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H∞-CONTROL FOR DISCRETE TIME SYSTEMS

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Academic year: 2021

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(1)

H∞‑CONTROL FOR DISCRETE TIME SYSTEMS

著者 Katayama Hitoshi journal or

publication title

静岡大学大学院電子科学研究科研究報告

volume 16

page range 163‑166

year 1995‑03‑28

出版者 静岡大学大学院電子科学研究科

URL http://hdl.handle.net/10297/1256

(2)

氏名・(本

)  

  

  

  

(静岡県

)

学 位 の 種 類

  

 

 (工

)

学 位 記 番 号

  

工博甲第

  93  

号 学位授与の日付

  

平 成

6年

3月 23日 学位授与の要件

  

学位規則第4条第 1項 該当

研究科・専攻の名称

  

電子科学研究料

 

電子応用工学専攻

学位論文題目

   H∞

CONttROL FOR DISCREttE TIME SYSTEMS

(離散時間H∞制御

)

論文審査委員

   (委

員長)

教 授

 

  

教 授

 

 

 

教 授

 

 

教 授

 

JII  

の    

In this thesis,we cOnsiderthe H二‐control problem for discrete time systOms.First we state lLo control for time―

invariant discrete systems.Consider the system(denOted by C)

ズた+1)=AKわ

+31″

(わ

32″

αり, ζ(紛 =Clズ

0+Dllwo+D12″

(0,

y(0=C2XKわ

+D21″

(わ

whereχ

∈ヨt・,w∈RZ:"″ ∈

Rm2,z∈

RPi andッ ∈RP2 are the state,the disturbance,the control input,the controlled output and the FneaSurement output,respectively.Forthe system G,we consider a controller ttr Of the foli==

0+1)=″ 1′

(0+ル亀メ〔,

(め

l′

(D+K2y(D.

en L‐control with measurement feedback is descHbed as fo1lows:

(1)Find n∝ essaFy and Suttcient conditions for the e対 stence ofan intemally stablilzing contЮ

llerκ

with‖G″

Ю ‖ く

r,r>o where c″is the 12nsfer function from the disturbanCe″ to the controlled output z and‖

̀‖

∞ is

the L nom.

(11)■ た ё

haracteJzation ofall stabilizing controllers 

κ

 such that H C″ ILく

re

塾調 文

︱ I

‑163‑

(3)

This problem was originally formulated by Zames (1981) in the context of sensitivity reduction in linear systems using the H- norrn. Since it was formulated in the frequency domain, the main tools used at the early stage have been operator and approximation theory, spectral factorization and Youla parametrization. An early state space solution was presented by Francis (1984). But a more convenient form of the solution was given in terms of two Riccati equations by Doyle, Glover, Khargonekar and Francis (1989) for continuous time systems. After publica- tion of their paper, H-- control has been studied widely in a state space for both continuous and discrete time systems and the relationship between Ft- control and a game theory has been also discussed"

In this thesis we mainly study Ft- control for linear time-varying discrete systems. We assume all nnatrices in the system G and the controlterKare bounded function of /<. We use a state space approach and the max-min theory of quadratic games. Contrary to time-invariant cases, we can not get necessary and sufficient conditions in general.

We obtain necessary conditions and sufficient conditions in terms of two Riccati equations. However, restricting ourselves to periodic systems, wq have necessary and sufficient conditions for the existence of an internally stabi- lizing controller such that ll Ca,,lL < f.

We also study two special H-- control. One is H-- control with state feedback and the other is full information H-- control.In tt- control with state feedback (full information lt- control), we want to find necessary and sufficient conditions for the existence of a state feedback u:Fx (u=Fx+Gw) such that ll Gz,u ll- < f. The solutions of these problems arc given in terms of Riccati equations which are derived from max-min quadratic games.

