richiami di fondamenti di automatica e concetti fondamentali di...
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Richiamidifondamentidiautomaticaeconcettifondamentalidicontrollodigitale
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SistemilinearitempocontinuoRappresentazionespaziodistato
CasoSISO(singoloingressosingolauscita)
2
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SistemilinearitempocontinuoEquazionidifferenzialidiordinenconingresso
equivalealsistemalinearediordinen
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Sistemilinearitempocontinuo
Nelcasodieq.differenzialidiordinen:
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Sistemilinearitempodiscreto
Rappresentazionespaziodistato
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SistemilinearitempodiscretoSoluzione:
selamatriceAèdiagonalizzabile:
Rispostamodale:similealcasotempocontinuo
Rappresentazionidistatoalgebr.equivalenti:similealcasot.continuo
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SistemilinearitempodiscretoEquazionialledifferenzediordinenconingresso
equivalealsistemalinearediordinen
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SistemilinearitempodiscretoFunzioneditrasferimento
Nelcasodieq.differenzialidiordinen:
Poliezeri:similealcasotempocontinuo8
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Analisineldiscreto‐Campionamentoesatto
1
y(t),y(k) u(t),u(k)‐ ‐
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Campionamentoesatto
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Campionamentoesatto
InMatlab:sys=ss(A,B,C,D);sysd=c2d(sys,T);
[Ab,Bb,Cb,Db]=ssdata(sysd);
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Stabilitàdeisistemilineari
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Linearizzazione
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Raggiungibilità:motivazione
A,B Cu(k) x(k) y(k)
K
v(k)
Controlloconretroazionedellostato
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Raggiungibilità
Soluzione:
Definizione
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Raggiungibilità
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Raggiungibilità
TEOREMA
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Controllabilità
Definizione
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Controllabilità
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Posizionamentodeipolimedianteretroazionedellostato
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Controlloconretroazionedellostato
A,B Cu(k) x(k) y(k)
K
v(k)
Soluzioneconretroazionedellostato
Problema:progettareundispositivoche,connessoalsistemadacontrollare,rendaasintoticamentestabileilsistemacomplessivorisultante.
Sesonodisponibililemisuredituttolostatodelsistema,possiamogenerarel’ingressodicontrollomoltiplicandolemisuredellostatoperunguadagnostaticoK=[k1k2...kn]:
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Controlloconretroazionedellostato
A,B Cu(k) x(k) y(k)
K
v(k)
TEOREMA
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Assegnazionedegliautovalori
In MATLAB: K=-acker(A,B,P); K=-place(A,B,P);
FormuladiAckermann:
doveP=[λ1λ2...λn]sonoipolidesideratiadanellochiuso
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Pole‐placement:esempio
In MATLAB:
» A=[ 0 -1/4 ; -3 1 ];
» B=[ 1 ; -1/2 ];
» K=-place(A,B,[ 1/2 1/4 ])
K =
-0.0909 0.3182
o=autovaloriadanelloapertox=autovaloriadanellochiuso
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Osservabilitàestimadellostato
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Motivazione
A,B Cu(k) x(k) y(k)
?x(k)ˆ
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Osservabilità
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Osservabilità
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OsservabilitàTEOREMA
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Osservatore(stimatoreasintotico
dellostato)
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Stimatoreasintoticodellostato
A,B Cu(k) x(k) y(k)
Soluzione#1:
A,Bx(k)ˆ
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Stimatoreasintoticodellostato
A,B Cu(k) x(k) y(k)
A,Bx(k)ˆ
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Stimatoreasintoticodellostato
A,B Cu(k) x(k) y(k)
A,Bx(k)ˆ
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StimatoreasintoticodellostatoSoluzione#2:
A,B Cu(k) x(k) y(k)
A,[B L]x(k)ˆ
+
Cy(k)ˆ ‐
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Stimatoreasintoticodellostato
TEOREMA
A,B Cu(k) x(k) y(k)
A,[B L]x(k)ˆ
+
Cy(k)ˆ ‐
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StimatoreasintoticodellostatoEsempio MATLAB:
» sys=tf([1 0],[1 2 1]);
» sysd=c2d(sys,.1);
» [A,B,C,D]=ssdata(ss(sysd));
» L=place(A',C',[.5 .7])’;
» eig(A-L*C)
ans =
0.7000 0.5000
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StimatoreasintoticodellostatoSegue esempio MATLAB:
x=[-1;1];xhat=[0;0];
XX=x;XXhat=xhat;T=40;
UU=.1*ones(1,T);
for k=0:T-1, u=UU(k+1); y=C*x+D*u; yhat=C*xhat+D*u; x=A*x+B*u; xhat=A*xhat+B*u+L*(y-yhat); XX=[XX,x]; XXhat=[XXhat,xhat];end
subplot(211)plot(0:T,[XX(1,:);XXhat(1,:)]);gridtitle('x_1')
0 5 10 15 20 25 30 35 40‐10
0
10
20
30
40
x1(k)ˆ
x1(k)
37
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/72©2009byA.Bemporad ControllodiProcessoeSist.Prod.‐A.Bemporad‐A.a.2008/09
Compensatoredinamico
38
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/72©2009byA.Bemporad ControllodiProcessoeSist.Prod.‐A.Bemporad‐A.a.2008/09
Ipotesi:sistemacompl.raggiungibileecompl.osservabile
Compensatoredinamico
N.B.:nondipendedau(k),equindidaK!
