Đang tải... (xem toàn văn)
Điều khiển tách kênh hệ tuyến tính bằng phản hồi đầu ra theo nguyên lý tách
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Ngun http://www.Lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP --------------------------------------- LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TÁCH KÊNH HỆ TUYẾN TÍNH BẰNG PHẢN HỒI ĐẦU RA THEO NGUN LÝ TÁCH Ngành : TỰ ĐỘNG HỐ Mã số:23.04.3898 Học Viên: HỒNG ĐỨC QUỲNH Người HD Khoa học : PGS.TS. NGUYỄN DỖN PHƯỚC THÁI NGUN - 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.Lrc-tnu.edu.vn HOÀNG ĐỨC QUỲNH ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP --------------------------------------- LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT TỰ ĐỘNG HOÁ NGÀNH : TỰ ĐỘNG HOÁ ĐIỀU KHIỂN TÁCH KÊNH HỆ TUYẾN TÍNH BẰNG PHẢN HỒI ĐẦU RA THEO NGUYÊN LÝ TÁCH HOÀNG ĐỨC QUỲNH 2007 – 2009 Thái nguyên 2009 THÁI NGUYÊN 2009 Điều khiển tách kênh hệ tuyến tính bằng phản hồi đầu ra theo nguyên lý tách S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.Lrc-tnu.edu.vn Mc lc Li m u Mc lc 1 Chng 1. Tng quan v b iu khin tỏch kờnh 1.1 Ni dung bi toỏn iu khin tỏch kờnh . 3 1.2 Hai phng phỏp tỏch kờnh c bn . 4 Chng 2. iu khin tỏch kờnh trong min tn s v nhc im ca nú 2.1 Mụ hỡnh ma trn hm truyn 6 2.2 ỏnh giỏ s tng tỏc cỏc kờnh 11 Chng 3. iu khin tỏch kờnh bng phn hi trng thỏi 3.1 iu khin phn hi trng thỏi . 12 3.2 Thut toỏn tỡm cỏc b iu khin ca bi toỏn tỏch kờnh . 14 Chng 4. Quan sỏt trng thỏi 4.1 B quan sỏt Luenberger 25 4.1.1 Phõn tớch tớnh quan sỏt c . 25 4.1.1.1. Khỏi nim quan sỏt c v quan sỏt c hon ton . 25 4.1.1.2. Mt s kt lun chung v tớnh quan sỏt c ca h tuyn tớnh . 26 4.1.1.3. Tớnh i ngu v cỏc tiờu chun xột tớnh quan sỏt c ca h tham s hng . 32 4.1.2 B quan sỏt Luenberger . 35 4.1.2.1. Phng phỏp thit k 35 4.1.2.2. Cỏc phng phỏp khỏc nhau phc v bi toỏn thit k b iu khin phn hi trng thỏi gỏn im cc 38 a. Phng phỏp Ackermann 38 b. Phng phỏp Roppenecker 40 c. Phng phỏp Modal phn hi trng thỏi . 42 Điều khiển tách kênh hệ tuyến tính bằng phản hồi đầu ra theo nguyên lý tách S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.Lrc-tnu.edu.vn d. Bi toỏn iu khin phn hi trng thỏi ti u Thit k b iu khin LQR phn hi dng 50 4.2 Cỏc b quan sỏt trng thỏi tuyn tớnh khỏc . 58 4.2.1 B quan sỏt Kalman 58 4.2.2 B iu khin ti u phn hi u ra LQG . 61 4.3 Kt lun v cht lng h kớn: NGUYấN Lí TCH . 63 Chng 5. Nghiờn cu kh nng ghộp chung b iu khin phn hi trng thỏi tỏch kờnh vi b quan sỏt trng thỏi 5.1 Mụ phng h MIMO tuyn tớnh 2 u vo 2 u ra . 65 5.1.1 i tng th nht 65 5.1.2 i tng th hai 70 5.2 Mụ phng b iu khin tỏch kờnh cho i tng MIMO tuyn tớnh 75 5.2.1 i tng th nht 75 5.2.2 i tng th hai 83 5.3 Mụ phng b quan sỏt Luenberger cho i tng MIMO tuyn tớnh . 91 5.3.1 i tng th nht 91 5.3.2 i tng th hai 99 5.4 Nghiờn cu mụ phng kh nng ghộp chung b iu khin phn hi trng thỏi tỏch kờnh vi b quan sỏt trng thỏi 105 5.4.1 i tng th nht 105 5.4.2 i tng th hai 112 Kt lun . 