Thiết kế bộ điều khiển trên không gian trạng thái - Trịnh Hoàng Minh

UN
Uni24h
0 downloads
42
0

Document content

Page 1

Lý thuyết Điều khiển Tự động Thiết kế bộ điều khiển Trường Điện – Điện Tử Đại học Bách Khoa Hà Nội GV: TS. Trịnh Hoàng Minh Hà Nội, 10/2021

Page 2

Nội dung 1. Bộ điều khiển phản hồi trạng thái • Phương pháp gán điểm cực • Công thức Ackermann 2. Điều khiển phản hồi đầu ra dựa trên quan sát trạng thái • Bộ quan sát trạng thái Luenberger • Nguyên lý tách 3. Bộ điều khiển LQR 2

Page 4

Cấu trúc điều khiển • Điều khiển phản hồi trạng thái • Điều khiển phản hồi đầu ra 𝑤 𝑢 𝑥ሶ = 𝐴𝑥പ + 𝐵𝑢ഫ 𝑦 𝑤 𝑢 𝑥ሶ = 𝐴𝑥പ + 𝐵𝑢ഫ 𝑦 – 𝑦 = 𝐶𝑥പ + 𝐷𝑢ഫ 𝑦 = 𝐶𝑥പ + 𝐷𝑢ഫ – 𝑥 𝑅 𝑅 4

Page 5

Phương pháp gán điểm cực • Điều khiển phản hồi trạng thái gán điểm cực: 𝑥പሶ = 𝐴𝑥പ + 𝐵𝑢ഫ = 𝐴𝑥പ + 𝐵(𝑤ഫ − 𝑅𝑥പ) = (𝐴 − 𝐵𝑅)𝑥പ + 𝐵𝑤ഫ • Chọn các giá trị 𝑠𝑖, 𝑖 = 1,…,𝑛, từ yêu cầu chất lượng và tìm bộ điều khiển 𝑅 từ phương trình sau: det(𝑠𝐼 − 𝐴 + 𝐵𝑅) = (𝑠 − 𝑠1)(𝑠 − 𝑠2)⋯(𝑠 − 𝑠𝑛) 5

Page 6

Điều khiển phản hồi trạng thái gán điểm cực • Ví dụ 1: Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái gán điểm cực cho hệ sau với các điểm cực mới 𝑠1 = −1,𝑠2 = − 2,𝑠3 = −2: 𝑑𝑥പ 0 1 0 1 = 0 0 1 𝑥പ + 0 𝑢ഫ 𝑑𝑡 −1 −2 −2 1 6

Page 7

Điều khiển phản hồi trạng thái gán điểm cực • Ví dụ 1: Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái gán điểm cực cho hệ sau với các điểm cực mới 𝑠1 = −1,𝑠2 = − 2,𝑠3 = −2: 𝑑𝑥പ 0 1 0 1 = 0 0 1 𝑥പ + 0 𝑢ഫ 𝑑𝑡 −1 −2 −2 1 Ta cần thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái có dạng 𝑢 = −𝑅𝑥 + 𝑤, với 𝑅 = 𝑟1 𝑟2 𝑟3 để gán các điểm cực mới. Điều này có nghĩa là 𝑠 −1 + 𝑟2 0 det 𝑠𝐼 − 𝐴 + 𝑏𝑅 = det 𝑟 𝑠 + 𝑟 −1 + 𝑟 = (𝑠 + 2)(𝑠 + 1)2 1 2 3 2 + 𝑟1 2 + 𝑟2 𝑠 + 1 +𝑟3 ⟺ 𝑠3 + 2 +𝑟 +𝑟 𝑠2 + 2 +𝑟 +2𝑟 − 𝑟 𝑠 + 3𝑟 −𝑟 +1 = 𝑠3 + 5𝑠2 + 8𝑠 + 4 3 1 2 1 3 1 2 Từ đó tìm được: 𝑟1 = 2,𝑟2 = 3,𝑟3 = 1. 7

Page 8

Điều khiển phản hồi trạng thái gán điểm cực • Ví dụ 2: Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái gán điểm cực cho hệ sau với các điểm cực mới 𝑠1 = −1,𝑠2 = − 2,𝑠3 = −3: 𝑑𝑥പ 0 1 0 1 = 0 0 1 𝑥പ + 0 𝑢ഫ 𝑑𝑡 −1 −2 −2 1 Thực hiện với MATLAB: lệnh place(A, B, p) A = [0 1 0;0 0 1;-1 -2 -2]; B = [1; 0; 1]; C = [1 1 0]; D = 0; p = [-1 -2 -3]'; K = place(A, B, p) K = 3.0000 4.0000 1.0000 8

