Control en el Espacio de Estado 1. Modelo de Estado. por Pascual Campoy Universidad Politécnica Madrid

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1 Control en el Espacio de Estado 1. Modelo de Estado por Pascual Campoy Universidad Politécnica Madrid U.P.M.-DISAM P. Campoy Control en el Espacio de Estado 1 Modelo de estado Concepto de estado Ecuaciones del modelo de estado Representación gráfica de sistemas lineales Transformaciones lineales del estado Métodos de obtención modelos de estado F.d.T. y modelo de estado U.P.M.-DISAM P. Campoy Control en el Espacio de Estado 2 1

2 Concepto de estado (1/2) Definición: es la cantidad mínima de información necesaria para conocer cualquier variable del sistema en cualquier otro instante posterior, conocida la entrada entre ambos instantes Nomenclatura: viene expresado mediante el vector de variables de estado x(t) de dimensión n = (t; t 0 ; x(t0); u( )) t 0 < t U.P.M.-DISAM P. Campoy Control en el Espacio de Estado 3 Concepto de estado (2/2) Espacio de estado: es el espacio vectorial en el que el que toma valores el vector de estado x(t) x(t) = (t; t 0 ; x(t0); u( )) t 0 < t Las trayectorias del vector de estado cumplen: Continuidad, unicidad, transitividad U.P.M.-DISAM P. Campoy Control en el Espacio de Estado 4 2

3 Ecuaciones del modelo de estado Ecuación de salida: =g(t, x(t), ) Ecuación diferencial con dinámica del estado. x(t)=f(t, x(t), ) Dimensiones de los vectores n: número de variables de estado, dimensión de x m: número de entradas, dimensión de u p: número de salidas, dimensión de y U.P.M.-DISAM P. Campoy Control en el Espacio de Estado 5 Ejercicio razonar cuantas variables de estado tiene este sistema R u C u c 2.- razonar si las siguientes variables pueden ser variables de estado: u, u c, u R, i 3.- razonar si existen y cuales son otras posibles variables de estado 4.- escribir las ecuaciones de estado del sistema U.P.M.-DISAM P. Campoy Control en el Espacio de Estado 6 3

4 Ecuaciones del modelo de estado: sistemas lineales Definición de sistema lineal: u 1 ( ) x 1 (t 0 ) y 1 (t) au 1 ( )bu 1 ( ) u 2 ( ) ax 1 (t 0 )bx 1 (t 0 ) ay 1 (t)by 2 (t) x 2 (t 0 ) y 2 (t) Ecuaciones de estado de sistemas lineales:. x(t) = A(t)x(t) B(t) = C(t)x(t) D(t) dimensiones: A nxn B nxm C pxn D pxm U.P.M.-DISAM P. Campoy Control en el Espacio de Estado 8 Ecuaciones del modelo de estado: sistemas lineales invariante Definición de sistema invariante: u 1 ( ) u( T)=u 1 (τ) x(t 0 )=x t 0 < t t 0 x(t 0 T)=x 0 < t y 1 (t) 0 y(tt)=y 1 (t) Ecuaciones de estado de sistemas invariantes:. =g(x(t), ) x(t)=f(x(t), ) Ecuaciones de estado de sistemas lineales invariantes:. x(t) = A x(t) B = C x(t) D U.P.M.-DISAM P. Campoy Control en el Espacio de Estado 9 4

5 Representación gráfica de sistemas lineales (1/2) integrador multiplicador por una matriz R(t) sumador v(t) = =R(t) =v(t) U.P.M.-DISAM P. Campoy Control en el Espacio de Estado 10 Representación gráfica de sistemas lineales (2/2) D B x (t) x(t) C A. x(t) = A(t)x(t) B(t) = C(t)x(t) D(t) U.P.M.-DISAM P. Campoy Control en el Espacio de Estado 11 5

6 Ejercicio 1.2 v u B Sistema A x C y K Realimentación cuántas variables de estado? Elegir variables de estado Calcular las matrices del m.e.: A r, B r y C r U.P.M.-DISAM P. Campoy Control en el Espacio de Estado 12 Modelo de estado Concepto de estado Ecuaciones del modelo de estado Representación gráfica de sistemas lineales Transformaciones lineales del estado Métodos de obtención modelos de estado F.d.T. y modelo de estado U.P.M.-DISAM P. Campoy Control en el Espacio de Estado 14 6

