Analiza obserwowalno±ci

Podobne dokumenty
Analiza sterowalno±ci

Sterowalno± i obserwowalno± obiektów dynamicznych (piotrjs)

Sterowanie ze sprz»eniem od stanu (pjs)

Teoria Sterowania. Warunki zaliczenia

2. L(a u) = al( u) dla dowolnych u U i a R. Uwaga 1. Warunki 1., 2. mo»na zast pi jednym warunkiem: L(a u + b v) = al( u) + bl( v)

det A := a 11, ( 1) 1+j a 1j det A 1j, a 11 a 12 a 21 a 22 Wn. 1 (Wyznacznik macierzy stopnia 2:). = a 11a 22 a 33 +a 12 a 23 a 31 +a 13 a 21 a 32

Opis matematyczny ukªadów liniowych

Modele wielorównaniowe. Problem identykacji

Modelowanie ukªadów dynamicznych

r = x x2 2 + x2 3.

Ukªady równa«liniowych

1 0 Je»eli wybierzemy baz A = ((1, 1), (2, 1)) to M(f) A A =. 0 2 Daje to znacznie lepszy opis endomorzmu f.

Podstawowe czªony dynamiczne. Odpowied¹ impulsowa. odpowied¹ na pobudzenie delt Diraca δ(t) przy zerowych warunkach pocz tkowych, { dla t = 0

ANALIZA MATEMATYCZNA Z ALGEBR

Inżynieria Systemów Dynamicznych (4)

Pewne algorytmy algebry liniowej Andrzej Strojnowski

Wektory w przestrzeni

Elementy geometrii w przestrzeni R 3

Politechnika Wrocławska, Wydział Informatyki i Zarządzania. Modelowanie

Przeksztaªcenia liniowe

PRZYPOMNIENIE Ka»d przestrze«wektorow V, o wymiarze dim V = n < nad ciaªem F mo»na jednoznacznie odwzorowa na przestrze«f n n-ek uporz dkowanych:

Macierze i Wyznaczniki

Liniowe równania ró»niczkowe n tego rz du o staªych wspóªczynnikach

Janusz Adamowski METODY OBLICZENIOWE FIZYKI Zastosowanie eliptycznych równa«ró»niczkowych

Metody numeryczne i statystyka dla in»ynierów

Macierze i Wyznaczniki

Przekształcanie równań stanu do postaci kanonicznej diagonalnej

Zadania z z matematyki dla studentów gospodarki przestrzennej UŠ. Marek Majewski Aktualizacja: 31 pa¹dziernika 2006

Sterowalność liniowych uk ladów sterowania

Modele wielorównaniowe. Estymacja parametrów

Numeryczne zadanie wªasne

Liniowe zadania najmniejszych kwadratów

Informacje pomocnicze

istnienie elementu neutralnego dodawania (zera): 0 K a K a + 0 = a, istnienie elementu neutralnego mno»enia (jedynki): 1 K a K a 1 = a,

Matematyka wykªad 1. Macierze (1) Andrzej Torój. 17 wrze±nia Wy»sza Szkoªa Zarz dzania i Prawa im. H. Chodkowskiej

Macierze. 1 Podstawowe denicje. 2 Rodzaje macierzy. Denicja

Macierze. Dziaªania na macierzach. 1. Niech b d dane macierze , D = , C = , B = 4 12 A = , F = , G = , H = E = a) Obliczy A + B, 2A 3B,

Elementy geometrii analitycznej w przestrzeni

Opis systemów dynamicznych w przestrzeni stanu. Wojciech Kurek , Gdańsk

Baza w jądrze i baza obrazu ( )

Rozwi zanie równania ró»niczkowego metod operatorow (zastosowanie transformaty Laplace'a).

