Luận văn bài toán điều khiển đảm bảo gái trị cho lớp hệ 2 d rời rạc trong mô hình roessr

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
======

VŨ ANH TOÀN

BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN
ĐẢM BẢO GIÁ TRỊ CHO LỚP HỆ 2-D
RỜI RẠC TRONG MÔ HÌNH ROESSER

LUẬN VĂN THẠC SĨ TOÁN HỌC

HÀ NỘI - 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
======

VŨ ANH TOÀN

BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN
ĐẢM BẢO GIÁ TRỊ CHO LỚP HỆ 2-D
RỜI RẠC TRONG MÔ HÌNH ROESSER
Chuyên ngành: Toán Giải tích
Mã số: 8 46 01 02

LUẬN VĂN THẠC SĨ TOÁN HỌC
Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. LÊ VĂN HIỆN

HÀ NỘI - 2018

MỤC LỤC

Mở đầu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
Một số ký hiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Chương 1. Một số kết quả sơ bộ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1. Ví dụ về mô hình hệ 2-D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2. Một số mô hình hệ 2-D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3. Một số kiến thức bổ trợ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Chương 2. Tính ổn định và ổn định hóa của hệ Roesser rời rạc . . . . . . 14
2.1. Tính ổn định của một số lớp hệ 2-D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2. Bài toán ổn định hóa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3. Ví dụ minh họa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Kết luận chương 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Chương 3. Bài toán điều khiển đảm bảo giá trị đối với hệ 2-D rời rạc
dạng Roesser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.1. Phát biểu bài toán . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2. Ước lượng hàm giá của hệ đóng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.3. Thiết kế điều khiển . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.4. Vấn đề dưới tối ưu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.5. Ví dụ minh họa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Kết luận chương 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Kết luận chung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Tài liệu tham khảo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài

Hệ hai chiều (Two-dimensional systems) nảy sinh trong nhiều mô hình vật
lí và kỹ thuật, ở đó sự lan truyền thông tin trạng thái xảy ra theo hai hướng
độc lập. Các hệ hai chiều đã được ứng dụng trong mô tả và phân tích tính
chất của nhiều mô hình hệ động lực trong thực tiễn kỹ thuật như các hệ viễn
thông, xử lí ảnh, xử lí và truyền tín hiệu hay trong các bộ lọc tín hiệu số đa
chiều [2,10]. Trong việc mô tả các mô hình thực tiễn đó, các hệ hai chiều thường
được biễu diễn thông qua các phương trình trạng thái (state-space model). Một
số lớp mô hình trạng thái thường được sử dụng như mô hình Roesser, mô hình
Fornasini-Marchesini (FM) thứ nhất và thứ hai, mô hình Attasi hay mô hình
Kurek [10]. Do cấu trúc đặc biệt, mô hình Roesser được sử dụng nhiều trong
việc mô tả động lực các hệ trong thực tiễn kĩ thuật [1, 7–9].
Mặt khác, trong lí thuyết điều khiển, bài toán điều khiển đảm bảo giá trị
(guaranteed cost control, viết tắt là GCC) là một bài toán quan trọng. Mục
tiêu chính của bài toán điều khiển GCC là thiết kế một điều khiển phản hồi
theo trạng thái (state feedback controller) sao cho hệ đóng (tích hợp điều khiển)
tương ứng là ổn định tiệm cận và hàm giá của hệ đóng không vượt quá một
ngưỡng xác định nào đó [3]. Gần đây, bài toán này nhận được nhiều sự quan tâm
nghiên cứu của tác giả đối với các hệ 2-D rời rạc. Nói riêng, trong bài báo [4]
các tác giả nghiên cứu bài toán điều khiển GCC cho lớp hệ 2-D rời rạc trong
mô hình Roesser chứa tham số không chắc chắn với điều kiện chặn chuẩn. Dựa
trên lược đồ của phương pháp hàm Lyapunov đối với các hệ 2-D, các điều kiện
thiết kế điều khiển được thiết lập dưới dạng các bất đẳng thức ma trận tuyến
tính (linear matrix inequalities LMIs). Với mong muốn được tìm hiểu sâu hơn
về chủ đề này, chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu “Bài toán điều khiển đảm bảo
2


giá trị cho lớp hệ 2-D rời rạc trong mô hình Roesser” dựa trên bài báo [4].

2. Mục đích nghiên cứu

Mục đích của luận văn là trình bày một số kết quả nghiên cứu về tính ổn
định, ổn định hóa và bài toán điều khiển GCC cho một lớp hệ 2-D rời rạc trong
mô hình Roesser dựa trên tài liệu [4].

3. Nội dung nghiên cứu
Các nội dung được nghiên cứu trong luận văn bao gồm:
a) Giới thiệu một số mô hình hệ 2-D rời rạc, đặc biệt là các hệ trong các mô
hình thực tiễn.
b) Bài toán ổn định hóa và điều khiển GCC đối với hệ 2-D rời rạc dạng Roesser.
c) Nghiên cứu và trình bày các kết quả trong [4] về bài toán điều khiển GCC
đối với lớp 2-D dạng Roesser chứa tham số không chắc chắn.

