„Szabályozástechnika - 2DOF szabályzó tervezése” változatai közötti eltérés
Új oldal, tartalma: „==A szakasz megadása és a zárt körre vonatkozó előírások== <syntaxhighlight lang="matlab" style="font-size: 150%;"> %% A szakasz a szokásos: Aplant / (1+sT1)(…” |
aNincs szerkesztési összefoglaló |
||
| (27 közbenső módosítás, amit 4 másik szerkesztő végzett, nincs mutatva) | |||
| 1. sor: | 1. sor: | ||
{{Vissza|Szabályozástechnika}} | |||
==A szakasz megadása és a zárt körre vonatkozó előírások== | ==A szakasz megadása és a zárt körre vonatkozó előírások== | ||
<syntaxhighlight lang="matlab" style="font-size: | <syntaxhighlight lang="matlab" style="font-size: 140%;"> | ||
%% A szakasz a szokásos: Aplant | %% A szakasz a szokásos: | ||
% Aplant | |||
% Wp(s) = --------------------- | |||
% (1+sT1)(1+sT2)(1+sT3) | |||
Aplant=5; | Aplant=5; | ||
| 16. sor: | 22. sor: | ||
w0=1/3; % A domináns póluspár sajátfrekvenciája | w0=1/3; % A domináns póluspár sajátfrekvenciája | ||
scinf=-1; % További pólusok | scinf=-1; % További pólusok (ha szükséges) | ||
soinf=-5; % Megfigyelő pólusok | soinf=-5; % Megfigyelő pólusok | ||
| 33. sor: | 39. sor: | ||
zdom2=exp(sdom2*Ts) | zdom2=exp(sdom2*Ts) | ||
zcinf=exp(scinf*Ts) | zcinf=exp(scinf*Ts) | ||
zoinf=exp(soinf*Ts) | zoinf=exp(soinf*Ts) | ||
</syntaxhighlight> | |||
==A megoldandó egyenlet levezetése== | |||
[[File:Szabtech_2dof_szabályzó_felépítése.JPG]] | |||
<syntaxhighlight lang="matlab" style="font-size: 140%;"> | |||
% A 2DOF szabályzó tervezés alapelve, hogy mi a zárt kör átviteli függvényében | |||
% előre meghatározott pólusokat szeretnénk. Azaz célunk, hogy: | |||
% | |||
% Bm Ao | |||
% Dcl = ---- * ---- alakú legyen, ahol Ao az úgynevezett observer polinom. | |||
% Am Ao | |||
% | |||
% Am gyökei az általunk előírt pólusok - zdom1, zdom2 és ha szükséges akkor megfelelő számú zcinf pólus is. | |||
% Ao gyökei pedig (csak ha szükséges) - megfelelő számú zoinf pólus. | |||
% A szakasz diszkrétidejű átviteli függvénye: D(z) = B(z) / A(z) | |||
% A zárt kör átviteli függvénye: | |||
% | |||
% T B/A T*B Bm Ao | |||
% Dcl = --- * --------------- = ----------- == ---- * ---- | |||
% R 1 + B/A * S/R A*R + B*S Am Ao | |||
% | |||
% Szeretnénk egyszerűsíteni a B polinommal, így R gyökei közé bevesszük B gyökeit. | |||
% Azonban R gyökei közé csak a B stabilis gyökeit tehetjük, a szabályzó stabilitásának érdekében. | |||
% Így B = Bplus * Bminus felbontásra jutunk, ahol Bplus tartalmazza B kiejthető gyökeit, | |||
% azaz azokat, amelyek az egységkörön belül vannak és NEM tisztán negatív valósak! | |||
% Tehát R gyökei közé bevehetjük Bplus gyökeit: R = R1 * Bplus | |||
% Így le tudunk egyszerűsíteni Bplus-al az egyenlet bal oldalán: | |||
% | |||
% T*Bminus Bm Ao | |||
% ----------------- == ---- * ---- | |||
% A*R1 + Bminus*S Am Ao | |||
% | |||
% Az egyenletből látszik, hogy Bm polinomnak mindenképpen tartalmaznia kell B nem kiejthető gyökeit, | |||
% azaz Bm = Bm' * Bminus alakú kell hogy legyen. Így tovább egyszerűsíthetünk: | |||
% | |||
% T Bm' Ao | |||
% ----------------- == ---- * ---- | |||
