Reglerteori, TSRT09. Föreläsning 4: Kalmanfiltret & det slutna systemet. Torkel Glad. Reglerteknik, ISY, Linköpings Universitet



Relevanta dokument
TSRT09 Reglerteori. Sammanfattning av Föreläsning 3. Sammanfattning av Föreläsning 3, forts. Sammanfattning av Föreläsning 3, forts.

Reglerteori. Föreläsning 4. Torkel Glad

TSRT91 Reglerteknik: Föreläsning 12

REGLERTEKNIK KTH. REGLERTEKNIK AK EL1000/EL1110/EL1120 Kortfattade lösningsförslag till tentamen , kl

Reglerteori. Föreläsning 3. Torkel Glad

TSRT91 Reglerteknik: Föreläsning 11

Reglerteknik, TSIU 61

TSRT91 Reglerteknik: Föreläsning 10

Reglerteori. Föreläsning 5. Torkel Glad

Fredrik Lindsten Kontor 2A:521, Hus B, Reglerteknik Institutionen för systemteknik (ISY)

TSRT09 Reglerteori. Sammanfattning av föreläsning 5: RGA, IMC. Föreläsning 6. Sammanfattning av föreläsning 5: LQG. Föreläsning 6: LQ-reglering

Reglerteknik 6. Kapitel 10. Köp bok och övningshäfte på kårbokhandeln. William Sandqvist

Välkomna till TSRT19 Reglerteknik Föreläsning 10

Reglerteknik, TSIU 61

Lösningsförslag till tentamen i Reglerteknik fk M (TSRT06)

TSRT09 Reglerteori. Sammanfattning av Föreläsning 1. Sammanfattning av Föreläsning 1, forts. Sammanfattning av Föreläsning 1, forts.

Signalanalys med snabb Fouriertransform

Tentamen i reglerteknik SSY310/ERE091. Torsdagen den 4 juni 2015 kl. 14:00

Föreläsning 7. Reglerteknik AK. c Bo Wahlberg. 26 september Avdelningen för Reglerteknik Skolan för elektro- och systemteknik

Föreläsning 9. Reglerteknik AK. c Bo Wahlberg. 30 september Avdelningen för reglerteknik Skolan för elektro- och systemteknik

A. Stationära felet blir 0. B. Stationära felet blir 10 %. C. Man kan inte avgöra vad stationära felet blir enbart med hjälp av polerna.

Reglerteknik M3, 5p. Tentamen

Reglerteknik Z2. Kurskod: SSY 050 och ERE080. Tentamen

Överföringsfunktioner, blockscheman och analys av reglersystem

Reglerteknik I: F10. Tillståndsåterkoppling med observatörer. Dave Zachariah. Inst. Informationsteknologi, Avd. Systemteknik

Välkomna till TSRT15 Reglerteknik Föreläsning 12

TENTAMEN I REGLERTEKNIK

Reglerteknik M3. Inlämningsuppgift 3. Lp II, Namn:... Personnr:... Namn:... Personnr:...

STYRNING AV PORTFÖLJER MED FLERA TILLGÅNGAR

MODELLERING AV DYNAMISKA SYSTEM OCH INLUPP 2

TENTAMEN I REGLERTEKNIK Y/D

TENTAMEN I TSRT91 REGLERTEKNIK

Reglerteknik 1. Kapitel 1, 2, 3, 4. Köp bok och övningshäfte på kårbokhandeln. William Sandqvist

TSRT91 Reglerteknik: Föreläsning 9

TSIU61: Reglerteknik. Tillståndsbeskrivning. Lite om tillstånd och återkoppling

Välkomna till TSRT19 Reglerteknik M Föreläsning 9

Reglerteori, TSRT09. Föreläsning 8: Olinjäriteter och stabilitet. Torkel Glad. Reglerteknik, ISY, Linköpings Universitet

Tentamen i TTIT07 Diskreta Strukturer

Robust navigering med ett tätt integrerat GPS/INS och adaptiv lobformning. Johan Malmström 14 april 2003

