To install click the Add extension button. That's it.

The source code for the WIKI 2 extension is being checked by specialists of the Mozilla Foundation, Google, and Apple. You could also do it yourself at any point in time.

4,5
Kelly Slayton
Congratulations on this excellent venture… what a great idea!
Alexander Grigorievskiy
I use WIKI 2 every day and almost forgot how the original Wikipedia looks like.
Live Statistics
English Articles
Improved in 24 Hours
Added in 24 Hours
Languages
Recent
Show all languages
What we do. Every page goes through several hundred of perfecting techniques; in live mode. Quite the same Wikipedia. Just better.
.
Leo
Newton
Brights
Milds

Optimal projection equations

From Wikipedia, the free encyclopedia

In control theory, optimal projection equations[1][2][3] constitute necessary and sufficient conditions for a locally optimal reduced-order LQG controller.[4]

The linear-quadratic-Gaussian (LQG) control problem is one of the most fundamental optimal control problems. It concerns uncertain linear systems disturbed by additive white Gaussian noise, incomplete state information (i.e. not all the state variables are measured and available for feedback) also disturbed by additive white Gaussian noise and quadratic costs. Moreover, the solution is unique and constitutes a linear dynamic feedback control law that is easily computed and implemented. Finally the LQG controller is also fundamental to the optimal perturbation control of non-linear systems.[5]

The LQG controller itself is a dynamic system like the system it controls. Both systems have the same state dimension. Therefore, implementing the LQG controller may be problematic if the dimension of the system state is large. The reduced-order LQG problem (fixed-order LQG problem) overcomes this by fixing a-priori the number of states of the LQG controller. This problem is more difficult to solve because it is no longer separable. Also the solution is no longer unique. Despite these facts numerical algorithms are available [4][6][7][8] to solve the associated optimal projection equations.

YouTube Encyclopedic

  • 1/5
    Views:
    697 575
    11 759
    137 462
    15 061
    32 774
  • Projectile at an angle | Two-dimensional motion | Physics | Khan Academy
  • Projecteurs. Projections. Symétries. Le Cours d'Optimal Sup Spé.
  • Optimal angle for a projectile part 1: Components of initial velocity | Khan Academy
  • Physics - Mechanics: Projectile Motion (1 of 4) Finding the Angle - Simple Case
  • Lecture: Multi Dimensional Gradient Methods in Optimization -- Example Part 1 of 2

