دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس...

51

description

دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387. MPC with Laguerre Functions. کنترل پيش بين-دکتر توحيدخواه. Recall:. Discrete-time Laguerre Networks. - PowerPoint PPT Presentation

Transcript of دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس...

Page 1: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387
Page 2: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

دانشگاه صنعتي اميركبيردانشكده مهندسي پزشكي

استاد درسدكتر فرزاد توحيدخواه

1387بهمن

بين-دکتر کنترل پيشتوحيدخواه

MPC with Laguerre Functions

Page 3: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

Recall:

Page 4: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

Discrete-time Laguerre Networks

Page 5: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

Where a is the pole of the discrete-time Laguerre network, and 0 ≤ a < 1 for stability of the network. The free parameter, a, is required to be selected by the user; this is also called the scaling factor. The Laguerre networks are well known for their orthonormality.

Page 6: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

Discrete Laguerre network

Page 7: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387
Page 8: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

Inverse z-transform

Page 9: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

For example

Page 10: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

The orthonormality in time domain:

Page 11: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

The Special Case when a = 0

Page 12: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

Laguerre functions become a set of pulses when a = 0.

Page 13: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

Example1

The difference equation for the first three Laguerrefunctions is:

Page 14: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

with a = 0.5, the Laguerre functions decay to zero in less than 15 samples. By contrast, with a = 0.9, the Laguerre functions decay to zero at a much slower speed (approximately 50 samples are required). Also, the initial values for the Laguerre functions with the smaller a value are larger than the corresponding functions with a larger a, particularly with the first function in each set.

Page 15: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

To investigate the orthonormal property of the Laguerre functions, we calculate the finite sums, for a = 0.5 (S1) and for a = 0.9 (S2)

Page 16: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

We increase the number of samples from 50 to90, and a = 0.9, we obtain that:

Page 17: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

Use of Laguerre Networks in System Description

Page 18: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

Impulse response of a stable system is H(k), then with a given number of terms N, H(k) is written as:

Page 19: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

MATLAB Tutorial: Use of Laguerre Functions in System Modelling

Page 20: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387
Page 21: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

when a = 0 which was the case of the pulse operator, there are 60 parameters required to capture the response. However, with the Laguerre polynomial with a = 0.8, there were only 4 parameters required to perform the same task.

Page 22: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

Design Framework

Page 23: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387
Page 24: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

Within this design framework, the control horizon Nc from the previous approach has vanished. Instead, the number of terms N is used to describe the complexity of the trajectory in conjunction with the parameter a. For instance, a larger value of a can beselected to achieve a long control horizon with a smaller number of parameters N required in the optimization procedure. We note that when a = 0, N = Nc

Page 25: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387
Page 26: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

Cost Functions

Page 27: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387
Page 28: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

Orthonormal properties of the Laguerre functions

with a sufficiently large prediction horizon Np so that:

Page 29: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

Discrete-time linear quadratic regulators (DLQR)

Page 30: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

A- Regulator Design where the Set-point r(k) = 0

if Q is chosen to be CTC both equations are the same:

The purpose of the control is to maintain closed-loop stability and reject disturbances occurring in the plant.

Page 31: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

B- Inclusion of Set-point Signal r(k) ≠ 0

Page 32: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

Cost function:

Page 33: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

Minimization of the Objective Function:

Page 34: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387
Page 35: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387
Page 36: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

For simplicity of the expression, we define:

Page 37: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

The Minimum of the Cost

Page 38: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387
Page 39: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

To compute the prediction, the convolution sum

needs to be computed.

Page 40: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387
Page 41: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

Receding Horizon Control

Page 42: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387
Page 43: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387
Page 44: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

The Optimal Trajectory of Incremental Control

Page 45: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

Example 2. Suppose that a first-order system is described by the state equation:

Page 46: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

Examine solutions where N increases from 1 to 4

Page 47: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387
Page 48: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387
Page 49: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387
Page 50: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

Convergence of the Incremental Control Trajectory

The optimal controller that minimizes the cost function is also called a discrete-time linear quadratic regulator (DLQR):

Page 51: دانشگاه صنعتي اميركبير دانشكده مهندسي پزشكي استاد درس دكتر فرزاد توحيدخواه بهمن 1387

Example 3