khảo sát khả năng điều khiển tách kênh thích nghi đối tượng mimo tuyến tính bằng phản hồi đầu ra theo nguyên lý tách

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn NGUYỄN VĂN TOÀN ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH : 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 NGUYỄN VĂN TOÀN THÁI NGUYÊN 2010 TỰ ĐỘNG HÓA 2008 - 2010 2 0 0 8 – 2 0 1 0 Thái Nguyên 2010 Số hóa bởi 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 DOÃN PHƯỚC THÁI NGUYÊN – 2010 Số hóa bởi 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 CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: Nguyễn Văn Toàn Ngày tháng năm sinh: Ngày 29 tháng 8 năm 1966 Nơi sinh: Thủy Nguyên - Hải Phòng Nơi công 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 Doãn Phước HỌC VIÊN Nguyễn Văn Toàn - : - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Nguyễn Văn Toàn, sinh ngày 29 tháng 8 năm 1966, học viên lớp cao học khoá 11 - Ngành Tự động hoá - Trường đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, hiện đang công tác tại trường Cao đẳng Công nghiệp Cẩm Phả. Xin cam đoan: 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”, do Thầy giáo PGS.TS Nguyễn Doãn Phước hướng dẫn, là công trình nghiên cứu do bản thân tôi thực hiện dựa trên sự hướng dẫn của Thầy giáo hướng dẫn khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Nếu có vấn đề gì trong nội dung của luận văn thì tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình. Thái Nguyên, ngày 25 tháng 5 năm 2010 Học viên Nguyễn Văn Toàn - : - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC Lời cam đoan 1 Mục lục 2 Danh mục các hình vẽ, đồ thị 4 Lời mở đầu 8 Chương 1: Phương pháp điều khiển tách kênh bằng phản hồi trạng thái 10 1.1. Bài toán điều khiển tách kênh 10 1.2. Bộ điều khiển tách kênh bằng phản hồi trạng thái của Falb-Wolovich 11 1.2.1. Mô tả phương pháp điều khiển tách kênh của Falb-Wolovich 11 1.2.2. Xây dựng mô hình toán học của hệ thống 13 1.2.2.1. Phương trình trạng thái 13 1.2.2.2. Quan hệ giữa mô hình trạng thái và hàm truyền đạt 15 1.2.2.3. Phép biến đổi Smith – McMilan 21 1.3. Thuật toán tìm các bộ điều khiển của bài toán tách kênh 24 1.4. Ví dụ: Thiết kế bộ 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 được 34 2.1.1. Khái niệm quan sát được và quan sát được hoàn toàn 34 2.1.2. Một số kết luận chung về tính quan sát được của hệ tuyến tính. 35 2.1.3. Tính đối ngẫu và các tiêu chuẩn xét tính quan sát được của hệ tham số hằng 40 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 bộ điều khiển gán điểm cực 47 2.2.2.3. Các phương pháp khác nhau phục vụ bài toán thiết kế bộ quan sát Luenberger 50 - : - Số hóa bởi 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 bộ 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 bộ lọc Kalman 71 a. Thiết kế bộ điều khiển LQR phản hồi dương 71 b. Thiết kế bộ điều khiển LQR phản hồi âm 77 2.2.3.3. Thiết kế bộ lọc Kalman 78 2.2.3.4. Ví dụ: Thiết kế bộ lọc Kalman 82 Chương 3: Xây dựng bộ điều khiển tách kênh bằng phản hồi đầu ra theo nguyên lý tách 87 3.1. Nguyên lý tách cho bài toán điều khiển ổn định 87 3.2. Khảo sát nguyên lý tách cho bài toán tách kênh thích nghi 89 3.2.1. Khảo sát khả năng ghép chung bộ điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh với bộ quan sát trạng thái khi không có nhiễu 89 3.2.1.1. Khảo sát với bộ quan sát trạng thái Luenberger 91 3.2.1.2. Khảo sát với bộ quan sát trạng thái Kalman 94 3.2.2. Khảo sát khả năng ghép chung bộ điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh với bộ quan sát trạng thái khi có