T - DCE FEL ČVUT v Praze
T - DCE FEL ČVUT v Praze
T - DCE FEL ČVUT v Praze
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
Linearizace<br />
systémů<br />
Petr Hušek<br />
diskrétních
Linearizace<br />
diskrétních systémů<br />
Petr Hušek<br />
husek@fel.cvut.cz<br />
katedra řídicí<br />
techniky<br />
Fakulta elektrotechnická<br />
<strong>ČVUT</strong> v <strong>Praze</strong><br />
MAS 2012/13 <strong>ČVUT</strong> v <strong>Praze</strong> 8 - Linearizace diskrétních systémů 2/32
Co se dnes dozvíme?<br />
Co to je a k čemu je dobrá linearizace systému<br />
Jak nelineární systém linearizovat<br />
Jak porovnat chování nelineárního a linearizovaného<br />
systému<br />
MAS 2012/13 <strong>ČVUT</strong> v <strong>Praze</strong> 8 - Linearizace diskrétních systémů 3/32
Co je linearizace?<br />
vytvoření lineárního systému, jehož chování je velmi<br />
podobné chování původního nelineárního systému<br />
výhody<br />
jednodušší řešení diferenční rovnice, přesnější simulace<br />
jednodušší analýza chování systému<br />
jednodušší návrh regulátoru<br />
nevýhody<br />
chování linerizovaného systému ne zcela souhlasí s<br />
chováním nelineárního systému<br />
aproximace je možná pouze v omezeném rozsahu<br />
pracovních podmínek<br />
MAS 2012/13 <strong>ČVUT</strong> v <strong>Praze</strong> 8 - Linearizace diskrétních systémů 4/32
y<br />
Princip linearizace<br />
3<br />
2.5<br />
2<br />
y<br />
y 0 =f(x 0 )<br />
0.5<br />
lineární<br />
Δ y<br />
funkce: f(ax1+ bx2) = af(x1) + bf(x2) linearizace krivky<br />
y=f(x)<br />
y-y 0 =k(x-x 0 )<br />
Δ y=k Δ x<br />
Δ x<br />
0<br />
0 2 4 x x 8 10<br />
x 0<br />
y = kx + q není<br />
přírůstkový tvar:<br />
Δ y = kΔx lineární<br />
funkce<br />
linearizace platí v blízkém okolí<br />
pracovního bodu [x0,y0] MAS 2012/13 <strong>ČVUT</strong> v <strong>Praze</strong> 8 - Linearizace diskrétních systémů 5/32<br />
k<br />
=<br />
df<br />
dx<br />
x<br />
0
Vícerozměrný případ –<br />
skalární<br />
funkce<br />
( , …, ) , ( , …,<br />
) ( )<br />
y = f x x y = f x x = f x<br />
1 n 0 10 n0<br />
0<br />
∂f ∂f ∂f<br />
y = y + ⋅ x − x + ⋅ x − x + + ⋅ x − x + <br />
( ) ( ) ( )<br />
0 1 10 2 20 n n0<br />
∂x1 ∂x ∂x<br />
x 2 x n x<br />
0 0 0<br />
Δ y = k Δ x + k Δ x + + k Δx<br />
1 1 2 2 <br />
Vícerozměrný případ –<br />
n n<br />
vektorová<br />
funkce<br />
( x1, …, xn) , 0 ( x10, …,<br />
xn0)<br />
( 0)<br />
( , …,<br />
n )<br />
( , …,<br />
)<br />
y= f y = f = f x<br />
y = f x x<br />
1 1 1<br />
y = f x x<br />
2 2 1<br />
<br />
n<br />
( , …,<br />
)<br />
y = f x x<br />
n n 1 n<br />
