Top Banner
Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado. J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo 1 6.Realimentação de variáveis de estado Projecto de controladores para sistemas biológicos baseados na realimentação linear de variáveis de estado.
57

6.Realimentação de variáveis de estado

Jul 01, 2022

Download

Documents

dariahiddleston
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

1

6.Realimentação de variáveis de estado

Projecto de controladores para sistemas biológicos baseados na

realimentação linear de variáveis de estado.

Page 2: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

2

Problema (Projecto de um regulador por RLVE) Dada uma realização de estado controlável e observável

)()()()( tCxytbutAxtx =+=&

com polinómio característico

nnn asasAsIsa +++=−= − K1

1)det()(

Lei de controlo admissível:

)()( tKxrtu −=

Começaremos por considerar 0=r (problema de regulação).

Determinar o vector de ganhos K de modo a que o polinómio característico

da cadeia fechada seja nnn sss ααα +++= − K1

1)(

Page 3: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

3

b+

+

r +

-

K

C

A

yx(t)x.

)()()()()( tKxrtutbutAxtx −=+=&

Sistema em cadeia fechada:

)()()()( tbrtxbKAtx +−=&

Page 4: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

4

Polinómio característico do sistema em cadeia fechada:

)det()( bKAsIsak +−=

Objectivo:

Determinar K por forma a que

)()( ssaK α=

Polinómio característico do

sistema realimentado.

Depende do ganho K

Polinómio característico

especificado

Podemos ajustá-lo

por escolha do

ganho K

Page 5: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

5

Método dos coeficientes indeterminados A equação a resolver é

)()det( sbKAsI α=+−

nnnn

Kn

Kn ssasas αα +++=+++ −− KK 1

111

)(saK=

Polinómio característico

que se obtém para um

dado K

Polinómio característico

especificado. Traduz a

dinâmica pretendida

para a cadeia fechada

Page 6: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

6

nnnn

Kn

Kn ssasas αα +++=+++ −− KK 1

111

Igualando os coeficientes dos monómios do mesmo grau em ambos os

polinómios obtém-se o sistema de equações lineares verificado pelo ganho

K :

⎪⎩

⎪⎨

=

=

nnK

K

a

a

α

αM

11

Quando é que este sistema tem solução nαα ,,1 K∀ ?

Veremos que existe sempre solução se o par ),( bA fôr controlável.

Page 7: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

7

Fórmula de Bass-Gura

Posicionamento arbitrário dos pólos da cadeia fechada sse ),( bA é

controlável. Nestas condições, o vector de ganhos é calculado por 1)( −−−= CMaK Tα

em que [ ]bAbAAbbbACC n 12 ||||),( −== L é a matriz de controlabilidade associadsa

ao par ),( bA e

[ ]nαααα L21=

[ ]naaaa L21= ⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

=

− 10

1001

11

1

aa

aM

n L

OOM

MO

L

Page 8: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

8

Exercício (fórmula de Bass-Gura) Considere o sistema definido pelo diagrama de blocos:

u 2 1s

1s

xx 12

a) Obtenha uma realização de estado com variáveis de estado 1x e 1x .

b) Através da fórmula de Bass-Gura determine os ganhos de um controlador

de realimentação de variáveis de estado que coloque os pólos em j±−1 .

c) Resolva o mesmo problema pelo método dos coeficientes indeterminados.

Page 9: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

9

uxxx22

21

==

&

&

uxx

xx

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+⎥

⎤⎢⎣

⎡⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=⎥

⎤⎢⎣

⎡20

0010

2

1

2

1

&

&

[ ] ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡==

0220

),( AbbbAC ⎥

⎤⎢⎣

⎡=−

02/12/10

),(1 bAC

Polinómio característicop associado à matriz A :

2

01

)det()( ss

sAsIsa =

−=−= (como era de esperar!)

Recorde-se a nomenclatura:

212)( asassa ++= donde [ ]0000 21 === aaa

Page 10: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

10

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=⎥

⎤⎢⎣

⎡=

1001

101

1aM ⎥

⎤⎢⎣

⎡=−

1001TM

Polinómio característico desejado:

22)( 2 ++= sssα (pólos em j±−1 )

A aplicação da fórmula de Bass-Gura conduz aos ganhos

[ ] [ ]( )⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−=−= −−

021

210

1001

0022),()( 1 bACMaK Tα

[ ]11=K

Page 11: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

11

Problema (que nos conduzirá à demonstração da fórmula de Bass-Gura):

Há alguma realização de estado em que o cálculo do ganho seja trivial?

