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feedback control system을 디자인하는 여러 방법 중 하나인 State-Space method를 다루도록 한다.

State-Space Design은 시스템의 state-variable을 직접 다루며 동적 보상을 설계하는 과정이다. 즉, 주어진 환경에서 목표로 하는 design specifications에 맞는 compensation D(s)를 찾는 것이 State-Space method의 역할이다.

 

 

The steps of the design method

1. Select closed-loop pole (root as referred to in previous chapters) locations and develop the control law for the closed-loop system that corresponds to satisfactory dynamic response

2. Design an estimator

3. Combine the control law and the estimator

4. Introduce the reference input

 

 

Advantages of State-Space

The differential equations describing a dynamic system are organized as a set of first-order differential equations in the vector-valued state of the system, and the solution is visualized as a trajectory of this state vector in space. ODEs of physical dynamic systems can be manipulated into state-variable form. In the field of Normal form mathematics, where ODEs are studied, the state-variable form is called the normal form for the equations.

 

 

System Description in State-Space

˙x=Fx+Guwherey=Hx+Ju

F:n×n,G:n×1,H:1×n,J:scalar

 

ex 7.1)

Dynamics: I¨θ=Fcd+MD

다음 위성 자세 제어 모델을 state-variable form으로 표현하자. 이때 input은 u=Fc이고 MD=0을 가정한다.

˙θ=ω,˙ω=dIFc

ddt[θω][0100][θω]+[0d/I]Fc

시스템의 output은 위성의 자세(y=θ)이므로,

y=[10][θω]+0u

따라서 state-variable form에 대한 행렬은 다음과 같다.

F=[0100],G=[0d/I],H=[10],J=0

 

ex 7.2)

Dynamics: ¨x+bm˙x=um

˙x=v,˙v=bmv+1mu

ddt[xv]=[010b/m][xv]+[01/m]u

a) 시스템의 output을 position y=x1=x로 정하자. 

y=[10][xv]

따라서 state-variable form에 대한 행렬은 다음과 같다.

F=[010b/m],G=[01/m],H=[10],J=0

b) 시스템의 output을 velocity v=x2로 정하자.

다른 행렬은 동일하고 output matrix H만 달라지게 된다.

H=[01]

 

Step Response를 다음처럼 얻을 수 있다.

% MATLAB CODE %
F=[0 1;0 –0.05];
G=[0;0.001]; H=[0 1];
J = 0;
sys = ss(F, 500*G,H,J); % step gives unit step response, so 500*G gives u = 500 N.
step(sys); % plots the step response

 

 

Block Diagrams and State-Space

ex 7.7)

Let's find a state-variable description and the transfer function of the third-order system whose differential eqn is y+6¨y+11˙y+6y=6u

x1=¨y,x2=˙y,x3=y

˙x1=6x111x26x3+6u

˙x2=x1

˙x3=x2

F=[6116100010],G=[600],H=[001],J=0

% yield the transfer function
[num,den] =ss2tf(F,G,H,J);

% convert state-variable realization to pole-zero form
[z,p,k] =ss2zp(F,G,H,J)

% convert numerator-denominator to pole-zero form
[z,p,k] =tf2zp(num,den)

Y(s)U(s)=6s3+6s2+11s+6=6(s+1)(s+2)(s+3)

 

 

Time and Amplitude Scaling in State-Space

Time scaling with τ=ω0t:

dxdτ=1ω0Fx+1ω0Gu=Fx+Gu

 

Amplitude scaling:

replacing x with z=D1xx where Dx is a diagonal matrix of scale factors

replacing u with v=D1uu

Dx˙z=1ω0FDxz+1ω0GDuv

 

Then ˙z=1ω0D1xFDxz+1ω0D1xGDuv=Fz+Gv

 

 

Block Diagrams and Canonical Forms

다음 전달 함수를 갖는 시스템을 생각하자.

G(s)=b(s)a(s)=s+2s2+7s+12=2s+4+1s+3

 

Control Canonical Form

˙x=Acx+Bcu,y=Ccx

b(s)의 근은 전달 함수의 zeros이고, a(s)의 근은 전달 함수의 poles이다. 

block diagram으로부터 다음 관계식을 얻을 수 있다.

˙x1=7x112x2+u,˙x2=x1y=x1+2x2

이로부터 control canonical form의 matrix를 구할 수 있다.

Ac=[71210],Bc=[10],Cc=[12],Dc=0

b(s)의 계수인 1, 2가 Cc 행렬에 나타나고, a(s)에서 최고차항을 제외한 계수 7, 12가 Ac의 1열에 반대 부호로 나타난다.

따라서, 다음 전달 함수에 대한 Control Canonical Form은 아래와 같이 결정된다.

b(s)a(s)=b1sn1+b2sn2+bnsn+a1sn1+a2sn2+an

Ac=[a1a2an100010010],Bc=[100],
Cc=[b1b2bn],Dc=0

num = b = [b1 b2 ... bn ]
den = a = [1 a2 ... an]
[Ac, Bc, Cc, Dc] =tf2ss(num,den).

 

Modal Canonical Form

˙z=Amz+Bmu,y=Cmz+Dmu

Am=[4003],Bm=[11],Cm=[21],Dm=0

전달함수가 분수의 합으로 표현된 부분을 살펴보면 poles(-4, -3)이 Am 행렬의 대각선에 들어가 있고, 각 분수의 분자(2, -1)이 Cm에 나타난다.

 

canonical form으로 나타낼 때 맞닥뜨릴 수 있는 어려움이 두 가지 있다.

1) the elements of the matrices will be complex when the poles of the system are complex

express the complex poles of the partial-fraction expansion as conjugate pairs in second-order terms so that all the elements remain real. The corresponding Am matrix will then have 2 × 2 blocks along the main diagonal representing the local coupling between the variables of the complex-pole set.

2) the system matrix cannot be diagonal when the partial-fraction expansion has repeated poles

couple the corresponding state-variables, so that the poles appear along the diagonal with off-diagonal terms indicating the coupling. 

ex) G(s)=1/s2

F=[0100],G=[01],H=[10],J=0

 

ex 7.9)

다음 전달 함수에 대한 modal form의 state matrices를 찾아보자

G(s)=2s+4s2(s2+2s+4)=1s21s2+2s+4

F=[0000100000240010],G=[1010],
H=[0101],J=0

 

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