MAS 2012/13 <strong>ČVUT</strong> v <strong>Praze</strong> 8 - Linearizace diskrétních systémů 6/32
∂f ∂f ∂f<br />
y = y + ⋅ x − x + ⋅ x − x + + ⋅ x − x + <br />
( ) ( ) ( )<br />
1 1 1<br />
1 10<br />
∂x1 x<br />
1 10<br />
∂x2 x<br />
2 20<br />
∂xnx<br />
n n0<br />
0 0 0<br />
∂f ∂f ∂f<br />
y = y + ⋅ x − x + ⋅ x − x + + ⋅ x − x + <br />
Δ y = k Δ x + k Δ x + +<br />
k Δx<br />
1 11 1 12 2 1n<br />
n<br />
Δ y = k Δ x + k Δ x + +<br />
k Δx<br />
2 21 1 22 2 2n<br />
n<br />
<br />
( ) ( ) ( )<br />
2 2 2<br />
2 20<br />
∂x1 x<br />
1 10<br />
∂x2 x<br />
2 20<br />
∂xnx<br />
n n0<br />
<br />
0 0 0<br />
∂f ∂f ∂f<br />
y = y + ⋅ x − x + ⋅ x − x + + ⋅ x − x + <br />
( ) ( ) ( )<br />
n n n<br />
n n0 ∂x1 x<br />
1 10<br />
∂x2 x<br />
2 20<br />
∂xnx<br />
n n0<br />
0 0 0<br />
Δ y = k Δ x + k Δ x + + k Δx<br />
n n1 1 n2 2 nn n <br />
MAS 2012/13 <strong>ČVUT</strong> v <strong>Praze</strong> 8 - Linearizace diskrétních systémů 7/32
⎡Δy1 ⎤<br />
⎢<br />
Δy<br />
⎥<br />
⎢ 2<br />
Δ y = ⎥<br />
⎢ ⎥<br />
⎢ ⎥<br />
Δy<br />
⎣ n ⎦<br />
⎡Δx1 ⎤<br />
⎢<br />
Δx<br />
⎥<br />
⎢ 2<br />
Δ x = ⎥<br />
⎢ ⎥<br />
⎢ ⎥<br />
Δx<br />
⎣ n ⎦<br />
Δ y= AΔx ⎡k11 k12 k1n⎤<br />
⎢<br />
k k k<br />
⎥<br />
⎢ 21 22 2n<br />
A = ⎥<br />
⎢ ⎥<br />
⎢ ⎥<br />
k k k<br />
⎣ n1 n2 nn⎦<br />
MAS 2012/13 <strong>ČVUT</strong> v <strong>Praze</strong> 8 - Linearizace diskrétních systémů 8/32
Linearizace systému 1. řádu<br />
Q(t)<br />
p 0<br />
v 1<br />
S 1<br />
h(t) p 0<br />
S 2<br />
volba pracovního bodu ~<br />
1 2 2<br />
Δ h<br />
S = Q −k⋅S gh<br />
Δt<br />
S T<br />
ht k T g ht T h t T<br />
S<br />
S<br />
2<br />
() =− ⋅ ⋅ 2 ⋅ ( − ) + ( t −T<br />
) + Q(<br />
− )<br />
1 1<br />
S T<br />
h ( t + T =− ⋅ ⋅ ⋅ ht + h +<br />
S<br />
S<br />
Q 2<br />
2<br />
) k T 2g<br />
() () t Q()<br />
t<br />
1 1<br />
rovnovážný stav systému<br />
Δ h<br />
=<br />
Δt<br />
MAS 2012/13 <strong>ČVUT</strong> v <strong>Praze</strong> 8 - Linearizace diskrétních systémů 9/32<br />
0<br />
h<br />
0<br />
Q = k⋅S 2gh<br />
0<br />
2<br />
0
S T<br />
h ( t + T =− ⋅ ⋅ ⋅ ht + h +<br />
S<br />
S<br />
2<br />
) k T 2g<br />
() () t Q()<br />
t<br />
( h(<br />
t , Q )<br />
ht ( + T) = f ) () t<br />
1 1<br />
∂f∂f h(<br />
t+ T) h ( +<br />
t) h<br />
( h( − ) ⋅(<br />
Qt () − Q)<br />
= 0 t T ) + ⋅ 0 +<br />
∂h<br />
h , Q<br />
∂Q<br />
h , Q<br />
0 0 0<br />
⎛ k⋅T⋅ g S ⎞<br />
T<br />
Δ h t+ T = ⎜ − ⋅ + ⋅ − 0 + ⋅<br />
S<br />
2<br />
( ) 1 ⎟ (<br />
⎜ 2h<br />
S ⎟<br />
⎝<br />
0 1 ⎠<br />
Δ h( t +<br />
T ) = a ⋅Δ ht () + b⋅ΔQ(<br />
t)<br />
1<br />
( ht) h) ( Qt () − Q )<br />
MAS 2012/13 <strong>ČVUT</strong> v <strong>Praze</strong> 8 - Linearizace diskrétních systémů 10/32<br />