Välkomna till TSRT19 Reglerteknik Föreläsning 12

Dagens tema. Fasplan(-rum), fasporträtt, stabilitet (forts.) (ZC sid 340-1, ZC10.2) Om högre ordnings system (Tillägg)

Lösningsförslag TSRT09 Reglerteori

TENTAMEN I DYNAMISKA SYSTEM OCH REGLERING

TSRT91 Reglerteknik: Föreläsning 2

1RT490 Reglerteknik I 5hp Tentamen: Del A Tid: Torsdag 15 december 2016, kl

TENTAMEN I REGLERTEKNIK Y TSRT12 för Y3 och D3. Lycka till!

AUTOMATIC CONTROL REGLERTEKNIK LINKÖPINGS UNIVERSITET. M. Enqvist TTIT62: Föreläsning 2. Här är

Elektromagnetiska fält och Maxwells ekavtioner. Mats Persson

Exempel: DC-servo med styrsignalmättning DEL III: OLINJÄR REGLERTEORI. DC-servo forts.: Rampsvar och sinussvar

Flervariabel reglering av tanksystem

Tentamen i Sannolikhetslära och statistik (lärarprogrammet) 12 februari 2011

TSIU61: Reglerteknik. Sammanfattning från föreläsning 3 (2/4) ˆ PID-reglering. ˆ Specifikationer. ˆ Sammanfattning av föreläsning 3.

TENTAMEN I REGLERTEKNIK Y/D

1RT490 Reglerteknik I 5hp Tentamen: Del A Tid: Onsdag 22 augusti 2018, kl

Välkomna till TSRT19 Reglerteknik M Föreläsning 9

TSIU61: Reglerteknik. PID-reglering Specifikationer. Gustaf Hendeby.

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings universitet

Föreläsning 8. Reglerteknik AK. c Bo Wahlberg. 27 september Avdelningen för reglerteknik Skolan för elektro- och systemteknik

TENTAMEN I DYNAMISKA SYSTEM OCH REGLERING

Lösningsförslag till tentamen i Reglerteknik (TSRT19)

Figur 2: Bodediagrammets amplitudkurva i uppgift 1d

Figure 1: Blockdiagram. V (s) + G C (s)y ref (s) 1 + G O (s)

Processidentifiering och Polplacerad Reglering

Reglerteknik, TSIU 61

2. Reglertekniska grunder

TENTAMEN Reglerteknik 3p, X3

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings universitet

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings universitet

Designspecifikation. LiTH Autonom styrning av mobil robot Martin Elfstadius. Version 1.0. Status. TSRT71 Reglerteknisk projektkurs

REGLERTEKNIK KTH. REGLERTEKNIK AK EL1000/EL1110/EL1120 Kortfattade lösningsförslag till tentamen , kl

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings universitet

TENTAMEN Reglerteknik 4.5hp X3

Innehåll. Vad är reglerteknik? Forskning inom processtyrning - Resurseffektiv avloppsvattenrening genom reglerteknik

Föreläsning 14-16, Tillståndsmodeller för kontinuerliga system

TENTAMEN I TSRT91 REGLERTEKNIK

a), c), e) och g) är olikheter. Av dem har c) och g) sanningsvärdet 1.

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings universitet

1RT490 Reglerteknik I 5hp Tentamen: Del A Tid: Onsdag 23 augusti 2017, kl

1RT490 Reglerteknik I 5hp Tentamen: Del A Tid: Torsdag 17 mars 2016, kl

Uppgift 2 Betrakta vädret under en följd av dagar som en Markovkedja med de enda möjliga tillstånden. 0 = solig dag och 1 = regnig dag

Föreläsning 1 Reglerteknik AK

En trafikmodell. Leif Arkeryd. Göteborgs Universitet. 0 x 1 x 2 x 3 x 4. Fig.1

TENTAMEN REGLERTEKNIK TSRT15

En ideal op-förstärkare har oändlig inimedans, noll utimpedans och oändlig förstärkning.