7 Transformaciones lineales en el espacio de estado Cambio de base: x(t) = T x (t) x (t) = T "1 x(t) Ecuaciones estado en la nueva base: x (t) = T 1 "1 2 AT 3 x (t) T"1 { B A B = CT { x (t) D C U.P.M.-DISAM P. Campoy Control en el Espacio de Estado 15 Modelo de estado Concepto de estado Ecuaciones del modelo de estado Representación gráfica de sistemas lineales Transformaciones lineales del estado Métodos de obtención modelos de estado F.d.T. y modelo de estado U.P.M.-DISAM P. Campoy Control en el Espacio de Estado 16 7

8 Significado físico Métodos para la obtención de modelos de estado Variables de estado como magnitudes físicas Variables de estado como salida de integradores Variables de estado de fase Variables de estado de Jordan ventajas matematicas del modelo U.P.M.-DISAM P. Campoy Control en el Espacio de Estado 17 Variables de estado como magnitudes físicas Son v.e. las magnitudes físicas que almacenan la energía del sistema, no pudiendo presentar discontinuidades. Ejemplos: Sistemas hidraúlicos: Sistemas mecánicos: posición (energía potencial) altura de los depósitos (energia potencial) velocidad (energía cinética) Sistemas eléctricos: Sistemas térmicos: tensiones en los condensadores temperatura (energía térmica) intensidades en las bovinas U.P.M.-DISAM P. Campoy Control en el Espacio de Estado 18 8

9 V.e. Como magnitudes físicas u R C R C C R C i 5 i 6 L/2 L L/2 u 1 u 2 u 3 u 4 V.e.: u 1, u 2, u 3, i 5, i 6 U.P.M.-DISAM P. Campoy Control en el Espacio de Estado 19 Ejercicio 1.3 f 1 h 1 h 2 s 1 s 2 1. Hallar un modelo de estado no-lineal (3 puntos) 2. Hallar un modelo de estado linealizado en torno a un punto de equilibrio elegido (5 puntos) 3. Discutir variables de estado cuando s1 (2 puntos) U.P.M.-DISAM P. Campoy Control en el Espacio de Estado 20 9

10 Problema 1 u 1 y 1 y 2 K 1 B 1 K 2 B 2 m 1 m 2 K 1 (u 1 " y 1 ) K 2 (y 2 " y 1 ) " B 1 ( y 1 " u 1 ) " B 2 ( y 1 " y 2 ) = m 1 y 1 "K 2 (y 2 " y 1 ) B 2 ( y 1 " y 2 ) = m 2 y 2 Hallar un modelo de estado Discutir el estado cuando la rigidez del muelle 2 es infinita (ambas masas solidarias) U.P.M.-DISAM P. Campoy Control en el Espacio de Estado 22 Problema 2 θ mg T M x u Hallar un modelo de estado no lineal y otro linealizado en torno a θ 0 =0 y x 0 =0 U.P.M.-DISAM P. Campoy Control en el Espacio de Estado 23 10

11 Variables de estado como salida de integradores Si las ecuaciones del sistema se pueden escribir como ecuaciones integrales, las salidas de los integradores son las variables de estado. x (t) = f (t, x(t),) x(t) = " f (t, x(t),) y por tanto representan las condiciones iniciales de necesarias para su resolución U.P.M.-DISAM P. Campoy Control en el Espacio de Estado 24 Ejemplos 1.3 En sistemas lineales: y (t) a y (t) b = K u (t) Kc sacando factor común el operador derivada s, se puede por tanto despejar como salida de una integral y por tanto es una variable de estado: procediendo recursivamente: U.P.M.-DISAM P. Campoy Control en el Espacio de Estado 25 11

