On differential-algebraic control systems

In der vorliegenden Dissertation werden differential-algebraische Gleichungen (differential-algebraic equations, DAEs) der Form \ddt E x = Ax + f betrachtet, wobei $E$ und $A$ beliebige Matrizen sind. Falls $E$ nichtverschwindende Einträge hat, dann kommen in der Gleichung Ableitungen der entsprechenden Komponenten von $x$ vor. Falls $E$ 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 $f$ und Konsistenzbedingungen an $f$. 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~$f=Bu$ zu studieren. Hier bezeichnet $u$ den Eingang des differential-algebraischen Systems. Es werden Zerlegungen unter System- und Feedback-Äquivalenz, sowie die Folgen einer Behavioral-Steuerung $K_x x + K_u u = 0$ für die Stabilisierung des Systems untersucht. Falls für das DAE-System zusätzlich eine Ausgangs-Gleichung $y=Cx$ 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 $(x,u,y)$ mit $y=0$. 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, $y=Cx$, hat die Hochverstärkungseigenschaft, wenn es durch die Anwendung der proportionalen Ausgangsrückführung $u=-ky$, mit $k>0$ 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 $k$ gewählt werden muss. Dieses Problem wird durch den Funnel-Regler gelöst: durch die adaptive Justierung der Verstärkung über eine zeitabhängige Funktion $k(\cdot)$ und die Ausnutzung der Hochverstärkungseigenschaft wird erreicht, dass große Werte $k(t)$ nur dann angenommen werden, wenn sie nötig sind. Eine weitere wesentliche Eigenschaft ist, dass der Funnel-Regler das transiente Verhalten des Fehlers $e=y-y_{\rm ref}$ der Bahnverfolgung, wobei $y_{\rm ref}$ die Referenztrajektorie ist, beachtet. Für einen vordefinierten Performanz-Trichter (funnel) $\psi$ wird erreicht, dass $\|e(t)\|<\psi(t)$. 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

Algebraic characterization of controllability and observability for second order descriptor systems

We analyze controllability and observability conditions for second order descriptor systems and show how the classical conditions for first order systems can be generalized to this case. We show that performing a classical transformation to first order form may destroy some controllability and observability properties. To avoid this, we will derive a canonical form and new first order formulations that do not destroy the controllability and observability properties. As an example, we demonstrate that the loss of impulse controllability in constrained multi-body systems is due to the representation as first order system

Controllability of linear differential-algebraic systems - A survey

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

Regelungstheorie

The workshop “Regelungstheorie” (control theory) covered a broad variety of topics that were either concerned with fundamental mathematical aspects of control or with its strong impact in various fields of engineering

Observer based active fault tolerant control of descriptor systems

The active fault tolerant control (AFTC) uses the information provided by fault detection and fault diagnosis (FDD) or fault estimation (FE) systems offering an opportunity to improve the safety, reliability and survivability for complex modern systems. However, in the majority of the literature the roles of FDD/FE and reconfigurable control are described as separate design issues often using a standard state space (i.e. non-descriptor) system model approach. These separate FDD/FE and reconfigurable control designs may not achieve desired stability and robustness performance when combined within a closed-loop system.This work describes a new approach to the integration of FE and fault compensation as a form of AFTC within the context of a descriptor system rather than standard state space system. The proposed descriptor system approach has an integrated controller and observer design strategy offering better design flexibility compared with the equivalent approach using a standard state space system. An extended state observer (ESO) is developed to achieve state and fault estimation based on a joint linear matrix inequality (LMI) approach to pole-placement and H∞ optimization to minimize the effects of bounded exogenous disturbance and modelling uncertainty. A novel proportional derivative (PD)-ESO is introduced to achieve enhanced estimation performance, making use of the additional derivative gain. The proposed approaches are evaluated using a common numerical example adapted from the recent literature and the simulation results demonstrate clearly the feasibility and power of the integrated estimation and control AFTC strategy. The proposed AFTC design strategy is extended to an LPV descriptor system framework as a way of dealing with the robustness and stability of the system with bounded parameter variations arising from the non-linear system, where a numerical example demonstrates the feasibility of the use of the PD-ESO for FE and compensation integrated within the AFTC system.A non-linear offshore wind turbine benchmark system is studied as an application of the proposed design strategy. The proposed AFTC scheme uses the existing industry standard wind turbine generator angular speed reference control system as a “baseline” control within the AFTC scheme. The simulation results demonstrate the added value of the new AFTC system in terms of good fault tolerance properties, compared with the existing baseline system

Mini-Workshop: Recent Developments on Approximation Methods for Controlled Evolution Equations

This mini-workshop brought together mathematicians engaged in partial differential equations, functional analysis, numerical analysis and systems theory in order to address a number of current problems in the approximation of controlled evolution equations