sistemi automatskog upravljanja - ucg.ac.me · usljed okretanja motora na namotajima se indukuje...

34
SISTEMI AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA Žarko Zečević Elektrotehnički fakultet Univerzitet Crne Gore

Upload: others

Post on 31-Aug-2019

45 views

Category:

Documents


2 download

TRANSCRIPT

Page 1: SISTEMI AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA - ucg.ac.me · Usljed okretanja motora na namotajima se indukuje kontra elektromotorna sila e koja je proporcionalna brzini okretanja vratila (e =

SISTEMI AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA

Žarko ZečevićElektrotehnički fakultetUniverzitet Crne Gore

Page 2: SISTEMI AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA - ucg.ac.me · Usljed okretanja motora na namotajima se indukuje kontra elektromotorna sila e koja je proporcionalna brzini okretanja vratila (e =

Mapa kursa

Modelovanje

2

Klasifikacija sistemaDiferencijalne jednačineFunkcija prenosa• Polovi, nule, pojačanje• Strukturni blok

dijagrami• Graf toka signalaModel u prostoru stanja• Kanonične forme• Linearizacija• Rješavanje jednačina

stanja

Kontrolabilnost i opservabilnostStabilnost sistema• Raus• NikvistPerformanse SAU-a• Stacionarno stanje• Prelazni proces• Kompleksni domenFrekvencijske karakteristike• Bodeovi dijagrami

Specifikacije sistemaKompenzatori• Pojačavač• Integralni kompenzator• Diferencijalni

kompenzator• Diferencijalno -

integralni kompenzatorPID regulatorFizičke realizacijeDiskretizacija kontinualnih regulatora

DizajnAnaliza

Page 3: SISTEMI AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA - ucg.ac.me · Usljed okretanja motora na namotajima se indukuje kontra elektromotorna sila e koja je proporcionalna brzini okretanja vratila (e =

Predavanje 2

Ishodi učenja:Nakon savladavanja gradiva sa ovog predavanja studenti će moći da:

v Klasifikuju signale i sisteme prema različitim kriterijumima.

v Shvate značaj modelovanja u procesu dizajna SAU-a.

v Prepoznaju da diferencijalne jednačine mogu da modeluju dinamikufizičkih sistema.

v Razumiju primjenu Laplasove transformacije i strukturnih blokdijagrama u analizi linearnih sistema.

v Linearizuju nelinearni sistem razvojem u Tejlorov red.

3

Modelovanje SAU-a

Page 4: SISTEMI AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA - ucg.ac.me · Usljed okretanja motora na namotajima se indukuje kontra elektromotorna sila e koja je proporcionalna brzini okretanja vratila (e =

Klasifikacija signala

4

Signali u SAU:

Prenose informacije sa jednog sistema na drugi

Vremenski promjenljiva fizička veličina koja nosi neku informaciju

Deterministički signali Slučajni (stohastički) signali

Opisuju se nekom determinističkommatematičkom funkcijom. Promjena ovihsignala u vremenu je ekzaktno određena.Napon, pozicija, brzina, temperatura,pritisak su primjeri deterministickihsignala.

Njihova egzaktna vrijednost u datomtrenutku nije poznata. Međutim, mogu seposmatrati statistički, odnosno opisatifunkcijom raspodjele vjerovatnoće. Šumovii neke vrste poremećaja predstavljajuslučajne signale.

Page 5: SISTEMI AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA - ucg.ac.me · Usljed okretanja motora na namotajima se indukuje kontra elektromotorna sila e koja je proporcionalna brzini okretanja vratila (e =

Klasifikacija signala

5

Kontinualni Diskretan po amplitudi

Diskretan po vremenu Diskretan po amplitudi i vremenu

Definisani su u svakom trenutku vremena imogu imati bilo koju vrijednost amplitude.

Definisani su u svakom trenutku vremena imogu imati određene vrijednosti amplitude.

Definisani u određenim trenucima vremenai mogu imati bilo koju vrijednost amlitude.

Definisani u određenim trenucima vremena imogu imati određene vrijednosti amlitude.

