2.capitolul_2

30
2 - 1 Cap. 2 Modele pentru sisteme dinamice 2.1. Introducere În acest capitol prezentăm o scurtă descriere a diferitelor modele şi parametrizări ale sistemelor liniare invariante în timp (LTI-Linear Time Invariant). Accentul se pune pe acele idei care sunt utile în studiul problemelor de identificare a parametrilor şi de control adaptiv ce vor fi prezentate în capitolele viitoare. Pentru început, vom prezenta pe scurt câteva modele canonice de stare pentru sistemele LTI, precum şi caracteristicile lor. În continuare, pentru aceeaşi clasă de sisteme, vom studia descrierile I/O utilizând funcţia de transfer şi operatorii diferenţiali. Vom defini funcţia de transfer ca raportul a două polinoame şi vom prezenta câteva proprietăţi de bază ale polinoamelor folosite în proiectarea controlului şi modelarea sistemelor. Aceste modele parametrice ce vor fi prezentate, precum proprietăţile lor sunt esenţiale în problemele de identificare a parametrilor şi control adaptiv ce vor fi prezentate în capitolele viitoare. Scopul acestui capitol nu este acela de a da o descriere completă a tuturor aspectelor legate de modelarea şi reprezentarea sistemelor LTI, ci mai degrabă de a prezenta un rezumat al acelor idei care vor fi utilizate în capitolele următoare. Pentru detalii privind modelarea şi proprietăţile sistemelor liniare, se recomandă următoarele cărţi standard începând cu cele elementare [44, 57, 121, 180] şi continuând cu cele avansate [30, 42, 95, 237, 238]. 2.2. Modele în spaţiul stărilor 2.2.1. Descriere generală O serie de sisteme sunt descrise prinr-un set de ecuaţii diferenţiale de forma: ) ), ( ), ( ( ) ( ) ( ), ), ( ), ( ( ) ( 0 0 t t u t x g t y x t x t t u t x f t x = = = & (2.2.1) unde t este variabila timp, x(t) este un vector n-dimensional cu elemente reale care reprezintă starea sistemului, u(t) este un vector r-dimensional cu elemente reale care reprezintă intrarea sau comanda sistemului, y(t) este un vector l-dimensional cu elemente reale care reprezintă variabilele de ieşire şi care pot fi măsurate, f şi g sunt funcţii vectoriale de variabile vectoriale reale, n este dimensiunea stării x denumită şi ordin al sistemului, x(t 0 ) reprezintă valoarea lui x(t) la momentul iniţial t = t 0 0. Când f şi g sunt funcţii liniare de x şi u, (2.2.1) ia forma:

Upload: mircea-parpanete

Post on 13-Dec-2015

216 views

Category:

Documents


2 download

DESCRIPTION

Curs 2 - Controlul adaptiv al structurilor robotice

TRANSCRIPT

2 - 1

Cap. 2 Modele pentru sisteme dinamice 2.1. Introducere

În acest capitol prezentăm o scurtă descriere a diferitelor modele şi parametrizări ale sistemelor liniare invariante în timp (LTI-Linear Time Invariant). Accentul se pune pe acele idei care sunt utile în studiul problemelor de identificare a parametrilor şi de control adaptiv ce vor fi prezentate în capitolele viitoare.

Pentru început, vom prezenta pe scurt câteva modele canonice de stare pentru sistemele LTI, precum şi caracteristicile lor. În continuare, pentru aceeaşi clasă de sisteme, vom studia descrierile I/O utilizând funcţia de transfer şi operatorii diferenţiali. Vom defini funcţia de transfer ca raportul a două polinoame şi vom prezenta câteva proprietăţi de bază ale polinoamelor folosite în proiectarea controlului şi modelarea sistemelor.

Aceste modele parametrice ce vor fi prezentate, precum proprietăţile lor sunt esenţiale în problemele de identificare a parametrilor şi control adaptiv ce vor fi prezentate în capitolele viitoare.

Scopul acestui capitol nu este acela de a da o descriere completă a tuturor aspectelor legate de modelarea şi reprezentarea sistemelor LTI, ci mai degrabă de a prezenta un rezumat al acelor idei care vor fi utilizate în capitolele următoare. Pentru detalii privind modelarea şi proprietăţile sistemelor liniare, se recomandă următoarele cărţi standard începând cu cele elementare [44, 57, 121, 180] şi continuând cu cele avansate [30, 42, 95, 237, 238]. 2.2. Modele în spaţiul stărilor 2.2.1. Descriere generală

O serie de sisteme sunt descrise prinr-un set de ecuaţii diferenţiale de forma:

)),(),(()()(),),(),(()( 00

ttutxgtyxtxttutxftx

===&

(2.2.1)

unde t este variabila timp, x(t) este un vector n-dimensional cu elemente reale care reprezintă starea sistemului, u(t) este un vector r-dimensional cu elemente reale care reprezintă intrarea sau comanda sistemului, y(t) este un vector l-dimensional cu elemente reale care reprezintă variabilele de ieşire şi care pot fi măsurate, f şi g sunt funcţii vectoriale de variabile vectoriale reale, n este dimensiunea stării x denumită şi ordin al sistemului, x(t0) reprezintă valoarea lui x(t) la momentul iniţial t = t0 ≥ 0.

Când f şi g sunt funcţii liniare de x şi u, (2.2.1) ia forma:

2 - 2

utDxtCy

xtxutBxtAxT )()(

)(,)()( 00

+=

=+=& (2.2.2)

unde A(t) nn×ℜ∈ , B(t) rn×ℜ∈ , C(t) ln×ℜ∈ şi D(t) rl×ℜ∈ sunt matrice cu elemente variante în timp. Dacă în plus, f şi g nu depind de timpul t, se obţine

uDxCy

xtxuBxAxT +=

=+= 00 )(,& (2.2.3)

unde A, B, C şi D sunt matrice având aceleaşi dimensiuni ca cele din (2.2.2) dar cu elemente constante.

Sistemul (2.2.2) va fi referit ca sistem liniar finit-dimensional variabil în timp (LTV-Linear Time-Varying), iar (2.2.3) ca sistem LTI finit dimensional. Soluţia x(t), y(t) a sistemului (2.2.2) este dată de

)()()()()(

)()(),()(),()(0

00

tutDtxtCty

duBttxtttx

T

t

t

+=

ττττΦ+Φ= ∫ (2.2.4)

unde ),( 0ttΦ este matricea de tranziţie definită ca o matrice care satisface ecuaţia liniară matriceală omogenă:

ItttttAt

tt=ΦΦ=

∂Φ∂ ),(),,()(),(

0000

Pentru sistemul LTI (2.2.3), ),( 0ttΦ depinde numai de diferenţa t-t0, adică, )(

000)(),( ttAetttt −=−Φ=Φ

iar soluţia x(t), y(t) a lui (2.2.3) este dată de

)()()(

)()()(0

0 )(0

)(

tuDtxCty

duBetxetxT

t

ttAttA

+=

ττ+= ∫ τ−−

(2.2.5)

unde eAt poate fi calculată cu =tAe L--1 }){( 1−− AsI , unde L-1 reprezintă transformarea Laplace inversă, iar s este variabila Laplace.

Uzual, matricea D din (2.2.2), (2.2.3) este zero, deoarece în majoritatea sistemelor fizice nu există o conexiune directă între intrări şi ieşiri.

În acest curs, ne vom concentra în principal asupra sistemelor SISO-LTI, cu D = 0, dar vor exista şi câteva paragrafe, în care se vor analiza pe scurt şi sisteme de forma (2.2.2) şi (2.2.3). 2.2.2. Forme canonice în spaţiul stărilor

Considerăm sistemul SISO-LTI:

xCy

xtxuBxAxT=

=+= 00 )(,& (2.2.6)

unde nx ℜ∈ .

2 - 3

Matricea de controlabilitate Pc asociată sistemului (2.2.6) este definită prin:

],,[ 1BAABBP nc

−Δ= K

O condiţie necesară şi suficientă pentru ca sistemul (2.2.6) să fie complet controlabil este ca Pc să fie nesingulară. Dacă (2.2.6) este complet controlabil, transformarea liniară

xPx cc1−= (2.2.7)

transformă sistemul (2.2.6) în forma sa canonică controlabilă

cTc

c

n

c

xCy

ux

a

aaa

x

=

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

+

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

−−−

=

−00001

100

010001000

1

2

1

0

MMOM

LLL

& (2.2.8)

unde ai sunt coeficienţii ecuaţiei caracteristice asociată lui A, adică:

01

1)det( asasAsI nn

n +++=− −− L , iar c

TTc PCC = .

Dacă în locul lui (2.2.7) utilizăm transformarea

xPMx cc11 −−= , (2.2.9)

unde

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

=−

1000100

101

1

23

121

LL

MMOMMLL

n

n

a

aaaaa

M ,

obţinem următoarea formă canonică a controllerului

cT

c

nn

c

xCy

ux

aaaa

x

0

0121

0

001

0100

00100001

=

⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢

+

⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎡ −−−−

=

−−

M

L

MOMM

L

L

L

& (2.2.10)

unde MPCC cTT =0 . Prin rearanjarea elementelor vectorului de stare xc, (2.2.10)

poate fi rescrisă în următoarea formă care apare deseori în cărţile de teoria sistemelor liniare

2 - 4

cT

c

nn

c

xCy

ux

aaaa

x

1

1210 1

000

1000001000010

=

⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢

+

⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢

−−−−

=

−−

M

L

L

OMM

L

L

& (2.2.11)

unde C1 este definită corespunzător. Matricea de observabilitate Po asociată sistemului (2.2.6) se defineşte prin:

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

=−

Δ

1nT

T

T

o

AC

ACC

PM

(2.2.12)

O condiţie necesară şi suficientă pentru ca sistemul (2.2.6) să fie complet observabil este ca Po să fie nesingulară. Urmând dualitatea argumentelor prezentate mai sus pentru forma canonică controlabilă şi a controllerului, se ajunge la forma observabilă şi a observerului cu condiţia ca Po să fie nesingulară [95]. Forma canonică observabilă a lui (2.2.6) obţinută prin transformarea xo = Pox este:

o

oo

nn

o

xy

uBx

aaaa

x

]0,,0,1[

1000001000010

1210

K

L

L

OMM

L

L

&

=

+

⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢

−−−−

=

−−

, (2.2.13)

iar forma canonică a observerului este

o

o

n

n

o

xy

uBx

aa

aa

x

]0,,0,1[0001000010001

1

0

1

2

1

K

L

L

OMM

L

L

&

=

+

⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢

−−

−−

=−

, (2.2.14)

unde Bo, B1 pot fi diferite. Dacă pentru sistemul (2.2.6) de ordin n, rangul matricei de controlabilitate

asociate Pc este mai mic decât n, atunci se spune că (2.2.6) este necontrolabil. Similar, dacă rangul matricei de observabilitate Po este mai mic decât n, atunci (2.2.6) este neobservabil.

