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Ingegneria dell ’Automazione - Sistemi in Tempo Reale Selected topics on discrete-time and sampled-data systems Luigi Palopoli [email protected] - Tel. 050/883444 Ingegneria dell ’Automazione - Sistemi in Tempo Reale – p.1/23

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Ingegneria dell ’Automazione -Sistemi in Tempo Reale

Selected topics on discrete-time andsampled-data systems

Luigi Palopoli

[email protected] - Tel. 050/883444

Ingegneria dell ’Automazione - Sistemi in Tempo Reale – p.1/23

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Outline

Effects of quantisation

Parameters round-off

Ingegneria dell ’Automazione - Sistemi in Tempo Reale – p.2/23

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Quantisation in control

Quantisation is usedcommunications through digital channels

DA/AD conversion

finite precision representation of numbersIngegneria dell ’Automazione - Sistemi in Tempo Reale – p.3/23

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What does a quantiser do?

There are different quantisation strategies:truncation: ignore the least significant bit of thefractional part.

round-off: ignore the least signficant bit if the first bitlost is 0, otherwise add 2−l

Quantisation introduces an error: x = xq + ε

Ingegneria dell ’Automazione - Sistemi in Tempo Reale – p.4/23

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Truncation

Truncation introduces an error of ε withε ≤ q = 2−l

Ingegneria dell ’Automazione - Sistemi in Tempo Reale – p.5/23

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Round-off

Round-off introduces an error of ε withε ≤ q/2, with q = 2−l

Ingegneria dell ’Automazione - Sistemi in Tempo Reale – p.6/23

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Worst case analysis (Beltram (1958))

Let H(z) be a controller, and let H1(z) be thetransfer function between the quantisationpoint and the output.

It is possible to write:

Y (z) = H(z)U(z) (1)

Y (z) = H(z)U(z) − H1(z)E1(z, x)(2)

Y − Y = Y = H1(z)E1(z, x) (3)

Ingegneria dell ’Automazione - Sistemi in Tempo Reale – p.7/23

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Worst case analysis (Beltram (1958)) - I

y(n) =∑n

0h1(k)ε1(n − k; x)

Not time invariant (Dependence on x)

It is possible to build an upper bound:

|y(n)| = |∑n

0h1ε1|

≤∑n

0|h1ε1|

≤∑n

0|h1||ε1|

≤∑n

0|h1|

q2

Ingegneria dell ’Automazione - Sistemi in Tempo Reale – p.8/23

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Worst case analysis (Beltram (1958)) - I

y(n) =∑n

0h1(k)ε1(n − k; x)

Not time invariant (Dependence on x)

It is possible to build an upper bound:

|y(n)| = |∑n

0h1ε1|

≤∑n

0|h1ε1|

≤∑n

0|h1||ε1|

≤∑n

0|h1|

q2

Ingegneria dell ’Automazione - Sistemi in Tempo Reale – p.8/23

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Worst case analysis (Beltram (1958)) - I

y(n) =∑n

0h1(k)ε1(n − k; x)

Not time invariant (Dependence on x)

It is possible to build an upper bound:

|y(n)| = |∑n

0h1ε1|

≤∑n

0|h1ε1|

≤∑n

0|h1||ε1|

≤∑n

0|h1|

q2

Ingegneria dell ’Automazione - Sistemi in Tempo Reale – p.8/23

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Worst case analysis (Beltram (1958)) - II

Example:

y(k + 1) = Qαy(k) + u(k)

We get:

y(k + 1) = αy(k) + ε(k) + u(k)

y(k + 1) = αy(k) − ε(k)

...and (for α < 1 and for k → ∞)

y(k) ≤q

2

∞∑

0

|α|k ≤q

2

1

1 − |α|

Ingegneria dell ’Automazione - Sistemi in Tempo Reale – p.9/23

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Worst case analysis (Beltram (1958)) - II

Example:

y(k + 1) = Qαy(k) + u(k)

We get:

y(k + 1) = αy(k) + ε(k) + u(k)

y(k + 1) = αy(k) − ε(k)

...and (for α < 1 and for k → ∞)

y(k) ≤q

2

∞∑

0

|α|k ≤q

2

1

1 − |α|

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Worst case analysis (Beltram (1958)) - II

Example:

y(k + 1) = Qαy(k) + u(k)

We get:

y(k + 1) = αy(k) + ε(k) + u(k)

y(k + 1) = αy(k) − ε(k)