% A*R1 + Bminus*S Am Ao | |||
% | |||
% Előírás lehet, hogy a szabályzó "k" darab integrátort tartalmazzon, melyeket az R polinomba | |||
% kell bepakolnunk. Azaz R = R1 * Bplus, ahol R1 = (z-1)^k * R1' | |||
% Így a végleges egyenletünk: | |||
% | |||
% T Bm' Ao | |||
% -------------------------- == ---- * ---- | |||
% A*(z-1)^k*R1' + Bminus*S Am Ao | |||
% | |||
% Ez alapján a szabályzó T polinomja egyszerűen számítható: T = Bm' * Ao | |||
% Az egyenlet nevezője pedig egy diophantoszi polinomegyenlet, amiből a lentebb ismertetett | |||
% módszerrel R1' (ebből pedig R) és S már egyszerűen meghatározható. | |||
</syntaxhighlight> | </syntaxhighlight> | ||
== A számláló faktorizálása == | == A számláló faktorizálása == | ||
<syntaxhighlight lang="matlab" style="font-size: | <syntaxhighlight lang="matlab" style="font-size: 140%;"> | ||
B=dp.num{1} % Számláló kiolvasása a tf struktúrából | B=dp.num{1} % Számláló kiolvasása a tf struktúrából | ||
A=dp.den{1}; % Nevező kiolvasása a tf struktúrából | A=dp.den{1}; % Nevező kiolvasása a tf struktúrából | ||
% Mivel a polinomok fokszámait majd az őket tároló vektorok | % Mivel a polinomok fokszámait majd az őket tároló vektorok hosszából számítjuk | ||
% | % (fokszám = vektor elemszáma - 1), a Matlab pedig az átviteli függvény számlálóját | ||
% és nevezőjét egyforma elemszámú vektorokban tárolja, ezért B elejéről le kell | |||
% választanunk a vezető 0 elemeket. | |||
% Jelen esetben csak 1 darab van, így csak azt kell levágni. | |||
B=B(2:end) | B=B(2:end) | ||
Bpoles=roots(B) % B gyökeinek számítása | Bpoles=roots(B) % B gyökeinek számítása | ||
| 57. sor: | 116. sor: | ||
% Nem kiejthető gyökök: Egységkörön kívűl, vagy tisztán negatív valósak | % Nem kiejthető gyökök: Egységkörön kívűl, vagy tisztán negatív valósak | ||
Bminus=B % Esetünkben egyik zérus sem kiejthető, mivel mind negatív valósak | Bminus=B % Esetünkben egyik zérus sem kiejthető, mivel mind negatív valósak | ||
Bplus=1 | Bplus=1 % FONTOS: Ha Bplus polinom nem egy konstans 1-es, akkor mindig meg kell szorozni B(1)-el! | ||
% Általánosan kis manuális beavatkozással: | % Általánosan kis manuális beavatkozással: | ||
% roots(B) | % roots(B) | ||
% Megnézzük hogy mik a kiejthető és mik a ki nem ejthető gyökök | % Megnézzük, hogy mik a kiejthető és mik a ki nem ejthető gyökök | ||
% Bplus=poly([ kiejthető gyökök felsorolása ]) | % Bplus=poly([ kiejthető gyökök felsorolása ]) | ||
% Bminus=B(1)*poly([ nem kiejthető gyökök felsorolása ]) | % Bminus=B(1)*poly([ nem kiejthető gyökök felsorolása ]) | ||
% ------------------------------------------------------------------------------------------------------- | |||
%% Csak ÍNYENCEKNEK - általános megoldás a Matlab lehetőségeit kihasználva. | %% Csak ÍNYENCEKNEK - általános megoldás a Matlab lehetőségeit kihasználva. | ||
% Bminus-ba azok a gyökök kerülnek, amiknek az abszolútértéke >=1 | % Bminus-ba azok a gyökök kerülnek, amiknek az abszolútértéke >=1 illetve tisztán valósak és negatívak. | ||
% Az & jel a két feltétel közötti ÉS kapcsolatot jelenti, az union két halmaz (esetünkben vektor) uniója. | |||