1<br />
0<br />
0<br />
0
Step<br />
model nelineárního systému<br />
Step<br />
Q(t)<br />
T/S1<br />
T/S1<br />
Add<br />
-K-<br />
k*T*sqrt(2*g)*S2/S1<br />
model linearizovaného systému<br />
Q(t)<br />
Add1<br />
Q0 Q0<br />
Delta Q(t)<br />
T/S1<br />
T/S1<br />
Add<br />
h(t+T) h(t)<br />
1<br />
MAS 2012/13 <strong>ČVUT</strong> v <strong>Praze</strong> 8 - Linearizace diskrétních systémů 11/32<br />
z<br />
h 0<br />
Unit Delay<br />
sqrt<br />
Sqrt<br />
Delta h(t+T) Delta h(t)<br />
1<br />
-K-<br />
z<br />
0<br />
Unit Delay<br />
-k*T*sqrt(g)*S2/S1/sqrt(2*h0)+1<br />
h0 h0<br />
Add2<br />
Scope<br />
h(t)<br />
Scope
h(t) [m]<br />
S = 25cm = 25⋅ 10 m , S = 0.1cm = 1⋅ 10 m , k = 1, T = 1s<br />
0.225<br />
0.215<br />
0.205<br />
2 −4 2 2 −5<br />
2<br />
1 2<br />
h Q h<br />
0.22<br />
0.21<br />
−5<br />
3<br />
0 = 0.2m, 0 = k⋅ S2 2g 0 = 1.98⋅10 m /s<br />
Δ h( t + T) = 0.98⋅Δ h(<br />
t) + 4 00 ⋅ΔQ(<br />
t)<br />
Q(t)<br />
–<br />
skok z Q 0<br />
o 5% v čase t = 100s<br />
vyska hladiny<br />
nelinearni model<br />
linearizovany model<br />
0.2<br />
0 200 400 600 800 1000<br />
t[s]<br />
h(t) [m]<br />
0.2<br />
0 200 400 600 800 1000<br />
t[s]<br />
MAS 2012/13 <strong>ČVUT</strong> v <strong>Praze</strong> 8 - Linearizace diskrétních systémů 12/32<br />
Q(t)<br />
0.25<br />
0.24<br />
0.23<br />
0.22<br />
0.21<br />
–<br />
skok z Q 0<br />
o 10% v čase t = 100s<br />
vyska hladiny<br />
nelinearni model<br />
linearizovany model
h(t) [m]<br />
0.45<br />
Q(t)<br />
0.4<br />
0.35<br />
0.3<br />
0.25<br />
–<br />
skok z Q 0<br />
o 50% v čase t = 100s Q(t)<br />
vyska hladiny<br />
nelinearni model<br />
linearizovany model<br />
0.2<br />
0 200 400 600 800 1000<br />
t[s]<br />
h(t) [m]<br />
MAS 2012/13 <strong>ČVUT</strong> v <strong>Praze</strong> 8 - Linearizace diskrétních systémů 13/32<br />
0.205<br />
0.2<br />
0.195<br />
0.19<br />
0.185<br />
–<br />
skok z Q 0<br />
o -5% v čase t = 100s<br />
vyska hladiny<br />
nelinearni model<br />
linearizovany model<br />
0.18<br />
0 200 400 600 800 1000<br />
t[s]
h(t) [m]<br />
0.24<br />
0.23<br />
0.22<br />
0.21<br />
0.2<br />
0.19<br />
0.18<br />
Q(t)<br />
~Q 0<br />
+ 0.1* Q0 *sin0.02t Q(t)<br />
vyska hladiny<br />
nelinearni model<br />
linearizovany model<br />
0.17<br />
0 200 400 600 800 1000<br />
t[s]<br />
h(t) [m]<br />
~Q 0<br />
+ 0.5* Q0 *sin0.02t<br />
0.05<br />
0 200 400 600 800 1000<br />
t[s]<br />
MAS 2012/13 <strong>ČVUT</strong> v <strong>Praze</strong> 8 - Linearizace diskrétních systémů 14/32<br />
0.4<br />
0.35<br />
0.3<br />
