89
MAE 3401 – Modeling and Simulation SECTION 6: TIMEDOMAIN ANALYSIS

Section 6 Time Domain Analysis - College of Engineeringweb.engr.oregonstate.edu/~webbky/MAE3401_files/Section 6... · 2014-11-04 · output due solely to initial conditions ... Next,

  • Upload
    others

  • View
    8

  • Download
    1

Embed Size (px)

Citation preview

MAE 3401 – Modeling and Simulation

SECTION 6: TIME‐DOMAIN ANALYSIS

K. Webb MAE 3401

Natural and Forced Responses2

This first sub‐section of notes continues where the previous section left off, and  will explore the difference between the forced and natural responses of a dynamic system.

K. Webb MAE 3401

3

Natural and Forced Responses

In the previous section we used Laplace transforms to determine the response of a system to a step input, given zero initial conditions The driven response

Now, consider the response of the same system to non‐zero initial conditions only The natural response

K. Webb MAE 3401

4

Natural Response

0 (1)

Use the derivative property to Laplace transform (1)  Allow for non‐zero initial‐conditions

0 0 0 0 (2)

Same spring/mass/damper system Set the input to zero Second‐order ODE for displacement 

of the mass:

K. Webb MAE 3401

5

Natural Response

Solving (2) for  gives the Laplace transform of the output due solely to initial conditions  

Laplace transform of the natural response

(3)

Consider the under‐damped system with the following initial conditions

1

16

4 ∙

0 0.15

0 0.1

K. Webb MAE 3401

6

Natural Response

Substituting component parameters and initial conditions into (3)

. . (4)

Remember, it’s the roots of the denominator polynomial that dictate the form of the response Real roots – decaying exponentials Complex roots – decaying sinusoids

For the under‐damped case, roots are complex Complete the square Partial fraction expansion has the form

. . ..

(5)

K. Webb MAE 3401

7

Natural Response

. . ..

(5)

Multiply both sides of (5) by the denominator of the left‐hand side

0.15 0.7 2 3.464

Equating coefficients and solving for  and  gives

0.15,   0.115

The Laplace transform of the natural response:.

.. .

.(6)

K. Webb MAE 3401

8

Natural Response

Inverse Laplace transform is the natural response0.15 cos 3.464 ∙ 0.115 sin 3.464 ∙ (7)

Under‐damped response is the sum of decaying sine and cosine terms

K. Webb MAE 3401

9

Now, Laplace transform, allowing for both non‐zero input and initial conditions

0 0 0

Solving for  , gives the Laplace transform of the response to both the input and the initial conditions

(8)

Driven Response with Non‐Zero I.C.’s

1

K. Webb MAE 3401

10

Laplace transform of the response has two components

Total response is a superposition of the initial condition response and the driven response

Both have the same denominator polynomial Same roots, same type of response

Over‐, under‐, critically‐damped

Driven Response with Non‐Zero I.C.’s

Natural response ‐ initial conditions Driven response ‐ input

K. Webb MAE 3401

11

Driven Response with Non‐Zero I.C.’s

Laplace transform of the total response

0.15 0.7 10.15 0.7 1

Transform back to time domain via partial fraction expansion

22 3.464

3.4642 3.464

Solving for the residues gives

0.0625,    0.0875,    0.0794

1

16

4 ∙

0 0.15

0 0.1

1 ∙ 1

K. Webb MAE 3401

12

Driven Response with Non‐Zero I.C.’s

Total response:0.0625 0.0875 cos 3.464 ∙ 0.0794 sin 3.464 ∙

Superposition of two components Natural responsedue to initial conditions

Driven response due to the input

K. Webb MAE 3401

Next, we’ll apply the Laplace transform to the entire state‐space model in matrix form, just as we did for single differential equations.

