0,0 → 1,374 |
\documentclass[12pt,notitlepage,fleqn]{article} |
|
\usepackage[czech]{babel} |
\usepackage[pdftex]{graphicx} |
\usepackage{fancyhdr,multicol} %nastavení češtiny, fancy, grafiky, sloupce |
\usepackage[utf8]{inputenc} %vstupni soubory v kodovani UTF-8 |
\usepackage[a4paper,text={17cm,25cm},centering]{geometry} %nastavení okrajů |
\usepackage{rotating} |
|
\begin{document} |
|
\section*{Řešení 7. zadané úlohy - Jakub Kákona} |
|
\begin{enumerate} |
|
\item |
|
Na základě fyzikálních procesů probíhajících v obvodu sestavíme stavové rovnice popisující systém: |
|
\begin{equation} |
v(t) = V_c(t) + v_R(t) = V_c(t) + Ri_c(t) = v_c(t) + RC \frac{dv_c(t)}{dt} |
\end{equation} |
|
Napětí na obou větvích obvodu ale musí být stejné, proto zároven platí: |
|
\begin{equation} |
v(t) = V_L(t) + v_R(t) = Lv_L(t) + Ri_L(t) = L \frac{di_L(t)}{dt} + Ri_L(t) |
\end{equation} |
|
Celkový proud obvodem pak je: |
|
\begin{equation} |
i(t) = i_C(t) + i_L(t) = \frac{v(t)-v_c(t)}{R} + i_L(t) |
\end{equation} |
|
\begin{eqnarray} |
y(t) =& i(t), \\ |
u(t) =& v(t), \\ |
x_1(t) =& v_C(t), \\ |
x_2(t) =& i_L(t), \\ |
u(t) =& x_1(t) + RC \dot{x_1}(t), \\ |
u(t) =& L \dot{x_2}(t) + R x_2(t), \\ |
y(t) =& \frac{1}{R} u(t) - \frac{1}{R} x_1(t) + x_2(t) \\ |
\end{eqnarray} |
|
Stavový popis přepíšeme do maticového tvaru: |
|
\begin{equation} |
x(t) = |
\left[ \begin{array}{cc} |
- \frac{1}{RC} & 0 \\ |
0 & - \frac{R}{L} |
\end{array} |
\right] x(t) + |
\left[ \begin{array}{c} |
\frac{1}{RC} \\ |
\frac{1}{L} |
\end{array} |
\right] u(t) |
\end{equation} |
|
\begin{equation} |
y(t) = |
\left[ \begin{array}{cc} |
- \frac{1}{R} & 1 \\ |
\end{array} |
\right] x(t) + |
\frac{1}{R} u(t) |
\end{equation} |
|
K určení impulzní odezvy potřebujeme přenos systému |
|
\begin{eqnarray} |
H(s) =& C [sI - A]^{-1} B + D \\ |
H(s) =& |
\left[ \begin{array}{cc} |
- \frac{1}{R} & 1 \\ |
\end{array} |
\right] |
\left[ \begin{array}{cc} |
s + \frac{1}{RC} & 0 \\ |
0 & s + \frac{R}{L} \\ |
\end{array} |
\right]^{-1} |
\left[ \begin{array}{c} |
\frac{1}{RC} \\ |
\frac{1}{L} \\ |
\end{array} |
\right] + \frac{1}{R} \\ |
H(s) =& - \frac{1}{R^2 C (s + RC)} + \frac{1}{L(s +\frac{R}{L})} + \frac{1}{R} |
\end{eqnarray} |
|
Z přenosu zjistíme impulzní odezvu: |
|
\begin{equation} |
h(t) = L^{-1} \left\{ H(s) \right\} |
\end{equation} |
|
Do popisu systému dosadíme předpoklad $\frac{1}{RC} = \frac{R}{L}$ |
|
Tím získáme následující tvar stavového popisu: |
|
\begin{equation} |
x(t) = |
\left[ \begin{array}{cc} |
- \frac{R}{L} & 0 \\ |
0 & - \frac{R}{L} |
\end{array} |
\right] x(t) + |