Page 9

Phương pháp Ackermann • Phương pháp thiết kế bộ điều khiển gán điểm cực 𝑅 theo nguyên lý phản hồi trạng thái cho đối tượng chỉ có một tín hiệu vào. • Xét đối tượng ở dạng chuẩn điều khiển 0 1 0 ⋯ 0 0 0 0 1 ⋯ 0 0 𝑥പሶ = ⋮ ⋮ ⋱ ⋱ ⋮ 𝑥പ + ⋮ 𝑢 0 0 ⋯ 0 1 0 −𝑎0 −𝑎1 −𝑎3 ⋯ −𝑎𝑛−1 1 có đa thức đặc tính: 𝜓 𝑠 = det 𝑠𝐼 − 𝐴 = 𝑎 + 𝑎 𝑠 + ⋯+ 𝑎 𝑠𝑛−1 + 𝑠𝑛 0 1 𝑛−1 với nghiệm là các điểm cực của đối tượng. • Các điểm cực mong muốn: 𝑠 = 𝑠𝑖,𝑖 = 1,…,𝑛. Đa thức đặc tính mong muốn: 𝜓 𝑠 = ൫𝑠 − 𝑠 )(𝑠 − 𝑠 )...(𝑠 − 𝑠 ) = 𝑎෤ + 𝑎෤ 𝑠+...+𝑎෤ 𝑠𝑛−1 + 𝑠𝑛 𝑑 1 2 𝑛 0 0 𝑛−1 9

Page 10

Phương pháp Ackermann • Với bộ điều khiển 𝑅 = [𝑟1,…,𝑟𝑛] hệ kín có mô hình: 𝑥പሶ = 𝐴 − 𝑏പ𝑅 𝑥പ + 𝑏പ𝑤 0 1 0 ⋯ 0 0 0 0 1 ⋯ 0 0 0 = ⋮ ⋮ ⋱ ⋱ ⋮ − ⋮ 𝑟 ⋯ 𝑟 𝑥പ + ⋮ 𝑤 1 𝑛 0 0 0 ⋯ 0 1 0 −𝑎 −𝑎 −𝑎 ⋯ −𝑎 1 1 0 1 2 𝑛−1 0 1 0 ⋯ 0 0 0 1 ⋯ 0 0 = ⋮ ⋮ ⋱ ⋱ ⋮ 𝑥പ + ⋮ 𝑤 0 0 ⋯ 0 1 0 −(𝑎 + 𝑟 ) −(𝑎 + 𝑟 ) −(𝑎 + 𝑟 ) ⋯ −(𝑎 + 𝑟 ) 1 0 1 1 2 2 3 𝑛−1 𝑛 với đa thức đặc tính: det 𝑠𝐼 − 𝐴 + 𝑏𝑅 = 𝑎 + 𝑟 + (𝑎 + 𝑟 )𝑠 + ⋯+ (𝑎 + 𝑟 )𝑠𝑛−1 + 𝑠𝑛 0 1 1 2 𝑛−1 𝑛 10

Page 11

Phương pháp Ackermann • Giải phương trình: ൫𝑎 + 𝑟 ) + (𝑎 + 𝑟 )𝑠 + ⋯+ (𝑎 + 𝑟 )𝑠𝑛−1 + 𝑠𝑛 = 𝑎෤ + 𝑎෤ 𝑠+...+𝑎෤ 𝑠𝑛−1 + 𝑠𝑛 0 1 1 2 𝑛−1 𝑛 0 1 𝑛−1 𝑟𝑖 = 𝑎෤𝑖−1 − 𝑎𝑖−1, 𝑖 = 1,...,𝑛. Suy ra: 11

Page 12

Phương pháp Ackermann • Các bước thiết kế theo Ackermann: 1. Tính các hệ số của đa thức đặc tính mong muốn: 𝜓 𝑠 = ൫𝑠 − 𝑠 )(𝑠 − 𝑠 )...(𝑠 − 𝑠 ) = 𝑎෤ + 𝑎෤ 𝑠+...+𝑎෤ 𝑠𝑛−1 + 𝑠𝑛 𝑑 1 2 𝑛 0 0 𝑛−1 2. Tính các phần tử của bộ điều khiển: 𝑟𝑖 = 𝑎෤𝑖−1 − 𝑎𝑖−1, 𝑖 = 1,...,𝑛 Cách gián tiếp: Chuyển MHTT về Để thiết kế theo phương mô hình hàm truyền rồi chuyển pháp Ackermann, ta cần đưa về dạng chuẩn điều khiển phương trình trạng thái của hệ về dạng chuẩn điều khiển. Cách trực tiếp? 12

