Khảo sát khả năng điều khiển tách kênh thích nghi đối tượng Mimo tuyến tính bằng phản hồi đầu ra thao nguyên lý tách Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http //www lrc tnu edu vn N G U[.]
NGUYỄN VĂN TOÀN ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH : TỰ ĐỘNG HÓA TỰ ĐỘNG HÓA KHẢO SÁT NĂNG ĐIỀU KHIỂN TÁCH KÊNH THÍCH NGHI ĐỐI TƯỢNG MIMO TUYẾN TÍNH BẰNG PHẢN HỒI ĐẦU RA THEO NGUYÊN LÝ TÁCH 2008 - 2010 NGUYỄN VĂN TOÀN 0 – Thái Nguyên 2010 THÁI NGUYÊN 2010 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHẢO SÁT NĂNG ĐIỀU KHIỂN TÁCH KÊNH THÍCH NGHI ĐỐI TƯỢNG MIMO TUYẾN TÍNH BẰNG PHẢN HỒI ĐẦU RA THEO NGUYÊN LÝ TÁCH Ngành : TỰ ĐỘNG HÓA Mã số:23.04.3898 Học Viên: NGUYỄN VĂN TOÀN Người HD Khoa học : PGS.TS NGUYỄN DỖN PHƯỚC THÁI NGUN – 2010 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC Độc lập – Tự – Hạnh phúc KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Nguyễn Văn Toàn Ngày tháng năm sinh: Ngày 29 tháng năm 1966 Nơi sinh: Thủy Ngun - Hải Phịng Nơi cơng tác: Trường Cao đẳng Công nghiệp Cẩm Phả Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Thái Nguyên Chuyên ngành: Tự động hóa Khóa học: K11-TĐH TÊN ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT KHẢ NĂNG ĐIỀU KHIỂN TÁCH KÊNH THÍCH NGHI ĐỐI TƯỢNG MIMO TUYẾN TÍNH BẰNG PHẢN HỒI ĐẦU RA THEO NGUYÊN LÝ TÁCH Người hướng dẫn khoa học: PGS-TS Nguyễn Doãn Phước Trường Đại học Bách khoa Hà Nội GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN PGS-TS Nguyễn Dỗn Phước Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HỌC VIÊN Nguyễn Văn Toàn http://www.lrc-tnu.edu.vn -:- LỜI CAM ĐOAN Tên tơi là: Nguyễn Văn Tồn, sinh ngày 29 tháng năm 1966, học viên lớp cao học khoá 11 - Ngành Tự động hoá - Trường đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, công tác trường Cao đẳng Công nghiệp Cẩm Phả Xin cam đoan: Đề tài “Khảo sát khả điều khiển tách kênh thích nghi đối tượng MIMO tuyến tính phản hồi đầu theo nguyên lý tách”, Thầy giáo PGS.TS Nguyễn Dỗn Phước hướng dẫn, cơng trình nghiên cứu thân thực dựa hướng dẫn Thầy giáo hướng dẫn khoa học tài liệu tham khảo trích dẫn Nếu có vấn đề nội dung luận văn tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan Thái Nguyên, ngày 25 tháng năm 2010 Học viên Nguyễn Văn Tồn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -:MỤC LỤC Lời cam đoan Mục lục Danh mục hình vẽ, đồ thị Lời mở đầu Chương 1: Phương pháp điều khiển tách kênh phản hồi trạng thái 10 1.1 Bài toán điều khiển tách kênh 10 1.2 Bộ điều khiển tách kênh phản hồi trạng thái Falb-Wolovich 11 1.2.1 Mô tả phương pháp điều khiển tách kênh Falb-Wolovich 11 1.2.2 Xây dựng mơ hình tốn học hệ thống 13 1.2.2.1 Phương trình trạng thái 13 1.2.2.2 Quan hệ mơ hình trạng thái hàm truyền đạt 15 1.2.2.3 Phép biến đổi Smith – McMilan 21 1.3 Thuật tốn tìm điều khiển tốn tách kênh 24 1.4 Ví dụ: Thiết kế điều khiển tách kênh theo Falb - Wolovich 27 Chương 2: Phương pháp quan sát trạng thái hệ có nhiễu tác động 34 2.1 Phân tích tính quan sát 34 2.1.1 Khái niệm quan sát quan sát hoàn toàn 34 2.1.2 Một số kết luận chung tính quan sát hệ tuyến tính 35 2.1.3 Tính đối ngẫu tiêu chuẩn xét tính quan sát 40 hệ tham số 2.2 Phương pháp quan sát trạng thái 44 2.2.1 Đặt vấn đề 44 2.2.2 Bộ quan sát Luenberger 46 2.2.2.1 Phương pháp thiết kế 46 2.2.2.2 Bài toán thiết kế điều khiển gán điểm cực 47 2.2.2.3 Các phương pháp khác phục vụ toán thiết kế 50 quan sát Luenberger Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -:a Phương pháp Ackermann 50 b Phương pháp Roppenecker 52 c Phương pháp