Podstawowe działania w rachunku macierzowym

Interpolacja funkcjami sklejanymi

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

Legalna ±ci ga z RRI 2015/2016

Ukªady równa«liniowych - rozkªady typu LU i LL'

Własności wyznacznika

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

Tematyka egzaminu z Podstaw sterowania

Materiaªy do Repetytorium z matematyki

ELEMENTARNA TEORIA LICZB. 1. Podzielno±

Ekstremalnie fajne równania

1 Ró»niczka drugiego rz du i ekstrema

1 Bª dy i arytmetyka zmiennopozycyjna

Równania ró»niczkowe I rz du (RRIR) Twierdzenie Picarda. Anna D browska. WFTiMS. 23 marca 2010

liniowych uk ladów sterowania

EGZAMIN MAGISTERSKI, r Matematyka w ekonomii i ubezpieczeniach

Bifurkacje. Ewa Gudowska-Nowak Nowak. Plus ratio quam vis

Stabilno± ukªadów liniowych

Uczenie Wielowarstwowych Sieci Neuronów o

AM II /2019 (gr. 2 i 3) zadania przygotowawcze do I kolokwium

Wektory i wartości własne

Postać Jordana macierzy

Graka komputerowa Wykªad 3 Geometria pªaszczyzny

a) f : R R R: f(x, y) = x 2 y 2 ; f(x, y) = 3xy; f(x, y) = max(xy, xy); b) g : R 2 R 2 R: g((x 1, y 1 ), (x 2, y 2 )) = 2x 1 y 1 x 2 y 2 ;

Wektory i wartości własne

Aproksymacja funkcji metod najmniejszych kwadratów

gdzie wektory α i tworz baz ortonormaln przestrzeni E n

Indeksowane rodziny zbiorów

Rachunek ró»niczkowy funkcji jednej zmiennej

1 Przypomnienie wiadomo±ci ze szkoªy ±redniej. Rozwi zywanie prostych równa«i nierówno±ci

Krzywe i powierzchnie stopnia drugiego

XVII Warmi«sko-Mazurskie Zawody Matematyczne

WST P DO TEORII INFORMACJI I KODOWANIA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2013/14

Macierz A: macierz problemów liniowych (IIII); Macierz rozszerzona problemów liniowych (IIII): a 11 a 1m b 1 B = a n1 a nm b n

Spis tre±ci. Plan. 1 Pochodna cz stkowa. 1.1 Denicja Przykªady Wªasno±ci Pochodne wy»szych rz dów... 3

Politechnika Wrocławska, Wydział Informatyki i Zarządzania. Modelowanie

Układy równań liniowych

WST P DO TEORII INFORMACJI I KODOWANIA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2013/14

Wst p do sieci neuronowych 2010/2011 wykªad 7 Algorytm propagacji wstecznej cd.

Metody numeryczne i statystyka dla in»ynierów

Jan Olek. Uniwersytet Stefana Kardynała Wyszyńskiego. Procesy z Opóźnieniem. J. Olek. Równanie logistyczne. Założenia

Rozdziaª 13. Przykªadowe projekty zaliczeniowe

Statystyka matematyczna - ZSTA LMO

Schematy blokowe ukªadów automatyki

Funkcje wielu zmiennych

dr Mariusz Grządziel 15,29 kwietnia 2014 Przestrzeń R k R k = R R... R k razy Elementy R k wektory;

Rachunek caªkowy funkcji wielu zmiennych

Mamy schemat sterowania (regulacji) w ukªadzie zamkni tym (rys. 1). Zakªada si,»e wzmocnienie czªonu statycznego

III. Układy liniowe równań różniczkowych. 1. Pojęcie stabilności rozwiązań.

Funkcje wielu zmiennych

Zaawansowane metody numeryczne

ARYTMETYKA MODULARNA. Grzegorz Szkibiel. Wiosna 2014/15

Matematyka dyskretna dla informatyków

Makroekonomia Zaawansowana

Automatyka i robotyka

PODSTAWY AUTOMATYKI. MATLAB - komputerowe środowisko obliczeń naukowoinżynierskich - podstawowe operacje na liczbach i macierzach.

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE. Marta Zelmańska

Wyk lad 8 macierzy i twierdzenie Kroneckera-Capellego

13 Układy równań liniowych

Transkrypt:

Analiza obserwowalno±ci Niech ẋ(t) = Ax(t), y(t) = Cx(t), x(0) R n gdzie A R n n oraz C R q n. Para (A, C) jest caªkowicie obserwowalna je»eli x(0) znajomo± funkcji y : [0, t f ] R q (wyj±cia obiektu) dla dowolnego czasu obserwacji 0 < t f < pozwala na jednoznaczne okre±lenie stanu pocz tkowego x(0). Para (A, C) jest caªkowicie obserwowalna. Macierz obserwowalno±ci M o R n q n M o = [ C T A T C T (A n 1 ) T C T ] T, posiada peªny kolumnowy rz d rank M o = n ( Ker M o = {0 n }). 1

