Filter design for linear systems with H-2, H-infinity and H-infinity in frequency interval criteria by means of matrix inequalities

Orientador: Pedro Luis Dias PeresDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: Esta dissertação aborda o problema de filtragem para sistemas dinâmicos lineares utilizando metodologias baseadas em desigualdades matriciais lineares (do inglês, LMIs -- "Linear Matrix Inequalities"). Mais precisamente, são fornecidas condições para o projeto de filtros de ordem completa para sistemas lineares contínuos e discretos no tempo, usando como critérios de desempenho as normas H-2 e H-infinito, com extensões para tratar sistemas com incertezas politópicas. As condições possuem um parâmetro escalar, tornando-se LMIs para valores fixos do parâmetro. Como características principais, as condições propostas isolam a matriz de Lyapunov, usada para certificar a estabilidade com desempenho H-2 e H-infinito, das matrizes que produzem o filtro e contêm os resultados da literatura conhecidos como estabilidade quadrática para escolhas particulares do escalar. Adicionalmente, o problema de filtragem H-infinito com especificações em baixa, média e alta frequência é abordado a partir de uma extensão do Lema de Kalman-Yakubovich-Popov que relaciona desigualdades no domínio da frequência em intervalos de reta ou segmentos de círculo com desigualdades matriciais. São propostas condições baseadas em LMIs para o projeto de filtros H-infinito com especificações em intervalos de frequência que garantem uma realização estável com matrizes reais, nos casos contínuo e discreto no tempo, com extensões para tratar sistemas incertos. Exemplos numéricos ilustram os resultados do trabalhoAbstract: This thesis is devoted to the problem of filter design for linear dynamic systems using the Linear Matrix Inequality (LMI) framework. More precisely, LMI based conditions for the design of full-order filters for continuous- and discrete-time linear systems, using the H-2 and H-infinity norms as performance criteria, are proposed, with extensions to deal with polytopic uncertainty. The conditions have a scalar parameter and become LMIs for fixed values of the scalar. As attractive characteristics, the proposed conditions dissociate the Lyapunov matrix, that certifies the stability and the H-infinity or H-2 performance, from the matrices of the filter realization, encompassing the well-known quadratic stability based results from the literature for specific values of the scalar parameter. Additionally, the H-infinity filtering problem with low, middle and high frequency specifications is addressed through an extension of the Kalman-Yakubovich-Popov Lemma that relates frequency domain inequalities on line or circle segments with matrix inequalities. LMI based conditions for the design of H-infinity filters satisfying frequency range specifications with a stable realization and real matrices are proposed, for both continuous- and discrete-time cases, as well as extensions to cope with uncertain systems. Numerical examples illustrate the proposed resultsMestradoAutomaçãoMestre em Engenharia Elétrica2014/06408-4, 2015/13135-7FAPES

H2 Control For Discrete-time Systems Optimality And Robustness

This paper proposes a new approach to determine H2 optimal control for discrete-time linear systems, based on convex programming. It is shown that all stabilizing state feedback control gains belong to a certain convex set, well-defined in a special parameter space. The Linear Quadratic Problem can be then formulated as the minimization of a linear objective over a convex set. The optimal solution of this convex problem furnishes, under certain conditions, the same feedback control gain which is obtained from the classical discrete-time Riccati equation solution. Furthermore, the method proposed can also handle additional constraints, for instance, the ones needed to assure asymptotical stability of discrete-time systems under actuators failure. Some examples illustrate the theory. © 1992.291225228Anderson, Moore, (1971) Linear Optimal Control, , Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJBernussou, Peres, Geromel, A linear programming oriented procedure for quadratic stabilization of uncertain systems (1989) Systems and Control Letters, 13, pp. 65-72Dorato, Levis, Optimal linear regulators the discrete time case (1971) IEEE Transactions on Automatic Control, 16, pp. 613-620Geromel, Peres, Bernussou, On a convex parameter space method for linear control design of uncertain systems (1991) SIAM J. on Control and Optimiz., 29, pp. 381-402Kwakernaak, Sivan, (1972) Linear Optimal Control Systems, , John Wiley, New YorkLuenberger, (1973) Introduction to Linear Programming, , Addison-Wesley, Reading, M