4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Xét lớp hệ 2-D dạng Roesser sau đây



xh (i + 1, j)



xv (i, j

+ 1)

xh (i, j)

 = (A + ∆A) 

xv (i, j)


 + (B + ∆B)u(i, j),

(0.1)

ở đó xh ∈ Rnh , xv ∈ Rnv và u ∈ Rnu tương ứng là vectơ trạng thái ngang, vectơ
trạng thái dọc và điều khiển đầu vào của hệ, A ∈ Rn×n (n = nh + nv ), B ∈ Rn×nu
là các ma trận thực cho trước, ∆A, ∆B biểu thị các tham số không chắc chắn của
hệ với cấu trúc ∆A ∆B = LF (i, j) M1 M2 , ở đó L, M1 , M2 là các ma trận
biết trước và F (i, j) là ma trận không biết với điều kiện chặn chuẩn F (i, j) ≤ 1.
Cùng với hệ (0.1), ta xét hàm giá của điều khiển
∞

∞

J=

u (i, j)Ru(i, j) + x (i, j)W1 x(i, j) ,
i=0 j=0

3

(0.2)


+
ở đó x (i, j) = xh (i, j) xv (i, j) , R ∈ S+
nu và W1 ∈ Sn là các ma trận cho

trước.
a) Đối tượng nghiên cứu là lớp hệ 2-D dạng (0.1) và các dạng đặc biệt của nó,
chẳng hạn lớp hệ 2-D dạng Roesser không có nhiễu.
b) Phạm vi nghiên cứu bao gồm:
• Phân tích tính ổn định và ổn định hóa theo điều khiển phản hồi cho lớp

hệ dương dạng (0.1).
• Tìm điều kiện để thiết kế điều khiển phản hồi sao cho hệ đóng tương

ứng là ổn định và đảm bảo hàm giá không vượt quá một ngưỡng J∗ nào
đó, tức là J ≤ J∗ .

5. Phương pháp nghiên cứu
Luận văn sử dụng phương pháp hàm Lyapunov, giải tích ma trận và phương
pháp thiết kế điều khiển phản hồi tuyến tính để tìm các điều kiện ổn định và ổn
định hóa với giá trị hàm giá được đảm bảo bởi một ngưỡng nào đó thông quan
nghiệm của các bất đẳng thức ma trận tuyến tính.

6. Bố cục của luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận và danh mục các tài liệu tham khảo, luận
văn được chia thành ba chương.
Chương 1 giới thiệu sơ bộ về mô hình Roesser và một số kiến bổ trợ.
Chương 2 phân tích tính ổn định và ổn định hóa theo điều khiển phản hồi
cho lớp hệ 2-D dạng Roesser không chứa đại lượng không chắc chắc.
Chương 3 trình bày về bài toán điều khiển đảm bảo giá trị GCC cho lớp
hệ 2-D rời rạc dạng Roesser chứa tham số dạng nhiễu có cấu trúc.

4

MỘT SỐ KÝ HIỆU
R+

Tập tất cả các số thực không âm

Rn

Không gian Euclide n−chiều với tích vô hướng
x, y = x y và chuẩn vectơ x =

n
2
i=1 xi

Rm×n

Tập các ma trận cỡ m × n

A

Ma trận chuyển vị của ma trận A

In

Ma trận đơn vị trong Rn×n

λ(A)

Tập hợp các giá trị riêng của A

λmax (A)

= max{Reλj (A) : λj (A) ∈ λ(A)}

λmin (A)

= min{Reλj (A) : λj (A) ∈ λ(A)}

A>0

Ma trận A đối xứng xác định dương, tức là

1
2

A = A , x Ax > 0 với mọi x ∈ Rn , x = 0
A≥0

Ma trận A đối xứng nửa xác định dương, tức là
A = A , x Ax ≥ 0, ∀x ∈ Rn

A>B

Ma trận A − B đối xứng xác định dương

S+
n

Tập các ma trận đối xứng xác định dương n × n chiều

LMIs

Bất đẳng thức ma trận tuyến tính.

5


Chương 1
MỘT SỐ KẾT QUẢ BỔ TRỢ

Trong chương này, chúng tôi giới thiệu sơ lược về lớp hệ 2-D trong mô hình
Roesser và một số kết quả bổ trợ cho việc trình bày nội dung các chương sau.

1.1.

Ví dụ về mô hình hệ 2-D
Xét hệ điều khiển mô tả bởi phương trình đạo hàm riêng cấp 1 sau đây:


 ∂T (x,t) = − ∂T (x,t) − aT (x, t) + bu(x, t),
∂x
∂t
(1.1)

y(x, t) = cT (x, t),

ở đó T (x, t) là hàm ẩn (chẳng hạn hàm nhiệt độ) tại tọa độ x ∈ [0, xf ] và thời
t ∈ [0, ∞), u(x, t) là hàm điều khiển và y(x, t) là tín hiệu đầu ra và a, b, c là các

hằng số.

