On stable cones of polynomials via reduced Routh parameters

summary:A problem of inner convex approximation of a stability domain for continuous-time linear systems is addressed in the paper. A constructive procedure for generating stable cones in the polynomial coefficient space is explained. The main idea is based on a construction of so-called Routh stable line segments (half-lines) starting from a given stable point. These lines (Routh rays) represent edges of the corresponding Routh subcones that form (possibly after truncation) a polyhedral (truncated) Routh cone. An algorithm for approximating a stability domain by the Routh cone is presented

Investigation and Synthesis of Robust Polynomials in Uncertainty on the Basis of the Root Locus Theory

The root locus method is proposed in the chapter for searching intervals of uncertainty for coefficients of the given (source) polynomial with constant or interval coefficients under perturbations, which ensures its robust stability regardless of whether the given polynomial is Hurwitz or not. The method is based on introduction and application of the “extended root locus” notion. Polynomial adjustment is performed by setting up each one of its coefficients separately and sequentially and determining permissible values of coefficient variation intervals (intervals of uncertainty). The effect of each coefficient variation upon the polynomial root dynamics (behavior) is considered and analyzed separately, and this influence could be observed in the root locus portraits. Root locus method is thus generalized to the cases when the number of polynomial variable coefficients is arbitrary. The root locus parameter distribution diagram along the asymptotic stability bound is introduced and applied for observing the roots behavior regularities. On this basis, the stability conditions are derived, and analytical and graphic-analytical methods are worked out for calculating intervals of variation for the 4th order polynomial family parameters ensuring its robust stability. It also allows to extract Hurwitz subfamilies from the non-Hurwitz families of interval polynomials and to determine whether there exists at least one stable polynomial in the unstable polynomial family

On the stability and number of steady states of chemical reaction networks

Chemical reaction networks model the interactions of chemical substances. An important aim is to understand the long-term behaviors of these chemical reactions, which are called steady states. Interesting behaviors have implications in biology, such as in cell-signaling or regulatory processes. This motivates the need to predict if and when a network can exhibit interesting long-term behavior. Exact values of the physical parameters that describe these networks are often unknown. Because of this, the goal is to prove results based on a network’s structure alone, independent of any specific numerical values. This dissertation harnesses theoretical mathematical techniques to investigate the number and stability of steady states of a chemical reaction network. In this dissertation, we answer the following: Does a given chemical reaction network have the capacity for Hopf bifurcations (an important unstable steady state)? How many steady states can it have? Our first contribution is a novel procedure for constructing a Hopf bifurcation of a chemical reaction network. This algorithm gives an easy-to-check condition for the existence of a Hopf bifurcation and explicitly constructs one if it exists. Our second set of contributions are new upper bounds on the number of steady states of a chemical reaction network. These new numerical invariants are both quick to compute and are surprisingly good bounds on the number of steady states. As the main application of our new tools, we analyze an important biological cell-signaling network called the Extracellular signal Regulated Kinase (ERK) network. Malfunctions in the ERK network are linked with human diseases, including cancers and developmental abnormalities, making it crucial to understand the ERK network’s long-term behavior. We show how the ERK network has the capacity for different dynamic regimes, including multiple steady states, two stable steady states, simple Hopf bifurcations, and a unique, stable steady state. Applying our new tools, we directly relate each dynamic behavior to the network structure, specifically the presence of certain species or reactions

Über die Maximal Mediated Set Struktur und die Anwendungen Nichtnegativer Circuit Polynome