Estabilidade e controle de sistemas lineares variantes no tempo e de sistemas chaveados lineares

Orientador: Pedro Luis Dias PeresTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de ComputaçãoResumo: Esta tese apresenta contribui»coes para a solucao de problemas de anaalise de estabilidade e de sintese de controladores para sistemas lineares com parametros variantes no tempo pertencentes a um politopo e para sistemas chaveados lineares com funcoes de chaveamento arbitrarias atraves de condicoes na forma de desigualdades matriciais lineares baseadas em funcoes de Lyapunov. Para sistemas lineares variantes no tempo (caso continuo), sao fornecidas condicoes de verificacao de estabilidade e de computo de custos garantidos H1 quando os parametros pertencentes a um politopo sao supostos incertos e com taxas de variacao limitadas. Para o problema de sintese, supondo que os parametros sao conhecidos em tempo real, sao fornecidas condicoes de projeto de ganhos de realimentacao de estados que variam de forma nao-linear com os parametros e que asseguram a estabilidade com um certo custo garantido H1 para o sistema em malha fechada sujeito a taxas de variacoes parametricas limitadas. No caso de taxas de variacoes parametricas arbitrarias, sao fornecidas condicoes de c^omputo de ganhos que variam de forma linear (caso continuo) ou de forma nao-linear (caso discreto) com os par^ametros, assegurando a estabilidade com requisitos de desempenho H1 para o sistema em malha fechada. Para sistemas chaveados lineares (casos continuo e discreto), sao fornecidas condicoes para computar ganhos chaveados de realimentacao de estados que resolvem os problemas de estabiliza cao e de controle H1, incluindo especi¯cacoes de alocacao de piolos, permitindo melhorar o desempenho do sistema em malha fechada sujeito a funcoes de chaveamento arbitrarias disponiveis em tempo real. Exemplos numericos incluindo problemas de controle com restri»cao de estrutura, de controle sob falhas de atuadores e uma aplicacao em circuitos eletricos chaveados ilustram como as condi»coes propostas reduzem o conservadorismo nos problemas de analise e de sintese das classes de sistemas dinamicos sob investigacaoAbstract: This thesis presents contributions to the solution of problems of stability analysis and control synthesis applied to linear systems with time-varying parameters belonging to a polytope and to switched linear systems subject to arbitrary switching functions using linear matrix inequality conditions based on Lyapunov functions. Concerning linear time-varying systems (continuous-time case), the proposed conditions assess the problems of stability analysis and computation of H1 guaranteed costs when the parameters belonging to a polytope are supposed to be uncertain with bounded rates of variation. For the problem of synthesis, assuming that the parameters are available in real time, the thesis provides conditions to design state feedback gains which depend nonlinearly on the parameters and assure stability with a given H1 guaranteed cost to the closed-loop system for the case of bounded rates of parametric variations. When the rates of parametric variations are assumed to be arbitrary, the given conditions can determine gains that depend linearly (continuous-time case) or nonlinearly (discrete-time case) on the parameters, assuring stability with H1 performance to the closed-loop system. In the context of switched linear systems (continuous and discrete-time cases), the proposed conditions are suitable to determine switched state feedback gains that solve the problems of stabilization and H1 control including pole location speci¯cations, allowing to improve the performance of the closed-loop system subject to arbitrary switching functions available in real time. Numerical examples including problems of structurally constrained control, robustness against actuator failures and an application on switched electrical circuits illustrate how the proposed conditions reduce the conservatism of the problems of analysis and synthesis for the classes of dynamic systems under investigationDoutoradoAutomaçãoDoutor em Engenharia Elétric