Academic literature on the topic 'Linear singular systems'

We have focussed on the study of the linear stability of some particular periodic orbits (called relative equilibria) in planar singular mechanical systems with SO(2)-symmetry, and we have achieved the results using quite advanced mathematical techniques. These involve some homotopy invariants, such as the spectral flow, and some index theory, namely a theorem stating the equality between the Morse index of an orbit seen as a critical point of a Lagrange action functional and the Maslov index of the fundamental solution of the associated Hamiltonian system. Moreover, what we have found meets one of its most important applications in a generalised n-body problem, that is, an n-body problem with a more general potential.

Cette thèse a pour objectif, d’une part, de concevoir des estimateurs pour les systèmessinguliers linéaires en utilisant la méthode des fonctions de modulation. D’autrepart, elle vise à développer des observateurs pour une classe de systèmes dynamiquesnon linéaires en utilisant la méthode des formes normales d’observateurs. Pour lessystèmes singuliers, les estimateurs conçus sont présentés sous forme de formulesintégrales algébriques, garantissant une convergence non asymptotique. Une caractéristique essentielle des algorithmes d’estimation conçus est que les mesures bruitées des sorties ne sont impliquées que dans des termes intégraux, conférant ainsi aux estimateurs une robustesse face aux bruits perturbateurs. Pour les systèmes non linéaires, l’idée principale de conception consiste à transformer les systèmes proposés en une forme simplifiée qui supporte les observateurs existants tels que l’observateur à grandgain et l’observateur en mode glissant. Cette forme simple est appelée forme canoniqueobservable dépendant de la sortie auxiliaire.Pour les systèmes singuliers linéaires, nous transformons le système considéré enune forme similaire à la forme canonique observable de Brunovsky en injectant lesdérivées des entrées et des sorties. Tout d’abord, pour les systèmes singuliers linéairesmono-entrée mono-sortie, la condition d’observabilité est proposée. Des formules algébriques avec une fenêtre d’intégration glissante sont obtenues pour les variables dans différentes situations sans connaître la condition initiale du système. Ensuite, pour les systèmes singuliers linéaires à multiples entrées et sorties, une méthode innovante d’estimation non asymptotique et robuste basée sur la forme canonique observable à l’aide d’un ensemble de systèmes dynamiques de modulation auxiliaires est introduite. Ces derniers systèmes auxiliaires sont donnés par la forme canonique observable contrôlable avec des conditions initiales nulles. En introduisant un ensemble de systèmes dynamiques de modulation auxiliaires qui fournit un cadre plus général pour générer les fonctions de modulation requises, des formules intégrales algébriques sont obtenues à la fois pour les variables d’état et les dérivées de sortie. De plus, l’efficacité et la robustesse des estimateurs proposés sont vérifiées par des simulations numériques dans cette thèse.Pour les systèmes dynamiques non linéaires, nous proposons une famille de systèmesdynamiques non linéaires à multiples sorties "prêts à porter" qui peuvent êtretransformés en formes normales d’observateurs dépendant de la sortie auxiliaire, permettant ainsi le support de l’observateur en mode glissant bien connu. Pour cela, aumoyen de la méthode d’extension de dynamique et d’un ensemble des changementsde coordonnées (calculs algébriques intégraux de base), les termes non linéairessont annulés par une dynamique auxiliaire ou remplacés par des fonctions non linéairesdes multiples sorties. Il convient de mentionner que cette procédure est menée à biende manière compréhensible sans recourir aux outils de la géométrie différentielle, cequi est convivial pour ceux qui ne sont pas familiers avec les calculs des crochets deLie. De plus, l’efficacité et la robustesse des observateurs proposés sont vérifiées pardes simulations numériques dans cette thèse. Deuxièmement, une classe plus large desystèmes dynamiques non linéaires à multiples entrées et sorties "prêts à porter" estfournie pour étendre et développer davantage les systèmes proposés