Modellering av Dynamiska system. - Uppgifter till övning 1 och 2 17 mars 2010

Relevanta dokument
Olinjära system (11, 12.1)

ÖVNINGSTENTAMEN Modellering av dynamiska system 5hp

Systemteknik/Processreglering F3

TENTAMEN I REGLERTEKNIK Y/D

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

Övningar i Reglerteknik. Differentialekvationer kan lösas med de metoder som behandlades i kurserna i matematisk analys. y(0) = 2,

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

Reglerteknik AK. Tentamen 24 oktober 2016 kl 8-13

Reglerteknik AK, FRTF05

AUTOMATIC CONTROL REGLERTEKNIK LINKÖPINGS UNIVERSITET. M. Enqvist TTIT62: Föreläsning 2. Här är

TSRT91 Reglerteknik: Föreläsning 2

Välkomna till TSRT19 Reglerteknik Föreläsning 3. Sammanfattning av föreläsning 2 PID-reglering Blockschemaräkning Reglerdesign för svävande kula

Välkomna till TSRT15 Reglerteknik Föreläsning 2

9. Magnetisk energi Magnetisk energi för en isolerad krets

Välkomna till Reglerteknik Föreläsning 2

9. Magnetisk energi [RMC 12] Elektrodynamik, vt 2013, Kai Nordlund 9.1

TSDT18/84 SigSys Kap 4 Laplacetransformanalys av tidskontinuerliga system. De flesta begränsade insignaler ger upphov till begränsade utsignaler

Föreläsning 1 Reglerteknik AK

Systemteknik/Processreglering F6

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings universitet

Välkomna till TSRT19 Reglerteknik Föreläsning 10

Reglerteknik I: F1. Introduktion. Dave Zachariah. Inst. Informationsteknologi, Avd. Systemteknik

Laplacetransform, poler och nollställen

= y(0) för vilka lim y(t) är ändligt.

Kan vi beskriva ett system utan någon fysikalisk kännedom om systemet?

Vågrörelselära och optik

TENTAMEN I REGLERTEKNIK

Tentamen i Elektronik för E (del 2), ESS010, 5 april 2013

Reglerteori. Föreläsning 11. Torkel Glad

Lösningsförslag till tentamen i Reglerteknik fk M (TSRT06)

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

Mekanik Föreläsning 8

9. Magnetisk energi Magnetisk energi för en isolerad krets

Välkomna till TSRT15 Reglerteknik Föreläsning 12

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

EL1000/1120/1110 Reglerteknik AK

Kryssproblem (redovisningsuppgifter).

y(0) = e + C e 1 = 1

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

Tentamen ssy080 Transformer, Signaler och System, D3

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings universitet

Mekanik I Newtonsk mekanik beskrivs rörelsen för en partikel under inverkan av en kraft av

TSIU61: Reglerteknik. Tillståndsbeskrivning. Lite om tillstånd och återkoppling

Tentamen SF1633, Differentialekvationer I, den 23 oktober 2017 kl

3. Matematisk modellering

Välkomna till TSRT19 Reglerteknik Föreläsning 12

Bestäm uttrycken för följande spänningar/strömmar i kretsen, i termer av ( ) in a) Utspänningen vut b) Den totala strömmen i ( ) c) Strömmen () 2

dx/dt x y + 2xy Ange även ekvationerna för de mot de stationära punkterna svarande linjariserade systemen.

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

Övningar till datorintroduktion

1. Lös ut p som funktion av de andra variablerna ur sambandet

SF1626 Flervariabelanalys

Fredrik Lindsten Kontor 2A:521, Hus B, Reglerteknik Institutionen för systemteknik (ISY)

KOMIHÅG 12: Ekvation för fri dämpad svängning: x + 2"# n

BEGREPPSMÄSSIGA PROBLEM

TENTAMEN Modellering av dynamiska system 5hp

Sammanfattning av kursen ETIA01 Elektronik för D, Del 1 (föreläsning 1-10)

Föreläsning 17: Jämviktsläge för flexibla system

övningstentamen I DYNAMISKA SYSTEM OCH REGLERING

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

Modeller för dynamiska förlopp

TSRT91 Reglerteknik: Föreläsning 10

Lösningsförslat ordinarie tentamen i Mekanik 2 (FFM521)