2 Przykªad 1 Analizuj c rz d macierzy obserwowalno±ci, zbadaj caªkowit obserwowalno± obiektu ẋ(t) = Ax(t), y(t) = Cx(t). [ ] 3 0 a) A =, C = c T = [ 2 1 ] 5 2 1 1 1 [ b) A = 0 2 1 0 2 1, C = 0 0 0 0 1 0 a) Dla obiektów z pojedynczym wyj±ciem, a zatem tak»e dla obiektów SISO, macierz obserwowalno±ci M o jest macierz kwadratow co oznacza,»e macierz ta ma peªny rz d wtedy i tylko wtedy, je»eli jej wyznacznik nie równa si zero. Mamy [ ] [ ] c T 2 1 det M o = det c T = det = A 11 2 = 15 0. Zatem obiekt jest caªkowicie obserwowalny. ].

b) Macierz obserwowalno±ci jest macierz prostok tn C M o = CA, M o R 6 3. CA 2 Obiekt b dzie zatem caªkowicie obserwowalny wtedy i tylko wtedy, gdy macierz ta b dzie miaªa peªny rz d kolumnowy. Zachodzi teraz M o = 0 2 1 0 0 1 0 5 2 0 1 0 0 8 5 0 2 1 Poniewa» rank M o = 2, rozwa»any obiekt nie jest zatem caªkowicie obserwowalny. T. 3

4 Uwaga Niech A R n n oraz C R q n. Para (A, C) jest caªkowicie obserwowalna wtedy i tylko wtedy, gdy rank M c = n, gdzie M o = [ C T A T C T (A n r C) T C T ] T za± r C = rank C. O obserwowalno±ci pary (A, C) orzeka si zatem na podstawie oceny rz du zredukowanej macierzy obserwowalno±ci M o R (n r C+1) q n o odpowiednio zmniejszonej liczbie wierszy ('peªna' macierz obserwowalno±ci M o posiada bowiem n q wierszy). W przykªadzie 1b mamy: rank M o = 2. Pytanie: które mody s nieobserwowalne?

Kryterium modalne (diagonalizacja) Dana jest para macierzy (A, C), gdzie A R n n oraz C R q n, przy czym A posiada jednokrotne warto±ci wªasne spectr A = {λ i } n i=1. Przeksztaªacaj c (A, C) w par podobn (M 1 AM, CM) gdzie M C n n jest dowoln macierz diagonalizuj c macierz A, mo»na sprawdzi, czy (A, C) jest par caªkowicie obserwowaln. Macierz A o jednokrotnych warto±ciach wªasnych jest macierz diagonalizowaln. Rol macierzy diagonalizuj cej peªni dowolna (!) macierz modalna M o kolumnach utworzonych z wektorów wªasnych macierzy A przyporz dkowanych jej warto±ciom wªasnym. 5

6 Zachodzi M 1 AM = diag {λ i } n i=1. Para (A, C) jest caªkowicie obserwowalna, gdy w macierzy CM nie wyst puj zerowe kolumny. Dla p = 1 odpowiednia para (A, c T ), w której c R n, jest caªkowicie obserwowalna wtedy i tylko wtedy, gdy wierszowy wektor c T M R 1 n nie posiada zerowych wspóªrz dnych. Obecno± takiej zerowej i-tej kolumny ±wiadczy,»e odpowiedni mod e λ it jest modem nieobserwowalnym.

Przykªad 2 Zbadaj obserwowalno± pary (A, C): [ ] 2 0 a) A =, C = c T = [ 1 1 ] 1 3 0 1 0 [ ] b) A = 0 0 1 1 1 0, C =. 0 1 1 0 1 0 7 a) W tym przypadku spectr A = { 3, 2}. Przykªadowej macierzy modalnej [ ] 0 1 M = 1 1 przyporz dkowujemy wektor c T M = [ 1 0 ]. Na tej podstawie wnioskujemy,»e para (A, c T ) nie jest par caªkowicie obserwowaln : mod e 2t jest nieobserwowalny.

