#ايج مطل#وبي را ب#دنبال د و مي توان#میباش#دبه#ره وري

داشته باشد

تحلي#ل دقي#ق سيس#تمهاي ص#نعتي پيش#رفته م#دلهاي ( 2 كاملتري را طلب مي كند.

سيس##تم هاي ص##نعتي پيچي##ده ب##راي دقت، س##رعت ( 3عم#ل و ك#ارايي بيش#تر نيازمن#د ب#ه طراحي ه#اي م#درن

سيستم هاي كنترل مي باشند.

معايب روشهای کالسيک

معايب روشهای کالسيک

Page 67: سیستمهای  کنترل  خطی پاییز 1389

مدلس##ازي سيس##تم هاي كن##ترل ب##ا اس##تفاده ازمتغيره#اي ح#الت در راس#تاي تحق#ق اه#دافي اس#ت ك#ه

به آن اشاره كرده ايم.

متغيره#اي ح#الت در واق#ع مي توانن#د دين#اميكي ازسيس#تم را ش#امل ش#وند ك#ه در م#دل خ#روجي # ورودي ظ#اهر نمی ش#وند. از اين جهت م#دل متغيره#اي ح#الت

را مدل داخلي نيز مي گويند.

توص#يف فض#اي ح#الت، تص#وير ك#املي را از س#اختارداخلي سيس##تم ف##راهم مي كن##د. اين م##دل نش##ان مي ده#د ك#ه متغيره#اي ح#الت چگون#ه ب#ا يك#ديگر ت#داخل نم#وده، ورودي سيس#تم چگون#ه ب#ر متغيره#اي ح#الت ت##أثير مي گ##ذارد و چگون##ه ب##ا تركيبه##اي متف##اوت

مي توان يك سيستم خاص را نشان داد.

نتيجه