Sugestão: Considere a forma canónica do controlador

1/s 1/s 1/su y

b1

b2

b3

-a1

-a2

-a3

x1x2x3

3213

322

1)(asasas

bsbsbsG+++

++=

Desenhe sobre este o

diagrama de blocos com a

realimentação das variáveis

de estado.

Page 12: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

12

1/s 1/s 1/su y

b1

b2

b3

-a1

-a2

-a3

x1x2x3

-k1

-k2

-k3

−α1

−α2

−α3

Conclusão:

Na forma canónica do controlador

o cálculo dos ganhos é feito

simplesmente por

aKc −= α

Page 13: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

13

Realização

de estado

),,( cbA

Forma canónica

do controlador

),,( ccc cbA

Transformação de coordenadas

Tc MbACTTxx ),(==

Ganhos na forma canónica

do controlador

Ganhos na

realização original

Como inverter a transformação para os ganhos?

Difícil (Objectivo) Fácil

Page 14: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

14

Sugestão para relacionar os ganhos nas coordenadas originais x e da forma

canónica do controlador, cx :

Exprimir o controlo u como retroacção de x e exprimir x em cx para obter

uma relação entre K e cK .

cKTxKxu ==

cK

Page 15: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

15

Realização

de estado

),,( cbA

Forma canónica

do controlador

),,( ccc cbA

Transformação de coordenadas

Tc MbACTTxx ),(==

Ganhos na forma canónica

do controlador

aKc −= α

Ganhos na

realização original

1−= TKK c Transformação inversa aplicada aos ganhos

Difícil (Objectivo) Fácil

Page 16: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

16

Fórmula de Ackerman Alternativamente, o vector de ganhos do controlador pode ser cálculado pela

fórmula de Ackerman, que não necessita do conhecimento explícito do

polinómio característico do sistema em cadeia aberta:

[ ] )(),(100 1 AbACK α−= L

Última linha da inversa da

matriz de controlabilidade

Polinómio característico

desejado calculado para

As =

Page 17: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

17

Exemplo (integrador duplo) Retome-se o problema do acetato 8.

A última linha da inversa da matriz de controlabilidade é [ ]02/1 .

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=++=

2022

22)( 2 IAAAα

Os ganhos calculados pela fórmula de Ackerman são assim:

[ ] [ ]112022

02/1 =⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=K

que (como era de esperar) coincidem com os obtidos com a fórmula de Bass-

Gura.

Page 18: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

18

Questão (prática e da maior importância!) Porque não podemos transformar um FIAT PUNTO num Ferrari por

retroacção da velocidade com um ganho muito elevado?

Infelizmente (!…) a fórmula de Bass-Gura mostra que os ganhos são tanto

maiores quanto o deslocamento dos pólos, o que para ganhos muito elevados

leva a uma saturação da entrada manipulada.

C V

Page 19: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

19

Problema: Estimação do estado

Dada a realização de estado { }cbA ,, de um sistema:

)()()()()(

tcxtytbutAxtx

=+=&

Determinar uma estimativa )(ˆ tx de )(tx por observação da entrada e da

saída. Esta estimativa deve ser recursiva, i.e. definida por uma equação

diferencial cuja integração “produza “ )(ˆ tx para todo o t .

u(t)y(t)

x(t)OBSERVADORSISTEMA

^

Page 20: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

20

1ª SOLUÇÃO: Observador em cadeia aberta Réplica do sistema, excitada pela mesma entrada:

u(t)y(t)

SISTEMA

x(t)b

A

^

Será que funciona?

Page 21: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

21

Erro de estimação no observador em cadeia aberta

Qual a equação satisfeita pelo erro de estimação xxx ˆ~ −= ?