Solving the State‐Space Model13

K. Webb MAE 3401

14

Solving the State‐Space Model

We’ve seen how to use the Laplace transform to solve individual differential equations

Now, we’ll apply the Laplace transform to the full state‐space system model

First, we’ll look at the same simple example Later, we’ll take a more generalized approach

State‐space model is

10

10

(1)0 1

Note that, because this model was derived from a bond graph model, the state variables are now momentum and displacement

K. Webb MAE 3401

15

Laplace Transform of the State‐Space Model

For now, focus on the state equation Output is a linear combination of states and inputs Determining the state trajectory is the important thing

Use the derivative property to Laplace transform the state equation

00 0

10

Rearranging to put all transformed state vectors on the left‐hand side

000

10 (2)

K. Webb MAE 3401

16

Laplace Transform of the State‐Space Model

000

10 (2)

Can factor out the transformed state vector from the left‐hand side Must multiply  by a 2 2 identity matrix

000

10

00 0

00

10

00

10 (3)

K. Webb MAE 3401

17

Laplace Transform of the State‐Space Model

00

10 (3)

Note the form of (3) The LHS is  , where  is the system matrix Everything on the RHS reduces to a  vector A known matrix times a vector of unknowns equals a known vector

If we can solve for  and/or  , we can inverse transform to get  and/or  Use Cramer’s Rule

K. Webb MAE 3401

18

Cramer’s Rule

Given a matrix equation

We can solve for elements of  as follows

The matrix  is formed by replacing the  column of  with the vector 

K. Webb MAE 3401

19

Laplace Transform of the State‐Space Model

According to Cramer’s Rule

(4)

According to the output equation from (1)

Equation (4) is identical to (8) from the previous subsection of notes, which we arrived at differently

K. Webb MAE 3401

20

Laplace Transform of the State‐Space Model

(5)

Next, sub in parameter values, I.C.’s and an input Use PFE to inverse transform to  Again, consider the under‐damped system:

Let the input be a  step: 

1

16

4 ∙

0 0.15

0 0.1 ∙

K. Webb MAE 3401

21

Laplace Transform of the State‐Space Model

The Laplace transform of the output becomes. . .

. . (6)

Inverse transform via partial fraction expansion. . .

.(7)

Multiply both sides by left‐hand‐side denominator0.15 0.7 1 4 16 2 3.464

Equating coefficients and solving yields

0.0625,    0.0875,   0.0794

K. Webb MAE 3401

22

Laplace Transform of the State‐Space Model

The Laplace transform of the system response is. .

.. .

.(8)

The time‐domain response is0.0625 0.0875 cos 3.464 0.0794 sin 3.464 (9)

Transient portion Due to initial conditions 

and input step Decays to zero 

Steady‐State portion Due to constant input Does not decay

K. Webb MAE 3401

23

Laplace Transform of the State‐Space Model

Now, we’ll apply the Laplace transform to the solution of the state‐space model in general form

For now, focus on the state equation only Output is derived from states and inputs

Laplace transform of the state equation

0

Rearranging

0

Factoring out the transformed state from the left‐hand side

0 (10)

K. Webb MAE 3401

24

Laplace Transform of the State‐Space Model

0 (10)

Remember the dimensions of each term in (10) : : 1 : 1

: 1 0 : 1

Apply Cramer’s rule to solve for the Laplace transform of the  state variable

(11)

The matrix  is formed by replacing the  column of with  0

An  1 vector of known values

K. Webb MAE 3401

25

Laplace Transform of the State‐Space Model

(11)

Denominator of (11) is the determinant of  is an  matrix

Each diagonal term is a first‐order polynomial in  One term in the determinant is the trace of the matrix, the product terms along 

the diagonal is an  ‐order polynomial in 

The characteristic polynomial:

Δ (12)

Roots of Δ are values of  that satisfy the characteristic equation

Δ 0 (13) Poles of (11) Eigenvalues of system matrix, 

K. Webb MAE 3401

26

Laplace Transform of the State‐Space Model

Denominator of every state variable’s Laplace transform contains the characteristic polynomial

(14)