0.25<br />
0.2<br />
0.15<br />
0.1<br />
vyska hladiny<br />
nelinearni model<br />
linearizovany model<br />
linearizovaný model lze použít pouze v blízkém okolí<br />
pracovního bodu
h(t) [m]<br />
0.45<br />
0.44<br />
0.43<br />
0.42<br />
0.41<br />
h k S gh<br />
−5<br />
3<br />
0 = 0.4m, Q0<br />
= ⋅ 2 2 0 = 2.8⋅10 m /s<br />
Δ ht ( + T) = 0.986⋅Δ ht () + 400⋅ΔQt<br />
( )<br />
Q(t)<br />
–<br />
skok z Q 0<br />
o 5% v čase t = 100s Q(t)<br />
vyska hladiny<br />
nelinearni model<br />
linearizovany model<br />
0.4<br />
0 200 400 600 800 1000<br />
t[s]<br />
h(t) [m]<br />
0.4<br />
0 200 400 600 800 1000<br />
t[s]<br />
MAS 2012/13 <strong>ČVUT</strong> v <strong>Praze</strong> 8 - Linearizace diskrétních systémů 15/32<br />
0.45<br />
0.44<br />
0.43<br />
0.42<br />
0.41<br />
–<br />
skok z Q 0<br />
vyska hladiny<br />
nelinearni model h 0 =0.4m<br />
linearizovaný model lze použít pouze spočtený ve<br />
správném pracovním bodě<br />
o 5% v čase t = 100s<br />
linearizovany model h 0 =0.2m<br />
linearizovany model h 0 =0.4m
Linearizace systému 2. řádu<br />
M<br />
φ<br />
m<br />
m<br />
M () t − mglsin ϕ() t −Bϕ () t = Jε () t = ml ϕ()<br />
t<br />
2<br />
<br />
B g<br />
() t<br />
() () sin () t<br />
ml l m<br />
M<br />
ϕ t + ϕt<br />
+ ϕ =<br />
2 2<br />
l<br />
2<br />
Δϕ() t B Δϕ()<br />
t g M ( t)<br />
+ + sin ϕ(<br />
t)<br />
=<br />
2 2<br />
2<br />
Δt ml Δt<br />
l ml<br />
ϕ ( 0)<br />
=ϕ0,<br />
ϕ ( T ) =ϕT<br />
2 2<br />
⎛ BT ⎞ ⎛ BT ⎞ gT T<br />
ϕ() t = ⎜2− ⎟ϕ( t−T) −⎜ − 1⎟ϕ( t−2T) − s in ϕ( t−2T) + M ( t−2T) 2 2 2<br />
⎝ ml ⎠ ⎝ml ⎠<br />
l ml<br />
2 2<br />
⎛ BT ⎞ ⎛ BT ⎞ gT T<br />
ϕ ( t+ 2T) = ⎜2− ⎟ϕ ( t+ T) −⎜ −1⎟ϕ()<br />
t − sin ϕ()<br />
t + M ( t)<br />
2 2 2<br />
⎝ ml ⎠ ⎝ml<br />
⎠ l ml<br />
MAS 2012/13 <strong>ČVUT</strong> v <strong>Praze</strong> 8 - Linearizace diskrétních systémů 16/32
x () t = ϕ (), t ut () = Mt ()<br />
1<br />
stavový popis<br />
x ( t+ T) = x ( t)<br />
1 2<br />
⎛ BT ⎞ gT ⎛ BT ⎞ T<br />
x2( t+ T) = ⎜ −1⎟x1( t) − sin x1( t) + ⎜2− ⎟x2(<br />
t)<br />
+<br />
⎝ml ⎠ l ⎝ ml<br />
⎠ ml<br />
y()<br />
t = x () t<br />
1<br />
x ( 0) =ϕ ( 0), x ( 0)<br />
=ϕ(<br />
T)<br />
1 2<br />
2 2<br />
2 2 2<br />
x ( t+ T) = f ( x ( t), x ( t), u( t))<br />
1 1 1 2<br />
x ( t+ T) = f ( x ( t), x ( t), u( t))<br />
2 2 1 2<br />
yt () = gx ( (), t x(), t ut ())<br />
1 2<br />
x( t+ T) = f( x(<br />
t), u( t))<br />
yt () = gx<br />
( (), t ut ())<br />
ut ()<br />
MAS 2012/13 <strong>ČVUT</strong> v <strong>Praze</strong> 8 - Linearizace diskrétních systémů 17/32
volba pracovního bodu ~<br />
z diferenční rovnice<br />