Page 13

Phương pháp Ackermann • Nếu hệ là điều khiển được thì phép đổi biến 𝑧 = 𝑀𝑥 với: 𝜂പ⊤ 𝜂പ⊤𝐴 𝑀 = ⋮ 𝜂പ⊤𝐴𝑛−1 với 𝜂⊤ là vector hàng cuối cùng của ma trận 𝒞−1 = 𝑏,𝐴𝑏,…,𝐴𝑛−1𝑏 −1 sẽ chuyển nó về dạng chuẩn điều khiển 𝑧പሶ = 𝑀𝐴𝑀−1𝑧പ + 𝑀𝑏പ𝑢 0 1 0 ⋯ 0 0 0 0 1 ⋯ 0 0 = ⋮ ⋮ ⋱ ⋱ ⋮ 𝑧പ + ⋮ 𝑢 0 0 ⋯ 0 1 0 −𝑎0 −𝑎1 −𝑎2 ⋯ −𝑎𝑛−1 1 với 𝑎0,𝑎1,…,𝑎𝑛−1 là các hệ số của đa thức đặc tính: 𝜓 𝑠 = det 𝑠𝐼 − 𝐴 = 𝑎 + 𝑎 𝑠 + ⋯+ 𝑎 𝑠𝑛−1 + 𝑠𝑛 0 1 𝑛−1 13

Page 14

Phương pháp Ackermann • Sau khi chuyển hệ về dạng chuẩn điều khiển, ta thiết kế bộ điều khiển 𝑅𝑧 phản hồi trạng thái 𝑧 theo phương pháp Ackermann: 𝑅𝑧 = [𝑎෤0 − 𝑎0,𝑎෤1 − 𝑎1,…,𝑎෤𝑛−1 − 𝑎𝑛−1] • Bộ điều khiển phản hồi trạng thái 𝑥 cần tìm (công thức Ackermann): 𝑛−1 𝑅 = 𝑅 𝑀 = ෍ 𝑎෤ − 𝑎 𝜂⊤𝐴𝑘 = 0,…,0,1 𝒞−1 𝜓 − 𝜓 𝐴 𝑧 𝑘 𝑘 𝑑 𝑘=0 𝑧പሶ = 𝑀𝐴𝑀−1𝑧പ + 𝑀𝑏പ𝑢 𝑥പ = 𝑀−1𝑧പ 𝑢ഫ = 𝜔ഫ − 𝑅𝑧𝑧പ = 𝜔ഫ − 𝑅𝑧𝑀𝑥പ 14

Page 15

Phương pháp Ackermann • Ví dụ 3: Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái theo phương pháp Ackermann cho đối tượng: 0 1 0 0 𝑥പሶ = 0 −1 1 𝑥പ + 0 𝑢 0 0 −2 1 Bước 1: Chuyển hệ về dạng chuẩn điều khiển: 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 𝐴𝑏പ = 0 −1 1 0 = 1 , 𝐴2𝑏പ = 0 −1 1 1 = −3 0 0 −2 1 −2 0 0 −2 −2 4 0 0 1 −1 2 2 1 ⇒ 𝒞−1 = 𝑏പ,𝐴𝑏പ,𝐴2𝑏പ −1 = 0 1 −3 = 3 1 0 1 −2 4 1 0 0 0 1 0 𝜂പ⊤ = 1 0 0 ,𝜂പ⊤𝐴 = 1 0 0 0 −1 1 = 0 1 0 , 0 0 −2 0 1 0 𝜂പ⊤𝐴2 = 0 1 0 0 −1 1 = 0 −1 1 . 0 0 −2 15

Page 16

Phương pháp Ackermann • Ví dụ 3: Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái theo phương pháp Ackermann cho đối tượng: 0 1 0 0 𝑥പሶ = 0 −1 1 𝑥പ + 0 𝑢 0 0 −2 1 Bước 1: Chuyển hệ về dạng chuẩn điều khiển: 1 0 0 1 0 0 1 0 0 𝑀 = 0 1 0 , 𝑀−1 = 0 1 0 , và 𝑧പ = 𝑀𝑥പ = 0 1 0 𝑥പ 0 −1 1 0 1 1 0 −1 1 Dạng chuẩn điều khiển theo biến 𝑧 = 𝑀𝑥: 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 𝑀𝐴𝑀−1 = 0 1 0 0 −1 1 0 1 0 = 0 0 1 ,𝑀𝑏 = 0 1 0 0 = 0 0 −1 1 0 0 −2 0 1 1 0 −2 −3 0 −1 1 1 1 0 1 0 0 𝑧പሶ = 𝑀𝐴𝑀−1𝑧പ + 𝑀𝑏പ𝑢 = 0 0 1 𝑧പ + 0 𝑢 0 −2 −3 1 16