Pipe
‫ݔ(ݑ‬, ‫)ݐ‬

ܶ(‫ݔ‬, ‫)ݐ‬

‫ݔ(ݕ‬, ‫)ݐ‬

‫ݔ‬

Steam (or water)

Hình 1.1: Hệ điều khiển quá trình nhiệt

Mô hình (1.1) được sử dụng trong một số quá trình nhiệt trong các phản
ứng hóa học hay trong các ống nhiệt của lò hấp [10]. Trong thực tế, các tín hiệu

6


điều khiển thường được tổng hợp thông qua quá trình rời rạc hóa. Đặt
T (i, j) = T (i∆x, j∆t),

u(i, j) = u(i∆x, j∆t)

T (i, j) − T (i − 1, j)
∂T (x, t)
≈
,
∂x

∆x

∂T (x, t)
T (i, j + 1) − T (i, j)
≈
.
∂t
∆t

Khi đó phương trình (1.1) có thể viết dưới dạng:
T (i, j + 1) =

1−

∆t
∆t
− a∆t T (i, j) +
T (i − 1, j) + b∆tu(i, j).
∆x
∆x

(1.2)

Hàm điều khiển theo tín hiệu đầu ra (output feedback control) được thiết
kế dạng u(i, j) = ky(i, j) = kcT (i, j). Đặt xh (i, j) = T (i − 1, j) và xv (i, j) = T (i, j).
Khi đó hệ đóng tương ứng của (1.1) có dạng

 
xh (i + 1, j)



xv (i, j

+ 1)

=

0

1

∆t
∆x

1−

∆t
∆x





xh (i, j)



− a∆t + bkc∆t

xv (i, j)

,

i, j ∈ N.

(1.3)

A0

Hệ (1.3) diễn tả một mô hình hệ 2-D dạng Roesser.


T (i − 1, j)

Mặt khác, từ (1.2) ta đặt x(i, j) = 

T (i, j)

, khi đó (1.2) trở thành
(1.4)

x(i + 1, j + 1) = A1 x(i, j + 1) + A2 x(i + 1, j),

ở đó



0
A1 = 

0



1

,

0


A2 = 

0
∆t
∆x

0
1−

∆t
∆x


.

− a∆t + bkc∆t

Hệ (1.4) mô tả hệ 2-D trong mô hình Fornasini-Marchesini thứ hai (FM-II).



xh (i, j)

Trong hệ (1.3), vectơ trạng thái của hệ được xác định bởi x(i, j) = 

xv (i, j)

.

Sự lan truyền thông tin của vectơ xh theo trục i (phương ngang) trong khi sự
lan truyền của vectơ xv theo trục j (phương đứng). Các hệ động lực mà sự lan
truyền thông tin theo hai phương độc lập được gọi chung là các hệ 2-D. Việc
nghiên cứu định tính các hệ 2-D nói chung khó khăn hơn rất nhiều so với các
hệ 1-D tương ứng dạng x(k + 1) = A0 x(k). Lí do chính là nhiều phương pháp và
7


công cụ nghiên cứu đã phát triển đối với hệ 1-D không còn phù hợp với hệ 2-D,
chẳng hạn như công thức nghiệm cơ bản hay các ước lượng dựa trên quy nạp
một thang theo thời gian k .

1.2.

Một số mô hình hệ 2-D

1.2.1.

Mô hình Roesser

Trong các mô hình hệ hai chiều, mô hình Roesser (RM) được sử dụng một

cách rộng rãi do cấu trúc tự nhiên và đơn giản. Mô hình 2-D Roesser được mô
tả bởi hệ phương trình


xh (i + 1, j)



xv (i, j

+ 1)





=

A11 A12
A21 A22







+

xh (i, j)

xv (i, j)



B1
B2


 u(i, j),
(1.5)

A0




y(i, j) = C1 C2

xh (i, j)



xv (i, j)

 + Du(i, j),

ở đó i, j ∈ Z+ là các biến thời gian rời rạc theo tọa độ ngang và dọc, xh (i, j) ∈ Rn1
là vectơ trạng thái ngang, xv (i, j) ∈ Rn2 là vectơ trạng thái dọc, u(i, j) ∈ Rm là
điều khiển đầu vào, y(i, j) ∈ Rp là vectơ đầu ra và A0 , B1 , B2 , C1 , C2 , D là các ma
trận hằng với số chiều thích hợp.

Điều kiện đầu đối với (1.5) được xác định bởi các dãy φh (j) và φv (i)
xh (0, j) = φh (j), j ∈ N;

xv (i, 0) = φv (i), i ∈ N.

(1.6)

Thông thường φh (.), φv (.) được giả thiết có giá hữu hạn, tức là tồn tại các số
nguyên dương T1 , T2 sao cho φh (j) = 0, j ≥ T1 , φv (i) = 0, i ≥ T2 , hoặc tổng quát
hơn các dãy φh , φv thuộc lớp c0 , tức là φh (k) → 0, φv (k) → 0 khi k → ∞.

8


1.2.2.

Mô hình Attasi

Mô hình Attasi (AM) có nhiều ứng dụng xử lí ảnh và tín hiệu số [10]. Nó
được mô tả bởi phương trình sau
x(i + 1, j + 1) = A1 x(i, j + 1) + A2 x(i + 1, j) − A2 A1 x(i, j) + B0 u(i, j),

(1.7)

y(i, j) = Cx(i, j),

ở đó A1 A2 = A2 A1 .
Mô hình Attasi (1.7) là trường hợp đặc biệt của mô hình Roesser (1.5).
1.2.3.

Mô hình Fornasini-Marchesini (FM)

Các mô hình FMs được ứng dụng rộng rãi và rất thành công trong lĩnh
vực xử lí tín hiệu (signal processing) và điều khiển. Mô hình FM-I của hệ 2-D
được mô tả bởi phương trình
x(i + 1, j + 1) = A0 x(i, j) + A1 x(i, j + 1) + A2 x(i + 1, j) + Bu(i, j),

(1.8)

y(i, j) = Cx(i, j),

và mô hình FM-II được cho bởi hệ
x(i + 1, j + 1) = A1 x(i, j + 1) + A2 x(i + 1, j) + B1 u(i, j + 1) + B2 u(i + 1, j),

(1.9)

y(i, j) = Cx(i, j).