2 - 5

Sistemul reprezentat prin (2.2.8), (2.2.10) sau (2.2.11) este complet controlabil dar nu necesar şi observabil. Similar, sistemul reprezentat prin (2.2.13) sau (2.2.14) este complet observabil, dar nu necesar şi controlabil. Dacă sistemul (2.2.6) de ordin n este fie neobservabil, fie necontrolabil atunci proprietăţile sale I/O din condiţii iniţiale nule, adică x0 = 0, sunt caracterizate complet printr-un sistem complet controlabil şi observabil de ordin mai mic decât n, descris prin:

coTco

cococococo

xCy

txuBxAx

=

=+= 0)(, 0& (2.2.15)

unde rncox ℜ∈ cu nr < n. Trebuie precizat că, nu mai sunt posibile reduceri

ulterioare ale ordinului sistemului (2.2.15) fără afectarea proprietăţilor I/O, oricare ar fi tipul intrării aplicate. Din acest motiv, (2.2.15) este referit ca reprezentare minimală în spaţiul stărilor (de stare) a sistemului; aceasta se distinge de reprezentarea neminimală de stare care corespunde fie unui sistem necontrolabil, fie unui sistem neobservabil.

Un model minimal de stare nu descrie părţile necontrolabile sau neobservabile ale sistemului. În reprezentarea neminimală de stare, aceste părţi pot conduce la anumite stări nemărginite dacă sistemul evoluează din condiţii iniţiale nenule asociate acestor părţi. Dacă în schimb părţile necontrolabile sau neobservabile sunt asimptotic stabile [95], ele vor tinde exponenţial la zero şi, în multe aplicaţii, efectul lor poate fi ignorat. Un sistem ale cărui părţi necontrolabile sunt asimptotic stabile se numeşte stabilizabil, iar sistemul ale cărui părţi neobservabile sunt asimptotic stabile se numeşte detectabil [95].

Exemplul 2.2.1. Considerăm căruciorul cu două pendule inverse prezentat în Fig. 2.1, unde M este masa căruciorului, m1 şi m2 sunt masele celor două greutăţi, iar l1 şi l2 sunt lungimile celor două pendule. Utilizând legile lui Newton şi presupunând că deviaţiile unghiulare |||,| 21 θθ sunt mici, ecuaţiile de mişcare sunt date de:

22222

11111

2211

)(

)(

θ=θ+

θ=θ+

+θ−θ−=

gmlvm

gmlvm

ugmgmvM

&&&

&&&

&

Fig. 2.1. Cărucior cu două pendule inverse

m1 m2

l1

l2

Mu

θ1

θ2

2 - 6

unde v este viteza căruciorului, u este o forţă externă, iar g este acceleraţia gravitaţională. Pentru a simplifica calculele, presupunem că m1 = m2 = 1 kg, iar M = 10 m1. Dacă notăm x1 = θ1, x2 = 1θ& , x3 = 21 θ−θ , x4 = 21 θ−θ && variabilele de stare, obţinem următoarea reprezentare de stare a sistemului:

x& = Ax + Bu unde

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

=

4

3

2

1

xxxx

x , ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

α−α−αα−α

α−α=

0)(1.00)(2.1100001.002.10010

21221

11A , ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

β−β

β=

21

10

0B

şi α1 = g/l1, α2 = g/l2, β1 = -0.1/l1, β2 = -0.1/l2. Matricea de controlabilitate a sistemului este dată de Pc = [B, AB, A2B, A3B].

Se poate arăta că

42

41

221

22 )()011.0(detll

llgPc−

=

ceea ce înseamnă că sistemul este controlabil dacă şi numai dacă 21 ll ≠ . Presupunem că θ1 este singura variabilă măsurabilă, adică, ieşirea măsurabilă

a sistemului este y = CTx, cu C = [1, 0, 0, 0]T. Matricea de observabilitate a sistemului bazată pe această ieşire este dată de:

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

=3

2

ACACAC

CP

T

T

T

T

o

Efectuând calculele, vom obţine, 21

2 /01.0det lgPo ⋅= , evident nenul, ceea ce înseamnă că sistemul este observabil pentru y = θ1.

Când l1 = l2, sistemul este necontrolabil. În acest caz, α1 = α2, β1 = β2, iar matricea A şi vectorul B devin:

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

α

α−α=

000100001.002.10010

1

11A , ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡β=

00

01B

evidenţiind faptul că intrarea de comandă u nu poate influenţa variabilele de stare x3, x4. Se poate arăta că pentru x3(0), x4(0) ≠ 0, toate variabilele de stare vor creşte la infinit pentru toate intrările posibile u. Pentru l1 = l2, controlul celor două pendule identice este posibil numai dacă unghiurile iniţiale şi vitezele unghiulare sunt identice, adică, )0()0( 21 θ=θ şi )0()0( 21 θ=θ && , care face ca x3(0) = x4(0) = 0.

2 - 7

2.3. Modele intrare/ieşire

2.3.1. Funcţii de transfer

Funcţiile de transfer joacă un rol important în caracterizarea proprietăţile I/O ale sistemelor LTI şi sunt larg utilizate în teoria controlului clasic.

Vom defini mai întâi funcţia de transfer a unui sistem LTI pornind de la ecuaţia diferenţială care descrie dinamica acestui sistem.

Considerăm un sistem descris prin următoarea ecuaţie diferenţială de ordin n:

)()()()()()( 0)1(

1)(

0)1(

1)( tubtubtubtyatyaty m

mm

mn

nn +++=+++ −

−−

− LL (2.3.1)

unde )()()( tytd

dty i

ii

Δ= , iar )()()( tu

tddtu i

ii

Δ= ; u(t) este variabila de intrare, iar y(t)

este variabila de ieşire; coeficienţii ai, bj, i = 0, 1, ... , n - 1; j = 0, 1, ... , m, sunt constanţi, iar n şi m sunt constante întregi.

Pentru a obţine funcţia de transfer a sistemului (2.3.1), aplicăm trasformata Laplace ambilor membri ai ecuaţiei (2.3.1) considerând condiţiile iniţiale nule. Se obţine:

( ) ( ) )()( 01

101

1 sUbsbsbsYasas mm

mm

nn

n +++=+++ −−

−− LL

unde s este variabila Laplace. Funcţia de transfer G(s) a lui (2.3.1) este definită prin:

01

1

01

1

)()()(

asasbsbsb

sUsYsG n

nn

mm

mm

++++++

== −−

−−

Δ

L

L . (2.3.2)

Funcţia obţinută prin aplicarea transformatei Laplace inverse lui G(s), adică g(t) = L -1[G(s)], este cunoscută sub denumirea de răspuns la impuls al sistemului (2.3.1). Atunci, y(t) = g(t)∗u(t), unde ∗ reprezintă produsul de convoluţie. Când u(t) = )(tΔδ , unde )(tΔδ este funcţia delta definită prin:

εε−−

=δ→εΔ

)()(lim)(0

ttt II ,

unde I (t) este funcţia treaptă unitate, atunci y(t) = )()( ttg Δδ∗ = g(t). De aceea, când intrarea într-un sistem LTI este o funcţie delta (denumită adesea impuls unitate) la t = 0, ieşirea sistemului este egală cu g(t), răspunsul la impuls.

Spunem că G(s) este proprie dacă G(∞ ) este finită, adică n ≥ m, este strict proprie dacă G(∞ ) = 0 , adică n > m şi improprie, dacă n = m.

Gradul relativ n* a lui G(s) se defineşte ca n* = n - m, adică, n* = gradul numitorului – gradul numărătorului lui G(s).

Ecuaţia caracteristică a sistemului (2.3.1) este definită prin ecuaţia: 00

11 =+++ −− asas n

nn L .

Într-o manieră similară, funcţia de transfer a unui sistem LTI poate fi definită pornind şi de la descrierea sistemului prin ecuaţiile de stare (2.2.3). Aplicarea transformatei Laplace fiecărui membru din (2.2.3) conduce la:

2 - 8

)()()(

)()()0()(

sUDsXCsY

sUBsXAxssXT +=

+=− (2.3.3)

sau ( ) )0()()()()( 11 xAIsCsUDBAIsCsY TT −− −++−=

Considerând condiţiile iniţiale nule, adică, x(0) = 0, se obţine: Y (s) = G(s)U(s) (2.3.4)

unde DBAIsCsG T +−= −1)()( se numeşte funcţie de transfer matriceală, în cazul sistemelor cu mai multe intrări şi mai multe ieşiri, şi, funcţie de transfer în cazul sistemelor SISO.

G(s) se poate de asemenea reprezenta prin:

DAIs

BAIsadjCsGT

+−−

=)det()}({)( (2.3.5)

unde adj(Q) reprezintă adjuncta matricei pătratice nnQ ×ℜ∈ . Elementul (i, j) notat cu qij al adj(Q) se calculează ca njiQq ij

jiij ,,2,1,,)det()1( K=−= + , unde

)1()1( −×−ℜ∈ nnjiQ este o submatrice a lui Q obţinută prin eliminarea liniei j şi a

coloanei i a matricei Q. Din (2.3.5) este clar că polii lui G(s) sunt incluşi în valorile proprii ale lui A.

