MATLAB in der Regelungstechnik

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1 MATLAB in der Regelungstechnik Analyse linearer Systeme Von Professor Dr.-lng. Helmut Bode Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Mit 107 Bildern B. G. Teubner Stuttgart Leipzig 1998

2 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Bode, Helmut: MATLAB in der Regelungstechnik: Analyse linearer Systeme / von Helmut Bode. - Stuttgart ; Leipzig: Teubner, 1998 ISBN DOI / ISBN (ebook) Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes i~t ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt besonders für Vervielfältigungen, Ubersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen B. G. Teubner Stuttgart. Leipzig Gesamtherstellung: Präzis-Druck GmbH, Karlsruhe Einbandgestaltung: Peter Pfitz, Stuttgart

3 Vorwort Die Notwendigkeit der computerunterstützten Analyse und Synthese dynamischer Systeme und das Vorhandensein leistungsfahiger Rechner hat zahlreiche Softwareprodukte auf den Markt gebracht. Die in diesem Buch auf die Belange der linearen Regelungstechnik angewendete Software MA TLAB gehört mit zu den am weitesten verbreiteten Produkten dieser Art. Auf der Grundlage des Prinzips Lehren und Lernen mit dem Computer soll den Studierenden eine Anweisung in die Hand gegeben werden, die es ihnen erlaubt, den in der Vorlesung vorgetragenen Stoff in Form von betreuten und selbständigen Übungen am Rechner zu erlernen, zu hinterfragen und zu festigen. Gedacht ist an Studierende der Fachrichtungen Elektrotechnik, Maschinenbau und Verfahrenstechnik, die das Fach AutomatisierungstechniklRegelungstechnik belegen, aber auch an Fachleute aus der Praxis, Forschung und Entwicklung, die regelungstechnische AufgabensteIlungen zu lösen haben. Grundlage sind die MATLAB Version 4.2c.l mit der Control System Toolbox Version 3.0b und der Symbolic Math Toolbox Version l.la. In einigen Fällen wurde mit der MATLAB Version 5 sowie den dazugehörenden Toolboxes Control System und Symbolic Math gerechnet. Für das leihweise Überlassen dieser MA TLAB Version bedanke ich mich auch an dieser Stelle bei der Scientific Computer GmbH in Unterfohring. Die numerischen Berechnungen wurden mit dem MATLAB-Notebook Version 1 für Winword 6. Oa aufgezeichnet. Der Inhalt des Kapitels 2, mit der Beschreibung von MA TLAB-Kommandos, -Konstanten sowie -Darstellungsweisen von Zahlen, Vektoren, Matrizen und Polynomen einschließlich dem Erstellen einfacher MA TLAB-Dateien ist als eine für notwendig empfundene Einführung in MA TLAB anzusehen, welche aber nicht die mitgelieferten Handbücher ersetzten soll und kann. Gegenstand des Kapitels 3 ist die Vorgehensweise bei dem Erstellen mathematischer Prozeßmodelle an Handeines mechanischen Systems Stab-Wagen, eines Gleichstrom-Nebenschluß-Motors, der Vereinigung dieser Systeme zum Inversen Pendel, eines Gleichspannungs-Netzgerätes, eines sprungfähigen Systems in Form eines elektrischen Netzwerkes sowie eines RLC-Netzwerkes als Brückenschaltung. Die Beispiele repräsentieren eine große Klasse der in der Regelungstheorie auftretenden Systemarten, einschließlich der Beschreibungsmöglichkeiten durch