Transcription

Това е ракета. Тази ракета ще започне снаряд, може би е някакъв вид камък. С честота от 10м за секунда. И посоката на тази честота ще бъде 30градуса. 30 градуса нагоре в хоризонтална посока или ълълът между посоката на старта и хоризонтала е 30градуса. И това, което искаме да разберем в това видео е на какво разстояние пътува камъкът. Искаме да разберем колко..колко далеч пътува? Пътува ли? И за да опрастим задачата, ще разделим този скоростен вектор на вертикални и хоризонтални компоненти. Ще използваме вертикални компоненти. Нека го начертая визуално. Така, скоростният вектор може да бъде разделен на негови вертикални и хоризонтални компоненти. Ще вземем вертикален компонент.. определена скорост в посока нагоре. И можем да използваме това,за да разберем колко дълго ще остане този камък във въздуха. Защото не е от значение какъв е хоризонталният му компонент. Вертикалният му компонент ще определи колко бързо намаля скоростта си,в следствие от гравитацията и после ускорява и колко време е във въздуха. Разберем ли колко дълго е във въздуха, можем да го умножим по... по хоризонталния компонент на честотата и това ще ни покаже колко далеч пътува. Още веднъж, заключението , което правим в това видео е, че съпротивлението на въздуха е незначително. Очевидно, ако имаше значително съпротивление на въздуха, хоризонталната честота нямаше да остане постоянна по време на пътуването му във въздуха. Но ще приемем, че го прави. Че не се променя. Че е незначителна. Можем да приемем,че правим този експеримент на луната. Ако искаме да имаме... Ако го искахме в по-чисти условия. Но нека да решим задачата. Първото, което искаме да направим,е да разделим този скоростен вектор да го разделим и да има големина 10м за секунда и ъгъл от 30градуса с хоризинталната ос. Искаме да го разделим на негови х и у компоненти. Компонентите са хоризонтални и вертикални. За да е хоризонтален да го нарисувам малко по-добре. Таке че хоризонталният и вертикалният му компонент изглеждат така. Това е вертикалният му компонент. Нека първо вземем вертикалният. Как да разберем даденият вертикален компонент,ако знаем хипотенузата на този триъгълник? Знаем този ъгъл тук и ъгълът и страната на този ъгъл е обратна на ъгъла. Искаме да намерим ъгъла и имаме хипотенузата. Още веднъж , пишем ... Синус 30градуса ще е равен на големината на вертикалния компонент Това е големината на скоростта в посока на у. у е посоката нагоре е равен на скоростта в посока у разделено на големината на хипотенузата или на вектора ни разделено на 10м на секунда За да решим уравнението, умножаваме двете страни по 10 10 по синус 30градуса ще е равно на големината на вертикалние ни компонент И колко е синус от 30 градуса? Може би сте запомнили от часовете по математика. Това е 1/2. Ползвайте калкулатор,ако не помните 10 по 1/2 е 5 5м на секунда е равно на големината на вертикалния компонент Какво означава това? Този снаряд, тък като вертикалният му компонент е 5м за сек ще стои във въздуха за същото време,за което би стояло каквото и да е с такъв вертикален компонент. Ако хвърлите камък или снаряд с вертикален компонент 5м за сек той ще стои във въздуха толко този кук, защото имат еднакви вертикални компоненти. Нека видим колко ще стои във въздуха. Следкато в случая започваме от земята, и завършваме на същото равнище, приемайки съпротивлението на въздуха за незначително можем да направим опростение, въпреки че ще направя друго видео с по-сложен начин,който се прилага в повече ситуации. Каква е промяната в скоростта тук ? Ако помислим за вертикалната скорост Нека я означа в синьо Началната ни скорост тук е 5м за сек ще използваме, че нагоре е положителна, а надолу - отрицателна Каква ще е крайната скорост? Ще е положителна, ще делим на земнато притегляне ще е постоянна в един момент, а след това отново ще намаля Ако въздушното съпротивление е незначително, като се върнем на земното равнище големината на скоростта ще е същата, но посоката ще е противоположна. Крайната скорост, говорим за вертикалния колко време е във въздуха ще е -5. метра на сек Крайната скорост е същата като началната, но с противоположна посока Промяната в скоростта в ъ посоката ще е крайната ни скорост -5м/сек минус началната: -5м/сек което е равно на -10м/сек Как да използваме тази информация, за да разберем колко ще е във въздуха? Ами знаем,че вертикалната скорост е равна на по промяната във вертикалната посока по времето на ускоряване. Какво е ускорението в следствие от земното притегляне? като обект на свободно падане това тук е -9,8м/сек2 Това,както разбрахме е -10м/сек това ще е променената скорост -10м/сек = - 9,8м/сек2 по времето За да намерим времето, делим двете страни на -9,8м/сек2 И получаваме -9,8м/сек2 и -9,8м/сек2, които се съкращават Какво се получава? Нека си извадя калкулатора 1,02, закръглям Това е 1,02секунди Следователно промяната във времето е 1,02 делта т е равно на 1,02 секунди Как да ползваме тази информация, за да разберем колко далеч пътува това нещо? Ако приемем, че запазва хоризонталния компонент през цялото време можем да умножим това по времето и да получим общата стойност по хоризонталната посока За да го направим, трябва да намерим хоризонталния компонент, което още не сме направили. Това е компонентът на скоростта на хоризонтала. Още веднъж ще ползваме тригономертия. Тази страна е равна на ъгъла. Така че косинус от 30 градуса е равен на големината на хоризонталния ни компонент върху 10м/сек умножавайки двете страни по 10м/сек , получаваме големината на противоположната страна която е равна на 10м/сек по косинус 30градуса Той е равен на корен квадратен от 3/2 За да го изчислим ни трябва какулатор, но не още Това е 5 по корен от 3м/сек. Ако искам да намеря цялото хоризонтално изменение, да помислим така Хоризонталното изместване ще е равно на средната скорост което е 5 по корен от 3м/сек, защото не се променя. Това, умножено по времето в което ще е във въздуха. Него намерихме - 1,02м/сек Ще получим отговор в метри, вадим калкулатора. Имаме 5 по корен от 3 по 1,02 което е 8,83м Така това ще е равно на... Това ли получих? 8,83м и сме готови !! В друго видео ще ви покажа друг начин за намиране на делта т. Малко е по-сложен

Mathematical problem formulation and solution

Continuous-time

The reduced-order LQG control problem is almost identical to the conventional full-order LQG control problem. Let represent the state of the reduced-order LQG controller. Then the only difference is that the state dimension of the LQG controller is a-priori fixed to be smaller than , the state dimension of the controlled system.

The reduced-order LQG controller is represented by the following equations:

These equations are deliberately stated in a format that equals that of the conventional full-order LQG controller. For the reduced-order LQG control problem it is convenient to rewrite them as

where

The matrices and of the reduced-order LQG controller are determined by the so-called optimal projection equations (OPE).[3]

The square optimal projection matrix with dimension is central to the OPE. The rank of this matrix is almost everywhere equal to The associated projection is an oblique projection: The OPE constitute four matrix differential equations. The first two equations listed below are generalizations of the matrix Riccati differential equations associated to the conventional full-order LQG controller. In these equations denotes where is the identity matrix of dimension .

If the dimension of the LQG controller is not reduced, that is if , then and the two equations above become the uncoupled matrix Riccati differential equations associated to the conventional full-order LQG controller. If the two equations are coupled by the oblique projection This reveals why the reduced-order LQG problem is not separable. The oblique projection is determined from two additional matrix differential equations which involve rank conditions. Together with the previous two matrix differential equations these are the OPE. To state the additional two matrix differential equations it is convenient to introduce the following two matrices:

Then the two additional matrix differential equations that complete the OPE are as follows:

almost everywhere,
almost everywhere,

with

Here * denotes the group generalized inverse or Drazin inverse that is unique and given by

where + denotes the Moore–Penrose pseudoinverse.