Modal phản hồi trạng thái 53 2.2.2.4 Ví dụ: Thiết kế quan sát Luenberger 63 2.2.3 Bộ quan sát Kalman (bộ lọc Kalman) 69 2.2.3.1 Đặt vấn đề 69 2.2.3.2 Phương pháp tính phục vụ thiết kế lọc Kalman 71 a Thiết kế điều khiển LQR phản hồi dương 71 b Thiết kế điều khiển LQR phản hồi âm 77 2.2.3.3 Thiết kế lọc Kalman 78 2.2.3.4 Ví dụ: Thiết kế lọc Kalman 82 Chương 3: Xây dựng điều khiển tách kênh phản hồi đầu 87 theo nguyên lý tách 3.1 Nguyên lý tách cho toán điều khiển ổn định 87 3.2 Khảo sát ngun lý tách cho tốn tách kênh thích nghi 89 3.2.1 Khảo sát khả ghép chung điều khiển phản hồi trạng 89 thái tách kênh với quan sát trạng thái khơng có nhiễu 3.2.1.1 Khảo sát với quan sát trạng thái Luenberger 91 3.2.1.2 Khảo sát với quan sát trạng thái Kalman 94 3.2.2 Khảo sát khả ghép chung điều khiển phản hồi trạng 97 thái tách kênh với quan sát trạng thái có nhiễu 3.2.2.1 Khảo sát với quan sát trạng thái Luenberger 98 3.2.2.2 Khảo sát với quan sát trạng thái Kalman 101 Chương 4: Đánh giá chất lượng tách kênh 104 4.1 Tổng hợp số kết nghiên cứu 104 4.2 Kết luận 109 Kết luận chung hướng phát triển đề tài 110 Danh mục tài liệu tham khảo 111 Phụ lục 112 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -:DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Số hiệu Nội dung hình vẽ, đồ thị Trang 1.1 Mơ tả mục đích điều khiển tách kênh 11 1.2 Mô tả phương pháp điều khiển tách kênh Falb-Wolovich 12 1.3 Mô tả hệ thống kỹ thuật 13 1.4 Mô tả hệ SISO 18 1.5 Mô tả hệ MIMO 19 1.6 Mô tả hệ MIMO hệ MISO nối song song với 20 1.7 Thiết kế điều khiển tách kênh theo Smith - McMillan 24 1.8 Mơ hình mơ 28 1.9 Kết mơ vẽ đáp ứng hình 1.8 Tín hiệu step 1: biên độ = thời gian 1s Tín hiệu step 2: biên độ = thời gian 10s 29 Kết mơ vẽ đáp ứng hình 1.8 1.10 Tín hiệu step 1: biên độ = thời gian 1s Tín hiệu step 2: biên độ = thời gian 8s 30 Kết mô vẽ đáp ứng hình 1.8 1.11 Tín hiệu step 1: biên độ = thời gian 3s Tín hiệu step 2: biên độ = thời gian 10s 30 1.12 Mơ hình mơ điều khiển tách kênh 31 Kết mô vẽ đáp ứng sơ đồ 1.12 1.13 Tín hiệu step 1: biên độ = thời gian 1s Tín hiệu step 2: biên độ = thời gian 10s 32 Kết mô vẽ đáp ứng sơ đồ 1.12 1.14 Tín hiệu step 1: biên độ = thời gian 1s Tín hiệu step 2: biên độ = thời gian 8s 32 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -:Kết mô vẽ đáp ứng sơ đồ 1.12 1.15 Tín hiệu step 1: biên độ = thời gian 3s Tín hiệu step 2: biên độ = thời gian 10s 33 2.1 Điều khiển phản hồi đầu nhờ quan sát trạng thái 45 2.2 Bộ quan sát trạng thái Luenberger 46 2.3 Thiết kế phản hồi trạng thái 48 2.4 Thiết kế phản hồi tín hiệu 49 2.5a Minh họa phương pháp thiết kế modal 55 2.5b Minh họa phương pháp thiết kế modal 55 2.5c Minh họa phương pháp thiết kế modal 56 2.5d Minh họa phương pháp thiết kế modal 58 2.6 Nguyên tắc tổng hợp điều khiển 61 2.7 Hệ thống điều khiển kín có tham gia quan sát trạng thái Luenberger 62 2.8 Mơ hình mơ quan sát trạng thái Luenberger 66 2.9 Kết mô quan sát trạng thái Luenberger 67 2.10 Đáp ứng đầu quan sát thông qua quan sát Luenberger 67 2.11 Các biến trạng thái quan sát thông qua quan sát trạng thái Luenberger 68 2.12 Mô hình hóa hoạt động mạch lọc Kalman 70 2.13 Mơ tả nhiệm vụ tốn với điều khiển phản hồi dương 71 2.14 Bộ điều khiển phản hồi âm vector trạng thái 78 2.15 Bộ quan sát trạng thái Kalman 78 2.16 Sơ đồ Simulink mô lọc Kalman 84 2.17 Kết mô quan sát trạng thái Kalman 85 2.18 Đáp ứng đầu quan sát thông qua quan sát Kalman 85 2.19 Các biến trạng thái quan sát thông qua quan sát trạng thái Kalman Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 