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利用線性矩陣不等式法發展廣義p 分配理論及其應用 (1/3)

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Academic year: 2021

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(1)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告

以線性矩陣不等式法發展廣義π分配理論及其應用(1/3)

計畫類別: 個別型計畫 計畫編號: NSC91-2213-E-002-061-執行期間: 91 年 08 月 01 日至 92 年 10 月 31 日 執行單位: 國立臺灣大學電機工程學系暨研究所 計畫主持人: 馮蟻剛 報告類型: 精簡報告 報告附件: 出席國際會議研究心得報告及發表論文 處理方式: 本計畫可公開查詢

國 92 年 5 月 26 日

(2)

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

利用線性矩陣不等式法發展廣義

π

分配理論及其應用

(1/3)

Development and Application of the Gener alized

π–Shar ing Theor y Using the LMI Appr oach (1/3)

計畫編號:NSC 91-2213-E-002-061

執行期限:91 年 8 月 1 日至 92 年 10 月 31 日

主持人:馮蟻剛 臺灣大學電機系

一、中文摘要 π 分配理論同時考慮了系統的狀態穩定性與輸入-輸出穩定性。在這篇報告中, 我們簡述了針對數種不同型態的系統所進行的π 分配理論的研究成果,並將之整 理成線性矩陣不等式的形式,以利應用。應用之一為針對線性非時變多變數回授 系統,提出 PID 控制器的設計方法。 關鍵詞:π 分配理論,線性矩陣不等式,PID 控制器,耗散性。

Abstr act: The π -sharing theory accommodates the state and input-output stability

simultaneously. In this report, we develop conditions based on the linear matrix inequality formulation for the π -stability of different kinds of systems. Also the

π -sharing theory is utilized to develop a procedure for synthesizing PID-type

controllers that stabilize multivariable linear time-invariant systems.

Keywor ds: π -sharing theory, LMI, PID controller, dissipativity. 二、緣由與目的 學者 Lawrence 與 Johnson 在西元 1986 年,針對單輸入-單輸出之離散時間系統提 出π 分配理論(π sharing theory)[1],其可視為被動性(passivity)[2]與超越穩定性 (hyperstability)[3]理論的延伸,並建立輸入-輸出穩定性(input-output stability)和狀 態空間穩定性(state-space stability)的關連。π 分配理論透過能量觀點闡述穩定 性。假設系統具π 分配特性,並存在相對應的π 係數,經由π 係數的求得,得以 定量地探討系統特性。系統若具π 穩定性(π -stability),則意謂其同時具內部穩定

(3)