...and (for α < 1 and for k → ∞)

y(k) ≤q

2

∞∑

0

|α|k ≤q

2

1

1 − |α|Ingegneria dell ’Automazione - Sistemi in Tempo Reale – p.9/23

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Steady state analysis

Let everything be defined as above andassume that the system reaches a steadystate at which ε is a constant εs in the range[−q/2; q/2]

Then y(∞) =∑∞

0h1(n)εs

Proceeding as above

|y(∞)| ≤ |∑∞

0h1(n)| q

2

= |H1(1)|q2

Ingegneria dell ’Automazione - Sistemi in Tempo Reale – p.10/23

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Steady state analysis

Let everything be defined as above andassume that the system reaches a steadystate at which ε is a constant εs in the range[−q/2; q/2]

Then y(∞) =∑∞

0h1(n)εs

Proceeding as above

|y(∞)| ≤ |∑∞

0h1(n)| q

2

= |H1(1)|q2

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Steady state analysis

Let everything be defined as above andassume that the system reaches a steadystate at which ε is a constant εs in the range[−q/2; q/2]

Then y(∞) =∑∞

0h1(n)εs

Proceeding as above

|y(∞)| ≤ |∑∞

0h1(n)| q

2

= |H1(1)|q2

Ingegneria dell ’Automazione - Sistemi in Tempo Reale – p.10/23

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An exact analyis

due to the quantisation effects it is notpossible to achieve exact stabilisation....

however, it is possible to asymptoticallyrestrict the state’s evolution in a small region(controlled invariant) and....

make it attractive from a larger set

Ingegneria dell ’Automazione - Sistemi in Tempo Reale – p.11/23

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An exact analyis

due to the quantisation effects it is notpossible to achieve exact stabilisation....

however, it is possible to asymptoticallyrestrict the state’s evolution in a small region(controlled invariant) and....

make it attractive from a larger set

Ingegneria dell ’Automazione - Sistemi in Tempo Reale – p.11/23

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An exact analyis

due to the quantisation effects it is notpossible to achieve exact stabilisation....

however, it is possible to asymptoticallyrestrict the state’s evolution in a small region(controlled invariant) and....

make it attractive from a larger set

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Some definitions

The set D ⊆ RN is said controlled invariant for the single input systems

x(k + 1) = Ax(k) + bu(k), with u(k) ∈ U , if for all x(k) ∈ D there exist u suchthat x(k + 1) ∈ D

Let D ⊆ Ω ⊆ Rn with D controlled invariant. The set D is said Ω−attractive from

iff for all x ∈ Ω there exist a sequence of control values that steers x into D. If,

moreover, this sequence is long at most Hp steps then D is said Ω-attractive in Hp

steps.

Ingegneria dell ’Automazione - Sistemi in Tempo Reale – p.12/23

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A fundamental result

Theorem (Picasso and Bicchi-2002) Let A, b be in control canonical form and αi

be the coeeficients of the characteristic polynomial.Assume that u ∈ U = εZ andQn(a) ⊆ R be the hypercube of side a centered in the origin. Then the followingfacts hold:

∀∆ ≥ ε, Qn(∆) is controlled invariant

∀Hp ≥ 0, ∀∆ ≥ 0 Qn(ε) is Qn(∆)-attractive in Hp steps

Qn(ε) is minimal in the following sense:

1. x(k) ∈ Qn(ε) ∃!u ∈ U s.t. x(k + 1) ∈ Qn(ε)

2. ifP

i |α1| > 1 then ∀δ < ε, Qn(δ) is not controlled invariant.

Ingegneria dell ’Automazione - Sistemi in Tempo Reale – p.13/23

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Simplified proof

Consider a scalar system x(k + 1) = ax(k) + u(k)

Assume that x(k) ∈ [−ε/2, ε/2]

The controlled invariance of the interval can beimposed as follows:

x(k + 1) ∈ [−∆/2,∆/2]∀x(k) ∈ [−∆/2,∆/2] ↔

∀x(k) ∈ [−∆/2,∆/2]∃u ∈ Us.t. − ∆/2 ≤ ax(k) + u(k) ≤ ∆/2 ↔ i.e.