Page 17

Phương pháp Ackermann Bước 2: Thiết kế bộ điều khiển 𝑅𝑧 phản hồi trạng thái 𝑧 gán điểm cực. Với điểm cực mong muốn được chọn là 𝑠1 = 𝑠2 = 𝑠3 = −1 thì đa thức đặc tính mong muốn là: 𝑠 + 1 3 = 1 + 3𝑠 + 3𝑠2 + 𝑠3 ⇒ 𝑎෤ = 1, 𝑎෤ = 𝑎෤ = 3 0 1 2 𝑅𝑧 = 𝑎෤0 − 𝑎0,𝑎෤1 − 𝑎1,𝑎෤2 − 𝑎2 = 1 − 0, 3 − 2, 3 − 3 = [1, 1, 0] Suy ra: Bước 3: Bộ điều khiển 𝑅 phản hồi trạng thái 𝑥 cần tìm là: 1 0 0 𝑅 = 𝑅𝑧𝑀 = 1 1 0 0 1 0 = 1 1 0 0 −1 1 Kiểm tra lại (công thức Ackermann): 𝑅 = 0,…,0,1 𝒞−1 1.𝐴0 + 1.𝐴1 + 0.𝐴2 0 0 1 −1 0 1 0 = 0,…,0,1 0 1 −3 𝐼3 + 0 −1 1 = 1 1 0 1 −2 4 0 0 −2 17

Page 18

Phương pháp Ackermann • Ví dụ 4: Thiết kế bộ điều khiển A = [0 1 0;0 -1 1;0 0 -2]; theo phương pháp Ackermann với B = [0;0;1]; MATLAB: lệnh acker C = [1 1 0]; D = 0; 0 1 0 0 p = [-1 -1 -1]; %điểm cực mong muốn 𝑥പሶ = 0 −1 1 𝑥പ + 0 𝑢 R = acker(A,b,p) R = 0 0 −2 1 1 1 0 𝑦 = 1 1 0 𝑥പ % Biểu diễn quỹ đạo hệ kín khi w = 0 Ak = A – B*R; % ma trận A của hệ kín t = 0:.02:8; % thời gian mô phỏng w = zeros(1,length(t)); % w(t) = 0 x0 = [1,1,-1]'; % điều kiện đầu x(0) [y,x] = lsim(Ak, B, C, D, w, t, x0); subplot(2,2,1) plot(t, x(:,1)),title('x_1(t)'),grid on subplot(2,2,2) plot(t, x(:,2)),title('x_2(t)'),grid on subplot(2,2,3) plot(t, x(:,3)),title('x_3(t)'),grid on subplot(2,2,4) plot(t, y),title('y(t)'),grid on 18

Page 20

Bộ quan sát Luenberger David G. Luenberger (1937 - ) • Xét đối tượng với MHTT: 𝑥പሶ = 𝐴𝑥പ + 𝐵𝑢ഫ 𝑦പ = 𝐶𝑥പ + 𝐷𝑢ഫ • Ý tưởng: sử dụng khâu có mô hình Cấu trúc điều khiển phản hồi khi không có được hoàn toàn các biến trạng thái 𝑥പ෤ሶ = 𝐴𝑥പ෤ + 𝐵𝑢ഫ + 𝐿(𝑦പ − 𝑦പ෤൯ 𝑦പ෤ = 𝐶𝑥പ෤ + 𝐷𝑢ഫ làm bộ quan sát để có được xấp xỉ 𝑥പ෤ = 𝑥പ sau một khoảng thời gian 𝑇 đủ ngắn ‖𝑒പ(𝑡)‖ = ‖𝑥പ෤ − 𝑥പ‖ ≈ 0, khi 𝑡 ≥ 𝑇. 𝑙1 Chú ý: Với hệ SISO thì 𝐿 = ⋮ Điều khiển phản hồi đầu ra dựa trên bộ quan sát trạng thái Luenberger 𝑙𝑛 20

Showing the first 20 pages. Download the document to see it all.

Comments (0)

Sign in to join the discussion

No comments yet. Be the first!