性(internal stability)和輸入-輸出穩定性。相關而直接的應用之一,便是回授系統 穩定性的探討。 因受限於系統π 係數之計算深具困難度,尤其是高階數或多變數系統,文獻 [4][5]曾針對一階及二階系統提出求解 Max-p 問題之最佳化π 係數計算方式。另 外,文獻[6]針對高階系統提出計算π 係數的演算法則,採用 Kuhn-Tucker 條件求 解 Max-p 問題,以利探討系統穩定性。但此求解方式為了達到某種最佳化程度, 要 求 之條 件 相當 複 雜, 尤 其是 對 於高 階 系統 。 西元 1988 年,Nesterov 和 Nemirovskii 提 出 內 點 法 (interior-point method)[7] , 供 求 解 如 線 性 規 劃 (linear programming)、凸集規劃(convex)或二次式規劃(quadratic)等問題有效率的演算方 法。因其具多項式時間(polynomial-time)之複雜度,使得求解以線性矩陣不等式 (linear matrix inequality, LMI)為基礎之凸集最佳化問題[8]可利用數值運算軟體, 如 Matlab LMI Toolbox [9]或 Scilab 等方便地達成。然而並非所有以數學模式描 述的問題都具解析解(analytic solution),因此,若能將討論之問題轉換成以線性 矩陣不等式作為描述的條件,亦可說此問題已被適當地解出(well solved)。對於 多變數系統,其π 係數之計算問題正符合此情況。文獻[10]已將π 分配理論推廣 至連續時間之多輸入-多輸出系統。利用其發展的條件,對於線性非時變系統,π 係數的計算可轉化為線性矩陣不等式條件,以利於分析相互連結回授系統之π 穩 定性問題。在此,進階應用於 PID 控制器設計問題的結果被提出來。 此外,因多數受控系統具不確定性,利用π 分配理論,我們也針對特定的不 確定系統進行探討,除了以線性矩陣不等式形式,推導系統具π 分配特性之條件 外,也再利用凸集最佳化的方式求解π 係數,討論具不確定參數之回授系統的穩 定性分析問題。有別於僅適用於方陣系統(square system)的π 分配理論,我們同 時提出適用於非方陣系統之廣義π 分配理論與相關回授系統的穩定性條件及相 對應π 係數之計算方法。另外,π 分配理論和耗散性理論(dissipativity)[11][12]的 比較與討論,也會加以描述。 三、研究方法與成果 符號定義: 0 ≥ X 表示 X 為對稱(symmetric)且半正定(positive semi-definite)矩陣。 Y X≥ 表示XY≥0。 類 似 符 號 亦 適 用 於 對 稱 正定(positive definite)或負 定 (negative definite)矩陣。 常數向量 x 的 2-範數(two-norm)以 x 表示,而矩陣 X 的引出 2-範數(induced two-norm)表示成 X 。 假設x(t)和Φ(t)分別為以時間 t 為變數之向量和對稱矩陣函數,則

( )

Φ x(t)2≡x′(t)Φ(t)x(t),

( )

( ) ( ) ( ) , 0 2 dt t x t t x xT

T ′ Φ Φ

(4)

其中T≥0為一常數。另外,兩實數向量函數x1(t),x2(t)之內積定義為

′ ≡ T T x t x t dt x x 0 1 2 2 1, ( ) ( ) 。 3.1 π 分配理論與穩定條件 3.1.1 線性時變系統 考慮一連續時間動態系統Σ,其狀態空間表示式: Σ:    + = + = ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( t u t D t x t C t y t u t B t x t A t x& (1) 其中, n t x( )∈R 為系統狀態變數, u(t),y(t)∈Rm為系統Σ之輸入與輸出變數。對 於時間T ≥0,若x(t),y(t),u(t)滿足下列不等式: , ) ( ) ( ) ( ) 0 ( ) ( ) ( ) ( , 2 2 2 2 2 T T T T u R y P x Q x T x y u + + + Γ − Γ ≥ (2) 則稱系統Σ具有π 分配特性,且存在相對應之π 係數 {Γ(t),Q(t),P(t),R(t)},其中 n n t Q t ∈ × Γ( ), ( ) R 為半正定矩陣,P(t),R(t)∈Rm×m為對稱矩陣。式(2)描述系統Σ具有 二次形式的能量供給率函數和能量之耗散性,其中, T y u, 代表經由外界提供給Σ 的能量,當Σ由外界獲得能量時,則 u,yT ≥0;(Γ)x(T)2 −(Γ)x(0)2和 T x Q) ( 分別 表示系統Σ的狀態變數所儲存與耗散之能量, 2 2 ) ( ) (P yT + R u T則描述系統Σ與其 它相連系統之能量交換狀況與互動情形。對應式(1)與(2),可定義一耗散矩陣, 0 ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 4 2 2 1       = t M t M t M t M t M T ,其組成元素為: ), ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 1 t C t P t C t Q t t A t t t A t M T T + + Γ + Γ + Γ = & ), ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 21 2 t t Bt C t C t P t Dt M =Γ − T + T ) ( )) ( ) ( ( ) ( ) ( ) ( ) ( 21 4 t D t P t Dt D t D t Rt M = T − + T + . 輔助定理 1 [1]:對於時間t∈[0,T]且T ≥0,若M(t)≤0,Γ(t)≥0和Q(t)≥0,則系 統Σ滿足π 分配特性,且具有相對應之π 係數 {Γ(t),Q(t),P(t),R(t)}。 定義 1 [1]:對於系統Σ,∀u(t)∈Rm, x(0)∈Rn,T≥0,若存在 γ L1, ,γ4∈R 滿足下 列條件: ) 0 ( 2 1 u x y T Tγ +γ (3) ) 0 ( ) ( supxtγ3 uT +γ4 x (4) 則系統Σ為π 穩定(π -stable)。

