R12 - Czemplik
Transkrypt
R12 - Czemplik
Analiza i symulacja układów dynamiki na przykładzie obiektów cieplnych, hydraulicznych, elektrycznych i mechanicznych V. Modele operatorowe 12. 12.1. Transmitancje Laplace’a Transmitancja i jej podstawowe własności W praktyce przejście od modelu różniczkowego do operatorowego odbywa się przez podstawienie symboli: dk (V-1) ↔ sk k dt Tak więc równanie różniczkowe: (V-2) a n x ( n ) (t ) + K + a1 x& (t ) + a0 x(t ) = bm u ( m) (t ) + K + b1u& (t ) + b0 u (t ) można przekształcić do algebraicznego równania operatorowego: (V-3) a n s n x( s ) + K + a1 sx( s) + a0 x( s) = bm s m u ( s ) + K + b1 su ( s ) + b0 u ( s) Na podstawie (V-3) można wyznaczyć transmitancję układu G(s), definiowaną jako stosunek transformaty funkcji wyjściowej x(s) do transformaty funkcji wejściowej u(s): x( s ) bm s m + ... + b1 s + b0 = G (s) = (V-4) u ( s ) a n s n + ... + a1 s + a0 Procedura przejścia od równania różniczkowego (V-2) do transmitancji (V-4) opiera się na zastosowaniu twierdzenia o liniowości: (V-5) L {af1 (t ) + bf 2 (t )} = af1 ( s) + bf 2 ( s) oraz twierdzenia o transformacie pochodnej funkcji z założeniem zerowych warunków początkowych f(0+) = 0: (V-6) L f& (t ) = sf ( s) − f (0 + ) = sf ( s) Powyższe twierdzenia wyznaczają ograniczenia zastosowania transmitancji – liniowość modelu i zerowe warunki początkowe. Transmitancje powstające na podstawie równań różniczkowych mają postać funkcji wymiernych, przy czym w większości rzeczywistych obiektów stopień licznika jest mniejszy niż stopień mianownika1. Na podstawie transmitancji G(s) i transformaty funkcji wejściowej u(s) można wyznaczyć transformatę funkcji wyjściowej: x( s ) = G ( s )u ( s ) , (V-7) 2 a stąd można odtworzyć oryginał funkcji wyjściowej x(t) – jeśli istnieje taka potrzeba. Zazwyczaj nie jest to konieczne, bo podstawowe badania własności obiektu (stabilność, punkt równowagi) można wykonać na podstawie transmitancji. O stabilności układu decydują bieguny transmitancji, czyli pierwiastki równania charakterystycznego układu wyznaczonego przez przyrównanie do zera mianownika transmitancji (V-4) (pierwiastki mianownika): (V-8) a n s n + ... + a1 s + a 0 = 0 Jest to takie samo równanie jak to wyznaczone na podstawie pierwotnego równania różniczkowego3 (). Taki same są warunki stabilności układu – wszystkie bieguny muszą mieć ujemną część rzeczywistą. Zera transmitancji (pierwiastki wielomianu w liczniku) nie mają wpływu na stabilność układu. Aby wyznaczyć punkt równowagi () na podstawie transmitancji należy skorzystać z własności przekształcenia Laplace’a – twierdzenia o wartości końcowej: lim x(t ) = lim sx( s ) = lim sG ( s )u ( s ) , (V-9) { } t →∞ s →0 s →0 które jest prawdziwe pod warunkiem, że granica x(t) przy t→∞ istnieje. Problem istnienia granicy trzeba rozstrzygnąć w inny sposób, na przykład na podstawie znajomości rozwiązania równania 1 Stąd też istnieje wiele metod analizy i projektowania układów opracowanych przy założeniu, że transmitancja obiektu spełnia takie warunki. 