Page 6: SISTEMI AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA - ucg.ac.me · Usljed okretanja motora na namotajima se indukuje kontra elektromotorna sila e koja je proporcionalna brzini okretanja vratila (e =

Klasifikacija sistema

U tabeli iznad je prikazana klasifikacija sistema prema različitimkriterijumima, a u nastavku su date osnovne karakteristike svih vrstasistema.

6

KRITERIJUM VRSTA SISTEMA

Broj ulaznih i izlaznih promjenljivih

SISO MIMO

Vremenska zavisnost promjenljivih

Statički Dinamički

Prostorna zavisnost promjenljivihSa koncentrisanim parametrima

Sa distribuiranim parametrima

Neprekidnost promjenljivih Kontinualni Diskretni

Veze između promjenljivih Linearni Nelinearni

Vremenska zavisnost parametara Stacionarni Nestacionarni

Vremenska uzročnost promjenljivih

Kauzalni Nekauzalni

Page 7: SISTEMI AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA - ucg.ac.me · Usljed okretanja motora na namotajima se indukuje kontra elektromotorna sila e koja je proporcionalna brzini okretanja vratila (e =

Klasifikacija sistema

SISO

Sa jednim ulazom i jednim izlazom (Single-Input and Single-Output)

MIMO

Sa više ulaza i izlaza (Multiple-Input and Multiple-Output)

Statički (bez memorije):

Izlaz u trenutku t zavisi samo od ulaza u trenutku t

Opisuju se običnim jednačinama

Primjer: kolo sa otpornicima

Dinamički (sa memorijom):

Izlaz u trenutku t zavisi od prošlih vrijednosti izlaza

Opisuju se diferencijalnim jednačinama

Primjer: RLC kolo

7

Page 8: SISTEMI AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA - ucg.ac.me · Usljed okretanja motora na namotajima se indukuje kontra elektromotorna sila e koja je proporcionalna brzini okretanja vratila (e =

Klasifikacija sistema

Stacionarni (vremenski invarijantni)

Matematički se opisuju diferencijalnim jednačinama sa konstantnim koeficijentima

Nestacionarni (promjenljivi u vremenu)

Matematički se opisuju diferencijalnim jednačinama sa promjenljivim koeficijentima

Primjer: avion čija se masa mijenja usljed potrošnje goriva

Kauzalni:

izlaz u trenutku t zavisi samo ulaza u trenutku t, kao i od ulaza u prethodnim trenucima

Svi sistemi u realnom vremenu su kauzalni

Nekauzalni:

Ne mogu se hardverski realizovati

Moguće je obrađivati buduće podatke, ako su sačuvani u memoriji

8

Page 9: SISTEMI AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA - ucg.ac.me · Usljed okretanja motora na namotajima se indukuje kontra elektromotorna sila e koja je proporcionalna brzini okretanja vratila (e =

Klasifikacija sistema

Sistemi sa koncentrisanim parametrima:

Matematički se opisuju običnim diferencijalnim ili diferencnimjednačinama (ODE)

Promjenljive sistema zavise samo od vremena. Drugim riječima, usvim tačkama sistema ulaz djeluje istovremeno

Primjer: RLC kolo

Sistemi sa distribuiranim parametrima:

Matematički se opisuju parcijalnim diferencijalnim jednačinama(PDE) koje sadrže najmanje dvije nezavisne promjenljive

Promjenljive sistema zavise od više od vremena i prostornihkoordinata

Primjer: prostiranje zvučnih ili elektromagnetnih talasa

9

Page 10: SISTEMI AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA - ucg.ac.me · Usljed okretanja motora na namotajima se indukuje kontra elektromotorna sila e koja je proporcionalna brzini okretanja vratila (e =

Klasifikacija sistema

Kontinualni sistemi:

Matematički se opisuju diferencijalnim jednačinama

Diskretni sistemi:

Matematički se opisuju diferencnim jednačinama

10

( ) ( ) ( )y t y t x t

(( 1) ) (1 ) ( ) ( )y n T T y nT Tx nT

Kontinualni sistem

Sistemx(t) y(t)