Spunem că A este stabilă dacă toate valorile sale proprii sunt situate în Re[s] < 0, caz în care G(s) este o funcţie de transfer stabilă. Rezultă că 0)det( =− AsI este ecuaţia caracteristică a sistemului cu funcţia de transfer dată de (2.3.5).

Dacă în (2.3.3) şi (2.3.4) trecerea de la reprezentarea de stare la o descriere printr-o funcţie de transfer s-a făcut într-o manieră foarte simplă, calea inversă, adică trecerea de la o descriere printr-o funcţie de transfer proprie, la o reprezentare de stare, nu este aşa de simplă. Este totuşi adevărată afirmaţia că, pentru fiecare funcţie de transfer proprie G(s) există matricele A, B, C şi D astfel încât

DBAIsCsG T +−= −1)()( . Ca exemplu, considerăm un sistem cu funcţia de transfer

)()()(

01

1

01

1

sUsY

asasbsbsbsG n

nn

mm

mm =

++++++

= −−

−−

L

L

unde n > m. Atunci, sistemul poate fi reprezentat în forma controlabilă

xbbby

ux

aaaa

x

mm

nn

],,,,,0,0[

0

001

0100

00100001

01

0121

KK

ML

MOMMLLL

&

−−

=

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

+

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

⎡ −−−−

= (2.3.6)

sau în forma observabilă

2 - 9

xy

ubx

aa

aa

x m

n

n

]0,,0,1[

0

0

0001000010001

0

1

2

1

K

M

M

LLOMMLL

&

=

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

+

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

−−

−−

=−

(2.3.7)

Dar, pentru acelaşi sistem se pot genera încă multe alte reprezentări de stare care să-i descrie proprietăţile I/O.

Formele canonice (2.3.6) şi (2.3.7), au câteva proprietăţi importante care vor fi utilizate în capitolele următoare. De exemplu, dacă notăm cu (Ac, Bc, Cc) şi (Ao, Bo, Co) matricele corespunzătoare din forma controlabilă (2.3.6) şi respectiv din forma observabilă (2.3.7), se pot stabili relaţiile:

)(]1,,,[)]([ 11 sssBAsIadj n

Tncc −

Δ− α==− K (2.3.8)

)(]1,,,[)( 11 sssAIsadjC T

nn

oTo −

Δ− α==− K (2.3.9)

ale căror părţi drepte sunt independente de coeficienţii lui G(s). O altă proprietate importantă constă în aceea că cei n+m+1 coeficienţi al lui

G(s) apar explicit în tripletele (Ac, Bc, Cc) şi respectiv (Ao, Bo, Co), sau altfel spus tripletul (Ac, Bc, Cc), respectiv (Ao, Bo, Co), este caracterizat complet de cei

1++mn parametri care sunt egali cu coeficienţii polinoamelor din G(s). Dacă în G(s) nu există simplificări poli-zerouri atunci atât (2.3.6) cât şi (2.3.7)

constituie reprezentări minimale de stare ale aceluiaşi sistem. Dacă în G(s) există simplificări poli-zerouri, atunci (2.3.6) este neobservabil, iar (2.3.7) este necontrolabil. Dacă simplificările poli-zerouri ale lui G(s) se fac în Re[s] < 0, adică, polii stabili se simplifică cu zerouri stabile, atunci (2.3.6) este detectabil, iar (2.3.7) este stabilizabil. Similar, un sistem descris printr-o reprezentare de stare este neobservabil sau necontrolabil, dacă şi numai dacă funcţia de transfer a sistemului conţine simplificări poli-zerouri. Dacă părţile neobservabile sau necontrolabile ale sistemului sunt asimptotic stabile, atunci simplificările poli-zerouri apar în Re[s] < 0.

O altă abordare pentru reprezentarea ecuaţiei diferenţiale (2.3.1) constă în

utilizarea operatorului diferenţial td

dp )()( ⋅=⋅Δ

, care are următoarele proprietăţi:

yxyxyxpiixxpi &&& +== )()(;)()(

unde x şi y sunt orice funcţii derivabile ce depind de timp şi tdtxdx /)(Δ=& .

Operatorul invers a lui p, notat cu p -1 sau cu 1/p este definit prin

0,)0()()(10

≥∀+ττ= ∫Δ

txdxxp

t,

unde x(t) este o funcţie integrabilă. Operatorii p şi 1/p sunt legaţi de operatorul Laplace s prin următoarele ecuaţii:

2 - 10

L )()}({ 0)0( sXsxp x ==

, respectiv L )()/1()})(/1{( 0)0( sXsxp x ==

unde L este transformata Laplace şi x(t) este orice funcţie derivabilă în raport cu timpul. Utilizând definiţia operatorului diferenţial, relaţia (2.3.1) poate fi scrisă în forma compactă:

R(p)(y) = Z(p)(u) (2.3.10) unde 0

11)( apappR n

nn +++= −

− L , 01

1)( bpbpbpZ mm

mm +++= −

− L se numesc operatori diferenţiali polinomiali [226].

Ecuaţia (2.3.10) are aceeaşi formă ca R(s)Y(s) = Z(s)U(s) (2.3.11)

obţinută prin aplicarea transformatei Laplace ambilor membri ai ecuaţiei (2.3.1), în condiţii iniţiale nule. De aceea, pentru condiţii iniţiale nule, se poate trece de la reprezentarea (2.3.10) la (2.3.11) şi vice versa prin simpla înlocuire a lui s cu p sau p cu s. De exemplu, sistemul

)()(0

20 sUasbssY++

=

poate fi scris sub forma, (p2 + a0)(y) = (p + b0)(u), cu y(0) = y& (0) = 0, u(0) = 0 sau, prin abuz de notaţie (deoarece niciodată nu vom definit operatorul (p2 + a0)-1), sub forma:

)()(0

20 tuapbpty++

=

Observaţie. Datorită similarităţii formelor (2.3.11) şi (2.3.10), vom utiliza s pentru a nota atât operatorul diferenţial, cât şi variabila Laplace, şi vom exprima sistemul (2.3.1), în condiţii iniţiale nule, sub forma:

usRsZy)()(

= (2.3.12)

unde y şi u reprezintă )(sY şi respectiv U(s), când s este folosit ca operator Laplace, iar y şi u reprezintă y(t) şi respectiv u(t), când s este folosit ca operator diferenţial.

Relaţia G(s) = Z(s)/R(s) din (2.3.12) este deseori referită ca filtru cu intrarea u(t) şi ieşirea y(t).

Exemplul 2.3.1. Considerăm sistemul de ecuaţii care descrie mişcarea căruciorului cu două pendule din Exemplul 2.2.1, unde y = θ1 este singura ieşire măsurată. Eliminarea variabilelor θ1, θ2 şi 2θ& prin substituire, conduce la următoare ecuaţie diferenţială de ordinul patru:

uuyyy 21)2(

121)2(

21)4( 2.1)(1.1 βα−β=αα+α+α−

unde αi, βi, i = 1, 2, sunt cele definite în Exemplul 2.2.1, care leagă intrarea u cu ieşirea măsurată y. Aplicând transformata Laplace ambilor membri ai acestei ecuaţii, în condiţii iniţiale nule, se obţine:

2 - 11

)()()(]2.1)(1.1[ 212

1212

214 sUssYss βα−β=αα+α+α−

De aici, se deduce că funcţia de transfer a sistemului de la u la y va fi:

)(2.1)(1.1)(

)(

212

214

212

1 sGss

ssUsY

=αα+α+α−

βα−β=

Pentru l1 = l2, avem α1 = α2, β1 = β2, şi

)2.1()()(

2.12.2)()(

12

12

12

121

21

41

21

α−α−α−β

=α+α−

α−β=

sss

ssssG

are două simplificări poli-zerouri. Deoarece α1 > 0, una dintre cele două simplificări pol-zerou se face în Re[s] > 0 ceea ce arată că orice reprezentare de stare a sistemului cu o funcţie de transfer de ordinul patru nu este stabilizabilă. 2.3.2. Polinoame coprime

Proprietăţile I/O ale majorităţii sistemelor studiate în acest curs sunt reprezentate prin funcţii de transfer proprii exprimate ca raport a două polinoame în s cu coeficienţi reali, adică,

)()()(

sRsZsG = , (2.3.13)

unde 01

1)( bsbsbsZ mm

mm +++= −

− L , 01

1)( asassR nn

n +++= −− L şi n ≥ m.

Proprietăţile sistemului asociat cu G(s) depind foarte mult de proprietăţile lui Z(s) şi R(s). În aceast paragraf, vom reaminti câteva proprietăţi generale ale polinoamelor ce vor fi utilizate în capitolele următoare pentru analiza şi proiectarea algoritmilor de comandă.

Definiţia 2.3.1. Se consideră polinomul 01

1)( asasasX nn

nn +++= −

− L . Se spune că X(s) este monic dacă an = 1 şi X(s) este Hurwitz dacă toate radăcinile lui X(s) = 0 sunt plasate în Re[s] < 0. Spunem că gradul lui X(s) este n dacă coeficientul an a lui sn satisface an ≠ 0.

Definiţia 2.3.2. Un sistem cu o funcţie de transfer dată de (2.3.13) este cu minim de fază dacă Z(s) este Hurwitz; sistemul este stabil dacă R(s) este Hurwitz.

Aşa cum s-a menţionat în paragraful 2.3.1, o reprezentare a sistemului este minimală dacă funcţia de transfer corespunzătoare nu conţine simplificări poli-zerouri, adică, dacă polinoamele de la numărătorul şi numitorul funcţiei de transfer nu au alţi factori comuni decât o constantă. Definiţia următoare este des utilizată în teoria controlului pentru caracterizarea polinoamelor cu factori necomuni.

