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singular control systems.pdf

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Front Matter
1Solutions of linear singular systems
2Time domain analysis
3Feedback control
4State observation
5Dynamic compensation for singular systems
6Structurally stable compensation in singular systems
7System analysis via transfer matrix
8Introduction to discrete-time singular systems
9Optimal control
10Some further topics
Back Matter
L e c t u r e N o t e s i n C o n t r o l a n d I n f o r m a t i o n S c i e n c e s E d i t e d b y M . T h o m a a n d A . W y n e r 1 1 1 8 L . D a i S i n g u l a r C o n t r o l S y s t e m s S p r i n g e r - V e r l a g B e r l i n H e i d e l b e r g N e w Y o r k L o n d o n P a r i s T o k y o
S e r i e s E d i t o r s M . T h o m a • A . W y n e r A d v i s o r y B o a r d U D . D a v i s s o n • A . G . J . M a c F a r l a n e ° H . K w a k e r n a a k J . L . M a s s e y • Y a Z . T s y p k i n • A . J . V i t e r b i A u t h o r L i y i D a i D i v i s i o n o f A p p l i e d S c i e n c e s H a r v a r d U n i v e r s i t y C a m b r i d g e , M A 0 2 1 3 8 U S A I S B N 3 - 5 4 0 - 5 0 7 2 4 - 8 S p r i n g e r - V e r l a g B e r l i n H e i d e l b e r g N e w Y o r k I S B N 0 - 3 8 7 - 5 0 7 2 4 - 8 S p r i n g e r - V e r l a g N e w Y o r k B e r l i n H e i d e l b e r g L i b r a r y o f C o n g r e s s C a t a l o g i n g i n P u b l i c a t i o n D a t a D a i , L . ( L i y i ) S i n g u l a r c o n t r o l s y s t e m s / L . D a i . ( L e c t u r e n o t e s i n c o n t r o l a n d i n f o r m a t i o n s c i e n c e s ; 1 1 8 ) B i b l i o g r a p h y : p . I n c l u d e s i n d e x . I S B N 0 - 3 8 7 - 5 0 7 2 4 - 8 : 1 . A u t o m a t i c c o n t r o l . 2 . C o n t r o l t h e o r y . 3 . L i n e a r s y s t e m s . I . T i t l e . I 1 . S e r i e s . T J 2 1 3 . D 2 5 1 9 8 9 6 2 9 . 8 - d c 1 9 8 9 - 4 0 9 1 T h i s w o r k i s s u b j e c t t o c o p y r i g h t . A l l r i g h t s a r e r e s e r v e d , w h e t h e r t h e w h o l e o r p a r t o f t h e m a t e r i a l i s c o n c e r n e d , s p e c i f i c a l l y t h e r i g h t s o f t r a n s l a t i o n , r e p r i n t i n g , r e - u s e o f i l l u s t r a t i o n s , r e c i t a t i o n , b r o a d c a s t i n g , r e p r o d u c t i o n o n m i c r o f i l m s o r i n o t h e r w a y s , a n d s t o r a g e i n d a t a b a n k s . D u p l i c a t i o n o f t h i s p u b l i c a t i o n o r p a r t s t h e r e o f i s o n l y p e r n l i t t e d u n d e r t h e p r o v i s i o n s o f t h e G e r m a n C o p y r i g h t L a w o f S e p t e m b e r 9 , 1 9 6 5 , i n i t s v e r s i o n o f J u n e 2 4 , 1 9 8 5 , a n d a c o p y r i g h t f e e m u s t a l w a y s b e p a i d . V i o l a t i o n s f a l l u n d e r t h e p r o s e c u t i o n a c t o f t h e G e r m a n C o p y r i g h t L a w . © S p r i n g e r - V e r l a g B e d i n , H e i d e l b e r g 1 9 8 9 P r i n t e d i n G e r m a n y O f f s e t p r i n t i n g : M e r c e d e s - D r u c k , B e r l i n B i n d i n g : B . H e l m , B e r l i n 2 1 6 1 / 3 0 2 0 - 5 4 3 2 1 0
T o Y u n W a n g