2 Cały proces przekształceń od równania różniczkowego do odtworzenia funkcji x(t) nazywa się operatorową metodą rozwiązywania liniowych równań różniczkowych. Patrz: przekształcenie odwrotne L-1, metody wyznaczania oryginałów funkcji (metoda rozkładu na ułamki proste, metoda residuów), np. [Błąd! Nie można odnaleźć źródła odwołania.], [3/D2]. 3 poprawne przekształcenia modelu nigdy nie zmieniają stopnia wielomianu charakterystycznego ani jego pierwiastków (można to wykorzystać do sprawdzenia poprawności wykonanych przekształceń) - 56 - ! RĘKOPIS ©PWr Analiza i symulacja układów dynamiki na przykładzie obiektów cieplnych, hydraulicznych, elektrycznych i mechanicznych 1 różniczkowego dla typowych funkcji wymuszających . W praktyce często wykorzystuje się to twierdzenie do obliczenia wyjścia przy stałym wymuszeniu u0, przy czym zakłada się wówczas, że stałe wymuszenie jest reprezentowane przez funkcję skokową o takiej samej wartości2. 1º Napisz poniższe równania w postaci operatorowej i wyznacz transmitancję. (*o) a) 2&x&(t ) + 4x&(t ) + a0 x(t ) = b0 u1 (t ) , c) &x&&(t ) + 2x&(t ) + 2x(t) = b1u&(t ) + b0 u(t ) b) 4x&(t ) + a0 x(t ) = 4u1 (t ) . d) x&(t ) + a0 x(t ) = b0u 2 (t ) 2º Na podstawie wyznaczonych transmitancji ustal równanie charakterystyczne oraz punkt równowagi jeśli na wejściu podawana jest stała wartość k. 3º Dla podanych transmitancji określ rząd, bieguny, stabilność i stan ustalony zakładając, że parametry są dodatnie a funkcja wejściowa u(t) =2·1(t) ks a 1 ; b) G ( s ) = ;(*p) c) G ( s ) = . a) G ( s ) = 2 2 k (Ts + 1) 0 .5 s + 2 .5 s + 3 (bs + a ) 4º Podaj transmitancję, która ma bieguny: -2, -1, oraz punkt równowagi (u0, x0)=(2, 6). 5º Podane modele przekształć do końcowej postaci transmitancji, która pozwoli określić rząd modelu, równanie charakterystyczne oraz bieguny i zera transmitancji 2s + 1 c ;c) u ( s ) = asx( s ) + bs 2 x( s ) (*q) a) u ( s ) = ax( s ) + bsx( s ) + x( s ) ; b) G ( s ) = 1 s as + c + sb 12.2. Transmitancje układów wielowymiarowych Transmitancja z definicji opisuje układ typu SISO. Jeśli układ ma wiele wejść i wiele wyjść (MIMO), to można wyznaczyć wiele transmitancji. Transformata każdej zmiennej wyjściowej jest wyrażona jako suma składowych od poszczególnych wejść: xi ( s ) = Gi1 ( s )u1 ( s ) + ... + Gim ( s )u m ( s ) (V-10) Można również zastosować pojęcie transmitancji macierzowej, które wynika z przekształcenia równań stanu (IV-2) do postaci operatorowej: sx( s ) = Ax( s ) + Bu( s ) (V-11) i wykonania operacji macierzowych: (V-12) x( s ) = (sI − A )−1 Bu( s ) = G ( s )u( s ) Jest to więc rodzaj operatora macierzowego G(s), który opisuje związek pomiędzy transformatą wektora wejściowego u(s) i wyjściowego x(s). Na przykład układ równań: m1 x&1 (t ) + a1 x1 (t ) − a 2 x 2 (t ) = u1 (t ) m2 x& 2 (t ) − b1 x1 (t ) + b2 x 2 (t ) = u 2 (t ) (V-13) można zapisać kolejno w postaci macierzowej (V-11) i (V-12) , czyli: − a1 x1 ( s) m1 s = x2 ( s) b1 m2 a2 1 m1 x1 ( s) m1 + − b2 x2 ( s ) 0 m2 0 u ( s) 1 1 u2 (s ) m2 → x1 ( s) x ( s) 2 a1 s + m 1 = − b1 m2 − a2 m1 b s+ 2 m2 −1 1 m 1 0 0 u ( s) 1 1 u2 (s ) m2 (V-14) Wykorzystując ogólny wzór na elementy macierzy odwrotnej (I-10) mamy: x1 ( s) x ( s ) 2 m s + b2 det 2 (−1)1+1 m2 det(sI − A) = −b det 1 m2 1+ 2 (−1) det(sI − A) −a det 2 ma 1 (−1) 2 +1 det(sI − A) m1 m1s * a1 0 det m2 (−1) 2 + 2 det( sI − A) 0 u ( s) 1 1 u2 (s ) m2 (V-15) m1s + a1 m2 s + b2 b1a2 − m1 m2 m1m2 gdzie wyrażenie w mianowniku jest wyznacznikiem det(sI − A) = Ostatecznie po uproszczeniu wyrażeń mamy: 1 Jeśli funkcja wejściowa ma stałą wartość, to rozwiązanie wymuszone też ma stałą wartość – granica istnieje. Jeśli na wejściu jest funkcja sinusoidalna, to na wyjściu wystąpi sinus przeskalowany i przesunięty – nie ma granicy (funkcja okresowa). 