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RÉSUMÉ
Cet article propose une introduction avancée sur les notions de gouvernabilité et d’observabilité des systèmes linéaires en présence éventuelle d’incertitudes. Dans un premier temps, l’apparition des modes ingouvernables ou inobservables est étudiée dans le cadre des systèmes monodimensionnels. Puis une généralisation aux systèmes multidimensionnels est décrite. Des détails sur la structure canonique de Kalman viennent compléter ces notions. Quelques réflexions sur la gouvernabilité forte et la gouvernabilité faible sont ensuite proposées avant que ne soient abordée une extension de la notion de gouvernabilité au cas des systèmes linéaires incertains. Des aspects logiciels viennent conclure cet article.
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This article is an in-depth introduction on the notions of the controllability and observability of linear time-invariant (LTI) systems. The emergence of uncontrollable and/or unobservable modes is studied through single-input, single-output (SISO) and multidimensional (MIMO) systems. These notions are completed with details on the Kalman canonical structure. Reflections on high and low controllability are also proposed and extensions to uncertain systems are detailed. Software related aspects are then presented to illustrate the different techniques.
Auteur(s)
-
Jean-Marc BIANNIC : Directeur de recherche à l’ONERA – Professeur à ISAE-SUPAÉRO - ONERA-DTIS, Toulouse, France
INTRODUCTION
L’article [S 7 130] « Représentation d’un système linéaire. Extensions aux systèmes incertains » avait introduit la représentation par modèle d’état, et montré comment ce modèle pouvait être obtenu à partir d’une représentation initiale sous forme d’équation différentielle ou de fonction de transfert, et comment on pouvait obtenir, pour un système complexe constitué de sous-systèmes interconnectés, un modèle d’état global conservant l’information de structure.
Pour des raisons de simplicité, les notions – pourtant fondamentales – de gouvernabilité et d’observabilité avaient été occultées et, de ce fait, on pouvait croire que les trois types de représentation (fonction de transfert, équation différentielle, modèle d’état) correspondaient à une même connaissance du système.
Il n’en est pas toujours ainsi et la représentation d’état d’un système peut être d’un ordre supérieur à celui de la fonction de transfert, voire de l’équation différentielle. Quelle est l’origine de l’existence de ces modes ? Quelles conséquences en résulte-t-il ? Ce sont deux questions fondamentales en théorie, mais aussi très importantes en pratique, auxquelles on répondra en l’absence d’incertitudes dans un premier temps. Dans un deuxième temps, on reviendra sur le cas des systèmes linéaires incertains dont la représentation LFT a aussi été abordée dans l’article [S 7 130]. On étudiera comment, sur de tels systèmes, se généralise la notion de gouvernabilité.
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KEYWORDS
Controllability | Observability | Systems reduction | Uncertainties
VERSIONS
- Version archivée 1 de juin 2007 par André FOSSARD, Jean-Marc BIANNIC
DOI (Digital Object Identifier)
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Structure canonique de Kalman
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2. Apparition des modes ingouvernables et/ou inobservables
2.1 Cas des systèmes monoentrée-monosortie
Dans l’exemple d’introduction précédent, l’apparition d’un mode ingouvernable (ou inobservable) était liée à un phénomène de simplification entre pôle et zéro des sous-systèmes en cascade, comme on peut le voir en réécrivant la fonction de transfert du sous-système S1 sous la forme :
On voit également que la différence entre les deux cas a) et b) de la figure 1 (ingouvernabilité et inobservabilité) est liée à la façon dont se fait la simplification (zéro amont-pôle aval, ou pôle amont-zéro aval).
Éventuellement la simplification d’un pôle peut même être envisagée des deux façons comme indiqué sur la figure 6.
Le fait qu’une partie d’un sous-système soit compensée par une partie d’un autre sous-système n’est pas aussi académique qu’il puisse paraître à première vue. En effet, fondamentalement, en automatique, on est amené à associer à un processus des compensateurs, conçus de façon à « modeler » la boucle ouverte, puis la boucle fermée, afin de garantir des propriétés de performances (précision, temps de réponse) et de robustesse (marge de gain, marge de retard).
Un exemple est celui où le processus de fonction de transfert
contient une constante de temps T importante, générant des difficultés pour assurer en boucle fermée un bon compromis rapidité-stabilité.
Une solution est de mettre en précascade sur le processus un réseau d’avance de phase
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Apparition des modes ingouvernables et/ou inobservables
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BEMPORAD (A.), FERRARI-TRECATE (G.), MORARI (M.) - Observability and controllability of piecewise affine and hybrid systems. - IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 45, Issue 10 – pp. 1864-1876 (October 2000).
-
(2) - CALLIER (F.M.) - Linear System Theory. - Ed. Springer (1991).
-
(3) - CORLESS (M.J.), FRAHZO (A.E.) - Linear Systems and Control. - Ed. Marcel Dekker (2003).
-
(4) - DOYLE (J.), PACKARD (A.), ZHOU (K.) - Review of LFTs, LMIs and µ. - In proceedings of the 30th Conference on Decision and Control, Brighton, England, December 1991.
-
(5) - FOSSARD (A.J.) - Représentation, observation et commande dans l’espace d’état. - Polycopié SUPAÉRO (1995).
-
(6) - GILBERT (E.G.) - Controllability...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
BIANNIC (J-M), DEMOURANT (F), FERRERES (G), HARDIER (G), ROOS (C). The SMAC Toolbox : a collection of libraries for Systems Modeling Analysis and Control, June 2016, online available at http://w3.onera.fr/smac/.
BIANNIC (J-M), ROOS (C), Generalized State Space : a new Matlab class to model uncertain and nonlinear systems as Linear Fractional Representations, February 2016, available with the SMAC toolbox at http://w3.onera.fr/smac/gss.
ROOS (C), BIANNIC (J-M), Robustness analysis by a μ-analysis based approach using the SMART library, February 2016, available with the SMAC toolbox at http://w3.onera.fr/smac/smart.
MATHWORKS – MATLAB and SIMULINK for technical computing – https://fr.mathworks.com/
MATHWORKS – CONTROL SYSTEM TOOLBOX – Design and analyze controllers for dynamic systems – https://fr.mathworks.com/products/control.html
MATHWORKS – ROBUST CONTROL TOOLBOX – Design robust controllers for uncertain plants – https://fr.mathworks.com/help/robust/
OCTAVE – A high-level language dedicated to numerical computations – http://www.gnu.org/software/octave/
SCILAB – A Free Scientific Software Package – http://www.scilab.org
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