119 Danh mc ti liu tham kho Danh mc cỏc hỡnh v, th s dng trong lun vn Túm tt lun vn Điều khiển tách kênh hệ tuyến tính bằng phản hồi đầu ra theo nguyên lý tách S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.Lrc-tnu.edu.vn LI M U iu khin h thng l bi toỏn can thip vo i tng iu khin hiu chnh, bin i sao cho nú cú cht lng mong mun. Kt qu ca bi toỏn iu khin cú th l mt tớn hiu iu khin thớch hp hoc mt b iu khin to tớn hiu iu khin thớch hp cho i tng. Cỏc b iu khin bao gm cỏc cu trỳc: iu khin h, iu khin phn hi trng thỏi, iu khin phn hi tớn hiu ra. Cú rt nhiu b iu khin c ng dng thnh cụng li ch dựng c cho h SISO (vớ d: b iu khin PID). s dng cỏc b iu khin ú cho h MIMO, ta phi can thip s b trc vo h MIMO, bin mt h thng MIMO thnh nhiu h SISO vi mi u ra ch ph thuc vo mt tớn hiu u vo. B iu khin phn hi trng thỏi cú kh nng gi c n nh cht lng mong mun cho i tng dự trong qỳa trỡnh iu khin luụn cú nhng tỏc ng nhiu. ng dng tt b iu khin trng thỏi trong vic iu khin h thng MIMO, cn s dng kt hp vi b Quan sỏt trng thỏi cú th ly chớnh xỏc v y nht cỏc thụng tin v cht lng ng hc ca i tng. Xut phỏt t nhng yờu cu cp thit phi nghiờn cu trờn, tỏc gi mun úng gúp mt phn nh vo vic nghiờn cu kh nng kt hp gia b quan sỏt trng thỏi vi b iu khin phn hi trng thỏi tỏch kờnh h MIMO tuyn tớnh cú c b iu khin tỏch kờnh phn hi u ra. c s hng dn ch bo ca thy PGS.TS Nguyn Doón Phc Trng b mụn iu khin t ng Trng i hc Bỏch Khoa H Ni tụi ó tin hnh nghiờn cu ti: IU KHIN TCH KấNH H TUYN TNH BNG PHN HI U RA THEO NGUYấN Lí TCH Điều khiển tách kênh hệ tuyến tính bằng phản hồi đầu ra theo nguyên lý tách S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.Lrc-tnu.edu.vn ti nghiờn cu thnh cụng s chng minh kh nng kt hp gia b quan sỏt trng thỏi vi b iu khin phn hi trng thỏi tỏch kờnh h M M tuyn tớnh. Núi cỏch khỏc, nú s chng minh c nguyờn lý tỏch cng ỳng trong iu khin tỏch kờnh. Da trờn lý thuyt c nghiờn cu ca ti s thit k c b iu khin cho mt s i tng tuyn tớnh trong thc t v hng ng dng kt qu nghiờn cu vo thit k b iu khin phn hi trng thỏi tỏch kờnh cho cỏc i tng tuyn tớnh trong cỏc h thng t ng iu khin quỏ trỡnh sn xut, c bit l vi cỏc quỏ trỡnh chng ct. Sau mt thi gian hc tp v nghiờn cu n nay bn lun vn ca tụi ó c hon thnh. Nhõn dp ny tụi xin chõn thnh cm n PGS.TS Nguyn Doón Phc - Thy giỏo hng dn trc tip, ngi ó a ra hng nghiờn cu tn tỡnh giỳp , ch bo v to mi iu kin thun li tụi hon thnh lun vn ny. Tụi xin cm n tt c cỏc thy cụ giỏo ó tham gia ging dy, giỳp tụi trong sut quỏ trỡnh hc tp, nõng cao trỡnh kin thc. Tụi xin gi li cm n n tt c bn bố, ng nghip v ngi thõn ó giỳp tụi trong sut quỏ trỡnh va qua. Vỡ iu kin v thi v kh nng ca bn thõn cú hn nờn bn lun vn ny khụng trỏnh khi nhng thiu sút. Tụi rt mong cỏc thy cụ cựng cỏc bn ng nghip gúp ý sa i, b xung thờm bn lun vn thờm hon thin. Điều khiển tách kênh hệ tuyến tính bằng phản hồi đầu ra theo nguyên lý tách S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.Lrc-tnu.edu.vn LI CAM OAN