TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 11, Novembe r   2014, pp. 77 1 6  ~ 772 0   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i11.66 03          7716     Re cei v ed  Jun e  26, 2014; Revi sed Aug u st  28, 2014; Accepted Sept em ber 15, 20 14   Solving Method of H-infinity Model Mat c hing Based on  the Theory of the Model Reduction         Li Minzhi*, Cao Xinjun  T he School of Electron ics an d Information E ngi neer in g,  La nzho u Jia o tong  Universit y , La nzho u, Chi n a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : sqlmz@sin a .com      A b st r a ct  Peop le  used t o  solv e hi gh- o r der  H  mo del  matchin g  b a sed  on  H  control t heory, it is t o o   difficult. In this pap er, w e  use mo de l reducti o n  theory to sol v e hig h -ord er  H  mo de l matchin g  prob le m, A   new  method t o  solv H  mod e match i ng  p r obl em  bas ed  on the th eor y of the  mod e l re ductio n  i s   prop osed  T h e si mulati on  re sults sh ow  that  the  metho d   h a s b e tter a ppl i c abil i ty a n d  ca n g e t the  ex pe cted  perfor m a n ce     Ke y w ords hi g h -ord er mode l, reducti on the o r y H  mo de l matchin g     Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  H  optimal  control theo ry of linear sy stems  is a  ne w ki n d  of de sign   method  devel oped   in the end of  1980, an d is the very a c tive frontie r subj ect in  cu rre nt co ntrol  theory. In many   control  syste m s, in  o r de r to imp r ove   the st e ady a nd dyn a mic  perfo rman ce  of  system,  the  approp riate  corre c tion d e vice ne ed s to be  add ed in the  system, ma king th e ou tput  cha r a c t e ri st ic s of  t h e  sy st em m eet  all  of the de ma nd for pe rfor mance  spe c if ics. T h is is t he  model m a tch i ng p r oble m . In solvin g the mo del m a tchin g  p r obl em, it is m o stly solved   by  conve r ting to  H  standa rd con t rol pro b lem [1-2]. Che n  Yongjin p r op osed a kind of u pper b oun d   method of sea r ching fo r multi-blo cks of model  matching [ 3 ]. Zhuge  Hai propo se d an  approximate  method  of impre c ise mo de l matchi ng  [4] .  These meth ods  are ea sy  to be a c hi eved  for gen eral  systems, but t hese metho d s  are mo re complicated fo r high o r d e system m ode l.  Moore propo sed th e bala n c e o r de r redu ction p r obl em  of system in  1981 [5], the n  the metho d  is   improve d  co n s tantly [6], and some n e redu ction alg o r ithms  were p u t forwa r d [7-9].  Due to th e hi gh o r de r p r ob lem of sy ste m  model i n   H  model m a tchi ng, co mbinin g with   the  model order redu ction   theory,  H  mod e l matchi ng resolvin g met hod i s  propo sed ba sed  on   model  red u cti on the o ry. Th e an alysis an d sim u lation   sho w  th at the  method  ha good  matchin g   cha r a c t e ri st ic s.       2.  H  Model Matching Probl em    Ps K s z y u w     Figure 1. Prin ciple Fig u re o f   H  Standard Proble m       I n  co nt rol  sy st em,  ma ny   H  optimization  pro b lem s   of different  re q u irem ents ca n be  conve r ted int o   H  sta nda rd  probl em. As  sho w n i n  fig.1,  w is the  external in put,  z  is cont ro l   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Solving M e th od of H-infinit y  Model M a tching Based o n  the Theo ry  of the Model … (Li Min z hi)  7717 output, an u  is  the  control   input,  y  is th e outp u t of  measurement Ps  is the  gen erali z ed  controlled o b j e ct,  Ks  is desi g n ed co ntrolle r.   