Definiţia 2.3.3. Se spune că două polinoame a(s) şi b(s) sunt coprime (sau relativ prime) dacă ele nu au alţi factori comuni decât o constantă.

O caracterizare importantă a coprimarităţii a două polinoame este dată de următoarea Lemă.

Lema 2.3.1. (Identitatea Bezout). Două polinoame a(s) şi b(s) sunt coprime dacă şi numai dacă există polinoamele c(s) şi d(s) astfel încât:

2 - 12

c(s)a(s) + d(s)b(s) = 1 Pentru demonstraţia Lemei 2.3.1, vezi [73, 237].

Pentru o pereche de polinoame coprime a(s) şi b(s), identitatea Bezout poate avea un număr infinit de soluţii c(s) şi d(s) aşa cum reiese din exemplul următor.

Exemplul 2.3.2. Considerăm polinoamele coprime 1)( += ssa , 2)( += ssb . Atunci, identitatea Bezout este satisfăcută pentru

12)( 1 −+= −nn sssc , 1)( 1 +−−= −nn sssd şi orice 1≥n .

Coprimaritatea este o proprietate importantă şi intens exploatată în teoria controlului pentru proiectarea schemelor de conducere corespunzătoare sistemelor LTI. O teoremă importantă, foarte utilizată în proiectarea şi analiza controlului, este următoarea.

Teorema 2.3.1. Dacă a(s) şi b(s) sunt polinoame coprime cu gradele na şi respectiv nb, cu na > nb, atunci, pentru orice polinom arbitrar a*(s) cu gradul na*≥ na, ecuaţia polinomială

a(s)l(s) + b(s)p(s) = a*(s) (2.3.14) are o soluţie unică polinoamele l(s) şi p(s) ale căror grade nl şi respectiv np, satisfac condiţiile np < na, nl ≤ max(na* - na, nb - 1).

Demonstraţie. Din Lema 2.3.1, rezultă că există polinoamele c(s) şi d(s) astfel încât

a(s)c(s) + b(s)d(s) = 1. (2.3.15) Înmulţind ambii membri ai ecuaţiei (2.3.15) cu polinomul a*(s), obţinem:

a*(s)a(s)c(s) + a*(s)b(s)d(s) = a*(s). (2.3.16) Împărţim a*(s)d(s) prin a(s), adică,

)()()(

)()()(*

saspsr

sasdsa

+=

unde r(s) este polinomul cât de grad na* + nd - na, na*, na şi nd fiind gradele lui a*(s), a(s) şi respectiv d(s), iar p(s) este restul cu gradul np < na. Utilizând

a*(s)d(s) = r(s)a(s) + p(s), membrul stâng al lui (2.3.16) se exprimă sub forma a*(s)a(s)c(s) + r(s)a(s)b(s) + p(s)b(s) = [a*(s)c(s) + r(s)b(s)]a(s) + p(s)b(s), care ne permite să rescriem (2.3.16) sub forma

l(s)a(s) + p(s)b(s) = a*(s), (2.3.17) unde l(s) = a*(s)c(s) + r(s)b(s). Din ecuaţia anterioară se deduce că gradul lui l(s)a(s) = gradul lui (a*(s) - p(s)b(s)) ≤ max{na*, np + nb}. Deci, gradul lui l(s), notat cu nl, satisface nl ≤ max{ na* - na, np + nb – na}. Mai mult, putem stabili că polinoamele l(s) şi p(s) din (2.3.17) cu gradele nl şi np satisfac următoarele inegalităţi: nl ≤ max{ na* - na, np + nb – na} şi respectiv np < na. Cum din np < na se deduce că np ≤ na - 1, gradul nl satisface de asemenea nl ≤ max{ na* - na, nb – 1}.

2 - 13

Vom demonstra unicitatea lui l(s) şi p(s) procedând astfel: Presupunem că (l1(s), p1(s)), (l2(s), p2(s)) sunt două soluţii ale lui (2.3.17) adică,

a(s)l1(s) + b(s)p1(s) = a*(s), respectiv a(s)l2(s) + b(s)p2(s) = a*(s), care satisfac următoarele condiţii de grad: np < na, nl ≤ max{ na* - na, nb – 1}.

Scăzând a doua ecuaţie din prima, se obţine a(s)(l1(s) - l2(s)) + b(s)(p1(s) - p2(s)) = 0 (2.3.18)

care va determina

)()()()(

)()(

21

12

spspslsl

sasb

−−

= (2.3.19)

Deoarece np < na, rezultă că în (2.3.19) polinoamele b(s), a(s) au factori comuni, ceea ce contrazice ipoteza că a(s) sunt b(s) coprime. Astfel, l1(s) = l2(s) şi p1(s) = p2(s), ceea ce conduce la faptul că soluţia l(s) şi p(s) a lui (2.3.17) este unică, şi demonstraţia este completă.

Dacă nu se impun constrângeri asupra gradelor lui l(s) şi p(s), ecuaţia (2.3.14) are o infinitate de soluţii. Ecuaţiile de forma (2.3.14) se numesc ecuaţii Diofantice şi sunt utilizate în proiectarea algebrică a regulatoarelor pentru procese LTI. Exemplul următor ilustrează modul de utilizare a Teoremei 2.3.1 pentru proiectarea unui sistem de conducere stabil.

Exemplul 2.3.3. Considerăm procesul descris prin:

us

sy 31−

= (2.3.20)

Se doreşte o alegere a intrării u(t) astfel încât ecuaţia caracteristică a sistemului în circuit închis să fie descrisă prin a*(s) = (s + 1)5, adică, u trebuie aleasă astfel încât sistemul în circuit închis să fie descris prin:

(s + 1)5 y = 0. (2.3.21) Considerăm o comandă de forma

yslspu)()(

−= (2.3.22)

unde l(s) şi p(s) sunt polinoame cu coeficienţi reali ale căror grade şi coeficienţi trebuie să fie determinate. Înlocuind (2.3.22) în (2.3.20), se obţine următorul sistem în circuit închis, yspsysls )()1()(3 −−= , sau, 0)]()1()([ 3 =−+ yspssls .

Dacă l(s) şi p(s) se aleg astfel încât să satisfacă ecuaţia Diofantică: l(s)s3 + p(s)(s - 1) = (s + 1)5, (2.3.23)

atunci sistemul în circuit închis devine identic cu cel dorit, dat de (2.3.21). Întrucât (2.3.23) poate avea un număr infinit de soluţii pentru l(s) şi p(s),

pentru a alege l(s) şi p(s) cu gradul cel mai mic folosim Teorema 2.3.1. Conform Teoremei 2.3.1, ecuaţia (2.3.23) are o soluţie unică l(s), p(s) cu gradul cel mult 2. Ca urmare, presupunem că l(s), p(s) au forma: l(s) = l2s2 + l1s + l0 , respectiv p(s) =

2 - 14

p2s2 + p1s + p0, pe care le introducem în (2.3.23) şi obţinem următoarea ecuaţie polinomială

l2s5+l1s4+(l0+p2)s3+(p1-p2)s2+(p0-p1)s-p0 = s5+5s4+10s3+10s2+5s+1. Egalând coeficienţii aceloraşi puteri ale lui s din cei doi membrii ai ecuaţiei anterioare, se obţin ecuaţiile algebrice:

l2 = 1, l1 = 5, l0 + p2 = 10, p1 - p2 = 10, p0 - p1 = 5, -p0 = 1, care au soluţia unică l2 = 1, l1 = 5, l0 = 26, p2 = -16, p1 = -6, p0 = -1. Deci,

l(s) = s2 + 5s + 26, p(s) = -16s2 - 6s – 1. Rezultă ca mărimea de comandă din (2.3.22) este dată de:

yss

ssu265

16162

2

++++

−= .

O altă caracterizare a coprimarităţii pe care o vom folosi în capitolele următoare este dată de următoarea teoremă:

Teorema 2.3.2 (Teorema lui Sylvester). Două polinoame

01

1)( asasasa nn

nn +++= −

− L , 01

1)( bsbsbsb nn

nn +++= −

− L

sunt coprime dacă şi numai dacă matricea Sylvester Se asociată lor este nesingulară, unde Se este o nn 22 × matrice definită prin:

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

=−−

−−

−−

−−

Δ

00

1010

00

110110

11

11

11

11

00000000

...0...

....00...00

....0....0..............

0.....0...........

..00000000000000

babbaa

babbbaaabbaa

babbaa

bbaaba

Snn

nn

nn

nnnn

nnnn

nn

e

LLOMMOMM

OMOMM

MOMOMOMO

LLLL

(2.3.24)

Demonstraţie. Necesitatea. Considerăm următoarea ecuaţie polinomială: a(s)c(s) + b(s)d(s) = 1 (2.3.25)

unde c(s) = cn-1sn-1+cn-2sn-2 ++L c0, d(s) = dn-1sn-1+dn-2sn-2 ++L d0, sunt polinoame arbitrare cu gradul n-1. Egalând coeficienţii puterilor egale ale lui s din cei doi membri ai lui (2.3.25), se obţine ecuaţia algebrică

ne epS 2= , (2.3.26)

unde e2n = [0, 0, ... , 0, 1]T n2ℜ∈ şi p = [cn-1, cn-2, ... , c0, dn-1, dn-2, ... , d0]T n2ℜ∈ . Ecuaţiile (2.3.25) şi (2.3.26) sunt echivalente în sensul că orice soluţie a lui

(2.3.26) satisface (2.3.25) şi vice versa. Întrucât Se este nesingulară, ecuaţia

2 - 15

(2.3.26) are soluţie unică pentru p. Rezultă că (2.3.25) are de asemenea soluţie unică pentru c(s) şi d(s) care, conform Lemei 2.3.1, conduce la concluzia că a(s), b(s) sunt coprime.

