Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja Linearyzacja Modele liniowe powstają też w wyniku linearyzacji nieliniowych modeli przestrzeni stanu w otoczeniu tzw. trajektorii nominalnej Weźmy nieliniowy niestacjonarny model przestrzeni stanu x t f x t , ut ,t , x t0 x0 - równanie stanu y t h x t , ut ,t - równanie wyjścia gdzie x n - stan u m - wejście y p - wyjście Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. f ,,, h,, - funkcje różniczkowalne w sposób ciągły względem swoich argumentów Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 1 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja Trajektorię nominalną określa się w następujący sposób: ~t , Definicja trajektorii nominalnej: Dla nominalnego sygnału wejścia u x t , spełnia równanie stanu nominalna trajektoria stanu ~ ~ ~t ,t , ~ x t f ~ x t , u x t0 ~ x0 i nominalna trajektoria wyjścia spełnia równanie wyjścia ~ ~t ,t y t h~ x t ,u Jeżeli nominalna trajektoria wejścia jest stała ~t u ~ const u trajektoria stanu jest stanem równowagi ~ x , który spełnia równanie ~t ,t 0 f ~ x t , u dla wszystkich t Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 2 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja Odchylenia stanu ( w tym stanu początkowego), wejścia i wyjścia od ich trajektorii nominalnych oznaczymy x t ~ x t x t x t x t ~ x t ~ t u t ut u ~ t u t ut u y t y t ~y t y t ~y t y t x0 x 0 ~ x0 x0 ~ x0 x0 Korzystając z powyższych oznaczeń – równanie stanu ~t u t ,t x t ~ x t x t f ~ x t x t , u Rozwijamy funkcję f w szereg Taylor’a w otoczeniu wartości nominalnych Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 3 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja ~ t ,t f ~ ~ t ,t x t ~ x t ~ x t x t f ~ x t , u x t , u x t x f ~ ~ x t , u t ,t ut u~ t R u Z definicji trajektorii nominalnej stanu ~ ~ t ,t x t f ~ x t , u i zakładając, że warunki zaniedbania reszty z wyrazów wyższych rzędów są spełnione x t f ~ ~ x t , u t ,t x t x f ~ ~ x t , u t ,t u t u Zlinearyzowane równanie stanu Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 4 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja f i ~ ~ f ~ ~ x t , u t ,t x t , u t ,t n n x x j f 1 ~ ~ x x t , u t ,t 1 ~ t ,t f 2 ~ x t , u x1 f ~ t ,t x t , u n ~ x1 f 1 x2 f 2 x2 ~x t , u~ t ,t ~x t , u~ t ,t f n ~ ~ x t , u t ,t x2 f 1 xn f 2 xn f n xn ~x t , u~ t ,t ~x t , u~ t ,t ~ ~ x t , u t ,t At Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 5 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja f i ~ ~ f ~ ~ x t , u t ,t x t , u t ,t n m u u j f 1 f 1 ~ ~ x t , u t , t u u 2 1 ~ t ,t f 2 f 2 ~ x t , u u1 u 2 f ~ t ,t f n x t , u n ~ u 2 u1 ~x t , u~ t ,t ~x t , u~ t ,t ~x t , u~ t ,t f 1 u m f 2 u m f n u m ~x t , u~ t ,t ~x t , u~ t ,t ~ ~ x t , u t ,t B t x t At x t Bt u t Zlinearyzowane równanie stanu Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 6 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja Podobnie dla równania wyjścia ~t u t ,t yt ~y t y t h ~ x t x t , u Rozwijamy funkcję h w szereg Taylor’a w otoczeniu wartości nominalnych y t ~y t y t ~ t ,t h ~ ~ t ,t x t ~ h ~ x t , u x t , u x t x Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. h ~ ~ x t , u t ,t ut u~ t R u Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 7 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja Z definicji trajektorii nominalnej wyjścia ~ ~t ,t y t h~ x t ,u i zakładając, że warunki zaniedbania reszty z wyrazów wyższych rzędów są spełnione h ~ ~ x t , u t ,t x t y t x h ~ ~ x t , u t ,t u t u Zlinearyzowane równanie wyjścia Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 8 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja hi ~ ~ h ~ ~ x t , u t ,t x t , u t ,t p n x x j h1 ~ ~ x x t , u t ,t 1 ~ t ,t h2 ~ x t , u x1 h ~ t ,t p ~ x t , u x1 h1 x2 h2 x2 ~x t , u~ t ,t ~x t , u~ t ,t h p ~ ~ x t , u t ,t x2 h1 ~ ~ x t , u t ,t xn h2 ~ ~ x t , u t ,t xn h p ~ ~ x t , u t ,t xn C t Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 9 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja hi ~ ~ h ~ ~ x t , u t ,t x t , u t ,t p m u u j h1 ~ ~ u