(5)

式(3)之條件描述系統輸入輸出的關係滿足L 穩定度,而式(4)則意謂當外界輸入2 0 ) (t = u 時,系統Σ具有李雅普諾夫穩定性(Lyapunov stability),亦即系統具內部 穩定性。在求得系統Σ的π 係數後,定義 1 中增益參數γ L1, ,γ4將可利用輔助定 理 2 間接地決定。 輔 助 定 理 2 [1,10] : 設 系 統 Σ 滿 足π 分 配 特 性 , 並 具 有 對 應 之 π 係 數 )} ( ), ( ), ( ), ( {Γ t Q t P t Rt 。 若 存 在 r0,p0,γR 使 得 對 所 有 t∈[0,T], T≥0 , 滿 足 , ) (t r0I RP(t)≥ p0I >0及Γ(t)≥γI >0,則系統Σ為π 穩定,此時, , ) 1 ( 0 0 1 p δ p γ = + , 0 0 2 γ p γ = , 4 3 γ ξ γ γ = = 其中 } , ) 1 ( , max{γ0 δ p0δ p0 γ0 p0 ξ = + + , δ = min{0,r0}, γ0=Γ(0) 最 大 的 特 徵 值 (eigenvalue)。 輔助定理 3 [1,10]:考慮圖一,系統Σ代表整個回授系統,其子系統 S1 及 S2 皆 滿足π 分配特性,分別對應π 係數{Γ1(t),Q1(t),P1(t),R1(t)},{Γ2(t),Q2(t),P2(t),R2(t)}。若 對所有t∈[0,T],T ≥0,使得R1(t)+P2(t)>0,則系統Σ滿足π 分配特性,而其對 應之π 係數為

}

. ) ( )] ( ) ( )[ ( ), ( ) ( , ) ( 0 0 ) ( , ) ( 0 0 ) ( )} ( ), ( ), ( ), ( { 2 1 2 1 1 2 1 2 1 2 1 t P t P t R t R t R t P t Q t Q t t t R t P t Q t − + +                Γ Γ = Γ 輔助定理 3 說明了π 分配理論中很重 要的一個優點,即整個回授系統所對應的π 係數,可以表示成個別子系統π 係數 的 組 合 。 此 外 , 由 上 述 輔 助 定 理 可 推 得 系 統Σ 為π 穩 定 的 充 分 條 件 是 , 0 ) ( 1 > Γ t Γ2(t)>0, P1(t)+R2(t)>0,及R1(t)+P2(t)>0。這也間接說明了,當一連結之 子系統雖產生能量,但另一子系統若能消耗更多之能量時,則閉迴路系統仍具穩 定性。 3.1.2 線性非時變系統 相對於線性時變系統,較為簡單的線性非時變系統的π 分配理論當可根據輔助定 理 1 導出,僅需假設π 係數{Γ(t),Q(t),P(t),R(t)}均為常數矩陣,將其計算方式簡 化為求解下列線性矩陣不等式: , 0 ) ( 2 1 2 1 2 1 ≤           + + − + − Γ + − Γ + + Γ + Γ R D D PD D PC D C B PD C C B PC C Q A A T T T T T T T T 0 ≥ Γ , Q≥0 (5) 並相繼得到類似輔助定理 2、3 的結果。

