<p>I denna avhandling studeras optimal återkopplad styrning av olinjära deskriptorsystem. Ett deskriptorsystem är en matematisk beskrivning som kan innehålla både differentialekvationer och algebraiska ekvationer. En av anledningarna till intresset för denna klass av system är att objekt-orienterade modelleringsverktyg ger systembeskrivningar på denna form. Här kommer det att antas att det, åtminstone lokalt, är möjligt att eliminera de algebraiska ekvationerna och få ett system på tillståndsform. Teoretiskt är detta inte så inskränkande för genom att använda någon indexreduktionsmetod kan ganska generella deskriptor\-system skrivas om så att de uppfyller detta antagande.</p><p>För system på tillståndsform kan Hamilton-Jacobi-Bellman-ekvationen användas för att bestämma den optimala återkopplingen. Ett liknande resultat finns för deskriptor\-system där istället en Hamilton-Jacobi-Bellman-liknande ekvation ska lösas. Denna ekvation innehåller dock en extra term för att hantera de algebraiska ekvationerna. Eftersom antagandena i denna avhandling gör det möjligt att skriva om deskriptorsystemet som ett tillståndssystem, undersöks hur denna extra term måste väljas för att båda ekvationerna ska få samma lösning.</p><p>Ett problem med att beräkna den optimala återkopplingen med hjälp av Hamilton-Jacobi-Bellman-ekvationen är att det leder till att en olinjär partiell differentialekvation ska lösas. Generellt har denna ekvation ingen explicit lösning. Ett lättare problem är att beräkna en lokal optimal återkoppling. För analytiska system på tillståndsform löstes detta problem på 1960-talet och den optimala lösningen beskrivs av serieutvecklingar. I denna avhandling generaliseras detta resultat så att även deskriptor-system kan hanteras. Metoden illustreras med ett exempel som beskriver en faslåsande krets.</p><p>I många situationer vill man veta om ett område är möjligt att nå genom att styra på något sätt. För linjära tidsinvarianta system fås denna information från styrbarhetgramianen. För olinjära system används istället styrbarhetsfunktionen. Tre olika metoder för att beräkna styrbarhetsfunktionen har härletts i denna avhandling. De framtagna metoderna är också applicerade på några exempel för att visa beräkningsstegen.</p><p>Dessutom har observerbarhetsfunktionen studerats. Observerbarhetsfunktionen visar hur mycket utsignalenergi ett visst initial tillstånd svarar mot. Ett par olika metoder för att beräkna observerbarhetsfunktionen för deskriptorsystem tagits fram. För att beskriva en av metoderna, studeras ett litet exempel bestående av en elektrisk krets.</p> / <p>In this thesis, optimal feedback control for nonlinear descriptor systems is studied. A descriptor system is a mathematical description that can include both differential and algebraic equations. One of the reasons for the interest in this class of systems is that several modern object-oriented modeling tools yield system descriptions in this form. Here, it is assumed that it is possible to rewrite the descriptor system as a state-space system, at least locally. In theory, this assumption is not very restrictive because index reduction techniques can be used to rewrite rather general descriptor systems to satisfy this assumption.</p><p>The Hamilton-Jacobi-Bellman equation can be used to calculate the optimal feedback control for systems in state-space form. For descriptor systems, a similar result exists where a Hamilton-Jacobi-Bellman-like equation is solved. This equation includes an extra term in order to incorporate the algebraic equations. Since the assumptions made here make it possible to rewrite the descriptor system in state-space form, it is investigated how the extra term must be chosen in order to obtain the same solution from the different equations.</p><p>A problem when computing the optimal feedback law using the Hamilton-Jacobi-Bellman equation is that it involves solving a nonlinear partial differential equation. Often, this equation cannot be solved explicitly. An easier problem is to compute a locally optimal feedback law. This problem was solved in the 1960's for analytical systems in state-space form and the optimal solution is described using power series. In this thesis, this result is extended to also incorporate descriptor systems and it is applied to a phase-locked loop circuit.</p><p>In many situations, it is interesting to know if a certain region is reachable using some control signal. For linear time-invariant state-space systems, this information is given by the controllability gramian. For nonlinear state-space systems, the controllabilty function is used instead. Three methods for calculating the controllability function for descriptor systems are derived in this thesis. These methods are also applied to some examples in order to illustrate the computational steps.</p><p>Furthermore, the observability function is studied. This function reflects the amount of output energy a certain initial state corresponds to. Two methods for calculating the observability function for descriptor systems are derived. To describe one of the methods, a small example consisting of an electrical circuit is studied.</p> / Report code: LiU-TEK-LIC-2006:8