Suficienţa. Vom arăta că dacă a(s) şi b(s) sunt coprime, atunci pentru toate polinoamele nenule p(s) şi q(s) cu gradele np < n şi respectiv nq < n, avem

a(s)p(s) + b(s)q(s) ≠ 0 (2.3.27) Dacă (2.3.27) nu este adevărată, există polinoamele nenule p1(s) şi q1(s) cu gradele

nnp <1

şi respectiv nnq <1

, astfel încât

a(s)p1(s) + b(s)q1(s) ≠ 0 (2.3.28) Din ecuaţia (2.3.28) se vede că b(s)/a(s) poate fi exprimat ca

)()(

)()(

1

1

sqsp

sasb

−=

care, deoarece nnp <1

şi nnq <1

, conduc la ideea că a(s) şi b(s) au factori comuni, prin aceasta contrazicând ipoteza că a(s), b(s) sunt coprime. Deci, afirmaţia este adevărată şi (2.3.27) rămâne adevărată.

Relaţia (2.3.27) poate fi rescrisă sub forma 0≠xSe (2.3.29)

unde nx 2ℜ∈ conţine coeficienţii lui p(s) şi q(s). Deoarece (2.3.27) este adevărată pentru toate polinoamele nenule p(s) şi q(s) cu gradele np < n şi respectiv nq < n, atunci (2.3.29) rămâne adevărată pentru toţi vectorii nx 2ℜ∈ cu 0≠x , care face ca Se să fie nesingulară.

Determinantul lui Se este cunoscut sub denumirea de rezultant Sylvester şi poate fi folosit la examinarea coprimarităţii unei perechi de polinoame. Dacă polinoamele a(s) şi b(s) din Teorema 2.3.2 au grade diferite – să presupunem nb < na - atunci b(s) se poate exprima ca un polinom cu gradul na prin augmentarea lui cu puteri adiţionale în s ai căror coeficienţi sunt consideraţi nuli.

Exemplul 2.3.4. Considerăm polinoamele: a(s) = s2 + 2s + 1, b(s) = s - 1 = 0s2 + s – 1.

Matricea Sylvester asociată este:

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

−−

=

1010112101120001

eS

Cum det Se = 4 ≠ 0, rezultă că a(s) şi b(s) sunt polinoame coprime. Proprietăţile matricei Sylvester sunt utile în rezolvarea în raport cu l(s) şi p(s)

a unei clase de ecuaţii Diofantice de forma l(s)a(s) + p(s)b(s) = a*(s), unde a(s), b(s) şi a*(s) sunt polinoame precizate.

2 - 16

De exemplu, ecuaţia a(s)l(s) + b(s)p(s) = a*(s) cu na = n, na* = 2n – 1 şi nb = m < n conduce la ecuaţia algebrică

fxSe = (2.3.30)

unde nneS 22 ×ℜ∈ este matricea Sylvester asociată lui a(s) şi b(s), nx 2ℜ∈ este un

vector care conţine coeficienţii polinoamelor l(s) şi p(s) ale căror grade, conform Teoremei 2.3.1 sunt cel mult n – 1, iar nf 2ℜ∈ conţine coeficienţii lui a*(s). Deci, dându-se a*(s), a(s) şi b(s), se poate rezolva (2.3.30) în raport cu x, vectorul coeficienţilor lui l(s) şi p(s). Dacă a(s) şi b(s) sunt coprime, 1−

eS există şi deci, soluţia lui (2.3.30) este unică şi este dată de fSx e

1−= . Dacă a(s) şi b(s) nu sunt coprime, atunci Se nu este inversabilă, şi (2.3.30) are o soluţie dacă şi numai dacă dimensiunea vectorului f este egală cu rangul lui Se. Prin calcule algebrice, se poate arăta că această condiţie este echivalentă cu faptul că a*(s) conţine factorii comuni ai lui a(s) şi b(s).

Exemplul 2.3.5. Considerăm aceeaşi problemă de proiectare a comenzii ca cea din Exemplul 2.3.3, unde comanda u de forma u = -(p(s)/l(s)) y este utilizată

pentru a forţa sistemul us

sy 31−

= să satisfacă ecuaţia caracteristică (s + 1)5 y = 0.

Trebuie să arătăm că polinoamele l(s) şi p(s) satisfac ecuaţia Diofantică l(s)a(s) + p(s)b(s) = (s + 1)5 (2.3.31)

unde a(s) = s3 iar b(s) = s - 1. Matricea Sylvester Se corespunzătoare lui a(s) şi b(s) este

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

−−

−=

100000110000011000001100000010000001

eS

Cum, det Se = -1, se deduce că a(s) şi b(s) sunt coprime. Ca şi în Exemplul 2.3.3, se doreşte rezolvarea lui (2.3.31) pentru coeficienţii

necunoscuţi li, pi, i = 0, 1, 2 ai polinoamelor l(s) = l2s2 +l1s+l0 şi p(s) = p2s2 +p1s+p0. Prin egalarea coeficienţilor puterilor egale ale lui s din cei doi membri ai lui (2.3.31), se obţine ecuaţia algebrică

fxSe = (2.3.32)

unde f = [1, 5, 10, 10, 5, 1]T şi x = [l2, l1, l0, p2, p1, p0]T. Deoarece Se este nesingulară, soluţia lui (2.3.32) este dată de T

e fSx ]1,6,16,26,5,1[1 −−−== − , care este identică cu soluţia obţinută în Exemplul 2.3.3.

2 - 17

2.4. Modele parametrice ale procesului

Considerăm procesul reprezentat prin următoarea formă minimală de stare:

xCy

xxBuAxxT=

=+= 0)0(,& (2.4.1)

unde nx ℜ∈ , 11, ℜ∈ℜ∈ yu , iar A, B şi C au dimensiuni corespunzătoare. Tripletul (A, B, C) conţine n2+2n elemente numite parametri ai procesului. Dacă (2.4.1) este în una din formele canonice prezentate în paragraful 2.2.2, atunci n2 elemente din (A, B, C) sunt fixate (cunoscute), fie 0 fie 1, ceea ce înseamnă că pentru a specifica proprietăţile procesului sunt necesare cel mult 2n elemente. Aceste 2n elemente sunt coeficienţii numărătorului şi numitorului funcţiei de transfer Y(s)/U(s). De exemplu, aplicând transformarea Laplace în (2.4.1), se obţine

Y (s) = CT (sI - A)-1BU(s) + CT (sI - A)-1x0, de unde se deduce că

0)()}({)(

)()()( x

sRAsIadjCsU

sRsZsY

T −+= (2.4.2)

unde R(s) este un polinom de gradul n, iar Z(s) de grad cel mult n - 1. Dacă în (2.4.2), x0 = 0, se obţine funcţia de transfer descrisă prin:

usRsZy)()(

= , (2.4.3)

unde, fără pierderea generalităţii, se poate presupune că Z(s) şi R(s) sunt de forma:

012

21

1

012

21

1

)(

)(

asasasassR

bsbsbsbsZn

nn

nn

nn

nn

+++++=

++++=−

−−

−−

−−

L

L (2.4.4)

Dacă Z(s) are gradul 1−< nm , atunci coeficienţii bi, 1,,2,1 +−−= mnni K sunt egali cu zero. Ecuaţiile (2.4.3) şi (2.4.4) arată că pentru a preciza univoc proprietăţile I/O ale procesului (2.4.1) sunt necesari cel mult 2n parametri. Dacă în (2.4.3), pentru a specifica aceleaşi proprietăţi I/O, sunt utilizaţi mai mult decât 2n parametri, se spune că modelul este supraparametrizat. De exemplu, modelul

uss

sRsZy

)()(

)()(ΛΛ

= , (2.4.5)

unde Λ(s) este Hurwitz şi are gradul 0>r , are aceleaşi proprietăţi I/O ca şi procesul descris prin (2.4.3), şi, din această cauză, se spune că (2.4.5) este supraparametrizat. În plus, orice reprezentare de stare a lui (2.4.5) de ordin

nrn >+ este neminimală. Pentru anumite probleme de estimare şi control, parametrizările sigure ale

procesului sunt mult mai convenabile decât alte tipuri de parametrizări. O parametrizare a procesului utilă în problemele de estimare şi control este cea în care parametrii sunt consideraţi împreună (reuniţi într-un vector), dar separaţi de

2 - 18

semnalele măsurabile. Precizăm că în problemele de estimare a parametrilor, parametrii sunt consideraţi constante necunoscute care trebuie estimate din măsurătorile semnalelor de I/O ale procesului.

În paragraful următor, pentru un acelaşi proces, se prezintă o serie de parametrizări, utile pentru proiectarea estimatoarelor parametrilor (ce vor fi prezentate în capitolele viitoare). 2.4.1. Modele liniar-parametrizate

Parametrizarea 1

Ecuaţia (2.4.3) poate fi exprimată ca o ecuaţie diferenţială de ordinul n descrisă prin:

ububububyayayayay nn

nn

nn

nn

n01

)2(2

)1(101

)2(2

)1(1

)( ++++=+++++ −−

−−

−−

−− &L&L

(2.4.6) Dacă vom introduce toţi parametrii din (2.4.6) în vectorul parametrilor

Tnnnn aaaabbbb ],,,,,,,,,[ 01210121

* KK −−−−=θ ,

iar semnalele de I/O precum şi derivatele lor, în vectorul semnalelor TT

nTn

Tnnnn ysusyyyyuuuuY ])(,)([],,,,,,,,,[ 11)2()1()2()1(

−−−−−− α−α=−−−−= &K&K

unde Tiii ssss ]1,,,,[)( 1 K−

Δ=α , atunci (2.4.6) şi implicit (2.4.3), se poate exprima în

următoarea formă compactă (unde s trebuie interpretat ca operator diferenţial):

YyTn *)( θ= (2.4.7)

Ecuaţia (2.4.7) este liniară în raport cu parametrul *θ , proprietate care, aşa cum se va vedea în Cap. 4 şi 5, este esenţială pentru proiectarea estimatoarelor pentru estimarea lui *θ din măsurătorile lui y(n) şi Y.