Računarx(t) y(t)

A/D D/A

Diskretni sistem

x(nT) y(nT)

Page 11: SISTEMI AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA - ucg.ac.me · Usljed okretanja motora na namotajima se indukuje kontra elektromotorna sila e koja je proporcionalna brzini okretanja vratila (e =

Klasifikacija sistema

11

Kontinualni sistem

Sistemx(t) y(t)

Računarx(t) y(t)

A/D D/A

Diskretni sistem

x(nT) y(nT)

Page 12: SISTEMI AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA - ucg.ac.me · Usljed okretanja motora na namotajima se indukuje kontra elektromotorna sila e koja je proporcionalna brzini okretanja vratila (e =

Klasifikacija sistema

Linearni sistemi:

Opisuju se linearnim diferencijalnim jednačinama

Važe principi superpozicije i homogenosti

Sistem je linearan ako je:

odziv sistema na ax(t) jednak ay(t), pri čemu je y(t) odziv sistema na x(t) (homogenost).

odziv sistema na x1(t)+x2(t) jednak y1(t)+ y2(t), pri čemu su y1(t) iy2(t) odzivi sistema na x1(t) i x2(t), respektivno (superpozicija).

Nelinearni sistemi:

Ne važe principi superpozicije i homogenosti

U praksi sistemi najčešće postaju nelinearni za velike vrijednostiulaznih signala. Na primjer, ako na oprugu djelujemo silom, ona ćerastezati po linearnom zakonu. Međutim, opruga se fizički možerastezati samo do određene granice.

12

Page 13: SISTEMI AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA - ucg.ac.me · Usljed okretanja motora na namotajima se indukuje kontra elektromotorna sila e koja je proporcionalna brzini okretanja vratila (e =

Primjer - klasifikacija sistema

Klasifikovati kontunualne sisteme opisane sljedećim jednačinama:

a)

b)

c)

d)

13

( ) 2 ( ) ( ) ( )y t y t y t u t 2( ) 2 ( ) ( ) ( )y t y t y t u t

( ) ( ) ( ) 1y t y t u t

( ) 2 ( ) ( ) ( )y t ty t y t u t 2( ) ( )y t u t

2( ) sin( ) ( ) ( )y t t y t u t

( ) ( ) 2y t u t

e)

g)

g)

h) ( ) ( ) ( 2) y t y t u t

Rješenje stavke a) y(t) = au2(t)

1. Odziv sistema na signal au(t) je jednak a2u2(t), odnosno različit od au2(t).Kako nije ispunjen sulov homogenosti, zaključujemo da je sistem je nelinaran.

2. Sistem je vremenski invarijantan, jer su koeficijenti koji množe promjenljivekonstantni (ne zavise od vremena).

3. Sistem je statički jer izlaz u trenutku t zavisi samo od trenutne vrijednostiulaza.

4. Sistem je kauzalan jer odziv u tekućem trenutku vremena ne zavisi odbudućih vrijednosti ulaznog signala.

5. Sistem ima koncentrisane parametre, jer oni ne zavisi od prostornihkoordinata (koficijenti koji promjenljive).

Page 14: SISTEMI AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA - ucg.ac.me · Usljed okretanja motora na namotajima se indukuje kontra elektromotorna sila e koja je proporcionalna brzini okretanja vratila (e =

Kontinualni LTI sistemi

U ovom kursu se bavimo

Kontinualnim

Iako se digitalni regulatori danas možda dominantno koriste, objektiupravljanja su kontinualni. Pored toga, kontinualni zakoni upravljanja sejednostavno tranformišu u digitalne (diskretizuju).

Linearnim

Linearni sistemi su jednostavni, za njih je razvijena opšta teorija i postojemetode za linearizaciju nelinearnih sistema.

Vremenski invarijantim

Kod većine sistema se može smatrati da su parametri nepromjenljivi.

Kauzalnim sistemima

SAU su real-time sistemi.

Sa koncentrisanim parametrima

SAU najčešće ima koncentrisane parametre.

