Reglerteori, TSRT09. Föreläsning 10: Fasplan. Torkel Glad. Reglerteknik, ISY, Linköpings Universitet. Torkel Glad Reglerteori 2015, Föreläsning 10

Relevanta dokument
TSRT09 Reglerteori. Sammanfattning av föreläsning 9. Cirkelkriteriet. Sammanfattning av föreläsning 9, forts. Amplitudstabilitet hos svängningar

Reglerteori. Föreläsning 10. Torkel Glad

Reglerteori, TSRT09. Föreläsning 8: Olinjäriteter och stabilitet. Torkel Glad. Reglerteknik, ISY, Linköpings Universitet

Exempel: DC-servo med styrsignalmättning DEL III: OLINJÄR REGLERTEORI. DC-servo forts.: Rampsvar och sinussvar

Reglerteori. Föreläsning 11. Torkel Glad

Reglerteori. Föreläsning 8. Torkel Glad

TSRT09 Reglerteori. Sammanfattning av föreläsning 10. Fasplan. Olika typer av jämviktspunkter. Samband linjärt olinjärt: nära jämviktspunkt

Lösningsförslag TSRT09 Reglerteori

Cirkelkriteriet (12.3)

Lösningsförslag till tentamen i Reglerteknik fk M (TSRT06)

TSRT09 Reglerteori. Sammanfattning av föreläsning 8. Inversa cirkelkriteriet. Föreläsning 9. Föreläsning 9: Cirkelkriteriet och beskrivande funktion

Lösningsförslag TSRT09 Reglerteori

TENTAMEN I TSRT09 REGLERTEORI

Olinjära system (11, 12.1)

För ett andra ordningens system utan nollställen, där överföringsfunktionen är. ω 2 0 s 2 + 2ζω 0 s + ω0

Lösningsförslag TSRT09 Reglerteori

Analys av jämviktslägen till differentialekvationer

ÖVNINGSTENTAMEN Modellering av dynamiska system 5hp

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings universitet

Föreläsning 3. Reglerteknik AK. c Bo Wahlberg. 9 september Avdelningen för reglerteknik Skolan för elektro- och systemteknik

TSRT09 Reglerteori. Reglerteknik. Vilka är systemen som man styr? Vilka är systemen som man styr? Föreläsning 1: Inledning, reglerproblemet

TENTAMEN I TSRT09 REGLERTEORI

TSRT09 Reglerteori. Sammanfattning av Föreläsning 1. Sammanfattning av Föreläsning 1, forts. Sammanfattning av Föreläsning 1, forts.

Övning 3. Introduktion. Repetition

REGLERTEKNIK KTH. REGLERTEKNIK AK EL1000/EL1110/EL1120 Kortfattade lösningsförslag till tentamen , kl

Figur 2: Bodediagrammets amplitudkurva i uppgift 1d

Lösningar Reglerteknik AK Tentamen

x(t) I elimeringsmetoden deriverar vi den första ekvationen och sätter in x 2(t) från den andra ekvationen:

= y(0) för vilka lim y(t) är ändligt.

TSRT91 Reglerteknik: Föreläsning 4

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings universitet

SF1633, Differentialekvationer I Tentamen, torsdagen den 7 januari Lösningsförslag. Del I

STABILITET FÖR LINJÄRA HOMOGENA SYSTEM MED KONSTANTA KOEFFICIENTER

REGLERTEKNIK KTH REGLERTEKNIK AK EL1000/EL1110/EL En tillståndsmodell ges t.ex. av den styrbara kanoniska formen: s 2 +4s +1.

Reglerteknik AK Tentamen

TENTAMEN I TSRT09 REGLERTEORI

Lösningsförslag till tentamen i Reglerteknik (TSRT19)

1 dy. vilken kan skrivas (y + 3)(y 3) dx =1. Partialbråksuppdelning ger y y 3

Föreläsning 1 Reglerteknik AK

Stabilitet m.a.p. begynnelsedata

TENTAMEN I TSRT09 REGLERTEORI

Reglerteknik AK, FRTF05

Stabilitetsanalys och reglering av olinjära system

Reglerteknik I: F6. Bodediagram, Nyquistkriteriet. Dave Zachariah. Inst. Informationsteknologi, Avd. Systemteknik

Reglerteori. Föreläsning 12. Torkel Glad

TSRT91 Reglerteknik: Föreläsning 4

Tentamensskrivning i Differentialekvationer I, SF1633(5B1206). Webbaserad kurs i differentialekvationer I, SF1656.