A characteristic of the system Remember, denominator roots (i.e. poles) determine the nature of 

the response Real roots – decaying exponentials Complex roots – decaying sinusoids

Responses of all state variables have same components Numerators of transforms determine the differences

Output transform has the same denominator, Δ Linear combination of states and input Response includes the same sinusoidal and/or exponential components

K. Webb MAE 3401

27

Laplace Transform of the State‐Space Model

Assume: zero initial conditions:  0 SISO system: single input – is a scalar transform

Can factor out the input from the numerator of (14)

where  ∗ is the  matrix formed by replacing the  column of  with the vector 

appears in every term of one column of  appears in every term of the determinant

K. Webb MAE 3401

28

Laplace Transform of the State‐Space Model

Can now write the Laplace transform of the state variable response as

∗(15)

is, in general, different for each state variable At most, an  1 order polynomial in 

Components of every state variable (and output) response determined by  The characteristic polynomial, Δ The input, 

Numerator,  , determines exact response Weighting of each sinusoidal and/or exponential component

K. Webb MAE 3401

29

Laplace Transform of the State‐Space Model

(15)

Laplace transform of each state variable response,  , is the Laplace transform of the input scaled by

Δ

In the next sub‐section, we’ll explore a related concept –transfer functions

Δ

K. Webb MAE 3401

Transfer Functions30

K. Webb MAE 3401

31

Transfer Functions

Now, come back to the full state‐space model, including the output equation – (SISO case assumed here ‐ and  are scalars)

D

Assume zero initial conditions and Laplace transform the whole model

(1)

D (2)

Simplify the state equation as before

Solving for the state vector

(3)

K. Webb MAE 3401

32

Transfer Functions

Substituting (3) into (2) gives the Laplace transform of the output

D

Factoring out the inputD (4)

Transform of the output is the input scaled by the stuff in the square brackets

Dividing through by the input gives the transfer function

D (5)

Ratio of system’s output to input in the Laplace domain, assuming zero initial conditions

An alternative to the state‐space (time‐domain) model for mathematically representing a system

K. Webb MAE 3401

33

Transfer Matrix – MIMO Systems

For MIMO systems

inputs:  is  1,  is  outputs:  is  1,  is 

Transfer function becomes a  matrix

Transfer function  relates the  output to the input

We’ll continue to assume SISO systems in this course

K. Webb MAE 3401

34

Transfer Functions

System output in the Laplace domain is the input multiplied by the transfer function

We saw earlier that state variables are given by

where  is the characteristic polynomial

Output is linear combination of states and input, so we’d expect the denominator of  to be  as well Is it? What is the denominator of  ?

K. Webb MAE 3401

35

Transfer Functions

D (5)

The matrix inverse term in (5) is given by

where the numerator is the adjoint of  Equation (5) can be rewritten as

(6)

Transfer function denominator is the characteristic polynomial Poles of the transfer function are roots of Δ

System poles or eigenvalues Eigenvalues of the system matrix,  Along with the input, system poles determine the nature of the time‐domain 

response

K. Webb MAE 3401

This sub‐section of notes takes a bit of a tangent to explain the use of the term eigenvalues when referring to system poles.

Eigenvalues36

K. Webb MAE 3401

37

Eigenvalues

We’ve been using the term eigenvalue when referring to system poles – why? Recall from linear algebra, the eigenvalue problem

(1)

where:  is an  matrixis an  1 vector – an eigenvectoris a scalar – an eigenvalue

Eigenvalue problem involves finding both the eigenvalues and the eigenvectorsthat satisfy (1) 

Eigenvalues and eigenvectors are specific to (characteristics of) the matrix  An  matrix will have, at most,  eigenvalues and  corresponding eigenvectors

Equation (1) says: An  1 eigenvector,  , left‐multiplied by an  matrix,  , results in an  1 vector The resulting vector is the eigenvector scaled by the eigenvalue,  Result is in the same direction as  – i.e., not rotated