14

Page 15: SISTEMI AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA - ucg.ac.me · Usljed okretanja motora na namotajima se indukuje kontra elektromotorna sila e koja je proporcionalna brzini okretanja vratila (e =

Modeli sistema

Modelovanje komponenti sistema je prvi korak u analizi i dizajnuSAU-a. Modele sistema možemo podijeliti u više kategorija:

15

Vrste modela

1. Matematički modeli2. Softverski model3. Grafički modeli4. Mentalni modeli

Fizičko modelovanje podrazumijeva direktnu primjenu fizičkih zakona naposmatrani sistem ili komponente sistema. Kod ovog tipa modelovanjanije potrebno raditi eksperimente na sistemu, ali je potrebno poznavatiparametre sistema (otpornost, masa, itd).

1. Fizičko modelovanje2. Identifikacija3. Kombinovano

Kreiranje matematičkih

modela

Identifikacija podrazumijeva pretpostavku, odnosno usvajanje nekogmatematičkog modela sistema. Najčešće se snimaju ulazi i izlazi realnogsistema, na osnovu kojih se identifikaju parametri usvojenog modela.

Page 16: SISTEMI AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA - ucg.ac.me · Usljed okretanja motora na namotajima se indukuje kontra elektromotorna sila e koja je proporcionalna brzini okretanja vratila (e =

Različite reprezentacije sistema

Linearni vremenski invarijantni sistemi se mogu modelovati na višenačina:

Obične diferencijalne jednačine višeg reda (ODE)

Model u prostoru stanja (SS model)

Prenosna funkcija (TF model)

Strukturni blok dijagram (SBD model)

U vremenskom domenu LTI sistemi se opisuju diferencijalnimjednačinama sa konstantim koeficijentima, direktnom primjenom fizičkihzakona na posmatrani sistem. Uvođenjem odgovarajućih smjena,diferencijalne jednačine višeg reda se mogu zapisati u vidu sistemajednačina prvog reda, na taj način dobijajući model sistema u prostorustanja. Osim u vremenskom domenu, LTI sistemi se mogu modelovati us-domenu, pomoću funckcije prenosa, ili strukturnog blok dijagrama, kodkojeg se sistem i tokovi signala u njemu detaljnije prikazujuodgovarajućim blokovima.

16

Page 17: SISTEMI AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA - ucg.ac.me · Usljed okretanja motora na namotajima se indukuje kontra elektromotorna sila e koja je proporcionalna brzini okretanja vratila (e =

Diferencijalne jednačine višeg reda

U opštem slučaju LTI sistem se modeluje običnom linearnomdiferencijalnom jednačinom n-tog reda sa konstantnim koeficijentima:

U gornjoj jednačini y(t) predstavlja izlaz, a u(t) ulaz sistema. Sa desnestrane jednačine mogu figurisati izvodi ulaznog signala do m-tog reda,pri čemu, za kauzalan sistem važi da je m ≤ n. Ovakav načinmodelovanja nije praktičan za opštu analizu sistema, pa se iz togarazloga uvodi kocept modelovanja u prostoru stanja, odnosnomatametička predstava u vidu sistema diferencijalnih jednačina prvogreda. U nastavku su dati neki tipični primjeri fizičkih sistema koji semodeluju linearnim diferencijalnim jednačinama.

17

ODE model

1 1

1 1 0 1 1 01 1...... .....

n n m m

n m mn n m m

d y d y dy d u d u dua a a y b b b b u

dt dt dt dt dt dt

Page 18: SISTEMI AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA - ucg.ac.me · Usljed okretanja motora na namotajima se indukuje kontra elektromotorna sila e koja je proporcionalna brzini okretanja vratila (e =

Mehanički sistemi

ovati translatorni mehanički sistem prikazan na slici.

Na slikama su prikazani translatorni i rotacioni mehanički sistemidrugog reda. Linearnom kretanju tijela mase m, pod uticajem sile F,suprotstavljaju se sila trenja prigušnice i sila elastičnosti opruge. Sadruge strane, rotaciji tijela momenta inercije J, po uticajem obrtnogmomenta τ, takođe se suprotstavljaju sile trenja i elastičnosti.