Diagonalisering och linjära system ODE med konstanta koe cienter.

Figure 1: Blockdiagram. V (s) + G C (s)y ref (s) 1 + G O (s)

Reglerteknik AK, FRT010

G(s) = 5s + 1 s(10s + 1)

Lösningar till Tentamen i Reglerteknik AK EL1000/EL1100/EL

Reglerteknik AK. Tentamen 24 oktober 2016 kl 8-13

TSRT91 Reglerteknik: Föreläsning 10

Reglerteknik AK. Tentamen 9 maj 2015 kl 08 13

Föreläsning 2. Reglerteknik AK. c Bo Wahlberg. 3 september Avdelningen för reglerteknik Skolan för elektro- och systemteknik

TENTAMEN I TSRT09 REGLERTEORI

IV, SF1636(5B1210,5B1230).

Nyquistkriteriet, kretsformning

Tentamen i tmv036c och tmv035c, Analys och linjär algebra C för K, Kf och Bt A =, = det(a λi) = e 2t + c 2. x(t) = c 1. = c 1.

KTH Matematik Tentamensskrivning i Differentialekvationer och transformer III, SF1637.

1RT490 Reglerteknik I 5hp Tentamen: Del B

Tentamen SF1633, Differentialekvationer I, den 23 oktober 2017 kl

Reglerteori. Föreläsning 4. Torkel Glad

Dagens tema. Fasplan(-rum), fasporträtt, stabilitet (forts.) (ZC sid 340-1, ZC10.2) Om högre ordnings system (Tillägg)

Gripenberg. Mat Grundkurs i matematik 1 Tentamen och mellanförhörsomtagning,

Frekvensbeskrivning, Bodediagram

Lösningsförslag till tentamen i Reglerteknik Y/D (TSRT12)

ERE 102 Reglerteknik D Tentamen

TENTAMEN Modellering av dynamiska system 5hp

Föreläsning 7. Reglerteknik AK. c Bo Wahlberg. 26 september Avdelningen för Reglerteknik Skolan för elektro- och systemteknik

Tentamensskrivning i Differentialekvationer I, SF1633(5B1206).

= e 2x. Integrering ger ye 2x = e 2x /2 + C, vilket kan skrivas y = 1/2 + Ce 2x. Här är C en godtycklig konstant.

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings universitet

Reglerteknik AK, FRTF05

Robust flervariabel reglering

Egenvärden och egenvektorer

1RT490 Reglerteknik I 5hp Tentamen: Del B

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings universitet

Lösningar Reglerteknik AK Tentamen

REGLERTEKNIK KTH REGLERTEKNIK AK EL1000/EL1110/EL1120

Övningar i Reglerteknik

SF1624 Algebra och geometri Lösningsförsag till modelltentamen

Systemteknik/Processreglering F6

Nyquistkriteriet. Henrik Sandberg. Extra material till Reglerteknik AK 19 maj 2014

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings universitet

1. Beräkna volymen av det område som begränsas av paraboloiden z = 4 x 2 y 2 och xy-planet. Lösning: Volymen erhålles som V = dxdydz.

TENTAMEN I REGLERTEKNIK TSRT03, TSRT19

1RT490 Reglerteknik I 5hp Tentamen: Del B

ERE103 Reglerteknik D Tentamen

REGLERTEKNIK KTH. REGLERTEKNIK AK EL1000/EL1110/EL1120 Tentamen , kl

Sammanfattning av föreläsning 4. Modellbygge & Simulering, TSRT62. Föreläsning 5. Identifiering av olinjära modeller

= = i K = 0, K =

TENTAMEN I TSRT09 REGLERTEORI

Egenvärden och egenvektorer. Linjär Algebra F15. Pelle

Transkript:

Reglerteori, TSRT09 Föreläsning 10: Fasplan Reglerteknik, ISY, Linköpings Universitet

Sammanfattning av föreläsning 9. Nyquistkriteriet 2(25) Im G(s) -1/k Re -k Stabilt om G inte omsluter 1/k. G(i w)