Certifying the nonnegativity of a polynomial is a significant task both for mathematical and for scientific applications. In general, showing the nonnegativity of a random polynomial is hard. However, for certain classes of polynomials one can find easier conditions that imply their nonnegativity. In this work we investigate both the theoretic and the applied aspects of a special class of polynomials called circuit polynomials. On the theoretical side, we study the relationship of this class of polynomials with another very well studied class called sums of squares using the notion of the maximal mediated set (MMS). We show that MMS is a property of an equivalence class, rather than a property of a single circuit polynomial. With this in mind, we generate a large database of MMS using the software Polymake, and present some statistical and computational observations. On the applied side, we address to the problem of multistationarity in the chemical reaction networks theory by employing a symbolic nonnegativity certification technique via circuit polynomials. The existence of multiple stationary states for a given reaction network with a given starting point is important, as this is closely related to cellular communication in the context of biochemical reaction networks. The existence of multistationarity can be decided by studying the signs of a relevant polynomial whose coefficients are parameterized by the reaction rates. As a case study, we consider the (de)phosphorylation cycle, and use the theory of nonnegative circuit polynomials in order to find a symbolic nonnegativity certificates for the aforementioned polynomial. We provide a method that describes a non-empty open region in the parameter space that enables multistationarity for the (de)phosphorylation cycle. Moreover, we provide an explicit description of such an open region for 2 and 3-site cases.Der Nachweis der Nichtnegativität eines Polynoms ist eine wichtige Aufgabe sowohl für mathematische als auch für wissenschaftliche Anwendungen. Im Allgemeinen ist es schwierig, die Nichtnegativität eines Zufallspolynoms zu zeigen. Für bestimmte Klassen von Polynomen kann man jedoch einfachere Bedingungen finden, die ihre Nichtnegativität implizieren. In dieser Arbeit untersuchen wir sowohl die theoretischen als auch die angewandten Aspekte einer speziellen Klasse von Polynomen, die als circuit Polynome bezeichnet werden. Auf der theoretischen Seite untersuchen wir die Beziehung dieser Klasse von Polynomen mit einer anderen sehr gut untersuchten Klasse namens sums of squares unter Verwendung des Begriffs der maximal mediated set (MMS). Wir zeigen, dass MMS eher eine Eigenschaft einer Äquivalenzklasse als eine Eigenschaft eines circuit polynom ist. Vor diesem Hintergrund erstellen wir mit der Polymake-Software eine große MMS-Datenbank und präsentieren einige statistische und rechnerische Beobachtungen. Auf der angewandten Seite adressieren wir das Problem der Multistationarität in der Theorie chemischer Reaktionsnetzwerke durch die Anwendung einer symbolischen Nichtnegativitäts-Zertifizierungstechnik über circuit Polynome. Die Existenz mehrerer stationärer Zustände für ein gegebenes Reaktionsnetzwerk mit einem gegebenen Startpunkt ist wichtig, da dies eng mit der zellulären Kommunikation im Kontext biochemischer Reaktionsnetzwerke zusammenhängt. Die Existenz von Multistationarität kann durch Studium der Vorzeichen eines relevanten Polynoms entschieden werden, dessen Koeffizienten durch die Reaktionsgeschwindigkeiten parametrisiert werden. Betrachten Sie als Fallbeispiel den (De)Phosphorylierungszyklus und verwenden Sie die Theorie der circuit Polynome, um ein symbolisches Nichtnegativitätszertifikat für das obige Polynom zu finden. Darüber hinaus bieten wir eine explizite Beschreibung einer solchen offenen Region für 2- und 3-Site-Fälle

Determination Of Parameter Regions For Diagonal Dominance And Stability Of Mimo Systems

Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2017Thesis (Ph.D.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2017Endüstride karşılaşılan sistemlerin birçoğu birden fazla giriş ve çıkış değişkenine sahiptir. Bu tarz sistemler SISO sistemlerle karşılaştırıldıklarında, birçok farklı yapısal özellikleri göze çarpmaktadır. Örneğin, en genel durumda herhangi bir çıkış tüm girişlerden az veya çok etkilenir. Diğer taraftan, kontrolör türleri açısından bakıldığında ise araştırmacılar genel olarak "merkezi" ve "merkezi olmayan" olmak üzere iki farklı kontrol yapısına odaklanmışlardır. Ancak, ayarlanacak parametre sayısının azlığı, dayanıklılık ve operatör açısından kullanım kolaylığı gibi nedenlerle merkezi olmayan kontrol yapılarının uygulamalarda daha sık tercih edildiği ileri sürülebilir. Farklı giriş çıkış çiftleri arasındaki etkileşimlerin önemli boyutlara ulaştığı durumlarda ise bu tür kontrolörlerin performansı ve etkinliği genel olarak azalır. Yukarıda bahsedilen nedenlerden dolayı MIMO sistemlerde etkileşimlerin azaltılması özellikle merkezi olmayan kontrolör tasarımı açısından büyük bir önem arz etmektedir. MIMO sistemlerde etkileşimleri azaltmak amacıyla kullanılabilecek yöntemlerden bir tanesi de tam köşegenleştirme ile karşılaştırıldığında daha zayıf bir koşulun sağlanmasını gerektiren köşegen baskınlık kavramıdır. Köşegen baskın sistemlerde bir giriş değişkeni özel bir çıkış değişkeni ile diğer çıkışlara oranla çok daha fazla ilişkilidir. Bu nedenle, bu tezin en temel hedeflerinden bir tanesi MIMO sistemlerde köşegen baskınlık koşullarını sağlayan kontrolör parametre bölgelerinin belirlenmesidir. Buna ek olarak, en genel durumda köşegen baskınlık kararlılığı gerektirmediğinden çok değişkenli sistemleri kararlı kılan kontrolör parametrelerinin belirlenmesi de yine bu tez kapsamında amaçlanan temel hedeflerden bir diğeridir. Sonuç olarak, merkezi olmayan kontrolör tasarımına ön adım oluşturacak şekilde hem köşegen baskınlık hem de kararlılık koşullarının sağlandığı kontrolör parametre bölgelerinin belirlenmesi hedeflenmektedir. Literatürde köşegen baskınlık kavramının önemi özellikle Rosenbrock'un 1970'lerin başındaki çalışmalarından sonra artmıştır. Ancak süreç içerisinde araştırmacıların büyük bir çoğunluğu köşegen baskınlık ile ilgili olarak belirli bir ölçütü en iyileyen kontrolör parametre çiftlerinin belirlenmesine yönelmiştir. Bu durum ise bir sonraki tasarım adımında kısıtlamalara neden olabilmektedir. Buna ek olarak, parametre belirsizliği durumunda köşegen baskınlığın korunup korunmadığı ve/veya belirlenen parametre çiftinin köşegen baskınlık sınırlarına ne kadar yakın olduğu genel olarak detaylı bir şekilde araştırılmamıştır. Bu tez kapsamında köşegen baskınlık üzerindeki gerek ve yeter koşulların belirlenmesi hedeflendiğinden, özel olarak TITO sistemler ve köşegen yapıdaki kontrolör durumu detaylı olarak ele alınmıştır. Bu tarz sistemleri, verilen sabit bir frekans değerinde köşegen baskın kılan kontrolör parametreleri üzerindeki gerek ve yeter koşullar belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar sonlu sayıdaki frekans noktası için de geçerlidir ve pratik açıdan bakıldığında verilen bir frekans aralığına da genişletilebilir durumdadır. Buna ek olarak, daha iyi baskınlık oranı sağlayan parametre bölgelerinin belirlenmesine yönelik olarak orjinal köşegen baskınlık tanımına ağırlık faktörleri eklenmiş ve bu durum için gerek ve yeter koşullar belirlenmiştir. Son olarak da statik köşegen kontrolör durumunda sütun köşegen baskınlığı için kontrolör parametre bölgelerinin yapısını değiştiren kritik frekans değerleri belirlenmiştir. Elde edilen sonuçların köşegen baskınlık açısından etkinlikleri, örnek sistemler ve farklı kontrolörler üzerinden, Gershgorin Diskleri ve köşegen baskınlık çizimleri kullanılarak gösterilmiştir. MIMO sistemleri kapalı çevrimde kararlı kılan kontrolör parametrelere bölgelerinin belirlenmesi için ise Lyapunov eşitliği temelli bir yöntem ileri sürülmüştür. Bu yöntem sayesinde frekans tabanlı yöntemlerde karşılaşılan tekil frekansların hesaplanması ve/veya frekans taraması gibi adımlara olan ihtiyaç ortadan kaldırılmıştır. Temel Lyapunov yaklaşımı açısından bakıldığında LTI sistemler için Lyapunov matrisi olan P(k)'nın pozitif tanımlılığı gerek ve yeter koşuldur. Ancak, Lyapunov matrisi P(k)'nın pozitif tanımlılığı en genel durumda 2n adet parametrik eşitliğin çözümünü gerektirir. Yapılan analizle bu sayı önce n+1'e indirilmiştir. Ardından, Lyapunov matris eşitliği Kronecker çarpımları ve vektörizasyon operatörü kullanılarak standart forma indirgenmiş ve tanımlanan yeni M(k) matrisinin determinantının tartışılan sistem için bir kararlılık sınırı oluşturduğu sistem matrisi A(k), Lyapunov matrisi P(k) ve Kronecker çarpımları üzerinden tanımlanan M(k)'nin birbirleriyle olan ilişkileri üzerinden gösterilmiştir. Dolayısıyla M(k) matrisinin determinantını sıfır ve sonsuz yapan kontrolör parametrelerinin ilgili sistemin kararlılık sınırını oluşturduğu belirlenmiştir. Diğer bir deyişle, kararlılık sınırlarının belirlenmesi en fazla iki adet parametrik ifadenin çözümüne indirgenmiştir. Lyapunov formulasyonunda kullanılan P(k) ve Q matrislerinin simetrikliğinden kaynaklanan M(k) matrisinin