Analoginen (jatkuva-aikainen) säätöjärjestelmä



Samankaltaiset tiedostot
Eksponenttifunktion Laplace muunnos Lasketaan hetkellä nolla alkavan eksponenttifunktion Laplace muunnos eli sijoitetaan muunnoskaavaan

Y (z) = z-muunnos on lineaarinen kuten Laplace-muunnoskin

Dynaamisen järjestelmän siirtofunktio

SÄÄTÖJÄRJESTELMIEN SUUNNITTELU

ELEC-C1230 Säätötekniikka

MATEMATIIKAN JAOS Kompleksianalyysi

Säätötekniikan matematiikan verkkokurssi, Matlab tehtäviä ja vastauksia

H(s) + + _. Ymit(s) Laplace-tason esitykseksi on saatu (katso jälleen kalvot):

ELEC-C1230 Säätötekniikka

2. kierros. 1. Lähipäivä

Alias-ilmiö eli taajuuden laskostuminen

5. Z-muunnos ja lineaariset diskreetit systeemit. z n = z

Digitaalinen signaalinkäsittely Johdanto, näytteistys

Osa IX. Z muunnos. Johdanto Diskreetit funktiot

Harjoitus 6: Simulink - Säätöteoria. Syksy Mat Sovelletun matematiikan tietokonetyöt 1

3. kierros. 2. Lähipäivä

MATLAB harjoituksia RST-säädöstä (5h)

SÄÄTÖJÄRJESTELMIEN SUUNNITTELU

z muunnos ja sen soveltaminen LTI järjestelmien analysointiin

ELEC-C1230 Säätötekniikka. Luku 10: Digitaalinen säätö, perusteet, jatkuu

Lukujonot Z-muunnos Z-muunnoksen ominaisuuksia Z-käänteismuunnos Differenssiyhtälöt. Z-muunnos. 1. joulukuuta Z-muunnos

2. kierros. 2. Lähipäivä

Mat Systeemien identifiointi

Tehtävä 1. Vaihtoehtotehtävät.

Oletetaan, että funktio f on määritelty jollakin välillä ]x 0 δ, x 0 + δ[. Sen derivaatta pisteessä x 0 on

Systeemin käyttäytyminen. ELEC-C1230 Säätötekniikka. Systeemin navat ja nollat. Systeemin navat ja nollat

Lukujonot Z-muunnos Z-muunnoksen ominaisuuksia Z-käänteismuunnos Differenssiyhtälöt. Z-muunnos. 5. joulukuuta Z-muunnos

T SKJ - TERMEJÄ

Säätötekniikan alkeita

MS-A0104 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (ELEC2) MS-A0106 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (ENG2)

30 + x ,5x = 2,5 + x 0,5x = 12,5 x = ,5a + 27,5b = 1,00 55 = 55. 2,5a + (30 2,5)b (27,5a + 27,5b) =

Matematiikan tukikurssi, kurssikerta 3

2 Yhtälöitä ja epäyhtälöitä

Kompleksianalyysi, viikko 5

ELEC-C1230 Säätötekniikka

Matematiikan tukikurssi

Matematiikan tukikurssi

Taajuustason tekniikat: Boden ja Nyquistin diagrammit, kompensaattorien suunnittelu. Vinkit 1 a

Luento 8. Suodattimien käyttötarkoitus

Tilayhtälötekniikasta

Matematiikan tukikurssi

Laplace-muunnos: määritelmä

2.2 Täydellinen yhtälö. Ratkaisukaava

Aikatason vaste vs. siirtofunktio Tehtävä

Matemaattinen Analyysi

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 5: Taylor-polynomi ja sarja

Kun järjestelmää kuvataan operaattorilla T, sisäänmenoa muuttujalla u ja ulostuloa muuttujalla y, voidaan kirjoittaa. y T u.

