TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA TOÁN VŨ THỊ MAI HƯƠNG PHƯƠNG PHÁP CHẶT CÂN BẰNG CHO HỆ ĐỘNG LỰC RỜI RẠC KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Toán ứng dụng Người hướng dẫn khoa học TS HÀ BÌNH MINH HÀ NỘI - 2013 Lời cảm ơn Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy HÀ BÌNH MINH - Người thầy trực tiếp tận tình hướng dẫn giúp đỡ em hoàn thành khóa luận Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới anh PHẠM VĂN DUẨN, người tận tình giúp đỡ bảo hướng dẫn em trình gõ Tex hoàn thành khóa luận Anh người cung cấp thêm tư liệu kiến thức giúp em giải đáp điều chưa hiểu Đồng thời em xin chân thành cảm ơn tới thầy cô tổ Toán ứng dụng thầy cô khoa Toán - Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, Ban chủ nhiệm khoa Toán tạo điều kiện cho em hoàn thành tốt khóa luận Trong khuôn khổ có hạn khóa luận, điều kiện thời gian, trình độ có hạn lần nghiên cứu khoa học không tránh khỏi hạn chế, thiếu sót định Vì vậy, em kính mong nhận góp ý thầy cô bạn En xin chân thành cảm ơn! Lời cam đoan Khóa luận kết thân em trình học tập nghiên cứu Bên cạnh em quan tâm thầy cô giáo khoa Toán, đặc biệt hướng dẫn tận tình Tiến sĩ HÀ BÌNH MINH Trong nghiên cứu hoàn thành khóa luận em tham khảo số tài liệu ghi phần tài liệu tham khảo Em xin khẳng định kết đề tài " Phương pháp chặt cân cho hệ động lực rời rạc" trùng lặp với kết đề tài khác Mục lục Chương 1: Hệ động lực tuyến tính rời rạc 1.1 Hệ động lực tuyến tính rời rạc 1.2 Hàm truyền 1.2.1 Phép biến đổi z 1.2.2 Hàm truyền 1.2.3 Một số phép toán với ma trận hàm truyền 1.3 Tính điều khiển được, quan sát biểu diễn tối thiểu hệ động lực tuyến tính, rời rạc, bất biến 1.3.1 Tính điều khiển 1.3.2 Tính quan sát 1.3.3 Biểu diễn tối thiểu 3 10 Chương 2: Tính ổn định hệ động lực tuyến tính rời rạc 13 2.1 Tính ổn định hệ động lực tuyến tính rời rạc 13 2.2 Phương trình Lyapunov 15 2.3 Ma trận Grammian điều khiển, Grammian quan sát 16 Chương 3: Mô hình rút gọn phương pháp chặt cân 20 3.1 Biểu diễn cân 20 3.2 Mô hình rút gọn phương pháp chặt cân 25 Tài liệu tham khảo 31 Mở đầu Lý chọn đề tài Điều khiển toán có ý nghĩa ứng dụng quan trọng đời sống, đặc biệt lĩnh vực điện tử, viễn thông xử lý tín hiệu nói riêng Các vấn đề lĩnh vực thường mô hình hóa mô hình toán học Có nhiều vấn đề cần nghiên cứu lĩnh vực điều khiển Một số vấn đề có tính chất kinh điển toán điều khiển Nó có ứng dụng rộng rãi ngành toán ứng dụng, nên từ trước đến nay, đề tài mà nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Để hiểu rõ toán em chọn đề tài “Phương pháp chặt cân cho hệ động lực rời rạc” để làm đề tài nghiên cứu cho khóa luận tốt nghiệp Khái quát nội dung phạm vi nghiên cứu Bài toán