determinantınındaki tekrarlanan özdeğerler ise eleminasyon ve duplikasyon matrisleri kullanılarak uygulanan dönüşümler yardımıyla ortadan kaldırılmıştır. Önerilen yöntemin literatürde var olan PSA gibi yöntemlerle ilişkisi ise sonlu ve sonsuz kök sınırları üzerinden gösterilmiştir. Kararlı kılan kontrolör parametre bölgelerinin belirlenmesinde Lyapunov temelli bir yaklaşım kullanıldığından öne sürülen yöntem sadece MIMO sistemlerde değil Lyapunov formülasyonunun kurulabildiği çok geniş bir sistem sınıfına ve alt problemlere de uygulanabilir durumdadır. Bu durumu gösterebilmek amacıyla ilk olarak MIMO sistemlerde kontolör entegrasyonu problemi ele alınmıştır. MIMO kontrolörlerde meydana gelebilecek olası hataları göz önünde bulundururak olası hata durumlarında dahi sistemin kararlılığını garanti etmeyi amaçlayan bu probleme bir çözüm önerisi sunulmuştur. Önerilen yöntemin etkinliği literatürde var olan yaklaşımlar üzerinden karşılaştırmalı olarak gösterilmiştir. Buna ek olarak, yine önerilen Lyapunov eşitliği temelli yöntemin olası diğer kullanım alanlarını vurgulamak amacıyla ayrık zamanlı sistemlerin kararlılığı ayrıntılı olarak tartışılmıştır. Bu durumda önerilen yaklaşımın nasıl değiştiği vurgulanmıştır. Lyapunov temelli yaklaşım ile kararlılık sınırlarının analitik ifadelerinin belirlenmesi de mümkündür. Bu durum da özellikle optimizasyon temelli tasarım yöntemlerinde farklı kullanım alanları açmaktadır. Bu kapsamda dayanıklı MPC problemi detaylı olarak ele alınmıştır. Lyapunov yöntemi kullanılarak belirlenen analitik kararlılık sınırları dayanıklı MPC problem formülasyonunda kullanılarak ele alınan problem nominal MPC problemine dönüştürülmüştür. Önerilen yöntemin etkinliği literatürde sıklıkla kullanılan bir sistem üzerinden de gösterilmiştir. Tam köşegenleştirme ile karşılaştırıldığında, köşegen baskınlık daha zayıf bir koşul olarak ortaya çıkar. Bu nedenle, parametre belirsizlikleri durumunda dahi bu koşulu sağlayan kontrolör parametrelerini belirlemek mümkün hale gelir. Bu tez kapsamında, TFM elemanlarının aralık tipi parametre belirsizliği içerdiği TITO sistemler detaylı olarak tartışılmıştır. Bu tür sistemleri parametre belirsizlikleri durumunda dahi köşegen baskın kılan statik köşegen kontrolörlerin belirlenmesi hedeflenmiştir. Bu hedef doğrultusunda üçgen eşitsizliği ve tarama yöntemlerine dayanan iki farklı konservatif yöntem önerilmiştir. Bu yaklaşımlar kullanılarak tartışılan problem ilk aşamada nominal sistemin ağırlıklandırılmış baskınlık problemine dönüştürülmüştür. Sonrasında da önceki bölümlerde elde edilen sonuçlar kullanılarak sonuca gidilmiştir. Son olarak da belirsiz parametre içeren çok değişkenli sistemlerin kararlılığı tartışılmıştır. Bu aşamada belirsiz parametreler için literatürde kullanılan iki farklı varsayıma yer verilmiştir. İlk varsayımda belirsiz parametreler üzerinde herhangi bir kısıtlama yoktur ve sistemi kararlı kılan tüm belirsiz parametre bölgelerinin belirlenmesi hedeflenmektedir. Bu durumda önerilen Lyapunov temelli yöntem direkt olarak uygulanabilir durumdadır. Bu yöntemin aksine literatürde var olan bir çok yöntemde ise belirsiz parametre sayısı ve türü üzerinde bir takım varsayımlarda bulunularak sonuçlar elde edilmiştir. Bu tez kapsamında önerilen yöntemin doğruluğu literatürde var olan farklı örnek durumlar üzerinden gösterilmiştir. Diğer taraftan, bazı durumlarda belirsiz sistem parametrelerinin alabileceği minimum ve maksimum değerler belirlidir. İlgili parametrenin bilinen bu değerler arasında bir değer aldığı tüm durumlarda polinom ailesinin kararlı kalıp kalmadığının belirlenmesi hedeflenir. SISO sistemler için bazı özel durumlarda sonlu sayıda polinomun kararlı olmasının tüm polinom ailesinin kararlığını garanti ettiği gösterilmiştir. MIMO sistemlerde ise en basit durumlarda bile kontrolör parametrelerinin ve TFM'yi oluşturan transfer fonksiyonlarının çarpımları karakteristik polinomda görünmektedir. %SISO sistemlerle karşılaştırıldığında bu tarz durumlarda dayanıklı kararlılığı sağlayan kontrolör parametre bölgelerinin belirlenmesi görece daha zordur. Tartışılan bu problemde karakteristik polinom, hem alt ve üst sınırları bilinen belirsiz parametreleri hem de serbest kontrolör parametrelerini içermektedir. Bu tez kapsamında yukarı yakınsama yaklaşımından da yararlanılarak, Kharitonov Teoremi ve önerilen Lyapunov eşitliği temelli yaklaşımla bu tarz sistemleri dayanıklı kararlı kılan kontrolör parametre bölgelerinin belirlenmesine yönelik bir yöntem önerilmiştir. Önerilen bu yöntem Kharitonov Teoremi de kullanıldığından hesaplama yükünü önemli oranda azaltmaktadır ancak değişmez kontrolör parametre bölgelerinin belirlenmesinde ek analiz adımlarını da beraberinde getirmektedir. Özetle, bu tez kapsamında nominal ve parametre belirsiz MIMO sistemeleri hem köşegen baskın kılan hem de kararlı yapan köşegen tipteki kontrolörlerin parametre bölgelerinin belirlenmesi hedeflenmiştir. Köşegen baskınlık açısından bakıldığında gerek ve yeter koşulların belirlenmesi hedeflendiğinden TITO sistemler üzerinden sonuçlar elde edilmiştir. Diğer taraftan kararlı kılan kontrolör parametrelerinin belirlenmesinde ise herhangi bir sistem veya kontrolör kısıtı bulunmamaktadır.Most of the industrial plants include