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Chaper 2 ~ chaper 3 허허허 1

제어시스템 설계

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Chaper 2 ~ chaper 3 허승현. 제어시스템 설계. Contents. Chapter 2 동적 시스템 모델링 Chapter 3 제어시스템의 성능 및 안정도. 1) Laplace. 2) 부분분수 정리. 3) Solution of linear Ordinary Equation. 4) SFG. 5) 동적 시스템 모델링. 1) Routh - Huwitz. I. Chapter 2 동적 시스템 모델링. Chapter 2 동적 시스템 모델링. - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: 제어시스템 설계

Chaper 2 ~ chaper 3 허승현

1

Page 2: 제어시스템 설계

Contents

I. Chapter 2 동적 시스템 모델링

II. Chapter 3 제어시스템의 성능 및 안정도

1) Laplace

2) 부분분수 정리

5) 동적 시스템 모델링

3) Solution of linear Ordinary Equation

4) SFG

1) Routh - Huwitz

2

Page 3: 제어시스템 설계

I.Chapter 2 동적 시스템 모델링

3

Page 4: 제어시스템 설계

I. Chapter 2 동적 시스템 모델링

1) Laplace Definition of Laplace transform

Given the real function f(t) that satisfied the condition

for some finite real , the Laplace transform of f(t) is defined as

=> One-sided Laplace transform

※ The response of a causal system does not precede the input.

causal = physically realizable

0( ) tf t e dt

0

( ) ( ) ( )stF s f t e dt L f t

operatorLaplacejs : 0 : ( ) 0 :

0 : ( ) :

t f t ignore

t f t defined

4

Page 5: 제어시스템 설계

I. Chapter 2 동적 시스템 모델링

1) Laplace

( ) tf t e Ex1)

Multiplication by a constant

Sum and difference

( ) ( )L kf t kF s

1 2 1 2( ) ( ) ( ) ( )L f t f t F s F s

Important theorems of Laplace transform

0

( )

0

( )

1

t st

s t

F s e e dt

efor

s s

5

Page 6: 제어시스템 설계

I. Chapter 2 동적 시스템 모델링

1) Laplace

Important theorems of Laplace transform(cont.) Differentiation

Integration

0

11 2

10

1 2 ( 1)

( )( ) lim ( ) ( ) (0)

( ) ( ) ( )( ) lim ( )

( ) (0) '(0) (0)

t

n nn n

n nt

n n n n

df tL sF s f t sF s f

dt

d f t df t d f tL sF s s f t s

dt dt dt

s F s s f s f f

1 2

0 0 00

1 2 10 0 0

( )( ) ( ) ( )

( )( )

n

st stt t

t t t

n n

F s e eL f d f d f t dt

s s sF s

L f d dt dt dts

6

Page 7: 제어시스템 설계

I. Chapter 2 동적 시스템 모델링

1) Laplace Important theorems of Laplace transform(cont.)

Shift in time

Initial-value theorem

Final-value theorem: If sF(s) is analytic on the imaginary axis and in the right half of the s-plane, then

Ex)

( ) ( ) ( )

( ) :

Tss

s

L f t T u t T e F s

where u t Unit step function

0lim ( ) lim ( )t s

f t sF s

0lim ( ) lim ( )t s

f t sF s

2

0

5( )

( 2)

5lim ( ) lim ( )

2t s

F ss s s

f t sF s

7

Page 8: 제어시스템 설계

I. Chapter 2 동적 시스템 모델링

1) Laplace

Important theorems of Laplace transform(cont.) Complex shifting

Real convolution(Complex multiplication)

In General

Complex convolution(Real multiplication)

( ) ( )tL e f t F s

1 2

1 2 1 20

1 20

1 2

( ) 0, ( ) 0, 0

( )* ( ) ( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

t

t

f t f t for t

L f t f t L f f t d

f t f t d

F s F s

11 2 1 2( ) ( ) ( ) ( )L F s F s f t f t

1 2 1 2( ) ( ) ( )* ( )L f t f t F s F s

Dual

8

Page 9: 제어시스템 설계

I. Chapter 2 동적 시스템 모델링

2) 부분분수 정리 (Partial Fraction expansion)

G(s) has simple poles(cont.) Example

Sol)

5 3( )

( 1)( 2)( 3)

sG s

s s s

31 2

1 11

2 2

3 3

( )1 2 3

5 3( 1) ( ) 1

( 2)( 3)

( 2) ( ) 7

( 3) ( ) 6

1 7 6( )

1 2 3

ss

s

s

KK KG s

s s s

sK s G s

s s

K s G s

K s G s

G ss s s

9

Page 10: 제어시스템 설계

I. Chapter 2 동적 시스템 모델링

2) 부분분수 정리 (Partial Fraction expansion)

G(s) has simple complex-conjugate poles

( )( )

( )( )

( ) ( )

( ) ( )

j j

j s j

P sG s

s j s j

K K

s j s j

K s j G s

10

Page 11: 제어시스템 설계

I. Chapter 2 동적 시스템 모델링

2) 부분분수 정리 (Partial Fraction expansion) G(s) has simple complex-conjugate poles(cont.)