nhiễu 97 3.2.2.1. Khảo sát với bộ quan sát trạng thái Luenberger 98 3.2.2.2. Khảo sát với bộ quan sát trạng thái Kalman 101 Chương 4: Đánh giá chất lượng tách kênh 104 4.1. Tổng hợp một số kết quả đã nghiên cứu 104 4.2. Kết luận 109 Kết luận chung và hướng phát triển của đề tài 110 Danh mục tài liệu tham khảo 111 Phụ lục 112 - : - Số hóa bởi 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 Mô tả mục đích của điều khiển tách kênh 11 1.2 Mô tả phương pháp điều khiển tách kênh của Falb-Wolovich 12 1.3 Mô tả một hệ thống kỹ thuật 13 1.4 Mô tả một hệ SISO 18 1.5 Mô tả một hệ MIMO 19 1.6 Mô tả một hệ MIMO như các hệ MISO nối song song với nhau 20 1.7 Thiết kế bộ điều khiển tách kênh theo Smith - McMillan 24 1.8 Mô hình mô phỏng 28 1.9 Kết quả mô phỏng và vẽ đáp ứng hình 1.8 Tín hiệu step 1: biên độ = 2 ở thời gian 1s Tín hiệu step 2: biên độ = 1 ở thời gian 10s 29 1.10 Kết quả mô phỏng và vẽ đáp ứng hình 1.8 Tín hiệu step 1: biên độ = 2 ở thời gian 1s Tín hiệu step 2: biên độ = 3 ở thời gian 8s 30 1.11 Kết quả mô phỏng và vẽ đáp ứng hình 1.8 Tín hiệu step 1: biên độ = 3 ở thời gian 3s Tín hiệu step 2: biên độ = 1 ở thời gian 10s 30 1.12 Mô hình mô phỏng bộ điều khiển tách kênh 31 1.13 Kết quả mô phỏng và vẽ đáp ứng sơ đồ 1.12 Tín hiệu step 1: biên độ = 2 ở thời gian 1s Tín hiệu step 2: biên độ = 1 ở thời gian 10s 32 1.14 Kết quả mô phỏng và vẽ đáp ứng sơ đồ 1.12 Tín hiệu step 1: biên độ = 2 ở thời gian 1s Tín hiệu step 2: biên độ = 3 ở thời gian 8s 32 - : - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.15 Kết quả mô phỏng và vẽ đáp ứng sơ đồ 1.12 Tín hiệu step 1: biên độ = 3 ở thời gian 3s Tín hiệu step 2: biên độ = 1 ở thời gian 10s 33 2.1 Điều khiển phản hồi đầu ra nhờ bộ quan sát trạng thái 45 2.2 Bộ quan sát trạng thái của Luenberger 46 2.3 Thiết kế bằng phản hồi trạng thái 48 2.4 Thiết kế bằng phản hồi tín hiệu ra 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 bộ điều khiển 61 2.7 Hệ thống điều khiển kín có sự tham gia của bộ quan sát trạng thái Luenberger 62 2.8 Mô hình mô phỏng bộ quan sát trạng thái Luenberger 66 2.9 Kết quả mô phỏng bộ quan sát trạng thái Luenberger 67 2.10 Đáp ứng đầu ra quan sát thông qua bộ quan sát Luenberger 67 2.11 Các biến trạng thái quan sát được thông qua bộ quan sát trạng thái Luenberger 68 2.12 Mô hình hóa hoạt động của mạch lọc Kalman 70 2.13 Mô tả nhiệm vụ bài toán với bộ 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 của Kalman 78 2.16 Sơ đồ Simulink mô phỏng bộ lọc Kalman 84 2.17 Kết quả mô phỏng bộ quan sát trạng thái Kalman 85 2.18 Đáp ứng đầu ra quan sát thông qua bộ quan sát Kalman 85 2.19 Các biến trạng thái quan sát được thông qua bộ quan sát trạng thái Kalman 86 - : - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.1 Hệ kín phản hồi trạng thái sử dụng bộ quan sát trạng thái 87 3.2 Sơ đồ Simulink mô phỏng hệ sử dụng ghép bộ quan sát trạng thái và bộ điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh khi không có nhiễu tác động 90 3.3 Kết quả mô phỏng khi ghép bộ quan sát trạng thái Luenberger và bộ điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh Tín hiệu step 1: biên độ = 2 ở thời gian 1s Tín hiệu step 2: biên độ = 1 ở thời gian 10s 91 3.4 Kết quả mô phỏng khi ghép bộ quan sát trạng thái Luenberger và bộ điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh Tín hiệu step 1: biên độ = 2 ở thời gian 1s Tín hiệu step 2: biên độ = 3 ở thời gian 8s 92 3.5 Kết quả mô phỏng khi ghép bộ quan sát trạng thái Luenberger và bộ điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh Tín hiệu step 1: biên