Johdatus diskreettiin matematiikkaan Harjoitus 5, Ratkaise rekursioyhtälö

järjestelmät Luento 8

SaSun VK1-tenttikysymyksiä 2019 Enso Ikonen, Älykkäät koneet ja järjestelmät (IMS),

Signaalimallit: sisältö

Säätötekniikkaa. Säätöongelma: Hae (mahdollisesti ulostulon avulla) ohjaus, joka saa systeemin toimimaan halutulla tavalla

Säätötekniikkaa. Säätöongelma: Hae (mahdollisesti ulostulon avulla) ohjaus, joka saa systeemin toimimaan halutulla tavalla

6. Analogisen signaalin liittäminen mikroprosessoriin Näytteenotto analogisesta signaalista DA-muuntimet 4

Dynaamisten systeemien teoriaa. Systeemianalyysilaboratorio II

Kertaus. x x x. K1. a) b) x 5 x 6 = x 5 6 = x 1 = 1 x, x 0. K2. a) a a a a, a > 0

5 Differentiaalilaskentaa

Kojemeteorologia. Sami Haapanala syksy Fysiikan laitos, Ilmakehätieteiden osasto

Digitaalinen Signaalinkäsittely T0125 Luento

1.7 Gradientti ja suunnatut derivaatat

2.7 Neliöjuuriyhtälö ja -epäyhtälö

1 Vastaa seuraaviin. b) Taajuusvasteen

SMG-4200 Sähkömagneettisten järjestelmien lämmönsiirto Ehdotukset harjoituksen 4 ratkaisuiksi

MS-A0107 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (CHEM)

Y Yhtälöparista ratkaistiin vuorotellen siirtofunktiot laittamalla muut tulot nollaan. = K K K M. s 2 3s 2 KK P

1 Di erentiaaliyhtälöt

Kompleksianalyysi, viikko 7

Johdatus yliopistomatematiikkaan, 2. viikko (2 op)

Aluksi Kahden muuttujan lineaarinen epäyhtälö

Osa 5. lukujonot ja sarjat.

6*. MURTOFUNKTION INTEGROINTI

Differentiaaliyhtälön ratkaisu. ELEC-C1230 Säätötekniikka. Esimerkki: läpivirtaussäiliö. Esimerkki: läpivirtaussäiliö

Matematiikan tukikurssi

Signaalit ja järjestelmät aika- ja taajuusalueissa

PRELIMINÄÄRIKOE. Pitkä Matematiikka

YHTÄLÖ kahden lausekkeen merkitty yhtäsuuruus

Hyvyyskriteerit. ELEC-C1230 Säätötekniikka. Luku 8: Säädetyn järjestelmän hyvyys aika- ja taajuustasossa, suunnittelu taajuustasossa, kompensaattorit

Esimerkki: Laaduntasaussäiliö. Esimerkki: Laaduntasaussäiliö. Taajuusanalyysi. ELEC-C1230 Säätötekniikka. Luku 7: Taajuusanalyysi

Tenttiin valmentavia harjoituksia

Esimerkki: Laaduntasaussäiliö. Esimerkki: Laaduntasaussäiliö. Taajuusanalyysi. ELEC-C1230 Säätötekniikka. Luku 7: Taajuusanalyysi

PID-SÄÄTIMEN MALLIPOHJAISTEN VIRITYSMENETELMIEN ANALYSOINTI JA KOKEELLINEN VERTAILU SOVELLUKSENA STIRLING-KONE

MS-A010{3,4,5} (ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 2: Sarjat

Harjoitus Etsi seuraavien autonomisten yhtälöiden kriittiset pisteet ja tutki niiden stabiliteettia:

Kurssikoe on maanantaina Muista ilmoittautua kokeeseen viimeistään 10 päivää ennen koetta! Ilmoittautumisohjeet löytyvät kurssin kotisivuilla.

Epäyhtälön molemmille puolille voidaan lisätä sama luku: kaikilla reaaliluvuilla a, b ja c on voimassa a < b a + c < b + c ja a b a + c b + c.

Insinöörimatematiikka D

2. Funktiot. Keijo Ruotsalainen. Mathematics Division

MS-A010{2,3,4,5} (SCI, ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 2: Sarjat

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

infoa Viikon aiheet Potenssisarja a n = c n (x x 0 ) n < 1

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 2: Sarjat

4 Yleinen potenssifunktio ja polynomifunktio

Tilaesityksen hallinta ja tilasäätö. ELEC-C1230 Säätötekniikka. Luku 6: Tilasäätö, tilaestimointi, saavutettavuus ja tarkkailtavuus

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Malliratkaisut 5 / vko 48

Kompleksianalyysi, viikko 6

1.4 Funktion jatkuvuus

Diskreetin LTI-systeemin stabiilisuus

Ongelma(t): Mikä on Turingin kone? Miten Turingin kone liittyy funktioihin ja algoritmeihin? Miten Turingin kone liittyy tietokoneisiin?