TENTAMEN I REGLERTEKNIK Y/D

Välkomna till TSRT15 Reglerteknik Föreläsning 2

Elektro och Informationsteknik LTH Laboration 4 Tidsplan, frekvensplan och impedanser

Laboration i Fourieranalys, TMA132 Signalanalys med snabb Fouriertransform

Reglerteknik AK, FRTF05

Välkomna till TSRT19 Reglerteknik Föreläsning 3. Sammanfattning av föreläsning 2 PID-reglering Blockschemaräkning Reglerdesign för svävande kula

ERE103 Reglerteknik D Tentamen

k x om 0 x 1, f X (x) = 0 annars. Om Du inte klarar (i)-delen, så får konstanten k ingå i svaret. (5 p)

Tentamen i Systemteknik/Processreglering

Transkript:

Reglerteori, TSRT09 Föreläsning 4: Kalmanfiltret & det slutna systemet Reglerteknik, ISY, Linköpings Universitet

Sammanfattning av Föreläsning 3 2(19) Kovariansfunktion: Spektrum: R u (τ) = Eu(t)u(t τ) T Φ u (ω) = Storleksmått (kovariansmatris): R u (τ)e iωτ dτ R u = R u (0) = 1 Φ u (ω) dω 2π Vitt brus: Φ u (ω) = konstant

Sammanfattning av Föreläsning 3, forts. 3(19) Spektralfaktorisering: Varje spektrum kan tänkas genererat genom att vitt brus passerar ett linjärt system. y = Gu Φ y (ω) = G(iω)Φ u (ω)g T ( iω)

Sammanfattning av Föreläsning 3, forts. 4(19) Vitt brus in på tillståndsform: ẋ = Ax + Bv v vitt brus med intensitet/spektraltäthet R. Kovariansmatrisen Π x = R x (0) ges av Lyapunovs ekvation: AΠ x + Π x A T + BRB T = 0

Sammanfattning av Föreläsning 3, forts. 5(19) Kalmanfilter: Optimal observatör för ẋ = Ax + Bu + Nv 1, y = Cx + v 2 v 1, v 2 okorrelerade vita brus med spektraltätheterna R 1, R 2. Optimal observatörsförstärkning: K = PC T R 1 2 där P ges av den algebraiska Riccatiekvationen: AP + PA T PC T R 1 2 CP + NR 1N T = 0 P är den resulterande kovariansen för skattningsfelet.

När kan den algebraiska Riccatiekvationen lösas? 6(19) Om R 2 > 0, R 1 0 och 1. paret A, C detekterbart (dvs den instabila delen av systemet observerbar) 2. paret A, NR 1 N T stabiliserbart (den instabila delen styrbar från bruset ) så finns en lösning P 0 till den algebraiska Riccatiekvationen så att alla egenvärden till A KC har realdelar < 0. Villkor 1 är precis kravet på att över huvud taget kunna stabilisera observatören. Villkor 2 är ett mera matematiskt-tekniskt krav.

Kommentar till Kalmanfiltret 7(19) Man kan visa att Kalmanfiltret är den observatör som minimerar kovariansmatrisen P för skattningsfelet x. Se appendix 5.1. Man kan visa att Kalmanfiltret minimerar medelkvadratfelet bland alla linjära kausala filter. Om bruset är gaussiskt (normalprocesser) är Kalmanfiltret optimalt även jämfört med alla olinjära filter. Skattningen av x(t) blir det betingade väntevärdet, givet alla mätningar fram till tiden t.

Sensorfusion 8(19) Ofta måste man väga samman signaler från olika mätgivare som har olika noggrannhet. För navigationssystem i fartyg, flygplan, bilar,... väger man samman Lägesinformation: GPS, radiofyrar, optisk pejling,... Hastighetsinformation: dopplerradar, hjulrotationshastighet, gyron (vinkelhastighet),... Accelerationsmätning: accelerometrar,...... En viktig poäng med denna sammanvägning är att en sensors dåliga sidor kan hjälpas upp med en annan sensor som inte har samma dåliga sidor.

