22.07.2013 Views

T - DCE FEL ČVUT v Praze

T - DCE FEL ČVUT v Praze

T - DCE FEL ČVUT v Praze

SHOW MORE
SHOW LESS

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

Hooray! Your file is uploaded and ready to be published.

Saved successfully!

Ooh no, something went wrong!