P R E F A C E S i n g u l a r s y s t e m s a r e f o u n d i n e n g i n e e r i n g s y s t e m s ( s u c h a s e l e c t r i c a l c i r c u i t n e t w o r k , p o w e r s y s t e m s , a e r o s p a c e e n g i n e e r i n g , a n d c h e m i c a l p r o c e s s i n g ) , s o c i a l s y s - t e m s , e c o n o m i c s y s t e m s , b i o l o g i c a l s y s t e m s , n e t w o r k a n a l y s i s , t i m e - s e r i e s a n a l y s i s , s i n g u l a r s i n g u l a r l y p e r t u r b e d s y s t e m s w i t h w h i c h t h e s i n g u l a r s y s t e m h a s a g r e a t d e a l t o d o , e t c . T h e i F f o r m a l s o m a k e s t h e m u s e f u l i n s y s t e m m o d e l i n g . I n m a n y a r t i c l e s s i n g u l a r s y s t e m s a r e c a l l e d t h e d e s c r i p t o r v a r i a b l e s y s t e m s , t h e d i f f e r e n t i a l / a l g e b - r a i c s y s t e m s , t h e g e n e r a l i z e d s t a t e s p a c e s y s t e m s , e t c . S i n g u l a r s y s t e m s a r e g o v e r n e d b y t h e s o - c a l l e d s i n g u l a r d i f f e r e n t i a l e q u a t i o n s , w h i c h e n d o w t h e s y s t e m s w i t h m a n y s p e c i a l f e a t u r e s t h a t a r e n o t f o u n d i n c l a s s i c a l s y s t e m s . A m o n g t h e s e a r e i m p u l s e t e r m s a n d i n p u t d e r i v a t i v e s i n t h e s t a t e r e s p o n s e , n o n p r o p e r n e s s o f t r a n s f e r m a t r i x , n o n c a u s a l i t y b e t w e e n i n p u t a n d s t a t e ( o r o u t p u t ) , c o n s i s t e n t i n i t i a l c o n d i t i o n s , e t c . , m a k i n g t h e s t u d y o f s i n g u l a r s y s t e m s m o r e s o p h i s t i c a t e d t h a n o f c l a s s i c a l l i - n e a r s y s t e m s . I n m y o p i n i o n , t h i s i s t h e r e a s o n w h y s i n g u l a r s y s t e m s h a v e a t t r a c t e d i n t e r e s t i n r e c e n t y e a r s . C u r r e n t l y , a l t h o u g h m u c h e f f o r t h a s b e e n m a d e i n t h e e x p l o - r a t i o n o f s p e c i a l p r o p e r t i e s f o r s i n g u l a r s y s t e m s , t h e s t u d i e s a r e m o s t l y c o n f i n e d t o t h e g e n e r a l i z a t i o n o f c l a s s i c a l s y s t e m t h e o r y ; o f c o u r s e , t h i s i s a l s o a n i m p o r t a n t t a s k i n c o n t r o l t h e o r y . T h e r e a r e m a i n l y t w o a p p r o a c h e s i n t h e s t u d i e s : g e o m e t r i c a n d a l g e b r a i c . T h e l a t t e r a p p r o a c h i s a d o p t e d i n t h i s b o o k . T h e p r i m a r y p u r p o s e o f w r i t i n g t h i s b o o k i s s u m m i n g u p t h e d e v e l o p m e n t o f s i n g u l a r c o n t r o l s y s t e m t h e o r y a n d p r o v i d i n g t h e c o n t r o l c i r c l e w i t h a s y s t e m a t i c t h e o r y o f t h e s y s t e m s . S o m e a c q u a i n t a n c e w i t h l i n e a r a l g e b r a a n d l i n e a r s y s t e m t h e o r y i s a s s u m e d . T h o s e n o t f a m i l i a r w i t h t h e s e p r e r e q u i - s i t e s c a n r e a d t h e b o o k a d m i t t i n g t h e r e s u l t s i n a p p e n d i c e s . T h e s y s t e m