(6)

3.1.3 不確定系統 仿上述方式,我們將討論之問題推廣至範數界定不確定系統(norm-bounded uncertain system),ΣU,其狀態空間表示式如下: ), ( )) ( ( ) ( )) ( ( ) ( ) ( )) ( ( ) ( )) ( ( ) ( t u t D D t x t C C t y t u t B B t x t A A t x ∆ + + ∆ + = ∆ + + ∆ + = & (6) 其中,式(6)內之不確定參數滿足下列條件:

[

]

, () 1 ) ( ≤     =     ∆ ∆∆ ∆ H F t E E F t H D C B A y x y x (7) 根據式(2)之π 分配條件,並假設此系統的π 係數{Γ,Q,P,R}為常數矩陣,將式(6) 和(7)代入,利用特定矩陣不等式的輔助定理將其整理成線性矩陣不等式之形 式,所推得之結果其維數和複雜度較式(5)高,但因求解線性矩陣不等式具有高 度方便性,仍可計算π 係數以供穩定度分析之應用。 定理 1:若存在矩陣Γ,Q≥0,係數 , , , 1 0 4 1 3 1 2 1 > − − − ε ε ε ε ,使得MU ≤0且ε1IHzTPHz >0, 則系統ΣU滿足π 分配特性且具有相對應之π 係數{Γ,Q,P,R},其中, . 2 1 0 0 0 0 2 1 0 0 0 0 0 0 0 0 ) ( 0 0 0 0 0 0 2 1 2 1 ) ( 2 1 2 1 2 1 1 4 1 3 1 2 1 1 4 1 3 1 2 1 1 2 1 1 2 1 1 2 1            − − − − − Γ                     Γ                   + + + + + + + −           + + + − Γ           + + + − Γ         + + + + Γ + Γ = − − − − − − − − − I I I PH H I H PH D H H PH C H H H PD H PC H E E E E E E E E PD D R D D E E E E PC D C B E E E E PD C C B E E E E PC C Q A A M z T z z z T z x z T T z T z T x T z T z w T w x T x w T w w T w T T x T w x T w T T w T x w T w T T x T x x T x T T U ε ε ε ε ε ε ε ε ε ε ε ε ε ε 3.2 π 分配理論應用—PID 控制器設計 今考慮一線性非時變之方陣系統,希望透過控制器的設計,使得整個回授系統能

(7)

達到π 穩定。如圖二所示,r 為參考輸入訊號,假設不考慮干擾訊號 w 的影響。 受控體(plant)表示成: ), ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 1 1 1 t u D t x C t y t u B t x A t x p p p p + = + = & 其中,x(t)∈Rn, u1(t),y1(t)∈Rm, p p p p B C D A, , , 為已知的常數矩陣。而欲設計之 PI 控制器可表示成: ), ( ) ( ) ( ) ( ) ( 2 2 2 t u D t x C t y t u B t x c c c c c + = = & 其中, xc( ), 2( ), 2() , m t y t u tR Bc,Cc,Dc為欲求之常數矩陣。通常Bc可假設已給定或 預設為單位矩陣 I,因此,整個設計的問題,就是找到合適的積分增益Cc(I-gain) 和比例增益Dc(P-gain)。 以前述π 分配理論為基礎,得到所對應的穩定條件共有: 0 2 / ) ( ) 2 / ( 2 / , 0 , 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ≤         + + − + − Γ + − Γ + + Γ + Γ ≥ > Γ R D D D P D D P C C B D P C C B C P C Q A A Q p T p p T p T p T p T p p p T p T p p p T p p T p (8) 0 2 / ) ( ) 2 / ( 2 / , 0 , 0 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 ≤       + + − + − Γ + − Γ + ≥ > Γ R D D D P D D P C C D P C C C P C Q Q c T c c T c T c T c T c c T c T c c T c (9) , 0 2 1+R > P R1 +P2 >0,P2 <0. (10) 整個設計流程概略區分成兩個步驟: 步驟一:以 ,Γ1 Q1, P1, R1,P2, R 為變數,求解以不等式(8)與(10)為條件之 LMI 問2 題。 步驟二:若步驟一存在一合適解(feasible solution),則令 , ) ( 1 12 21 21 2 4 1 2 2 1 2 − − − + + − = P R P Z P Dc , ) ( 21 1 2 2− Γ − = − m T c c D P I C 其中,任取Γ2 >0,Q2≥0,及滿足 0 1 2 4 1 2− + > − Z P R 之正定Z。 必須注意的是,此設計結果受限於不等式(8)中Dp必須是非奇異(non-singular)的 限制。因此,當Dp為奇異時,我們前饋(feedforward)補償一個高通濾波器於原受 控體,圖三所示,使得擴增受控體(augmented plant)之直接轉換增益矩陣變成