Analyysi III. Jari Taskinen. 28. syyskuuta Luku 1

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA

Transkriptio:

Esittely ELEC-C1230 Säätötekniikka Åström K. J., Wittenmark B.: Computer Controlled Systems - Theory and Design (3rd ed.), Prentice-Hall, 1997. Franklin, Powell, Workman: Digital Control of Dynamic Systems. Third edition, Addison Wesley, 1998. Useissa jatkuva-aikaisen säädön perusoppikirjoissa (mm. Dorf) on johdatus digitaaliseen säätöön Verkkokurssi löytyy googlaamalla (Digitaalinen säätö) Luku 9: Digitaalinen (diskreettiaikainen) säätö, johdatus, z-muunnos Johdanto, z-muunnos Esittely Diskreetit systeemit ja niiden ominaisuuksia Yleistä säätösuunnittelusta, jatkuva-aikaisen säätimen diskretointi PID-säädin ja sen diskreetit versiot, näytteenottovälin valinta Näytteenottoteoreema Analoginen (jatkuva-aikainen) säätöjärjestelmä Analogisella säätimellä säädetty prosessi

Johdanto: Digitaalinen (diskreetti, diskreettiaikainen) säätöjärjestelmä Kaksi peruslähestymistapaa tietokonesäädön suunnitteluun a. A/D-muunnoksessa analoginen signaali näytteistetään (sampling); D/A-muunnoksessa diskreetti säätösignaali muunnetaan analogiseksi (pito). b. AS-laitos Johdanto Systeemi sisältää sekä analogisia että digitaalisia signaaleja (hybridijärjestelmä) Analogisesta säädöstä tuttu perusongelma: miten tällaisia dynaamisia järjestelmiä käsitellään analyyttisesti? Ovatko jatkuvien järjestelmien aika- ja taajuustason menetelmät käytettävissä? Ovatko modifioitavissa? Miten säätimiä suunnitellaan? Entä implementoinnissa huomioitavat seikat? Kaksi lähestymistapaa: a. Suunnitellaan prosessille ensin jatkuvaaikainen säädin ja diskretoidaan se; b. Muodostetaan prosessille diskreetti ekvivalentti ja suunnitellaan säätäjä suoraan diskreettiajan menetelmillä. Nyt (kurssilla Säätötekniikka) käsitellään ainoastaan menetelmää a. Myöhemmin (maisteritason kurssilla Digitaalinen ja Optimaalinen säätö) lähtökohtana on b.). Aloitetaan: z-muunnos (vastine Laplace-muunnokselle) Lukujonon z-muunnos määritellään lyhyemmin tai Jatkuvat järjestelmät: (differentiaaliyhtälöt/laplace-muunnos) Diskreetit järjestelmät: (differenssiyhtälöt/z-muunnos)

Esim. Aikadiskreetti impulssi Lukujono on impulssi (pulssi) voimakkuudella f0 jossa Z-muunnos: eli Esim. Aikadiskreetti (yksikkö)askelfunktio Lukujono Termeissä tai toisin merkittynä k on juokseva (0,1,2,...) aikaa kuvaava indeksi. Absoluuttiaika hetkellä k on kt, jossa T on näyteväli (diskretointiväli). Askelfunktion z-muunnos: (geometrisen sarjan summa) Esim. Siis pulssijono on Siirto ajassa ( oikealle =viive, vasemmalle =ennakointi) Pulssijono f(k): Summa konvergoi kompleksitason alueella eli silloin, kun Konvergenssialueeseen ei tarvitse jatkossa kiinnittää huomiota, niinkuin ei Laplace-muunnoksenkaan kanssa tehty

Viivästys yhdellä näytevälillä: Ennakointi yhdellä näytevälillä: Siis yhden askeleen viive merkitsee kertomista termillä ; vastaavasti :llä, kun viive n askelta Vrt. Derivaatan Laplace-muunnokseen aikajatkuvassa tapauksessa Aikadiskreetti systeemi Esim. Ensimmäisen kertaluvun differentiaaliyhtälön sukulainen on differenssiyhtälö Alkuehdot esim. y(0)=0, u(0)=1, u(k)=0, k >0 Lasketaan suoraan yhtälöstä (differenssiyhtälö on suoraan laskenta-algoritmi Siis tuloksena on lukujono

