Khảo sát khả năng điều khiển tách kênh thích nghi đối tượng Mimo tuyến tính bằng phản hồi đầu ra thao nguyên lý tách
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (420.69 KB, 27 trang )
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
2
0
0
8
–
Thái
Nguyên
2010
THÁI NGUYÊN 2010
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
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
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
HỌC VIÊN
Nguyễn Văn Toàn
-:-
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
-: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
40
hệ tham số hằng.................................................................................
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
50
bộ quan sát Luenberger................................................................
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
-: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
87
theo nguyên lý tách
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 89
thái tách kênh với bộ quan sát trạng thái khi không có nhiễu..........
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
97
thái tách kênh với bộ quan sát trạng thái khi có nhiễu.....................
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
-: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
Kết quả mô phỏng và vẽ đáp ứng hình 1.8
1.10 Tín hiệu step 1: biên độ = 2 ở thời gian 1s
Tín hiệu step 2: biên độ = 3 ở thời gian 8s
30
Kết quả mô phỏng và vẽ đáp ứng hình 1.8
1.11 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
Kết quả mô phỏng và vẽ đáp ứng sơ đồ 1.12
1.13 Tín hiệu step 1: biên độ = 2 ở thời gian 1s
Tín hiệu step 2: biên độ = 1 ở thời gian 10s
32
Kết quả mô phỏng và vẽ đáp ứng sơ đồ 1.12
1.14 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
-:Kết quả mô phỏng và vẽ đáp ứng sơ đồ 1.12
1.15 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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
86
-: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
-:Kết quả mô phỏng các biến trạng thái khi ghép bộ quan sát
3.10 trạng thái Kalman và bộ điều khiển phản hồi trạng thái tách
kênh
96
Sơ đồ Simulink mô phỏng hệ sử dụng ghép bộ quan sát trạng
3.11 thái và bộ điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh khi có
nhiễu
97
Kết quả mô phỏng khi ghép bộ quan sát trạng thái
3.12 Luenberger và bộ điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh
khi có nhiễu
98
Kết quả mô phỏng khi ghép bộ quan sát trạng thái Luenberger
3.13 và bộ điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh thay đổi tín
hiệu Step2 khi có nhiễu
98
Kết quả mô phỏng khi ghép bộ quan sát trạng thái
3.14 Luenberger và bộ điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh
khi thay đổi tăng biên độ nhiễu
99
Kết quả mô phỏng các biến trạng thái khi ghép bộ quan sát
3.15 trạng thái Luenberger và bộ điều khiển phản hồi trạng thái
tách kênh khi có nhiễu
100
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
Kết quả mô phỏng khi ghép bộ quan sát trạng thái Kalman và
3.17 bộ điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh thay đổi tín hiệu
Step2 khi có nhiễu
101
Kết quả mô phỏng khi ghép bộ quan sát trạng thái Kalman và
3.18 bộ điều khiển phản hồi trạng thái tách kênh khi thay đổi tăng
biên độ nhiễu
102
Kết quả mô phỏng các biến trạng thái khi ghép bộ quan sát
3.19 trạng thái Kalman và bộ điều khiển phản hồi trạng thái tách
kênh khi có nhiễu
103
3.16
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