4 IV Vorwort Differentialgleichungen und Übertragungsfunktionen sowie im Zustandsraum. Das Bilden des Modells für das System Stab-Wagen wird Schritt für Schritt aufgezeigt, wobei Wert auf das Nachvollziehen möglichst vieler Schritte mit Hilfe der Symbolic Math Toolbox gelegt wurde. Aus Platzgründen war es leider nicht möglich, die vom Autor noch vorgesehene Analyse eines verfahrenstechnischen Prozesses zu behandeln. Die im Kapitel 3 abgeleiteten Modelle werden in der Mehrzahl der späteren Beispiele immer wieder verwendet. Für jedes Modell existiert eine MA TLAB Funktion, mit der die Werte der Zustandsmodelle bzw. der Übertragungsfunktionen ausgegeben werden können. Die Gliederung der weiteren Kapitel richtet sich im wesentlichen nach der Vorgehensweise bei der Vermittlung regelungstechnischer Grundlagen. Das Kapitel 4 beinhaltet die Möglichkeiten der Beschreibung linearer, zeitinvarianter Systeme im Zeit- und Frequenzbereich. Kapitel 5 hat Testsignale und ihre Zeitantworten zum Inhalt. Die Eigenschaften linearer, zeitinvarianter Systeme werden im Kapitel 6 behandelt. Die verschiedenen Arten der Modelltransformation sind Gegenstand des Kapitels 7. Im Kapitel 8 werden die einzelnen Möglichkeiten des Zusammenschaltens zweier Einzelsysteme zu einem Gesamtsystem aufgezeigt, wobei die Beschreibung durch Übertragungsfunktionen und Zustandsmodelle getrennt behandelt wird. Das vorliegende Buch soll einen Beitrag dazu liefern, wie die Regelungstheorie im Zusammenhang mit der Software MA TLAB zur Analyse technischer Systeme herangezogen werden kann, um damit einer ganzheitlichen Synthese durch ein Team von Fachleuten der verschiedensten Disziplinen den Weg zu ebnen. Mein besonderer Dank gilt Frau Dipl.-Ing. Monika Niehues, Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden, für das Korrekturlesen und die wertvollen fachlichen Hinweise. Herrn Dr. 1. Schlembach vom Teubner-Verlag danke ich für die gute Zusammenarbeit und vor allem für die aufgebrachte Geduld. Mein Dank wäre letztlich unvollständig, wenn ich in ihn nicht meine Frau Rosemarie für das intensive Korrekturlesen und ihr sowie unserer Kinder Verständnis für meine intensive Beschäftigung mit den Problemen, die dieses Buch entstehen ließen, einschließen würde. Postbauer-Heng, im August 1998 Helmut Bode

5 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Einführung in MA TLAB Eingaben, Kommandos, Operationen, Werte und Funktionen... '" Eingaben l.2 Allgemeine Kommandos Operationen Spezielle Werte l.5 Spezielle Funktionen Matrizen, Vektoren, Skalare und Polynome Matrizen und ihre Elemente l.1 Eingabe von Matrixelementen l.2 Kennzeichnung und Ansprache von Elementen einer Matrix l.3 Auswahl von Elementen oder Reihen einer Matrix Vektoren Bilden erweiterter Matrizen Stapeln von Matrizen Aneinanderreihen von Matrizen Erweitern von Matrizen durch Hinzufiigen neuer Elemente Bilden neuer Matrizen durch das Streichen von Reihen Skalare Spezielle Matrizen Nullmatrix Quadratische Nullmatrix vom Typ (n,n) Einsmatrix Quadratische Einsmatrix vom Typ (n,n) Einheitsmatrix Leermatrix - empty matrix [ ] Polynome Multiplikation von Polynomen mit conv Division von Polynomen mit deconv Operationen mit Matrizen und Vektoren Transponierte Matrix zur Matrix A Addition und Subtraktion von Matrizen gleichen Typs Multiplikation einer Matrix mit einem Skalar... 26