more than one input and output variable. Compared to Single Input Single Output (SISO) systems, such systems include different structural properties. For instance, an output variable is effected by all input variables in general. On the other hand, in terms of controller structures, researchers have focused on two main approaches for such systems, which are "centralized" and "decentralized" controllers. However, it can be proposed that decentralized controllers are preferred more in practice due to various reasons like less number of tuning parameter, possibility to apply single loop controller design methods, ease of use for operators etc. Whereas, in general, performance and efficiency of such controllers reduce when there are significant interactions between different input-output pairs in a Multi Input Multi Output (MIMO) system. Reducing the interactions between different input-output pairs in MIMO systems is crucial in terms of decentralized controller design due to the previously mentioned reasons. Diagonal dominance which is a weaker condition compared to decoupling, is one of the approaches that can be used to reduce interactions in MIMO systems. One input variable is strongly related with one specific output variable in diagonal dominant systems. One of the main aims of this thesis is to determine controller parameter regions that achieve diagonal dominance conditions. Additionally, it is also aimed to determine stabilizing parameter spaces, since diagonal dominance does not indicate stability in general. As a result, controller parameter regions that achieve both diagonal dominance and stability conditions in closed loop are determined in this thesis as the first step of decentralized controller design. In literature, the diagonal dominance concept has gained attraction since the pioneering studies of Rosenbrock in early 1970s. However, in the meantime most of the researchers focused on determining a specific controller parameter pair that optimizes a predetermined condition. Such a case may restrict the designer in the next steps of the design process. Additionally, the number of studies are limited that investigates the diagonal dominance characteristics of the determined controller parameters in case uncertainties or checks how the system is close to the diagonal dominance boundaries. Two Input Two Output (TITO) systems are special subset of MIMO systems since in practice many MIMO systems can be treated as several TITO subsystems as proposed in literature. In terms of diagonal dominance, particularly, TITO systems and diagonal type controllers are discussed in detail, since it is aimed to determine necessary and sufficient conditions on diagonal dominance in terms of controller parameters. For such systems, exact conditions on the controller parameters in terms of both column and row diagonal dominance are derived at a given fixed frequency. Derived results are also valid for finite number of frequencies and practically applicable for a given frequency range. Moreover, weighting factors are added to the original definition of diagonal dominance in order to derive controller parameter regions that achieve better diagonal dominance ratios. Necessary and sufficient conditions on diagonal type controllers are also derived for the weighted diagonal dominance problem. Lastly, critical frequencies that may possibly change the interval characteristics of static diagonal controllers for the column diagonal dominance are derived. Effectiveness of the derived results in terms of diagonal dominance are demonstrated over several case studies using Gershgorin Disc plots and diagonal dominance ratio plots. On the other hand, a Lyapunov equation based stability mapping approach is proposed within the scope of this thesis to derive stabilizing controller parameter spaces of a given MIMO system. In the present approach, it is not necessary to calculate singular frequencies or apply frequency sweeping that most of the frequency based approaches require. From the Lyapunov point of view, positive definiteness of the Lyapunov matrix P(k) is necessary and sufficient for LTI systems. However, considering the numerators and denominators of the leading principal minors it is required to solve 2n parametric equation in order to determine positive definiteness of P(k). This number is reduced to n+1 at the first step. After that, Lyapunov matrix equation is reduced to the standard set of equation representation using the Kronecker products and vectorization operator. At this point, a new matrix M(k) is defined over the Kronecker products and it is shown that determinant of M(k) is the product of binary combinations of A(k). Using the relations between the system matrix A(k), Lyapunov matrix P(k) and M(k), it is shown that it is sufficient to solve at most 2 parametric equations which are |M(k)|=0 and |M(k)|->infinity. Determinant of M(k) includes redundant multiplications of binary combinations of eigenvalue pairs of A(k) due to the matrices P(k) and Q that are used in Lyapunov formulation are symmetric. In order to eliminate the redundant multiplications and reduce the computational complexity, elimination and duplication matrices are introduced as