stacionární<br />
2<br />
Δϕ() t B Δϕ()<br />
t g M ( t)<br />
+ + sin ϕ(<br />
t)<br />
=<br />
2 2<br />
2<br />
Δt ml Δt<br />
l ml<br />
stav systému<br />
2<br />
Δϕ() t Δϕ()<br />
t<br />
= 2<br />
Δt Δt<br />
ϕ , ϕ ( T ) =ϕ , ( ω = 0)<br />
, M = mgl sinϕ<br />
ze stavového popisu<br />
0<br />
0 0<br />
0<br />
0<br />
x ( t+ T) = x ( t) = x , x ( t+ T) = x ( t) = x<br />
10 10 10 20 20 20<br />
⇒ x = x = ϕ , u = M = mglsi n ϕ , y =ϕ<br />
10 20 0 0 0<br />
0 0 0<br />
= 0<br />
MAS 2012/13 <strong>ČVUT</strong> v <strong>Praze</strong> 8 - Linearizace diskrétních systémů 18/32
linearizace<br />
x ( t+ T) = x ( t)<br />
1 2<br />
2 2<br />
⎛ BT ⎞ gT ⎛ BT ⎞ T<br />
x2( t+ T) = ⎜ −1⎟x1( t) − si n x1( t) + ⎜2− x ( t)<br />
+ ut ( )<br />
2 2 ⎟ 2<br />
2<br />
⎝ml ⎠ l ⎝ ml ⎠ ml<br />
yt ( ) = x () t<br />
1<br />
Δ x ( t+ T) =Δx<br />
( t)<br />
1 2<br />
∂f2 ∂f2<br />
x2( t+ T) = x20( t+ T) + ⋅( x1() t − x10() t ) + ⋅( x2() t − x20() t ) +<br />
∂x ∂x<br />
∂f2<br />
+ ⋅ −<br />
∂u<br />
0<br />
( ut () u() t)<br />
1 0 2 0<br />
0<br />
2 2<br />
⎛ BT gT ⎞ ⎛ BT ⎞ T<br />
Δ x2( t+ T) = ⎜ −1− cos x10⎟Δ x1( t) + ⎜2− Δ x ( t)<br />
+ Δu()<br />
t<br />
2 2 ⎟ 2<br />
2<br />
⎝ml l ⎠ ⎝ ml ⎠ ml<br />
Δ y()<br />
t =Δx()<br />
t<br />
1<br />
MAS 2012/13 <strong>ČVUT</strong> v <strong>Praze</strong> 8 - Linearizace diskrétních systémů 19/32
maticový zápis linearizovaného systému<br />
Δ x( t+ T) = AΔ x() t + BΔu()<br />
t<br />
Δ yt () = CΔ x() t + DΔut<br />
()<br />
⎡ 0<br />
A= ⎢ 2<br />
⎢ BT gT<br />
−1− cos x<br />
2 10<br />
⎢⎣ ml l<br />
1 ⎤ ⎡ 0 ⎤<br />
⎥<br />
BT , B=<br />
⎢ 2 ⎥<br />
⎥ ⎢ T<br />
2−<br />
⎥<br />
2 2<br />
ml ⎥⎦ ⎢⎣ml ⎥⎦<br />
C= D=<br />
[ 1 0] , [ 0]<br />
⎡Δx1() t ⎤ ⎡Δϕ() t ⎤<br />
Δ x()<br />
t = ⎢ , u() t M() t<br />
x () t<br />
⎥ = ⎢ ⎥ Δ =Δ<br />
⎣Δ2⎦ ⎣ − ⎦<br />
Δ yt () =Δ x() t =Δϕ()<br />
t<br />
MAS 2012/13 <strong>ČVUT</strong> v <strong>Praze</strong> 8 - Linearizace diskrétních systémů 20/32<br />
1
model nelineárního systému<br />
Vstup<br />
M(t)<br />
Delta M(t)<br />
T*T/(m*l*l)<br />
-K-<br />
Delta x2(t+T)<br />
1<br />
Delta x2(t)<br />
1<br />
Delta x1(t)<br />
Vstup<br />
Add1<br />
z<br />
z<br />
Add<br />
Unit Delay1 Unit Delay2<br />
M0<br />
M(t)<br />
-K-<br />
T*T/(m*l*l)<br />
Add<br />
-K-<br />
-B*T/m/l/l+2<br />
phi(t+2T)<br />
x2(t+T )<br />
-K-<br />
-B*T/m/l/l+2<br />
-K-<br />
g*T*T/l<br />
model linearizovaného systému<br />
-K-<br />
phi(t+T)<br />
-g*T*T/l*cos(phi0)+B*T/m/l/l-1<br />
MAS 2012/13 <strong>ČVUT</strong> v <strong>Praze</strong> 8 - Linearizace diskrétních systémů 21/32<br />
1<br />
z<br />
x2(0)=φ(T) x2(t)<br />