Mô hình FM tổng quát được mô tả bởi
x(i + 1, j + 1) = A0 x(i, j) + A1 x(i, j + 1) + A2 x(i + 1, j) + B0 u(i, j)
+ B1 u(i, j + 1) + B2 u(i + 1, j),

(1.10)

y(i, j) = Cx(i, j).
1.2.4.

Mối liên hệ giữa các mô hình hệ 2-D

Rõ ràng mô hình Attasi là trường hợp đặc biệt của mô hình FM-I khi

A0 = −A1 A2 và B0 = B . Hơn nữa, sử dụng phép biến đổi
xh (i, j) = x(i, j + 1) − A2 x(i, j),
9

xv (i, j) = x(i, j).

(1.11)


Từ (1.7) ta có
xh (i + 1, j) = x(i + 1, j + 1) − A2 x(i + 1, j)
= A1 x(i, j + 1) − A2 A1 x(i, j) + B0 u(i, j)
= A1 (x(i, j + 1) − A2 x(i, j)) + B0 u(i, j) = A1 xh (i, j) + B0 u(i, j)

và
xv (i, j + 1) = x(i, j + 1) = xh (i, j) + A2 xv (i, j).

Do đó (1.7) luôn viết được dưới dạng

 

xh (i + 1, j)



xv (i, j

+ 1)

=

A1 0n

In A2

xh (i, j)



xv (i, j)





B0

+

0n×m

xh (i, j)



xv (i, j)



y(i, j) = 0p×n C 




 u(i, j),
(1.12)

nên (1.7) là trường hợp đặc biệt của mô hình Roesser (1.5).
Mặt khác, với phép biến đổi (1.11), hệ (1.8) được viết dưới dạng

 
 


xh (i + 1, j)



xv (i, j

+ 1)

xh (i, j)

A1 A0 + A1 A2

=

In

A2



xv (i, j)

+

B

0n×m

 u(i, j),





(1.13)

xh (i, j)

y(i, j) = 0p×n C 

xv (i, j)

 + Du(i, j).

Do đó, với phép biến đổi (1.11), mô hình FM-I có thể đưa về mô hình
Roesser (1.5).

Bây giờ ta đặt
xˆ(i, j) = x (i, j) x (i, j − 1) u (i, j − 1) .

10


Khi đó hệ (1.8) trở thành

A2



xˆ(i + 1, j + 1) =  In




02n

0n 0n×2n



(1.14)



02n×n

+




B
A1 A0

 xˆ(i, j + 1)
 xˆ(i + 1, j) + 

02n
02n×m

 u(i, j + 1) + 03n×m u(i, j + 1),

In
y(i, j) = C 0p×2n xˆ(i, j).

Vì vậy mô hình FM-I nhúng được vào lớp mô hình FM-II.
Xét mô hình Roesser (1.5). Kí hiệu vectơ x(i, j) = xhT (i, j) xvT (i, j)
Khi đó (1.5) viết được dưới dạng





.



A11
A12
0
0
 x(i, j + 1) +  n1 ×n2 n2 ×n2  x(i + 1, j)
x(i + 1, j + 1) = 
0n2 ×n1 0n2 ×n2
A21
A22




B1

0n2 ×m





0n1 ×m

 u(i, j + 1) + 

B2


 u(i + 1, j),

y(i, j) = Cx(i, j),

(1.15)
ở đó C = C1 C2 . Do đó mô hình Roesser (1.5) có thể biểu diễn được bằng
mô hình FM-II. Đối với các mô hình hệ 2-D cơ bản như trên, mô hình FM-II có
dạng tổng quát hơn các mô hình khác. Mối liên hệ giữa các mô hình nói trên
được minh họa như trong hình dưới đây.
Đối với các lớp hệ 2-D có cấu trúc phức tạp hơn, chẳng hạn hệ 2-D có trễ
hay nhiễu dạng tất định hoặc ngẫu nhiên, mô hình Roesser không biến đổi được
về mô hình FM-II. Như đã đề cập phần trước, việc biến đổi mô hình thường
dẫn đến các điều kiện ngặt hơn khi nghiên cứu định tính và điều khiển các lớp
hệ đó. Vì vậy, mô hình Roesser và mô hình FM-II thường vẫn được nghiên cứu
song song và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng thực tiễn.

11


FM-I
RM

AM

FM-II

Hình 1.2: Mô hình hệ 2-D

1.3.

Một số kiến thức bổ trợ

1.3.1.

Giải tích ma trận

Cho ma trận A = (aij ) ∈ Rn×m . Ma trận chuyển vị của A, kí hiệu bởi A
xác định bởi A = (aji ) ∈ Rm×n . Các tính chất sau đúng với mọi ma trận A, B
có số chiều phù hợp:
(A+B) = A +B ,

(cA) = cA , c ∈ R,

(AB) = B A ,

(A−1 ) = (A )−1 .