x t , u t ,t 1 ~ t ,t h2 ~ x t , u u1 h ~ t ,t p ~ x t , u u1 h1 u2 h2 u2 ~x t , u~ t ,t ~x t , u~ t ,t h p ~ ~ x t , u t ,t u2 h1 um h2 um h p um ~x t , u~ t ,t ~x t , u~ t ,t ~ ~ x t , u t ,t Dt y t C t x t Dt u t Zlinearyzowane równanie wyjścia Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 10 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja Przykład Ruch kulki toczącej się w wyżłobionej belce (patrz rysunek) opisywany jest równaniami Jk 2 2 m pt mg sin t mpt t 0 r mpt J J t 2mpt p t t mgpt cos t t 2 k Zmienne pt t t - położenie kulki (wyjście) - kąt pochylenia belki (wyjście) - przyłożony moment obrotowy (wejście) Parametry g - przyśpieszenie ziemskie J m r Jk - moment bezwładności belki - masa kulki - promień kulki - moment bezwładności kulki Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 11 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja Definiujemy zmienne stanu x1 t p t Wejście x2 t p t ut t Wyjście x3 t t yt pt x4 t t Równania stanu x1 t dpt x2 t dt 2 d 2 pt mg sin t mpt t m t 2 g sin t x2 t p t dt 2 Jk Jk m 2 2 m r r 2 2 k pt t g sin t kx1 t x4 t kg sin x3 t gdzie Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania k m Jk 2 m r 12 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 x3 t Technologie modelowania - linearyzacja d t x4 t dt d 2 t 2mpt p t t mgpt cos t t x4 t 2 2 dt mpt J J k 2mx1 t x2 t x4 t mgx1 t cos x3 t u t 2 mx1 t J J k Równanie wyjścia yt x1 t Interesuje nas sterowanie w sytuacji: belka w położeniu ustalonym poziomym i kulka poruszająca się ruchem jednostajnym. Przyjmując, że obserwację rozpoczynamy w chwili t0, położenie początkowe wynosi p0, zaś prędkość ruchu jednostajnego v0, możemy napisać ~ x1 t ~ p t v0 t t0 p0 ~ x2 t ~ p t v0 ~ ~ x3 t t 0 ~ ~ x4 t t 0 Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 13 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja Podstawmy te ustalenia do równań stanu x1 t x2 t ~ x1 t ~ p t v0 t t0 p0 2 x 2 t kx1 t x4 t kg sin x3 t ~ x2 t ~ p t v0 x3 t x4 t ~ ~ x3 t t 0 x4 t ~ ~ x4 t t 0 2 mx1 t x2 t x4 t mgx1 t cos x3 t u t 2 mx1 t J J k ~ x1 t v0 ~ x1 t v0 ~ x 2 t 0 ~ x2 t k v0 t t0 p0 0 kg sin 0 0 ~ x3 t 0 ~ x3 t 0 ~ x4 t 0 ~ ~ x t 2mv0 t t0 p0 v0 0 mg v0 t t0 p0 cos 0 u t 4 2 mv0 t t0 p0 J J k mg v0 t t0 p0 u~ t 2 mv0 t t0 p0 J J k Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 14 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja Dla przyjętej trajektorii stanu, aby spełniała ona wymagania definicji trajektorii nominalnej ~ ~ x t mgv0 t t0 p0 u t 0 4 2 mv0 t t0 p0 J J k czyli mgv0 t t0 p0 u~t 0 u~ t mgv0 t t0 p0 mg~ x1 t Podsumowanie: Nominalna trajektoria wejścia u~t ~t mg~ x1 t Nominalna trajektoria stanu ~ x1 t ~ p t v0 t t0 p0 ~ x2 t ~ p t v0 ~ ~ x3 t t 0 ~ ~ x4 t t 0 Nominalna trajektoria wyjścia ~ y t ~ p t ~ x1 t v0 t t0 p0 Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 15 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja Definiujemy zmienne przyrostowe w otoczeniu trajektorii nominalnych - wejścia - stanu u t ut u~ t t mg~ x1 t t mg~ p t x1 t p t ~ p t p t ~ p t x1 t ~ ~ ~ ~ x t x2 t p t p t p t p t x t 2 ~ ~ x3 t x3 t t t t ~ x t ~ x4 t t t t 4 - wyjścia y t yt ~ y t x1 t ~ x1 t pt ~ p t Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 16 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja Funkcje f(x(t), u(t)) i h(x(t), u(t)) f x ,u f 1 x ,u f 2 x , u f 3 x ,u f 4 x ,u x2 t f 1 x1 , x2 , x3 , x4 ,u 2 kx1 t x4 t kg sin x3 t f 2 x1 , x2 , x3 , x4 ,u x4 t f 3 x1 , x2 , x3 , x4 ,u 2 mx1 t x2 t x4 t mgx1 t cos x3 t u t f 4 x1 , x2 , x3 , x4 ,u 2 mx t J Jk 1 h x ,u h1 x ,u h1 x1 , x2 , x3 , x4 ,u x1 t Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 17 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja Jakobiany f i f x t ,u t x t ,u t 4 4 x x j f 1 x x t ,u t 1 f 2 x t ,u t x 1 f 3 x t ,u t x1 f 4 x x t ,u t 1 Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. f 1 x2 f 2 x2 f 3 x2 f 4 x2 x t ,u t x t ,u t x t ,u t x t ,u t f 1 x3 f 2 x3 f 3 x3 f 4 x3 x t ,u t x t ,u t x t ,u t x t ,u t Katedra Inżynierii Systemów Sterowania f 1 x4 f 2 x4 f 3 x4 f 4 x4 x t ,u t x t ,u t x t ,u t x t ,u t 18 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja x2 f 1 x1 , x2 , x3 , x4 ,u 2 kx1 x4 kg sin x3 f 2 x1 , x2 , x3 , x4 ,u x4 t f 3 x1 , x2 , x3 , x4 ,u 2mx1 x2 x4 mgx1 cos x3 u f 4 x1 , x2 , x3 , x4 ,u 2 mx 1 J Jk f 1 x ,u 0 x1 f 1 x ,u 1 x2 f 2 x ,u kx4 2 x1 f 2 x ,u 0 x2 f 2 x ,u kg cos x3 x3 f 2 x ,u 2kx1 x4 x4 f 3 x ,u 0 x1 f 3 x ,u 0 x2 f 3 x ,u 0 x3 f 3 x ,u 1 x4 f 1 x ,u 0 x4 f 1 x ,u 0 x3 f 4 x ,u 2mx2 x4 mg cos x3 mx1 J J2 k 2mx2 1 x2 x4 mgx1 cos x3 u 2mx1 x1 mx1 J J k Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. 