Sammanfattning av föreläsning 9. Cirkelkriteriet 3(25) Linjärt system G(s) återkopplat med en statisk olinjäritet f (x) f (0) = 0, k 1 f (x) k 2 x Stabilt om nyquistkurvan till G(iω) inte omcirklar eller går in i cirkeln. Im 1 k 1 1 k 2 Re G(iω)

Sammanfattning av föreläsning 9, forts. 4(25) Beskrivande funktion: självsvängningar i denna struktur: G f f representeras av amplitudberoende förstärkning Y f (C), C amplitud. Självsvängningsvillkor: Y f (C)G(iω) = 1. Grafisk representation: Skärning mellan Nyquistkurvan G(iω) och 1/Y f (C). Stabilitet hos svängningen. Metoden är bara approximativ.

Amplitudstabilitet hos svängningar 5(25) Indikation på stabil (vänster) respektive instabil (höger) självsvängning. Im Im G(iω) G(iω) 1 Y f (C) Re 1 Y f (C) Re Rör sig 1/Y f (C) mot eller bort från skärningspunkten med G(iω)?

Amplitudstabilitet forts. 6(25) Indikation på utdöende (vänster) respektive obegränsat växande (höger) svängningar. Im Im G(iω) G(iω) 1 Y f (C) Re 1 Y f (C) Re 1/Y f (C) skär aldrig G(iω). Omcirklas 1/Y f (C), eller inte?

Föreläsning 10 7(25) Fasplan. Att approximativt kunna skaffa sig en uppfattning om ett olinjärt systems lösningar ( banor ).

Fasplan 8(25) Fasrum: gammalt namn på tillståndsrum. Fasplan: tvådimensionellt tillståndsrum. Fasplan är lätta att illustrera grafiskt. En hel del kan generaliseras till högre dimensioner.

Linjära system. Egenvektorer 9(25) x 2 egenvektor x 1 ẋ = Ax, x = e λt v Av = λv är en lösning

Klassificering av jämviktspunkter 10(25) Beroende på om egenvärdena är reella eller komplexa, samt realdelens tecken, fås principiellt olika beteenden.

Tvåtangentnod 11(25) Stabil (vänster) och instabil (höger) tvåtangentnod: Stabil: Två reella olika negativa egenvärden. Instabil: Två reella olika positiva egenvärden. Principiella utseendet bestäms av egenvektorerna och relationen mellan beloppen av egenvärdena. Hastigheten bestäms av beloppet av egenvärdet.

Tvåtangentnod, forts. 12(25) 10 t=10s x 2 8 6 4 2 0 2 4 6 8 Snabb egenvektor : λ 1 = 2.4 Långsam egenvektor : λ 2 = 0.52 10 10 5 0 5 10 x 1

Sadelpunkt 13(25) Två reella egenvärden med olika tecken. Principiella utseendet och hastigheten enl. tidigare. Startar man precis rätt slutar man i origo, annars...

Sadelpunkt, forts. 14(25) 50 t=10s x 2 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 Instabil egenvektor : λ 1 = 0.18 Stabil egenvektor : λ 2 = 0.11 60 40 20 0 20 40 60 x 1

Entangentnod och stjärnnod 15(25) Sammanfallande egenvärden λ = λ 1 = λ 2. Stabil entangentnod till vänster (instabil: byt riktning). Det gick inte att hitta 2 st linjärt oberoende egenvektorer. Lösningen byter struktur. Stabil stjärnnod till höger (instabil: byt riktning). Man kan välja 2 st linjärt oberoende egenvektorer.

Fokus och centrum 16(25) Komplexkonjugerade egenvärden σ ± iω. [ ] σ ω ẋ = x ω σ Om systemet inte redan är på denna form kan man göra ett variabelbyte x = T x för att komma dit.

Fokus och centrum 16(25) Utför variabelbyte x 1 = r cos φ och x 2 = r sin φ: ṙ = σr φ = ω Lösningen blir spiraler eftersom φ växer (ω > 0 imaginärdelen). Avståndet till origo avtar om σ < 0 och ökar om σ > 0.

Fokus och centrum 16(25) Om σ = 0 så är avståndet konstant till origo, resultatet blir alltså cirklar kring origo.

Fokus och centrum 16(25) Vi har alltså två fall: Stabilt fokus till vänster (instabilt fokus: byt riktning på pilarna). Centrum till höger.

