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Type: Dissertação
Title: Dissipativity-based static output feedback stabilization of dynamical systems
Title in English: Dissipativity-based static output feedback stabilization of dynamical systems
Authors: Viana, Valessa Valentim
Advisor: Madeira, Diego de Sousa
Keywords: Realimentação de saída;Controle robusto;Dissipatividade;Desigualdades matriciais lineares;Sistemas lineares;Sistemas não-lineares;Sistemas de energia elétrica - modelos matemáticos
Issue Date: 16-Aug-2022
Citation: VIANA, V.V. Dissipativity-based static output feedback stabilization of dynamical systems. 2022. 86f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2022.
Abstract in Brazilian Portuguese: Esta dissertação aborda o problema de estabilização de sistemas dinâmicos em tempo contínuo por realimentação linear estática de saída. São propostas três estratégias diferentes para estabilização de três categorias de sistemas, sendo eles sistemas lineares com incertezas, lineares a parâmetros variantes e não lineares com saturação na entrada e incertezas. Na formulação das condições de cada estratégia proposta foi utilizada uma noção de dissipatividade conhecida como condição de QSR-dissipatividade estrita, que se apresenta como uma condição necessária e suficiente para estabilização por realimentação de saída, sob certas suposições. Primeiramente, no caso de sistemas lineares, tendo em vista a consideração de um modelo mais realista do sistema, a estratégia proposta considera incertezas nas matrizes do sistema. Além disso, como um requisito de desempenho de malha-fechada, é considerada uma restrição na taxa de decaimento mínima do sistema. Já no caso de sistemas a parâmetros variantes, foi considerado que o sistema além de ser afetado por incertezas no modelo, também é afetado por uma entrada externa, que pode ser vista como um distúrbio no sistema. Então, a estratégia propõe a estabilização considerando a minimização do ganho L2. Nesse caso, é utilizada uma representação algébrico diferencial do sistema LPV que permite lidar com uma classe de sistemas onde as matrizes podem apresentar dependência polinomial ou racional no parâmetro. Por fim, considerou-se o caso de sistemas não lineares com saturação na entrada, que representam modelos mais fiéis à realidade, tanto por considerar as não-linearidades do sistema, como por considerar o problema de saturação na entrada. Nesse caso, o sistema também é transformado em uma representação algébrico diferencial tal que as matrizes do sistema podem apresentar dependência polinomial ou racional nos seus argumentos. Além disso, uma condição do setor é utilizada para lidar com a saturação na entrada do sistema e funções de Lyapunov mais genéricas são consideradas em busca de se obter resultados menos conservadores. Nos três casos, um algoritmo iterativo, baseado em desigualdades matriciais lineares, recentemente desenvolvido é aplicado visando computar os ganhos de realimentação enquanto minimiza uma função objetivo, que no caso de sistemas a parâmetros variantes consiste na minimização do ganho L2 e no caso dos sistemas não lineares consiste na maximização da região de atração. Por fim, são apresentados exemplos numéricos para mostrar a eficácia das estratégias propostas.
Abstract: This dissertation deals with the static output feedback control problem for continuous-time dynamical systems. Different strategies are proposed to stabilize three distinct classes of systems, namely the classes of linear time-invariant systems, linear parameter varying systems, and input saturated nonlinear systems, all considering uncertainties in the system model. The notion of strict QSR-dissipativity, also known as a necessary and sufficient condition for static output feedback stabilizability under certain circumstances, is applied to formulate new sufficient conditions in the form of linear matrix inequalities. In the case of uncertain linear systems, the proposed strategy considers more realistic models by including uncertainty in the system matrices. Moreover, a minimum bound for the decay rate of the system is a closed-loop performance constraint. In the linear parameter varying case, both uncertainties and external inputs are considered. Thus, the strategy suggests stabilization with the L2-gain performance criterion. In this case, it is considered a differential-algebraic representation that allows dealing with the broad class of systems whose matrices present rational or polynomial dependence on the parameters. Finally, uncertain saturated nonlinear systems are contemplated, which characterizes more realistic models by considering at the same time nonlinearities in the system model and the saturating actuator condition. In this case, the proposed strategy also transforms the system into a differential-algebraic representation allowing the system to present rational or polynomial dependence on the state and uncertain parameters. A generalized sector condition is used to deal with the saturation on the input, and rational Lyapunov functions (which are more generic than quadratic ones) are considered to obtain less conservative results compared to the recent literature. Furthermore, a recently developed iterative algorithm based on linear matrix inequalities is applied to compute the feedback gain matrices simultaneously to the minimization of an objective function. While the objective function is to minimize the L2 gain in the strategy for linear time-varying systems, in the approach for nonlinear ones, the objective function is the maximization of the region of attraction. For all cases, numerical examples are provided to highlight the effectiveness of the proposed strategies.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/68146
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