\left[ \begin{array}{c} |
\frac{R}{L} \\ |
\frac{1}{L} |
\end{array} |
\right] u(t) |
\end{equation} |
|
\begin{equation} |
y(t) = |
\left[ \begin{array}{cc} |
- \frac{1}{R} & 1 \\ |
\end{array} |
\right] x(t) + |
\frac{1}{R} u(t) |
\end{equation} |
|
K převodu do Kalmanova tvaru potřebujeme matici řiditelnosti a pozorovatelnosti |
|
\begin{equation} |
C = \left[ B, AB \right] = |
\left[ \begin{array}{cc} |
\frac{R}{L} & - \frac{R^2}{L^2} \\ |
\frac{1}{L} & - \frac{R}{L^2} |
\end{array} |
\right] |
\end{equation} |
|
\begin{equation} |
O = \left[ \begin{array}{c} |
C \\ |
AC \\ |
\end{array} |
\right] = |
\left[ \begin{array}{cc} |
- \frac{1}{R} & 1 \\ |
\frac{1}{L} & - \frac{R}{L} |
\end{array} |
\right] |
\end{equation} |
|
Hodnost obou matic je 1. |
|
Určíme jádro matice O. |
|
\begin{eqnarray} |
\left[ \begin{array}{cc} |
- \frac{1}{R} & 1 \\ |
\frac{1}{L} & - \frac{R}{L} |
\end{array} |
\right] |
\left[ \begin{array}{c} |
a \\ |
b \\ |
\end{array} |
\right] =& 0 \\ |
\frac{1}{R} + b =& 0 \\ |
\frac{1}{L}a - \frac{R}{L} b =& 0 \\ |
b =& 1\\ |
a =& R |
\end{eqnarray} |
|
Jádrem matice je proto jeden vektor $ker(O)=\left[ \begin{array}{c} |
R \\ |
1 \\ |
\end{array} |
\right]$ |
|
Nyní můžeme sestavit transformační matici Q. |
|
\begin{equation} |
Q = [v_1, Q_n] = |
\left[ \begin{array}{cc} |
R & 1 \\ |
1 & 0 \\ |
\end{array} |
\right] |
\end{equation} |
|
Nyní lze určit Kalmanovu formu matic |
|
\begin{equation} |
\tilde{A}= Q^{-1} A Q = |
\left[ \begin{array}{cc} |
0 & -1 \\ |
-1 & R \\ |
\end{array} |
\right] |
\left[ \begin{array}{cc} |
-\frac{R}{L} & 0 \\ |
0 & -\frac{R}{L} \\ |
\end{array} |
\right] |
\left[ \begin{array}{cc} |
-\frac{R}{L} & 0 \\ |
0 & -\frac{R}{L} \\ |
\end{array} |
\right] |
=\left[ \begin{array}{ccc} |
\frac{R}{L} & 0 \\ |
0 & \frac{R}{L} \\ |
\end{array} |
\right] |
\end{equation} |
|
\begin{equation} |
\tilde{B}= Q^{-1} B = |
\left[ \begin{array}{c} |
- \frac{1}{L} \\ |
0 \\ |
\end{array} |
\right] |
\end{equation} |
|
\begin{equation} |
\tilde{C}= CQ = |
\left[ \begin{array}{cc} |
0 & - \frac{1}{R} \\ |
\end{array} |
\right] |
\end{equation} |
|
\begin{equation} |
\tilde{D}= D = |
\frac{1}{R} |
\end{equation} |
|
Vlastní čísla matice $\tilde{A}$ jsou pak dvojnásobná s hodnotou $- \frac{R}{L}$ jedno z nich je pak řiditelné a nepozorovatelné a druhé neřiditelné a nepozorovatelné. |
|
Přenos systému zapsaný na základě Kalmanova tvaru je: |
|
\begin{eqnarray} |
\tilde{H}(s) =& \tilde{C} [sI - \tilde{A}]^{-1} \tilde{B} + \tilde{D} \\ |
\tilde{H}(s) =& |
\left[ \begin{array}{cc} |
0 & - \frac{1}{R} \\ |
\end{array} |
\right] |