độ = 3 ở thời gian 3s Tín hiệu step 2: biên độ = 1 ở thời gian 10s 92 3.6 Kết quả mô phỏng các biến trạng thái khi ghép bộ quan sát trạng thái Luenberger và bộ điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh 93 3.7 Kết quả mô phỏng khi ghép bộ quan sát trạng thái Kalman và bộ điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh Tín hiệu step 1: biên độ = 2 ở thời gian 1s Tín hiệu step 2: biên độ = 1 ở thời gian 10s 94 3.8 Kết quả mô phỏng khi ghép bộ quan sát trạng thái Kalman và bộ điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh Tín hiệu step 1: biên độ = 2 ở thời gian 1s Tín hiệu step 2: biên độ = 3 ở thời gian 8s 94 3.9 Kết quả mô phỏng khi ghép bộ quan sát trạng thái Kalman và bộ điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh Tín hiệu step 1: biên độ = 3 ở thời gian 3s Tín hiệu step 2: biên độ = 1 ở thời gian 10s 95 - : - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.10 Kết quả mô phỏng các biến trạng thái khi ghép bộ quan sát trạng thái Kalman và bộ điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh 96 3.11 Sơ đồ Simulink mô phỏng hệ sử dụng ghép bộ quan sát trạng thái và bộ điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh khi có nhiễu 97 3.12 Kết quả mô phỏng khi ghép bộ quan sát trạng thái Luenberger và bộ điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh khi có nhiễu 98 3.13 Kết quả mô phỏng khi ghép bộ quan sát trạng thái Luenberger và bộ điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh thay đổi tín hiệu Step2 khi có nhiễu 98 3.14 Kết quả mô phỏng khi ghép bộ quan sát trạng thái Luenberger và bộ điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh khi thay đổi tăng biên độ nhiễu 99 3.15 Kết quả mô phỏng các biến trạng thái khi ghép bộ quan sát trạng thái Luenberger và bộ điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh khi có nhiễu 100 3.16 Kết quả mô phỏng khi ghép bộ quan sát trạng thái Kalman và bộ điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh khi có nhiễu 101 3.17 Kết quả mô phỏng khi ghép bộ quan sát trạng thái Kalman và bộ điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh thay đổi tín hiệu Step2 khi có nhiễu 101 3.18 Kết quả mô phỏng khi ghép bộ quan sát trạng thái Kalman và bộ điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh khi thay đổi tăng biên độ nhiễu 102 3.19 Kết quả mô phỏng các biến trạng thái khi ghép bộ quan sát trạng thái Kalman và bộ điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh khi có nhiễu 103 [...]... quan sát Kalman Xây dựng sơ đồ Simulink và chạy mô phỏng ví dụ: Bộ quan sát Luenberger và bộ quan sát Kalman Chương 3: Xây dựng bộ điều khiển tách kênh bằng phản hồi đầu ra theo nguyên lý tách Khảo sát sự ảnh hưởng của bộ quan sát trạng thái đối với chất lượng hệ kín, kết luận hệ kín, nguyên lý tách Khảo sát nguyên lý tách cho bài toán tách kênh thích nghi, mô phỏng khả năng ghép chung bộ điều khiển phản. .. cứu: Khảo sát khả năng điều khiển tách kênh thích nghi đối tượng MIMO tuyến tính bằng phản hồi đầu ra theo nguyên lý tách Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -9Nội dung luận văn gồm bốn chương: Chương 1: Phương pháp điều khiển tách kênh bằng phản hồi trạng thái Chương 2: Phương pháp quan sát trạng thái hệ có nhiễu tác động Chương 3: Xây dựng bộ điều khiển tách. .. điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh với bộ quan sát trạng thái Xây dựng sơ đồ Simulink và chạy mô phỏng ví dụ: Khi ghép chung bộ điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh với bộ quan sát trạng thái Chương 4: Đánh giá chất