State equatio n of the gene ralized obj ect Ps  is described  as:     12 x Ax B w B u                                                       (1)    11 1 1 2 zC x D w D u                                                    (2)    22 1 2 2 y Cx D w D u                                                     (3)    Tran sfe r  function is:     12 11 12 11 1 1 2 21 22 22 1 2 2 A BB PP Ps C D D PP CD D                                                  (4)    Usi ng the lin ear fractio nal  transfo rm ati on (L FT), tra n sfer fu nctio n  from  w  to  z  ca n be  descri bed a s :      1 11 12 22 21 , l GF P K P P K I P K P                                     (5)    The  H  stand ard co ntrol  pro b lem i s  for  regul ar  co ntroller K , ma k i ng   th e  c l os ed - l oo p   of system sta b le, and  , l FP K  less than a given , 0     w z 1 T G 2 T K     Figure 2. Matchin g  Prin cipl e Figure of  H  Standard Co ntrol Model       H  standa rd  co ntrol mod e l matchin g  is  sho w n a s  Fi gure 2.  Usi n g three tra n s fer  function  matri x  seri es 1 T , K , 2 T  to approa ch tra n sfer fun c tion   G , the ap proximation d egre e  will   be mea s u r ed  by  12 GT K T . The gene ralized contro lled obje c t:     1 2 0 GT Ps T                                                             (6)    The co ntroll er is:    K K                                                                  (7)    A measure  of model m a tch i ng de gre e  ca n be exp r e s sed a s 12 GT K T . When  1 T  an d   2 T  are  reversibl e , then  the  e x pressio n   of  model  matchi ng m e a s ure m ent i s 11 12 TG T K  . So 11 12 ˆ GT G T  , r GK , then, solving proble m   of  H  model m a tchin g  can  be tran sfo r m ed into  solving the m odel re du ctio n probl em s, makin g   ˆ r GG  withi n  a requi re d range.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 11, Novem ber 20 14:  77 16 – 772 0   7718 To make   ˆ A B Gs CD      a balan ce a c hiev ement.  Definition 1.  Controllability  and ob servability Gram  m a trix of  system  A BC D ,, are   defined  sep a rately as follo ws:     0 At T A t Pe B B e d t                                                        (8)    0 At T A t Qe C C e d t                                                          (9)    A  den otes th e  tran spo s e  of  matrix  A . It can b e  seen  that the t w matrices are  symmetri c   positive semi-definite matri x es, whi c h sa tisfy the Lyapunov equ atio n belo w   0 AP P A BB                                                     (10)    0 QA A Q C C                                                      (11)    Diag onali z ati on of the matrix , PQ , then:     11 12 1 (, , , , ) kk n TP T T Q T d i ag                               (12)    Whe r 12 1 0 kk n      The sy stem   A BC D ,,  and  can be  separated into  blocks:     11 12 1 12 21 22 2 ,, AA B A BC C C AA B                                           (13)    12                                                        (14)    Whe r () () 12 , k k nk nk RR   Theo rem  [6]. Given a s ymptotically  stabl e mini mum  system   ˆ G  ha s Lya p unov  equilibrium form as follows:     11 12 1 21 22 2 12 ˆ A AB AB G s AAB CD CC D                                                     (15)    And there a r e :       12 () PQ d i a g                                                    (16)    Whe r 11 (, ) k di ag  21 (, ) kn dia g    Red u ced ord e r model   11 1 1 r A B Gs CD  which is trun cate d is asymptot ically stable a nd  minimum sy stem, and meet Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Solving M e th od of H-infinit y  Model M a tching Based o n  the Theo ry  of the Model … (Li Min z hi)  7719      1 ˆ 2 rk n Gs G s                                           (17 )   The re du ced  orde r mod e r Gs  is  the  K  in the matchin g  mo del we a r e a s king for.       3. Simulation Examples   The mathe m atical expression s for  state equat io n model of DC motor d r ive system is  [10]:    4 00 0 0 0 0 0 0 1 . 