নিয়ন্ত্রণ ব্যবস্থা/রৈখিক সিস্টেম সমাধান
অবস্থান সমীকরন সমাধান
[সম্পাদনা]যেকোন সিস্টেম বা ব্যাবস্থার অবস্থান সমীকরণ, যা স্টেট-স্পেস সমীকরন নামে বেশি পরিচিত, এটি একটি প্রথম ক্রমের রৈখিক অবকল সমীকরণ বা আরও নির্দিষ্টভাবে বললে এটি একাধিক রৈখিক অবকল সমীকরণের একটি গাণিতিক ব্যাবস্থা। যেহেতু অবস্থান সমীকরন একটি প্রথম ক্রমের সমীকরণ, তাই আমরা সাধারণ অবকল সমীকরণ সমাধানের নিয়ম অনুসরন করে অবস্থান সমীকরণের একটি সাধারণ সমাধান পেতে পারি, যেখানে অবস্থান চলরাশিকে x হিসেবে ধরা হয়। একবার x-এর সমাধান পাওয়া গেলে, সেই সমাধানকে সিস্টেম থেকে প্রাপ্ত আউটপুট বিশ্লেষণকারী সমীকরণে সরাসরি প্রয়োগ করা হয়। এর ফলে যে সমীকরণ তৈরি হয়, তা সরাসরি ইনপুট ও আউটপুটের মধ্যে সম্পর্ক প্রকাশ করা যায় এবং এতে আর আলাদাভাবে সিস্টেমের অভ্যন্তরীণ অবস্থার হিসাব রাখতে হয় না। এই অধ্যায়ের বিভিন্ন অংশে আমরা বিভিন্ন অবস্থান সমীকরন বা স্টেট-স্পেস সমীকরণের সমাধান নিয়ে আলোচনা করব। আলোচনা শুরু হবে সবচেয়ে সহজ বিষয় থেকে (যেমন: সময়-নিরপেক্ষ সিস্টেম, যেখানে কোনো ইনপুট নেই), এবং শেষ হবে সবচেয়ে কঠিন বিষয়ের (যেমন: সময়-পরিবর্তনশীল সিস্টেম) আলোচনা দিয়ে।
শূন্য ইনপুট দিয়ে x(t) -এর সমাধান
[সম্পাদনা]এবার আমরা অবস্থান সমীকরণের বিষয়ে আলোচনা করতে পারি, নিচের গাণিতিক সমীকরণটি লক্ষ্য করুন:
আমরা দেখতে পাচ্ছি যে এই সমীকরণটি একটি প্রথম-ক্রমের অবকল সমীকরণ। শুধু পার্থক্য এই যে এখানে চলরাশিগুলি ভেক্টর এবং সহগগুলো ম্যাট্রিক্স। তবে ম্যাট্রিক্স ক্যালকুলাসের নিয়ম অনুযায়ী, এই ভিন্নতাগুলো বিশেষ গুরুত্ব রাখে না। আপাতত আমরা ইনপুট পদটিকে উপেক্ষা করতে পারি এবং সমীকরণটিকে নিচের রূপে পুনর্লিখন করতে পারি:
এবং আমরা সমীকরন থেকে চলকগুলিকে এভাবে আলাদা করতে পারি:
উভয় পাশে সমাকলন করে এবং উভয় পার্শ্বে e -এর ঘাতে উন্নীত করলে আমরা পাই:
যেখানে C একটি ধ্রুবক। আমরা সমীকরণটি সহজ করতে D = eC ধরতে পারি। তখন D তখন সেই সিস্টেমের প্রাথমিক শর্তে পরিণত হবে। এই ব্যাপারটা আরও স্পষ্ট হয় যখন আমরা চলক t -এর মান শূন্য ধরি। এই সমীকরণের চূড়ান্ত সমাধান তখন হয়:
আমরা ম্যাট্রিক্স সূচকীয় রূপ eAt '-কে স্টেট ট্রাঞ্জিসন ম্যাট্রিক্স বা স্থিতি-পরিবর্তন ম্যাট্রিক্স বলি। এর গণনা করা যদিও কখনও কখনও কঠিন হয়, তবুও কোনো সিস্টেম বিশ্লেষণ ও নিয়ন্ত্রণে অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করে। নিচে আমরা এই ম্যাট্রিক্স সূচকীয় রূপ কীভাবে গণনা করতে হয় তা নিয়ে আরও বিস্তারিত আলোচনা করবো।