y(A,B,C)
uv
K
++
Stimatorex̂
39
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Sistemacomplessivoadanellochiuso
40
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/72©2009byA.Bemporad ControllodiProcessoeSist.Prod.‐A.Bemporad‐A.a.2008/09
Sistemacomplessivoadanellochiuso
LAFUNZIONEDITRASFERIMENTOADANELLOCHIUSOÈRIMASTAIDENTICAALCASOSTATE‐FEEDBACK!!!
41
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/72©2009byA.Bemporad ControllodiProcessoeSist.Prod.‐A.Bemporad‐A.a.2008/09
PrincipiodiseparazionePRINCIPIODISEPARAZIONE:
42
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/72©2009byA.Bemporad ControllodiProcessoeSist.Prod.‐A.Bemporad‐A.a.2008/09
Sceltadellostimatore
LasceltadiLinfluisceduranteiltransitorio!
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/72©2009byA.Bemporad ControllodiProcessoeSist.Prod.‐A.Bemporad‐A.a.2008/09
Sceltadellostimatore
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CompensatoreDinamicoCompensatoredinamico
y(A,B,C)
u
vK+ + Stimatore
x̂
45
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/72©2009byA.Bemporad ControllodiProcessoeSist.Prod.‐A.Bemporad‐A.a.2008/09
EsempioMATLAB
K=1;beta=.3;alpha=1;
G=tf(K,[1 beta alpha 0]);
ts=0.5;
Gd=c2d(G,ts);sysd=ss(Gd);[A,B,C,D]=ssdata(sysd);
% Controllorepolicontinuo=[-1, -0.5+0.6*j, -0.5-0.6*j];polidiscreto=exp(ts*policontinuo);K=-place(A,B,polidiscreto);
% Osservatorepolicontinuo=[-10, -9, -8];polidiscreto=exp(ts*policontinuo);L=place(A',C',polidiscreto)';
%u=K*xhat+vbigA=[A,B*K;L*C,A+B*K-L*C];bigB=[B;B];bigC=[C,zeros(1,3)];bigD=0;
T=20;
clsys=ss(bigA,bigB,bigC,bigD,ts);x0=[1 1 1]'; xhat0=[0 0 0]'; initial(clsys, [x0;xhat0],T);pause
t=(0:ts:T)';v=ones(size(t));lsim(clsys,v);
46
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/72©2009byA.Bemporad ControllodiProcessoeSist.Prod.‐A.Bemporad‐A.a.2008/09
Time (sec.)0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
Time (sec.)0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Rispostadacondizioneiniziale
(v(k)´0)
Rispostaalgradino
(v(k)´1)
47
EsempioMATLAB
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/72©2009byA.Bemporad ControllodiProcessoeSist.Prod.‐A.Bemporad‐A.a.2008/09
ControllorePIDdigitale
48
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/72©2009byA.Bemporad ControllodiProcessoeSist.Prod.‐A.Bemporad‐A.a.2008/09
PID‐Parametridibase
49
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/72©2009byA.Bemporad ControllodiProcessoeSist.Prod.‐A.Bemporad‐A.a.2008/09
AzionePID
StrutturadibasedelPID
K p+
rPROC E S S O
‐
+
PID
AzioneP
AzionePI
AzionePD
yu
50
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/72©2009byA.Bemporad ControllodiProcessoeSist.Prod.‐A.Bemporad‐A.a.2008/09
PIDindustriale
51
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/72©2009byA.Bemporad ControllodiProcessoeSist.Prod.‐A.Bemporad‐A.a.2008/09
PIDdigitale
52
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/72©2009byA.Bemporad ControllodiProcessoeSist.Prod.‐A.Bemporad‐A.a.2008/09
PIDdigitale
53
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/72©2009byA.Bemporad ControllodiProcessoeSist.Prod.‐A.Bemporad‐A.a.2008/09
ControlloOttimoLineareQuadratico(LQR)
54
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/72©2009byA.Bemporad ControllodiProcessoeSist.Prod.‐A.Bemporad‐A.a.2008/09
ProblemaLQR:Introduzione•Problemadellasceltadeipoliadanellochiuso:doveposizionarli?