% Ezt a műveletet használva minden olyan elem bekerül Bminuspoles-ba, amelyre valamelyik feltétel igaz, | |||
% de akkor is csak egyszer fog szerepelni, ha mindkét feltétel igaz rá. | |||
Bminuspoles=union(Bpoles(abs(Bpoles)>=1), Bpoles((real(Bpoles)<0)&(imag(Bpoles)<1e-12))); | |||
Bminuspoles=union(Bpoles(abs(Bpoles)>=1), | |||
Bpoles((real(Bpoles)<0)&(imag(Bpoles) | |||
% Bplus-ba Bpoles es Bminuspoles különbsége kerül | % Bplus-ba Bpoles es Bminuspoles különbsége kerül | ||
Bpluspoles=setdiff(Bpoles,Bminuspoles); | Bpluspoles=setdiff(Bpoles,Bminuspoles); | ||
% Bplus polinom összeállítása a gyökökből | % Bplus polinom összeállítása a gyökökből | ||
Bplus=poly(Bpluspoles); | Bplus=poly(Bpluspoles); | ||
% Hogy Bplus*Bminus=B legyen, Bminus-t még szorozni kell egy megfelelő | % Hogy Bplus*Bminus=B legyen, Bminus-t még szorozni kell egy megfelelő konstanssal, hiszen a poly | ||
% mindenképpen 1 vezető együtthatójú polinomot képez az elemekből és az elmélet szerint Bplus monic. | |||
Bminus=poly(Bminuspoles)*B(1); | Bminus=poly(Bminuspoles)*B(1); | ||
</syntaxhighlight> | |||
== Fokszámfeltételek (Tk - 240. oldal)== | == Fokszámfeltételek (Tk - 240. oldal)== | ||
<syntaxhighlight lang="matlab" style="font-size: | <syntaxhighlight lang="matlab" style="font-size: 140%;"> | ||
% A | % A fokszámokat a vizsgán általában egyszerűbb és gyorsabb kézzel kiszámítani | ||
% az ismert képletek használatával, de számíthatóak általánosan Matlab segítségével is. | |||
grBminus=length(Bminus)-1 % A vezető 0-t már korábban leválasztottuk | grBminus=length(Bminus)-1 % A vezető 0-t már korábban leválasztottuk | ||
grA=length(A)-1 | grA=length(A)-1 | ||
% grAm=1+grBminus+{1: grBminus=0; | % grAm=1+grBminus+{1: grBminus=0; 0 egyébként} - grAm legalább másodfokú kell legyen! | ||
% grAo=grA+lint-1-{1: grBminus=0; 0 egyébként} | |||
% grAo=grA+lint-1-{1: grBminus=0; | % Itt grBminus=2, így jelen esetben NEM kell hozzáadnunk illetve levonnunk semmit. | ||
% Itt grBminus=2, így | |||
grAm=1+grBminus | grAm=1+grBminus | ||
grAo=grA+lint-1 | grAo=grA+lint-1 | ||
grS=grA+lint-1 | |||
grR1prime=grBminus | |||
% Általános megoldás - csak ínyenceknek! | % Általános megoldás - csak ínyenceknek! | ||
% grBminus==0 1-re értékelődik ki ha Bminus fokszáma 0, 0-ra egyébként | % grBminus==0 1-re értékelődik ki ha Bminus fokszáma 0, 0-ra egyébként | ||
grAm=1+grBminus+(grBminus==0); | % grAm=1+grBminus+(grBminus==0); | ||
% grAo=grA+lint-1-(grBminus==0); | |||
%% Referencia- és megfigyelő polinom számítása | %% Referencia- és megfigyelő polinom számítása | ||
% A polinomokat a gyökeikből a poly függvény segítségével számítjuk. | % A polinomokat a gyökeikből a poly függvény segítségével számítjuk. Fontos, hogy a poly 1 vezető | ||
% együtthatójú (monic) polinomokat képez, és az elmélet szerint Am és Ao is monic. Am harmadfokú (grAm=3), | |||
% így a domináns póluspár mellett grAm-2, azaz egyszeres multiplicitással kell a zcinf pólust szerepeltetni | |||
Am=poly([zdom1 zdom2 zcinf]) | Am=poly([zdom1 zdom2 zcinf]) | ||