-K-<br />
sin<br />
Sin<br />
-B*T/m/l/l+1<br />
0<br />
1<br />
z<br />
x1(0)=φ(0) 0<br />
phi(t)<br />
x1(t)<br />
phi0<br />
180/pi<br />
-K-<br />
Add2<br />
180/pi<br />
-K-<br />
Scope<br />
kn<br />
To Workspace<br />
Scope<br />
kl<br />
To Workspace
φ (t) [°]<br />
m= 0.2kg, l = 0.5m<br />
ϕ = 0( ° x = x = 0), M = m⋅g⋅l⋅<br />
sinϕ= 0Nm<br />
0 10 20 0<br />
0<br />
T = 0.05s –<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
-1<br />
špatná<br />
poloha kyvadla<br />
nelinearni model<br />
linearizovany model<br />
M(t)<br />
-2<br />
0 5 10<br />
t[s]<br />
15 20<br />
–<br />
skok z 0 na 0.1 v čase t = 1s<br />
volba periody vzorkování T = 0.01s<br />
0<br />
0 5 10<br />
t[s]<br />
15 20<br />
MAS 2012/13 <strong>ČVUT</strong> v <strong>Praze</strong> 8 - Linearizace diskrétních systémů 22/32<br />
φ (t) [°]<br />
2.5<br />
2<br />
1.5<br />
1<br />
0.5<br />
poloha kyvadla<br />
nelinearni model<br />
linearizovany model
φ (t) [°]<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
M(t)<br />
–<br />
ϕ = 0( ° x = x = 0), M = m⋅g⋅l⋅<br />
sinϕ= 0Nm<br />
0 10 20 0<br />
0<br />
skok z 0 na 1 v čase t = 1s M(t)<br />
poloha kyvadla<br />
nelinearni model<br />
linearizovany model<br />
0<br />
0 5 10<br />
t[s]<br />
15 20<br />
φ (t) [°]<br />
MAS 2012/13 <strong>ČVUT</strong> v <strong>Praze</strong> 8 - Linearizace diskrétních systémů 23/32<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
–<br />
skok z 0 na 2 v čase t = 1s<br />
poloha kyvadla<br />
nelinearni model<br />
linearizovany model<br />
0<br />
0 5 10<br />
t[s]<br />
15 20
φ (t) [°]<br />
M(t)<br />
15<br />
10<br />
–<br />
ϕ = 5( ° x = x = 5), ° M = m⋅g⋅l⋅sinϕ=<br />
0.427Nm<br />
skok z M 0<br />
0 10 20 0<br />
0<br />
o 100% v čase t = 1s<br />
poloha kyvadla<br />
nelinearni model<br />
linearizovany model<br />
5<br />
0 5 10<br />
t[s]<br />
15 20<br />
φ (t) [°]<br />
MAS 2012/13 <strong>ČVUT</strong> v <strong>Praze</strong> 8 - Linearizace diskrétních systémů 24/32<br />
M(t)<br />
35<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
–<br />
skok z M 0<br />
o 400% v čase t = 1s<br />
poloha kyvadla<br />
nelinearni model<br />
linearizovany model<br />
5<br />
0 5 10<br />
t[s]<br />
15 20
φ (t) [°]<br />
500<br />
450<br />
400<br />
350<br />
300<br />
250<br />
200<br />
M(t)<br />
–<br />
ϕ = 180 ° ( x = x = 180 ° ) , M = m⋅<br />
g ⋅l⋅sinϕ = 0Nm<br />
0 10 20 0<br />
0<br />
skok z 0 na 10 -5<br />
poloha kyvadla<br />
v čase t = 1s<br />
nelinearni model<br />
150<br />
0 5 10<br />
t[s]<br />
15 20<br />
φ (t) [°]<br />
-150<br />
0 5 10<br />
t[s]<br />
15 20<br />