86 http://www.lrc-tnu.edu.vn -:3.1 Hệ kín phản hồi trạng thái sử dụng quan sát trạng thái 87 3.2 Sơ đồ Simulink mô hệ sử dụng ghép quan sát trạng thái điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh khơng có nhiễu tác động 90 3.3 Kết mô ghép quan sát trạng thái Luenberger điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh Tín hiệu step 1: biên độ = thời gian 1s Tín hiệu step 2: biên độ = thời gian 10s 91 3.4 Kết mô ghép quan sát trạng thái Luenberger điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh Tín hiệu step 1: biên độ = thời gian 1s Tín hiệu step 2: biên độ = thời gian 8s 92 3.5 Kết mô ghép quan sát trạng thái Luenberger điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh Tín hiệu step 1: biên độ = thời gian 3s Tín hiệu step 2: biên độ = thời gian 10s 92 3.6 Kết mô biến trạng thái ghép quan sát trạng thái Luenberger điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh 93 3.7 Kết mô ghép quan sát trạng thái Kalman điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh Tín hiệu step 1: biên độ = thời gian 1s Tín hiệu step 2: biên độ = thời gian 10s 94 3.8 Kết mô ghép quan sát trạng thái Kalman điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh Tín hiệu step 1: biên độ = thời gian 1s Tín hiệu step 2: biên độ = thời gian 8s 94 3.9 Kết mô ghép quan sát trạng thái Kalman điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh Tín hiệu step 1: biên độ = thời gian 3s Tín hiệu step 2: biên độ = thời gian 10s 95 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -:Kết mô biến trạng thái ghép quan sát 3.10 trạng thái Kalman điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh 96 Sơ đồ Simulink mô hệ sử dụng ghép quan sát trạng 3.11 thái điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh có nhiễu 97 Kết mơ ghép quan sát trạng thái 3.12 Luenberger điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh có nhiễu 98 Kết mô ghép quan sát trạng thái Luenberger 3.13 điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh thay đổi tín hiệu Step2 có nhiễu 98 Kết mô ghép quan sát trạng thái 3.14 Luenberger điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh thay đổi tăng biên độ nhiễu 99 Kết mô biến trạng thái ghép quan sát 3.15 trạng thái Luenberger điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh có nhiễu 100 Kết mơ ghép quan sát trạng thái Kalman điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh có nhiễu 101 Kết mô ghép quan sát trạng thái Kalman 3.17 điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh thay đổi tín hiệu Step2 có nhiễu 101 Kết mô ghép quan sát trạng thái Kalman 3.18 điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh thay đổi tăng biên độ nhiễu 102 Kết mô biến trạng thái ghép quan sát 3.19 trạng thái Kalman điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh có nhiễu 103 3.16 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ... Công nghi? ??p Thái Nguyên, công tác trường Cao đẳng Công nghi? ??p Cẩm Phả Xin cam đoan: Đề tài ? ?Khảo sát khả điều khiển tách kênh thích nghi đối tượng MIMO tuyến tính phản hồi đầu theo nguyên lý tách? ??,... THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHI? ??P - LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHẢO SÁT NĂNG ĐIỀU KHIỂN TÁCH KÊNH THÍCH NGHI ĐỐI TƯỢNG MIMO TUYẾN TÍNH BẰNG PHẢN HỒI ĐẦU RA THEO NGUYÊN... tách cho toán điều khiển ổn định 87 3.2 Khảo sát nguyên lý tách cho tốn tách kênh thích nghi 89 3.2.1 Khảo sát khả ghép chung điều khiển phản hồi trạng 89 thái tách kênh với quan sát trạng thái