% Ao egyetlen gyöke zoinf, ezt kell most grAo, azaz háromszoros | % Ao egyetlen gyöke zoinf, ezt kell most grAo, azaz háromszoros multiplicitással szerepeltetni | ||
Ao=poly([zoinf zoinf zoinf]) | Ao=poly([zoinf zoinf zoinf]) | ||
% Általános megoldás: | |||
% Am=poly([zdom1 zdom2 ones(1,grAm-2)*zcinf]) | |||
% Ao=poly(ones(1,grAo)*zoinf) | |||
% B'm számítása: Szeretnénk, ha a zárt körnek egységugrás alapjel esetén zérus maradó hibája lenne, | |||
% B'm = Am(z=1) / Bminus(z=1) | % azaz a zárt kör ugrásválaszának végértéke 1 lenne: | ||
% lim (z -> 1) { (1-z^-1)*Dcl(z)*1/(1-z^-1) } = lim (z -> 1 ) { Dcl(z) } = Dcl(1) | |||
% 1 = Dcl(1) = Bm(1)/Am(1) = Bminus(1) * Bm' / Am(1) --> B'm = Am(z=1) / Bminus(z=1) | |||
Bmprime=polyval(Am,1)/polyval(Bminus,1) | Bmprime=polyval(Am,1)/polyval(Bminus,1) | ||
</syntaxhighlight> | |||
== A diophantoszi polinomegyenlet megoldása == | == A diophantoszi polinomegyenlet megoldása == | ||
<syntaxhighlight lang="matlab" style="font-size: | <syntaxhighlight lang="matlab" style="font-size: 140%;"> | ||
polyint=[1 -1]; % Az integrátor polinomja (z-1) | polyint=[1 -1]; % Az integrátor polinomja (z-1) | ||
| 143. sor: | 196. sor: | ||
polyint=conv(polyint,[1 -1]); | polyint=conv(polyint,[1 -1]); | ||
end; | end; | ||
% A megoldandó diophantoszi polinomegyenlet (R1' = R1prime): | |||
% A * polyint * R1prime + Bminus * S = Am * A0 | |||
% A lehetséges szorzásokat elvégezve az általános diophantoszi egyenlet formája: | |||
% polyA * R1prime + polyB * S = polyC | |||
polyA=conv(A,polyint) % A diophantoszi egyenletben szereplő A polinom | polyA=conv(A,polyint) % A diophantoszi egyenletben szereplő A polinom | ||
polyB=Bminus % A diophantoszi egyenletben szereplő B polinom | polyB=Bminus % A diophantoszi egyenletben szereplő B polinom | ||
polyC=conv(Am,Ao) % A diophantoszi egyenletben szereplő C polinom | polyC=conv(Am,Ao) % A diophantoszi egyenletben szereplő C polinom | ||
% A polinomegyenletnek megfelelő | % A fenti egyenlet átírható lineáris egyenletrendszer alakba, ami mátrixos formában könnyen megoldható. | ||
% Cél: A polinomegyenletnek megfelelő dioA * x = dioB lineáris egyenletrendszer mátrixainak összeállítása. | |||
% Esetünkben az | % A toeplitz(C,R) függvény olyan Toeplitz-mátrix-szal tér vissza, melynek első oszlopa C, első sora pedig R. | ||
% | % Ha C(1) és R(1) nem egyezik meg, akkor figyelmeztetés mellett C(1) értéke lesz a mátrix (1,1) indexű eleme. | ||
% a másodiké pedig 4. | |||
% számú 0-t kell beszúrnunk az | % Esetünkben az dioA mátrix két Toeplitz blokkból áll. | ||
% Az ismeretlenek száma összesen 6-ra adódik - R1' és S polinomok ismeretlenjei. | |||
% eleme Am(1) illetve Bminus(1), ezek után még | % Egy Polinom ismeretlenjeinek száma = fokszám + 1. | ||
% | % Mivel R1' monic polinom, azaz legmagasabb fokszámú tagjának a szorzója 1-es, | ||
% így hiába másodfokú, csak 2 ismeretlen van benne. | |||
% Mivel 6 ismeretlenünk van, így mindkét Toeplitz blokk sorainak száma 6, az első blokk oszlopainak száma 2 | |||
% (R1' ismeretlenjeinek száma), a másodiké pedig 4 (S ismeretlenjeinek a száma). | |||