Laboration 2 M0039M, VT2016

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

TSRT21 Dynamiska system och reglering Välkomna till Föreläsning 10

TENTAMEN TEN2 i HF1006 och HF1008

Reglerteknik AK. Tentamen 9 maj 2015 kl 08 13

TENTAMEN HF1006 och HF1008

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

Reglerteknik I: F2. Överföringsfunktionen, poler och stabilitet. Dave Zachariah. Inst. Informationsteknologi, Avd. Systemteknik

Mekanik SG1108 Mekanikprojekt Dubbelpendel

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

. Bestäm för denna studs stöttalet e! Lösning: Energiprincipen för bollens fall ner mot underlaget ger omedelbart före stöt:

1. Talföljden {t n } n=0 24, n = 13, då den för n 2 satisfierar differensekvationen 12t n 8t n 1 + t n 2 =

ODE av andra ordningen, och system av ODE

Linjärisering, Jacobimatris och Newtons metod.

1+v(0)kt. + kt = v(0) . Detta ger sträckan. x(t) = x(0) + v(0) = x(0) + 1 k ln( 1 + v(0)kt ).

Ordinära differentialekvationer,

TENTAMEN I REGLERTEKNIK

Lösningsförslag TSRT09 Reglerteori

KTH Matematik Tentamensskrivning i Differentialekvationer I, SF1633.

Lennart Edsberg Nada,KTH Mars 2003 LABORATIONSHÄFTE NUMERISKA METODER GRUNDKURS 1, 2D1210 LÄSÅRET 02/03. Laboration 3 4. Elmotor med resonant dämpare

Lösningar Reglerteknik AK Tentamen

Veckans teman. Repetition av ordinära differentialekvationer ZC 1, 2.1-3, 4.1-6, 7.4-6, 8.1-3

TENTAMEN HF1006 och HF1008

DIFFERENTIALEKVATIONER. INLEDNING OCH GRUNDBEGREPP

Teori för linjära ordinära differentialkvationer med konstanta koefficienter

System av ordinära differentialekvationer

Statisk olinjäritet. Linjärt dynamiskt system

TENTAMEN HF1006 och HF1008

Reglerteknik AK. Tentamen 27 oktober 2015 kl 8-13

Tentamen, Matematik påbyggnadskurs, 5B1304 fredag 20/ kl

För startpopulationer lika med de stationära lösningarna kommer populationerna att förbli konstant.

Transkript:

Modellering av Dynamiska system - Uppgifter till övning 1 och 2 17 mars 21

Innehållsförteckning 1. Repetition av Laplacetransformen... 3 2. Fysikalisk modellering... 4 2.1. Gruppdynamik en sciologisk modell... 4 2.2. Är systemet linjärt?... 4 2.3. En elektrisk krets... 5 2.4. Kemisk reaktion... 5 2.5. Fordonsdynamik... 6 2.6. Inverterad pendel... 7 Facit... 8

1. Repetition av Laplacetransformen 1.1. Bestäm Laplacetransformen för: a) f t = 2t 2 e t b) f t = t 2 + 1 2 c) f t = sin t cos t 2 d) f t = e 2t sin 3t e) f t = t 3 sin 3t 1.2. Laplacetransformera följande uttryck f t = t 1 2 1.3. Beräkna: t > 1 annars I = te 3t sin t dt 1.4. Lös följande differentialekvation med hjälp av L-transformen y t + 4y t = y = α, y = β 1.5. Inverstransformera: a) F s = 1 s s+1 b) F s = 3 s 1 2 c) F s = 1 s s+2 2 1.6. Lös integralekvationen f t + 2 t f t x cos x dx 1.7. Lös differentialekvationen = e t y t 2y t + y t = te t sin t, y = y =