s a r e a l l l i - n e a r a n d t i m e i n v a r i a n t . T e c h n i c a l l y , t h e b o o k f o c u s e s o n t h e m a t h e m a t i c a l t r e a t m e n t o f s i n g u l a r s y s t e m s f r o m t h e p o i n t o f v i e w o f t h e s y s t e m , o r , i n o t h e r w o r d s , I m a k e a n e x c l u s i v e e f f o r t t o d i s c u s s t h e a n a l y s i s a n d d e s i g n o f s i n g u l a r c o n t r o l s y s t e m s . T h i s m a k e s p o s s i b l e t h e s y s t e m a t i c d e s i g n o f s i n g u l a r c o n t r o l s y s t e m s i n p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s . S o m e e x a m p l e s a r e u s e d o n l y t o i l l u s t r a t e t h e r e s u l t s a n d d e s i g n p r o c e - d u r e s i n t h i s b o o k . T h e b o o k i s o r g a n i z e d a s f o l l o w s . C h a p t e r 1 d i s c u s s e s t h e s t a t e r e s p o n s e s t r u c t u r e f o r s i n g u l a r s y s t e m s a n d t h e s t a t e s p a c e e q u i v a l e n t f o r m s n e e d e d f o r l a t e r d l s c u - s i o n . C h a p t e r 2 p r o v i d e s s o m e f u n d a m e n t a l c o n c e p t s i n t h e s y s t e m a n a l y s i s , s u c h a s
V l r e a c h a b i l i t y , c o n t r o l l a b i l i t y , o b s e r v a b i l i t y , r e a l i z a t i o n t h e o r y , t r a n s f e r m a t r i x , a n d s o o n . T h e s e c o n c : e p t s a r e e s s e n t i a l f o r s y s t e m a n a l y s i s a n d d e s i g n . C h a p t e r 3 d e a l s w i t h t h e c o n t r o l p r o b l e m . T h e c l o s e d - l o o p b e h a v i o r i s g i v e n u n d e r s t a t e f e e d - b a c k c o n t r o l s a n d d e t a i l e d i n f o r m a t i o n o n f i n i t e o r i n f i n i t e p o l e p l a c e m e n t m a y b e o b t a i n e d . C h a p t e r s 4 a n d 5 i n v e s t i g a t e s o m e a s p e c t s o f c o n t r o l s y s t e m d e s i g n f o r s i n g u l a r s y s t e m s ; t h e s t a t e o b s e r v a t i o n p r o b l e m i s d i s c u s s e d i n C h a p t e r 4 a n d t h e d y - n a m i c c o m p e n s a t i o n p r o b l e m i s t r e a t e d i n C h a p t e r 5 . R e s u l t s i n t h e s e t w o c h a p t e r s s h o w t h a t u n d e r f a i r l y g e n e r a l c o n d i t i o n s , w e m a y d e s i g n n o r m a l o b s e r v e r s a n d d y n a - m i c c o m p e n s a t o r s w h i c h m a y b e r e a l i z e d a s i n l i n e a r ~ y s t e m t h e o r y . C h a p t e r 6 i s d e v o - t e d t o a s p e c i a l p r o b l e m - - - t h e s t r u c t u r a l s t a b i l i t y , o r , m o r e p r e c i s e l y , t h e r o b u s - t n e s s o f s t a b i l i t y , w h i c h i s n o t a s c r u c i a l i n c l a s s i c a l l i n e a r s y s t e m t h e o r y a s i n t h e s i n g u l a r s y s t e m a c s e . I t i s s h o w n t h a t t o g u a r a n t e e s t r u c t u r a l s t a b i l i t y , g r e a t c a r e m u s t b e e x c e r c i s e d i n s i n g u l a r s y s t e m s . C h a p t e r 7 p r e s e n t s r e s u l t s o n t h e s y s t e m a n a l y s i s a n d s y n t h e s i s t h r o u g h t h e t r a n s f e r m a t r i x m e t h o d . T h r e e p r o b l e m s a r e