điều khiển tuyến tính phần tảng quan trọng lý thuyết điều khiển nói chung: phát triển khái niệm điều khiển nâng cao có gợi ý tư tưởng từ lý thuyết điều khiển tuyến tính Khóa luận em trình bày phương pháp chặt cân cho hệ động lực rời rạc Nội dung bao gồm phần sau: • Chương 1: Hệ động lực tuyến tính rời rạc • Chương 2: Tính ổn định hệ động lực rời rạc tuyến tính • Chương 3: Mô hình rút gọn phương pháp chặt cân Mục đích- Yêu cầu • Đây dịp để tập dượt nghiên cứu (với định hướng giáo viên hướng dẫn) nội dung khoa học • Nắm bắt nội dung lý thuyết (Các khái niệm, tính chất, toán đặt ra, số ứng dụng, ) • Biết cách thể hiểu biết Đối tượng nghiên cứu Phương pháp chặt cân cho hệ động lực rời rạc kiến thức liên quan Nội dung Tên đề tài Phương pháp chặt cân cho hệ động lực tuyến tính rời rạc Kết cấu nội dung Gồm chương: • Chương 1: Hệ động lực tuyến tính rời rạc - Hệ động lực tuyến tính rời rạc - Các khái niệm hàm truyền - Tính điều khiển được, quan sát biểu diễn tối thiểu hệ rời rạc • Chương 2: Tính ổn định hệ động lực tuyến tính rời rạc - Tính ổn định - Phương trình Lyapunov - Ma trận Grammian điều khiển, Grammian quan sát • Chương 3: Mô hình rút gọn phương pháp chặt cân - Biểu diễn cân - Mô hình rút gọn phương pháp chặt cân Phương pháp nghiên cứu • Thu thập, tra cứu, phân tích tài liệu • Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết điều khiển • Phương pháp quan sát, đọc sách Chương Hệ động lực tuyến tính rời rạc 1.1 Hệ động lực tuyến tính rời rạc Định nghĩa 1.1.1 Một hệ động lực tuyến tính rời rạc bất biến biểu diễn qua hệ sau: xk+1 = Axk + Buk , (1.1) yk = Cxk + Duk (1.2) đó: Phương trình (1.1) (1.2) gọi phương trình trạng thái xk vectơ thực n chiều gọi vectơ trạng thái hệ uk vectơ thực m chiều gọi vectơ đầu vào yk vectơ thực r chiều gọi vectơ đầu vectơ x0 trạng thái ban đầu hệ, thành phần xk biến trạng thái Các ma trận A, B , C , D ma trận thực có kích thước tương ứng n × n, n × m, r × n, r × m Định lý 1.1.2 Hệ động lực tuyến tính rời rạc bất biến (1.1) (1.2) có Vũ Thị Mai Hương - Toán K35-CN CHƯƠNG HỆ ĐỘNG LỰC TUYẾN TÍNH RỜI RẠC nghiệm: k−1 k Ak−1−i, xk = A x0 + (1.3) i=0 k−1 yk = CAk x0 + CAk−i−1Bui + Duk (1.4) i=0 Chứng minh Từ: xk+1 = Axk + Buk Ta có: xk = A[Axk−2 + Buk−2] + Buk−1, = A2xk−2 + ABuk−2 + Buk−1, = A2[Axk−3 + Buk−3] + ABuk−2 + Buk−1, k−1 k Ak−1−iBui = A x0 + i=0 Thay k−1 k Ak−1−iBui xk = A x0 + i=0 vào (1.2) ta có (1.4) Ví dụ 1.1.3 Xét hệ động lực tuyến tính rời rạc cho phương trình: xk+1 = 3xk + 4uk , x0 = 2, yk = 5xk + 6uk Tính x3 y3 : Vũ Thị Mai Hương - Toán K35-CN CHƯƠNG HỆ ĐỘNG LỰC TUYẾN TÍNH RỜI RẠC Ta có: x3 = [3x2 + 4u2] = 32x1 + 3.4u1 + 4u2 33−1−i4ui = x0 + i=0 Thế x3 ta được: 5.33−i−14ui + 6u3 y3 = 5.3 