lượng tách kênh Tổng hợp kết quả nghi n cứu và kết luận về khả năng điều khiển tách kênh thích nghi đối tượng MIMO tuyến tính bằng phản hồi đầu ra theo nguyên lý tách Số hóa bởi... điều khiển tách kênh bằng phản hồi trạng thái Khảo sát bài toán điều khiển tách kênh và phương pháp thiết kế bộ điều khiển tách kênh Thiết kế bộ điều khiển tách kênh theo Falb - Wolovich Xây dựng sơ đồ Simulink và chạy mô phỏng ví dụ: Bộ điều khiển tách kênh Falb – Wolovich Chương 2: Phương pháp quan sát trạng thái hệ có nhiễu tác động Phân tích tính quan sát được của hệ tuyến tính, khảo sát bộ quan sát. .. hieu ra Luenberger khi nhieu bang 0.002'); Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -:TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn tốt nghi p thạc sỹ kỹ thuật chuyên ngành Tự động hóa: Khảo sát khả năng điều khiển tách kênh thích nghi đối tượng MIMO tuyến tính bằng phản hồi đầu ra theo nguyên lý tách Được viết trong 4 chương với những nội dung chính như sau: Chương 1: Phương pháp điều. .. tín hiệu ra của một kênh hoàn toàn không bị sự tác động điều khiển của các kênh khác 1.2 Bộ điều khiển tách kênh bằng phản hồi trạng thái của FalbWolovich 1.2.1 Mô tả phương pháp điều khiển tách kênh của Falb-Wolovich Xét đối tượng MIMO tuyến tính có m đầu vào u1, u2, …, um và cũng có m đầu ra y1, y2, …, ym mô tả bởi:  dx   Ax  B u  dt y  Cx  (1.1) Để tách kênh ta phải xác định bộ điều khiển R... quan sát trạng thái để có được bộ điều khiển tách kênh bằng phản hồi đầu ra (điều khiển theo nguyên lý tách) và đánh giá được chất lượng tách kênh (sự tương tác giữa các kênh) do bộ điều khiển phản hồi đầu ra mang lại, với nguyên nhân chủ yếu là từ sự xấp xỉ trạng thái của bộ lọc Kalman Với những ý nghĩa trên đây và được sự định hướng của Thầy giáo PGS.TS Nguyễn Doãn Phước tôi đã lựa chọn đề tài nghi n... SISO với mỗi đầu ra yi(t) chỉ phụ thuộc vào một tín hiệu đầu vào ωi(t) Tuy nhiên ở các bộ điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh, vẫn còn vấn đề cần quan tâm đó là chế độ điện từ vào, ra không đo được do đó cần phải điều khiển phản hồi đầu ra nhờ bộ quan sát trạng thái khi hệ có nhiễu tác động (bộ lọc Kalman) Đồng thời cũng cần phải xác định rõ khả năng ghép nối bộ điều khiển tách kênh phản hồi trạng... được cho hệ SISO, ví dụ bộ điều khiển PID Vì mong muốn sử dụng bộ điều khiển cho hệ MIMO người ta đã nghĩ đến việc can thiệp sơ bộ trước vào hệ MIMO, biến hệ MIMO thành nhiều hệ SISO với mỗi đầu ra yi(t) chỉ phụ thuộc vào một tín hiệu đầu vào ωi(t) u1 y1   um ym ω1 y1   ωm ym Hình 1.1: Mô tả mục đích của điều khiển tách kênh Từ sơ đồ mô tả mục đích của điều khiển tách kênh ta nhận thấy hệ thống... điều khiển tách kênh bằng phản hồi đầu ra theo nguyên lý tách Chương 4: Đánh giá chất lượng tách kênh Trong thời gian làm luận văn, với những kiến thức được học trong nhà trường cùng với tài liệu tham khảo, sách, tạp chí ở ngoài chương trình học tập và đặc biệt nhờ có sự hướng dẫn, giúp đỡ tận tình của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Doãn Phước, các thầy cô trường Đại học Kỹ thuật Công nghi p Thái Nguyên, trường . dựng bộ điều khiển tách kênh bằng phản hồi đầu ra theo nguyên lý tách 87 3.1. Nguyên lý tách cho bài toán điều khiển ổn định 87 3.2. Khảo sát nguyên lý tách cho bài toán tách kênh thích nghi. nghi n cứu: Khảo sát khả năng điều khiển tách kênh thích nghi đối tượng MIMO tuyến tính bằng phản hồi đầu ra theo nguyên lý tách . - 9 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn. 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 NGUYỄN VĂN TOÀN THÁI NGUYÊN 2010