s o l v e d : t h e t r a n s f e r m a t r i x s t r u c t u r e u n d e r s t a t e f e e d b a c k c o n t r o l ~ d e c o u p l i n g c o n t r o l , a n d i n p u t f u n c t i o n o b s e r v e r s . S i n c e t h e d i g i t a l t e c h n i q u e h o l d s a n i m p o r t a n t p o s i t i o n i n p r a c t i c a l s y s t e m d e s i g n . C h a p t e r 8 e x p l o r e s d i s c r e t e - t i m e s i n g u l a r s y s t e m s . O n l y b a s i c d e s i g n c o n c e p t s a r e s t u d i e d . C h a p t e r 9 c o n t a i n s b a s i c r e s u l t s o n o p t i m a l c o n - t r o l t h e o r y a n d C h a p t e r I O c o n t a i n s a p r e l i m i n a r y d i s c u s s i o n o n t o p i c s f o r f a r t h e r r e s e a r c h . L i y i D a i B e i j i n g , P R C A u g u s t , 1 9 8 8
C O N T E N T S P r e f a c e C h a p t e r 1 S o l u t i o n o f L i n e a r S i n g u l a r S y s t e m s 1 - 1 . I n t r o d u c t i o n 1 - 2 . R e g u l a r i t y o f g e n e r a l s i n g u l a r s y s t e m s I - 3 . E q u i v a l e n c e o f s i n g u l a r s y s t e m s 1 - 4 . S t a t e r e s p o n s e I - 5 . N o t e s a n d r e f e r e n c e s C h a p t e r 2 T i m e D o m a i n A n a l y s i s 2 - i . S t a t e t e a c h a b i l i t y 2 - 2 . C o n t r o l l a b i l i t y , R - c o n t r o l l a b i l i t y a n d i m p u l s e c o n t r o l l a b i l i t y 2 - 3 . O b s e r v a b i l i t y , R - o b s e r v a b i l i t y , a n d i m p u l s e o b s e r v a b i l i t y 2 - - 4 . D u a l p r i n c i p l e 2 - 5 . S y s t e m d e c o m p o s i t i o n 2 - 6 . T r a n s f e r m a t r i x a n d m i n i m a l r e a l i z a t i o n 2 - 7 . N o t e s a n d r e f e r e n c e s C h a p t e r 3 F e e d b a c k C o n t r o l 3 - 1 . S t a t e f e e d b a c k 3 - 2 . I n f i n i t e p o l e p l a c e m e n t 3 - 3 . F i n i t e p o l e p l a c e m e n t 3 - 4 . P o r e s t r u c t u r e u n d e r s t a t e f e e d b a c k c o n t r o l 3 - 5 . O u t p u t f e e d b a c k c o n t r o l 3 - 6 . N o t e s a n d r e f e r e n c e s C h a p t e r 4 S t a t e O b s e r v a t i o n 4 - i . S i n g u l a r s t a t e o b s e r v e r 4 - 2 . N o r m a l s t a t e o b s e r v e r 4 - 3 . G e n e r a l s t r u c t u r e o f s t a t e o b s e r v e r s 4 - 4 . D i s t u r b a n c e d e c o u p l i n g s t a t e o b s e r v e r s 4 - 5 . S t a t e o b s e r v e r w i t h d i s t u r b a n c e e s t i m a t i o n 4 - 6 . N o t e s a n d r e f e r e n c e s C h a p t e r 5 D y n a m i c C o m p e n s a t i o n f o r S i n g u l a r S y s t e m s 5 - I . S i n g u l a r d y n a m i c c o m p e n s a t o r s 5 - 2 . F u l l - o r d e r n o r m a l c o m p e n s a t o r s 5 - 3 . R e d u c e d - o r d e r n o r m a l c o m p e n s a t o r s 1 1 4 I 0 1 6 2 2 2 3 2 3 2 9 3 8 4 6 5 O 5 7 6 5 6 7 6 7 7 8 8 7 9 5 9 8 I 0 1 1 0 2 1 0 2 1 0 6 1 1 8 1 2 2 1 2 8 1 3 1 1 3 2 1 3 2 1 3 6 1 4 2