x0 + i=0 1.2 1.2.1 Hàm truyền Phép biến đổi z Định nghĩa 1.2.1 Biến đổi z hai phía dãy x(n) định nghĩa sau: ∞ X(z) = x(n)z −n n=−∞ Chú ý: Ta có biến đổi z phía thay đổi cận n chạy từ đến ∞ : ∞ X(z) = x(n)z −n n=0 Ký hiệu toán tử: ZT [x(n) = X(z)] x(n) −→ X(z) Vùng hội tụ biến đổi z (ROC) Vũ Thị Mai Hương - Toán K35-CN CHƯƠNG TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA HỆ ĐỘNG LỰC TUYẾN TÍNH RỜI RẠC đối xứng xác định dương (A, B) điều khiển Chứng minh Điều kiện cần: Giả sử (A, B) điều khiển được A ổn định, ta chứng minh CG xác định dương Do A ổn định nên phương trình (2.7) có nghiệm cho bởi: CG = ∞ Ak BB T (AT )k k=0 Nếu CG không xác định dương tồn x = cho xT CG x = Điều tương đương ∞ BAk x = k=0 Suy ra: BAk x = 0, ∀k Do đó: CG x = Do (A, B) điều khiển nên rank(CG ) = n , nên điều vô lý Vậy CG xác định dương Điều kiện đủ: Giả sử A ma trận ổn định, CG xác định dương nghiệm (2.7), ta chứng minh (A, B) điều khiển Giả thiết phản chứng: (A, B) không điều khiển tồn vectơ riêng x A choBx = Cho λ trị riêng tương ứng vectơ riêng x Từ phương trình: CG − ACG AT = BB T Ta có: xCGxT − xACG AT xT = xBB T xT ¯ T = Bx = xCGxT − λxCG λx T ¯ (1 − λλ)x CG x = ¯ = 0, xT CG x = Do A ổn định nên − λλ Điều trái với giả thiết CG ma trận xác định dương Vậy (A, B) quan sát Định lý 2.3.3 Cho A ma trận rời rạc ổn định Grammian quan 17 Vũ Thị Mai Hương - Toán K35-CN CHƯƠNG TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA HỆ ĐỘNG LỰC TUYẾN TÍNH RỜI RẠC sát CG thỏa mãn phương trình Lyapunov rời rạc OG − AT OG A = C T C (2.8) đối xứng xác định dương (A, C) quan sát Chứng minh Điều kiện cần: Giả sử (A, C) quan sát A ổn định, ta chứng minh OG xác định dương Do A ổn định nên phương trình (2.8) có nghiệm cho bởi: OG = ∞ (AT )k C T CAk k=0 Nếu OG không xác định dương tồn x = cho xT OG x = Điều tương đương ∞ CAk x = k=0 Suy ra: CAk x = 0, ∀k Do đó: OG x = Do (A, C) quan sát nên rank(OG ) = n , nên điều vô lý Vậy OG xác định dương Điều kiện đủ: Giả sử A ma trận ổn định, OG xác định dương nghiệm (2.8), ta chứng minh (A, C) quan sát Giả thiết phản chứng: (A, C) không quan sát tồn vectơ riêng x A choCx = Cho λ trị riêng tương ứng vectơ riêng x Từ phương trình: OG − AT OG A = C T C Ta có: xT OG x − xT AT OG Ax = xT C T Cx ¯ T OG λx Cx = xT OG x − λx T ¯ (1 − λλ)x OG x = ¯ = 0, xT OG x = Do A ổn định nên − λλ 18 Vũ Thị Mai Hương - Toán K35-CN CHƯƠNG TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA HỆ ĐỘNG LỰC TUYẾN TÍNH RỜI RẠC Điều trái với giả thiết OG ma trận xác định dương Vậy (A, C) quan sát 19 Vũ Thị Mai Hương - Toán K35-CN Chương Mô hình rút gọn phương pháp chặt cân 3.1 Biểu diễn cân Định nghĩa 3.1.1 Cho(A, B, C, D) biểu diễn tối thiểu G(z) Nếu