8 b) W tym przypadku spectr A = { 1, 0, 1}. Przykªadowej macierzy modalnej 1 1 1 M = 1 0 1 1 0 1 przyporz dkowujemy macierz [ ] 0 1 2 CM = 0 0 2 o zerowej kolumnie. Para (A, C) nie jest zatem par caªkowicie obserwowaln : mod e t jest nieobserwowalny. Poniewa» jest to mod stabilny, przeto (A, C) jest par wykrywaln. Analiza rz du odpowiednich macierzy obserwowalno±ci: [ ] 1 1 a) M o =, rank M 3 3 o = 1; T 1 0 0 0 0 0 b) M o = 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1, rank M o = 2.

Podprzestrze«Ker M o Dana jest para macierzy (A, B), przy czym A R n n oraz C R q n. Podprzestrze«Ker M o = n 1 i=0 Ker CAi R n gdzie M o R n n q jest macierz obserwowalno±ci pary (A, C), jest podprzestrzeni A-niezmiennicz. Co oznacza,»e v Ker M o zachodzi Av Ker M o. 9

10 Dekompozycja przestrzeni stanu Dany jest system ẋ(t) = Ax(t) y(t) = Cx(t), A R n n, C R q n. Niech rank M o = n o < n gdzie M o R n q n jest macierz obserwowalno±ci pary (A, C) Istnieje takie nieosobliwe przeksztaªcenie o macierzy T o R n n T o x = ˆx = gdzie [ ˆx1 ˆx 2 ], ˆx 1 R n o, ˆx 2 R n ō n o + nō = n

dla którego: [ ] [ ] [ ˆx1 = ˆx ˆx = Â11 0 no nō ˆx1 2  21  22 ˆx 2 y = Ĉ ˆx = [ ] [ ] ˆx 1 Ĉ 1 0 q nō ˆx 2 przy czym ] 11 (Â11, Ĉ1) gdzie Â11 R n o n o oraz Ĉ1 R q n o, jest par caªkowicie obserwowaln. O parze (Â, Ĉ) mówi si, i» posiada posta obserwowaln zdekomponowan. Para (A, C) nie jest caªkowicie obserwowalna. Zachodzi teraz dim Ker M o = n n o = nō.

12 We¹my nast puj c baz w R n gdzie za± { q i } n ō i=1 {q i} n o i=1 span { q i } n ō i=1 = Ker M o {q i } n o i=1 jest dowolnym zbiorem liniowo niezale»- nych wektorów, takich»e zbiory { q i } n ō i=1 oraz {q i } n o i=1 s wzajemnie liniowo niezale»ne. Przykªadowo mo»emy poªo»y span {q i } n o i=1 = Im M T o.

Z faktu,»e Ker M o jest podprzestrzeni A-niezmiennicz wynika,»e 13 gdzie przy czym T o = Q 1 o Q o = [ Q o1 Q o2 ] R n n oraz Q o1 = [ q 1 q no ] R n n o Q o2 = [ q 1 q nō ] R n n ō R n = Im Q o1 Im Q o2. Zachodzi  = Q 1 o AQ o oraz Ĉ = CQ o.

14 Ponadto mamy M o Q o = ˆM o gdzie ˆM o R n q n jest macierz obserwowalno±ci pary (Â, Ĉ) ˆM o = ˆM o1 0 no q nō Ĉ 1 Â n o 11. 0 q nō. Ĉ 1 Â11 n 1 0 q nō za± ˆM o1 = Ĉ 1 Ĉ 1 Â 11. Ĉ 1 Â n o 1 11 Rn o q n o jest macierz obserwowalno±ci pary (Â11, Ĉ1): rank ˆM o1 = rank ˆM o = rank M o = n o.