K. Webb MAE 3401

38

Eigenvalues and Eigenvectors

Geometrically, multiplication of a vector by a matrix results in two things Scaling and rotation

Consider the matrix

1 34 2

And the vectors

11 ,   1

0 Compute the product

In both cases, results have different magnitudes and different directions

K. Webb MAE 3401

39

Eigenvalues and Eigenvectors

Multiplication of a matrix and one of its eigenvectors results in scaling only No rotation

The 2 2matrix1 34 2

has two eigenvectors (normalized)

0.7070.707 and   0.6

0.8and two corresponding eigenvalues

λ 2 and  λ 5

such that

and 

K. Webb MAE 3401

40

Eigenvalues and Eigenvectors

A full‐rank,  matrix will have  pairs of eigenvalues and eigenvectors

To find all eigenvalues and eigenvectors that satisfy (1)

(1)rearrange

and factor out the eigenvector term

0 (2)

If  exists, then  , which is the trivial solution and of no interest

We’re interested in values of  and  that satisfy (2) when is not invertible – when it is singular

K. Webb MAE 3401

41

Eigenvalues and Eigenvectors

Want to find values of  for which  is singular A matrix is singular if its determinant is zero

0 (3)

Equation (3) is the characteristic equation for  is the characteristic polynomial, Δ An  ‐order polynomial in 

Eigenvalues of matrix  are all  values of  that satisfy (3) Roots of the characteristic polynomial Find the corresponding eigenvectors by substituting  into (2) and solving for 

Letting  , (3) becomes the denominator of the system transfer function, 

K. Webb MAE 3401

Using the Transfer Function to Determine System Response42

K. Webb MAE 3401

43

Using  to determine System Response 

System output in the Laplace domain can be expressed in terms of the transfer function as

(1)

Laplace‐domain output is the product of the Laplace‐domain input and the transfer function

Response to two specific types of inputs often used to characterize dynamic systems Impulse response Step response

We’ll use the approach of (1) to determine these responses

K. Webb MAE 3401

44

Impulse response

Impulse function

0, 0

1

Laplace transform of the impulse function is

1

Impulse response in the Laplace domain is

1 ∙

The transfer function is the Laplace transform of the impulse response Impulse response in the time domain is the inverse transform of the 

transfer function

K. Webb MAE 3401

45

Step Response

Step function: 1 0 01 0

Laplace transform of the step function

1

Laplace‐domain step response

Time‐domain step response 

Recall the integral property of the Laplace transform

∙ ,     and     ∙

The step response is the integral of the impulse response

K. Webb MAE 3401

46

First‐ and Second‐Order Systems

All transfer functions can be decomposed into 1st‐ and 2nd‐order terms by factoring Δ Real poles – 1st‐order terms Complex‐conjugate poles – 2nd‐order terms

These terms and, therefore, the poles determine the nature of the time‐domain response Real poles – decaying exponentials Complex‐conjugate poles ‐ decaying sinusoids

All time‐domain responses will be a superposition of decaying exponentials and decaying sinusoids These are the natural modes or eigenmodes of the system

Instructive to examine the responses of 1st‐ and 2nd‐order systems Gain insight into relationships between pole location and response

K. Webb MAE 3401

Response of First‐Order Systems47

K. Webb MAE 3401

48

First‐Order System – Impulse Response

First‐order transfer function:

Single real pole at 1

where  is the system time constant Impulse response:

