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

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

2 Seminar Telematiksysteme für Fernwartung und Ferndiagnose How a controller works Introduction

3 Seminar Telematiksysteme für Fernwartung und Ferndiagnose Example: Cruise control Introduction

4 Seminar Telematiksysteme für Fernwartung und Ferndiagnose Basic principles of control theory Modeling of systems Analysis of system behavior Controller synthesis Introduction

5 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

6 Seminar Telematiksysteme für Fernwartung und Ferndiagnose Differential equation Modeling of dynamic systems

7 Seminar Telematiksysteme für Fernwartung und Ferndiagnose 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. Modeling of dynamic systems

8 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. Modeling of dynamic systems

9 Seminar Telematiksysteme für Fernwartung und Ferndiagnose State space model Modeling of dynamic systems

10 Seminar Telematiksysteme für Fernwartung und Ferndiagnose Time response Transient response Steady-state response Performance of linear, time-invariable systems

11 Seminar Telematiksysteme für Fernwartung und Ferndiagnose Time response of the cruise Performance of linear, time-invariable systems

12 Seminar Telematiksysteme für Fernwartung und Ferndiagnose 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

13 Seminar Telematiksysteme für Fernwartung und Ferndiagnose PID controller Proportional-Integral-Derivative controller Controller synthesis

14 Seminar Telematiksysteme für Fernwartung und Ferndiagnose PID controller CL RESPONSERISE TIMEOVERSHOOTSETTLING TIMES-S ERROR KpKp DecreaseIncreaseSmall ChangeDecrease KiKi Increase Eliminate KdKd Small ChangeDecrease Small Change Controller synthesis

15 Seminar Telematiksysteme für Fernwartung und Ferndiagnose Cruise with PI controller Controller synthesis

16 Seminar Telematiksysteme für Fernwartung und Ferndiagnose State-feedback controller Controller synthesis

17 Seminar Telematiksysteme für Fernwartung und Ferndiagnose State observer

18 Seminar Telematiksysteme für Fernwartung und Ferndiagnose Control system with observer Controller synthesis

19 Seminar Telematiksysteme für Fernwartung und Ferndiagnose Some kind of controller Regulator Tracking control Force control Controller synthesis

20 Seminar Telematiksysteme für Fernwartung und Ferndiagnose A basic teleoperator setup Basic of teleoperation

21 Seminar Telematiksysteme für Fernwartung und Ferndiagnose Control of teleoperator Basic of teleoperation

22 Seminar Telematiksysteme für Fernwartung und Ferndiagnose 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

23 Seminar Telematiksysteme für Fernwartung und Ferndiagnose Basic of teleoperation

24 Seminar Telematiksysteme für Fernwartung und Ferndiagnose 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

25 Seminar Telematiksysteme für Fernwartung und Ferndiagnose 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..

26 Seminar Telematiksysteme für Fernwartung und Ferndiagnose Thank You Question?