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Seminar Telematiksysteme für Fernwartung und Ferndiagnose
Basic Concepts in Control Theory
MSc. Lei Ma
22 April, 2004
Seminar Telematiksysteme für Fernwartung und Ferndiagnose
How a controller works
Introduction
Seminar Telematiksysteme für Fernwartung und Ferndiagnose
Example: Cruise control
Introduction
Seminar Telematiksysteme für Fernwartung und Ferndiagnose
Basic principles of control theory
• Modeling of systems• Analysis of system behavior• Controller synthesis
Introduction
Seminar Telematiksysteme für Fernwartung und Ferndiagnose
What is a dynamic system
• Ein dynamisches System stellt eine Funktionseinheit dar zur Verarbeitung und Übertragung von Signalen (z.B. in form von Energie, Material, Information, Kapital und anderen Größen), wobei die Systemeingangsgrößen als Ursache und die Systemausgangsgröße als deren zeitliche Auswirkung zueinander in Relation gebracht werdem. (H. Unbehauen)
Introduction
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Differential equation
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Modeling of dynamic systems
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Transfer function
• The transfer function of a linear, time-invariant, differential equation system is defined as the ratio of the Laplace transform of the output to the Laplace transform of the input under the assumption that all initial conditions are zero.
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Modeling of dynamic systems
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Modeling in state space
• State space model of a system consists of a couple of first-order differential equations.
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Modeling of dynamic systems
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State space model
Modeling of dynamic systems
Seminar Telematiksysteme für Fernwartung und Ferndiagnose
Time response• Transient response
• Steady-state response
Performance of linear, time-invariable systems
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Time response of the cruise
Performance of linear, time-invariable systems
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Stability
• A linear time-invariant system is stable if the output is bounded and eventually comes back to its equilibrium state if the system is subjected to an initial condition.
• A linear time-invariant system is asymptotic (Lyapunov) stable, if none of the eigen values of the system matrix A has positive real part.
Performance of linear, time-invariable systems
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PID controller
• Proportional-Integral-Derivative controller
eKu P
dteKeKu IP
dt
deKeKu dP
s
KsKsKsK
s
KK IPd
dI
P
2
Controller synthesis
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PID controller
CL RESPONSE RISE TIME OVERSHOOT SETTLING TIME S-S ERROR
Kp Decrease Increase Small Change Decrease
Ki Decrease Increase Increase Eliminate
Kd Small Change Decrease Decrease Small Change
Controller synthesis
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Cruise with PI controller
Controller synthesis
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State-feedback controller
Controller synthesis
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State observer
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Control system with observer
Controller synthesis
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Some kind of controller
• Regulator
• Tracking control
• Force control
Controller synthesis
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A basic teleoperator setup
Basic of teleoperation
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Control of teleoperator
Basic of teleoperation
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Time delay in control system
• introduced by e.g. transportation and communication lags, feedback delays, etc
• Leads to oscillation in the control loop• Even destabilizes the system
Basic of teleoperation
Seminar Telematiksysteme für Fernwartung und Ferndiagnose
Basic of teleoperation
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Time-delay in teleoperation
• Cause– Transmission in space and undersea
– Communication via Internet
• Variable time-delay– Variable distance and depth
– Bandwidth of comm. channel
– Protocols
Basic of teleoperation
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Main references
• Lunze, J. Regelungstechnik. Springer1996.• Ogata, K. Modern Control Engineering. 4th Ed.
Prentice Hall 2002.• Munir, S. (2001). Internet-Based Teleoperation.
PhD. Thesis, Georgia Inst. of Tech..
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