MAS 2012/13 <strong>ČVUT</strong> v <strong>Praze</strong> 8 - Linearizace diskrétních systémů 25/32<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
-50<br />
-100<br />
M(t)<br />
–<br />
skok z 0 na -10-5 v čase t = 1s<br />
poloha kyvadla<br />
nelinearni model
φ (t) [°]<br />
320<br />
300<br />
280<br />
260<br />
240<br />
220<br />
200<br />
ϕ = 180 ° ( x = x = 180 ° ) , M = m⋅<br />
g ⋅l⋅sinϕ = 0Nm<br />
0 10 20 0<br />
0<br />
M(t)<br />
poloha kyvadla<br />
–<br />
skok z 0 na 10 -5<br />
nelinearni model<br />
linearizovany model<br />
180<br />
0 1 2 3<br />
t[s]<br />
4 5 6<br />
φ (t) [°]<br />
v čase t = 1s<br />
0<br />
0 2 4<br />
t[s]<br />
6 8<br />
MAS 2012/13 <strong>ČVUT</strong> v <strong>Praze</strong> 8 - Linearizace diskrétních systémů 26/32<br />
2500<br />
2000<br />
1500<br />
1000<br />
500<br />
poloha kyvadla<br />
nelinearni model<br />
linearizovany model
Linearizace systémů<br />
ze stavového popisu<br />
vyšších řádů<br />
x1( t+ T) = f1( x1( t), …,<br />
xn( t), u( t))<br />
x ( t+ T) = f ( x ( t), …,<br />
x ( t), u( t))<br />
2 2 1<br />
<br />
x ( t+ T) = f ( x ( t), …,<br />
x ( t), u( t))<br />
n n 1<br />
n<br />
yt ( ) = gx ( ( t), …,<br />
x( t), ut ( ))<br />
1<br />
n<br />
n<br />
nelineární systém<br />
x( t+ T) = f( x(<br />
t), u( t))<br />
?<br />
linearizovaný systém<br />
Δ x( t+ T) = AΔ x() t + BΔu()<br />
t<br />
yt () = gx ( (), t ut ())<br />
Δ yt () = CΔ x() t + DΔut<br />
()<br />
MAS 2012/13 <strong>ČVUT</strong> v <strong>Praze</strong> 8 - Linearizace diskrétních systémů 27/32
⎡∂f f f ⎤<br />
1 ∂ 1 ∂ 1 ⎡ ∂f⎤ ⎢ ⎥<br />
1<br />
x x x ⎢<br />
n u<br />
⎥<br />
⎢∂ 1 ∂ ∂ 0 2 0 0 ⎥ ∂<br />
⎢ 0 ⎥<br />
⎢ ⎥<br />
f f f ⎢ f ⎥<br />
⎢∂ 2 ∂ 2 ∂ 2 ⎥ ∂ 2<br />
<br />
⎢ ⎥<br />
A= ⎢∂x x x ⎥ 1 ∂ ∂ n , B=<br />
⎢ ∂u<br />
0 2 0 0<br />
0 ⎥<br />
⎢ ⎥<br />
⎢ ⎥<br />
⎢ ⎥<br />
⎢ ⎥<br />
⎢ ⎥<br />
∂f fn<br />
n ∂fn ∂f<br />
⎢∂ ⎥<br />
⎢ n ⎥<br />
⎢<br />
x x x ∂u<br />
⎥<br />
⎣<br />
⎢∂ ∂ ∂ ⎥ ⎣ 0 ⎦<br />
1 0 2 0 n 0 ⎦<br />
⎡∂g ∂g ∂g ⎤ ⎡∂g ⎤<br />
C= ⎢ ⎥, D=<br />
⎢ ⎥<br />
⎢⎣∂x1 ∂x ∂xn⎥⎦ ⎣∂u 0 2 0 0<br />
0 ⎦<br />
pracovní bod<br />
x , x , …,<br />
x , u , y :<br />
10 20 n0<br />
0 0<br />
x10 = f1( x10, …,<br />
xn0, u0)<br />
x20 = f2( x10, …,<br />
xn0, u0)<br />
<br />
xn0 = fn( x10, …,<br />
xn0, u0)<br />
y = g( x , …,<br />
x , u )<br />
0 10 n0<br />
0<br />
MAS 2012/13 <strong>ČVUT</strong> v <strong>Praze</strong> 8 - Linearizace diskrétních systémů 28/32
Kontrolní<br />
otázky<br />
Proč linearizujeme nelineární systémy?<br />
V čem spočívá princip linearizace nelineárních systémů?<br />
Jaké podmínky musí splňovat lineární funkce?<br />
