Stability analysis and stabilization of linear aperiodic sampled-data systems subject to input constraints

• Ano de defesa: 2022
• Autor(a) principal: Huff, Daniel Denardi
• Orientador(a): Silva Junior, Joao Manoel Gomes da, Fiacchini, Mirko
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: eng
• Palavras-chave em Português: Controle baseado em dados; Sistemas lineares : Estabilidade; Amostragem
• Palavras-chave em Inglês: Sampled-data control; Aperiodic sampling; Random sampling; Set invariance; Ellipsoidal sets; Polyhedral sets; Region of attraction of the origin
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/10183/258391

Motivé par l’utilisation croissante de contrôleurs embarqués dans différentes applications, où un protocole de communication est responsable par la transmission de données entre les algorithmes numériques, les actionneurs et les capteurs, l’analyse et la conception de contrôle pour les systèmes de contrôle échantillonnées ont été abordées dans de nombreux travaux. Dans ce contexte, l’échantillonnage apériodique peut être considéré comme une abstraction mathématique employée pour représenter, dans un cadre théorique, l’effet des imperfections sur le canal de communication telles que la gigue d’échantillonnage, les fluctuations et, dans certains cas, les pertes de paquets. De plus, en raison des limitations physiques des actionneurs, les contraintes d’entrée et, en particulier, la saturation des entrées sont omniprésentes dans les problèmes de contrôle réels. Ces contraintes sont une source de comportements non-linéaires et de dégradation de la performance. Dans de nombreux cas, seule la stabilité locale (ou régionale) du système en boucle fermée peut être assurée en présence de contraintes et de non-linéarités des actionneurs, même pour les systèmes linéaires. Ce travail traite des systèmes linéaires échantillonnées apériodiquement où l’entrée de commande, soumise à des contraintes (par exemple la saturation), est calculée sur la base d’un retour d’état du système. Il se concentre sur deux problèmes principaux. Le premier consiste en l’analyse de stabilité de l’origine de tels systèmes avec la détermination d’estimations de la région d’attraction de l’origine (RAO). Le deuxième, à son tour, correspond à la conception de la commande, où une loi de commande à retour d’état est calculée afin d’agrandir une estimation de la RAO du système en boucle fermée résultant. Les méthodes proposées sont basées sur la programmation semi-définie ou linéaire et peuvent donc être facilement appliquées dans la pratique. L’une des méthodes proposées considère un retour d’état linéaire soumis à la saturation et des fonctions de Lyapunov quadratiques, conduisant à des estimations ellipsoïdales de la RAO du système. Deux autres méthodes traitent de l’analyse de stabilité du système échantillonné soumis à la saturation des entrées fournissant des estimations polyédriques de la RAO. En raison de leur flexibilité, l’adoption de polyèdres au lieu d’ellipsoïdes permet une réduction du conservatisme mais est très exigeante en termes de complexité de calcul. Motivée par ce fait, cette thèse propose également une méthode de conception de contrôle basée sur une stratégie alternative, où la complexité des polyèdres est fixée a priori. Cette idée se traduit par un problème d’optimisation avec des contraintes bilinéaires, où une loi de commande linéaire par morceaux stabilisante de complexité relativement faible est trouvée pour le système échantillonné. Les méthodes mentionnées ci-dessus considèrent un cadre non stochastique, où des limites inférieure et supérieure sont imposées pour l’intervalle d’échantillonnage inconnu et variable dans le temps du système. Comme contribution supplémentaire, cette thèseconsidère également un cadre stochastique. Une méthode de conception de contrôle est proposée pour la stabilisation globale dans le sens quadratique moyen du système échantillonné, où la loi de contrôle linéaire de retour d’état est soumise à des non-linéarités délimitées par secteur et les intervalles d’échantillonnage sont supposés être des variables aléatoires avec la distribution d’Erlang. La possibilité de pertes de paquets est aussi explicitement prise en compte via la distribution de Bernoulli. De plus, l’approche proposée, qui est basée sur le cadre des processus de Markov déterministes par morceaux, conduit à des conditions de stabilisation non conservatrices dans le cas linéaire sans contraintes.