6 VI Inhaltsverzeichnis Operationen mit Vektoren - Element-mit-Element Vektor-Multiplikation, Element-mit-Element Vektor-Division linksseitig, Element-mit-Element Vektor-Division rechtsseitig, Element-mit-Element Potenzen von Vektoren Multiplikation von Matrizen Eigenschaften von Matrizen Die Inverse einer Matrix mit inv Rang einer Matrix mit rank Eigenschaften einer quadratischen Matrix Determinante einer Matrix mit det Singuläre und nichtsinguläre Matrizen MATLAB-Dateien Skriptdateien Funktionsdateien Graphische Darstellungen..., Graphische Darstellungen mit plot Halblogarithmische Darstellungen mit semilogx Beschriftung der Graphiken mit title, xlabel, ylabel und text Systeme und ihre mathematischen Modelle System Stab-Wagen Verallgemeinerte Koordinaten des Systems Stab-Wagen Schwerpunkt des Stabes Symbolische Berechnung der Schwerpunktkoordinaten Schwerpunkt des Wagens System Stab-Wagen - Nichtlineares Modell Allgemeiner Gleichungsansatz Verallgemeinerte Koordinaten Kinetische Energien Potentielle Energie Dissipative Energie Potentiale Ableitung der Energiebilanz nach dem WinkeL Nichtlineare Differentialgleichung des Winkels Symbolische Ermittlung der n.l. Differentialgleichung des Winkels Ableitung der Energiebilanz nach dem Weg Nichtlineare Differentialgleichung des Weges Nichtlineare Differentialgleichungen des Systems Stab-Wagen System Stab-Wagen - Linearisiertes Modell

7 Inhaltsverzeichnis VII Linearisierung und Vereinfachung der Modellgleichungen Symbolische Lösung der linearen Beschleunigungsgleichungen Modellgleichungen des Systems Stab-Wagen mit den Koeffizienten Überführung der linearisierten Modelle in den Zustandsraum Wahl der Zustandsgrößen - 1. Schritt Bestimmen der Eingangsgrößen - 2. Schritt Auffinden der Differentialgleichungen 1. Ordnung - 3. Schritt Zusammenfassen der Differentialgleichungen zu Paaren - 4. Schritt Vektor-Matrix-Differentialgleichungen der Teilsysteme - 5. Schritt Auswahl der Ausgangsgrößen für die Teilsysteme - 6. Schritt Signalflußbilder der Teilsysteme -7. Schritt Bilden des Gesamtmodells Stab-Wagen im Zustandsraum Reihenschaltung der bei den Teilsysteme Gesamtschaltung durch Rückführung der Geschwindigkeit Koeffizienten und Zustandsgleichungen des linearen Modells Koeffizienten des Systems Stab Zustandsgleichungen des Systems Stab Koeffizienten des Systems Wagen Zustandsgleichungen des Systems Wagen Zustandsgleichungen des Systems Stab-Wagen Modell des Systems Stab-Wagen mit blkbuild, connect und printsys Eigenwerte des Systems Stab-Wagen mit eig und esort Gleichstrom-Nebenschluß-Motor Grundgleichungen - elektrische Seite Spannungsbilanz Geschwindigkeit des Winkels und der eines Seilpunktes Im Motor induzierte Spannung..., Differentialgleichung für den Ankerstrom Grundgleichungen - mechanische Seite Mechanisch-elektrische Kopplung des Motors Beschleunigungsmoment Lastmoment Gesamtmoment des Motors Differentialgleichung für die Geschwindigkeit eines Seilpunktes Zustandsbeschreibung des Gleichstrom-Nebenschluß-Motors Vektor-Matrix-Differentialgleichung Vektor-Matrix-Ausgangsgleichung Koeffizienten und Zustandsgleichungen des Motormodells Koeffizienten des Motormodells Zustandsgleichungen des Gleichstrom-Nebenschluß-Motors Eigenwerte des Motors mit eig und esort Vereinfachtes Modell des Gleichstrom-Nebenschluß-Motors... 73