% A toeplitz blokkok paramétereinek megadásaikor, így megfelelő számú 0-t kell beszúrnunk az oszlop | |||
% paraméterként megadott (polyA illetve Bminus) polinomok után úgy, hogy azok elemszáma 6 legyen. | |||
% A sor paraméterként megadott polinomok első eleme Am(1) illetve Bminus(1), ezek után még annyi 0-ást | |||
% kell beszúrnunk, hogy a vektorok elemszáma R1' illetve S ismeretlenjeinek számára egészüljön ki. | |||
% Jelen esetben ez 1 illetve 3 darab NULLA beszúrását jelenti. | |||
% Hogyan is néz ez ki? | % Hogyan is néz ez ki? | ||
| 180. sor: | 243. sor: | ||
[polyB(1) zeros(1,grS)])]; | [polyB(1) zeros(1,grS)])]; | ||
% Most a jobb oldalon álló vektor első négy eleme polyC(2)-polyA(2) ... | % Most a jobb oldalon álló vektor első négy eleme polyC(2)-polyA(2) ... polyC(5)-polyA(5) | ||
% (polyA és polyC első eleme 1, amit nem használunk fel), a további sorokban pedig polyC(6) és | |||
% polyC(7) áll, mivel polyA egy negyedfokú polinom, így nincsenek további együtthatói. | |||
% A legegyszerűbb ezt a vektort olyan módon számítani, hogy polyC 2..7-ik eleméből kivonunk | |||
% egy olyan vektort, ami polyA 2..5-ik eleme után két 0-t tartalmaz. Ügyelni kell arra, hogy a | |||
% egy olyan vektort, ami polyA 2..5-ik eleme után két 0-t tartalmaz. | % polinomokat sorvektorként ábrázoljuk, azonban a lineáris egyenletrendszer jobb oldalán oszlopvektor | ||
% áll, így az eredményt transzponálnunk kell. | |||
dioB=[polyC(2:end)-[polyA(2:end) 0 0]]' | dioB=[polyC(2:end)-[polyA(2:end) 0 0]]' | ||
% Általános megoldás - csak ínyenceknek! | % Általános megoldás - csak ínyenceknek! | ||
% A polyA elemei után beszúrandó 0-k számát a két polinom fokszámkülönbsége | % A polyA elemei után beszúrandó 0-k számát a két polinom fokszámkülönbsége | ||
| 199. sor: | 259. sor: | ||
% Az egyenletrendszer megoldása: | % Az egyenletrendszer megoldása: | ||
dioSol=inv(dioA)*dioB | dioSol=inv(dioA)*dioB | ||
% Ínyenceknek: | |||
% dioSol=dioA\dioB | |||
% A 'backslash' jel hatására a Matlab stabilabb és gyorsabb algoritmussal dolgozik! | |||
</syntaxhighlight> | |||
== A szabályzó átviteli függvényék polinomjainak meghatározása== | == A szabályzó átviteli függvényék polinomjainak meghatározása== | ||
<syntaxhighlight lang="matlab" style="font-size: | <syntaxhighlight lang="matlab" style="font-size: 140%;"> | ||
% A dioSol vektor most a következő elemeket tartalmazza: | % A dioSol vektor most a következő elemeket tartalmazza: | ||
| 211. sor: | 275. sor: | ||
% Ne feledjük, hogy a megoldás is oszlopvektor formában adódott! | % Ne feledjük, hogy a megoldás is oszlopvektor formában adódott! | ||
% R1' számítása | % R1' számítása: | ||
% R1' másodfokú, ám mivel monic, ezért legnagyobb fokszámú együtthatója 1, | % R1' másodfokú, ám mivel monic, ezért legnagyobb fokszámú együtthatója 1, így csak a további 2 | ||
% együttható szerepel a megoldásvektorban. R1prime vektor polinomnak felel meg, így sorvektornak | |||
% kell lennie, úgyhogy transzponálnunk kell a megoldásvektor elemeit | |||
R1prime=[1 dioSol(1:2)'] | R1prime=[1 dioSol(1:2)'] | ||
% R polinom számítása | % R polinom számítása: | ||