Sensorfusion 8(19) Principfall med två oberoende skattningar ˆx 1 och ˆx 2 av samma tillståndsvektor x. Kovariansmatriser för skattningarna: P 1 och P 2. Fusion av de båda skattningarna till en enda ˆx ˆx = P((P 1 ) 1 ˆx 1 + (P 2 ) 1 ˆx 2 ) P = ((P 1 ) 1 + (P 2 ) 1 ) 1 Kalmanfiltret gör den optimala sammanvägningen: sensorfusion.

Enkel sensorfusion: läge hastighet 9(19) w x, x 1 2 Rörelse i en dimension: x 1 läge, x 2 hastighet. Accelerationen varierar slumpvis kring noll: modelleras som vitt brus, w. Läges- och hastighetsmätning: y 1 respektive y 2. Läge och hastighet mäts med mätfel v 1 respektive v 2.

Enkel sensorfusion: läge hastighet 9(19) w x, x 1 2 Modell: w, v okorrelerade ẋ = [ ] 0 1 x + 0 0 y = x + v [ ] 0 w 1 [ ] r1 0 R 1 = 1, R 2 = 0 r 2

Kalmanfilter: Bodediagram - Lägesskattning 10(19) 10 2 lägesmätning till lägesskattning till lägesskattning 5hastighetsmätning 10 10 0 10 2 10 0 10 4 10 2 10 0 10 2 10 5 10 2 10 0 10 2 Bra lägesmätning & dålig hastighetsmätning (r 1 liten, r 2 stor): ˆx 1 y 1 + 0 y 2 Dålig lägesmätning & bra hastighetsmätning (r 1 stor, r 2 liten): ˆx 1 0 y 1 + y 2

Kalmanfilter: Bodediagram - Lägesskattning 10(19) 10 2 lägesmätning till lägesskattning till lägesskattning 5hastighetsmätning 10 10 0 10 2 10 0 10 4 10 2 10 0 10 2 10 5 10 2 10 0 10 2 Bra lägesmätning & dålig hastighetsmätning (r 1 liten, r 2 stor): ˆx 1 y 1 + 0 y 2 Dålig lägesmätning & bra hastighetsmätning (r 1 stor, r 2 liten): ˆx 1 0 y 1 + y 2

Kalmanfilter: Bodediagram - Hastighetsskattning 10(19) till hastighetsskattning 5lägesmätning 10 hastighetsmätning till hastighetsskattning 10 0 10 0 10 5 10 2 10 10 10 2 10 0 10 2 10 4 10 2 10 0 10 2 Bra lägesmätning & dålig hastighetsmätning (r 1 liten, r 2 stor): ˆx 2 d dt y 1 + 0 y 2 Dålig lägesmätning & bra hastighetsmätning (r 1 stor, r 2 liten): ˆx 2 0 y 1 + y 2

Kalmanfilter: Bodediagram - Hastighetsskattning 10(19) till hastighetsskattning 5lägesmätning 10 hastighetsmätning till hastighetsskattning 10 0 10 0 10 5 10 2 10 10 10 2 10 0 10 2 10 4 10 2 10 0 10 2 Bra lägesmätning & dålig hastighetsmätning (r 1 liten, r 2 stor): ˆx 2 d dt y 1 + 0 y 2 Dålig lägesmätning & bra hastighetsmätning (r 1 stor, r 2 liten): ˆx 2 0 y 1 + y 2

Kalmanfilter: Bodediagram - Sammanfattning 10(19) 10 2 lägesmätning till lägesskattning till lägesskattning 5hastighetsmätning 10 10 0 10 2 10 0 10 4 10 2 10 0 10 2 till hastighetsskattning 5lägesmätning 10 10 5 10 2 10 0 10 2 hastighetsmätning till hastighetsskattning 10 0 10 0 10 5 10 2 10 10 10 2 10 0 10 2 10 4 10 2 10 0 10 2 Alltså: Hög brusintensitet på en mätning Filtret litar inte så mycket på den mätningen (relativt sett).

