RTI Vorlesung 11 - ETH Z...20.09. Lektion 1 – Einführung 27.09. Lektion 2 – Modellbildung 4.10....

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29.11.2019 RTI Vorlesung 11

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29.11.2019

RTI Vorlesung 11

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Definitions

2

loop gain

sensitivity

complementary sensitivity

return diference

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Closed-Loop System

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4

L(s): n0 = number of poles with real part = 0

n+ = number of poles with real part > 0

nc = number of encirclements of L(jw) of -1,

when w goes from -∞ to +∞, counting

positive counter clockwise

S(s), T(s), … asymptotically stable iff nc = n+ + n0/2 and no

unstable or non-minimumphase poles and zeros of L(s) are

cancelled.

Nyquist Theorem

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5

Typical Design|…|dB

∠… ∘

-90

-180

0

Re

Im

-1

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The phase margin ! is thedistance from -180° where" # enters the unit circle in the Nyquist diagram(magnitude 1).

The gain margin $ is the theinverse of the magnitude at -180°

The minimum return difference%min is the minimum distancefrom -1.

Robustness measures

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Example

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! =

# =

$%&' =

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Robust Nyquist Theorem: The uncertain closed-loop system is asymptotically stableif the nominal closed-loop system is asymptotically stableand the following inequality issatisfied

Robust closed-loop stability

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20.09. Lektion 1 – Einführung

27.09. Lektion 2 – Modellbildung4.10. Lektion 3 – Systemdarstellung, Normierung, Linearisierung

11.10. Lektion 4 – Analyse I, allg. Lösung, Systeme erster Ordnung, Stabilität18.10. Lektion 5 – Analyse II, Zustandsraum, Steuerbarkeit/Beobachtbarkeit

25.10. Lektion 6 – Laplace I, Übertragungsfunktionen1.11. Lektion 7 – Laplace II, Lösung, Pole/Nullstellen, BIBO-Stabilität8.11. Lektion 8 – Frequenzgänge (RH hält VL)

15.11. Lektion 9 – Systemidentifikation, Modellunsicherheiten 22.11. Lektion 10 – Analyse geschlossener Regelkreise 29.11. Lektion 11 – Randbedingungen

6.12. Lektion 12 – Spezifikationen geregelter Systeme13.12. Lektion 13 – Reglerentwurf I, PID (RH hält VL)20.12. Lektion 14 – Reglerentwurf II, „loop shaping“

Modellierung

Systemanalyse im Zeitbereich

Systemanalyse im Frequenzbereich

Reglerauslegung

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Noise and Disturbance

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|L(jw)|

0

Test plant:

dominant NMP zero

dominant unstable poleBIBO stable and minimum phaseplant, but uncertain

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Limitations on Crossover Frequency

log w

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Robust stability Theorem:

Therefore

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Limitations Imposed by Model Uncertainty

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upper limit for

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log w

|L(jw)|

0

Generalization

rule of thumb:

17

2

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T(s)= k n(s)p(s)

Assume:

p

p

p

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Limitations Imposed by Nonminimum Phase Zeros

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Re

Im

OL poles (kp=0)

zeros

Poles of the CL system forvarying kp:

p

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log w

|L(jw)|

0

Generalization

rule of thumb:

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Interpretation

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Delays are similar to NMP Zeros

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e-sT ≈1/T

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Simplest case:

L(jw) = k/(a-jw) = k(a+jw)/(a2+w2)

n+ = 1, n0 = 0 23

Limitations Imposed by Unstable Poles

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k > 0 not OK

k < 0 can be OK

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ωc = k2 − a2

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log w

|L(jw)|

0

Generalization

rule of thumb:

26

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Summary of Limitations

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!" = cross-over frequency of the loop gain!$ = specified maximum disturbance rejection frequency%& = dominant („fastest“) unstable pole'& = dominant („slowest“) non-minimum phase zero!( = frequency defined by the delay of the loop gain!) = frequency beyond which the model uncertainty is ≥ 100%!* = specified minimum noise rejection frequencyRule of t thumb:

!" ∈ max 10 ⋅ !$, 2 ⋅ %& ,min '&2 , !(

2 , !)5 , !*10There are more constraints (see book).

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Example

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Bandwidth and Settling Time

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The bandwidth !" is the frequency, at which the complementary sensitivity #(%) (closed loop!) falls below -3 dB. The bandwith determines the «speed» of the time-domain behavior.

The bandwidth always is close to the crossover frequency. Therefore, the crossover frequency (open loop) is a measure for the speed of the closed-loop system.

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Example

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Quick Check 9.5.2: Assume that a plant !(#) = #&' is controlled using a controller ( # = )*.

• Compute the crossover frequency +, of the corresponding loop gain -(#).

• What is the bandwidth +. of this system?

• What form will the output /(0) of the closed-loop system have when the reference signal is a step function 1(0) =ℎ(0)?

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Series Connection in State Space

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Plant:

Controller:

!

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Feedback Connection in State Space

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