8 VIII Inhaltsverzeichnis Grundgleichungen - elektrische Seite Grundgleichungen - mechanische Seite Reduziertes Modell des Gleichstrom-Nebenschluß-Motors Reduzieren der Modellordnung mit modred und ssdelete Funktion zur Berechnung der Matrizen des Motormodells Inverses Pendel Die Zugkraft als Koppelgröße zwischen den Teilsystemen Gesamtmodell des Inversen Pendels Symbolischer Aufbau der Koeffizienten und ihre Werte Matrizen in symbolischer und numerischer Form Zustandsgleichungen des Inversen Pendels Berechnung der Systemgleichungen mit blkbuild und connect Eigenwerte des Inversen Pendels mit eig und esort Funktion zur Berechnung der Matrizen des Inversen Pendels Gleichspannungs-Netzgerät OV in Subtrahierschaltung als Soll-Istwert-Vergleicher Invertierender, gegengekoppelter OVals PI-Regler Mathematische Beschreibung des Operationsverstärkers Gleichungen des PI-Reglers Signalflußbild des Soll-Istwert-Vergleichs mit dem PI-Regler Leistungsverstärker als Stellglied RLC-Glied als Glättungstiefpaß Spannungsbilanz Kondensatorspannung als Ausgangsgröße Übertragungsfunktionen für die Kondensatorspannung Strom des RLC-Gliedes als Ausgangsgröße Die Regelstrecke Übertragungsfunktion der Störung am Streckenausgang Das Netzgerät als Regelkreis in der Standardform Übertragungsfunktionen der offenen Kette Gleichungen des Regelkreises Führungsübertragungsfunktion Störübertragungsfunktion Fehlerfunktionen des geschlossenen Systems Allgemeine Beziehung Fehlerfunktion bei Führungsänderung Fehlerfunktion bei Störgrößenänderung Beschreibung der offenen Kette als Zustandsmodell PI-Regler und Soll-Istwert -Vergleicher Stellglied RLC-Glied als Glättungstiefpaß

9 Inhaltsverzeichnis IX Zustandsmodell der Regelstrecke Zustandsmodell der offenen Kette Funktion zur Berechnung der Matrizen des Netzgerätes Elektrisches Netzwerk - sprungfähiges System Das mathematische Modell Lineare, zeitinvariante Differentialgleichung 2. Ordnung Übertragungsfunktion des sprungfähigen Netzwerkes Zustandsraummodell Funktion zur Berechnung der Matrizen des Netzwerkes RLC-Netzwerk als Brückenschaltung Mathematisches Modell Maschengleichungen..., Zustandsgrößen Differentialgleichungen der Zustandsgrößen Ausgangsgleichung Vektor-Matrix-Gleichungen des Zustandsmodells Eigenwerte der Brückenschaltung... : Funktion zur Berechnung der Matrizen der Brückenschaltung Mathematische Beschreibung linearer, zeitinvarianter Systeme Lineare Differentialgleichlmgen und ihre Lösung Grundlagen Symbolische Lösung mit dsolve Allgemeine Aussagen zur numerischen Lösung Die Funktionen ode23 und ode Zustandsgleichungen Allgemeine Aussagen zur Zustandsraumbeschreibung Geometrische Deutung der Zustandsraumbeschreibung Das Zustandsmodell Systemgleichungen eines Mehrgrößensystems Systemgleichungen eines Eingrößensystems Vektor-Matrix-Signalflußbild der Systemgleichungen Numerische Lösung mit ode23 und ode Zustandsgleichungen für sprungfähige Eingrößensysteme Numerische Lösung von Eingrößensystemen mit ode Die Laplace-Transformation Definition der Laplace-Transformation Die Funktionen laplace und invlaplace Regeln für das Rechnen mit der Laplace-Transformation Additionssatz

10 x Inhaltsverzeichnis Ähnlichkeitssatz Dämpfungssatz Verschiebungssatz Differentiationssatz Integralsatz Anfangswertsatz Endwertsatz Lösen von linearen, zeitinvarianten Differentialgleichungen Bestandteile der Laplace-Transformierten einer Differentialgleichung..., Partialbmchzerlegung Die Übertragungsfunktion Übertragungsfunktion in der Polynomform Pole und Nullstellen mit pzmap Polynomform mit tf - MATLAB Übertragungsfunktion in der Pol-Nullstellen-Form Pol-Nullstellen-Form mit zpk - MA TLAB Übertragungsfunktion in der Zeitkonstantenform Der Frequenzgang Die Antwort auf ein komplexes harmonisches Eingangssignal Die Ortskurve als graphische Darstellung des Frequenzganges Berechnung der Ortskurve mit nyquist Spezielle Punkte der Ortskurve (0 = 0 bei Übertragungsgliedern mit Ausgleich (0 = 0 bei Übertragungsgliedern ohne Ausgleich (0 ~ 00 bei Übertragungsgliedern mit oder ohne Ausgleich Das Frequenz-Kennlinien-Diagramm Systeme minimaler Phase und Allpaßglieder Logarithmischer Amplituden- und Phasengang Zerlegung des Frequenzganges in seinen Real- und Imaginärteil Zerlegung des Frequenzganges in seine Amplitude und Phase Berechnung der Amplituden- und Phasengänge mit bode Bode-Diagramme typischer Grundglieder Das Proportionalglied, P-Glied Verzögerungsglied 1. Ordnung, PT]-Glied..., Das Integrierglied, I-Glied Vorhaltglied 1. Ordnung, DT]-Glied Differenzierglied, ideales D-Glied Schwingungsglied, PT2d-Glied Bode-Diagramme von Systemen nichtrninimaler Phase Das Allpaßglied

