cơ sở tự động học, chương 12 docx

Chương 12: TRẠNG THÁI CỦA HỆ THỐNG Trong các chương trước, ta đã khảo sát vài phương pháp thông dụng để phân giải các hệ tự kiểm. Phép biến đổi Laplace đã được dùng để chuyển các phương tr ình vi phân mô tả hệ thống thành các phương trình đại số theo biến phức S. Dùng phương trình đại số này ta có thể tìm được hàm chuyển mô tả tương quan nhân quả giữa ngõ vào và ngõ ra. Tuy nhiên, vi ệc phân giải hệ thống trong miền tần số, với biến phức, dù là kỹ thuật rất thông dụng trong tự động học, nhưng có rất nhiều giới hạn. Sự bất lợi lớn nhất, đó là các điều kiện đầu bị bỏ qua. Hơn nữa, phương pháp ấy chỉ được áp dụng cho các hệ tuyến tính, không đổi theo thời gian. Và nó đặc biệt bị giới hạn khi d ùng để phân giải các hệ đa biến. Ngày nay, với sự phát triển của máy tính, các điều khiển thường được phân giải trong miền thời gian. V à vì vậy, cần thiết phải có một phương pháp khác để đặc trưng hóa cho hệ thống. Phương pháp mới, l à sự dùng”biến số trạng thái” (state variable) để đặc trưng cho hệ thống. Một hệ thống có thể được phân giải và thiết kế dựa vào một tập hợp các phương trình vi phân c ấp một sẽ tiện lợi hơn so với một phương trình độc nhất cấp cao. V ấn đề sẽ được đơn giản hóa rất nhiều và thật tiện lợi nếu dùng máy tính để giải. Giả sử một tập hợp các biến x1(t), x2(t) xn(t) được chọn để mô tả trạng thái động của hệ thống tại bất kỳ thời điểm cho sẳn t=t0 nào, các biến này mô tả hoàn toàn trạng thái quá khứ ( past history ) của hệ cho đến thời điểm t0. Nghĩa là các biến x1(t0), x2(t0) . . . xn(t0), xác định trạng thái đầu của hệ tại t=t0. Vậy khi có những tín hiệu vào tại t >= t0 được chỉ rõ, thì trạng thái tương lai của hệ thống sẽ hoàn toàn được xác định . Vậy, một cách vật lý, biến trạng thái của một hệ tuyến tính có thể được định nghĩa như là một tập hợp nhỏ nhất các biến x1(t),x2(t), xn(t), sao cho sự hiểu biết các biến này tại thời điểm t0 bất kỳ nào cộng thêm dữ kiện về sự kích thích (excitation) ở ngõ vào được áp dụng theo sau, thì đủ để xác định trạng thái của hệ tại bất kỳ thời điểm t >=t0 nào. Cái ngắt điện, có lẽ là một thí dụ đơn giản nhất về biến trạng thái. Ngắt điện có thể ở vị trí hoặc ON hoặc OFF, vậy trạng thái của nó có thể là một trong hai trị giá khả hữu đó. Nên, nếu ta biết trạng thái hiện tại (vị trí) của ngắt điện tại t0 và nếu có một tín hiệu đặt ở ngõ vào, ta sẽ có thể xác định được trị giá tương lai trạng thái của nó. II. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI VÀ PHƯƠNG TRÌNH OUTPUT. Xem lại sơ đồ khối hình H.4_1, diễn tả một hệ thống tuyến tính với p input và q output. Ta giả sử hệ thống được đặt trưng bởi tập hợp sau đây của n phương trình vi phân cấp 1, gọi là những phương tr ình trạng thái. Trong đó :ĠĬ, … ,Ġ là các biến trạng thái Ġ.Ĭ, … ,Ġ là các input Ġ : hàm tuyến tính thứ i. Các output của hệ thống liên hệ với các biến trạng thái và các input qua bi ểu thức sau. Ġ : hàm tuyến tính thứ k . Phương tr ình (4.2) gọi là phương trình output của hệ. Phương trình trạng thái và phương trình output gọi chung là các phương trình động của hệ. Thí dụ, xem một hệ tuyến tính với một input và một output được mô tả bởi phương tr ình vi phân : Hàm chuy ển mô tả hệ thống dễ dàng có được bằng cách lấy biến đổi Laplace ở hai vế, với giả sử các điều kiện đầu bằng 0. Ta sẽ chứng tõ rằng hệ thống còn có thể mô tả bởi một tập hợp các phương tr ình động như sau : Trước nhất, ta định nghĩa các biến trạng thái Phương trình 4.3 được sắp xếp lại sau cho đạo hàm bậc cao nhất ở vế trái: Bây giờ phương trình 4.6 và 4.7, thay thế các hệ thức định nghĩa của biến trạng thái vào 4.8 . Ta sẽ có những phương trình tr ạng thái: Chỉ có phương trình (4.9c) là tương đương phương trình ban đầu (4.3). còn hai phương trình kia chỉ là phương trình định nghĩa biến trạng thái. Trong trường hợp n ày, output c(t) cũng được định nghĩa như là biến trạng thái x1(t), (không phải luôn luôn như vậy). Vậy phương tr ình (4.5) là phương trình output. T ổng quát hơn, nếu áp dụng phương phương pháp mô tả ở trên, thì phương trình vi phân cấp n: Sẽ được trình bày bởi các phương trình trạng thái sau : Và phương trình output giản dị là : Phương pháp định nghĩa các biến trạng thái được mô tả ở trên không thích h ợp khi vế phải của (4.10) có chứa những đạo hàm của r(t). Trong trường hợp này, những hệ thức của các biến trạng thái cũng phải chứa r(t). Các biến trạng thái được định nghĩa như sau: Với các giá trị ở đó : Dùng (14) và (15) ta đưa phương trình vi phân cấp n(4.13) vào n phương trình trạng thái sau đây dưới dạng bình thường : Phương trình output, có được từ biểu thức thứ nhất của(4.14): . Chương 12: TRẠNG THÁI CỦA HỆ THỐNG Trong các chương trước, ta đã khảo sát vài phương pháp thông dụng để phân giải các hệ tự kiểm. Phép biến đổi Laplace đã. vi ệc phân giải hệ thống trong miền tần số, với biến phức, dù là kỹ thuật rất thông dụng trong tự động học, nhưng có rất nhiều giới hạn. Sự bất lợi lớn nhất, đó là các điều kiện đầu bị bỏ qua máy tính để giải. Giả sử một tập hợp các biến x1(t), x2(t) xn(t) được chọn để mô tả trạng thái động của hệ thống tại bất kỳ thời điểm cho sẳn t=t0 nào, các biến này mô tả hoàn toàn trạng thái