CG = OG = Σ = diag(σ1 , , σn) (A, B, C, D) gọi biểu diễn cân G Với CG , OG tương ứng ma trận Grammian điều khiển, Grammian quan sát, σ1 ≥ · · · ≥ σn > 0, σi trị riêng Hankel Định lý 3.1.2 Nếu (A, B, C, D) biểu diễn tối thiểu G(z) tồn ma trận T không suy biến cho: (A, B, C, D) = (T −1AT, T −1B, CT, D) biểu diễn cân G(z) Chứng minh Do (A, B, C, D) biểu diễn tối thiểu nên (A, C) quan sát (A, B) điều khiển Do tồn ma trận đối xứng xác định dương CG , OG tương ứng nghiệm phương trình Lyapunov: 20 Vũ Thị Mai Hương - Toán K35-CN CHƯƠNG MÔ HÌNH RÚT GỌN BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHẶT CÂN BẰNG (3.1) CG − ACG AT = BB T , (3.2) OG − AT OG A = CC T Theo phân hoạch Cholesky, tồn Lc , Lo cho: CG = Lc LTc , OG = Lo LTo Phân hoạch SVD LTo Lc bởi: LTo Lc = U ΣV T với U , V ma trận trực giao Σ = diag(G1 , , Gn) Đặt: T = LcV Σ− ta có: CG = T −1CG T −T 1 T −T = Σ V −T L−1 c Lc Lc Lc V Σ = Σ OG = T T OG T 1 = Σ− V T LTc Lo LTo Lc V Σ− 1 = Σ− V T V ΣU T U ΣV T V Σ− = Σ Nhân (3.1) với T −1 bên trái T −T bên phải, ta có: T −1CG T −T − T −1ACG AT T −T = T −1BB T T −T Σ − T −1AT T −1CG T −T T AT T −T = T −1BB T T −T Σ − AΣAT = B B T Tương tự với (3.2) ta có: Σ − AT ΣA = C T C 21 Vũ Thị Mai Hương - Toán K35-CN CHƯƠNG MÔ HÌNH RÚT GỌN BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHẶT CÂN BẰNG Vậy (A, B, C, D) = (T −1AT, T −1B, CT, D) với T = Lc V Σ− biểu diễn cân G(z) Thuật toán đưa biểu diễn tối thiểu hệ động lực tuyến tính rời rạc biểu diễn cân trình bày sau Thuật toán 1: Đầu vào: A: ma trận trạng thái n × n B : ma trận đầu vào n × m C : ma trận đầu r × n Đầu ra: T : ma trận không suy biến n.n A, B, C : ma trận biểu diễn cân bằng: A = T −1AT, B = T −1B, C = CT Giả sử: (A, B) điều khiển được, (A, C) quan sát A ổn định Kết quả: T −1 CG T −T = T T OG T = Σ, ma trận đường chéo với giá trị đường chéo dương Bước 1: Tính CG OG cách giải phương trình Lyapunov: CG − ACG AT = BB T , OG − AT OG A = CC T (3.3) (3.4) Bước 2: Tìm nhân tử Cholesky Lc L0 CG OG CG = Lc LTc , (3.5) OG = Lo LTo (3.6) Bước 3: Tìm giá trị suy biến ma trận LTo Lc : LTo Lc = U ΣV T 22 Vũ Thị Mai Hương - Toán K35-CN CHƯƠNG MÔ HÌNH RÚT GỌN BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHẶT CÂN BẰNG 1 1 Bước 4: Tính Σ− = diag √ , √ , · · · , √ σ1 σ2 σn đó: Σ = diag(σ1 , σ2, · · · , σn) Bước 5: Dạng T = LC V Σ− Bước 6: Tính ma trận biểu diễn cân bằng: A = T −1AT, B = T −1B, C= CT Ví dụ 3.1.3 Xét mô hình không gian trạng thái (A, B, C) cho bởi:     0, 0010 1     A= 0, 1200  , B = 1  , C = 1 0 −0, 1000 Bước 1: Tính CG OG :  6, 0507  CG = 3, 2769 0, 8101   OG = 1, 0011 1, 0019 3, 2769 2, 2558 0, 8883 1, 0011 2, 2730 3, 2548  0, 8101  0, 8883 , 1, 0101  1, 0019  