transformation matrices. In addition to MIMO systems, the proposed stability mapping approach is applicable to a broad range of systems, further system classes and sub problems where Lyapunov formulation is possible. In order to demonstrate these properties of the proposed approach, firstly, controller integrity problem of MIMO systems is discussed in detail. An approach is proposed to determine stabilizing controller parameter regions even in case of possible failures related with controller parameters. A benchmark case study is included and effectiveness of the proposed approach is shown over a comparative study with a currently existing approach. Additionally, discrete time systems is also discussed in detail to demonstrate the further application areas of the proposed Lyapunov equation based stability mapping approach. In this case, the structure of the Lyapunov equation varies slightly compared to the continuous time case. Another benefit of the proposed Lyapunov equation based approach is the opportunity to determine analytical expressions of stability boundaries. So that, it becomes possible to use Lyapunov equation based stability mapping approach in optimization based approaches by inserting the stability boundaries as constraints on such approaches. This case is also addressed through the robust Model Predictive Control (MPC) problem. Analytical stability boundaries which is derived in the off-line phase using the proposed stability mapping approach is inserted to the robust MPC problem formulation to achieve stability. In this way, robust MPC problem is transformed into the nominal MPC problem. The effectiveness of the proposed method is also demonstrated through a benchmark system that is frequently used in the literature. Diagonal dominance proposes weaker conditions compared to decoupling. As a result, it becomes possible to determine controller parameter regions that achieve diagonal dominance in case of parametric uncertainties. Within the scope of this thesis, two conservative approaches which are based on triangular inequality and griding are proposed for the systems that include interval type uncertainties in Transfer Function Matrix (TFM) elements. Using these approaches diagonal dominance problem of a parametric uncertain system is transferred to the weighted diagonal dominance problem of the nominal plant. After that, previously derived results are used to determine static diagonal controller parameter regions. Lastly, stability of parameter uncertain multivariable systems is discussed in order to determine robustly stabilizing parameter spaces. There are two main assumptions on uncertain parameters in literature. In the first assumption, there is no restriction on uncertain parameters and it is aimed to determine all uncertain parameter spaces that preserve stability of the closed loop system. In this case, proposed Lyapunov equation based stability mapping approach is directly applicable. Contrary to this approach, many methods that is currently available in the literature include the results obtained by making some assumptions on the number and the type of uncertain parameters. The validity of the Lyapunov equation based method has been demonstrated through different benchmark case studies. On the other hand, in some cases, it is assumed that upper and lower bounds of uncertain parameters are known. It is aimed to determine whether the whole polynomial family is stable in all cases where the uncertain parameters take any value between these known intervals. In some special cases, it was shown in literature that stability of finite number fixed polynomials guarantee the stability of whole uncertain polynomial family in case of SISO systems. However, the characteristic polynomial of MIMO systems includes the multiplication of free controller parameters and individual transfer functions even in the simplest cases. As a result, it can be proposed that compared to SISO systems, it is more difficult to determine the controller parameter areas that provide robust stability in such systems. In the discussed problem characteristic equation includes both uncertain parameters that have known upper and lower bounds and free controller parameters. In this thesis, an approach is presented to determine robustly stabilizing parameter spaces using the Kharitonov Theorem in accordance with the Lyapunov method by applying overbounding method on characteristic polynomial coefficients. The proposed method reduces the computational complexity significantly, since Kharitonov Theorem is used. However, it must also be noted that calculation of invariant controller parameter sub regions in terms of overbounding also introduces additional analysis steps. As a conclusion, in this thesis, it is mainly focused on determining controller parameter regions of the diagonal type controllers that make both nominal and parametric MIMO systems diagonal dominant and stable. The results are derived through TITO systems from the standpoint of diagonal dominance, since it is aimed to determine the necessary and sufficient conditions. On the other hand, there is no restriction on the system and controller type for the proposed stability mapping approach.DoktoraPh.D