The outline of this thesis is as follows: In Chapter l, we state H-- control for general linear systems and recall its

brief history. In Chapter2,wecollect preliminary results which we use later and mainly discuss the properties of

time-varying systems. In Chapter 3, we study the relationship between lt-control and quadratic games and we

derive a Riccati equation which gives the solution of Ft-control. In Chapter 4, we study Ft-control with state

feedback and full inforrnation ft-control. We discuss both finite and infinite horizon cases and give the solutions

in terms of Riccati equations which are obtained in Chapter 3. In Chapter 5, we discuss our main rcsult, i.e., the

solution of Ft-control with measurement feedback.In Section 5.2,we give a precise problem fomtulation and its

solution in terms of two Riccati equations. In Section 5.3, we assume the existence of a stabilizing controller K

satisSing ll G* lL < f . Then we obtain a stabilizing solution to the first Riccati equation using the results in

Chapter 3. We then follow the approach of Stoorvogel ( 1992). Assuming some extra condition, we can transform

_the original system G to a new system Gx. Considering H-- control for this new system Gx, we obtain the

stablilzing solution to the second Riccati equation. In Section 5.4 considering a system of a special form and a

system which is obtained from Gy using the second Riccati equation, we show the sufficient conditions for the

existence of a stabilizing controller such that ll Gz* ll- < I. In Section 5.5, we considerperiodic systems and give

necessary and sufficient conditions and the characterization of all controllers. As a special case, we consider time-

(4)

invariant systems and recover the result obtained by Stoonrogel ( 1992).In Chapter 6, we give a simple application.

We treat the stabilization of an inverted pendulum positioning system and get H-- controllen. We then show experimental results and discuss its robustness. In Chapter 7, we give a summary of this thesis.

‑165‑

(5)

論 文 審 査 結 果 の 要 旨

与 えられた系を安定化 し、外乱 と系の評価用出力のエネルギー比 を指定値未満 とする制御器が存在 するための条件およびその仕様 を満たす制御器を求める問題 を

H∞

制御問題 という。線形連続時間時不 変系に関 して、1989年Doyle等 により状態空間表現によ り解が与えられて以来、この問題の研究は線形 連続時間時変系、線形離散時間時不変系へ と発展 していつた。本論文では残 された線形離散時間時変 系のH∞制御問題 を考察 している。

論文 は7章と付録か ら構成 されている。第1章は序論であ り、第2章では系の安定性、安定化制御器の 設計法双対系等に関する予備的結果 をまとめている。特 に時不変系の安定化制御器の設計法 として行 列のグラフ表現を用いた新 しい設計法を提示 してお り、その詳細が付録に与えられている。第3章では

H∞

制御 と関連のある微分ゲーム問題 を紹介 し、

H∞

制御問題の仕様 を満たす制御器が存在するための必 要条件 を導いている。この微分ゲームは2次形式評価関数により記述 され、必要条件は

Rた

cad方 程式の 解 によ り与えられている。系の安定化 に使用できる観測値の形式 により状態 フイー ドバ ックによる場 合、出カフイー ドバ ックによる場合を考察 し、必要条件およ猟 たcaI方程式の差 を明 らかにしている。

この章の主結果は連続時間系の場合 と同様 に

Rた

cati方程式の安定化解 (安定化状態 フイー ドバ ックを構 成する解)の存在 を示 したことである。第4章では特別な場合 として系の状態 を観測可能 とした状態 フィー ドバ ックによる

H∞

制御問題、系の状態および外乱 を観測可能 とした完全情報下の

H∞

制御問題 を 考察 し、第3章で得 られたRたcati方程式の安定化解により仕様 を満たす制御器が構成がで きることを示 している。第5章では出カフイー ドバ ックによる

H∞

制御問題 を考察 し、周期係数をもつ系に関 して完全 解を与 えている。第4章の完全情報下で得 られた

Riccati方

程式の解 を用いて変換 した系に対 して再び微 分ゲームの結果を適用することにより第2の

Rた

ctti方程式 を導 き必要十分条件 を得ている。仕様 を満た す制御器の集合に関 しては、連続時間系に対するvan Keulen等の手法を適用 しパラメータ表現 を与えて いる。 また一般時変系に関 しては十分条件 を与えている。第6章 では離散時間系の

H∞

制御理論の応用 と して倒立振子安定化制御器の設計 をおこないシミュレーション、実験結果を紹介 している。Riccad方 式の解 と、外乱 と出力のエ ネルギー比の上限を示すパラメータの関係 を調べ

H∞

制御の特徴 をもつ制御 器 を求めている。第7章 は結論であ り、本研究の成果が まとめ られている。

以上の ように本論文は行列の グラフ表現 を用いた安定化制御器の設計法、離散時間時変系の状態 フィー ドバ ックによるH∞制御問題の解、周期系の出カ フイー ドバ ックによる

H∞

制御問題の解を与えて お り、博士

(工

)の学位 を授与す るに値する内容であると認定する。

‑166‑

参照

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