(8)

f p D D + 且為非奇異。換言之,所設計的控制器將相當於 PID 形式的控制器。更 詳細的內容描述與成果,請參考[13]。 3.3 廣義π 分配理論 由於π 分配理論的推導,必須先假設系統Σ之外界輸入變數維數等於輸出變數維 數。因此,對於非方陣系統,前述π 分配理論便無法完全適用。針對此一限制, 我們重新定義以下的廣義π 分配理論。目前僅針對線性非時變系統做討論。線性 非時變系統Σ0之狀態空間表示式為: ), ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( t Du t Cx t y t Bu t Ax t x + = + = & (11) 其中,x(t)∈Rn, y(t)∈Rp,u(t)∈Rm定義 2:對於系統Σ0,∀ T≥0,若x(t), y(t),u(t) 滿足下列條件: ) ( ) ( ) ( ) 0 ( ) ( ) ( ) ( , 2 2 2 2 2 T T T T u R y P x Q x T x Sy u + + + Γ − Γ ≥ (12) 則 系 統Σ0具 有π 分配特性,且存在相對應之 π 係數 {S,Γ,P,Q,R}, 其 中 , n n Q∈ × Γ, R 為半正定矩陣,PRp×p,RRm×m為對稱矩陣,SRm×p。 將式(11)代入式(12)中,可得等效條件: , 0 ) ( 2 1 2 1 2 1 ≤           + + − + − Γ + − Γ + + Γ + Γ R S D SD PD D PC D SC B PD C S C B PC C Q A A T T T T T T T T T T 0 ≥ Γ ,Q≥0. (13) 式 (13) 為 一 組 以{S,Γ,P,Q,R}為 變 數 之 線 性 矩 陣 不 等 式 , 給 定 系 統 資 訊 } , , , {ABC D ,將可有效率地計算π 係數。在求得系統所對應之π 係數後,定義 1 中增益參數γ L1, ,γ4,將可利用定理 2 決定。 定理 2:假設系統Σ0滿足π 分配特性,並具有對應之π 係數{S,Γ,P,Q,R}。若存在 Rγ , , 0 0 p r ,滿足Rr0I,Pp0I >0及Γ≥γI >0,則系統Σ0為π 穩定。此時, , ) ( 0 0 0 1 s p γ = + , 0 0 2 γ p γ = , 4 3 γ ξ γ γ = = 其中,s0= Sδ = min{0,r0}, Γ = 0 γ 的最大特徵值,

(9)