4 01 0 0 0 0 0 0 0 0 0 13 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 00 0.44 0 0 0 0 0 0 0 2 00 0. 88 1 1 . 7 6 10 0 0 0 0 0 00 0 0 0 1 0 0 0 0 1 . 4 0 0 0 0 100 10 0 0 0 0 0 0 0 29 4.1 2 9 . 4 1 19 .6 1 1 4 9 .3 0 27.56 0 0 0 0 0 0 1.045 1 0 6.66 7 A                           0 1 0 0000 00 T B     1 3 000 0000 00 C     0 D     As   1 TI  and  2 TI , output image for  H  model match i ng of system  is sho w n a s   Figure 3 (a ),  the model ma tching  solutio n  is:      2 22 15 2.92 47 4 . 9 6 2 5 5 . 7 2 8 050 19.4 7 14 1.7 3 6.75 65 9.7 ss s K ss s s         (a)     (b)     Figure 3. Output Image of  H  Model Mat c hi ng       As   1 1 10 0 T s  and   2 1 5 T s , step respon se  for  H  mod e l m a tching  of the   system  is  sho w n a s  Fig u re 3 (b), the  model mat c hi ng sol u tion is:   0 0. 1 0. 2 0. 3 0. 4 0.5 0.6 0.7 0 50 100 150 200 250 300 350     S t ep R e s pons e Ti m e  ( s e c ) A m p lit u d e 原系 模型 匹配系 0 0. 1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0 50 10 0 15 0 20 0 25 0 30 0 35 0     S t ep R e s pons e Ti m e  ( s e c ) A m p lit u d e 原系 型匹配 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 11, Novem ber 20 14:  77 16 – 772 0   7720     2 2 126 11 .7 07 3 3 369 2 5 2 8 7.70 5 1 63 9 1 58.1 4 1.78 7.2 0 6 2 7.46 3 3 4 . 3 ss s s K ss s s s       From th ste p  re sp on se i m age  of  H  model mat c hin g , it can  be  see n  that the  ma tching   model  got  b y  ord e re du ction  metho d  and  the   st ep  re spon se  of the  ori g i nal  system   are   c o mpletely c o ns is tent.      4. Conclusio n   Usi ng the pri n cipl e of mod e l orde r re du ction to solve  H  model match i ng, from the  step re sp on se curve, it ca n be se en tha t  the sy stem has g ood tra c king a b ility. T he co ntrolle got  by this desi g n i ng method h a s a certain p r acti cal ap plication value, a nd model m a tchin g  pro b le of high order  system  will be solved  well.       Referen ces   [1]  Yuan SZ . Des i gn of pro puls i on on l y   emerg enc y  fl ig ht con t rol s y stem usi ng  H  mode l ma tching.   Flight Dyn a m ic s . 2001; 19( 1): 85-8 8 [2]  Shao KY, Jin g  YW , Li YS, H uan g W D . Rob u st  control s y s t em base d  on  mode l matchi n g .  Journ a l of   Daqi ng Petr ole u m Institute . 1 999; 23( 3): 35- 37.   [3]  Chen YJ, Zuo  ZQ, Wen SH, Ci CL. A solution of  H  contro l- mode l-matchi n g  pro b l e m.  Jo urna l of   Yansh an U n ive r sity.  2001; 25( z): 37-40.   [4]  Z huge H. An i n e x act mod e matchin g  ap pr oach a nd its a pplic atio ns. T h Journ a l of S ystems a n d   Softw are (S0164-1 212) . 2 003 ; 67(3): 201-2 1 2   [5] Moore  BC Pr incip a l com pon ent ana l y sis in  linear s y stem s Contro lla bil i t y o b serva lil ity an d mode l   reducti on.  IEEE Trans Automatic Control.  19 81; ACO26(1):  17-3 1   [6] K  Zhou J C D o yle a nd K Glo v er Ro bust a nd optim al co ntrol. Ne w  Jers e y ; Prentic e-Ha ll . 1996   [7]  W ang G, Sreeram V, Liu  W Q Balance d  perform ance  preservi ng c o ntroll er red u cti on. S ystem  &   control letters . 200 2; 46: 99-1 1 0   [8] Serkan  G uger cin Atha nasi o s C.Antou l as A Surve y   of Mode l R e d u c t ion b y   Ba lanc ed T r uncatio n   and Som e  Ne w   R e sults Int e rnati ona l Jour nal of Co ntrol . 200 4; 77(8): 74 8-76 6.  [9] W ang  G Sreeram V, Liu WQ  Perfo rmance Pres e r ving C ontrol l e r Red u ction  via Additiv e   Perturbati on of  the Close d-L o op T r ansfer F unction IEEE  Transactions on Autom a tic Control.  20 01;   46(5): 77 1-7 7 5   [10]  Xu e DY. Desi g n  and a n a l ysis  for feedback c ontro l s y stem. Beiji ng: T s ingh ua Un iversit y  P r ess. 2000.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.