Ma trận A ∈ Rn là ma trận đối xứng nếu A = A . Ma trận đối xứng A là
nửa xác định dương, viết A ≥ 0, nếu x Ax ≥ 0, ∀x ∈ Rn , và A là xác định dương,
viết A > 0, nếu x Ax > 0 với mọi x ∈ Rn , x = 0. Kí hiệu Sn , S+
n là tập các ma
trận đối xứng và ma trận đối xứng xác định dương trong Rn×n . Chẳng hạn, xét
2



ma trận A = 1


1
2

2 −2

2



−2. Khi đó, A là ma trận đối xứng. Hơn nữa, với mọi

0

x = (x1 , x2 , x3 ) ∈ R3 ,
x Ax = 2x21 + 2x22 + 2x1 x2 + 4x1 x3 − 4x2 x3
= (x1 + x2 )2 + (x1 − 2x3 )2 + (x2 − x3 )2 .

Do đó x Ax > 0, ∀x = 0 nên A ∈ S+
3.
Một số tính chất của ma trận đối xứng, xác định dương:
12


• Nếu A ∈ Sn thì λ(A) ⊂ R. Tức là mọi giá trị riêng của ma trận đối xứng

đều thực.
• Ma trận A ∈ S+
n khi và chỉ khi mọi giá trị riêng λj (A) > 0.
• Ma trận A ∈ Sn xác định dương khi và chỉ khi mọi định thức con chính
Dk (A) > 0, ở đó Dk là định thức con chính cấp k của A (điều kiện Sylvester).
• Nếu A ∈ S+
n thì (bất đẳng thức Rayleigh)
2

λmin (A) x

≤ x Ax ≤ λmax x 2 ,

∀x ∈ Rn .

+
• Nếu A ∈ S+
n thì tồn tại ma trận Q ∈ Sn sao cho Q Q = A. Ma trận Q gọi là
1

căn bậc hai của ma trận dương A, viết Q = A 2 .
Bổ đề 1.3.1 (Bất đẳng thức Cauchy ma trận). Cho X ∈ Rn×n là ma trận đối
xứng xác định dương. Khi đó với mọi x, y ∈ Rn ta có
2x y ≤ x Xx + y X −1 y.
1

1

Chứng minh. Kí hiệu a = X 2 x, b = X − 2 y , ta có
0≤ a−b

2

= a − b, a − b = a

2

+ b

2

− 2a b.

Từ đó có 2x y ≤ x Xx + y X −1 y.
Bổ đề 1.3.2 (Bổ đề Schur). Cho các ma trận X, Y, Z với số chiều thích hợp,
X=X

và Z = Z > 0. Khi đó,


X Y



Y

−Z

 < 0 ⇔ X + Y Z −1 Y < 0.

Chứng minh. Chứng minh của Bổ đề Schur dựa trên phân tích sau đây:



 

In −Y Z −1



0

In

X



Y

Y

Z

In



−Z −1 Y

Từ đó suy ra điều phải chứng minh.
13

0

In

X − Y Z −1 Y

=

0

0

Z

.


Chương 2
TÍNH ỔN ĐỊNH VÀ ỔN ĐỊNH HÓA
CỦA HỆ 2-D RỜI RẠC DẠNG ROESSER

Trong chương này chúng tôi nghiên cứu tính ổn định và ổn định hóa bằng
điều khiển phản hồi đối với hệ 2-D dạng Roesser sau đây




xh (i + 1, j)



xv (i, j

+ 1)

xh (i, j)

 = A

xv (i, j)

 + Bu(i, j),

(2.1)

ở đó, như đã giới thiệu ở Chương 1, xh ∈ Rnh và xv ∈ Rnv là các vectơ trạng thái
theo phương ngang và dọc, u ∈ Rm là điều khiển đầu vào, A ∈ Rn×n (n = nh +nv )
và B ∈ Rn×nu là các ma trận thực cho trước. Dựa trên cách tiếp cận bằng phương
pháp hàm Lyapunov, các điều kiện ổn định và ổn định hóa được đặt thông qua
các bất đẳng thức ma trận tuyến tính.
Điều kiện đầu của (2.1) được xác định bởi các dãy φh : N0 → Rnh và
φv : N0 → Rnv như sau
xh (0, j) = φh (j), j ∈ N0 ,

xv (i, 0) = φv (i), i ∈ N0 ,

(2.2)

ở đó φh , φv là các dãy trong l2 , tức là
∞

φh (k)

2

+ φv (k)

2

< ∞.

k=0

2.1.

Tính ổn định của một số lớp hệ 2-D tuyến tính
Trong mục này chúng tôi trình bày một số điều kiện ổn định cho một số

lớp hệ 2-D trong mô hình Roesser và mô hình FM-II.
Định nghĩa 2.1.1. Hệ (2.1) với điều khiển u(i, j) = 0 được gọi là ổn định tiệm
cận nếu nghiệm bất kì x(i, j) của (2.1) với điều kiện đầu (2.2) thỏa mãn
lim χr

r→∞

lim

r→∞

sup
i+j=r

14

x(i, j)

= 0.

(2.3)


Bây giờ ta xét lớp hệ tuyến tính rời rạc 2-D được mô tả bởi mô hình FM-II
x(i + 1, j + 1) = A1 x(i, j + 1) + A2 x(i + 1, j),

(2.4)

ở đó x(i, j) ∈ Rn là vectơ trạng thái của hệ, A1 , A2 ∈ Rn×n là các ma trận cho
trước. Tương tự mô hình (2.1), điều kiện đầu của (2.4) cũng được xác định bởi
các dãy φh , φv ∈ l2 :
x(0, j) = φh (j), i ≥ 0,

x(i, 0) = φv (i), j ≥ 0.

