Contribució al control fiable de sistemes interconnectats amb incerteses

Abstract

En aquesta tesi, presentem una solució per a dos problemes rellevants en la teoria de control: el problema del cost quadràtic garantit i el problema del control H&#8734;, per a un cert tipus de sistemes. Considerem els sistemes interconnectats lineals amb incerteses, sota la presència de fallades en els actuadors, i dissenyem controls descentralitzats que a més a més d'assegurar estabilitat, resolen aquests dos problemes. Treballem amb tres models diferents d'incerteses: incerteses normades o acotades, incerteses definides sobre un politop i incerteses que segueixen el model multiconvex. El model de fiabilitat emprat permet plantejar-se tant una fallada total en l'actuador com una fallada parcial. Els dos problemes tractats són:<br/>· Problema del control RGC. Sintetitzar el control fiable sota fallada en els actuadors, que assegura estabilitat i garanteix un cert nivell de rendiment o de cost, calculant una cota mínima per a la funció de cost.<br/><br/>· Problema del control robust. Dissenyar el control que assegura estabilitat interna sota pertorbacions en el sistema, obtenint una cota per a la relació entre la pertorbació i la sortida controlable. Es considera la norma H&#8734; del sistema, que representa l'increment màxim en energia, entre l'entrada i la sortida del sistema..<br/><br/>A l'hora de dissenyar ambdos controls, utilitzem les tècniques donades per les inequacions lineals matricials (LMI), que permeten una fàcil implementació numèrica. Així doncs, a part de tractar els problemes de la llei RGC i del control robust, hem determinat una relació general entre inequacions matricials lineals i no lineals, que permet obtenir caracteritzacions LMI per a un gran ventall de problemes de teoria de control. Les LMI que hem obtingut separen les dades del problema i les variables de disseny, permetent una resolució menys restrictiva. En particular, faciliten l'ús de funcions de Lyapunov paramètriques que asseguren l'estabilitat del sistema quan una funció no paramètrica no arriba a fer-ho. La formulació per mitjà de les tècniques LMI ens ha permès obtenir implementacions numèriques efectives, així com relaxacions en les condicions d'estabilitat. <br/><br/>En el cas del problema del control RGC, trobem que quan es consideren fallades en el sistema, el model d'incerteses es veu reduït en certa manera, perdent també llibertat en la definició de la funció de cost. Un cop sintetitzat el control RGC, presentem dues maneres que permeten obtenir una cota òptima del cost garantit, així com treure'n la dependència respecte les condicions inicials. Hem dut a terme exemples numèrics que mostren l'eficiència dels mètodes enunciats, tractant els models d'incerteses normat i politòpic. Els resultats s'han obtingut usant el Toolbox LMI Control del programa Matlab.<br/><br/>El segon problema que ens plantejem és el del control estàtic realimentat per l'estat, tal que la norma H&#8734; del sistema es troba acotada. Aquest fet assegura que l'efecte de pertorbacions en el sistema està dins de marges desitjats. A més a més, la síntesi obtinguda és independent del model de incerteses i, en el cas dels models normat i politòpic, hem obtingut una caracterització LMI. També fem un breu estudi del control robust realimentat per la sortida, obtenint una caracterització en termes LMI, en el cas que no se suposin errors en la medició de la sortida.

This thesis presents a design of a reliable decentralized state feedback control for a class of uncertain interconnected systems. We present a solution for two outstanding problems in the control theory: the problem of the guaranteed quadratic cost control and the H&#8734; problem. We have designed decentralized controls that besides assuring stability, they solve these two problems. We have considered three uncertainty models: born-normed model, polytopic model and multiconvex model. A model of failures in actuators is adopted which considers outages or partial degradation in independent actuators. The two treated problems are:<br/> <br/>· RGC Control. This problem is related to the decentralized reliable guaranteed cost control problem for interconnected systems. The presented reliable control shows that the admission of control failures imposes some restriction in the control weighting matrices in the performance criterion. Thus the designer can take some trade-off between control performance and admitted reliability.<br/><br/>· Robust Control. The control problem considered is to design feedback controller, such that the closed loop structure is stable and has a specified performance. In the standard H problem, stability means internal stability and the performance is taken to be the H norm of the transfer function from the exogenous inputs and the regulators outputs. An estimation of worst-case H norm is required.<br/> <br/>A key point in the control design has been the formulation of a new linear matrix inequality (LMI) characterization, which uses parameter-dependent Lyapunov functions and slack variables. The obtained LMI separate the unknown variables from the system parameter data, which smoothes the numerical solution. This characterization can be useful for different classes of problems, such as guaranteed cost control, H2 or H&#8734; control design.<br/><br/>We use this type of LMI to proof that the proposed decentralized control scheme guarantees the quadratic stability and a cost bound, for RGC control problem, and a H&#8734; norm bound for a robust control problem, for a class of failure model which considers outage or partial degradation of any independent specific actuator. We make this for the three uncertainties models. A numerical example has been included to illustrate the proposed decentralized control approach. Computations have been made by using standard Matlab's LMI Control Toolbox.