3, 2548 5, 4787 Bước 2: Nhân tử Cholesky CG OG là:   2, 4598 0   Lc = 1, 3322 0, 6936 , 0, 3293 0, 6482 0, 6939 23 Vũ Thị Mai Hương - Toán K35-CN CHƯƠNG MÔ HÌNH RÚT GỌN BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHẶT CÂN BẰNG  0   Lo = 1, 0011 1, 1273  1, 0019 1, 9975 0, 6963  Bước 3: Phân tích giá trị suy biến củaLTo Lc : [U, Σ, V ] = SV D(LTo Lc ) Cho Σ = diag 5, 3574 1, 4007 0, 1238 ,   Bước 4: 0, 8598 −0, 5055 0, 0725   V = 0, 4368 0, 6545 −0, 6171 0, 2645 0, 5623 0, 7835 Σ− = diag 2, 3146 1, 1835 0, 3519 Bước 5: Ma trận biến đổi: T = Lc V Σ−  0, 9137 −1, 0506 0, 5068   = 0, 6257 −0, 1854 −0, 9419 0, 3240 0, 5475 0, 4759  Bước 6: Ma trận cân là:   0, 5549 0, 4098 0, 0257   A = T −1AT = −0, 4098 −0, 1140 0, 2629  , 0, 0257 −0, 2629 −0, 4199   1, 8634   B = T −1B = 0, 6885 , 0, 0408 C = CT = 1, 8634 −0, 6885 0, 0408 24 Vũ Thị Mai Hương - Toán K35-CN CHƯƠNG MÔ HÌNH RÚT GỌN BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHẶT CÂN BẰNG Thử lại: T −1CG T −T = T T OG T = Σ = diag 5, 3574 1, 4007 0, 1238 3.2 Mô hình rút gọn phương pháp chặt cân Định lý 3.2.1 Cho (A, B, C, D) biểu diễn cân G(z), A, B , C , Σ phân hoạch dạng: A= Ar A12 Br Σr ,B = , C = Cr C2 , Σ = A21 A22 B2 Σ2 (3.7) hệ A r Br Cr Dr Gr (z) = hệ rút gọn bậc r G(z) ta có: a, (Ar , Br , Cr , D) biểu diễn cân Gr (z) b, ||(G(z) − Gr (z))|| 2(σr+1 + · · · + σn) Chứng minh a, Do (A, B, C, D) biểu diễn cân nên thỏa mãn: (3.8) Σ − AΣAT = BB T , (3.9) Σ − AT ΣA = C T C Thay (3.7) vào (3.8), ta có: Ar A12 Σr − Σ2 A21 A22 Σr 0 Σ2 Ar A21 Br = A12 A22 B2 Br B2 Suy ra: Σr − Ar ΣATr = Br BrT Tương tự, thay (3.7) vào (3.9), ta có: Σr − ATr ΣAr = CrT Cr Vậy (Ar , Br , Cr , D) biểu diễn cân Gr (z) b, 25 Vũ Thị Mai Hương - Toán K35-CN CHƯƠNG MÔ HÌNH RÚT GỌN BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHẶT CÂN BẰNG Giả sử φ(z) = (zI − Ar )−1, ψ(z) = zI − A22 − A21φ(z)A12, ¯ = A21φ(z)Br + B2 , B ¯ C(z) = Cr φ(z)B12 + C2 thì: G(z) − Gr (z) = C(zI − A)−1B − Cr φ(z)Br , zI − Ar −A12 = Cr C2 −A21 zI − A22 −1 ¯ ¯ = C(z)φ (z)B(z) −1 Br B2 − CR φ(z)Br Cho z = jw, ta có: −∗ ¯ ¯ ¯ ¯ σmax [G(jw) − Gr (jw)] = λmax [φ−1(jw)B(jw) B∗(jw)φ (jw)C∗(jw) C(jw)] (3.10) Trong đó: σmax (M) giá trị riêng lớn ma trận M Ta có Σ2 = diag(σr+1 , , σn) Σ2 thỏa mãn: A22Σ2 + Σ2AT22 + B2 B2T = ta được: ¯ ¯ B(jw) B∗(jw) = φ( jw)Σ2 + Σ2φ∗ (jw) Tương tự, Σ2 thỏa mãn: Σ2A22 + AT22Σ2 + C2T C2 = ta được: ¯ ¯ C∗(jw) C(jw) = Σ2 φ(jw) + φ∗ (jw)Σ2 26 Vũ Thị Mai Hương - Toán K35-CN CHƯƠNG MÔ HÌNH RÚT GỌN BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHẶT CÂN BẰNG ¯ ¯ ¯ ¯ Thế biểu thức B(jw) B∗(jw) C∗(jw) C(jw) vào (3.10) ta được: σmax [G(jw)−Gr (jw)] = λmax {[Σ2 + φ−1 (jw)Σ2φ∗ (jw)][Σ2 + φ−∗(jw)Σ2φ(jw)]} d = n − Σ2 = σ2 , ta có: σmax [G(jw) − Gr (jw)] = σn {[1 + θ(jw)][λ + θ(jw)]} Trong đó:θ = φ−∗ (jw)φ(jw) θ−∗ = θ vô hướng, |θ(jw)| = Dùng bất đẳng thức tam giác ta có: σmax [G(jw) − Gr (jw)] ≤ σn [1 + |θ(jw)|] = 2σn Vậy ta có điều phải chứng minh Thuật toán 2: Mô hình rút gọn phương pháp chặt cụt cân Đầu vào: Cho hệ ma trận A, B , C Đầu ra: Mô hình rút gọn với ma trận AR , BR CR Giả sử A ma trận ổn định Bước 1: Tìm biểu diễn cân từ thuật toán Bước 2: Chọn q bậc mô hình rút gọn Bước 3: Biểu diễn cân có dạng: Ar A12 Br A= ,B= , C = Cr C2 A21 A22 B2 Ví dụ 3.2.2 Xét lại ví dụ 3.1.3 Cho mô hình không gian trạng thái (A, B, C) cho bởi:     0, 0010 1     A= 0, 1200  , B = 1  , C = 1 0 −0, 1000 27 Vũ Thị Mai Hương - Toán K35-CN CHƯƠNG MÔ HÌNH RÚT GỌN BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHẶT CÂN BẰNG Lấy kết ví dụ 3.1.3 ta có ma trận cân là:   0, 5549 0, 4098 0, 0257   A = T −1AT = −0, 4098 −0, 1140 0, 2629  , 0, 0257 −0, 2629 −0, 4199   1, 8634   B = T −1B = 0, 6885 , 0, 0408 C = CT = 1, 8634 −0, 6885 0, 0408 0, 5549 0, 4098 −0, 4098 −0, 1140 Giá trị riêng AR là: 0, 2204 + 0, 2368i 0, 2204 − 0, 2368i Do AR ổn định 1, 8634 , CR = 1, 8602 −0, 6885 Ma trận BR , CR là: BR = 0, 6885 Chọn q = 2, AR = 2×2 ma trận A AR = 28 Vũ Thị Mai Hương - Toán K35-CN Kết luận Sau nghiên cứu :” Phương pháp chặt cân cho hệ động lực rời rạc” em rút kết luận sau: Những kết làm được: Ngoài nỗ lực học hỏi tìm tòi thân, đề tài em hoàn thành giúp đỡ, hướng dẫn bảo tận tình Thầy giáo HÀ BÌNH MINH ý kiến đóng góp thầy cô khoa Toán bạn sinh viên Luận văn đạt mục đích đề Cụ thể sau: • Trong luận văn em trình bày sở lý thuyết, chứng minh định lý, đưa ví dụ minh họa toán điều khiển hệ động lực tuyến tính rời rạc • Đưa tiêu chuẩn Klman để kiểm tra tính điều khiển tính quan sát toán • Được học hỏi sử dụng phần mềm Matlab để tính toán: Tính giá trị riêng ma trận, nhân ma trận, tính hạng ma trận, để kiểm tra tính điều khiển được, tính quan sát được, tính ổn định cách đơn giản nhanh • Thông qua trình thực luận văn em hiểu sâu toán điều khiển, hệ tuyến tính thời gian liên tục, tính quan sát được, tính điều khiển được, tính ổn định toán Biết vận dụng chúng để lấy ví dụ làm tập Ngoài giúp em củng cố lại kiến thức ma trận: hạng 29 Vũ Thị Mai Hương - Toán K35-CN CHƯƠNG MÔ HÌNH RÚT GỌN BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHẶT CÂN BẰNG ma trận, giá trị riêng, mà em học • Đặc biệt, sau nghiên cứu đề tài em biết ứng dụng toán điều khiển thực tế quan trọng Đây toán can thiệp vào đối tượng điều khiển để hiệu chỉnh, để biến đổi cho có chất lượng mong muốn Nó áp dụng rộng rãi phổ biến thực tiễn Những mặt hạn chế chưa làm được: Mặc dù em có nhiều cố gắng, song