12 Ejemplos 1.4 En sistemas no-lineales: " " u " = #a" K " $ucos% m $ = #$" 2 K p usin% " U.P.M.-DISAM P. Campoy Control en el Espacio de Estado 26 Ejercicio 1.4 Hallar un modelo de estado del sistema: y (t) b = K u (t) Ka U.P.M.-DISAM P. Campoy Control en el Espacio de Estado 27 12

13 Variables de estado como salida de sistemas sencillos Descomponer el sistema total en sistemas de orden bajo, eligiendo como v.e. las salidas y derivadas de la salida que no puedan presentar discontinuides. K sa K s 2 asb U.P.M.-DISAM P. Campoy Control en el Espacio de Estado 28 Ejercicio 1.5 dado el sistema: que se puede descomponer en : K(sa) sb a) obtener un modelo de estado K K(a-b) sb U.P.M.-DISAM P. Campoy Control en el Espacio de Estado 29 13

14 Ejercicio 1.6 dado el sistema: K(sc) (s a)(sb) obtener un modelo de estado mediante descomposición en dos bloques: a) en serie y b) en paralelo a) K (s a) (sc) (sb) b) K(c-a)/(b-a) sa K(c-b)/(a-b) sb U.P.M.-DISAM P. Campoy Control en el Espacio de Estado 30 Variables de estado de fase Sistema monovariable: Elección de v.e.: Modelo de estado: U.P.M.-DISAM P. Campoy Control en el Espacio de Estado 31 14

15 Variables de estado de Jordan (1/2) Sistema monovariable con polos simples Elección v.e.: Modelo de estado: U.P.M.-DISAM P. Campoy Control en el Espacio de Estado 32 Variables de estado de Jordan (2/2) Sistema monovariable con polos multiples Elección v.e.: Modelo de estado: U.P.M.-DISAM P. Campoy Control en el Espacio de Estado 33 15

16 Comandos Matlab >[T,D]=eig(A) >roots(poly(a)) [T,J]=jordan(A) U.P.M.-DISAM P. Campoy Control en el Espacio de Estado 34 Ejercicio 1.4 Dado el sistema de la figura, cuyo modelo de estado linealizado en torno a p.e. s1=0.3, A1=2, A2=1,5, s2=0.25 y F1=1 es: f 1 h 1 h 2 s 1 s 2 a) Hallar el modelo de estado en variables de Jordan (2 puntos) b) Hallar la matriz de cambio de base entre ambos modelos (2 puntos) c) Hallar el modelo de estado en variables de fase (2 puntos) d) Hallar la matriz de cambio de base entre el modelo en variables de fase y variables de Jordan. (2 puntos) e) Partiendo de los resultados anteriores calcular la matriz de cambio de base entre el modelo original y el modelo en variables de fase (2 puntos) U.P.M.-DISAM P. Campoy Control en el Espacio de Estado 36 16

17 Modelo de estado Concepto de estado Ecuaciones del modelo de estado Representación gráfica de sistemas lineales Transformaciones lineales del estado Métodos de obtención modelos de estado F.d.T. y modelo de estado U.P.M.-DISAM P. Campoy Control en el Espacio de Estado 38 Relación entre la f.d.t. y el modelo de estado: obtención Matriz de funciones de transferencia, (sólo existe en sist. lineales invariantes): representación externa del sistema: y(s) = G(s)u(s) relación entrada-salida Modelo de estado de sist. lineales invariantes:. x(t) = A x(t) B representación interna del sistema: dinámica del estado = C x(t) D Relación, tomando transformaddas de Laplace: Comando Matlab: G(s) = C[sI-A] -1 BD > [num,den]=ss2tf(a,b,c,d) U.P.M.-DISAM P. Campoy Control en el Espacio de Estado 39 17

18 Relación entre la f.d.t. y el modelo de estado: conclusiones G(s) = C[sI-A] -1 BD Existe una única matriz G(s) para todas las matrices del modelo de estado de un sistema El polinomio característico es: P(s)= det[si-a] P(s)=0, polos del sistema son valores propios de A G(s) tiene n polos determinados por la matriz A, excepto cancelaciones con algún cero del sistema Los ceros del sistema vienen determinados por las matrices A, B, C y D. U.P.M.-DISAM P. Campoy Control en el Espacio de Estado 40 18