2 Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 19 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja x2 f 1 x1 , x2 , x3 , x4 ,u 2 kx1 x4 kg sin x3 f 2 x1 , x2 , x3 , x4 ,u x4 t f 3 x1 , x2 , x3 , x4 ,u 2mx1 x2 x4 mgx1 cos x3 u f 4 x1 , x2 , x3 , x4 ,u 2 mx 1 J Jk f 4 2mx1 x4 x ,u 2 x2 mx1 J J k f 4 1 sin x3 x ,u mgx 2 x3 mx1 J J k f 4 x ,u 22mx1 x2 x4 mx1 J J k Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 20 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja f x t ,u t f i x t ,u t 4 1 u u x2 f 1 x1 , x2 , x3 , x4 ,u 2 kx1 x4 kg sin x3 f 2 x1 , x2 , x3 , x4 ,u x4 t f 3 x1 , x2 , x3 , x4 ,u 2mx1 x2 x4 mgx1 cos x3 u f 4 x1 , x2 , x3 , x4 ,u 2 mx J Jk 1 f 1 x ,u 0 u f 2 x ,u 0 u Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. f 3 x ,u 0 u f 1 x t , u t u f 2 x t ,u t u f 3 x t ,u t u f 4 x t ,u t u f 4 x ,u 2 1 u mx1 J J k Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 21 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja h h x t ,u t x t ,u t 1 4 x x j h h h h x t ,u t x t ,u t x t ,u t x t ,u t x2 x3 x4 x1 h x t ,u t h x t ,u t 1 1 u u h x t ,u t u h x ,u h1 x ,u h1 x1 , x2 , x3 , x4 ,u x1 t h x ,u 1 x1 h x ,u 0 x2 h x ,u 0 x3 h x ,u 0 x4 h x ,u 0 u Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 22 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja Wartości jakobianów na trajektoriach nominalnych f i ~ ~ f ~ ~ x t ,u t x t ,u t 4 4 At x x j 0 0 0 mg ~ 2 mp t J J k f 1 x ,u 0 x1 f 2 x ,u kx4 2 x1 f 3 x ,u 0 x1 0 0 kg 0 0 0 0 f 1 x ,u 0 f1 x ,u 0 x3 x4 f 1 x ,u 1 x2 f 2 x ,u 0 x2 f 3 x ,u 0 x2 1 f 2 x ,u kg cos x3 x3 f 3 x ,u 0 x3 f 2 x ,u 2kx1 x4 x4 f 3 x ,u 1 x4 f 4 x ,u 2mx2 x4 mg cos x3 mx1 J J2 k 2mx2 1 x2 x4 mgx1 cos x3 u 2mx1 x1 mx1 J J k f 4 x ,u 22mx1 x4 x2 mx1 J J k 2 f 4 1 sin x3 x ,u mgx 2 x3 mx1 J J k Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. 0 1 ~ 2mp t v0 2 m~ p t J J k 0 ~ x1 t ~ p t v0 t t0 p0 ~ x2 t ~ p t v0 ~ ~ x3 t t 0 ~ ~ x4 t t 0 u~t ~ pt mg~ x1 t f 4 x ,u 22mx1 x2 x4 mx1 J J k Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 23 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Bt Technologie modelowania - linearyzacja f ~ ~ x t ,u t f i ~x t ,u~ t 4 1 u u 0 0 0 1 ~ 2 m p t J J k f 1 x ,u 0 u f 2 x ,u 0 u f 3 x ,u 0 u f 4 x ,u 2 1 u mx1 J J k ~ x1 t ~ p t v0 t t0 p0 ~ x2 t ~ p t v0 ~ ~ x3 t t 0 ~ ~ x4 t t 0 u~t ~ pt mg~ x1 t Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 24 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja h ~ ~ h ~ ~ x t ,u t x t ,u t 1 4 C t x x j 1 0 0 0 h h h h x ,u 0 x x ,u 0 x ,u 0 x ,u 1 x3 x2 4 x1 Dt h ~ ~ x t ,u t h ~x t ,u~ t 1 1 u u 0 h x ,u 0 u Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 25 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja Model nieliniowy x1 t x2 t 2 x 2 t kx1 t x4 t kg sin x3 t x3 t x4 t x4 t 2 mx1 t x2 t x4 t mgx1 t cos x3 t u t 2 mx1 t J J k yt x1 t Model zlinearyzowany w otoczeniu wybranej trajektorii nominalnej x t At x t B t u t 0 0 0 mg ~ 2 mp t J J k Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. 1 0 0 kg 0 0 0 0 0 x t 1 0 0 x 2 t u t 1 0 x t 2m~ p t v0 3 1 2 2 p t J J k m~ p t J J k x 4 t m~ 0 Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 26 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja y t C t x t Dt u t x 1 t x t 1 0 0 0 2 0 u t x t 3 x t 4 Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 27 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja Model szczególny trajektorii nominalnych – stała trajektoria wejścia, trajektoria stanu = stan równowagi v0 0 ~ p t p0 ~ x1 t ~ p t p0 ~ x2 t ~ p t 0 Sprawdzić czy jest to stan równowagi! ~ x3 t t 0 ~ ~ ~ x4 t t 0 u~t ~t mg~ x1 t mgp0 0 0 At 0 mg ~ 2 mp t J J k 1 0 0 kg 0 0 0 0 Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. 