DEL II: LINJÄR REGLERTEORI 11(19) Föreläsning 4: Det slutna systemet Föreläsning 5: Regulatorstrukturer Föreläsning 6: LQ-reglering Föreläsning 7: Att forma kretsförstärkningen Föreläsning 11-12: Specifikationer och begränsningar

DEL II: LINJÄR REGLERTEORI 11(19) Föreläsning 4: Det slutna systemet Föreläsning 5: Regulatorstrukturer Föreläsning 6: LQ-reglering Föreläsning 7: Att forma kretsförstärkningen Föreläsning 11-12: Specifikationer och begränsningar

Det slutna systemet 12(19) Det kanoniska blockschemat Stabilitet för det slutna systemet Känslighet Robusthet Önskemål

Det slutna systemet: viktiga signaler 13(19) u, styrsignalen z, det vi vill styra r, referenssignal, det vi vill att z skall vara y, utsignal, det vi mäter Störningar w u, störning på ingången w, störning på utgången n, mätstörning Det kanoniska blockschemat w u w n r F r Σ u G F y Σ z Σ y Ofta är y = z + n För linjära system har u formen u = F r (s)r F y (s)y

Det slutna systemet: viktiga överföringsfunktioner 14(19) Överföringsfunktioner: G c = (I + GF y ) 1 GF r S = (I + GF y ) 1 S u = (I + F y G) 1 w u w n r F r Σ u G F y Σ z Σ y T = (I + GF y ) 1 GF y Signalsamband: z = G c r + Sw Tn + GS u w u u = S u F r r S u F y (w + n) + S u w u

Stabilitet för det slutna systemet 15(19) Betrakta det slutna systemet som ett system med insignaler w u, w och utsignaler u, y (för tillfället är alltså r = 0, n = 0). [ ] [ ] [ ] y GSu S wu = u S u S u F y w Om G och F y representeras av styr- och observerbara tillståndsbeskrivningar går det att visa att det återkopplade systemet i (1) också blir styr- och observerbart. Om man kontrollerar alla fyra överföringsfunktionerna (1) GS u, S, S u, S u F y kommer man därför att hitta alla poler till systemet (och kan speciellt kontrollera stabiliteten).

Känslighet 16(19) I praktiken känner man inte systemet exakt. Låt z = G c r = (I + GF y ) 1 GF r r för modellen G. Antag att sanna systemet är G 0 = (I + G )G Då blir z 0 = (I + z )z, z = S 0 G, S 0 = (I + G 0 F y ) 1 Eftersom G 0 ej känd måste S 0 i praktiken approximeras av S = (I + GF y ) 1 Tolkning: S är förstärkningen från modellfel till signalfel.

Robusthet 17(19) Hur stora modellfel G kan man ha utan att stabiliteten i det slutna systemet äventyras? Om G T < 1 så är det slutna systemet fortfarande stabilt. Detta är i sin tur uppfyllt om T(iω) < 1 G (iω), alla ω

Önskemål 18(19) I G c liten Reglerstorheten ska följa referenssignalen. S liten Systemstörningar och modellfel ger liten inverkan på reglerstorheten (utsignalen). T liten Mätstörningar ger liten inverkan på reglerstorheten (utsignalen) och så att modellfel inte äventyrar stabiliteten. G ru och G wu små Insignalen u ska vara måttlig. Men notera att S + T = I G c = GG ru

Sensorfusion för platooning 19(19) Tillgängliga mätningar: Sensorer i bilen via CAN-bussen (t.ex. hastighet). GPS. Avstånd till fordonet framför via radar. Andra bilars tillståndsskattning via Wifi. Fusionera till en tillståndsskattning (hastighet, position, mm.) med Kalmanfilter.