Przykªad 3 Rozwa»my nast puj ce pary macierzy: 3 3 1 a) A = 4 5 2, C = 8 12 5 1 1 6 [ ] b) A = 0 5 15 2 3 4, C = 2 5 9 0 2 6 15 [ 7 12 5 1 2 1 W obu przypadkach mamy n o = 2, zatem q o = [ q 1 q 2 ˆq 1 ], gdzie ˆq 1 Ker M o.. ] ; a) q 1, q 2 / Im M T o : Q o = Â = 5 9 0 4 7 0 8 12 1 q 1, q 2 Im M T o : Q o = 1 0 1 0 1 1, 0 0 1 [ 7 12 0, Ĉ = 1 2 0 7 1 1 12 2 1 5 1 1, ] ;

16 Â = Ĉ = 81.5 13.5 0 504.1667 83.5 0 128.3333 21 1 [ ] 218 36 0 ; 36 6 0 b) q 1, q 2 / Im M T o : Q o = Â = 2.5 3.5 0 2.5 3.5 0 2 2 1, 0 1 1.75 1 1 2.5, 0 0 1 [ 3 5 0, Ĉ = 5 7 0 2 2 1.75 q 1, q 2 Im Mo T : Q o = 3 5 2.5 4 9 1 18.3333 36.6667 0 Â = 8.6667 17.3333 0, 25.3333 54.6667 1 [ ] 29 55 0 Ĉ =. 55 110 0, ] ;

Synteza obserwatora stanu Autonomiczny obiekt dynamiczny o wektorze stanu x(t) R n oraz jednym wyj±ciu y(t) R opisany jest modelem ẋ(t) = Ax(t), y(t) = c T x(t). x(0) 17 Rysunek 1: Obserwator stanu autonomicznego obiektu o jednym wyj±ciu. Obserwator stanu o peªnym rz dzie (por. rys. 1) dany jest w tym przypadku równaniem ˆx(t) = Aˆx(t) + le y (t)

18 w którym ˆx(t) R n oznacza oszacowanie stanu e y (t) = y(t) ŷ(t) = y(t) c T ˆx(t) jest bª dem oceny wyj±cia obiektu ŷ(t), za± l R n jest wektorem wspóªczynników sprz»enia zwrotnego (wzmocnieniem obserwatora). Obowi zuje zatem formuªa ˆx(t) = (A lc T )ˆx(t) + ly(t) której odpowiada równanie ewolucji ė(t) = (A lc T )e(t), bª du oszacowania stanu e(0) e(t) = x(t) ˆx(t) R n. Metod Ackermanna wyznaczymy wspóªrz dne wektora l, zapewniaj cego macierzy stanu obserwatora A lc T zadane warto±ci wªasne {λ i } n i=1.

Metoda Ackermanna, zastosowana do o- biektu o caªkowicie obserwowalnej parze macierzy (A, c T ), pozwala na dowolne uksztaªtowanie wszystkich warto±ci wªasnych macierzy stanu obserwatora A lc T. Formuªa Ackermanna gªosi,»e 19 l = ϕ(a)m 1 o e n (1) gdzie M o R n n oznacza macierz obserwowalno±ci pary (A, c T ), ϕ(a) R n n jest warto±ci jak przyjmuje wielomian charakterystyczny macierzy stanu obserwatora dla macierzowego argumentu A, za± e n = [ 0 0 1 ] T R n jest wektorem jednostkowym. Niech {λ i } n i=1 b dzie zbiorem zadanych warto±ci wªasnych macierzy (A lc T ).

20 Wielomian charakterystyczny ϕ(λ) tej macierzy wynika zatem ze wzoru ϕ(λ) = det (λi n (A lc T )) = n i=1 (λ λ i). Warunkiem stosowalno±ci wzoru (1) jest odwracalno± macierzy M o. Rozwi zuj c ukªad równa«liniowych M o a = e n mo»na wyznaczy pomocniczy wektor a R n, który nast pnie wykorzystuje si zgodnie ze wzorem l = ϕ(a)a. Post powanie takie pozwala unikn odwracania macierzy M o.

Przykªad 4 21 Przykªadow syntez obserwatora przeprowadzimy dla prostego modelu [ ] [ ] 0 1 1 A =, c =. 0 0 0 damy, aby {λ i } 2 i=1 = { 10, 10}. Macierz obserwowalno±ci pary (A, c T ) [ ] 1 0 M o =. 0 1 Para A, c T jest caªkowicie obserwowalna. Ponadto ϕ(λ) = (λ λ 1 )(λ λ 2 ) = 100 + 20λ + λ 2. W oparciu o wzór (1) otrzymujemy ( [ ] [ ] [ ] 2 ) [ 1 0 0 1 0 1 1 0 l = 100 + 20 + 0 1 0 0 0 0 0 1 [ ] [ ] [ ] 100 20 0 20 = =. 0 100 1 100 ] 1 [ 0 1 ]