0 1 2m~ p t v0 2 m~ p t J J k 0 0 0 A 0 mg 2 mp0 J J k Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 0 0 kg 0 0 0 1 0 0 0 1 0 28 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja 0 0 B 0 1 2 mp J J k 0 0 0 B t 0 1 ~ 2 mp t J J k C t 1 0 0 0 C 1 0 0 0 Dt 0 D 0 Model zlinearyzowany w otoczeniu stanu równowagi x t Ax t Bu t 0 0 0 mg 2 mp 0 J Jk Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. 0 x t 0 1 0 kg 0 x t 0 2 u t 0 0 1 x t 0 3 1 0 0 0 x t 2 4 mp J J k 0 1 0 Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 29 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja y t Cx t Du t x 1 t x t 1 0 0 0 2 0 u t x t 3 x t 4 Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 30 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja Podobnie można przedstawić linearyzację modeli wejście - wyjście Weźmy nieliniowy niestacjonarny model wejście - wyjście f y n , , y , um , , u,t 0 y 0 y0 , , y n 1 0 y0n 1 gdzie u p - wejście y - wyjście q Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. f ,, - funkcje różniczkowalne w sposób ciągły względem swoich argumentów Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 31 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja Trajektorię nominalną określa się w analogiczny sposób: ~t , Definicja trajektorii nominalnej: Dla nominalnego sygnału wejścia u nominalna trajektoria wyjścia ~ y t , modelu wejście - wyjście spełnia równanie: f ~y n , , ~y , u~ m , , u~ ,t 0 z warunkami początkowymi: Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. ~ y 0 ~ y0 , , ~ y n 1 0 ~ y0n 1 Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 32 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja Jeżeli nominalna trajektoria wejścia jest stała ~t u const u ~ nominalna trajektoria wyjścia jest stała, y t y const , i spełnia równanie 0 f y ,u ,t dla wszystkich t Z określenia trajektorii równowagi: u u n y y m 0 Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 33 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja Odchylenia wejścia i wyjścia (i ich warunków początkowych) od ich trajektorii równowagi oznaczymy ut u u t u t u t u t ut u u t u t u u t um t u m t u m u m t y t y t y y t y t y y t yn t y n t y n y n t u m t um t y t y y t y t y t y n t yn t u0 u0 u0 u 0 u 0 u 0 u 0 u m 10 u0m 1 u0m 1 u0m 1 y0 y0 y0 y 0 y 0 y 0 y 0 y n 10 y0n 1 y0n 1 y0n 1 Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 34 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja Korzystając z powyższych oznaczeń – równanie wejście - wyjście 0 f yn t , , y y t , u m t , , u u t ,t Rozwijamy funkcję nominalnych f w szereg Taylor’a w otoczeniu wartości f f n n f y , u , t y t y f y , u ,t y t y n y y f f y , u ,t y t y y f f m m f y , u , t u t u f y , u ,t u t u m u u f f y , u ,t ut u u R 0 f y , u ,t Biorąc pod uwagę 0 f y ,u ,t Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 35 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja i zakładając, że warunki zaniedbania reszty z wyrazów wyższych rzędów są spełnione f f n f y , u , t y t f y , u ,t y t n y y f f y , u ,t y t y f f m f y , u , t u t f y , u ,t u t m u u f f y , u ,t u t 0 u Zlinearyzowane równanie wejście - wyjście Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 36 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja f i f n y , u ,t n y , u ,t q q y y j f 1 f 1 f 1 y , u , t y , u , t y , u , t y n y2n yqn 1 f 2 y , u ,t f 2 y , u ,t f 2 y , u ,t y1n y2n yqn f f f q q q y , u ,t y , u , t y , u ,t n n n y1 y2 yq M n Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 37 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja f i f y , u ,t y , u ,t q q y y j f 1 y y , u ,t 1 f 2 y , u ,t y 1 f q y , u ,t y 1 M 1 Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. f 1 y , u ,t f1 y 2 y q f 2 y , u ,t f 2 y 2 y q f q f y , u ,t q y 2 y q y , u ,t y , u ,t y , u ,t Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 