Subtraindo a equação do estimador à do estado do sistema:

bubuxxAxx

buxAx

buAxx

−+−=−

+=

+=

)ˆ(ˆ

_____________________ˆˆ

&&

&

&

donde xAx ~~ =&

Conclusão: Com o observador em cadeia aberta, o erro de estimação do

estado apenas tende para zero para sistemas estáveis em cadeia aberta e

com uma taxa que depende dos valores próprios de A .

Page 22: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

22

2ª SOLUÇÃO: Observador em cadeia fechada (assimptótico) u(t) y(t)

SISTEMA

x(t)b

A

^

L

Cy(t)^

y(t)-y(t)^+-

++

+

Qual a nova equação satisfeita pelo erro? Sugestão: Escreva as equações do sistema e do observador e subtrai-as usando a equação para y(t).

[ ])(ˆ)()()(ˆ)(ˆ txCtyLtbutxAtx −++=&

Vector coluna com

dim L= dim x

Quando a estimativa é a correcta, o termo de

correcção xcy ˆ− anula-se e a estimativa

segue a dinâmica do sistema verdadeiro.

Page 23: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

23

[ ]

[ ]xcyLbubuxxAxx

xcyLbuxAx

buAxx

ˆ)ˆ(ˆ

_______________________________ˆˆˆ

−−−+−=−

−++=

+=

&&

&

&

Conclusão: Para o observador em cadeia fechada, a equação diferencial que

traduz a evolução no tempo do erro de estimação é

[ ] )(~)(~ txLcAtx −=&

y=cx

Page 24: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

24

Dinâmica do erro do observador assimptótico

[ ] )(~)(~ txLcAtx −=&

Se o par ),( cA fôr observável, podemos posicionar arbitrariamente os valores

próprios da matriz LcA − .

Pelo facto de (para realizações observáveis) o ganho L poder ser

dimensionado por forma a que o erro tenda assimptotiocamente para zero,

este tipo de observadores diz-se “assimptótico”.

Page 25: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

25

Exemplo: Observador para o integrador duplo Considere o sistema (integrador duplo):

u 1s

1s

x =yx 12

1. Desenhe um diagrama de blocos de um observador assimptótico do estado

dadas as observações da saída

2. Dimensione o vector de ganhos do estimador por forma a que a matriz da

dinâmica do erro tenha os valores próprios em –1.

Sugestão: Determine as matrizes A, b, c do sistema; Escreva a matriz A-Lc e determine o seu

polinómio característico para L genérico; Dimensione L aplicando o método dos coeficientes

indeterminados.

Page 26: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

26

u 1s

1s

x =yx 12

1

2

21

xyuxxx

===

&

&

[ ]xy

uxx

xx

0110

0010

2

1

2

1

=

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+⎥

⎤⎢⎣

⎡⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=⎥

⎤⎢⎣

⎡&

&

[ ] ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−−

=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−⎥

⎤⎢⎣

⎡=−

01

010010

2

1

2

1

LL

LL

LCA 212

2

1 1)det( LsLs

sLLs

LcAsI ++=−+

=+−

Pretendemos os valores próprios da dinâmica do erro do observador nas

raízes do polinómio

22)1( 22 ++=+ sss

Pelo método dos coeficientes indeterminados:

22 21 == LL

Page 27: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

27

Escolha dos valores próprios da dinâmica do erro

A escolha dos valores próprios de LcA − resulta do seguinte compromisso:

• Não podem ser muito pequenos, para que o erro não tenda lentamente para

zero;

• Não podem ser muito grandes pois, se o estimador fôr muito rápido, pode

ser “enganado” pelos erros de modelação. Em particular, o ganho de malha

resultante quando se fecha a cadeia realimentando as estimativas do

estado deve respeitar a condição de estabilidade robusta.

Page 28: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

28

Fórmula de Bass- Gura para o cálculo dos ganhos do Observador Demonstre o correspondente à fórmula de Bass-Gura para o dimensionamento dos ganhos do observador.