Example

2 2( ) ( )

2

2

1( )

( ) ( )

( )2 2

sin 1 01

n

Ls

Lt

j t j t t j t j tn n

tnn

u ts

e f t F s

g t e e e e ej j

e t t

2

2 2

2

2

2

( )2

( ) ( ) 1

2

1 1( )

2 ( ) ( )

n

n n

nj j

n

nj

n

G ss s

K Kwhere

s j s j

Kj

G sj s j s j

11

Page 12: 제어시스템 설계

I. Chapter 2 동적 시스템 모델링

2) 부분분수 정리 (Partial Fraction expansion)

G(s) has multiple-order poles

1 2

1 2

1 2

1 22

( )

( )

( ) ( )( ) ( 1, 2, , )

( ) ( )( ) ( )( )

( ) ( )

where ( ) ( ) ( 1, 2, , )

1( ) ( )

( )!

n r

j j

rn r i

ss s

n r

rr

i i i

s i s s

r kr

k ir k s

Q s Q sG s where i n r

P s s s s s s s s s

KK K

s s s s s s

A A A

s s s s s s

K s s G s j n r

dA s s G s

r k ds

( 1, 2, , )is

k r

12

Page 13: 제어시스템 설계

I. Chapter 2 동적 시스템 모델링

2) 부분분수 정리 (Partial Fraction expansion)

G(s) has multiple-order poles(cont.) Example

Sol)

3

1( )

( 1) ( 2)G s

s s s

0 32 1 22 3

0

2

03

3 0 11

2

1

3

( )2 1 ( 1) ( 1)

1

21

2

1 1( 1) ( ) 1

(3 3)! ( 2)

0

1

1 1 1 1( )

2 2( 2) 1 ( 1)

ss

K AK A AG s

s s s s s

K

K

dA s G s

ds s s

A

A

G ss s s s

13

Page 14: 제어시스템 설계

I. Chapter 2 동적 시스템 모델링

3) Solution of linear Ordinary Equation

2

2

(0) 1( ) ( )3 2 ( ) 5 ( ),

'(0) 2s

yd y t dy ty t u t

ydt dt

Example

Sol)

2 5( ) (0) '(0) 3 ( ) 3 (0) 2 ( )s Y s sy y sY s y Y s

s

22

2 2

2

2

5 5( 3 2) ( ) 1

5 5( )

( 3 2) ( 1)( 2)

5 5 3

2 1 ( 2)

5 3( ) 5 0

2 2t t

s ss s Y s s

s s

s s s sY s

s s s s s s

s s s s

y t e e t

steady-state solutionor particular integral

transient solution or homogeneous solution0

lim ( ) lim ( )t s

y t sY s

14

Page 15: 제어시스템 설계

I. Chapter 2 동적 시스템 모델링

3) Solution of linear Ordinary Equation

Example –cont. Transient

response

Steady-state response

Steady-state error( )sse 0

( ) ( )lim lim1 ( ) 1 ( )x x

R s sR sG s G s

Type of Control system2

1 2 1 22

1 2

(1 )(1 )......(1 )( )

(1 )(1 )....(1 )m m

ja b n n

K T s T s T s T sG s

s T s T s T s T s

15

Page 16: 제어시스템 설계

I. Chapter 2 동적 시스템 모델링

3) Solution of linear Ordinary Equation

Example –cont.

16

Type of System

I

Err Const

Step RampParaboli

c

0 K 0 0

1 K 0 0

2 K 0 0

3 0 0 0

sse

Kp Kv Ka

1

R

K

R

K

R

K

Page 17: 제어시스템 설계

I. Chapter 2 동적 시스템 모델링

4) SFG(Signal flow graph)

( )R s ( )E s ( )Y s)(sG

+_

)(sH

)(sR )(sE

( )G s

)(sY

1

)(sY

1

( )H s

17

Page 18: 제어시스템 설계

I. Chapter 2 동적 시스템 모델링

4) SFG(Signal flow graph)

Can only be applied between an input node and an output node

A SFG : N forward paths

L loops

- the gain between the input node and output node

where

1

Nout k k

kin

y MM

y

1 2 3i

1k in out

i j kj k

M k y y

L L L

gain of the th forward path between and

( , , , )

(1 )mrL m m i j k

r r L

gain product of the th possible combination of

nontouching loops

k

k

the for that part of the SFG that is nontouching

with the th forward path

18

Page 19: 제어시스템 설계

I. Chapter 2 동적 시스템 모델링

4) SFG(Signal flow graph) Ex)

is the same regardless of which input and output nodes are chosen.