(2.5)

Định nghĩa ổn định tiệm cận cho hệ (2.5) được phát biểu tương tự trong
Định nghĩa 2.1.1.
Đa thức đặc trưng của (2.4) được xác định bởi
L(z1 , z2 ) = det (In − z1 A1 − z2 A2 ) ,

z1 , z2 ∈ C.

(2.6)

Kết quả dưới đây cho một tiêu chuẩn ổn định của hệ (2.4) dựa trên phương

pháp đa thức đặc trưng.
Mệnh đề 2.1.1 (xem [5]). Hệ (2.4) ổn định tiệm cận khi và chỉ khi L(z1 , z2 ) = 0
với mọi (z1 , z2 ) ∈ U , ở đó U là đĩa đóng đơn vị trong C2 xác định bới U =
(z1 , z2 ) ∈ C2 : |z1 | ≤ 1, |z2 | ≤ 1 .

Nhận xét 2.1.1. Mệnh đề 2.1.1 cho điều kiện cần và đủ dạng tính chất phổ cho
tính ổn định của hệ (2.4). Tuy nhiên, tiêu chuẩn này không khả dụng cho việc
thiết kế điều khiển bởi vấn đề xác định tính chất tập phổ của ma trận không
biết trước (chứa ẩn là ma trận đạt được của điều khiển). Vì vậy, từ tiêu chuẩn
đặc trưng cho trong Mệnh đề 2.1.1 ta xây dựng một điều kiện ổn định dựa trên
các tiếp cận bằng bất đẳng thức ma trận tuyến tính (LMIs) như trình bày trong
định lí dưới đây.
Định lí 2.1.1. Với các hằng số dương α, β cố định thỏa mãn α + β = 1, giả sử
tồn tại một ma trận P ∈ S+
n thỏa mãn điều kiện LMI sau:
 
A1



A2

 P A1 A2 − I(α, β)P < 0,
15

(2.7)


ở đó I(α, β) = diag(αIn , βIn ). Khi đó hệ (2.4) là ổn định tiệm cận.
Chứng minh. Phản chứng, giả sử hệ (2.4) không ổn định tiệm cận. Theo Mệnh

đề 2.1.1, tồn tại (z1 , z2 ) ∈ U sao cho
det(In − z1 A1 − z2 A2 ) = 0.

Khi đó, tồn tại vectơ x ∈ Rn×n , x = 0, sao cho (In − z1 A1 − z2 A2 )x = 0, và do đó


z1 In
 x.
x = A1 A2 
z2 In

Kí hiệu A = A1 A2 và Q = I(α, β)P − A P A > 0. Gọi x∗ , z ∗ lần lượt là
liên hợp phức của x và z = (z1 , z2 ). Ta có




z1 In

x∗ P x = x∗ z1∗ In z2∗ In A P A 
z2 In









αP 0
z I
 − Q  1 n  x
= x∗ z1∗ In z2∗ In 
0 βP
z2 In





z1 In
x
= (α|z1 |2 + β|z2 |2 )x∗ P x − x∗ z1∗ In z2∗ In Q 
z2 In
< (α|z1 |2 + β|z2 |2 )x∗ P x.

Từ đó suy ra α|z1 |2 + β|z2 |2 > 1. Điều này mâu thuẫn với giả thiết (z1 , z2 ) ∈ U .
Định lí được chứng minh.
Nhận xét 2.1.2. Với bất kì α ∈ (0, 1), kí hiệu Q = αP > 0. Khi đó

 

I(α, β)P = 

αP

0

0

(1 − α)P

Q

=

Do đó (2.7) trở thành
 




A1 

Q


  P A1 A2 − 

0

0 P −Q


0


<0

0 P −Q

A2







Q − P < 0.
16

.

(2.8)


Nhận xét 2.1.3. Điều kiện (2.8) có thể thiết lập bằng việc mở rộng phương
pháp hàm Lyapunov cho hệ 2-D. Cụ thể hơn, xét hàm Lyapunov 2-D sau
(2.9)

V (i, j) = x (i, j)P1 x(i, j) + x (i, j)P2 x(i, j)
V1

V2

ở đó P1 , P2 là các ma trận đối xứng xác định dương. Sai phân của V (i, j) được
xác định bởi
∆V (i, j)

∂1 (V1 ) + ∂2 (V2 )

(2.10)

= V1 (i + 1, j + 1) − V1 (i, j + 1) + V2 (i + 1, j + 1) − V2 (i + 1, j).

Mệnh đề 2.1.2. Hệ (2.4) ổn định tiệm cận nếu sai phân ∆V (i, j) cho bởi (2.10)
xác định âm.
Chứng minh. Với mọi N1 , N2 ≥ 1, lấy tổng hai vế (2.10) lần lượt theo i, j ta được
N2

N1 −1 N2 −1

N1

[V1 (N1 , j) − V1 (0, j)] +

[V2 (i, N2 ) − V2 (i, 0)] =

j=1

i=1

∆V (i, j).
i=0

j=0

Do giả thiết ∆V xác định âm và từ (2.9) suy ra tồn tại hằng số ρ > 0 sao

cho ∆V (i, j) ≤ − 12 ρ
∞

∞

x(i, j)
i=0 j=0

2

x(i + 1, j)
2

≤

+ x(i, j + 1)

2

. Cho N1 , N2 → ∞ ta được

λmax (P1 ) + λmax (P2 )
ρ

φh

2
l2

+ φv

2
l2

.