Sugestão: Escreva uma equação verificada pelo erro na estimativa do estado

com um observador assimptótico e faça uma transformação de coordenadas

que a leve à forma canónica do observador. A transformação de coordenadas

é

xo = Tx

T=M O(A,c)

Page 29: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

29

M = 1 0 0

101

1

1 1

L

O M

M M O

L

a

a an−

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

e os ai são os coeficientes do polinómio característico do sistema em cadeia

aberta. A forma canónica do observador é tal como se mostra na figura

seguinte:

b3 b2 b1

x1=yx2x31/s 1/s 1/s

-a3 -a2 -a1

u

Page 30: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

30

Quando o estado não está acessível para medida directa, uma ideia natural

consiste em realimentar a estimativa produzida por um observador

assimptótico. Tem-se a estrutura do compensador (a maneira correcta de

introduzir a referência será discutida posteriormente):

Sistema

Compensador

r +

-

K x(t)

u(t)b

A

c

L

b

A

c

+

-

++

+

++

y(t)x(t)

^

Sistema:

)()()()()( tcxtytbutAxtx =+=&

Observador:

)()()(ˆ)()(ˆ tbutLcytxLcAtx ++−=&

Lei de controlo:

)(ˆ)( txKtu −=

O sistema compensado é de ordem 2n.

Page 31: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

31

Teorema de Separação O polinómio característico do sistema global (sistema em cadeia aberta e

observador, com realimentação da estimativa do estado) é o produto dos

polinómios característicos de bKA − e de LcA − .

Este teorema diz-nos que podemos projectar o vector de ganhos K como se

realimentássemos o estado e não a sua estimativa, e o vector de ganhos do

observador L como se estimássemos o estado em cadeia aberta. O

observador e o controlador podem pois ser projectados separadamente.

Page 32: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

32

Nota sobre o Teorema de Separação: Em geral, para sistemas não lineares,

o controlador e o observador não podem ser projectados separadamente. Isto

axcontece porque a variável de controlo tem um efeito chamado dual: Por um

lado, permite efectuar a acção de regulação da saída; por outro lado

proporciona a excitação suficiente para se estimar o estado. Estes dois efeitos

conflituam e a escolha do controlo deve ser feito como um compromisso entre

ambos. O efeito de dualidade é conhecido (no âmbito do Controlo Adaptativo)

desde os anos 50, pelos trabalhos de Feld’baum. No caso linear, o conflito

não existe, tendo lugar o teorema de separação. Há classes de sistemas não

lineares para os quais é possível demonstrar “teoremas de separação”. Isto

constitui um tema de investigação actual.

Page 33: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

33

Lema

Sejam CA, matrizes quadradas. Então:

CACBA

⋅=0

Demonstração:

Tem-se: CC

I=

00

e ainda AIBA

=0

Como ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=⎥

⎤⎢⎣

⎡IBA

CI

CBA

000

0 o resultado conclui-se por o determinante de um

produto de matrizes ser o produtos dos determinantes dos factores.

Page 34: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

34

Demonstração do teorema de separação Equações do sistema e do controlador/observador:

)()()()()( tcxtytbutAxtx =+=&

)()()(ˆ)()(ˆ tbutLcytxLcAtx ++−=&

)(ˆ)( txKtu −=

Em termos do estado x do sistema a controlar e do estado x̂ do observador,

estas equações escrevem-se

)(ˆ)()( txbKtAxtx −=&

)(ˆ)()()(ˆ txbKLcAtLcxtx −−+=&

Page 35: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

35

)(ˆ)()( txbKtAxtx −=&

)(ˆ)()()(ˆ txbKLcAtLcxtx −−+=&

Convém trabalhar com o erro de estimação )(ˆ)()(~ txtxtx −= e não com a

estimativa do estado. Isto corresponde a fazer uma transformação invertível

de coordenadas no estado, pelo que os valores próprios do sistema global

não são alterados. Subtraindo as duas equações anteriores, obtém-se

)(~)()(~ txLcAtx −=&

O sistema global é pois descrito pelas equações

)(~)()(~)(~)()()(

txLcAtx

txbKtxbKAtx

−=

+−=&

&

Page 36: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

36

Equações do estado do sistema global:

)(~)()(~)(~)()()(

txLcAtx

txbKtxbKAtx

−=

+−=&

&

Na forma matricial:

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−

−=⎥

⎤⎢⎣

⎡xx

LcAbKbKA

xx

~0~&&

Pelo lema anterior, o polinómio característico desta matriz (dinâmica do

sistema global) é:

44 344 2144 344 21observadorrcontrolado

LcAsIbKAsILcAsI

bKbKAsI)det(.)det(

0+−+−=

+−−+−

Page 37: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

37

Conclusão: As frequências naturais agrupam-se em dois tipos de termos:

• Uma parte dependem apenas do ganho K do controlador, como se fosse

feita uma retroacção do estado e não da sua estimativa.