2 to założenie pozwala wyznaczyć transformatę funkcji wejściowej: u(t)= u0 → u0 ·1(t) → L{ u(t)} = u0/s - 57 - ! RĘKOPIS ©PWr Analiza i symulacja układów dynamiki na przykładzie obiektów cieplnych, hydraulicznych, elektrycznych i mechanicznych a2 m2 s + b2 x1 ( s) M ( s) M ( s) u1 ( s) G11 (s ) G12 ( s ) u1 ( s) = x ( s) = b m1s + a1 u2 (s ) G21 ( s) G22 ( s) u2 ( s) 1 2 M ( s) M ( s) gdzie: M ( s) = (m1 s + a1 )(m2 s + b2 ) − b1a 2 (V-16) Zastosowanie operatora macierzowego w przekształceniach analitycznych ma dwie wady: wymaga odwracania macierzy (co jest uciążliwe gdy dotyczy operacji na wyrażeniach, podobnie jak w przypadku równań stanu ) i mianownik wszystkich transmitancji układu jest obliczany na podstawie jednego wyznacznika (trudno więc wykryć ewentualny błąd w przekształceniach). Alternatywny sposób wyznaczania transmitancji układów wielowymiarowych polega na przekształceniu równania/równań do postaci operatorowej i eliminowaniu z układu kolejnych zmiennych. Można go zastosować do każdego układu równań bez eliminowania pochodnych wyższego rzędu i sprowadzania do postaci równań stanu. Na przykład układ równań (V-13) przekształcony do postaci operatorowej i uporządkowany ma postać: (m1 s + a1 )x1 ( s) = a 2 x 2 ( s) + u1 ( s) → M 1 ( s) x1 ( s ) = a 2 x2 ( s) + u1 ( s) (m2 s + b2 )x 2 ( s) = b1 x1 (s ) + u 2 (s ) M 2 ( s) x 2 ( s) = b1 x1 (s ) + u 2 ( s) (V-17) gdzie robocze symbole M1(s) i M2(s) mają na celu skrócić zapis kolejnych operacji. Wyznaczając z układu (V-17) jedną ze zmiennych wyjściowych, na przykład x1: x1 ( s) = a 2 x 2 (s ) + u1 ( s) M 1 ( s) (V-18) i podstawiając do drugiego równania, otrzymujemy równanie z jedną niewiadomą x2: M 2 ( s) x 2 (s ) = b1 a 2 x 2 ( s) + u1 (s ) + u 2 (s ) M 1 ( s) ⋅ M 1 ( s) (V-19) Obustronne mnożenie przez M1(s) pozwala wyeliminować wyrażenia ułamkowe: M 1 (s )M 2 (s ) x2 ( s) = b1a 2 x 2 (s) + b1u1 ( s) + M 1 ( s)u 2 (s ) (V-20) ponieważ ostateczna postać transmitancji powinna mieć postać funkcji wymiernej (bez piętrowych ułamków): x2 ( s) = b1u1 (s ) + M 1 ( s)u 2 (s ) M 1 ( s) M 2 ( s) − b1a 2 (V-21) Podstawiając wyznaczoną wartość x2 (V-21) do wyrażenia (V-18) uzyskujemy równanie z niewiadomą x1: a 2 b1u1 ( s) + M 1 ( s)u 2 ( s) u1 ( s) , x1 ( s) = + (V-22) M 1 ( s) M 1 ( s )M 2 ( s) − b1a 2 M 1 ( s) które po sprowadzeniu do wspólnego mianownika: x1 ( s) = a 2 b1u1 ( s) + a 2 M 1 ( s)u 2 ( s) + (M 1 ( s) M 2 ( s) − b1a 2 )u1 ( s) M 1 (s )(M 1 ( s) M 2 ( s) − b1a 2 ) (V-23) można uprościć i otrzymać wyrażenie postaci: x1 ( s) = M 2 ( s)u1 (s ) + a 2 u 2 ( s) M 1 ( s) M 2 (s ) − b1a 2 (V-24) Transmitancje (V-21) i (V-24) mają taki sam mianownik, co oznacza z dużym prawdopodobieństwem, że są one poprawne1 i mają postać: a m s + a1 m s + b2 b u 2 ( s) u1 ( s ) + 2 u 2 ( s ) oraz x1 ( s ) = 1 u1 ( s ) + 1 x1 ( s ) = 2 M (s) M ( s) M ( s) M (s) (V-25) gdzie: M ( s) = (m1 s + a1 )(m2 s + b2 ) − b1a 2 Nie tylko końcowy wynik (V-25) ale cały ciąg przekształceń (V-17)÷(V-24) pozwala kontrolować poprawność wykonania operacji na podstawie charakterystycznych etapów2. Różne transmitancje tego samego obiektu mają taki sam mianownik jeśli obiekt jest tak zwanym układem współdziałającym, co można stwierdzić także na podstawie współzależności równań różniczkowych opisujących obiekt3 – pomiędzy zmiennymi stanu występują wzajemne sprzężenia. W układzie niewspółdziałającym sprzężenia występują tylko w jednym kierunku – zależności są unilateralne. Typ sprzężeń można ocenić na podstawie znajomości zjawisk występujących na obiekcie (). 1 wynik został otrzymany na dwa sposoby W równaniach (V-17) występują nawiasy ze zmienną s, które zostaną zastąpione symbolami Mi. Symbole te pojawią się w mianownikach wyznaczonych transmitancji. W równaniu (V-19) pojawia się możliwość wyeliminowania wyrażenia ułamkowego (obustronne pomnożenie przez jeden z symboli Mi), a w równaniu (V-23) – skrócenia ułamka (skrócenie wyrażeń w liczniku i Mi jako wspólny dzielnik licznika i mianownika). 3 w równaniu pochodnej x1 występuje zmienna x2 i odwrotnie - 58 - ! RĘKOPIS ©PWr 2 Analiza i symulacja układów dynamiki na przykładzie obiektów cieplnych, hydraulicznych, elektrycznych i mechanicznych 1º Wyznacz równanie charakterystyczne transmitancji (V-25) i porównaj z równaniem wyznaczonym z układu równań (V-13). Wyznacz punkt (punkty?) równowagi układu. (*r) 2º Wyznacz transmitancje i sprawdź poprawność przekształceń dla układu równań: m&x&1 (t ) + b1 x&1 (t ) − c 2 x 2 (t ) = u1 (t ) s (* ) b2 x& 2 (t ) − b3 x&1 (t ) − c1 x1 (t ) = u1 (t ) 3º Wyznacz transmitancje układów z punktu 10.2.2. (*t) 12.3. Schematy blokowe (strukturalne) Modele opisane transmitancjami można przedstawić w postaci schematów blokowych. Na przykład model (V-25) składa się z czterech transmitancji, u1 G11(s) + x1 opisujących związki pomiędzy dwoma wejściami i dwoma G12(s) + u2 wyjściami obiektu i można go przedstawić w postaci schematu (Rys. V-1). Schemat ten jest ilustracją modelu a nie G21(s) + x2 odwzorowaniem wewnętrznej struktury obiektu. W obiektach współdziałających zmienne wpływają na siebie nawzajem i G22(s) + każda transmitancja zawiera w sobie informację o dynamice Rys. V-1. Schemat blokowy (V-25) całego obiektu (wspólny mianownik). W badaniach stabilności można więc ograniczyć się do wyznaczenia i badania jednej wybranej transmitancji. Ponadto podstawowe badania dynamiki polegają na analizowaniu reakcji obiektu na wybrane, pojedyncze zakłócenia1, można więc transmitancje obiektu badać oddzielnie (). Istotną zaletą stosowania transmitancji do opisu dynamiki obiektów jest prosta interpretacja iloczynu i sumy transmitancji jako szeregowego i równoległego połączenia bloków (Rys. V-2). b) u a) u x1 G1(s) + x1 x x2 G1(s) G2(s) Gz(s) G2(s) + x2 G (s) z x( s ) = (G1 ( s ) + G2 ( s ) )u ( s ) x 2 ( s ) = G1 ( s )G2 ( s )u ( s ) Rys. V-2. Graficzna interpretacja iloczynu (a) i sumy (b) transmitancji Za pomocą