x(t) -এর সমাধান অশূন্য মান দিয়ে
[সম্পাদনা]যদি আমাদের ইনপুট শূন্য না হয় (যেমনটা সাধারণত অধিকাংশ বাস্তব ও গুরুত্বপূর্ণ সিস্টেমে হয়ে থাকে), তাহলে সমীকরণের সমাধানটি কিছুটা জটিল হয়ে পড়ে। লক্ষ্য করুন, এখন যেহেতু আমাদের সমীকরণে অশূন্য ইনপুট যুক্ত হয়েছে, তাই আমরা আর সহজে চলরাশিগুলিকে আলাদা করে সমীকরনের দুই পাশে সমাকলন করতে পারব না।
সমীকরনের বাম পাশে নির্দিষ্টভাবে -এই রাশিটি পেতে আমরা বিয়োগের মতো কিছু গাণিতিক পদ্ধতি অনুসরন করে বিয়োগ করি, এবং তারপর সমীকরনের উভয় পাশই স্টেট-ট্রানজিশন ম্যাট্রিক্সের ইনভার্স দ্বারা পূর্বে গুণ করি।
এই শেষ ধাপের যুক্তিটি সম্ভবত অস্পষ্ট বলে মনে হতে পারে, তাই আমরা একটি উদাহরণ দিয়ে বিষয়টি ব্যাখ্যা করব:
উদাহরণ
[সম্পাদনা]সময় (t) -এর সাপেক্ষে নিম্নলিখিত সমীকরনের অন্তরকলন করুন:
অন্তরকলন থেকে প্রাপ্ত গুণফলের সূত্র আমাদের মনে করিয়ে দেয় যে, যদি দুটি ফাংশন একসাথে গুণ করা থাকে:
আর যদি সময় t -এর সাপেক্ষে অন্তরকলন করা হয়, তাহলে ফলাফল:
এবার ফাংশনগুলি মান অনুযায়ী বসালে:
আউটপুট ফলাফল হল:
এই ফলাফলটি উপরিউক্ত সমীকরণের সাথে সমতুল্য
আমাদের উদাহরণ থেকে প্রাপ্ত ফলাফল ব্যবহার করে, আমরা সমীকরণের বাম পাশটিকে একটি ডিফারেনশিয়ালে (অবলব্ধিতে) সংক্ষিপ্ত করতে পারি:
এখন আমরা সমীকরণের উভয় পাশে ইন্টিগ্রেশন করতে পারি যার সীমা হবে প্রাথমিক সময় (t0) থেকে বর্তমান সময় (t) পর্যন্ত এবং একটি কাল্পনিক চলক τ ব্যবহার করা হবে। এতে আমরা আমাদের চূড়ান্ত ফলাফলের আরও কাছাকাছি পৌঁছাব। শেষে, যদি আমরা eAt দ্বারা পূর্ব গুণ করি, তাহলে আমাদের চূড়ান্ত ফলাফল হবে:
[সাধারণ অবস্থা সমীকরণ সমাধান]
যদি আমরা এই সমাধানটিকে আউটপুট সমীকরণে ব্যাবহার করি, তাহলে আমরা পাব:
[সাধারণ অবস্থা সমীকরণ সমাধান]
এটি হল অশূন্য ইনপুট মান দ্বারা স্টেট-স্পেস সমীকরন -এর সময়-নিরপেক্ষ সমাধান। এই সমীকরন ও তার সমাধানগুলি অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ। আগ্রহী অধ্যয়নকারীদের পরবর্তী পঠনের জন্য এই সমীকরণ এবং তার সমাধানের বিষয়ে ভালোভাবে অবগত থাকা উচিত।
স্টেট ট্রাঞ্জিসন ম্যাট্রিক্স
[সম্পাদনা]ইঞ্জিনিয়ারিং বিশ্লেষণ