2. Fysikalisk modellering 2.1. Gruppdynamik en sciologisk modell Relationer inom en grupp av personer är ett område som ingående studerats av psykologer och sociologer. I en enkel modell kan relationerna karaktäriseras av följande variabler. I(t): V(t): A(t): Y(t): Intensiteten hos växelverkan mellan gruppmedlemmarna (dvs. hur mycket de måste arbeta tillsammans och utbyta synpunkter). Vänskapsnivån inom gruppen (ett mått på hur goda relationerna mellan gruppmedlemmarna är). Mängden arbete eller aktivitet som gruppen utför. Mängden arbete eller aktivitet som gruppen ålagts att utföra (av yttre organ eller omgivning). Alla dessa variabler kan förändras med tiden. Sociologen G. C. Homans har gett följande verbala modell för hur förändringen sker. 1. Gruppens växelverkan I(t) beror på mängden aktivitet och på vänskapsnivån. 2. Vänskapsnivån V(t) stiger om växelverkan är större än vad som är normalt för den aktuella vänskapsnivån. 3. Aktivitetsnivån A(t) stiger om det ålagda arbetet är större än den aktuella nivån på A(t). Den stiger också om vänskapsnivån är större än vad som är normalt motiverar den aktuella aktivitetsnivån. Ställ upp en linjär differentialekvationsmodell för gruppdynamiken baserad på dessa iakttagelser. 2.2. Är systemet linjärt? Visa vilket/vilka av nedanstående system som är linjära. Redogör även för vilket/vilka av systemen som är dynamiska. a) y t + 3y t = 17u t b) y t = 2 sin u t c) y t = u 2 t d) t 2 y t + y t = 5u t

2.3. En elektrisk krets Betrakta följande elektriska krets som innehåller den olinjära komponenten N t = k i 2 t, k >, för vilken gäller att spänningsfallet är k i 2 t. a) Ställ upp en differentialekvation för kretsen b) Antag att insignalen är en konstant u t = u. Beräkna den stationära punkt detta motsvarar. 2.4. Kemisk reaktion För en kemisk reaktion gäller att den energi som bildas per tidsenhet är k 1 T t T 3 medan värmeförlusten till omgivningen per tidsenhet är k 2 T t T. Här betecknar T(t) (i Kelvin) reaktionstemperaturen, T är omgivningens temperatur och k 1 och k 2 värmeövergångstal (i [J/(K s)]). Om C [J/K] är värmekapaciteten hos de reagerande ämnena gäller att För enkelhetens skull antas här att C=k 1 =k 2 =1 Ange systemets stationära punkter. CT = k 1 T t T 3 k 2 T t T

2.5. Fordonsdynamik Vi ska nu bygga en gradvis förfinad modell av en bilstötdämpare. a) En enkel första approximation ges av följande mekanism: Här är m 1 bilens massa och fjädern med fjäderkonstant k 1 representerar stötdämparen. Mass/fjädersystemet är i nederänden förankrat i vårt referensplan. Modellera systemet då kraften F(t) är insignal och hastigheten v 1 (t) utsignal. Hänsyn ska även tas till gravitationen g. Använd blockschemarepresentation och ta fram en differentialekvation för systemet samt skriv denna på tillståndsform. b) Vi utvidgar nu mekanismen med en dämpare vars motverkande kraft ges av F 2 t = bv 1 t : Utgå ifrån a) och ange en modell för det modifierade systemet.

2.6. Inverterad pendel En inverterad pendel är en pendel som startar i en position vertikalt uppåt från en fast punkt. Pendelns kulla har massa m och stången som kullan är fäst på har försumbar massa med längden L. Sträckan som pendeln rör sig från sitt toppläge längs cirkelns rand betecknas x(t), där positiv sträcka är motsols i cirkeln. Vinkeln θ(t) är vinkeln som pendeln utgör från dess startposition och g är gravitationskonstanten. Ställ upp en differentialekvation för det odämpade systemet och linjärisera kring utgångsläget för pendeln, θ(t)=. Beräkna det linjäriserade systemets poler och stabilitet.