• A outra parte pedende apenas do ganho L do observador, como se o

controlador estivesse ausente.

Page 38: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

38

Exemplo: Pêndulo invertido

mLsin φ

φ

)()()( tLttg φξφ &&&& +=

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

+==

)(sin)()()(sin)(tLttz

tmgtzmφξ

φ&&

Modelo linear válido para ângulos pequenos:

φφ ≅sin ⎩⎨⎧

+==

)()()()()(

tLttztgtzφξ

φ&&

Page 39: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

39

)()()( tLttg φξφ &&&& +=

Definam-se:

Variáveis de estado: φφ &== 21 xx Entrada manipulada: Lu /ξ&&=

Obtém-se o modelo de estado:

uxLg

x ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−

+⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=

10

0/10

& [ ]xy 01=

Para concretizar toma-se 9/ =Lg .

Page 40: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

40

uxx ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−

+⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=

10

0910

& [ ]xy 01=

Projecto do controlador supondo acesso ao estado:

[ ] ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+

=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−

−⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=−

2121 9

101

00910

kkkkbKA

)9(9

1)det( 12

2

21

ksksksk

sbKAsI +−−=

−−−−

=+−

Polinómio característico especificado: 22)( 2 ++= sssα

Comparando os coeficientes dos dois polinómios, obtém-se

211 21 −=−= kk

Page 41: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

41

A estrutura do observador é uma réplica do sistema com as derivadas dos

estados adicionadas do erro da saída amplificado pelos ganhos 1L e 2L :

9

1/s 1/s

9

+

-

xx

-

+

- +

+1/s 1/s

L

L

xx yu

^^

1

1

2

2

1

2

Page 42: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

42

Para o dimensionamento dos ganhos do observador, temos de posicionar os

valores próprios da matriz LcA − .

[ ] ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−

−=⎥

⎤⎢⎣

⎡−⎥

⎤⎢⎣

⎡=−

091

010910

2

1

2

1

LL

LL

LcA

99

1)det( 21

2

2

1 −++=−

−+=+− LsLs

sLLs

LcAsI

Se desejarmos os valores próprios nas raízes de

3284)4()( 222 ++=++= ssssoα

Os ganhos do observador devem ser

418 21 == LL

Page 43: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

43

O controlador é obtido realimentando as estimativas dos estados:

9

1/s 1/s

9

+

-

xx

-

+

- +

+1/s 1/s

L

L

xx yu

^^

1

1

2

2

1

2

-

k k12

Page 44: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

44

Resposta na regulação de uma condição inicial não nula

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5-0.04

-0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

Page 45: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

45

Função de transferência do compensador Modelo do processo em cadeia aberta:

cxybuAxx

=+=&

bAsIcsGp1)()( −−=

Modelo de estado do observador:

LybuxLcAx ++−= ˆ)(&̂

LyxbKLcAx +−−= ˆ)(&̂

xKu ˆ−=

xKu ˆ−=

Page 46: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

46

LyxbKLcAx +−−= ˆ)(&̂

xKu ˆ−= O compensador (conjunto observador+retroacção da estimativa do estado) é

descrito, por estas equações, como tendo dinâmica bKLcA −− , entrada y e

saída u . A função de transferência do compensador é pois

LbKLcAsIKsGc1)()( −++−−=

G (s)

G (s)u y

Processo

Compensadorc

p

Page 47: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

47

Exemplo: Função de transferência do compensador

[ ]xy

uxx

xx

0110

0010

2

1

2

1

=

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+⎥

⎤⎢⎣

⎡⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=⎥

⎤⎢⎣

⎡&

&

2

1)(s

sGp =

Pólos da cadeia fechada desejados, dados pelas raízes do polinómio

12)( 2 ++= sssα ⇒ Ganhos do controlador: [ ]21=K

Dinâmica do erro do observador:

12)( 2 ++= sssα ⇒ Ganhos do observador ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=

255

L

Função de transferência do compensador: 77.421.3)62.0(4.40)(

jsssGc ±+

+−=

Page 48: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

48

Como se vê, a função de transferência do compensador e, por conseguinte o

ganho de malha, dependem dos ganhos K e L . Estes ganhos podem pois

ser encarados como “botões de ajuste” que permitem moldar o ganho de

malha.