Deoarece, în majoritatea aplicaţiilor, singurele semnale disponibile pentru a fi măsurate sunt intrarea u şi ieşirea y, iar folosirea derivatelor acestora nu este indicată, folosirea semnalelor y(n) şi Y trebuie evitată.

O cale de a evita folosirea lui y(n) şi Y constă în a filtra fiecare membru din (2.4.7) cu un filtru stabil de ordin n, de forma 1/Λ(p) sau 1/Λ(s), obţinând:

φθ=T

z * , (2.4.8) unde

ys

sys

zn

n

)()(1 )(

Λ=

Λ=Δ

, TT

nTn y

ssu

ss

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡Λα

−Λα

=φ −−Δ

)()(,

)()( 11 ,

iar

012

21

1)( λ+λ++λ+λ+=Λ −−

−− sssss n

nn

nn L

este un polinom Hurwitz arbitrar în s.

2 - 19

Este clar că semnalul scalar z şi vectorul semnalelor φ pot fi generate fără a folosi derivatele, prin simpla filtrare a intrării u şi a ieşirii y cu filtrele stabile strict proprii )(/ ssi Λ , i = 0, 1, ..., n.

Dacă rescriem pe Λ(s) sub forma )()( 1 sss nTn

−αλ+=Λ , unde T

nn ],,,[ 021 λλλ=λ −− K , z din (2.4.8) se poate scrie în forma:

ys

syys

ssys

sz nTnTn

)()(

)()()(

)(11

Λα

λ−=Λ

αλ−Λ=

Λ= −− ,

de unde

ys

szy nT

)()(1

Λα

λ+= − .

Deoarece 2*21

*1

* φθ+φθ=φθ=TTT

z , unde

Tnn bbbb ],,,,[ 0121

*1 K−−

Δ=θ , T

nn aaaa ],,,,[ 0121*2 K−−

Δ=θ ,

us

sTn

)()(1

1 Λα

=φ −Δ

, ys

sTn

)()(1

2 Λα

−=φ −Δ

rezultă că, 2*21

*122

*21

*1 )( φλ−θ+φθ=φλ−φθ+φθ= TTTTTT

y . Deci,

φθ= λT

y * , (2.4.9)

unde TTTT],[ *

2*1

* λ−θθ=θλ . Ecuaţiile (2.4.8) şi (2.4.9) sunt reprezentate prin schema bloc din Fig. 2.2.

Fig.2.2. Parametrizarea 1 a procesului

O reprezentare de stare pentru generarea semnalelor din (2.4.8) şi (2.4.9) poate fi obţinută folosind identitatea )()]([ 1 slsIadj nc −α=Λ− , unde Λc şi l sunt date prin:

)()(1

ssn

Λα −

)()(1

ssn

Λα

− −

T*1θ

T*2θ

Σ

Σ1φ

2φ_

u

z

y ++

+ +

2 - 20

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

=

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

⎡ λ−λ−λ−λ−

−−

0

001

,

0100

00100001

0121

ML

MOMMLLL

l

nn

c

care implică

)()()(,)()det( 11

sslsIssI n

cc Λα

=Λ−Λ=Λ− −− .

Atunci, din (2.4.8) şi Fig. 2.2 rezultă că:

φθ=φλ+=

φθ=

ℜ∈φ−φΛ=φ

ℜ∈φ+φΛ=φ

λ

TT

T

nc

nc

yz

y

ly

lu

*2

*

222

111

,

,&

&

(2.4.10)

Deoarece )det()( csIs Λ−=Λ şi )(sΛ este Hurwitz, rezultă că Λc este o matrice stabilă.

Modelul parametric (2.4.10) este o reprezentare de stare neminimală a procesului (2.4.3). Este neminimală deoarece pentru a reprezenta un sistem de ordinul n sunt folosite 2n integratoare. Într-adevăr, funcţia de transfer Y(s)/U(s) calculată folosind (2.4.10) sau Fig. 2.2,

)()(

)()(

)()(

)()(

sRsZ

ss

sRsZ

sUsY

=ΛΛ

=

implică n simplificări poli-zerouri stabile. Sistemul (2.4.10) are acelaşi răspuns I/O ca şi (2.4.3) şi (2.4.1) cu condiţia ca

toate condiţiile iniţiale să fie nule, adică, x0 = 0, 0)0()0( 21 =φ=φ . Într-un proces real, starea x din (2.4.1) poate reprezenta variabile fizice, iar

starea iniţială x0 poate fi nenulă. Efectul stării iniţiale x0 poate fi inserat în modelul (2.4.10) utilizând aceeaşi procedură prezentată aplicată ecuaţiei (2.4.2) şi nu ecuaţiei (2.4.3). Se poate arăta că dacă se consideră efectul condiţiei iniţiale x0, se va obţine următoarea reprezentare de stare:

0*

2

0*

222

111

0)0(,

0)0(,

η+φθ=φλ+=

η+φθ=

=φ−φΛ=φ

=φ+φΛ=φ

λ

TT

Tc

c

yz

y

ly

lu&

&

(2.4.11)

unde 0η este ieşirea următorului sistem:

ω=η

ω=ωωΛ=ωT

c

C00

0)0(,& (2.4.12)

2 - 21

unde nℜ∈ω , 000 xB=ω şi nC ℜ∈0 , nnB ×ℜ∈0 sunt matrice constante care satisfac egalitatea: )}({)}({ 00 AsIadjCBsIadjC T

cT −=Λ− .

Întrucât Λc este o matrice stabilă, din (2.4.12) rezultă că ω şi 0η converg la zero exponenţial. Atunci, efectul condiţiei iniţiale nenule x0 constă în apariţia în ieşirea y şi respectiv z a termenului 0η cu descreştere exponenţială la zero.

Parametrizarea 2

Considerăm modelul parametric (2.4.9), φθ= λT

y * , şi identitatea

1)()( 1 =− sWsW mm , unde Wm(s) = Zm(s)/Rm(s) este o funcţie de transfer cu gradul relativ 1, iar Zm(s) şi Rm(s) sunt polinoame Hurwitz. Deoarece *

λθ este un vector constant, (2.4.9) se poate exprima sub forma:

φθ= −λ )()( 1* sWsWy m

Tm .

Dacă în această relaţie notăm T

m

Tn

m

Tn

my

ssWsu

ssWs

sW ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡Λ

α−

Λα

=φ=ψ −−Δ

)()()(,

)()()(

)(1 11 ,

unde φ este dat în (2.4.8), obţinem:

ψθ= λT

m sWy *)( . (2.4.13)

Întrucât toate elementele lui )()(

)(1

ssWs

m

n

Λα − sunt funcţii de transfer cel mult

proprii, cu polii stabili, rezultă că starea TTT ],[ 21 ψψ=ψ , unde

ussW

s

m

n

)()()(1

1 Λα

=ψ − , yssW

s

m

n

)()()(1

2 Λα

−=ψ −

poate fi generată fără derivarea lui y sau u. Dimensiunea lui ψ depinde de ordinul n al lui Λ(s) şi de ordinul lui Zm(s). Cum Zm(s) poate fi arbitrar, dimensiunea lui ψ poate fi de asemenea arbitrară.

Figura 2.3 prezintă schema bloc a parametrizării procesului descris prin (2.4.13) pe care o vom denumi Parametrizarea 2.

Fig.2.3. Parametrizarea 2 a procesului

)()()(1

ssWs

m

n

Λα− −

T*1θ

T*2θ

Σ1ψ

2ψ_

u y ++ )()(

)(1

ssWs

m

n

Λα − Wm(s)

2 - 22

În [201], Parametrizarea 2 este denumită reprezentare cu model de referinţă şi este folosită în proiectarea estimatoarelor parametrilor pentru estimarea lui *

λθ , când Wm(s) este o funcţie de transfer strict real-pozitivă (vezi definiţia din Cap. 3).

Un caz special al lui (2.4.13) este prezentat în Fig. 2.4, unde 0

1)(λ+

=s

sWm ,

iar 0λ+s este factor a lui Λ(s), adică

012

21

10 )()()( λ+λ++λ+λ+=Λλ+=Λ −−

−− sssssss n

nn

nn

q L ,

unde 1)( 12

21 ++++=Λ −

−− sqsqss n

nn

q L . Parametrizarea 2 din Fig. 2.4 a fost sugerată pentru prima dată în [131], unde a

fost folosită pentru dezvoltarea observerelor adaptive stabile. O alternativă a modelului parametric al procesului din Fig. 2.4 poate fi obţinută prin intermediul primei separări a elementelor improprii ale lui )(/)(1 ss qn Λα − , astfel:

Fig.2.4. Parametrizarea 2 a procesului cu )()()( 0 sss qΛλ+=Λ şi )/(1)( 0λ+= ssWm

Pentru orice vector nTnn ccccc ℜ∈= −−

Δ],,,,[ 0121 K , avem

)()(

)()()( 2

111

ssc

ssc

ssc

q

nT

q

nn

q

nT

Λα

=Λα −

−−− (2.4.14)

unde Tn cccc ],,,[ 012 K−

Δ= , Tn

n ss ]1,,,[ 22 K−Δ

− =α . Cum )()( 21 sqss n

Tnq −

− α+=Λ ,

unde Tn qqq ]1,,,[ 12 K−

Δ= , avem )()( 2

1 sqss nT

qn

−− α−Λ= , care, după substituire

conduce la:

)()()(

)()( 21

11

ssqccc

ssc

q

nT

nn

q

nT

Λα−

+=Λα −−

−− (2.4.15)

Folosid (2.4.15) se obţin următoarele expresii:

yssyay

ss

ussubu

ss

q

nTnn

q

nTT

q

nTn

q

nT

)()()(

)()(

,)()(

)()(

2*211

1*2

2*11

1*1

Λα

θ−−λ=Λα

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ λ−θ−

Λα

θ+=Λα

θ

−−−

−−

(2.4.16)

)()(1

ss

q

n

Λα

− −

T*1θ

T*2θ

Σ1ψ

2ψ_

u y ++)(

)(1

ss

q

n

Λα −

0

1λ+s

2 - 23

unde qbb nT

1*1 −−=θ , qaa nn

T)( 11

*2 −− λ−−λ−=θ şi T

n aaaa ],,,[ 012 K−

Δ= ,

Tn bbbb ],,,[ 012 K−

Δ= , T

n ],,,[ 012 λλλ=λ −

ΔK . Utilizând (2.4.16), Fig. 2.4 poate fi

reconfigurată ca în Fig. 2.5.