transmitancji oraz węzłów sumacyjnych i rozdzielających można konstruować schematy złożonych układów (obiektów). Typowy dla automatyki jest układ ze sprzężeniem zwrotnym, stosowany na przykład jako układ korekcji2 (Rys. V-3) lub regulacji3 (Rys. V-4) + e + e u x x w Go(s) w G (s) Go(s) r x1 Gk(s) Rys. V-3. Układ korekcji Rys. V-4. Układ regulacji Wyznaczenie modeli zastępczych złożonych obiektów opiera się prostych działaniach arytmetycznych 4. Punktem wyjścia jest skompletowanie układu niezależnych równań, które opisują związki pomiędzy sygnałami na schemacie. Transmitancja zastępcza obiektu, jako związek pomiędzy jednym wejściem i jednym wyjściem, powstaje po wyeliminowaniu nadmiarowych zmiennych i uporządkowaniu otrzymanego wyrażenia. Na przykład na schemacie układu korekcji (Rys. V-3) występują cztery sygnały w, e, x i x1, w tym jeden wejściowy i trzy wyjściowe. Pełny układ równań zawiera więc trzy równania i pozwala wyznaczyć na przykład wzór na transmitancję x(s)/w(s): e(s ) = w( s) − x1 ( s) x( s) = Go ( s)e( s) x ( s) = G ( s) x(s ) k 1 → x( s ) = Go ( s) w( s) Go ( s)Gk ( s) + 1 (V-26 ) Po podstawieniu transmitancji Go(s) i Gk(s) można uporządkować wyrażenie (V-26) tak by określić rząd transmitancji zastępczej, wyznaczyć równanie charakterystyczne i bieguny złożonego układu. 1 typowe badanie to skokowa zmiana wartości na jednym wejściu (powtarzane dla wybranych wejść) stosowany do korekcji własności dynamicznych obiektu Go za pomocą członu korekcyjnego Gk 3 przeznaczony do sterowania obiektem Go za pomocą regulatora Gr w celu uzyskania na wyjściu obiektu wartości zadanej w 4 czasem warto przekształcić schemat na równoważną, prostszą postać - patrz: przekształcanie schematów blokowych, np. [3/r.3.2.3, 5.2] - 59 - ! RĘKOPIS ©PWr 2 Analiza i symulacja układów dynamiki na przykładzie obiektów cieplnych, hydraulicznych, elektrycznych i mechanicznych Problem konstrukcji schematu może mieć charakter syntetyczny – schemat powstaje przez łączenie określonych bloków transmitancji, a celem jest wyznaczenie modelu zastępczego i zbadanie jego własności (np. stabilności1). Natomiast próba przedstawienia układu fizycznego w postaci schematu blokowego ma charakter analityczny, a punktem wyjścia jest zwykle podział na mniejsze fragmenty (np. urządzenia) dla których można określić wejścia i wyjścia, i wyznaczyć model, o ile to możliwe typu SISO. Proste zasady przekształcania schematów znajdują szczególne zastosowanie w metodach konstrukcji modeli opisujących liniowe układy elektryczne. Można je tworzyć według ogólnych zasad konstrukcji modeli, polegających na układaniu równań różniczkowych, które potem można w określonych warunkach przekształcić na transmitancje. W liniowych układach elektrycznych jednak zazwyczaj już na etapie konstrukcji modelu stosowany jest operatorowy opis własności elementów (). 1º Wyznacz i porównaj wzory na transmitancje układów korekcji (Rys. V-3) i regulacji (Rys. V-4), przyjmując jako sygnał wyjściowy: a) zmienną x, b) zmienną e. (*u) 2º Zapisz zestaw transmitancji dla układu korekcji i regulacji w postaci macierzy zakładając, że w dalsze badania będą dotyczyć tylko sygnału wyjściowego x i sygnału błędu e. 3º Określ rząd transmitancji zastępczej połączenia szeregowego i równoległego (Rys. V-2) oraz układu korekcji (Rys. V-3) i regulacji (Rys. V-4) zakładając, że transmitancje składowe są funkcjami wymiernymi i że znany jest stopień wielomianów. 