Page 49: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

49

Seguimento de referências não nulas Temos considerado até agora o problema de projectar controladores que

levem o estado do processo para zero, rejeitando assim perturbações que

tenham causado condições iniciais não nulas. Este problema é conhecido

como problema de regulação.

Em geral, no entanto, pretendem seguir-se referências não nulas,

eventualmente variáveis. Neste último caso o problema diz-se problema do

servomecanismo (isto é uma “herança dos tempos em que os controladores

visavam movimentar sistemas mecânicos, por exemplo lemes de navios –

anos 20 – ou canhões – anos 40).

Page 50: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

50

Possibilidades de inclusão da referência Modelo do processo:

cxybuAxx =+=&

Controlador:

MrLyxLcbKAx ++−−= ˆ)(&̂

NrxKu +−= ˆ

Há várias possibilidades para a escolha de M (vector) e N (escalar).

De acordo com estas possibilidades resultam vários tipos de resposta à

referência. Vamos considerara duas hipóteses.

Page 51: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

51

a) Escolher M e N por forma a que

a equação de erro não dependa da referência r Com a lei de controlo incorporando a referência, o erro satisfaz

MrLyxLcbKANrxKBAxxx

++−−−+−+=−

ˆ)()ˆ(&̂&

ou seja

rMbNxLcAx43421

&

0

)(~)(~

=

−+−=

Para que este termo se anule, deve escolher-se

bNM =

Page 52: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

52

Com esta escolha ( NbM = ), tem-se:

NbrLyxLcbKAx ++−−= ˆ)(&̂

Reagrupando:

LyNrxKbxLcAxu

++−−=−=43421

& )ˆ(ˆ)(ˆ

Ou seja, as equações do controlador podem escrever-se:

LybuxLcAx ++−= ˆ)(&̂

NrxKu +−= ˆ

Page 53: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

53

Estrutura do controlador por forma a que o erro de estimação do estado não dependa da referência

LybuxLcAx ++−= ˆ)(&̂

NrxKu +−= ˆ

r N

K

+

-

u y

x

Processo

Observador^

Page 54: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

54

b) Escolher M e N por forma a que o erro de seguimento yre −= seja usado no controlador

MrLyxLcbKAx ++−−= ˆ)(&̂

NrxKu +−= ˆ Escolhendo

LMN −== 0

O controlador fica definido pelas equações

LexLcbKAx −−−= ˆ)(&̂

xKu ˆ−=

Page 55: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

55

Estrutura do compensador por forma a usar o erro de seguimento

LexLcbKAx −−−= ˆ)(&̂

xKu ˆ−=

Observador ProcessoKuxer +

-

y^

Page 56: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

56

Inclusão de efeito integral

Uma maneira de introduzir o efeito integral é aumentar o estado x do

processo com o estado Ix do integrador do erro. Repare-se que derivando

∫ −=t

I drytx0

))(()( ττ para .constr = , obtém-se )()( tcxtxI =&

O conjunto sistema+integrador é pois descrito pelo modelo de estado

aumentado:

ub

xx

cA

xx

II⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+⎥

⎤⎢⎣

⎡⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=⎥

⎤⎢⎣

⎡00

0&

&

Page 57: 6.Realimentação de variáveis de estado

Modelação, Simulação e Controlo de Sistemas Biológicos – 6.Realimentação de variáveis de estado.

J. Miranda Lemos IST-DEEC-Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

57

ub

xx

cA

xx

II⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+⎥

⎤⎢⎣

⎡⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=⎥

⎤⎢⎣

⎡00

0&

&

A este modelo podem ser aplicadas as técnicas estudadas antes. Em

particular, se o estado fôr acessível,

[ ] ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−=

II x

xkKu 0

e tem-se a estrutura seguinte para o controlador

r -

+

1s

-k

-k

Processo

x

yxI

o

I

+

+