স্টেট ট্রাঞ্জিসন ম্যাট্রিক্স সূচক eAt, সাধারণ সময়-নিরপেক্ষ স্টেট-স্পেস সমীকরনের সামাধানের জন্য অতি গুরুত্বপূর্ণ। যখনই কোন নতুন সিস্টেমের বিশ্লেষণ করা হয়, তখন ম্যাট্রিক্স সূচকের গননা সবার প্রথমে করা হয় এবং এই গণনার মাধ্যমে সিস্টেম সম্পর্কিত গুরুত্বপূর্ণ তথ্য জানা যায়।
টেলর-সিরিজ সম্প্রসারণ ব্যবহার করে এই ম্যাট্রিক্স সূচকের সরাসরি গণনা করা যেতে পারে:
ইঞ্জিনিয়ারিং বিশ্লেষণ
এছাড়াও আমরা ম্যাট্রিক্স A -কে একটি তীর্যক ম্যাট্রিক্স (ডায়াগোনাল ম্যাট্রিক্স) অথবা একটি জর্ডন ক্যানোনিকাল ম্যাট্রিক্স -এ রূপান্তরিত করতে পারি। একটি তীর্যক ম্যাট্রিক্সের সূচকীয় মান নির্ণয় করা তুলনামূলকভাবে সহজ — কেবল ম্যাট্রিক্সের তীর্যক বা কর্ণের অবস্থানে প্রতিটি উপাদানকে পৃথকভাবে সূচকে উত্তোলন করতে হয়। জর্ডান ক্যানোনিকাল ম্যাট্রিক্সের ক্ষেত্রে এই গণনা কিছুটা জটিল, তবে সেখানে একটি কার্যকর পদ্ধতি রয়েছে যা ব্যবহার করে দ্রুত সমাধানে পৌঁছানো যায়। আগ্রহী পাঠকদের ইঞ্জিনিয়ারিং বিশ্লেষণ-এর প্রাসঙ্গিক অংশগুলি পড়ে দেখা উচিত।
নিয়ন্ত্রন ব্যাবস্থার ক্ষেত্র পরিসরে স্টেট ট্রাঞ্জিসন ম্যাট্রিক্স এবং ম্যাট্রিক্স সূচকের অত্যন্ত গুরুত্ব আছে।
তীর্যক ম্যাট্রিক্স
[সম্পাদনা]তীর্যক ম্যাট্রিক্সের ক্ষেত্রে, ম্যাট্রিক্সের তীর্যক অবস্থানের প্রতিটি উপাদানকে e -এর ঘাতে তুলে স্টেট ট্রানজিশন ম্যাট্রিক্স গননা করা যায়।
জর্ডন ক্যানোনিকাল ম্যাট্রিক্স
[সম্পাদনা]যদি A ম্যাট্রিক্স একটি জর্ডন ক্যানোনিকাল ম্যাট্রিক্স হয় তাহলে নিম্নলিখিত সূত্র ব্যাবহার করে সহজেই ম্যাট্রিক্স সূচক গননা করা যায়:
এখানে λ হল জর্ডন ক্যানোনিকাল ম্যাট্রিক্সটির আইগেন মান (ম্যাট্রিক্স -এর কর্ণের অবস্থানে অবস্থিত উপাদানসমূহের মান)
ইনভার্স ল্যাপ্লেস পদ্ধতি
[সম্পাদনা]আমরা নিম্নলিখিত ইনভার্স ল্যাপ্লেস রূপান্তর পদ্ধতি ব্যবহার করে স্টেট-ট্রানজিশন ম্যাট্রিক্স (অথবা যেকোনো ম্যাট্রিক্সের সূচকীয় ফাংশন) হিসাব করতে পারি:
যদি A একটি উচ্চ ক্রমের ম্যাট্রিক্স হয় তাহলে ইনভার্স ল্যাপ্লেস পদ্ধতির ব্যাবহার করে সূচকের মান নির্ণয় করা একটু জটিল হয়।
যদি A ম্যাট্রিক্স জর্ডন ক্যানোনিকাল আকারে থাকে, তাহলে নিম্নলিখিত সূত্র ব্যবহার করে ম্যাট্রিক্স সূচক গননা করা যেতে পারে:
এখানে λ হল জর্ডন ক্যানোনিকাল ম্যাট্রিক্সের এইগেন মান।
স্পেকট্রাল বিশ্লেষণ