Tụi xin cam oan rng õy l cụng trỡnh nghiờn cu ca tụi, cú s h tr t Thy hng dn v nhng ngi tụi ó cm n. Cỏc ni dung nghiờn cu v kt qu trong ti ny l trung thc v cha tng c ai cụng b trong bt c cụng trỡnh no. Thỏi nguyờn, ngy 25 thỏng 07 nm 2009 Tỏc gi Hong c Qunh Điều khiển tách kênh hệ tuyến tính bằng phản hồi đầu ra theo nguyên lý tách CH-ơng 1: tổng quan về bộ điều khiển tách kênh Page: 3 S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.Lrc-tnu.edu.vn Chng 1 TNG QUAN V B IU KHIN TCH KấNH 1.1. Ni dung bi toỏn iu khin tỏch kờnh H thng iu khin nhiu chiu l h cú nhiu i lng iu chnh v nhiu i lng c iu chnh tc l cú nhiu i lng u vo v nhiu i lng u ra (MIMO). Cỏc i lng ny khụng c lp m liờn quan cht ch tỏc ng qua li ln nhau. Ch cn mt s thay i nh ca i lng no ú cng gõy ra s thay i ca i lng khỏc lm mt cõn bng h thng. Vỡ vy nú l h thng khú iu khin. Cú rt nhiu b iu khin c ng dng thnh cụng li ch dựng c cho h SISO, b iu khin PID l mt vớ d in hỡnh. Vỡ mong mun s dng cỏc b iu khin ú cho h MIMO, ngi ta ngh n vic can thip s b trc vo h MIMO, bin mt h thng MIMO thnh nhiu h SISO vi mi u ra yi (t) ch ph thuc vo mt tớn hiu u vo wi (t). Ta núi rng h thng ó c phõn ly, tớn hiu ra ca 1 kờnh bt bin vi tỏc ng iu khin ca cỏc kờnh khỏc. 1.2. Hai phng phỏp tỏch kờnh c bn u1 um y1 ym w1 wm y1 ym Điều khiển tách kênh hệ tuyến tính bằng phản hồi đầu ra theo nguyên lý tách CH-ơng 1: tổng quan về bộ điều khiển tách kênh Page: 4 S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.Lrc-tnu.edu.vn Phng phỏp 1: Phng phỏp Falb Wolovich Xột i tng MIMO tuyn tớnh cú m u vo u1, u2,um v cng cú m u ra y1, y2,,ym mụ t bi: xCyuBxAdtxd tỏch kờnh, ta phi xỏc nh cỏc b iu khin R v M nh hỡnh trờn mụ t, sao cho u ra yi(t) ch ph thuc vo mt tớn hiu u vo wi(t) vi i = 1,2, ., m. S ph thuc ú c mụ t trong min thi gian bi phng trỡnh vi phõn bc ri h s hng: a10 1 , 11 .iiiiirri i ii i i r irrdy d y d ya a bdt dt dt wi <=> riiridtyd + 10wirkiik i ikkdyabdt (1.1) Trong ú bi v aik, i = 1, 2, .,m; k = 0,1, .,ri 1 l cỏc tham s t do c chn tu ý theo cht lng t trc ca tng kờnh. Núi cỏch khỏc, nhim v thit k t ra õy l phi xỏc nh hai b iu khin tnh R v M vi nú h kớn cú ma trn truyn t dng ng chộo: M R w1 wm y1 ym x u w1 wm y1 ym Điều khiển tách kênh hệ tuyến tính bằng phản hồi đầu ra theo nguyên lý tách CH-ơng 1: tổng quan về bộ điều khiển tách kênh Page: 5 S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.Lrc-tnu.edu.vn G(s) = ( ) . 00 . ( )imGsGs Vi cỏc phn t Gi(s) l nhng hm truyn t: 10 1 , 1() .iiiiirri i i rbGsa a s a s s (1.2) cú cỏc h s bi v aik, i = 1, 2, .,m; k = 0,1, .,ri 1 cho trc, tng ng vi cht lng mong mun ca tng kờnh. Phng phỏp 2: Phng phỏp Smith - McMillan Phộp bin i Smith McMilan trỡnh by sau õy cho phộp thit k cỏc b iu khin nhm bin i mi ma trn truyn t S (s) ca i tng, khụng cn phi vuụng, tc l khụng cn phi cú gi thit i tng cú s tớn hiu vo bng s cỏc tớn hiu ra, v c dng: 1( ) 00 ( )()0000mGsGsGs hoc 1( ) 0 0 0()0 ( ) 0 0mGsGsGs iu ú núi rng mi h thng MIMO u cú th tỏch c kờnh. Phộp bin i Smith McMilan da vo vic thay i cỏc dũng hay ct ca ma trn bng nhng dũng, ct mi tng ng (phộp bin i tng ng) [...]... Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.Lrc-tnu.edu.vn Điều khiển tách kênh hệ tuyến tính bằng phản hồi đầu ra theo nguyên lý tách ChƯơng 3: Điều khiển tách kênh bằng phản hồi trạng thái Page: 25 S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.Lrc-tnu.edu.vn Điều khiển tách kênh hệ tuyến tính bằng phản hồi đầu ra theo nguyên lý tách Ch-ơng 4: Quan sát trạng thái Page: 25 Chng 4 QUAN ST TRNG... uk(t) v tớn hiu ra yi(t) Nú c xỏc nh theo cụng thc (3.4) nh sau: S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.Lrc-tnu.edu.vn Điều khiển tách kênh hệ tuyến tính bằng phản hồi đầu ra theo nguyên lý tách ChƯơng 3: Điều khiển tách kênh bằng phản hồi trạng thái Page: 20 Gik(s) = ciT(sI-A)-1bk trong ú ciT l vộct hng th i ca C v bk l vộct ct th k ca B u1 Hệ MISO H1 y1 um Hệ MISO H2 y2 Hệ MISO Hm ym... Nguyờn http://www.Lrc-tnu.edu.vn Điều khiển tách kênh hệ tuyến tính bằng phản hồi đầu ra theo nguyên lý tách ChƯơng 3: Điều khiển tách kênh bằng phản hồi trạng thái Page: 17 Sau õy ta s xột bi toỏn cho h MIMO cú m tớn hiu vo u1(t), , um(t) v m tớn hiu ra y1(t), , ym(t) vi mụ hỡnh trng thỏi dng hp thc cht: dx Ax Bu dt y Cx Ta vn dng nh lý 1.2 sau chng minh: nh lý 3.2 Xột h SISO tham s hng vi... http://www.Lrc-tnu.edu.vn Điều khiển tách kênh hệ tuyến tính bằng phản hồi đầu ra theo nguyên lý tách CH-ơng 2: Điều khiển tách kênh trong miền tần số và nh-ợc điểm của nó Page: 10 S P ( s) S ( s) ST ( s) G(s) Hình 2.1:Thiết kế bộ điều khiển tách kênh theo Smith - McMillan Nh vy phộp bin i Smith McMillan khụng cn cú gi thit S (s) phi l ma trn vuụng v cú E khụng suy bin Ma trn G (s) c to thnh l tng ng vi S (s) theo ngha:... Xem hệ MIMO nh- các hệ MISO nối song song với nhau dx Ax Bu Vit li h dt y Cx thnh m h MISO con (nhiu u vo, mt u ra) vi mụ hỡnh trng thỏi ca tng h con nh hỡnh 3.1 dx Ax Bu Hi: dt y cT x i i S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn (3.6) http://www.Lrc-tnu.edu.vn Điều khiển tách kênh hệ tuyến tính bằng phản hồi đầu ra theo nguyên lý tách ChƯơng 3: Điều khiển tách kênh bằng phản hồi. .. http://www.Lrc-tnu.edu.vn Điều khiển tách kênh hệ tuyến tính bằng phản hồi đầu ra theo nguyên lý tách ChƯơng 3: Điều khiển tách kênh bằng phản hồi trạng thái Page: 16 tng ng ca nú bng cụng thc sau: 0 khi 0 k r 2 T c Ak B 0 khi k r 1 cT 1 Ký hiu ci , i=1,2, , s l vộct hng th i ca ma trn C, tc l C = cT s thỡ bc tng i ti thiu ri cho kờnh th i s c xỏc nh theo nh lý sau: nh lý 3.1 Tng phn t ca... uj v yi m ji . bộ điều khiển tách kênh theo Smith - McMillan Điều khiển tách kênh hệ tuyến tính bằng phản hồi đầu ra theo nguyên lý tách CH-ơng 2: Điều khiển tách kênh. tác giữa các đầu ra. Điều khiển tách kênh hệ tuyến tính bằng phản hồi đầu ra theo nguyên lý tách ChƯơng 3: Điều khiển tách kênh bằng phản hồi trạng thái