Fig.2.5 Echivalentul Parametrizării 2 din Fig.2.4

Din Fig. 2.5 se obţine următoarea reprezentare de stare neminimală a procesului:

1

1222

1111

11

*101

,

,

,

xyyl

ul

xxx

nc

nc

T

=ℜ∈ψ−ψΛ=ψ

ℜ∈ψ+ψΛ=ψ

ℜ∈ψθ+λ−=

&

&

&

(2.4.17)

unde TT

nnT

n ab ],,,[ *211

*11

* θ−λθ=θ −−− , TTT yu ],,,[ 21 ψψ=ψ şi

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡ −−−

=Λ−−

010

001032

LMOM

LL qqq nn

c , ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡=

0

01

Ml

Ca şi în cazul Parametrizării 1, dacă se doreşte o justificare a condiţiei iniţiale 0)0( 0 ≠= xx , se obţine:

01

222

111

1*

101

0)0(,

0)0(,

0)0(,

η+==ψ−ψΛ=ψ

=ψ+ψΛ=ψ

=ψθ+λ−=

xyyl

ul

xxx

c

c

T

&

&

&

(2.4.18)

unde 0η este ieşirea sistemului:

ω=η

ℜ∈ωω=ωωΛ=ωT

nc

C00

0 ,)0(,&

)()(2

ss

q

n

Λα

− −

T*1θ

T*2θ

11 −− −λ nn a

Σ1ψ

2ψ+

u y ++)(

)(2

ss

q

n

Λα −

0

1λ+s

+ bn-1

2 - 24

unde 0, CcΛ şi 0ω sunt cele definite în (2.4.12).

Exemplul 2.4.1 (Parameterizarea 1). Considerăm ecuaţia diferenţială y(4) + a2y(2) + a0y = b2u(2) + b0u (2.4.19)

care descrie mişcarea căruciorului cu două pendule considerat în Exemplele 2.2.1, 2.3.1, unde

)(1.1 212 α+α−=a , 210 2.1 αα=a , 12 β=b , 210 βα−=b . Ecuaţia (2.4.19) are aceeaşi formă ca cea din (2.4.6) cu n = 4 şi coeficienţii a3 = a1 = b3 = b1 = 0. Conform (2.4.7), ecuaţia (2.4.19) se poate rescrie în forma compactă

0*0

)4( YyT

θ= (2.4.20)

unde Taabb ],,[ 0202*0 =θ , TyyuuY ],,,[ )2()2(

0 −−= . Întrucât y şi u sunt singurele semnale care se măsoară, rezultă că y(4) şi Y0 nu sunt măsurabile.

Dacă fiecare membru din (2.4.20) este trecut prin filtrul )(/1 sΛ , unde Λ(s) = 4)2( +s = s4 + 8s3 + 24s2 + 32s + 16, se va obţine

0*0 φθ=

Tz (2.4.21)

unde ys

sz 4

4

)2( += şi

T

ys

ys

sus

us

s⎥⎦

⎤⎢⎣

+−

+−

++=φ 44

2

44

2

0 )2(1,

)2(,

)2(1,

)2(sunt

acum semnalele care pot fi generate prin filtrarea măsurătorilor lui y şi u. Deoarece în (2.4.19) elementele a3 = a1 = b3 = b1 = 0, dimensiunea lui *

0θ , respectiv 0φ este 4 în loc de 8, aşa cum ar fi rezultat din (2.4.8).

Similar, conform (2.4.9) se obţine:

φθ= λT

y * , (2.4.22) unde

Taabb ]16,32,24,8,,0,,0[ 0202* −−−−=θλ ,

TTT

ys

sus

s⎥⎦

⎤⎢⎣

−+

α=φ 4

34

3

)2()(,

)2()( , Tssss ]1,,,[)( 23

3 =α .

În (2.4.22) se pot separa elementele lui *λθ , care nu depind de parametrii lui

(2.4.19) şi se obţine:

φ+φθ= λTT

hy 00*0

unde Taabb ]16,24,,[ 0202*0 −−=θ λ , Th ]0,32,0,8,0,0,0,0[0 −−= . Folosind

(2.4.10), se obţine o reprezentare de stare a lui (2.4.21) şi (2.4.22), dată de:

2 - 25

0*0

00*0

*

4222

4111

,

,

φθ=

φ+φθ=φθ=

ℜ∈φ−φΛ=φ

ℜ∈φ+φΛ=φ

λλ

T

TTTc

c

z

hy

yl

ul&

&

unde

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡ −−−−=Λ

0100001000011632248

c , ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡=

0001

l , φ⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡=φ

10000000001000000000100000000010

0

şi TTT ],[ 21 φφ=φ . În loc de (2.4.22), se poate de asemenea scrie 20*0 φλ−φθ= TT

y , unde T]16,32,24,8[=λ .

Exemplul 2.4.2 (Parametrizarea 2). Considerăm acelaşi proces ca cel din Exemplul 2.4.1, adică φθ= λ

Ty * , unde

Taabb ]16,32,24,8,,0,,0[ 0202* −−−−=θλ ,

TTT

ys

sus

s⎥⎦

⎤⎢⎣

−+

α=φ 4

34

3

)2()(,

)2()( .

Rescriem acum pe y sub forma:

ψθ+

= λT

sy *

21 , unde

TTT

ys

sus

s⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+

α−

=ψΔ

33

33

)2()(,

)2()( .

Prin câteva calcule simple, se obţine:

)(1000100018126

)2(1

0001

1)2(

1)2()(

23

2

3

333 s

ssss

sss

α⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡ −−−

++

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

+=

+α ,

unde α2(s) = [s2, s, 1]T. Atunci, ψ poate fi exprimat sub forma TT

TT

T ys

sys

syus

sus

su ⎥⎦

⎤⎢⎣

−+

αλ+−

λ−=ψ 32

32

32

32

)2()(,

)2()(,

)2()(,

)2()( ,

unde T]8,12,6[=λ , iar ψθλT* poate fi exprimat ca

ψθ=ψθλTT ** (2.4.23)

unde

Taabb ]48,64,24,8,,0,[ 0202* ++=θ ,

TTT

ys

syus

s⎥⎦

⎤⎢⎣

−+

α=ψ 3

23

2

)2()(,,

)2()( .

Atunci,

2 - 26

ψθ+

=T

sy *

21 (2.4.24)

O realizare de stare a lui (2.4.24) este

1

3222

3111

11

*11

,

,

,2

xyyl

ul

xxx

c

c

T

=ℜ∈ψ−ψΛ=ψ

ℜ∈ψ+ψΛ=ψ

ℜ∈ψθ+−=

&

&

&

unde TTT y ],,[ 21 ψψ=ψ , ⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡ −−−=Λ

0100018126

c , ⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡=

001

l .

2.4.2. Modele parametrice biliniare

Considerăm parametrizarea unei clase speciale de sisteme exprimate prin

usRsZky)()(

0

00= , (2.4.25)

unde k0 este un scalar, R0(s) este monic de grad n, iar Z0(s) este monic şi Hurwitz de grad m < n. În plus, Z0(s) şi R0(s) satisfac ecuaţia Diofantică

k0Z0(s)P(s) + R0(s)Q(s) = Z0(s)A(s) (2.4.26) unde

)()( 21 sqssQ n

Tn−

− α+= , )()( 1 spsP nT

−α= , Tiii ssss ]1,,,,[)( 1 K−

Δ=α ,

nn pq ℜ∈ℜ∈ − ,1 sunt vectorii coeficienţilor lui 1)( −− nssQ , respectiv ai lui P(s), iar A(s) este un polinom Hurwitz monic de grad 12 −−mn . Ecuaţia Diofantică (2.4.26) care pune în relaţie pe Z0(s), R0(s), k0 cu P(s), Q(s) şi A(s) apare în proiectarea comenzilor, cum ar fi controlul cu model de referinţă, care va fi discutat în capitolele ulterioare. Polinoamele P(s) şi Q(s) sunt de regulă polinoamele asociate controllerului care, pentru un A(s) dat, trebuie calculate prin rezolvarea ecuaţiei (2.4.26). Pentru aceasta, obiectivul nostru constă în a obţine o parametrizare a lui (2.4.25), în funcţie de coeficienţii lui P(s) şi Q(s), care să fie independentă de coeficienţii lui Z0(s) şi R0(s). Acest obiectiv se atinge folosind (2.4.26) pentru a elimina dependenţa lui (2.4.25) de Z0(s) şi R0(s) după cum urmează:

Prin rescrierea lui (2.4.25) sub forma R0(s)y = k0Z0(s)u şi înmulţind fiecare membru cu Q(s), se obţine:

Q(s)R0(s)y = k0Z0(s)Q(s)u (2.4.27) Înlocuind în (2.4.27) pe Q(s)R0(s) = Z0(s)(A(s) - k0P(s)) obţinut din (2.4.26), se obţine:

Z0(s)(A(s) - k0P(s))y = k0Z0(s)Q(s)u (2.4.28)

2 - 27

Cum Z0(s) este Hurwitz, vom filtra fiecare membru din (2.4.28) prin 1/Z0(s) obţinând

A(s)y = k0P(s)y + k0Q(s)u (2.4.29) Rescriem (2.4.29) sub forma

])()([)( 1210 ususqyspkysA n

nT

nT −

−− +α+α= (2.4.30)

Acum există mai multe variante. Se poate filtra fiecare membru din (2.4.30) cu filtrul stabil 1/A(s) obţinând:

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+

α+

α=

−−− u

sAsu

sAsqy

sAspky

nnTnT

)()()(

)()( 1

210

care poate fi scris în forma compactă )( 0

*0 zky

T+φθ= (2.4.31)

unde

TTT pq ],[* =θ , TT

nTn y

sAsu

sAs

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ αα=φ −−

)()(,

)()( 12 şi u

sAsz

n

)(

1

0

= .