[সম্পাদনা]যদি আমরা A ম্যাট্রিক্সের আইগেন মান গননা করতে পারি, তাহলে আমরা তার সহায়তায় ট্রাঞ্জিসন ম্যাট্রিক্স T এবং ইনভার্স ট্রাঞ্জিশন ম্যাট্রিক্স T-1 গঠন করতে পারবো। এই ম্যাট্রিক্সগুলি যথাক্রমে ডান(রাইট) এবং বাম(লেফ্ট) দিশাবর্তী আইগেন ভেক্টরের সাথে যুক্ত ম্যাট্রিক্স। যদি আমাদের কাছে ডান ও বাম আইগেন ভেক্টর উপলব্ধ থাকে তাহলে আমরা নিম্নরুপে স্টেট ট্রাঞ্জিসন ম্যাট্রিক্সের গননা করতে পারব:
[স্পেকট্রাল বিশ্লেষণ]
মনে রাখবেন wi' হল i তম বাম-আইগেন ভেক্টরের ট্রান্স্পোজ, অন্তরকলন নয়। আমরা পরের অধ্যায়ে আইগেন মান, আইগেন ভেক্টরএবং স্পেক্ট্রাল বিশ্লেষণের পদ্ধতি সম্পর্কে আলোচনা করব।
কেলি-হ্যামিল্টন উপপাদ্য
[সম্পাদনা]ইঞ্জিনিয়ারিং বিশ্লেষণ
কেলি -হ্যামিল্টন উপপাদ্যটি একটি ম্যাট্রিক্স সূচকীয়ের সমাধান খুঁজে পেতেও ব্যবহার করা যেতে পারে। সিস্টেম ম্যাট্রিক্স A -এর যেকোন আইগেন মানের জন্য (λ) আমরা দেখাতে পারি যে দুটি সমীকরণ সমতুল্য:
উপরের সমীকরনের, a চিহ্নিত সহগগুলির মান সমাধান করে বের করতে পারলে তা আমরা নিচের সমীকরনে প্রয়োগ করে পাই:
উদাহরণ: অতীর্যক(অফ-ডায়াগোনাল) ম্যাট্রিক্স
[সম্পাদনা]নিম্নলিখিত ম্যাট্রিক্স A-কে বিবেচনা করলে, অবস্থা-পরিবর্তন ম্যাট্রিক্সটি নির্ণয় করো:
এই ম্যাট্রিক্সের আইজেন মানগুলি আমরা λ = i , - i হিসাবে খুঁজে পেতে পারি । যদি আমরা এই মানগুলিকে আমাদের আইজেনভেক্টর সমীকরণে প্রয়োগ করি, তাহলে আমরা পাব:
এবং আমরা আমাদের আইজেনভেক্টরগুলির জন্য সমাধান করতে পারি:
আমাদের আইজেনভেক্টর দিয়ে, আমরা আমাদের বাম-আইজেনভেক্টরগুলির জন্য সমাধান করতে পারি:
এখন, স্পেকট্রাল বিশ্লেষণ ব্যবহার করে, আমরা স্টেট ট্রাঞ্জিসন ম্যাট্রিক্স তৈরি করতে পারি:
যদি আমরা অয়লারের অভেদ -এর ধারনা মনে রাখতে পারি তাহলে,আমরা জটিল সূচকগুলিকে সাইনোসয়েডে বিভক্ত করতে পারব। ভেক্টর গুণন সম্পাদন করলে সূচক থেকে সমস্ত কাল্পনিক সংখ্যা বা ইমাজিনারি নাম্বার বাতিল হয়ে যায় এবং আমাদের ফলাফল বাকি থাকে:
পাঠক চাইলে গুণন সম্পাদন করে ফলাফলটি বের করে দেখতে পারেন।
উদাহরণ: সিম্পি গননা
[সম্পাদনা]অবাধে উপলব্ধ পাইথন প্রোগ্রামের লাইব্রেরি সিম্পি দিয়ে আমরা খুব সহজেই স্টেট-ট্রানজিশন ম্যাট্রিক্স স্বয়ংক্রিয়ভাবে গণনা করতে পারি:
>>> from sympy import *
>>> t = symbols('t', positive = true)
>>> A = Matrix([[0,1],[-1,0]])
>>> exp(A*t).expand(complex=True)