22 Obiekt dynamiczny opisany jest równaniami ẋ(t) = Ax(t) y(t) = c T x(t) Posªuguj c si metod transformacji przyporz dkowuj cej parze (A, c T ) par podobn o postaci kanonicznej obserwowalnej, wyznaczymy wspóªrz dne wektora l sprz»enia zwrotnego obserwatora o peªnym rz dzie, które zapewni macierzy stanu tego obserwatora zadane warto±ci wªasne {λ i } n i=1. Odpowiednia formuªa ma posta gdzie: macierz l = T oˆl T o = (W M o ) 1 R n n

jest macierz relacji podobie«stwa, przyporz dkowuj cego danej caªkowicie obserwowalnej parze (A, c T ) par (Â, ĉt ) = (T 1 o AT o, c T T o ) o postaci kanonicznej obserwowalnej, w której  R n n oraz ĉ R n 0 0 0 a 0 1 0 0 a 1  = 0 1 0 a 2, ĉ = 0 0 0 a n 1 wektor ˆl = [ α 0 a 0 α n 1 a n 1 ] T R n jest wektorem residualnym, b d cym wynikiem porównania wielomianów charakterystycznych, odpowiednio, macierzy stanu obserwatora det [λi n (A lc T )] = n i=1 (λ λ i) = n 23 0 0. 0 1 i=0 α iλ i

24 oraz macierzy stanu obiektu det (λi n A) = n i=0 a iλ i, macierz M o R n n oznacza macierz obserwowalno±ci pary (A, c T ), za± W = ˆM 1 o R n n jest odwrotno±ci macierzy obserwowalno±ci pary (Â, ĉt ) a 1 a n 2 a n 1 1 a 2 a n 1 1 0 W = a n 1 0 0 0. 1 0 0 0 Obowi zuje nast puj ca u»yteczna zale»no± T o = M 1 o ˆM o.

Przykªad 5 Obiekt opisany jest równaniami ẋ(t) = Ax(t) oraz y(t) = c T x(t), w których: 2.5 1.5 0.0 0.0 A = 2.0 2.0 9.0, c = 2.0. 0.5 1.5 5.0 5.0 Posªuguj c si metod transformacji przyporz dkowuj cej parze (A, c T ) par podobn o postaci kanonicznej obserwowalnej, wyznacz wspóªrz dne wektora l sprz»enia zwrotnego obserwatora o peªnym rz dzie, które zapewni macierzy stanu tego obserwatora zadane warto±ci wªasne { 3, 4, 6}. 25 Po sprawdzeniu obserwowalno±ci pary (A, c T ), wyznaczono: T o = 14.0 10.0 5.0 30.0 20.0 12.0 12.0 8.0 5.0, l = 527.5 1225.0 492.5.

26 Synteza obserwatora stanu o minimalnym rz dzie Niech ẋ(t) = Ax(t) + bu(t) y(t) = c T x(t) gdzie A R n n, b R n oraz c = [ 1 0 0 ] T R n bedzie modelem w przestrzeni stanu pewnego obiektu dynamicznego. Jak widzimy, pierwsza wspóªrz dna x 1 (t) wektora stanu [ ] x1 (t) x(t) = R n x(t) tego obiektu jest pomiarowo dost pna. Podamy algorytm obserwatora pozosta- ªych wspóªrz dnych x(t) R n 1 wektora stanu.

Kªad c A = [ A11 A 12 A 21 A 22 ], b = [ b1 b gdzie A 11 R, A 12 R 1 (n 1), A 21 R n 1, A 22 R (n 1) (n 1), b 1 R oraz b R n 1, otrzymujemy równanie ewolucji wektora x(t) ẋ(t) = A 22 x(t) + (A 21 x 1 (t) + bu(t)) oraz odpowiednie równanie 'obserwacji' ẋ 1 (t) A 11 x 1 (t) b 1 u(t) = A 12 x(t). Wynikaj ce st d równanie obserwatora o wzmocnieniu l R n 1 ma posta ] 27 ˆx(t) = (A 22 la 12 )ˆx(t) + A 21 x 1 (t) + bu(t) + l(ẋ 1 (t) A 11 x 1 (t) b 1 u(t)) gdzie ˆx(t) R n 1 jest oszacowaniem wektora x(t).