V I I I 5 - 4 . S i n g u l a r c o m p e n s a t o r s i n o u t p u t r e g u l a t i o n s y s t e m s 5 - 5 . N o r m a l c o m p e n s a t o r s i n o u t p u t r e g u l a t i o n s y s t e m s 5 - 6 . N o t e s a n d r e f e r e n c e s 1 5 2 1 6 1 1 6 6 C h a p t e r 6 S t r u c t u r a l l y S t a b l e C o m p e n s a t i o n i n S i n g u l a r S y s t e m s 1 6 7 6 - I . S t r u c t u r a l s t a b i l i t y i n h o m o g e n o o u s s i n g u l a r s y s t e m s ] 6 8 6 - 2 . C o m p e n s a t i o n f u n c t i o n o n s t r u c t u r a l s t a b i l i t y v i a d y n a m i c f e e d b a c k 1 7 4 6 - 3 . S t r u c t u r a l l y s t a b l e n o r m a l c o m p e n s a t o r s 1 7 9 6 - 4 . S t r u c t u r a l l y s t a b l e n o r m a l c o m p e n s a t o r s i n o u t p u t r e g u l a t i o n s y s t e m s 1 8 4 6 - 5 . N o t e s a n d r e f e r e n c e s 1 9 6 C h a p t e r 7 S y s t e m A n a l y s i s v i a T r a n s f e r M a t r i x 1 9 7 7 - I . T r a n s f e r m a t r i x i n s i n g u l a r s y s t e m s 1 9 7 7 - 2 . S t a t e f e e d b a c k a n d t r a n s f e r m a t r i x : s i n g l e - i n p u t s i n g l e - o u t p u t s y s t e m s 2 0 1 7 - 3 . S t a t e f e e d b a c k a n d t r a n s f e r m a t r i x : m u l t i l n p u t m u l t i o u t p u t s y s t e m s 2 0 8 7 - 4 . S i n g u l a r i n p u t f u n c t i o n o b s e r v e r s 2 1 5 7 - 5 . N o r m a l i n p u t f u n c t i o n o b s e r v e r s 2 1 9 7 - 6 . D e c o u p l i n g c o n t r o l 2 2 4 7 - 7 . N o t e s a n d r e f e r e n c e s 2 3 0 C h a p t e r 8 I n t r o d u c t i o n t o D i s c r e t e - t i m e S i n g u l a r S y s t e m s 2 3 1 8 - I . F i n i t e d i s c r e t e - t i m e s e r i e s 2 3 2 8 - 2 . S o l u t i o n , c o n t r o l l a b i l i t y a n d o b s e r v a b i l i t y i n d i s c r e t e - t i m e s i n g u l a r s y s t e m s 2 3 9 8 - 3 . S t a t e f e e d b a c k a n d p o l e p l a c e m e n t i n d i s c r e t e - t i m e s i n g u l a r s y s t e m s 2 4 5 8 - 4 . S t a t e o b s e r v a t i o n f o r d i s c r e t e - t i m e s i n g u l a r s y s t e m s 2 5 0 8 - 5 . D y n a m i c c o m p e n s a t i o n f o r d i s c r e t e - t i m e s i n g u l a r s y s t e m s 2 5 9 8 - 6 . N o t e s a n d r e f e r e n c e s 2 6 5 C h a p t e r 9 O p t i m a l C o n t r o l 9 - I . I n t r o d u c t i o n 9 - 2 . O p t i m a l r e g u l a t i o n w i t h q u a d r a t i c c o s t f u n c t i o n a l 9 - 3 . T i m e o p t i m a l c o n t r o l 9 - 4 . O p t i m a l c o n t r o l f o r d i s c r e t e - t i m e s i n g u l a r s y s t e m s 9 - 5 . N o t e s a n d r e f e r e n c e s 2 6 6 2 6 6 2 6 7 2 7 2 2 7 5 2 8 4 C h a p t e r i O S o m e F u r t h e r T o p i c s I O - I . L a r g e - S c a l e s i n g u l a r s y s t e m s 1 0 - 2 . A d a p t i v e c o n t r o l 1 0 - 3 . S t o c h a s t i c s i n g u l a r s y s t e m s 1 0 - 4 . N o t e s a n d r e f e r e n c e s 2 8 5 2 8 5 2 9 1 2 9 4 3 0 1 A p p e n d i x A D i s t r i b u t i o n a n d D i r s c F u n c t i o n 3 0 2
A p p e n d i x B A p p e n d i x C A p p e n d i x D A p p e n d i x E A p p e n d i x F l × S o m e R e s u l t s i n M a t r i x T h e o r y S o m e R e s u l t s i n C o n t r o l T h e o r y L i s t o f S y m b o l s a n d A b b r e v i a t i o n s S u b j e c t I n d e x B i b l i o g r a p h y 3 0 6 3 1 0 3 1 3 3 1 6 3 2 0
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