dans le premiercas. De manière similaire, au moyen de la dynamique auxiliaire correspondante etd’un ensemble des changements de coordonnées, les systèmes fournis sont convertisen formes normales non linéaires ciblées dépendant à la fois des multiples sorties etdes variables auxiliaires. Naturellement, cette procédure est également réalisée sansrecourir aux outils géométriques. Enfin, des conclusions sont présentées avec quelques perspectives<br>This thesis aims, on the one hand, to design estimators for linear singular systems usingthemethod of modulation functions. On the other hand, it aims to develop observersfor a class of nonlinear dynamical systems using the method of canonical formsof observers. For singular systems, the designed estimators are presented in the formof algebraic integral equations, ensuring non-asymptotic convergence. An essentialcharacteristic of the designed estimation algorithms is that noisy measurements of theoutputs are only involved in integral terms, thereby imparting robustness to the estimatorsagainst perturbing noises. For nonlinear systems, the main design idea is totransform the proposed systems into a simplified form that accommodates existingobservers such as the high-gain observer and the sliding-mode observer. This simpleformis called auxiliary output depending observable canonical form.For the linear singular systems, we transform the considered system into a formsimilar to the Brunovsky’s observable canonical form with the injection of the inputs’and outputs’ derivatives. First, for linear singular systems with single input and singleoutput, the observability condition is proposed. The system’s input-output differentialequation is derived based on the Brunovsky’s observable canonical form. Algebraicformulas with a sliding integration window are obtained for the variables in differentsituations without knowing the system’s initial condition. Second, for linear singular systemswith multiple input and multiple output, an innovative nonasymptotic and robust estimation method based on the observable canonical form by means of a set of auxiliary modulating dynamical systems is introduced. The latter auxiliary systems are given by the controllable observable canonical with zero initial conditions. The proposed method is applied to estimate the states and the output’s derivatives for linear singular system in noisy environment. By introducing a set of auxiliary modulating dynamical systems which provides a more general framework for generating the requiredmodulating functions, algebraic integral formulas are obtained both for the state variables and the output’s derivatives. After giving the solutions of the required auxiliary systems, error analysis in discrete noisy case is addressed, where the provided noise error bound can be used to select design parameters.For the nonlinear dynamical systems, we propose a family of "ready to wear" nonlineardynamical systemswith multiple outputs that can be transformed into the outputauxiliarydepending observer normal forms which can support the well-known slidingmode observer. For this, by means of the so-called dynamics extension method anda set of changes of coordinates (basic algebraic integral computations), the nonlinearterms are canceled by auxiliary dynamics or replaced by nonlinear functions of themultiple outputs. It is worth mentioning that this procedure is finished in a comprehensible way without resort to the tools of differential geometry, which is user-friendly for those who are not familiar with the computations of Lie brackets. In addition, the efficiency and robustness of the proposed observers are verified by numerical simulations in this thesis. Second, a larger class of "ready to wear" nonlinear dynamicalsystems with multiple inputs and multiple outputs are provided to further extend anddevelop the systems proposed in the first case. In a similar way, by means of the corresponding auxiliary dynamics and a set of changes of coordinates, the provided systems are converted into targeted nonlinear observable canonical forms depending on both the multiple outputs and auxiliary variables. Naturally, this procedure is still completed without resort to geometrical tools. Finally, conclusions are outlined with some perspectives