•Obiettivi:
•Renderelostatox(k)“piccolo”(perregolarloversol’origine)•Utilizzareuningressou(k)“piccolo”(pereconomizzarel’usodegliattuatori)
Ingeneralesonoobiettivicontrastanti!
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
‐1
‐0.5
0
0.5
1
statex(t)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
‐10
‐8
‐6
‐4
‐2
0
2
inputu(t)
•LQR:Tecnicachepermettedipiazzareipoliada.c.inmaniera“ottima”
55
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/72©2009byA.Bemporad ControllodiProcessoeSist.Prod.‐A.Bemporad‐A.a.2008/09
ControlloOttimoLQ•Controlloottimo(suorizzontetemporalefinitoT):
56
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/72©2009byA.Bemporad ControllodiProcessoeSist.Prod.‐A.Bemporad‐A.a.2008/09
ControlloOttimoLQ
57
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/72©2009byA.Bemporad ControllodiProcessoeSist.Prod.‐A.Bemporad‐A.a.2008/09
ControlloOttimoLQ
58
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/72©2009byA.Bemporad ControllodiProcessoeSist.Prod.‐A.Bemporad‐A.a.2008/09
Controlloottimo:soluzione
59
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/72©2009byA.Bemporad ControllodiProcessoeSist.Prod.‐A.Bemporad‐A.a.2008/09
Controlloottimo:soluzione
60
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/72©2009byA.Bemporad ControllodiProcessoeSist.Prod.‐A.Bemporad‐A.a.2008/09
Controlloottimo:soluzione
61
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/72©2009byA.Bemporad ControllodiProcessoeSist.Prod.‐A.Bemporad‐A.a.2008/09
PrincipiodiBellman
RichardBellman(1920‐1984)
statoottimox*(t)
0 t1 T
0
0
0 Tt1
x*(t1)
ingressoottimou*(t)
62
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/72©2009byA.Bemporad ControllodiProcessoeSist.Prod.‐A.Bemporad‐A.a.2008/09
PrincipiodiBellman
‐1 ‐0.8 ‐0.6 ‐0.4 ‐0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1‐1.5
‐1
‐0.5
0
0.5
1
1.5
traiettorieottime
63
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/72©2009byA.Bemporad ControllodiProcessoeSist.Prod.‐A.Bemporad‐A.a.2008/09
Programmazionedinamica
64
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/72©2009byA.Bemporad ControllodiProcessoeSist.Prod.‐A.Bemporad‐A.a.2008/09
SoluzioneLQmedianteprogr.dinamica
65
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SoluzioneLQmedianteprogramm.dinamica
66
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IterazionidiRiccati
JacopoFrancescoRiccati(1676‐1754)
67
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LQR(orizzonteinfinito)
68
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LQR(orizzonteinfinito)
69
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LQR‐Pesosull’uscita
70
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LQR:Esempio
71
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/72©2009byA.Bemporad ControllodiProcessoeSist.Prod.‐A.Bemporad‐A.a.2008/09
LQR:Esempio
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20‐0.5
0
0.5
1outputy(k)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20‐1
‐0.5
0
0.5
1inputu(k)
ρ=0.1
ρ=10
ρ=1000
72