nhiều hạn chế thời gian kiến thức nên khóa luận không tránh khỏi thiếu sót Em kính mong thầy cô bạn đọc đóng góp ý kiến để khóa luận hoàn thiện tốt Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, Ngày 15 tháng năm 2013 Sinh viên VŨ THỊ MAI HƯƠNG 30 Vũ Thị Mai Hương - Toán K35-CN Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết Điều khiển tuyến tính, NXB Khoa học Kỹ thuật, 1997 [2] Biswa Nath Datta, Numerrical Methods for Linear Control Systems, Elsevier Academic Press,2004 31 Vũ Thị Mai Hương - Toán K35-CN [...]... CHƯƠNG 1 HỆ ĐỘNG LỰC TUYẾN TÍNH RỜI RẠC được của biểu diễn (A0 , B0 , C0 , D0 ) Mặt khác: rank (OM CM ) = n và rank (O0M C0M ) = n0 < n Điều này là mâu thuẫn, vì rank (OM CM ) = rank (O0M C0M ) Vậy ta có điều phải chứng minh 12 Vũ Thị Mai Hương - Toán K35-CN Chương 2 Tính ổn định của hệ động lực tuyến tính rời rạc 2.1 Tính ổn định của hệ động lực tuyến tính rời rạc Định nghĩa 2.1.1 Trạng thái cân bằng. .. động lực tuyến tính, rời rạc, bất biến 1.3.1 Tính điều khiển được Định nghĩa 1.3.1 Hệ động lực tuyến tính rời rạc (1.1) và (1.2) được gọi là điều khiển được nếu cho bất kỳ hai trạng thái x0 , x1 luôn tồn tại một chuỗi hữu hạn của đầu vào {u0 , u1 , , uN −1} chuyển từ x0 tới x1 , sao cho xN = x1 Đặc biệt nếu x0 = 0 thì hệ trên gọi là kiểm soát được Định lý 1.3.2 Hệ động lực tuyến tính rời rạc (1.1)... (3.2) ta cũng có: Σ − AT ΣA = C T C 21 Vũ Thị Mai Hương - Toán K35-CN CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH RÚT GỌN BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHẶT CÂN BẰNG Vậy (A, B, C, D) = (T −1AT, T −1B, CT, D) với T = Lc V Σ− 2 là biểu diễn cân bằng của G(z) 1 Thuật toán đưa biểu diễn tối thiểu của một hệ động lực tuyến tính rời rạc về biểu diễn cân bằng được trình bày sau đây Thuật toán 1: Đầu vào: A: ma trận trạng thái n × n B : ma trận đầu... giản là hàm truyền Tiện cho việc tính toán, ma trận hàm truyền G(z) được viết như sau: A B G(z) = C D Các mô hình không gian trạng thái (A, B, C, D) như trên là biểu diễn 5 Vũ Thị Mai Hương - Toán K35-CN CHƯƠNG 1 HỆ ĐỘNG LỰC TUYẾN TÍNH RỜI RẠC của G(z) Ví dụ 1.2.5 Cho hệ động lực tuyến tính rời rạc: xk+1 = xk + 2uk , x0 = 1 (1.11) (1.12) yk = 3xk + 4uk Khi đó hàm truyền G(z) của hệ (1.11), (1.12) được... trong đường tròn đơn vị được gọi là một ma trận rời rạc ổn định Nghĩa là |λ (A)| < 1 Ví dụ 2.1.5 Xét hệ động lực tuyến tính rời rạc có phương trình trạng thái như sau:     1 1 1 2     xk+1 = 1 2 1 xk + 2 uk 3 1 0 2 • Ta có:  1 1 2   A = 1 2 1 1 0 2  14 Vũ Thị Mai Hương - Toán K35-CN CHƯƠNG 2 TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA HỆ ĐỘNG LỰC TUYẾN TÍNH RỜI RẠC • Tính các giá trị riêng của ma trận A : Eig(A)... 