Predmet izučavanja doktorske disertacije jeste postavljanje univerzalne metode za rešavanje fazi linearnih sistema primenom blokovske reprezentacije uopštenih inverza matrice. Pre svega, postavljen je potreban i dovoljan uslov za ekzistenciju rešanja fazi linearnog sistema. Zatim je data tačna algebarska forma rešenja i na kraju je predstavljen efikasan algoritam.<br>Thе subject of research of thesis is setting universal method for solving fuzzy linear systems using a block representation of generalized inversis of a matrix. A necessary and sufficienf condition for the existence solutions of fuzzy linear systems is given. The exact algebraic form of any solutiof fuzzy linear system is established.

Dans ce mémoire, on considère l’analyse des effets induits par les retards sur le comportement des systèmes dynamiques d´écrits par des équations différentielles linéaires à retards incluant des retards discrets dans leur représentation mathématique. Les apports principaux de la thèse concernent la caractérisation du comportement asymptotiques des racines caractéristiques multiples dans deux configurations: un ou deux paramètres (retards). Les résultats proposés et les algorithmes associés permettent de mieux comprendre les mécanismes sous-jacentes (un ou deux retards) et assouplissent les conditions existantes dans la littérature du domaines (deux retards, vus comme paramètres). Pour obtenir de tels critères, l’approche proposée combine le théorème de préparation de Weierstrass avec la méthode du diagramme de Newton. Finalement, ces idées sont également utilisés pour étudier le caractère bien-posé/mal-posé d’un système en boucle fermée en présence d’un contrôleur de type Proportionnel-Dérivé quand la ”dérivé” est approximée en utilisant un opérateur aux différences incluant un retard. Dans ce dernier cas d’étude, les résultats obtenus sont des conditions nécessaires et suffisantes<br>This dissertation is devoted to the analysis of the effects induced by the delays on the behavior of the dynamical systems described by linear delay-differential equations of retarded type including discrete delays in their mathematical represen-tation. The main contributions of the thesis concern the characterization of the asymptotic behavior of multiple characteristic roots with respect to the delays in two configurations: one or two (delay) parameters. The proposed results and related algorithms give a better understanding of the underlying mechanisms (one or two delay parameters) and relax the existing conditions from the open literature (two delays, seen as parameters). To derive such criteria, the proposed approach combines the Weierstrass Preparation Theorem with the Newton Diagram Method. Finally, such ideas are also used to study the ill-posed/well-posed character of a closed-loop system when the derivative action is approximated by a delay-difference operator. In this last case study, the corresponding derived conditions are necessary and sufficient

A practical procedure based on implicit time integration methods applied to the differential Lyapunov equations arising in the square root balanced truncation method is presented. The application of high order time integrators results in indefinite right-hand sides of the algebraic Lyapunov equations that have to be solved within every time step. Therefore, classical methods exploiting the inherent low-rank structure often observed for practical applications end up in complex data and arithmetic. Avoiding the additional effort treating complex quantities, a symmetric indefinite factorization of both the right-hand side and the solution of the differential Lyapunov equations is applied.

