16 research outputs found

    Robust eigenstructure assignment in geometric control theory

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    In this paper we employ the Rosenbrock system matrix pencil for the computation of output-nulling subspaces of linear time-invariant systems which appear in the solution of a large number of control and estimation problems. We also consider the problem of finding friends of these output-nulling subspaces, i.e., the feedback matrices that render such subspaces invariant with respect to the closed-loop map and output-nulling with respect to the output map, and which at the same time deliver a robust closed-loop eigenstructure. We show that the methods presented in this paper offer considerably more robust eigenstructure assignment than the other commonly used methods and algorithms

    Controllability of linear differential-algebraic systems - A survey

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    Different concepts related to controllability of differential-algebraic equations are described. The class of systems considered consists of linear differential-algebraic equations with constant coefficients. Regularity, which is, loosely speaking, a concept related to existence and uniqueness of solutions for any inhomogeneity, is not required in this article. The concepts of impulse controllability, controllability at infinity, behavioral controllability, strong and complete controllability are described and defined in time-domain. Equivalent criteria that generalize the Hautus test are presented and proved. Special emphasis is placed on normal forms under state space transformation and, further, under state space, input and feedback transformations. Special forms generalizing the Kalman decomposition and Brunovsky form are presented. Consequences for state feedback design and geometric interpretation of the space of reachable states in terms of invariant subspaces are proved

    On differential-algebraic control systems

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    In der vorliegenden Dissertation werden differential-algebraische Gleichungen (differential-algebraic equations, DAEs) der Form \ddt E x = Ax + f betrachtet, wobei EE und AA beliebige Matrizen sind. Falls EE nichtverschwindende Einträge hat, dann kommen in der Gleichung Ableitungen der entsprechenden Komponenten von xx vor. Falls EE eine Nullzeile hat, dann kommen in der entsprechenden Gleichung keine Ableitungen vor und sie ist rein algebraisch. Daher werden Gleichungen vom Typ \ddt E x = Ax + f differential-algebraische Gleichungen genannt. Ein Ziel dieser Dissertation ist es, eine strukturelle Zerlegung einer DAE in vier Teile herzuleiten: einen ODE-Anteil, einen nilpotenten Anteil, einen unterbestimmten Anteil und einen überbestimmten Anteil. Jeder Anteil beschreibt ein anderes Lösungsverhalten in Hinblick auf Existenz und Eindeutigkeit von Lösungen für eine vorgegebene Inhomogenität ff und Konsistenzbedingungen an ff. Die Zerlegung, namentlich die quasi-Kronecker Form (QKF), verallgemeinert die wohlbekannte Kronecker-Normalform und behebt einige ihrer Nachteile. Die QKF wird ausgenutzt, um verschiedene Konzepte der Kontrollierbarkeit und Stabilisierbarkeit für DAEs mit~f=Buf=Bu zu studieren. Hier bezeichnet uu den Eingang des differential-algebraischen Systems. Es werden Zerlegungen unter System- und Feedback-Äquivalenz, sowie die Folgen einer Behavioral-Steuerung Kxx+Kuu=0K_x x + K_u u = 0 für die Stabilisierung des Systems untersucht. Falls für das DAE-System zusätzlich eine Ausgangs-Gleichung y=Cxy=Cx gegeben ist, dann lässt sich das Konzept der Nulldynamik wie folgt definieren: die Nulldynamik ist, grob gesagt, die Dynamik, die am Ausgang nicht sichtbar ist, d.h. die Menge aller Lösungs-Trajektorien (x,u,y)(x,u,y) mit y=0y=0. Für rechts-invertierbare Systeme mit autonomer Nulldynamik wird eine Zerlegung hergeleitet, welche die Nulldynamik entkoppelt. Diese versetzt uns in die Lage, eine Behavior-Steuerung zu entwickeln, die das System stabilisiert, vorausgesetzt die Nulldynamik selbst ist stabil. Wir betrachten auch zwei Regelungs-Strategien, die von den Eigenschaften der oben genannten System-Klasse profitieren: Hochverstärkungs- und Funnel-Regelung. Ein System \ddt E x = Ax + Bu, y=Cxy=Cx, hat die Hochverstärkungseigenschaft, wenn es durch die Anwendung der proportionalen Ausgangsrückführung u=kyu=-ky, mit k>0k>0 hinreichend groß, stabilisiert werden kann. Wir beweisen, dass rechts-invertierbare Systeme mit asymptotisch stabiler Nulldynamik, die eine bestimmte Relativgrad-Annahme erfüllen, die Hochverstärkungseigenschaft haben. Während der Hochverstärkungs-Regler recht einfach ist, ist es jedoch a priori nicht bekannt, wie groß die Verstärkungskonstante kk gewählt werden muss. Dieses Problem wird durch den Funnel-Regler gelöst: durch die adaptive Justierung der Verstärkung über eine zeitabhängige Funktion k()k(\cdot) und die Ausnutzung der Hochverstärkungseigenschaft wird erreicht, dass große Werte k(t)k(t) nur dann angenommen werden, wenn sie nötig sind. Eine weitere wesentliche Eigenschaft ist, dass der Funnel-Regler das transiente Verhalten des Fehlers e=yyrefe=y-y_{\rm ref} der Bahnverfolgung, wobei yrefy_{\rm ref} die Referenztrajektorie ist, beachtet. Für einen vordefinierten Performanz-Trichter (funnel) ψ\psi wird erreicht, dass e(t)<ψ(t)\|e(t)\|<\psi(t). Schließlich wird der Funnel-Regler auf die Klasse von MNA-Modellen von passiven elektrischen Schaltkreisen mit asymptotisch stabilen invarianten Nullstellen angewendet. Dies erfordert die Einschränkung der Menge der zulässigen Referenztrajektorien auf solche die, in gewisser Weise, die Kirchhoffschen Gesetze punktweise erfüllen.In this dissertation we study differential-algebraic equations (DAEs) of the form Ex'=Ax+f. One aim of the thesis is to derive the quasi-Kronecker form (QKF), which decomposes the DAE into four parts: the ODE part, nilpotent part, underdetermined part and overdetermined part. Each part describes a different solution behavior. The QKF is exploited to study the different controllability and stabilizability concepts for DAEs with f=Bu, where u is the input of the system. Feedback decompositions, behavioral control and stabilization are investigated. For DAE systems with output equation y=Cx, we may define the concept of zero dynamics, which are those dynamics that are not visible at the output. For right-invertible systems with autonomous zero dynamics a decomposition is derived, which decouples the zero dynamics of the system and allows for high-gain and funnel control. It is shown, that the funnel controller achieves tracking of a reference trajectory by the output signal with prescribed transient behavior. Finally, the funnel controller is applied to the class of MNA models of passive electrical circuits with asymptotically stable invariant zeros

    The design and analysis of multirate control systems.

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