Modeli sistema se dobijaju primjenom Njutnovih zakona dinamike:

Uočimo da se oba sistama modeluju diferencijalnim jednačinama drugogreda.

18

mx

bx

kx

mF F

J

k

bJ

i .mx bx kx F J b k ODE model

Page 19: SISTEMI AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA - ucg.ac.me · Usljed okretanja motora na namotajima se indukuje kontra elektromotorna sila e koja je proporcionalna brzini okretanja vratila (e =

Električni sistemi

Model električnog sistema se dobija primjenom Kirhofovih zakona. Reddiferencijalne jednačine zavisi od broja kondenzatora i kalemova.Konkretno, za redno RLC kolo važi jednačina:

Uvodeći smjenu i= q , prethodna jednačina se svodi na diferencijalnujednačinu drugog reda:

19

0

1( ) 0.

tdiu Ri L i t dt

dt C

ODE model1.Lq Rq q u

C

+

L

u(t)

CR

Page 20: SISTEMI AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA - ucg.ac.me · Usljed okretanja motora na namotajima se indukuje kontra elektromotorna sila e koja je proporcionalna brzini okretanja vratila (e =

Elektromehanički sistem

Model DC motora je prikazan na slici. Namotaji motora imaju otpornostR i induktivnost L. Moment inercije vratila je J, dok je koeficijent trenjab. Usljed okretanja motora na namotajima se indukuje kontraelektromotorna sila e koja je proporcionalna brzini okretanja vratila (e =keω). Obrtni moment koji rotira vratilo je proporcionalan struji kroznamotaje (τ=kti).

Dakle, zadati elektromehanički sistem se opisuje sa dvije linearnediferencijalne jednačine: jednom drugog reda i jednom prvog reda.

20

ODE model+

u(t)

R

M

L

e(t)

+

b

,

Ji(t)

Diferencijalne jednačine kojemodeluju opisani sistem imajusljedeći oblik:

.

t

e

J b k i

diL Ri u kdt

Page 21: SISTEMI AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA - ucg.ac.me · Usljed okretanja motora na namotajima se indukuje kontra elektromotorna sila e koja je proporcionalna brzini okretanja vratila (e =

Posmatrajući prethodne diferencijalne jednačine, uočavamo da se možeuspostaviti analogija između mehaničkih i električnih veličina, što jeprikazano na slikama ispod.

Analogije električnih i mehaničkih veličina

21

L

Induktivnost

R

Otpornost

C

Kapacitivnost

Page 22: SISTEMI AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA - ucg.ac.me · Usljed okretanja motora na namotajima se indukuje kontra elektromotorna sila e koja je proporcionalna brzini okretanja vratila (e =

Model u prostoru stanja (State Space, SS)

22

Model u prostoru stanja predstavlja sistem diferencijalnih jednačinaprvog reda kojima se opisuje dinamika sistema.

Za kontinualne sisteme:

Za kontinualne linearne vremenski invarijante sisteme (LTI):

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

t t t

t t t

x Ax Bu

y Cx Du

( ) ( ( ), ( ), )

( ) ( ( ), ( ), )

t t t t

t t t t

x f x u

y g x u

U opštem obliku sistemi su nelinearni sa vremenski promjenljivim koeficijentima.

Kod LTI sistema se može koristitijednostavniji zapis.

Koncept prostora stanja se odnosi na opisivanje dinamike sistemaminimalnim brojem varijabli koje se zovu promjenljive stanja, na takavnačin da odziv sistema bude u potpunosti definisan za bilo koji ulaznisignal. Za razliku od funkcije prenosa, ovaj način modelovanja dajemogućnost uvida u sve promjenljive sistema, a ne samo u njegov izlaz.

SS model

SS model

Page 23: SISTEMI AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA - ucg.ac.me · Usljed okretanja motora na namotajima se indukuje kontra elektromotorna sila e koja je proporcionalna brzini okretanja vratila (e =

11 12 111 12 11 1 1

21 22 221 22 22 2 2

1 2 1 2

. .. .