28 Obowi zuje równo± ˆx(t) lẋ 1 (t) = (A 22 la 12 )(ˆx(t) lx 1 (t))+ ((A 22 la 12 )l + A 21 la 11 )x 1 (t)+ (b lb 1 )u(t). Niech z(t) R n 1 b dzie pomocniczym sygnaªem, zdeniowanym jak nast puje z(t) = x(t) lx 1 (t). Rówanie opisuj ce ewolucj oszacowania ẑ(t) = ˆx(t) lx 1 (t) R n 1 tego sygnaªu dane jest zatem wzorem ẑ(t) = (A 22 la 12 )ẑ(t) + (2) ((A 22 la 12 )l + A 21 la 11 )y(t) + (b lb 1 )u(t).

Bª d e x (t) R n 1 oszacowania wektora x(t) wyra»a si jako e x (t) = x(t) ˆx(t) = z(t) ẑ(t). Z faktu,»e 29 ˆx(t) = (A 22 la 12 )ˆx(t) + A 21 y(t) + bu(t) + la 12 x(t) wynika nast puj ce równanie e x (t) = (A 22 la 12 )e x (t), e x (0). Zadanie syntezy obserwatora o zredukowanym rz dzie jest równowa»ne zadaniu stabilizacji macierzy A 22 la 12.

30 Koniecznym i wystarczaj cym warunkiem istnienia zredukowanego obserwatora jest przeto sterowalno± (wykrywalno± ) pary (A 22, A 12 ). Bior c pod uwag,»e ˆx(t) = ẑ(t) + ly(t) otrzymujemy poszukiwane oszacowanie ˆx(t) R n wektora stanu ˆx(t) = [ 01 (n 1) I n 1 ] ẑ(t) + [ 1 l ] y(t). (3)

Schemat strukturalny rozwa»anego obserwatora o minimalnym rz dzie pokazano na rys. 2, gdzie F z = [ A 22 la 12 ] R (n 1) (n 1) 01 (n 1) G xz = R n (n 1) I n 1 g zy = (A 22 la 12 )l + A 21 la 11 R n 1 g zu = [ b ] lb 1 R n 1 1 g xy = R n. l 31 Rysunek 2: Schemat zredukowanego obserwatora stanu obiektu SISO.

32 Przykªad 6 Wyznacz posta obserwatora o zredukowanym (minimalnym) rz dzie w przypadku, gdy A = 0 1 0 0 0 1 6 11 6, b = 0 0 1, c = za± wymagane warto±ci wªasne macierzy stanu obserwatora wynosz Mamy {λ 1, λ 2 } = { 2 ± j2 3} A 11 = 0, A 12 = [ 1 0 ] [, A 21 = b 1 = 0, b = 0 6 [ 0 1 ] [, A 22 = ]. 0 1 11 6 Macierz obserwowalno±ci pary (A 22, A 12 ) [ ] [ ] A12 1 0 M o = = A 12 A 22 0 1 = Para ta jest caªkowicie obserwowalna. 1 0 0 ]

Wektor wzmocnie«obserwatora l R 2 wyznaczamy z formuªy Ackermanna (1) l = ϕ(a 22 )M 1 o [ 0 1 w której wielomian macierzowy ϕ(a 22 ) odpowiada zaªo»onym warto±ciom wªasnym macierzy stanu tego obserwatora [ ] 5 2 ϕ(a 22 ) = 16A 0 22+4A 22 +A 2 22 =. 22 17 ] 33 St d l = [ 2 17 ].

34 Stosuj c wzory (2) oraz (3), otrzymujemy poszukiwane równania obserwatora o minimalnym rz dzie: ẑ(t) = ˆx(t) = [ ] [ ] 2 1 13 ẑ(t) + y(t) + 28 6 52 0 0 1 1 0 ẑ(t) + 2 y(t). 0 1 17 Wyznaczmy dla tego samego obiektu obserwator o peªnym rz dzie, przyjmuj c jako warto±ci wªasne macierzy stanu takiego obserwatora liczby 2 ± j2 3 oraz 5. Macierz obserwowalno±ci pary (A, c T ) jest macierz jednostkow I 3. Wektor wzmocnie«obserwatora l R 3 obliczamy w oparciu o metod Ackermanna: l = 3 7 1. [ 0 1 ] u(t)