\left[ \begin{array}{cc} |
s - \frac{R}{L} & 0 \\ |
0 & s - \frac{R}{L} \\ |
\end{array} |
\right]^{-1} |
\left[ \begin{array}{c} |
-\frac{1}{L} \\ |
0 \\ |
\end{array} |
\right] + \frac{1}{R} \\ |
\tilde{H}(s) =& \frac{1}{R} |
\end{eqnarray} |
|
Impulzní odezva pak je: |
|
\begin{equation} |
\tilde{h}(t) = L^{-1} \left\{ \tilde{H}(s) \right\} = \frac{1}{R} \sigma(t) |
\end{equation} |
|
\item |
|
Zadanou matici přepíšeme do tvaru: |
|
\begin{equation} |
H(s)= \frac{1}{d(s)} N(s) = \frac{1}{s(s+2)} |
\left[ \begin{array}{ccc} |
(s-1)(s+2) & 0 & s(s-2) \\ |
0 & (s+1)(s+2) & 0 \\ |
\end{array} |
\right] |
\end{equation} |
|
Matici $N(s)$ je třeba převést do Smithova tvaru |
|
\begin{equation} |
S_N(s)= |
\left[ \begin{array}{ccc} |
\epsilon _1 (s) & 0 & 0 \\ |
0 & \epsilon _2 (s) & 0 \\ |
\end{array} |
\right] |
\end{equation} |
|
Kde $ \epsilon _i (s) = \frac{D_i (s)}{D_{i-1} (s)}$ |
|
\begin{equation} |
D_0(s) = 1 , D_1(s) = 1, D_2(s) = (s+1)(s+2) |
\end{equation} |
|
Smithova forma matice má pak tvar. |
|
\begin{equation} |
S_N(s)= |
\left[ \begin{array}{ccc} |
1 & 0 & 0 \\ |
0 & (s+1)(s+2) & 0 \\ |
\end{array} |
\right] |
\end{equation} |
|
To ještě doupravíme na Smith-McMillanovu formu: |
|
\begin{equation} |
SM_H(s)= \frac{1}{d(s)} S_N(s)= |
\left[ \begin{array}{ccc} |
\frac{\epsilon _1 (s)}{\psi _1 (s)} & 0 & 0 \\ |
0 & \frac{\epsilon _2 (s)}{s} & 0 \\ |
\end{array} |
\right]= |
\left[ \begin{array}{ccc} |
\frac{1}{s(s+2)} & 0 & 0 \\ |
0 & \frac{s+1}{s} & 0 \\ |
\end{array} |
\right] |
\end{equation} |
|
Póly $H(s)$ zjistíme z kořenů polynomu |
\begin{equation} |
P_H(s) = \psi _1(s) \psi _2 (s) = s^2 (s+2). |
\end{equation} |
|
Tedy 0, 0, -2. |
|
A nuly jsou kořeny polynomu |
|
\begin{equation} |
Z_H(s) = \epsilon _1(s) \epsilon _2 (s) = s+1. |
\end{equation} |
|
Nula proto je v -1. |
|
\item |
|
Budeme potřebovat "systémovou matici" |
|
\begin{equation} |
P(s)= |
\left[ \begin{array}{cc} |
sI-A & B \\ |
-C & D \\ |
\end{array} |
\right]= |
\left[ \begin{array}{cccc} |
s-1 & -1 & 0 & 1 \\ |
0 & s-1 & -1 & 0 \\ |
0 & 0 & s-1 & 0 \\ |
0 & 0 & -1 & 1 \\ |
\end{array} |
\right] |
\end{equation} |
|
Tuto matici ale potřebujeme spíše ve Smithově tvaru. |
|
\begin{equation} |
S_P(s)= |
\left[ \begin{array}{cccc} |
1 & 0 & 0 & 0 \\ |
0 & 1 & 0 & 0 \\ |
0 & 0 & 1 & 0 \\ |
0 & 0 & 0 & (s-1)^3 \\ |
\end{array} |
\right] |
\end{equation} |
|
Invariantní nuly najdeme řešením polynomu $z^I _P (s) = \epsilon _1 (s) \epsilon _2 (s) \epsilon _3 (s) \epsilon _4 (s) = (s-1)^3$. Invariantní nulou jeproto trojnásobná 1. |
|
\end{enumerate} |
\end{document} |