Từ đó suy ra limr→∞ χr = 0, tức là hệ (2.4) ổn định tiệm cận.
Nhận xét 2.1.4. Kí hiệu A = [A1

A2 ] và ξ(i, j) = [x (i, j + 1)

x (i + 1, j)] .

Khi đó (2.4) viết được dạng x(i + 1, j + 1) = Aξ(i, j). Từ (2.9) và (2.10) ta có
∆V (i, j) = x (i + 1, j + 1)P1 x(i + 1, j + 1) − x (i, j + 1)P1 x(i, j + 1)
+ x (i + 1, j + 1)P2 x(i + 1, j + 1) − x (i + 1, j)P2 x(i + 1, j)
= ξ (i, j)A (P1 + P2 )Aχ(i, j) − χ (i, j)diag(P1 , P2 )χ(i, j)
= ξ (i, j)Ψξ(i, j),

ở đó



P1

0

0

P2

Ψ = A (P1 + P2 )A − 
17


.


Từ đó ta có kết quả sau.
Mệnh đề 2.1.3. Hệ (2.4) ổn định tiệm cận nếu tồn tại các ma trận P1 , P2 ∈ S+
n
sao cho







 (P1 + P2 ) 

A1
A2



A1
A2





P1

0

0

P2

−


 < 0.

(2.11)

Nhận xét 2.1.5. Rõ ràng (2.11) suy ra (2.8) bằng cách chọn Q = P1 và P =
P1 + P2 .

Bây giờ ta trở lại xét hệ 2-D trong mô hình Roesser (2.1). Đa thức đặc
trưng của (2.1) được cho bởi




Inh − z1 A11
−z1 A12
.

C(z1 , z2 ) = det 
−z2 A21
Inv − z2 A22

Vì hệ (2.1) có thể biến đổi về mô hình FM-II (2.4) nên C(z1 , z2 ) chính là đa
thức đặc trưng L(z1 , z2 ) của (2.4) ứng với A1 = A11 A12 và A2 = A21 A22 .
Do đó ta có kết quả sau.
Định lí 2.1.2 (xem [10]). Hệ (2.1) ổn định tiệm cận khi và chỉ khi C(z1 , z2 ) = 0
với mọi (z1 , z2 ) ∈ U , ở đó U = {(z1 , z2 ) ∈ C2 : |z1 | ≤ 1, |z2 | ≤ 1}.
Từ Định lí 2.1.2 ta có điều kiện ổn định sau.
Định lí 2.1.3. Hệ mở của (2.1) (tức là u(i, j) = 0) là ổn định tiệm cận nếu tồn
tại P = diag(P h , P v ) ∈ S+
n thỏa mãn điều kiện LMI sau:
A P A − P < 0.

Chứng minh. Xét hàm Lyapunov sau
V (i, j) = V h (i, j) + V v (i, j)

ở đó V h (i, j) = xh (i, j)P h xh (i, j) và V v (i, j) = xv (i, j)P v xv (i, j).
Sai phân ∆V (i, j) được định nghĩa như sau
∆V (i, j) = ∂1 (V h (i, j)) + ∂2 (V v (i, j))
18

(2.12)


= V h (i + 1, j) − V h (i, j) + V v (i, j + 1) − V v (i, j).

Chứng minh tương tự Mệnh đề 2.2.2, nếu ∆V (i, j) xác định âm thì hệ (2.1)
ổn định tiệm cận. Bây giờ ta còn cần chứng minh rằng ∆V (i, j) xác định âm nếu

(2.12) được thỏa mãn. Thật vậy, kí hiệu A1 = [A11

A12 ] và A2 = [A21

A22 ] thì

từ hệ (2.1) có
xh (i + 1, j) = A1 x(i, j),

xv (i, j + 1) = A2 x(i, j).

Do đó
∆V (i, j) = x (i, j) A1 P h A1 + A2 P v A2 x(i, j)
− xh (i, j)P h xh (i, j) − xv (i, j)P v xv (i, j)




A1 
 A1
= x (i, j)   P   x(i, j) − x (i, j)P x(i, j)




A2

A2

= x (i, j) A P A − P x(i, j).

Từ đó suy ra, nếu (2.12) được thỏa mãn thì ∆V (i, j) xác định âm và hệ (2.1) ổn
định tiệm cận.

2.2.

Bài toán ổn định hóa
Áp dụng điều kiện ổn định trong Định lí 2.1.3, trong mục này chúng tôi

nghiên cứu bài toán ổn định hóa bằng điều khiển phản hồi đối với lớp hệ 2-D
dạng Roesser (2.1).
Xét hệ 2-D dạng Roesser (2.1). Một điều khiển phản hồi ổn định hóa hệ
(2.1) được thiết kế dạng
(2.13)

u(i, j) = Kx(i, j),

ở đó K ∈ Rm×n là ma trận đạt được của điều khiển và sẽ được thiết kế. Hệ đóng
của (2.1) với điều khiển (2.13) được cho bởi



xh (i + 1, j)



xv (i, j

+ 1)



xh (i, j)

 = Ac 
19

xv (i, j)

,

(2.14)


ở đó Ac = A + BK . Theo Định lí 2.1.3, hệ đóng (2.14) ổn định tiệm cận nếu tồn
tại P = diag(P h , P v ) ∈ S+
n thỏa mãn bất đẳng thức
(A + BK) P (A + BK) − P < 0.