2.3.1 Cho A là ma trận rời rạc ổn định, thì ma trận CG = ∞ Ak BB T (AT )k , (2.5) (AT )k C T CAk (2.6) k=0 và OG = ∞ k=0 lần lượt được gọi là Grammian điều khiển và Grammian quan sát Định lý 2.3.2 Cho A là ma trận rời rạc ổn định thì Grammian điều khiển CG thỏa mãn phương trình Lyapunov rời rạc CG − ACG AT = BB T 16 Vũ Thị Mai Hương - Toán K35-CN (2.7) CHƯƠNG 2 TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA HỆ ĐỘNG LỰC TUYẾN TÍNH RỜI... rank (CM ) = 4 Vậy hệ đã cho là điều khiển được 8 Vũ Thị Mai Hương - Toán K35-CN CHƯƠNG 1 HỆ ĐỘNG LỰC TUYẾN TÍNH RỜI RẠC 1.3.2 Tính quan sát được Định nghĩa 1.3.4 Hệ động lực tuyến tính rời rạc (1.1) và (1.2) được gọi là quan sát được nếu có tồn tại một chỉ số N mà trạng thái ban đầu x0 có thể được xác định hoàn toàn từ chuỗi đầu vào u0, u1, , uN −1 và các đầu ra y0 , y1 , , yN Bằng cách chứng... được cân bằng là:   0, 5549 0, 4098 0, 0257   A = T −1AT = −0, 4098 −0, 1140 0, 2629  , 0, 0257 −0, 2629 −0, 4199   1, 8634   B = T −1B = 0, 6885 , 0, 0408 C = CT = 1, 8634 −0, 6885 0, 0408 24 Vũ Thị Mai Hương - Toán K35-CN CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH RÚT GỌN BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHẶT CÂN BẰNG Thử lại: T −1CG T −T = T T OG T = Σ = diag 5, 3574 1, 4007 0, 1238 3.2 Mô hình rút gọn bằng phương pháp chặt cân. .. toán 2: Mô hình rút gọn bằng phương pháp chặt cụt cân bằng Đầu vào: Cho hệ ma trận A, B , C Đầu ra: Mô hình rút gọn với ma trận AR , BR và CR Giả sử A là ma trận ổn định Bước 1: Tìm biểu diễn được cân bằng từ thuật toán 1 Bước 2: Chọn q là bậc của mô hình rút gọn Bước 3: Biểu diễn được cân bằng có dạng: Ar A12 Br A= ,B= , C = Cr C2 A21 A22 B2 Ví dụ 3.2.2 Xét lại ví dụ 3.1.3 Cho mô hình không gian... = (B, AB, , An−1B) có hạng bằng n Chứng minh Từ định lý (1.1.1), ta biết rằng nghiệm của hệ động lực tuyến tính rời rạc là: xN = AN −1Bu0 + AN −2Bu1 + + BuN −1 7 Vũ Thị Mai Hương - Toán K35-CN CHƯƠNG 1 HỆ ĐỘNG LỰC TUYẾN TÍNH RỜI RẠC Vì vậy, xN có thể được biểu diễn như một sự tổ hợp tuyến tính của Ak−1B , k = N, , 1 Vì vậy, nếu chọn u0 , , uN thích hợp sao cho xN được thực hiện khi và chỉ ... cứu Phương pháp chặt cân cho hệ động lực rời rạc kiến thức liên quan Nội dung Tên đề tài Phương pháp chặt cân cho hệ động lực tuyến tính rời rạc Kết cấu nội dung Gồm chương: • Chương 1: Hệ động. .. luận em trình bày phương pháp chặt cân cho hệ động lực rời rạc Nội dung bao gồm phần sau: • Chương 1: Hệ động lực tuyến tính rời rạc • Chương 2: Tính ổn định hệ động lực rời rạc tuyến tính •... định kết đề tài " Phương pháp chặt cân cho hệ động lực rời rạc" trùng lặp với kết đề tài khác Mục lục Chương 1: Hệ động lực tuyến tính rời rạc 1.1 Hệ động lực tuyến tính rời rạc