Les dynamiques des systèmes modélisés par des équations aux dérivées partielles (EDPs) en dimension infinie sont largement liées aux réseaux physiques. La synthèse de la commande et l'analyse de la stabilité de ces systèmes sont étudiées dans cette thèse. Les systèmes singulièrement perturbés, contenant des échelles de temps multiples sont naturels dans les systèmes physiques avec des petits paramètres parasitaires, généralement de petites constantes de temps, les masses, les inductances, les moments d'inertie. La théorie des perturbations singulières a été introduite pour le contrôle à la fin des années $1960$, son assimilation dans la théorie du contrôle s'est rapidement développée et est devenue un outil majeur pour l'analyse et la synthèse de la commande des systèmes. Les perturbations singulières sont une façon de négliger la transition rapide, en la considérant dans une échelle de temps rapide séparée. Ce travail de thèse se concentre sur les systèmes hyperboliques linéaires avec des échelles de temps multiples modélisées par un petit paramètre de perturbation. Tout d'abord, nous étudions une classe de systèmes hyperboliques linéaires singulièrement perturbés. Comme le système contient deux échelles de temps, en mettant le paramètre de la perturbation à zéro, deux sous-systèmes, le système réduit et la couche limite, sont formellement calculés. La stabilité du système complet de lois de conservation implique la stabilité des deux sous-systèmes. En revanche un contre-exemple est utilisé pour illustrer que la stabilité des deux sous-systèmes ne suffit pas à garantir la stabilité du système complet. Cela montre une grande différence avec ce qui est bien connu pour les systèmes linéaires en dimension finie modélisés par des équations aux dérivées ordinaires (EDO). De plus, sous certaines conditions, l'approximation de Tikhonov est obtenue pour tels systèmes par la méthode de Lyapunov. Plus précisément, la solution de la dynamique lente du système complet est approchée par la solution du système réduit lorsque le paramètre de la perturbation est suffisamment petit. Deuxièmement, le théorème de Tikhonov est établi pour les systèmes hyperboliques linéaires singulièrement perturbés de lois d'équilibre où les vitesses de transport et les termes sources sont à la fois dépendant du paramètre de la perturbation ainsi que les conditions aux bords. Sous des hypothèses sur la continuité de ces termes et sous la condition de la stabilité, l'estimation de l'erreur entre la dynamique lente du système complet et le système réduit est obtenue en fonction de l'ordre du paramètre de la perturbation. Troisièmement, nous considérons des systèmes EDO-EDP couplés singulièrement perturbés. La stabilité des deux sous-systèmes implique la stabilité du système complet où le paramètre de la perturbation est introduit dans la dynamique de l'EDP. D'autre part, cela n'est pas valable pour le système où le paramètre de la perturbation est présent dans l'EDO. Le théorème Tikhonov pour ces systèmes EDO-EDP couplés est prouvé par la technique de Lyapunov. Enfin, la synthèse de la commande aux bords est abordée en exploitant la méthode des perturbations singulières. Le système réduit converge en temps fini. La synthèse du contrôle aux bords est mise en œuvre pour deux applications différentes afin d'illustrer les résultats principaux de ce travail<br>Systems modeled by partial differential equations (PDEs) with infinite dimensional dynamics are relevant for a wide range of physical networks. The control and stability analysis of such systems become a challenge area. Singularly perturbed systems, containing multiple time scales, often occur naturally in physical systems due to the presence of small parasitic parameters, typically small time constants, masses, inductances, moments of inertia. Singular perturbation was introduced in control engineering in late $1960$s, its assimilation in control theory has rapidly developed and has become a tool for analysis and design of control systems. Singular perturbation is a way of neglecting the fast transition and considering them in a separate fast time scale. The present thesis is concerned with a class of linear hyperbolic systems with multiple time scales modeled by a small perturbation parameter. Firstly we study a class of singularly perturbed linear hyperbolic systems of conservation laws. Since the system contains two time scales, by setting the perturbation parameter to zero, the two subsystems, namely the reduced subsystem and the boundary-layer subsystem, are formally computed. The stability of the full system implies the stability of both subsystems. However a counterexample is used to illustrate that the stability of the two subsystems is not enough to guarantee the full system's stability. This shows a major difference with what is well known for linear finite dimensional systems. Moreover, under certain conditions, the Tikhonov approximation for such system is achieved by Lyapunov method. Precisely, the solution of the slow dynamics of the full system is approximated by the solution of the reduced subsystem for sufficiently small perturbation parameter. Secondly the Tikhonov theorem is established for singularly perturbed linear hyperbolic systems of balance laws where the transport velocities and source terms are both dependent on the perturbation parameter as well as the boundary conditions. Under the assumptions on the continuity for such terms and under the stability condition, the estimate of the error between the slow dynamics of the full system and the reduced subsystem is the order of the perturbation parameter. Thirdly, we consider singularly perturbed coupled ordinary differential equation ODE-PDE systems. The stability of both subsystems implies that of the full system where the perturbation parameter is introduced into the dynamics of the PDE system. On the other hand, this is not true for system where the perturbation parameter is presented to the ODE. The Tikhonov theorem for such coupled ODE-PDE systems is proved by Lyapunov technique. Finally, the boundary control synthesis is achieved based on singular perturbation method. The reduced subsystem is convergent in finite time. Boundary control design to different applications are used to illustrate the main results of this work

Esta dissertação desenvolve filtro de informação, algoritmos array para estimador do erro médio mínimo quadrático para sistemas lineares sujeitos a saltos Markovianos e algoritmos array rápidos para filtragem de sistemas singulares convencionais. Exemplos numéricos serão apresentados para mostrarem as vantagens dos algoritmos array deduzidos. Parte dos resultados obtidos nesta pesquisa serão publicados no seguinte artigo: Terra et al. (2007). Terra, M. H., Ishihara, J. Y. and Jesus, G. Q. (2007). Information filtering and array algorithms for discrete-time Markovian jump linear systems. Proceedings of the American Control Conference ACC07.<br>This dissertation develops information filter and array algorithms for linear minimum mean square error estimator (LMMSE) of discrete-time Markovian jump linear systems (MJLSs) and fast array algorithms for filtering of standard singular systems. Numerical examples to show the advantage of the array algorithms are presented. Some results obtained in this research are published in the following paper: Terra et al. (2007). Terra, M. H., Ishihara, J. Y. and Jesus, G. Q. (2007). Information filtering and array algorithms for discrete-time Markovian jump linear systems. Proceedings of the American Control Conference ACC07.