2y 3y 4y 5y

12a23a

32a 43a

34a

44a

45a

24a

25a

5

1

1 12 23 34 45

2 12 24 45

3 12 25

?y

y

M a a a a

M a a a

M a a

11 23 32

21 34 43

31 24 43 32

41 44

12 23 32 44

L a a

L a a

L a a a

L a

L a a a

11 21 31 41 12

23 32 34 43 24 43 32 44 23 32 44

1 2 3 34 43 44

5 1 1 2 2 3 3 12 23 34 45 12 25 34 43 44 12 24 45

1 23 32 34 43 24 43 32 44

1 ( )

1 ( )

1, 1, 1 ( )

(1 )

1 ( )

L L L L L

a a a a a a a a a a a

a a a

y M M M a a a a a a a a a a a a

y a a a a a a a a

23 32 44a a a

1y

19

Page 20: 제어시스템 설계

3 2 4 3 2 42

1

4 1 2 4

1

6 7 1 2 3 4 1 5 3 2

1 1

1 1 3 2 4 1 2 3 3

1 1 3 2 1 1 4 3 2 4 1 2 3 3 4 1 3 1 2 4

1

(1 )

(1 )

1

G H H G H Hy

y

y G G H

y

y y G G G G G G G H

y y

G H G H H G G G H

G H G H G H H G H H G G G H H G G H H H

I. Chapter 2 동적 시스템 모델링

4) SFG(Signal flow graph)

Ex)

2y 3y4y 5y

1 1G 4G

5G4H

1

3H

1y

2G 3G

6y 7y1H 2H

20

Page 21: 제어시스템 설계

I. Chapter 2 동적 시스템 모델링

3) 동적 시스템 모델링 전기 시스템

Kirchhoff 의 법칙 적용

- - 0di

V L Ridt

diL Ri V

dt

( / )

( ) ( )

1 1( )

( ) ( / )

( ) 1 R L t

ELs R I s

s

E EI s

s Ls R R s s R L

Ei t e

R

21

Page 22: 제어시스템 설계

문제 2.4

디스크 헤드의 위치 제어와 같은 기전 시스템에서 흔히 볼 수 있는 모터구동시스템 모델링

Ke : 기전력 상수 , Kt : 토크상수 , L : 전기자 인덕턴스R : 저항 , J1 : 회전자의 회전 관성

모터

구동부분회전축의 관성무시 . Ct : 등가 비틀림 점성 마찰계수 . t : 비틀림 스프링상수 , J2 : 부하의 회전 관성

22

Page 23: 제어시스템 설계

II.Chapter 3 제어시스템의 성능 및 안정도

23

Page 24: 제어시스템 설계

ll. Chapter 3 제어시스템의 성능 및 안정도

1) Routh - Huwitz

4 3 2

4

3

2

1

0

) 2 3 5 10 0

2 3 10

1 5 0

3 107 10 0

135 10

6.43 0 07

10 0 0

ex s s s s

s

s

s

s

s

2 roots in the right-half s-plane

roots : 1.0055 0.9331

0.7555 1.444

s j

s j

25

Page 25: 제어시스템 설계

Special Cases When Routh’s Tabulation Terminates Prematurely① The 1st element in any one row of Routh’s tabulation is

zero, but the others are not.

2 roots in the right-half

s-plane

roots :

4 3 2

4

3

2

1

0

) 23 2 3 0

1 2 3

1 2 0

2 20 3 0

12 3 3

0 0

3 0 0

ex s s s

s

s

s

s

s

0.09057 0.902

0.4057 1.2928

s j

s j

0

0

1) Routh - Huwitz

ll. Chapter 3 제어시스템의 성능 및 안정도

26

Page 26: 제어시스템 설계

2

roots :

( ) 4 4 0

( )8

( )coefficients of

marginally stable

s j

A s s

dA ss

ds

dA s

ds

5 4 3 2

5

4

3

2

1

1

0

) 4 8 8 7 4 0

1 8 7

4 8 4

32 8 28 46 6 0

4 448 24 4 4

624 24

( 0 0)4

8 0

4 0

ex s s s s s

s

s

s

s

s

s

s

1) Routh - Huwitz

ll. Chapter 3 제어시스템의 성능 및 안정도

Ex)

27

Page 27: 제어시스템 설계

감사합니다… .28