38 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja f i f y , u ,t y , u ,t q q y y j f 1 y y , u ,t 1 f 2 y , u ,t y1 f q y , u ,t y1 M 0 Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. f 1 y , u ,t f1 y2 yq f 2 y , u ,t f 2 y2 yq f q f y , u ,t q y2 yq y , u ,t y , u ,t y , u ,t Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 39 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja f i f m y , u ,t m y , u ,t q p u u j f 1 f 1 f 1 y , u , t y , u , t y , u , t u m u2m u pm 1 f f f 2 y , u ,t 2 2 y , u ,t y , u ,t m m m u1 u2 u p f f f q q q y , u ,t y , u ,t y , u ,t m m m u1 u2 u p N m Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 40 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja f i f y , u ,t y , u ,t q p u u j f 1 f 1 y , u , t u u2 1 f 2 y , u ,t f 2 u1 u2 f q y , u ,t f q u1 u2 N 1 Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. y , u ,t y , u ,t y , u ,t f 1 y , u ,t u p f 2 y , u ,t u p f q y , u ,t u p Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 41 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja f i f y , u ,t y , u ,t q p u u j f 1 f 1 y , u , t u u2 1 f 2 y , u ,t f 2 u1 u2 f q y , u ,t f q u1 u2 N 0 Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. y , u ,t y , u ,t y , u ,t f 1 y , u ,t u p f 2 y , u ,t u p f q y , u ,t u p Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 42 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja M n yn t M 1 y t M 0 y t t N 0 u t 0 N m um t N 1 u Zlinearyzowane równanie wejście - wyjście Dodatek A – Przykłady innych modeli fenomenologicznych Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 43 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja Dziękuję – koniec materiału prezentowanego podczas wykładu Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 44 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja Dodatek A Systemy mechaniczne i inne – przykładowe modele Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 45 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja Linearyzacja w otoczeniu punktu równowagi Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 46 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Technologie modelowania - linearyzacja Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 47 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Technologie modelowania - linearyzacja Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 48 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Technologie modelowania - linearyzacja Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 49 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja Inne przykłady – Dodatek A Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 50 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja Dodatek A Systemy mechaniczne – przykładowe modele Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 51 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Technologie modelowania - linearyzacja Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 52 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 M y Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Technologie modelowania - linearyzacja M y Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 53 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Technologie modelowania - linearyzacja Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 54 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Technologie modelowania - linearyzacja Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 55 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Technologie modelowania - linearyzacja Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 56 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Technologie modelowania - linearyzacja Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 57 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Technologie modelowania - linearyzacja Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 58 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Technologie modelowania - linearyzacja Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 59 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Technologie modelowania - linearyzacja Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 60 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja uwe t Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 61 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Technologie modelowania - linearyzacja Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 62 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Technologie modelowania - linearyzacja Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 63 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja Z drugiego z ostatnich równań u we 2 t R2C f 2 du wy t dt R2 u wy 2 t Rf 2 Podstawiając do pierwszego i porządkując otrzymamy R f 1C f 1 R f 2C f 2 d 2u wy t dt 2 R f 1C f 1 R f 2C f 2 Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Rf 1 Rf 2 R1 R2 du wy t dt u wy t u we t Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 64 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja Ustalanie warunków początkowych – przykłady: systemy elektryczne W dotychczas przedstawionych przykładach nie skupialiśmy uwagi na określaniu wartości warunków początkowych dla otrzymywanych r.r. modelu, gdyż w przykładach tych ich określenie nie powinno nastręczać trudności. Spotkać można jednak zadania w których określenie warunków początkowych wymaga pewnego skupienia. Podamy przykłady takich zadań zaczerpnięte z elektrotechniki Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 65 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja Przydatne przy określaniu warunków początkowych wskazówki Przypomnijmy zależności wiążące wartości napięcia i prądu na podstawowych elementach układów elektrycznych iR uR u R t iR t u R t iR t R R - możliwa skokowa zmiana prądu - możliwa skokowa zmiana napięcia duC 1 uC t iC d iC t C C0 d t t iC uC - możliwa skokowa zmiana prądu - niemożliwa skokowa zmiana napięcia Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 66 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja iL 1 u L t L iL t uL d d t L0 t iL uL - możliwa skokowa zmiana napięcia - niemożliwa skokowa zmiana prądu Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 67 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Przykład 1 Technologie modelowania - linearyzacja L iL(t) uL (t) u(t) P C uC (t) uR1 (t) R1 R2 uR2 (t) Do zacisków układu podłączone jest napięcie u(t)=E. W chwili t=0- tuż przed przełączeniem przełącznika P, w obwodzie panuje stan ustalony. W chwili t = 0 zostaje przełączony przełącznik P zgodnie ze strzałką na rysunku. Zbudować model matematyczny pozwalający badać zależność przebiegu napięcia na kondensatorze C oraz prądu pobieranego ze źródła Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 68 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja Model systemu d 2uC t L duC t LC uC t u t 0 dt R2 dt Potrzebne warunki początkowe uC 0 duC 0 ? dt ? Dla wejściowego oczka, dla każdej chwili t ut uL t uC t Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 69 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja W szczególności u0 u0 u0 E E 0 uL 0 uL 0 uL 0 uL 0 uC 0 uC 0 uC 0 0 uC 0 uC 0 E Stąd uC 0 E oraz u L 0 0 Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 70 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja Dalej duC 0 1 iC 0 dt C Prąd i nie może zmienić się skokowo („nagle”) a jego wartość jest równa it iC t iRo t Mamy i0 i0 i0 0 iC 0 iC 0 iC 0 iC 0 u 0 u 0 u 0 u 0 R2 R1 iRo 0 iR0 0 iR0 0 R2 R1 R2 R1 E E R2 R1 Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 71 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Zatem Technologie modelowania - linearyzacja E E 0 iC 0 R2 R1 E E iC 0 R1 R2 i ostatecznie duC 0 1 1 E E E R2 R1 iC 0 dt C C R1 R2 C R1 R2 duC 0 E R2 R1 dt C R1 R2 Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 72 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Przykład 2 i (t) W Technologie modelowania - linearyzacja io (t) iC (t) uw (t) u(t) C uC (t) L0 uL (t) uR (t) R0 Do zacisków układu podłączone jest napięcie