Co prowadzi do obserwatora o peªnym rz dzie ˆx(t) = 3 1 0 7 0 1 5 11 6 3 7 y(t) + 1 ˆx(t) + 0 0 1 u(t). 35 Porównajmy wªasno±ci obu rozwa»anych obserwatorów stanu. Niech x(0) = [ 1 1 1 ] T, ˆx(0) = [ 1 0 0 ] T co czyni e x (0) = [ 0 1 1 ] T Ker c T, e x (0) = [ 1 1 ] T gdzie e x (t) = x(t) ˆx(t) oznacza bª d oszacowania stanu.

36 Ewolucj tego bª du opisuj wzory: - obserwator o peªnym rz dzie 3 1 0 e x (t) = exp 7 0 1 t e x (0) 5 11 6 - obserwator o minimalnym rz dzie 0 0 ([ e x (t) = 1 0 2 1 exp 28 6 0 1 ] ) t e x (0). Rysunek 3: Ilustracja bª dów estymacji stanu.

Obiekt opisany równaniami ẋ(t) = Ax(t) + Bu(t) y(t) = Cx(t) gdzie x(t) R n jest wektorem stanu, u(t) R p oznacza sygnaª pobudzaj cy, za± y(t) R q jest wyj±ciem, jest sterowany w ukªadzie zamkni tym (rys. 4). 37 Rysunek 4: Schemat ukªadu sterowania ze sprz»eniem od wyj±cia obiektu. Sterowanie z liniowym (anicznym) sprz»eniem od wyj±cia obiektu poprzez oszacowanie stanu ˆx(t).

38 Dla zerowej warto± zmiennej referencyjnej r(t) wyznaczymy model w przestrzeni stanu ukªadu zamkni tego dla zmiennych stanu x(t) oraz e(t) = x(t) ˆx(t). Zamkni ty ukªad sterowania opisany jest modelem w przestrzeni stanu [ ] [ ẋ(t) A BK BK = ė(t) 0 n n A LC y(t) = [ ] [ ] x(t) C 0 q n. e(t) ] [ x(t) e(t) ], [ x(0) e(0) Koniecznym i wystarczaj cym warunkiem asymptotycznej stabilno±ci tego u- kªadu jest zatem speªnienie inkluzji spectr (A BK) spectr (A LC) C. Problem syntezy ukªadu sterowania rozwi zuje si 'osobno' projektuj c regulator od stanu oraz obserwator stanu.

Obiekt SISO o modelu w przestrzeni stanu ẋ(t) = Ax(t) + bu(t), y(t) = c T x(t) A R n n sterowany jest w ukªadzie zamkni tym pokazanym na rys. 5. 39 Rysunek 5: Schemat ukªadu sterowania ze sprz»eniem od wyj±cia obiektu. Ukªad zamkni ty mo»na opisa, przyjmuj c modele wej±ciowo-wyj±ciowe jak na rys. 6, gdzie G p (s) oznacza operatorow transmitancj sterowanego obiek-

40 tu, za± G r (s) jest transmitancj równowa»nego regulatora (korektora szeregowego). Rysunek 6: Schemat ukªadu sterowania z korektorem szeregowym. Dla oszacowania stanu ˆx(t) obowi zuje bowiem równanie ˆx(t) = (A bk T lc T )ˆx(t) + ly(t). St d G r (s) = k T (si n A + bk T + lc T ) 1 l.

Przykªad 7 Rozwa»my model niestabilnego procesu [ ] [ ] [ ] 0 1 0 1 A =, b =, c = 20.6 0 1 0 Wyznaczymy wektor wzmocnienia obserwatora stanu l R 2 zapewniaj cy spectr (A lc T ) = { 8, 8} oraz wektor sprz»enia stabilizuj cego k R 2, dla którego spectr (A bk T ) = { 1.8 ± j2.4}. Mamy: k = [ 29.6 3.6 ] T, l = [ 16 84.6 ] T. Tak du»e wzmocnienie l wynika z» - danej szybkiej reakcji obserwatora. Równowa»ny korektor szeregowy 3690.72 + 778.16s G r (s) = 151.2 + 19.6s + s 2. PJSuchomski 41