K. Webb MAE 3401

49

First‐Order System – Impulse Response

Initial slope is inversely proportional to time constant

Response completes 63% of transition after one time constant

Decays to zero as long as the pole is negative

K. Webb MAE 3401

50

Impulse Response vs. Pole Location

Increasing  corresponds to decreasing  and a faster response

K. Webb MAE 3401

51

First‐Order System – Step Response Step response in the Laplace domain

Inverse transform back to time domain via partial fraction expansion

: →

: 0 →

/ /

Time‐domain step response

K. Webb MAE 3401

52

First‐Order System – Step Response

Initial slope is inversely proportional to time constant

Response completes 63% of transition after one time constant

Almost completely settled after 7

K. Webb MAE 3401

53

Step Response vs. Pole Location

Increasing  corresponds to decreasing  and a faster response

K. Webb MAE 3401

54

Pole Location and Stability 

First‐order transfer function

where  is the system pole Impulse response is

If  0,  decays to zero Pole in the left half‐plane System is stable

If  0,  grows without bound Pole in the right half‐plane System is unstable

K. Webb MAE 3401

Response of Second‐Order Systems55

K. Webb MAE 3401

56

Second‐Order Systems

Second‐order transfer function

(1)

where  is the damped natural frequency

Can also express the 2nd‐order transfer function as

(2)

where  is the un‐damped natural frequency, and  is the damping ratio

1

Two poles at 

, 1

K. Webb MAE 3401

57

Categories of Second‐Order Systems

The 2nd‐order system poles are

, 1

Value of  determines the nature of the poles and, therefore, the response

: Over‐damped Two distinct, real poles – sum of decaying exponentials – treat as two first‐order terms ,  

: Critically‐damped Two identical, real poles – time‐scaled decaying exponentials ,

: Under‐damped Complex‐conjugate pair of poles – sum of decaying sinusoids , 1

: Un‐damped Purely‐imaginary, conjugate pair of poles – sum of non‐decaying sinusoids ,

K. Webb MAE 3401

58

2nd‐Order Pole Locations and Damping

K. Webb MAE 3401

59

Second‐Order Poles ‐

Can relate  ,  ,  , and  to pole location geometry

is the magnitude of the poles is a measure of system 

damping

sin

0 Two purely imaginary poles

1 Two identical real poles

1 Two distinct real poles

K. Webb MAE 3401

60

Impulse Response – Critically‐Damped

For  , the transfer function reduces to 

2

Impulse response

K. Webb MAE 3401

61

Impulse Response – Critically‐Damped

Speed of response is proportional to 

K. Webb MAE 3401

62

Impulse Response – Under‐Damped

For 0 1, the transfer function is

2

Complete the square on the denominator

1

Rewrite in the form of a damped sinusoid

Inverse Laplace transform for the time‐domain impulse response

sin

K. Webb MAE 3401

63

Under‐Damped Impulse Response vs. 

sin sin 1

K. Webb MAE 3401

64

Under‐Damped Impulse Response vs. 

sin sin 1

K. Webb MAE 3401

65

Impulse Response – Un‐Damped

For  0, the transfer function reduces to 

Putting into the form of a sinusoid

Inverse transform to get the time‐domain impulse response

An un‐damped sinusoid

sin

K. Webb MAE 3401

66

Un‐Damped Impulse Response vs. 

sin

K. Webb MAE 3401

67

Second‐Order Step Response

The Laplace transform of the step response is1

The time‐domain step response for each damping case can be derived as the the inverse transform of 

or as the integral of the corresponding impulse response

K. Webb MAE 3401

68

Critically‐Damped Step Response vs. 

11

K. Webb MAE 3401

69

Under‐Damped Step Response vs. 

11 cos sin

K. Webb MAE 3401

70

Under‐Damped Step Response vs. 

11 cos sin

K. Webb MAE 3401

71

Un‐Damped Step Response vs. 

11 cos

K. Webb MAE 3401

2nd‐Order Step Response Characteristics72

K. Webb MAE 3401

73

Step Response – Risetime

Risetime is the time it takes a signal to transition between two set levels Typically 10% to 90% of full transition

Sometimes 20% to 80%

A measure of the speed of a response

Very rough approximation:

.

K. Webb MAE 3401

74

Step Response – Overshoot

Overshoot is the magnitude of a signal’s excursion beyond its final value Expressed as a percentage of full‐scale swing

Overshoot increases as  decreases

%OS

0.45 20

0.5 16

0.6 10

0.7 5

K. Webb MAE 3401

75

Step Response –Settling Time

Settling time is the time it takes a signal to settle, finally, to within some percentage of its final value Typically  1% or  5%

Inversely proportional to the real part of the poles, 

For  1% settling:

. .