Fokus och centrum, forts. 17(25) t=10s 10 5 x 2 0 5 10 10 5 0 5 10 x 1

Samband linjärt olinjärt: nära jämviktspunkt 18(25) Om det linjära systemet ẋ = Ax har en jämviktspunkt av typen en/tvåtangentnod, fokus eller sadelpunkt för x = 0 så har det olinjära systemet ẋ = Ax + g(x), g(x) / x 0, x 0 samma kvalitativa uppförande nära origo (så snart lösningen befinner sig tillräckligt nära ).

Samband linjärt olinjärt, forts. 19(25) På samma sätt, om det linjäriserade systemets jämviktspunkt är ett centrum så kan det olinjära beteendet både vara av typen (instab./stab.) fokus som centrum. en stjärnnod, kan man i princip inte säga något om det olinjära systemets fasplan nära jämviktspunkten.

Fasplanet långt från jämviktspunkter 20(25) Givet ett olinjärt andra ordningens system ẋ 1 = f 1 (x 1, x 2 ) ẋ 2 = f 2 (x 1, x 2 ) Bilda derivatan dx 2 = dx 2 dt = ẋ2 = f 2(x 1, x 2 ) dx 1 dt dx 1 ẋ 1 f 1 (x 1, x 2 ) Detta är alltså lutningen för x 2 som en funktion av x 1, oberoende av tiden t. Speciellt är banan vågrät för de (x 1, x 2 ) där f 2 (x 1, x 2 ) = 0 och lodrät där f 1 (x 1, x 2 ) = 0. Beteendet långt ut i fasplanet kan fås från gränsvärdena f 2 (x 1, x 2 ) lim x 1 ± f 1 (x 1, x 2 ), lim f 2 (x 1, x 2 ) x 2 ± f 1 (x 1, x 2 )

Två exempel med tre tillståndsvariabler 21(25) Exempel på generalisering till högre dimension: Stabilt nodfokus (vänster). Fokus + ett reellt egenvärde. Stabil tretangentnod (höger). Generalisering av tvåtangentnod, nu med tre reella egenvärden. Och alla kombinationer av dessa... 1 1 0.8 0.8 0.6 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 0 1 0 1 0.5 0 0.5 1 1 0.5 0 0.5 1 0.5 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Fasplan för generator 22(25) 4 3 2 1 0 1 2 3 4 4 3 2 1 0 1 2 3 4 Jämviktspunkten i origo är ett stabilt fokus. Jämviktspunkterna i (±π, 0) är sadelpunkter (röda linjerna visar egenvektorerna). Jmf. utseendet hos Lyapunovfunktionen på tidigare föreläsning!

Instabilitet hos järnvägsfordon 23(25) Tvärsrörelsen hos lok och järnvägsvagnar blir ibland instabil: (Källa: La vie du rail)

Instabilitet hos järnvägsfordon 23(25) Tvärsrörelsen hos lok och järnvägsvagnar blir ibland instabil: (Källa: Wikipedia)

Hjulaxelns fasplan 24(25) En förenklad linjäriserad modell för en hjulaxel till en järnvägsvagn är: [ ] [ d λ αv = 2 ] [ ] ɛ 1 λ dt θ β αv 2 (1) θ där λ är förskjutningen i sidled och θ är axelns vridningsvinkel i horisontalplanet. α, β och ɛ är positiva konstanter. V är hastigheten i rälsens riktning. Vid måttliga hastigheter är diagonalelementen små så att egenvärdena är nästan rent imaginära med imaginärdelar ± β. Realdelarna har samma tecken som 2αV 2 ɛ. Vid låga hastigheter är fasplanet alltså ett stabilt fokus, över gränshastigheten V = 0.5ɛ/α ett instabilt fokus.

Hjulaxeldynamik, forts. 25(25) Att titta på en ensam axel är naturligtvis mycket förenklat, men en början. Sedan måste man ta hänsyn till att axlarna sitter i boggier, som bär upp vagnarna, som är hopkopplade till tågsätt. Även i mer realistiska fall är slutsatsen densamma: det finns en kritisk hastighet och över den är rörelsen instabil. Utvecklingen mot höghastighetståg har bl.a. möjliggjorts av att man teoretisk förstår och kan räkna på instabilitetsfenomenen. Man tittar numera på möjligheten att styra hjulaxlarna aktivt i ett återkopplat system.