11 Inhaltsverzeichnis XI Das Totzeitglied - TrGlied Das Wurzelortverfahren Einführung Die Methode der Wurzelortskurve nach Evans Die Wurzelortskurve mit rlocus und rlocjind Grundlegende Regeln des Wurzelortverfahrens Das Wurzelortverfahren für beliebige Faktoren Testsignale und Zeitantworten Anfangswertantwortmitinitial Sprungantwort - Übergangsfunktion Einheitssprung Sprungantwort Übergangsfunktion Die Übergangsfunktion mit step Impulsantwort - Gewichtsfunktion Die Impulsfunktion Die Stoßfunktion Die Gewichtsfunktion Die Gewichtsfunktion mit impulse Antwort auf ein beliebiges Signal mit lsim System eigenschaften Dämpfungsgrad und Eigenfrequenzen mit damp Charakteristische Werte eines Schwingungsgliedes Charakteristische Werte eines Übertragungsgliedes mit damp Stationäre Verstärkung mit dcgain Eigenschaften der Systemmatrix A Lösungsansatz für die Eigenbewegung des Systems Charakteristisches Polynom der Systemmatrix mit poly Wurzeln des charakteristischen Polynoms mit roots Eigenwerte und Eigenvektoren der Systemmatrix mit eig Beispiel zu poly, roots und eig Stabilität linearer Systeme Lösungen der charakteristischen Gleichung Das Hurwitz-Kriterium Von der offenen Kette zum geschlossenen Kreis Das Nyquist-Kriterium

12 XII Inhaltsverzeichnis Das allgemeine Nyquist-Kriterium Berechnung von Stabilitätswerten mit margin Stabile offene Systeme mit Totzeit Beispiele zur Stabilität von geschlossenen Eingrößensystemen Normalformen der Systemmatrix Transformation der Zustandsgleichungen in die Diagonalform Die Systemmatrix A Transformation der Standardform in die Diagonalform Transformation der Standardform in die Diagonalform mit canon Regelungsnormalform für Eingrößensysteme Regelungsnormalform aus der Standardform Regelungsnormalform aus der Übertragungsfunktion Regelungsnormalform mit rn Jorm Beispiele zur Regelungsnormalform Beobachtungsnormalform für Eingrößensysteme Analogien zwischen der Beobachtungs- und Regelungsnormalform Beobachtungsnormalform mit bnjorm Beispiele zur Beobachtungsnormalform Regelungs- und Beobachtungsnormalform mit ss2ss Steuerbarkeit und Beobachtbarkeit Steuerbarkeit Kriterium der Steuerbarkeit nach Kalman Die Steuerbarkeitsmatrix und ihr Rang Steuerbarkeitstest mit ctrb Beobachtbarkeit Kriterium der Beobachtbarkeit nach Kalman Die Beobachtbarkeitsmatrix und ihr Rang Beobachtbarkeitstest mit obsv Kanonische Zerlegung Zerlegung des Systems nach seiner Steuerbarkeit mit ctrbf Zerlegung des Systems nach seiner Beobachtbarkeit mit obsvf Minimalkonfiguration eines Systems mit minreal Modelltransformationen Pol-Nullstellen-Kürzung mit minreal Zustandsmodelle Transformation in die Polynomform mitss2if Transformation in die Pol-Nullstellen-Form mit ss2zp