Asymmetric Stability Robustness Bounds for Uncertain Linear Systems with Arst-order Lyapunov Method

Mechanical Engineerin

Recent Advances in Robust Control

Robust control has been a topic of active research in the last three decades culminating in H_2/H_\infty and \mu design methods followed by research on parametric robustness, initially motivated by Kharitonov's theorem, the extension to non-linear time delay systems, and other more recent methods. The two volumes of Recent Advances in Robust Control give a selective overview of recent theoretical developments and present selected application examples. The volumes comprise 39 contributions covering various theoretical aspects as well as different application areas. The first volume covers selected problems in the theory of robust control and its application to robotic and electromechanical systems. The second volume is dedicated to special topics in robust control and problem specific solutions. Recent Advances in Robust Control will be a valuable reference for those interested in the recent theoretical advances and for researchers working in the broad field of robotics and mechatronics

On the stability, stabilizability and control of certain classes of Positive Systems

In this thesis stability, stabilizability and other control issues for certain classes of Positive Systems are investigated. In the first part, the focus is on Compartmental Systems: we start from Compartmental Switched Systems and show that, with respect to the general class of Positive Switched Systems, a much clearer picture of stability under arbitrary switching, stability under persistent switching, and stabilizability (where the control action may either pertain the switching function or involve the design of feedback controllers) can be drawn. Secondly, for the class of Compartmental Multi-Input Systems the problem of designing a state-feedback matrix that preserves the compartmental property of the resulting closed-loop system, meanwhile achieving asymptotic stability is addressed. Such an analysis finally leads to the development of an algorithm that allows to assess problem solvability and provides a possible solution whenever it exists. The second part of the thesis is devoted to the Positive Consensus Problem: for a homogeneous Positive Multi-Agent System we investigate the problem of determining a state-feedback law that can be individually implemented by each agent, preserves the positivity of the overall system, and leads to the achievement of consensus. Finally, for a particular class of Positive Bilinear Systems that arises in drugs concentration design for HIV treatment, we address the problem of determining an optimal constant input that stabilizes the system while maximizing its robustness against the presence of the external disturbance