I denna avhandling studeras optimal återkopplad styrning av olinjära deskriptorsystem. Ett deskriptorsystem är en matematisk beskrivning som kan innehålla både differentialekvationer och algebraiska ekvationer. En av anledningarna till intresset för denna klass av system är att objekt-orienterade modelleringsverktyg ger systembeskrivningar på denna form. Här kommer det att antas att det, åtminstone lokalt, är möjligt att eliminera de algebraiska ekvationerna och få ett system på tillståndsform. Teoretiskt är detta inte så inskränkande för genom att använda någon indexreduktionsmetod kan ganska generella deskriptor\-system skrivas om så att de uppfyller detta antagande. För system på tillståndsform kan Hamilton-Jacobi-Bellman-ekvationen användas för att bestämma den optimala återkopplingen. Ett liknande resultat finns för deskriptor\-system där istället en Hamilton-Jacobi-Bellman-liknande ekvation ska lösas. Denna ekvation innehåller dock en extra term för att hantera de algebraiska ekvationerna. Eftersom antagandena i denna avhandling gör det möjligt att skriva om deskriptorsystemet som ett tillståndssystem, undersöks hur denna extra term måste väljas för att båda ekvationerna ska få samma lösning. Ett problem med att beräkna den optimala återkopplingen med hjälp av Hamilton-Jacobi-Bellman-ekvationen är att det leder till att en olinjär partiell differentialekvation ska lösas. Generellt har denna ekvation ingen explicit lösning. Ett lättare problem är att beräkna en lokal optimal återkoppling. För analytiska system på tillståndsform löstes detta problem på 1960-talet och den optimala lösningen beskrivs av serieutvecklingar. I denna avhandling generaliseras detta resultat så att även deskriptor-system kan hanteras. Metoden illustreras med ett exempel som beskriver en faslåsande krets. I många situationer vill man veta om ett område är möjligt att nå genom att styra på något sätt. För linjära tidsinvarianta system fås denna information från styrbarhetgramianen. För olinjära system används istället styrbarhetsfunktionen. Tre olika metoder för att beräkna styrbarhetsfunktionen har härletts i denna avhandling. De framtagna metoderna är också applicerade på några exempel för att visa beräkningsstegen. Dessutom har observerbarhetsfunktionen studerats. Observerbarhetsfunktionen visar hur mycket utsignalenergi ett visst initial tillstånd svarar mot. Ett par olika metoder för att beräkna observerbarhetsfunktionen för deskriptorsystem tagits fram. För att beskriva en av metoderna, studeras ett litet exempel bestående av en elektrisk krets. / In this thesis, optimal feedback control for nonlinear descriptor systems is studied. A descriptor system is a mathematical description that can include both differential and algebraic equations. One of the reasons for the interest in this class of systems is that several modern object-oriented modeling tools yield system descriptions in this form. Here, it is assumed that it is possible to rewrite the descriptor system as a state-space system, at least locally. In theory, this assumption is not very restrictive because index reduction techniques can be used to rewrite rather general descriptor systems to satisfy this assumption. The Hamilton-Jacobi-Bellman equation can be used to calculate the optimal feedback control for systems in state-space form. For descriptor systems, a similar result exists where a Hamilton-Jacobi-Bellman-like equation is solved. This equation includes an extra term in order to incorporate the algebraic equations. Since the assumptions made here make it possible to rewrite the descriptor system in state-space form, it is investigated how the extra term must be chosen in order to obtain the same solution from the different equations. A problem when computing the optimal feedback law using the Hamilton-Jacobi-Bellman equation is that it involves solving a nonlinear partial differential equation. Often, this equation cannot be solved explicitly. An easier problem is to compute a locally optimal feedback law. This problem was solved in the 1960's for analytical systems in state-space form and the optimal solution is described using power series. In this thesis, this result is extended to also incorporate descriptor systems and it is applied to a phase-locked loop circuit. In many situations, it is interesting to know if a certain region is reachable using some control signal. For linear time-invariant state-space systems, this information is given by the controllability gramian. For nonlinear state-space systems, the controllabilty function is used instead. Three methods for calculating the controllability function for descriptor systems are derived in this thesis. These methods are also applied to some examples in order to illustrate the computational steps. Furthermore, the observability function is studied. This function reflects the amount of output energy a certain initial state corresponds to. Two methods for calculating the observability function for descriptor systems are derived. To describe one of the methods, a small example consisting of an electrical circuit is studied. / Report code: LiU-TEK-LIC-2006:8