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Seminar Telematiksysteme für Fernwartung und Ferndiagnose Basic Concepts in Control Theory MSc. Lei Ma 22 April, 2004

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Page 1: Seminar Telematiksysteme für Fernwartung und Ferndiagnose Basic Concepts in Control Theory MSc. Lei Ma 22 April, 2004

Seminar Telematiksysteme für Fernwartung und Ferndiagnose

Basic Concepts in Control Theory

MSc. Lei Ma

22 April, 2004

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Seminar Telematiksysteme für Fernwartung und Ferndiagnose

How a controller works

Introduction

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Seminar Telematiksysteme für Fernwartung und Ferndiagnose

Example: Cruise control

Introduction

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Seminar Telematiksysteme für Fernwartung und Ferndiagnose

Basic principles of control theory

• Modeling of systems• Analysis of system behavior• Controller synthesis

Introduction

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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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Seminar Telematiksysteme für Fernwartung und Ferndiagnose

Differential equation

vy

ubvvm

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)1(

1

)(

01

)1(

1

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0 nmxbxbxbxbyayayaya mm

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nn

nn

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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sVsY

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Modeling of dynamic systems

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Seminar Telematiksysteme für Fernwartung und Ferndiagnose

Modeling in state space

• State space model of a system consists of a couple of first-order differential equations.

duxcy

u

u

u

b

x

x

x

A

x

x

x

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2

1

2

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vy

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vm

bv

1

Modeling of dynamic systems

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State space model

Modeling of dynamic systems

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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

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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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