. .. .

. . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . .

pn

pn

n n n nn n n n np

b b ba a ax x u

b b ba a ax x u

x a a a x b b b

.

pu

Model u prostoru stanja

23

Generalna forma LTI sistema u prostoru stanja

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

t t t

t t t

x Ax Bu

y Cx Du

A B( )tx ( )tx ( )tu

jednačine stanja

izlazne jednačine

Jednačine stanja i izlazne jednačine se zapisuju u matričnom obliku.Ovakav zapis je pogodniji za matematičku analizu i simulaciju sistema.Promjenljive stanja nekad mogu imati samo matematički smisao.

SS model

Page 24: SISTEMI AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA - ucg.ac.me · Usljed okretanja motora na namotajima se indukuje kontra elektromotorna sila e koja je proporcionalna brzini okretanja vratila (e =

Primjer – redno RLC kolo (I)

24

1.Lq Rq q u

C

1 1 2 ,x q x q x

1 1

2 2

1

2

0 1 0

1 1

0 0

x xuR

x xLC L Lx

y R ux

Svaka diferencijalna jednačina n-togreda se može svesti na n dif. jednačinaprvog reda, uvođenjem odgovarajućihsmjena:

2 2 .x q x q

Uvrštavanjem uvedenih promjenljivihu polaznu jednačinu dobija se modelsistema u prostoru stanja.

Modelovati u prostoru stanja električno kolo prikazano na slici. Za izlaznu promjenljivu usvojiti napon na otporniku.

ODE jednačina koja opisuje RLC kolo:

SS model

+

L

u(t)

CR

Page 25: SISTEMI AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA - ucg.ac.me · Usljed okretanja motora na namotajima se indukuje kontra elektromotorna sila e koja je proporcionalna brzini okretanja vratila (e =

Primjer – redno RLC kolo (II)

Kod elektičnih sistema postoji konvencija da se za promjenljive stanja usvajajunaponi na kondenzatorima i struje kroz kalemove. Ovo vodi ka jednostavnijemdefinisanju modela u prostoru stanja.

25

0,

,

.

L L c

C L c

L

u Ri Li u

i i Cu

y Ri

11

100

0 0

LL

CC

L

C

Rii L L uLuu

Ci

y R uu

SS model

Za promjenljve stanja ćemo usvojiti struju iL i napon uc. Treba pronaći:

( , , ),

( , , ),

( , , ).

L L c

c L c

L c

i f i u u

u f i u u

y f i u u

Primjenjujući Kirhofove zakone naRLC kolo, pritom vodeći računa ousvojenim promjenljvima, dobija se:

+

L

u(t)

CR

Page 26: SISTEMI AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA - ucg.ac.me · Usljed okretanja motora na namotajima se indukuje kontra elektromotorna sila e koja je proporcionalna brzini okretanja vratila (e =

Primjer – DC motor

Modelovati u prostoru stanja DC motor prikazan na slici. Smatrati da jekt=ke=k.

26

SS model

Diferencijalne jednačine koje opisuju dati sistem imaju sljedeći oblik:

,

.

J b ki

diL Ri u kdt

1 1 1

2 2 2

3 3 3

00 1 0

00 / / 1 0 0 .

1/0 / /

x x x

x x xb J k J u y

x x L xk L R L

+

u(t)

R

M

L

e(t)

+

b

,

Ji(t)

Uvodeći smjene:

dobija se sljedeći sistem jednačinaprvog reda:

1 2 3, , ,x x x i

Napomena: DC motor se možepredstaviti modelom drugog reda,ukoliko se izbaci promjenljiva τ iusvoji promjenljiva ω.