% R=Bplus*(z-1)^l*R1' | % R = Bplus * (z-1)^l * R1' | ||
R=conv(conv(Bplus,polyint),R1prime) | R=conv(conv(Bplus,polyint),R1prime) | ||
% S polinom számítása | % S polinom számítása: | ||
% S együtthatóit a megoldásvektor 3..6-ik elemei tartalmazzák, de a vektort | % S együtthatóit a megoldásvektor 3..6-ik elemei tartalmazzák, de a vektort | ||
% még transzponálnunk kell, hogy S vektor sorvektor legyen | % még transzponálnunk kell, hogy S vektor sorvektor legyen | ||
S=dioSol(3:6)' | S=dioSol(3:6)' | ||
% T polinom számítása | % T polinom számítása: | ||
T=Bmprime*Ao % Bmprime egy skalár, így nincs szükség a conv-ra | T=Bmprime*Ao % Bmprime egy skalár, így nincs szükség a conv-ra | ||
% Általános megoldás - csak ínyenceknek! | |||
% R1prime=[1 dioSol(1:grR1prime)']; | |||
% S=dioSol(grR1prime+1:end)'; | |||
</syntaxhighlight> | </syntaxhighlight> | ||
== A zárt szabályozási kör összeállítása == | == A zárt szabályozási kör összeállítása == | ||
<syntaxhighlight lang="matlab" style="font-size: | <syntaxhighlight lang="matlab" style="font-size: 140%;"> | ||
%% A zárt szabályozási kör összeállítása | %% A zárt szabályozási kör összeállítása | ||
| 260. sor: | 325. sor: | ||
ylabel('u'); | ylabel('u'); | ||
% A kétszabadságfokú szabályzó működését definiáló differenciaegyenlet, azaz a beavatkozó jel | |||
% aktuális értékének számítására vonatkozó képlet: | |||
% u = T/R * r - S/R * y --> R*u = T*r - S*y | |||
% A feladat során kiszámolt R(z), T(z) és S(z) polinomok behelyettesítése: | |||
% | |||
% (1*z^3 - 1.13*z^2 + 0.22*z - 0.09)*u = (0.88*z^3 - 0.97*z^2 + 0.36*z - 0.04)*r - | |||
% (317*z^3 - 863*z^2 + 781*z - 235)*y | |||
% | |||
% Leosztunk (z^3)-el, elvégezzük az inverz Z-transzformációt és u[k]-ra rendezzük az egyenletet: | |||
% | |||
% u[k] = 0.88*r[k] - 0.97*r[k-1] + 0.36*r[k-2] - 0.04*r[k-3] - | |||
% 317 *y[k] + 863 *y[k-1] - 781 *y[k-2] + 235 *y[k-3] + | |||
% 1.13*u[k-1] - 0.22*u[k-2] + 0.09*u[k-3] | |||
</syntaxhighlight> | |||
== A robosztusság illusztrációja == | == A robosztusság illusztrációja == | ||
<syntaxhighlight lang="matlab" style="font-size: | <syntaxhighlight lang="matlab" style="font-size: 140%;"> | ||
% A szakasz minden paraméterét 25%-al megnöveljük | % A szakasz minden paraméterét 25%-al megnöveljük illetve lecsökkentjük | ||
wp125=tf(Aplant,conv(conv([1.25*T1 1],[1.25*T2 1]),[1.25*T3 1])); | wp125=tf(Aplant,conv(conv([1.25*T1 1],[1.25*T2 1]),[1.25*T3 1])); | ||
wp75=tf(Aplant,conv(conv([0.75*T1 1],[0.75*T2 1]),[0.75*T3 1])); | wp75=tf(Aplant,conv(conv([0.75*T1 1],[0.75*T2 1]),[0.75*T3 1])); | ||
| 272. sor: | 351. sor: | ||
dp75=c2d(wp75,Ts); | dp75=c2d(wp75,Ts); | ||
% Zárt körök összeállítása a | % Zárt körök összeállítása a pertubált szakaszokból és az eredeti szabályzóból | ||
d_cl75=series(d_ff,feedback(dp75,d_fb,-1)); | d_cl75=series(d_ff,feedback(dp75,d_fb,-1)); | ||
d_cl125=series(d_ff,feedback(dp125,d_fb,-1)); | d_cl125=series(d_ff,feedback(dp125,d_fb,-1)); | ||
| 295. sor: | 373. sor: | ||
</syntaxhighlight> | </syntaxhighlight> | ||
[[Kategória:Villamosmérnök]] | |||