K. Webb MAE 3401

In this sub‐section, we’ll see that the time‐domain output of a system is given by the convolution of its time‐domain input and its impulse response.

The Convolution Integral76

K. Webb MAE 3401

77

Convolution Integral

Laplace transform of a system output is given by the product of the transform of the input signal and the transfer function

Recall that multiplication in the Laplace domain corresponds to convolution in the time domain

Time‐domain output given by the convolution of the input signal and the impulse response

K. Webb MAE 3401

78

Convolution

Time‐domain output is the input convolved with the impulse response

Impulse response is flipped in time and shifted by 

Multiply input and flipped/shifted 

Integrate over  0…

Each time point of  given by result of integral with 

shifted by 

K. Webb MAE 3401

79

Convolution

K. Webb MAE 3401

80

Convolution

K. Webb MAE 3401

A few of MATLAB’s many built‐in functions that are useful for simulating linear systems are listed in the following sub‐section.

Time‐Domain Analysis in MATLAB81

K. Webb MAE 3401

82

System Objects

MATLAB has data types dedicated to linear system models

Two primary system model objects: State‐space model Transfer function model

Objects created by calling MATLAB functions ss.m – creates a state‐space model  tf.m – creates a transfer function model

K. Webb MAE 3401

83

State‐Space Model – ss(…)

sys = ss(A,B,C,D)

A: system matrix ‐ B: input matrix ‐ C: output matrix ‐ D: feed‐through matrix ‐ sys: state‐space model object

State‐space model object will be used as an input to other MATLAB functions

K. Webb MAE 3401

84

Transfer Function Model – tf(…)

sys = tf(Num,Den)

Num: vector of numerator polynomial coefficients Den: vector of denominator polynomial coefficients sys: transfer function model object

Transfer function is assumed to be of the form⋯⋯

Inputs to tf(…) are Num = [b1,b2,…,br+1]; Den = [a1,a2,…,an+1];

K. Webb MAE 3401

85

Step Response Simulation – step(…)

[y,t] = step(sys,t)

sys: system model – state‐space or transfer function t: optional time vector or final time value y: output step response t: output time vector

If no outputs are specified, step response is automatically plotted

Time vector (or final value) input is optional If not specified, MATLAB will generate automatically

K. Webb MAE 3401

86

Impulse Response Simulation – impulse(…)

[y,t] = impulse(sys,t)

sys: system model – state‐space or transfer function t: optional time vector or final time value y: output impulse response t: output time vector

If no outputs are specified, impulse response is automatically plotted

Time vector (or final value) input is optional If not specified, MATLAB will generate automatically

K. Webb MAE 3401

87

Natural Response – initial(…)

[y,t,x] = initial(sys,x0,t)

sys: state‐space system model function x0: initial value of the state ‐ 1 vector t: optional time vector or final time value y: response to initial conditions ‐ length(t) 1 vector t: output time vector x: trajectory of all states ‐ length(t) matrix

If no outputs are specified, response to initial conditions is automatically plotted

Time vector (or final value) input is optional If not specified, MATLAB will generate automatically

K. Webb MAE 3401

88

Linear System Simulation – lsim(…)

[y,t,x] = lsim(sys,u,t,x0)

sys: system model – state‐space or transfer function u: input signal vector t: time vector corresponding to the input signal x0: optional initial conditions – (for ss model only) y: output response t: output time vector x: optional trajectory of all states – (for ss model only)

If no outputs are specified, response is automatically plotted

Input can be any arbitrary signal

K. Webb MAE 3401

89

More MATLAB Functions

A few more useful MATLAB functions

Pole/zero analysis: pzmap(…) pole(…) zero(…) eig(…)

Input signal generation: gensig(…)

Refer to MATLAB help documentation for more information