Thư viện tri thức trực tuyến
Kho tài liệu với 50,000+ tài liệu học thuật
© 2023 Siêu thị PDF - Kho tài liệu học thuật hàng đầu Việt Nam
Khảo sát khả năng điều khiển tách kênh thích nghi đối tượng Mimo tuyến tính bằng phản hồi đầu ra thao nguyên lý tách
Nội dung xem thử
Mô tả chi tiết
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
0
1
0
2
–
8
0
0
2
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
- : -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] PGS-TS Nguyễn Thị Phương Hà, Lý thuyết điều khiển hiện đại,
Nhà xuất bản Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh, 2007.
[2] PGS-TS Nguyễn Thương Ngô, Lý thuyết điều khiển tự động
thông thường và hiện đại, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, 2006.
[3] PGS-TS Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển tuyến tính,
Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, 2009.
[4] PGS-TS Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển nâng cao,
Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, 2007.
[5] PGS-TSKH Nguyễn Phùng Quang, Matlab và Simulink dành cho
kỹ sư điều khiển tự động. Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, 2006.