Huomaa, että differenssiyhtälö Pulssinsiirtofunktio tarkoittaa absoluuttiajassa Z-muunnetaan systeemiyhtälö Alkuarvot merkitään nollaksi pulssinsiirtofunktiota johdettaessa, jolloin saadaan Jos tulosuureena on yksikköpulssi niin lähtö (pulssivaste) on siirtofunktion käänteismuunnos Vertaa jatkuvan ajan siirtofunktion tapaukseen Esimerkki. Toinen tapa: systeemin dynamiikka z-muunnetaan on sama kuin (siirretään vain aikaindeksiä ja huolehditaan alkuarvot oikeiksi) pulssinsiirtofunktio sarjakehitelmä käänteismuunnos termeittäin antaa pulssivasteen sama tulos

z-muunnos siis tehdään systeemimallien laskennallisen käsittelyn helpottamiseksi vrt. jälleen Laplace-muunnos jatkuvan ajan järjestelmissä. Tulokset on tulkittava ainoastaan näytteenottohetkillä Huom. muunnosparit (jälkimmäinen poikkeaa jonkin verran laplace-muunnoksen vastaavasta) Käänteismuuntamisessa sovelletaan samoja ideoita kuin jatkuvien järjestelmien tapauksessa (lausekkeiden muokkaus ja taulukot) Esim. Mutta: Tällaisille termeille ei löydy käänteismuunnosta taulukoista. Luovuutta! 1. ; 2. ; Siis Sulkutermin sisällä olevan lausekkeen käänteismuunnos on :llä kertominen merkitsee 1. askeleen viivästystä. Siis koko lausekkeen käänteismuunnos on eli Stabiilisuus Pulssinsiirtofunktioilla voidaan laskea kuten jatkuvien järjestelmien siirtofunktioillakin. Voidaan esim. muodostaa suljetun järjestelmän (pulssin)siirtofunktio, jonka nimittäjää kutsutaan karakteristiseksi polynomiksi. Sen nollakohdat ovat systeemin navat. Siirtofunktion osoittajan nollakohdat ovat systeemin nollat. Pulssinsiirtofunktio voidaan jakaa summaksi, jonka termit ovat muotoa ;käänteismuunnos pysyy rajoitettuna, kun Jos yksikin termi räjähtää, koko vaste menee epästabiiliksi.

Stabiilisuusalue: Siirto-operaattorit Siirto-operaattori q eteenpäin ajassa Siirto-operaattori taaksepäin ajassa Diskreetti systeemi on stabiili täsmälleen silloin, kun navat (b, c, d) ovat yksikköympyrän sisällä. Vertaa vasen puolitaso jatkuvien järjestelmien tapauksessa. Vastaavasti (Jatkuva-aikaisissa tarkasteluissa on vain derivaattaoperaattori p.) Esim. Aikatason differenssiyhtälö (systeemin tulo-lähtöesitys) Huomaa muodollinen ekvivalenssi voidaan merkitä muodossa jossa ovat operaattoripolynomeja. Vastaavanlainen esitys voidaan kirjoittaa :n potenssien avulla. Kyse on kuitenkin eri asioista: kun käytetään p :tä tai q:ta, toimitaan aikatasossa. s ja z liittyvät muunnoksiin, joilla siirrytään aikatasosta laplace- tai z-tasoon. Voi tuntua turhalta teoretisoinnilta. Kuitenkin säätötekniikassa on erilaisia suunnittelumenetelmiä, joissa lähtökohtana on selkeästi joko aikatason esitys tai siirtofunktioesitys.

Tilaesityksestä pulssinsiirtofunktioon Diskreeteillä järjestelmillä tilaesitys määritellään aivan analogisesti kuin jatkuvien järjestelmien tapauksessa; yhtälöiden derivaatat vain korvataan siirto-operaatiolla. Saadaan pulssinsiirtofunktio Ryhdytään etsimään siirtofunktiota. Z-muunnetaan yhtälöt ja eliminoidaan tilamuuttujat (vrt. jälleen jatkuva-aikainen tapaus) vrt. jatkuva-aika: Tulo-lähtöesityksestä tilaesitykseen Siirretään q:ta sisältävät termit vasemmalle, muut oikealle Aivan samankaltainen systemaattinen menettely kuin jatkuvilla järjestelmillä on käytettävissä Esim. Kirjoitetaan vasen puoli sisäkkäisinä sulkulausekkeina ja valitaan tilamuuttujat -tilaesitys? -pulssinsiirtofunktio? Kirjoitetaan yhtälö q-operaattorin avulla

Tilaesitykseksi saadaan Pulssinsiirtofunktio joka matriisiesityksenä on Nollat: Navat: Navat ovat yksikköympyrän sisällä, joten systeemi on stabiili.