Page 27: SISTEMI AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA - ucg.ac.me · Usljed okretanja motora na namotajima se indukuje kontra elektromotorna sila e koja je proporcionalna brzini okretanja vratila (e =

Modelovanje pomoću funkcije prenosa (TF)

U opštem slučaju LTI sistem se opisuje linearnom diferencijalnomjednačinom sa konstantnim koeficijentima:

Funkcija prenosa se definiše kao odnos izlaznog i ulaznog signala, prinultim početnim uslovima. Koristeći osobinu izvoda, gornja jednačina semože prebaciti u s-domen:

Funkcija prenosa sistema je jednaka:

27

1 1

1 1 0 1 1 01 1...... ..... .

n n m m

n m mn n m m

d y d y dy d u d u dua a a y b b b b u

dt dt dt dt dt dt

1 11 1 0 1 1 0( ...... ) ( ) ( ..... ) ( ).n n m m

n m ms a s a s a Y s b s b s b s b X s

11 1 0

11 1 0

.....( ) .

......

m mm mn n

n

b s b s b s bG s

s a s a s a

ODE model TF model

Page 28: SISTEMI AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA - ucg.ac.me · Usljed okretanja motora na namotajima se indukuje kontra elektromotorna sila e koja je proporcionalna brzini okretanja vratila (e =

Prelazak iz SS u TF domen

Na sličan se može naći veza između modela u prostoru stanja i funkcijeprenosa:

28

Primjenjujući osobinu prvog izvoda, prethodne jednačine se preliskavajuu Laplasov domen:

Dalje se dobija: Voditi računa da se radio matričnoj jednačini.

SS model TF model

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ).

t t t

t t t

x Ax Bu

y Cx Du

( ) - (0 ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ).

s s s s

s s s

X x AX BU

Y CX DU

1

1

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ),

( ) ( ) ( ),

s s s

s s s

s s s

X I A BU

Y C I A B D U

Y G X

1( ) ( ) .s s G C I A B D

Page 29: SISTEMI AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA - ucg.ac.me · Usljed okretanja motora na namotajima se indukuje kontra elektromotorna sila e koja je proporcionalna brzini okretanja vratila (e =

Tabela Laplasovih transformacija

29

f(t) F(s)

( )t 1

( )h t 1

s

0

( )n

t nT

1

1 Tse

t 2

1

s 2

2

t

3

1

s

!

nt

n 1

1ns

ate 1

s a

f(t) F(s)

atte 2

1

( )s a

1 ate ( )

a

s s a

sin( )t 2 2s

sin( )ate t

2 2( )s a

cos( )t 2

s

s

cos( )ate t

2 2( )

s a

s a

Page 30: SISTEMI AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA - ucg.ac.me · Usljed okretanja motora na namotajima se indukuje kontra elektromotorna sila e koja je proporcionalna brzini okretanja vratila (e =

Osobine Laplasove transformacije

30

Osobina Ilustracija

Definicija

0

( ) ( )

( ) ( )

L

st

f t F s

F s f t e dt

Linearnost 1 2 1 2( ) ( ) ( ) ( )LAf t Bf t AF s BF s

Prvi izvod ( )

( ) (0 )Ldf tsF s f

dt

Drugi

izvod

22 '

2

( )( ) (0 ) (0 )Ld f t

s F s sf fdt

nth izvod ( )

21

( )( ) (0 )

n nL n n i n i

i

d f ts F s s f

dt

Integral 0

1( ) ( )

tLf t dt F s

s

Množenje

sa

vremenom

( )( ) ( )L dF s

tf t F sds

Osobina Ilustracija

Vremenski

pomjeraj ( ) ( ) ( )L asf t a h t a e F s

Kompleksni

pomjeraj ( ) ( )Latf t e F s a

Vremensko

skaliranje ( )Lt

f aF asa

Konvolucija 1 2 1 2( )* ( ) ( ) ( )Lf t f t F s F s

Teorema o

početnoj

vrijednosti 0

lim ( ) lim ( )st

f t sF s

Teorema o

krajnjoj

vrijednosti 0

lim ( ) lim ( )t s

f t sF s

Page 31: SISTEMI AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA - ucg.ac.me · Usljed okretanja motora na namotajima se indukuje kontra elektromotorna sila e koja je proporcionalna brzini okretanja vratila (e =

Osobine funkcije prenosa

Neke od osobina funkcije prenosa su pobrojane ispod:

31

Uprošćava matematičku analizu sistema: diferencijalne jednačinese svode na algebarske, konvolucija predstavlja množenje blokovau s domenu, itd.