Facit 1. Repetition av Laplacetransformen 1.1 a) F s = 4 s 3 1 s+1 b) F s = s4 +4s 2 +24 s 5 c) F s = 1 s 2 d) F s = s 2 +4 3 s 2 2 +9 e) F s = 72 s3 9s s 2 +9 4 1.2 F s = 2e s s 3 1.3 Sätt f t = t sin t och utnyttja definitionen på Laplacetransformen. 2s F s = s 2 + 1 2 I = F 3 = 3 5 =.6 1.4 αs + β Y s = s 2 + 4 y t = αcos 2t + β sin 2t 2 1.5 a) f t = 1 e t b) f t = 3te t c) f t = 1 1 1 + 2t e 2t 4 1.6 f t = 1 2 et + e t 2te t 1.7 y t = 2e t 2e t cos t te t sin t 2. Fysikalisk modellering 2.1 Gruppdynamik en sociologisk modell Vi kan anta en linjärmodell med Y(t) som insignal. De olika påståendena i den verbala modellen ger oss följande matematiska modeller,

I t = a 1 A t + a 2 V t, a 1, a 2 > V t = b 1 I t V t, b 1 > A t = c 1 Y t A t + c 2 V t A t, c 1, c 2 > Efter eliminering av I(t) ges slutligen gruppdynamiken utav, V = a 1 b 1 A t + b 1 a 2 1 V t A = c 1 Y t c 1 + c 2 A t + c 2 V t 2.2 Är systemet linjärt? a) Linjärt och dynamiskt b) Olinjärt och icke dynamiskt c) Olinjärt och dynamiskt d) Linjärt och dynamiskt (och tidsvariabelt) 2.3 En elektrisk krets a) Om man nyttjar följande tre fysikaliska lagar, Kirchhoff 2: Ohms lag: Induktans: u t = u R t + u L t + u N t u R t = R i t u L t = L di dt u N t = k i 2 t är det enkelt att ställa upp differentialekvation enligt: L di dt + Ri t + ki2 t = u t b) Den stationära punkten ges då di dt = vilket resulterar i punkten, u, R 2k + R 2 + u 4k 2 k

2.4 Kemisk reaktion Systemet har stationära punkter i, T 1 = T oc T 1 = T ± 1 2.5 Fordonsdynamik a) Ur figuren ges följande samband, ΔF t = F t m 1 g F 1 t i Där F 1 t är den kraft som fjädern utövar på massan. Med hjälp av Newtons andra lag ΔF t = m 1 a t och att hastigheten är derivatan av sträckan, v 1 t = x t, samt att F 1 t = k 1 x t kan vi skriva om (i) som en 2:a ordningens differentialekvation, m 1 x = F t m 1 g k 1 x t Väljer vi sträckan som vårt första tillstånd och massans hastighet som det andra tillståndet (vilket också är utsignalen) får vi systemet på tillståndsform enligt, x 1 t = x t x 2 t = v 1 t x 1 t = x 2 t x 2 t = k 1 m 1 x 1 t + 1 m 1 u t g Alternativt på matrisform, x t = y = 1 k 1 m 1 1 x t x t + 1 m 1 u t 1 g b) Formel (i) modifieras enligt, ΔF t = F t m 1 g F 1 t F 2 t där F 2 (t) är kraften ifrån dämparen som verkar på massan, F 2 t = bv 1 t Detta resulterar, med ovan valda tillstånd, i tillståndsformen, x t = y = 1 k 1 b x t + m 1 m 1 1 x t 1 m 1 u t 1 g 2.6 Inverterad pendel Gravitationskraften är riktad direkt neråt och har en magnitud av mg. Kraften som verkar i tangentens riktning är F t = mg sin (θ) och från Newtons andra lag erhålls ekvationen

d2 x dt 2 = g sin θ Det gäller att x = Lθ där enbart θ är tidsberoende vilket resulterar i differentialekvationen för det odämpade systemet, d 2 θ dt 2 = g L sin θ θ g sin θ = L Linjärisering kring punkten θ = medför att sin θ θ vilket resulterar i θ g L θ = En Laplacetransformering ger karaktäristiska ekvationen θ s s 2 g L = Detta ger upphov till en instabil pol i g L och en stabil pol i g L. Den inverterade pendeln är alltså instabil, vilket är intuitivt uppenbart! Denna typ av dynamik finns hos oss människor när vi står upp (eller när man vill att en robot ska kunna stå). I reglerteknikkursen kommer ni att lära er hur man kan stabilisera ett instabilt system med hjälp av återkoppling. Se exempelvis, http://www.youtube.com/watch?v=mwjhci7ucue