The matrices must all be nonnegative symmetric. Then they constitute a solution of the OPE that determines the reduced-order LQG controller matrices and :

In the equations above the matrices are two matrices with the following properties:

almost everywhere.

They can be obtained from a projective factorization of .[4]

The OPE can be stated in many different ways that are all equivalent. To identify the equivalent representations the following identities are especially useful:

Using these identities one may for instance rewrite the first two of the optimal projection equations as follows:

This representation is both relatively simple and suitable for numerical computations.

If all the matrices in the reduced-order LQG problem formulation are time-invariant and if the horizon tends to infinity, the optimal reduced-order LQG controller becomes time-invariant and so do the OPE.[1] In that case the derivatives on the left hand side of the OPE are zero.

Discrete-time

Similar to the continuous-time case, in the discrete-time case the difference with the conventional discrete-time full-order LQG problem is the a-priori fixed reduced-order of the LQG controller state dimension. As in continuous-time, to state the discrete-time OPE it is convenient to introduce the following two matrices:

Then the discrete-time OPE is

.
.
almost everywhere,
almost everywhere.

The oblique projection matrix is given by

The nonnegative symmetric matrices that solve the discrete-time OPE determine the reduced-order LQG controller matrices and :

In the equations above the matrices are two matrices with the following properties:

almost everywhere.

They can be obtained from a projective factorization of .[4] To identify equivalent representations of the discrete-time OPE the following identities are especially useful:

As in the continuous-time case if all the matrices in the problem formulation are time-invariant and if the horizon tends to infinity the reduced-order LQG controller becomes time-invariant. Then the discrete-time OPE converge to a steady state solution that determines the time-invariant reduced-order LQG controller.[2]

The discrete-time OPE apply also to discrete-time systems with variable state, input and output dimensions (discrete-time systems with time-varying dimensions).[6] Such systems arise in the case of digital controller design if the sampling occurs asynchronously.

References

  1. ^ a b Hyland D.C; Bernstein D.S. (1984). "The optimal projection equations for fixed order dynamic compensation". IEEE Transactions on Automatic Control. AC-29 (11): 1034–1037. doi:10.1109/TAC.1984.1103418. hdl:2027.42/57875.
  2. ^ a b Bernstein D.S.; Davis L.D.; Hyland D.C. (1986). "The optimal projection equations for reduced-order discrete-time modeling estimation and control" (PDF). Journal of Guidance, Control, and Dynamics. 9 (3): 288–293. Bibcode:1986JGCD....9..288B. doi:10.2514/3.20105. hdl:2027.42/57880. Archived from the original on 2022-01-09. Retrieved 2022-01-09.
  3. ^ a b Haddad W.M.; Tadmor G. (1993). "Reduced-order LQG controllers for linear time-varying plants". Systems & Control Letters. 20 (2): 87–97. doi:10.1016/0167-6911(93)90020-7.
  4. ^ a b c d Van Willigenburg L.G.; De Koning W.L. (2000). "Numerical algorithms and issues concerning the discrete-time optimal projection equations". European Journal of Control. 6 (1): 93–100. doi:10.1016/s0947-3580(00)70917-4. Associated software download from Matlab Central Archived 2022-01-09 at the Wayback Machine.
  5. ^ Athans M. (1971). "The role and use of the stochastic linear-quadratic-Gaussian problem in control system design". IEEE Transactions on Automatic Control. AC-16 (6): 529–552. doi:10.1109/TAC.1971.1099818.
  6. ^ a b Van Willigenburg L.G.; De Koning W.L. (1999). "Optimal reduced-order compensators for time-varying discrete-time systems with deterministic and white parameters". Automatica. 35: 129–138. doi:10.1016/S0005-1098(98)00138-1. Associated software download from Matlab Central Archived 2019-10-18 at the Wayback Machine.
  7. ^ Zigic D.; Watson L.T.; Collins E.G.; Haddad W.M.; Ying S. (1996). "Homotopy methods for solving the optimal projection equations for the H2 reduced order model problem". International Journal of Control. 56 (1): 173–191. doi:10.1080/00207179208934308.
  8. ^ Collins Jr. E.G; Haddad W.M.; Ying S. (1996). "A homotopy algorithm for reduced-order dynamic compensation using the Hyland–Bernstein optimal projection equations". Journal of Guidance, Control, and Dynamics. 19 (2): 407–417. doi:10.2514/3.21633.
This page was last edited on 8 September 2023, at 20:33
Basis of this page is in Wikipedia. Text is available under the CC BY-SA 3.0 Unported License. Non-text media are available under their specified licenses. Wikipedia® is a registered trademark of the Wikimedia Foundation, Inc. WIKI 2 is an independent company and has no affiliation with Wikimedia Foundation.