} , ) ( , max{γ0 δ s0 p0δ p0 γ0 p0 ξ = + + 。 定理 3:考慮圖一,系統Σ0代表整個回授系統,其子系統 S1 及 S2 分別滿足π 分 配特性,並分別對應π 係數{S1,Γ1,P1,Q1,R1}及{S2,Γ2,P2,Q2,R2}。則系統Σ0滿足π 分配特性且其對應之π 係數為 . 0 0 , ) ( ) ( , 0 0 , 0 0 , 2 2 } , , , , { 2 1 1 2 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 2 1 1                + ′ − − ′ +                Γ Γ       − = Γ R R R P S S S S R P Q Q S R R S R P Q S 同時,若S1′=S2,Γ1>0, Γ2 >0,P1+R2 >0,及R1+P2 >0,則系統Σ0為π 穩定。 3.4. π 分配理論與耗散性理論之比較 耗散性理論可視為被動性理論的推廣。由能量觀點,系統之輸入訊號u(t)、 輸出訊號y(t)與系統狀態變數x(t),若滿足耗散不等式V&(x(t))≤w(u(t),y(t)),其

V(x)為正定貯存 函數(storage function),w(u,y)為供給率函 數(supply rate

function),則此系統具耗散性。對線性非時變系統,若系統具被動性,即耗散性 之特例,經正實性輔助定理(positive real lemma)可推論系統之轉移函數具正實 性。耗散性理論在回授系統穩定度問題的研究上深具重要性。對相互連結之回授 耗散系統,若各子系統均具耗散性,則閉迴路系統在滿足某些條件下將具內部穩 定性或輸入與輸出穩定性。與π 分配特性及π 穩定性相比較,系統具π 分配特 性,則其輸入訊號u(t)、輸出訊號y(t)和狀態變數x(t)滿足 ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )] ( ) ( [ ) ( ) ( t Qx t x t Ru t u t Py t y t x t x dt d t Sy t u T T T T T + + + Γ ≥ 其中,Γ,Q為半正定矩陣,P,R為對 稱矩陣,此條件來自上述廣義π 分配條件中不等式左右兩側對時間變數t 進行微 分所得。由此我們可瞭解此條件與耗散性理論之相異處僅於不等式中,π 分配理 論具二次項xT(t)Qx(t),其用來描述狀態變數在系統內部耗散能量之情況。由此 可知兩學理深具關連性,相同之處在於兩者均可用來判斷系統是否具有限增益、 被動性或正實性。對回授系統而言,兩理論具有相似條件的穩定度判斷法則。然 而,對於耗散性理論,欲保證此回授系統達到穩定,則要求各子系統均具耗散性。 相對的,由(輔助)定理 3 得知,回授系統的π 穩定性並不需強制要求各子系統皆 具耗散性,因此,由π 分配理論所得穩定度條件將較不具保守性。 四、結論 本年度我們針對線性時變與非時變系統建立了相關的π 分配特性與π 穩定性條 件,並以線性矩陣不等式的形式表現之。不僅提供相對應π 係數的計算方式,其

(10)

結果也應用在穩定性分析和線性非時變回授系統 PID 控制器設計上。此外,針 對不確定性系統,我們也獲得相關π 分配特性及條件,將作為未來計畫中,強健 回授控制器設計的基礎。同時,針對π 分配理論的既有限制,我們定義廣義π 分 配理論做為因應,在廣義π 分配理論的界定下,我們已完成針對線性非時變系統 的相關討論,此一結果,也將成為後續研究廣義π 分配理論的基礎。 五、計畫成果自評 本年度計畫的成果應是相當的豐富,除了以π 分配理論為應用之 PID 控制器設計 的研究成果[13]將在 2003 年 9 月於劍橋大學 ECC 年會上發表,關於系統具有馬 可夫跳動參數的先期研究成果[14],也將在 2003 年 8 月於日本福井大學 SICE 年 會上發表,此結果將成為第二年度計畫的基礎。 六、參考文獻

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圖一 圖二

Plant

PI-Controller

1

u

2

u

1

y

2

y

r

w

+ _

+_

Plant

PI-Controller

1

u

2

u

1

y

2

y

r

w

+ _

+_

Plant

1

u

y

1

w

+ _

1

Plant

u

y

1

w

+ _

f

D

s

s

α

+

+

+

1

ˆ

y

Plant

1

u

y

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參考文獻

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