Jaké je charakterizován klidový pracovní bod a jaké souřadnice má?<br />
Jak pomocí simulace ověříme, že se systém nachází v klidovém<br />
pracovním bodě?<br />
Jak vypočteme souřadnice klidového pracovního bodu?<br />
Jaký tvar má stavový popis nelineárního a linearizovaného systému 1.<br />
řádu?<br />
Jaký tvar má stavový popis nelineárního a linearizovaného systému 2.<br />
řádu?<br />
Zlinearizujte systém nádrže s přítokem ve Vámi zvoleném pracovním<br />
bodě a pomocí simulací zjistěte rozsah platnosti linearizovaného modelu.<br />
Zlinearizujte systém kyvadla ve Vámi zvoleném pracovním bodě a Vámi<br />
zvolenými parametry a pomocí simulací zjistěte rozsah platnosti<br />
linearizovaného modelu.<br />
MAS 2012/13 <strong>ČVUT</strong> v <strong>Praze</strong> 8 - Linearizace diskrétních systémů 29/32
Zlinearizujte model systému kulička na tyči ve Vámi zvoleném pracovním<br />
bodě. Parametry modelu volte R = 10mm, r = 7mm, T = 0.1s. Porovnejte<br />
chování nelineárního a linearizovaného modelu v okolí pracovního bodu.<br />
2<br />
xt () − 2xt<br />
( −T) + xt ( − 2T ) = KT s in ϕ( t−2T) r R<br />
MAS 2012/13 <strong>ČVUT</strong> v <strong>Praze</strong> 8 - Linearizace diskrétních systémů 30/32<br />
F N<br />
F g<br />
F m<br />
φ<br />
x g<br />
K =<br />
2 ⎛R⎞ 1+ ⎜ ⎟<br />
5<br />
⎝ r ⎠<br />
2
Uvažujme systém seskoku padákem, kdy je parašutista nadlehčován<br />
silou stoupavého proudu teplého vzduchu F(t). Tato síla bude vstupní<br />
veličinu systému, výstupní veličinou bude rychlost parašutisty v(t).<br />
Diferenční rovnice popisující systém pak má tvar<br />
Δvt<br />
( −T)<br />
m−BT T<br />
m + Bvt ( −T ) = mg−F( t−T) ⇔ vt ( ) − vt ( −T)<br />
= gT − F(<br />
t−T) Δt<br />
m<br />
m<br />
Je tento model lineární? Pokud ne, linearizujte jej ve Vámi zvoleném<br />
paracovním bodě a pomocí simulací oba systémy porovnejte. Uvažujte m =<br />
80kg, B = 270Ns/m, T = 0.01s.<br />
MAS 2012/13 <strong>ČVUT</strong> v <strong>Praze</strong> 8 - Linearizace diskrétních systémů 31/32<br />
v<br />
B<br />
F<br />
mg
U předchozího příkladu je reálnější uvažovat odporovou sílu vzduchu<br />
úměrnou kvadrátu rychlosti parašutisty. Diferenční rovnice pak má tvar<br />
Δvt<br />
( −T)<br />
2<br />
m + Bv ( t−T)<br />
= mg−F( t−T) ⇔<br />
Δt<br />
BT 2<br />
T<br />
vt ( ) − vt ( −T) + v( t−T)<br />
= gT − Ft ( −T<br />
)<br />
m<br />
m<br />
Model linearizujte ve Vámi zvoleném paracovním bodě a pomocí simulací<br />
oba systémy porovnejte. Uvažujte m = 80kg, B = 100Ns/m, T = 0.01s.<br />
MAS 2012/13 <strong>ČVUT</strong> v <strong>Praze</strong> 8 - Linearizace diskrétních systémů 32/32