4º Podaj warunki zapewniające stabilność następujących transmitancji: a) G ( s ) = G1 ( s )G2 ( s ) ; b) G ( s ) = G1 ( s ) + G2 ( s )G3 ( s ) ; c) G ( s) = 1 G1 ( s )G3 ( s ) + 1 a 1 , G2 ( s) = , G3 ( s ) = k . (3s + a) ( s + a) 2 Jakie dodatkowe warunki muszą spełniać parametry aby układ osiągał stan równowagi bez przeregulowania (oscylacji)? Jak są połączone elementy składowe transmitancji G(s) – narysuj schemat, oznacz składniki, wskaż wejście i wyjście związane z transmitancją G(s). gdzie: G1 ( s ) = 12.4. Symulacja na podstawie transmitancji (LAB 07) 12.4.1. Bloki na schemacie graficznym Na schematach symulacyjnych można wykorzystywać kilka bloków do definiowania liniowych (Tab. IV-1). Tab. V-1. Wybrane bloki do definiowania modeli w postaci trancmitancji Matlab/Simulink Scilab/Xcos State-Space CLSS równania stanu Transfer Fcn CLR transmitancja modeli Octave ----- Oferowane bloki mają swoją specyfikę i ograniczenia w zastosowaniu2. Podstawowa forma bloku transmitancji () jest typu SISO: b s m + ... + b1 s + b0 x1 ( s ) = m n u1 ( s ) (V-27) a n s + ... + a1 s + a0 czyli ma jedną zmienną wejściową u1 i jedną wyjściową – zmienną stanu x1. Rys. V-5. Blok transmitancji Współczynniki wielomianu licznika i mianownika są przekazywane do bloku za pomocą wektorów wartości. Programy symulacyjne zwykle akceptują tylko takie transmitancje, w których stopień licznika jest mniejszy niż stopień mianownika (ewentualnie równy). Transmitancja z definicji jest modelem o zerowych warunkach początkowych. Zazwyczaj nie stanowi to problemu dla badań 1 2 połączenie stabilnych elementów nie musi oznaczać stabilności układu Nowsze wersje programów oferują dodatkowe wersje bloków bez ograniczeń, jednak są to de facto bloki, które nie ujawniają ograniczeń na zewnątrz ale obchodzą je za pomocą wewnętrznych konwersji. - 60 - ! RĘKOPIS ©PWr Analiza i symulacja układów dynamiki na przykładzie obiektów cieplnych, hydraulicznych, elektrycznych i mechanicznych symulacyjnych, należy tylko podawać na wejście sygnał o zerowej wartości początkowej. Ponieważ reakcja modelu liniowego nie zależy od punktu pracy, więc w razie konieczności wyniki symulacji można przesunąć o wartość x0 i uzyskać symulację przebiegu zmian od wybranego stanu równowagi. 1.1.1. Funkcje w skryptach Typowe badania modeli zapisanych w postaci macierzowych równań stanu czy transmitancji można zrealizować za pomocą prostych funkcji (Tab. IV-2). Tab. V-2. Wybrane funkcje do definiowania i badania modeli liniowych Matlab/Control Scilab równania stanu ss syslin transmitancja tf, zpk syslin Octave Jedna grupa funkcji umożliwia definicję modelu i zapamiętanie go pod wybraną nazwą. Parametry i ograniczenia funkcji są takie same jak analogicznych bloków na schematach. Druga grupa funkcji służy do uruchamiania symulacji, która generuje wykres przedstawiający reakcję modelu na standardowe zakłócenie (skok jednostkowy, impuls). - 61 - ! RĘKOPIS ©PWr