(2.15)

Điều kiện (2.15) chưa khả dụng với bài toán thiết kế điều khiển bởi các số hạng
phi tuyến của biến ma trận P và K . Do đó ta cần chuyển tương đương (2.15) về
dạng điều kiện LMI để thiết kế ma trận đạt được K như trình bày trong định
lí sau đây.
Định lí 2.2.1. Xét hệ điều khiển (2.1). Giả sử rằng tồn tại các ma trận X =
m×n thỏa mãn điều kiện LMI sau đây:
diag(X h , X v ) ∈ S+
n và Z ∈ R




−X



XA + Z B

 < 0.

−X

AX + BZ

(2.16)

Khi đó hệ (2.1) là ổn định hóa được bằng điều khiển phản hồi (2.13), tức là hệ
đóng (2.14) là ổn định tiệm cận. Ma trận đạt được của điều khiển được cho bởi
K = ZX −1 .

(2.17)

Chứng minh. Đặt P = X −1 . Khi đó, (2.15) trở thành
(A + BK) X −1 (A + BK) − X −1 < 0.

(2.18)

Áp dụng Bổ đề Schur 1.3.2, điều kiện (2.18) tương đương với





−X −1

(A + BK)

(A + BK)

−X

 < 0.

Nhân trước và sau bất đẳng thức trên với diag(X, In ) ta được




−X

X(A + BK)

(A + BK)X

−X

 < 0.

Đổi biến Z = KX ta thu được (2.16). Do đó, theo Định lí 2.1.3, hệ đóng (2.14)
là ổn định tiệm cận nếu điều kiện (2.16) được thỏa mãn. Ma trận đạt được của

điều cho bởi K = ZX −1 như xác định ở (2.17). Định lí được chứng minh.
20


2.3.

Ví dụ minh họa
Xét hệ điều khiển (2.1) với các ma trận


0.8 −0.6
,
A=
0.5 1.2

 

1
B =  .
1

Rõ ràng
C(z1 , z2 ) =

1 − 0.8z1

0.6z1

−0.5z2

1 − 1.2z2

=0

có nghiệm (z1 , z2 ) ∈ U , chẳng hạn z1 = z2 = 1/1.26 ± 0.5099/1.26i. Do đó, theo
Định lí 2.1.2, hệ mở tương ứng (với u(i, j) = 0) không ổn định. Để minh họa,
chúng tôi lấy các dãy điều kiện đầu φh (j) = 1, φv (i) = −1, 0 ≤ i, j ≤ 10. Quỹ
đạo nghiệm tương ứng của hệ mở được cho trên Hình 2.1 dưới đây. Kết quả mô
phỏng đó chỉ ra rằng hệ mở là hệ không ổn định.
Bây giờ ta áp dụng Định lí 2.2.1 để thiết kế điều khiển phản hồi dạng
(2.13) ổn định hóa hệ (2.1). Có thể kiểm tra bằng gói công cụ LMI Toolbox
trong Matlab rằng điều kiện (2.16) thỏa mãn với


1.1047
0
,
X=
0
0.3978

Z = −0.6385 −0.2753 .

Ma trận đạt được của điều khiển khi đó được cho bởi
K = ZX −1 = −0.5779 −0.6921 .

(2.19)

Theo Định lí 2.2.1, hệ đóng (2.14) ổn định tiệm cận. Một quỹ đạo nghiệm của
hệ đóng với điều kiện đầu φh (k) = φv (k) = 1, 0 ≤ k ≤ 20, được cho trên Hình 2.2.

Kết quả mô phỏng trên Hình 2.2 minh họa cho tính ổn định của hệ đóng (2.14).
Điều này chứng tỏ tính hiệu quả của phương pháp thiết kế điều khiển trình bày
trong Định lí 2.2.1.

21


1500
1000

x h (i,j)

500
0
-500
-1000
0

30
20

10
10

20

i

30

0

j

(a) xh (i, j)

2000

x v (i,j)

1000
0

-1000
-2000
0

30
20

10

i

10

20
30

j

0

(b) xv (i, j)

Hình 2.1: Một quỹ đạo nghiệm của hệ mở

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2

Trong chương này chúng tôi nghiên cứu bài toán ổn định và ổn định hóa
bằng điều khiển phản hồi đối với lớp hệ 2-D dạng Roesser. Các kết quả chính
đã được trình bày bao gồm:
1. Dựa trên tiêu chuẩn ổn định dạng đa thức đặc trưng hai biến (Định lí 2.1.2)
22


1

x h (i,j)

0

-1

-2
50

50
30

j

30
10
0

0

i

10

(a) xh (i, j)

1

x v (i,j)

0.5

0

-0.5
50
50

30

30

j
10
0

0

10

i

(b) xv (i, j)

Hình 2.2: Một quỹ đạo nghiệm của hệ đóng (2.14)

chúng tôi xây dựng một điều kiện đủ cho tính ổn định dạng bất đẳng thức
ma trận tuyến tính (Định lí 2.1.3). Điều kiện này thuận lợi cho việc thiết
kế điều khiển giải bài toán ổn định hóa hệ 2-D dạng Roesser.
2. Dựa trên điều kiện ổn định xây dựng trong Định lí 2.1.3, một điều kiện
23