⎡cos(t) sin(t)⎤
⎢ ⎥
⎣-sin(t) cos(t)⎦
আপনি এই ওয়েবসাইটের তথ্য দেখুন, নিজেও এটি চেষ্টা করে দেখতে পারেন:
উদাহরণ: MATLAB গণনা
[সম্পাদনা]MATLAB-তে প্রতীকী টুলবক্স ব্যবহার করে , আমরা একটি প্রদত্ত ইনপুট ম্যাট্রিক্স A- এর জন্য স্বয়ংক্রিয়ভাবে স্টেট-ট্রানজিশন ম্যাট্রিক্স তৈরি করতে MATLAB কোড লিখতে পারি । এখানে MATLAB কোডের একটি উদাহরণ দেওয়া হল যার মাধ্যমে এই কাজটি সম্পাদন করা যেতে পারে:
function [phi] = statetrans(A)
t = sym('t');
phi = expm(A * t);
end
নিম্নলিখিত ম্যাট্রিক্সের জন্য স্টেট-ট্রানজিশন ম্যাট্রিক্স খুঁজে পেতে এই MATLAB ফাংশনটি ব্যবহার করুন (সতর্কতা, গণনায় কিছু সময় লাগতে পারে):
ম্যাট্রিক্স হল একটি তির্যক ম্যাট্রিক্স, ম্যাট্রিক্স ২ এর জটিল আইজেন মান রয়েছে এবং ম্যাট্রিক্স হল জর্ডান ক্যানোনিকাল ফর্ম। এই তিনটি ম্যাট্রিক্স সিস্টেম ম্যাট্রিক্সের কিছু সাধারণ রূপের প্রতিনিধিত্বকারী হওয়া উচিত। নিম্নলিখিত কোড স্নিপেটগুলি হল MATLAB-তে এই ম্যাট্রিক্স তৈরি করার জন্য ইনপুট কমান্ড এবং আউটপুট ফলাফল:
- ম্যাট্রিক্স A1
>> A1 = [2 0 ; 0 2]; >> statetrans(A1) উত্তর = [ exp(2*t), 0] [ 0, exp(2*t)]
- ম্যাট্রিক্স A2
>> A2 = [0 1 ; -1 0]; >> statetrans(A1) উত্তর = [ cos(t), sin(t)] [ -sin(t), cos(t)]
- ম্যাট্রিক্স A3
>> A1 = [2 1 ; 0 2]; >> statetrans(A1) উত্তর = [ exp(2*t), t*exp(2*t)] [ 0, exp(2*t)]
উদাহরণ: MATLAB -এর একাধিক পদ্ধতি
[সম্পাদনা]MATLAB-তে স্কেলার (সময়-নিরপেক্ষ) ম্যাট্রিক্স A থেকে স্টেট ট্রান্সশন ম্যাট্রিক্স গণনা করার জন্য একাধিক পদ্ধতি রয়েছে। নিম্নলিখিত পদ্ধতিগুলি সমীকরণ ম্যানিপুলেশনগুলি সম্পাদন করার জন্য সিম্বলিক টুলবক্সের উপর নির্ভর করবে । প্রতিটি কোড স্নিপেটের শেষে, eAt cচলকটিতে ম্যাট্রিক্স A এর স্টেট-ট্রানজিশন ম্যাট্রিক্স থাকে।
- সরাসরি পদ্ধতি
t = sym('t');
eAt = expm(A * t);
- ল্যাপ্লেস ট্রান্সফর্ম পদ্ধতি
s = sym('s');
[n,n] = size(A);
in = inv(s*eye(n) - A);
eAt = ilaplace(in);
- স্পেকট্রাল বিশ্লেষণ
t = sym('t');
[n,n] = size(A);
[V, e] = eig(A);
W = inv(V);
sum = [0 0;0 0];
for I = 1:n
sum = sum + expm(e(I,I)*t)*V(:,I)*W(I,:);
end;
eAt = sum;
এই তিনটি পদ্ধতিরই একই উত্তর তৈরি করা উচিত। শিক্ষার্থী চাইলে উত্তর যাচাই করতে পারেন।