Izvedena je za nulte početne uslove. Funkcija prenosa se ne možedirektno koristiti za računanje odziva na početne uslove.

Funkcija prenosa se može definisati i kao Laplasovatransformacija impulsnog odziva sistema.

Funkcija prenosa se može koristiti samo sa analizu linearnihsistema. Preciznije rečeno, osobine koje smo nabroijali važe samoza linearne sisteme.

Funkcija prenosa prikazuje samo vezu između ulaza i izlaza, pasu neke bitnije informacije unutar sistema nevidljive.

Page 32: SISTEMI AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA - ucg.ac.me · Usljed okretanja motora na namotajima se indukuje kontra elektromotorna sila e koja je proporcionalna brzini okretanja vratila (e =

Jednačine koje opisuju dinamiku

motora glase:

dok je model sistema u prostorustanja:

Primjer – DC motor

32

Diferencijalne jednačine u s-domenuimaju oblik:

+

u(t)

R

M

L

e(t)

+

b

,

Ji(t)

, ,di

J b ki L Ri u kdt

2( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ).t

e

Js bs s k I s

Ls R I s U k s s

Funkcija prenosa se može dobiti irješavanjem gornjeg sistema jednačina.

1

2

( )( ) ( .

( ))

( )t

e tbL JR s b

s kG s s

U s s JLs R k k

C I A B D

Odrediti funkciju prenosa DC motora. Za izlaz usvojiti ugaoni pomjeraj.

00 1 0

00 / / , ,

1 /0 / /

1 0 0 .

b J k J

Lk L R L

A B

C

Funkcija određuje na sljedeći način:

Page 33: SISTEMI AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA - ucg.ac.me · Usljed okretanja motora na namotajima se indukuje kontra elektromotorna sila e koja je proporcionalna brzini okretanja vratila (e =

Strukturni blok dijagram

Jedan način modelovanja sistema je i strukturni blok dijagram, pomoćukojeg se prikazuju komponetne sistema i njihove međusobne veze,odnosno tokovi signala među komponentama. Svaka komponentasistema se modeluje odgovarajućom funkcijom prenosa, koja se određujena osnovu diferencijalnih jednačina kojima se opisuje dinamičkoponašanje sistema. Dakle, strukturni blok dijagram predstavljakombinaciju grafičkog (blokovskog) modelovanja i modelovanja u s-domenu.

Za razliku od funkcije prenosa koja daje informaciju o vezi između ulazai izlaza, strukturni blok dijagram pruža detaljnije informacije ounutrašnjoj strukturi sistema.

Na narednim predavanjima biće objašnjen postupak svođenjastrukturnog blok dijagrama na osnovnu strukturu, tj. postupakodređivanja ekvivalentne funkcije prenosa na osnovu strukturnog blokdijagrama. Postoji još jedan grafički način modelovanja sistema – grafovitoka signala. Kod njih se kombinuju elementi teorije grafova i Laplasovetrasformacije.

33

Page 34: SISTEMI AUTOMATSKOG UPRAVLJANJA - ucg.ac.me · Usljed okretanja motora na namotajima se indukuje kontra elektromotorna sila e koja je proporcionalna brzini okretanja vratila (e =

Primjer – DC motor

34

+

u(t)

R

M

L

e(t)

+

b

,

Ji(t)

.di

L Ri u kdt

J b ki

1

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) .eLs R I s U k s s Ls R I s U k s I s U k sLs R

1

Ls Rk

1

Js b

k

1

s

( )U s ( )I s ( )T s ( )s ( )s

-

Skicirati strukturni blok dijagram DC motora.

Jednačine DC motora glase:

Prva jednačina u s-domenu ima oblik:

2 ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) .

kI sJs bs s kI s Js b s s kI s Js b s kI s I s

Js b

Na osnovu druge jednačine se dobija:

Strukturni blok dijagram se crta u skladu sa prethodnim jednačinama.