u(t)=E. W chwili tuż przed wyłączeniem (t=0-) wyłącznika W w obwodzie panował stan ustalony. W chwili t = 0 zostaje wyłączony wyłącznik W. Zbudować model matematyczny pozwalający badać zależność przebiegu napięcia na zaciskach wyłącznika uw (t) przy zadanym napięciu u(t) Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 73 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja Model systemu d 2uW t duW t LoC RoC uW t ut 0 dt dt Potrzebne warunki początkowe uW 0 duW 0 ? dt ? Napięcie na kondensatorze nie może się skokowo zmienić, więc uC 0 uC 0 u 0 E Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 74 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja Napięcie na wyłączniku uW t ut uC t Równanie spójności dla wejściowego oczka, dla chwil przed wyłączeniem ut uC t Stąd uW 0 u 0 uC 0 E E 0 uW 0 0 Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 75 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja duW 0 d u 0 uC 0 dt dt Mamy zależność duC 0 1 iC 0 dt C Ponieważ oraz it io t iC t 0 u 0 E i0 i0 i0 0 Ro Ro io 0 io 0 io 0 0 io 0 io 0 iC 0 iC 0 iC 0 iC 0 Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 76 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Stąd Technologie modelowania - linearyzacja u 0 E iC 0 Ro Ro Ponieważ duW 0 d du 0 d C u 0 uC 0 E uC 0 dt dt dt dt duC 0 1 iC 0 dt C Stąd Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. duW 0 1 E dt RoC Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 77 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Przykład 3 i (t) Technologie modelowania - linearyzacja R uR (t) u(t) L uL (t) uRo (t) iR (t) R0 iC (t) uC (t) C Do zacisków układu podłączone jest napięcie u(t)=E. W chwili tuż przed wyłączeniem (t=0- ) wyłącznika W w obwodzie panował stan ustalony. W chwili t = 0 zostaje wyłączony wyłącznik W. Zbudować model matematyczny pozwalający badać zależność przebiegu napięcia na zaciskach odbiornika Ro przy zadanym napięciu u(t) Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 78 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja Model systemu d 2uC t L duC t R LC RC 1 uC t ut dt Ro dt Ro Oczywiście, dla t>0 u Ro t uC t Potrzebne warunki początkowe uC 0 Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. ? duC 0 ? dt Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 79 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja Ponieważ napięcie na kondensatorze nie może się „nagle” zmienić uC 0 uC 0 Z stanu ustalonego przed załączeniem wynika uC 0 E uC 0 E Dla znalezienia drugiego warunku początkowego duC 0 1 iC 0 dt C Z równania dla węzła it iC t iRo t Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 80 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja Prąd w cewce nie może zmienić się skokowo, więc i0 i0 0 Stąd iC 0 i 0 Ro E iRo 0 Ro Zatem duC 0 1 1 iC 0 E dt C RoC Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 81 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Technologie modelowania - linearyzacja Systemy hydrauliczne – przykładowe modele Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 82 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Technologie modelowania - linearyzacja Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 83 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Technologie modelowania - linearyzacja Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 84 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Technologie modelowania - linearyzacja Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 85 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Technologie modelowania - linearyzacja Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 86 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Technologie modelowania - linearyzacja Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 87 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Technologie modelowania - linearyzacja Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 88 Modelowanie i identyfikacja 2014/2015 Kazimierz Duzinkiewicz, dr hab. inż. Technologie modelowania - linearyzacja Katedra Inżynierii Systemów Sterowania 89