Se poate de asemenea filtra fiecare membru din (2.4.30) utilizând un filtru arbitrar stabil 1/Λ(s) al cărui ordin λn satisface 112 −≥≥−− λ nnmn , obţinând

)()( 0*

0 zksWyT

+φθ= (2.4.32)

unde acum TT

nTn y

ssu

ss

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡Λα

Λα

=φ −−

)()(,

)()( 12 , u

ssz

n

)(

1

0 Λ=

şi )()()(

sAssW Λ

= este o funcţie de transfer

proprie. În (2.4.31) şi (2.4.32), φ şi z0 pot fi generate prin filtrarea intrării u şi a ieşirii

y a procesului. De aceea, dacă u şi y sunt măsurabile, atunci toate semnalele din (2.4.31) şi (2.4.32) pot fi generate, singurele necunoscute posibile fiind k0 şi *θ . Dacă k0 este cunoscut, el poate fi absorbit în semnalele φ şi z0, conducând la modele care sunt afine în *θ , de forma:

φθ=T

sWy *)( (2.4.33)

unde zksWyy 0)(−= , iar φ=φ 0k . Dacă k0 este totuşi necunoscut şi este parte a parametrilor de interes, atunci (2.4.31) şi (2.4.32) nu sunt afine în raport cu parametrii k0 şi *θ , dar k0 şi *θ apar într-o formă specială biliniară. Din acest motiv, definim (2.4.31) şi (2.4.32) ca modele parametrice biliniare pentru a le distinge de cele de forma (2.4.7)-(2.4.9) şi (2.4.33), care sunt referite ca modele-parametrice liniare sau modele parametrice afine (sau modele afine în raport cu parametrii). Aceste forme de modele (parametrizate liniar şi bilinear) sunt destul de

2 - 28

generale pentru a include şi parametrizările anumitor sisteme ale căror dinamici nu sunt neapărat liniare, aşa cum se vede în exemplul următor.

Exemplul 2.4.3. Considerăm sistemul neliniar scalar uctxgbtxfax 000 ),(),( ++=& (2.4.34)

unde a0, b0 şi c0 sunt scalari constanţi, ),( txf şi ),( txg sunt funcţii neliniare cunoscute care pot fi calculate la fiecare moment de timp t, iar u şi x sunt intrarea şi starea sistemului. Presupunem că f, g şi u sunt astfel încât pentru fiecare condiţie iniţială x(0) = x0, (2.4.34) are o singură soluţie definită pentru orice ),0[ ∞∈t . Dacă x şi u sunt măsurabile, prin filtrarea fiecărui membru al lui (2.4.34) cu un filtru stabil strict propriu cu funcţia de transfer Wf(s), modelul (2.4.34) poate fi exprimat în forma modelului parametric (2.4.33):

φθ=T

f sWz *)( (2.4.35)

unde xssWz f )(= , Tcba ],,[ 000* =θ şi Tutxgtxf ]),,(),,([=φ . În loc de (2.4.35),

relaţia (2.4.34) se poate rescrie în forma φθ++−=

Tmm xaxax *&

cu am > 0, sau

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ φθ+

+=

Tm

mxa

asx *1

Atunci,

φθ+

=+

−=Δ T

mm

m

asx

asaxz *1 (2.4.36)

care are aceeaşi formă cu (2.4.35) cu Wf(s) = 1/(s+am). Se poate continua şi rescrie (2.4.35) (respectiv (2.4.36)) sub forma

fT

z φθ= * , φ=φ )(sWff (2.4.37)

care este de forma (2.4.8). Exemplul prezentat demonstrează faptul că deşi parametrul *θ apare liniar în

(2.4.35) şi (2.4.37) nu înseamnă că are o dinamică liniară.

2.5. Probleme

2.1. Fie a(s) = (s + α)3, b(s) = β, unde α, β sunt constante cu 0≠β . (a) Scrieţi matricea Sylvester asociată lui a(s) şi b(s). (b) Considerăm că p0(s), l0(s) este o soluţie a ecuaţiei polinomiale

a(s)l(s) + b(s)p(s) = 1. (2.5.1) Arătaţi că (p1(s), l1(s)) este o soluţie a lui (2.5.1) dacă şi numai dacă p1(s), l1(s) pot fi exprimate sub forma p1(s) = p0(s) + r(s)a(s), l1(s) = l0(s) - r(s)b(s) pentru orice polinom r(s).

2 - 29

(c) Găsiţi soluţia lui (2.5.1) pentru care p(s) are cel mai mic grad şi p(s)/l(s) este o funcţie raţională proprie.

2.2. Se consideră procesul de ordinul trei y = G(s)u, unde

012

23

012

2)(asasas

bsbsbsG+++

++=

(a) Scrieţi modelul parametric al procesului în forma (2.4.8) sau (2.4.13) când *θ = [b2, b1, b0, a2, a1, a0]T.

(b) Dacă a0, a1 şi a2 sunt cunoscute, adică, a0 = 2, a1 = 1 şi a2 = 3, scrieţi un model parametric al procesului în funcţie de *θ = [b2, b1, b0]T. (c) Dacă b0, b1 şi b2 sunt cunoscute, adică, b0 = 1, b1 = b2 = 0, dezvoltaţi un model parametric în funcţie de *θ = [a2, a1, a0]T.

2.3. Se consideră sistemul cu amortizare de mai jos: unde k este constanta resortului, f este coeficientul de frecare vâscoasă sau de amortizare, m este masa sistemului, u este forţa de intrare, iar x este deplasarea masei M. Dacă se consideră un resort "liniar", adică, forţa ce acţionează asupra resortului este proporţională cu deplasarea, iar forţa de frecare este proporţională cu viteza x& , utilizând legea lui Newton, se obţine următoarea ecuaţie diferenţială:

xfxkuxM &&& −−=

care descrie dinamica sistemului. (a) Precizaţi o reprezentare de stare a sistemului. (b) Calculaţi funcţia de transfer dintre x şi u. (c) Obţineţi un model parametric liniar de forma φθ=

Tz * , unde *θ = [M, k, f]T

, iar z, φ sunt semnale care pot fi generate din măsurătorile lui u şi x, fără a utiliza elemente derivative.

2.4. Verificaţi dacă (2.4.11) şi (2.4.12) sunt reprezentări de stare neminimale ale sistemului descris prin (2.4.1). Arătaţi că pentru aceeaşi intrare u(t), ieşirea y(t) este identică pentru cele două sisteme. (Indicaţie: Verificaţi că

)]([)]([ 00 AsIadjCBsIadjC Tc

T −=Λ−

pentru anumiţi nC ℜ∈0 , nnB ×ℜ∈0 folosind identitatea [adj(sI - A)] = sn-1I + sn-2(A + an-1I) + sn-3(A2 + an-1A + an-2I)

+ ... + (An-1 + an-1An-2 + ... + a1I) şi alegând C0 astfel încât (C0, Λc) să fie o pereche observabilă.

2.5. Scrieţi o reprezentare de stare pentru următorul sistem:

(a) us

sn

)()(1

Λα

=φ − , Λ(s) este monic de ordin n.

2 - 30

(b) ussn

)()(

1

1

Λα

=φ − , Λ1(s) este monic de ordin n - 1.

(c) ussm

)()(

1Λα

=φ , 1−≤ nm , Λ1(s) este monic de ordin n - 1.

2.6. Arătaţi că ( ))(

)()()( 111

sssIClsI nT

oToc Λ

α=Λ−=Λ− −−− , unde (Λc, l) este

forma controller, iar (Co, Λo) este forma observer. Bibliografie [30] Chen, C.T., Introduction to Linear System Theory, Holt, Rinehart and Winston Inc.,

New York, 1970. [42] Desoer, C.A. and M. Vidyasagar, Feedback Systems: Input-Output Properties,

Academic Press Inc., New York, 1975. [44] Dorf, R.C. Modern Control Systems, 6th Edition, Addison-Wesley Publishing

Company, Reading, Massachusetts, 1991. [57] Franklin, G.F., J.D. Powell and A. Emami-Naeini, Feedback Control of Dynamic

Systems, 2nd Edition, Addison-Wesley, Reading, Massachusetts, 1991. [73] Goodwin, G.C. and K.C. Sin, Adaptive Filtering Prediction and Control, Prentice

Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1984. [95] Kailath, T., Linear Systems, Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1980. [121] Kuo, B. C. Automatic Control Systems, 6th Edition, Prentice Hall, Englewood Cli®s,

New Jersey, 1991. [131] Luders, G. and K.S. Narendra, "A New Canonical Form for an Adaptive Observer",

IEEE Transactions on Automatic Control, Vol. 19, no. 2, pp. 117-119, 1974. [180] Ogata, K. Modern Control Engineering, 2nd Edition, Prentice Hall, Englewood

Cliffs, New Jersey, 1990. [201] Sastry, S. and M. Bodson, Adaptive Control: Stability, Convergence and Robustness,

Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1989. [226] Tsakalis K.S. and P.A. Ioannou, Linear Time Varying Systems: Control and

Adaptation, Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1993. [237] Wolovich, W.A., Linear Multivariable systems, Springer-Verlag, New York, 1974. [238] Wonham, W.M., Linear Multivariable Control: A Geometric Approach, 3rd Edition,

Springer-Verlag, New York, 1985.