−∆/2 − ax(k) ≤ u(k) ≤ ∆/2 − ax(k)

The segment of acceptable u(k) is ∆, so thequantiser grain has to be ε ≤ ∆

Ingegneria dell ’Automazione - Sistemi in Tempo Reale – p.14/23

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Simplified proof

Consider a scalar system x(k + 1) = ax(k) + u(k)

Assume that x(k) ∈ [−ε/2, ε/2]

The controlled invariance of the interval can beimposed as follows:

x(k + 1) ∈ [−∆/2,∆/2]∀x(k) ∈ [−∆/2,∆/2] ↔

∀x(k) ∈ [−∆/2,∆/2]∃u ∈ Us.t. − ∆/2 ≤ ax(k) + u(k) ≤ ∆/2 ↔ i.e.

−∆/2 − ax(k) ≤ u(k) ≤ ∆/2 − ax(k)

The segment of acceptable u(k) is ∆, so thequantiser grain has to be ε ≤ ∆

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Simplified proof

Consider a scalar system x(k + 1) = ax(k) + u(k)

Assume that x(k) ∈ [−ε/2, ε/2]

The controlled invariance of the interval can beimposed as follows:

x(k + 1) ∈ [−∆/2,∆/2]∀x(k) ∈ [−∆/2,∆/2] ↔

∀x(k) ∈ [−∆/2,∆/2]∃u ∈ Us.t. − ∆/2 ≤ ax(k) + u(k) ≤ ∆/2 ↔ i.e.

−∆/2 − ax(k) ≤ u(k) ≤ ∆/2 − ax(k)

The segment of acceptable u(k) is ∆, so thequantiser grain has to be ε ≤ ∆

Ingegneria dell ’Automazione - Sistemi in Tempo Reale – p.14/23

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Simplified proof

Consider a scalar system x(k + 1) = ax(k) + u(k)

Assume that x(k) ∈ [−ε/2, ε/2]

The controlled invariance of the interval can beimposed as follows:

x(k + 1) ∈ [−∆/2,∆/2]∀x(k) ∈ [−∆/2,∆/2] ↔

∀x(k) ∈ [−∆/2,∆/2]∃u ∈ Us.t. − ∆/2 ≤ ax(k) + u(k) ≤ ∆/2 ↔ i.e.

−∆/2 − ax(k) ≤ u(k) ≤ ∆/2 − ax(k)

The segment of acceptable u(k) is ∆, so thequantiser grain has to be ε ≤ ∆

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Simplified proof - I

if ∆ = ε then it is required−ε/2 − ax(k) ≤ u(k) ≤ ε/2 − ax(k)

The only solution in εZ s.t.x(k + 1) ∈ [−ε/2, ε/2] is u(x) = b−ax+ε/2

ε cε

the feedback law above is a quantiseddeadbeat!

Ingegneria dell ’Automazione - Sistemi in Tempo Reale – p.15/23

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Simplified proof - I

if ∆ = ε then it is required−ε/2 − ax(k) ≤ u(k) ≤ ε/2 − ax(k)

The only solution in εZ s.t.x(k + 1) ∈ [−ε/2, ε/2] is u(x) = b−ax+ε/2

ε cε

the feedback law above is a quantiseddeadbeat!

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Simplified proof - I

if ∆ = ε then it is required−ε/2 − ax(k) ≤ u(k) ≤ ε/2 − ax(k)

The only solution in εZ s.t.x(k + 1) ∈ [−ε/2, ε/2] is u(x) = b−ax+ε/2

ε cε

the feedback law above is a quantiseddeadbeat!

Ingegneria dell ’Automazione - Sistemi in Tempo Reale – p.15/23

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Outline

Effects of quantisation

Parameters round-off

Ingegneria dell ’Automazione - Sistemi in Tempo Reale – p.16/23

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Parameters round-off

So far we have seen the problem ofquantization referred to Input/output data

The problem is there also for parametricuncertainties inthe controller

For example suppose you choose a controllergiven by: y(k + 1) = αy(k) + u(k)

Due to finite precision math the system wewill deal with is:y(k + 1) = (α + δα)y(k) + u(k) + ε(k)

Ingegneria dell ’Automazione - Sistemi in Tempo Reale – p.17/23

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Parameters round-off

So far we have seen the problem ofquantization referred to Input/output data

The problem is there also for parametricuncertainties inthe controller

For example suppose you choose a controllergiven by: y(k + 1) = αy(k) + u(k)

Due to finite precision math the system wewill deal with is:y(k + 1) = (α + δα)y(k) + u(k) + ε(k)

Ingegneria dell ’Automazione - Sistemi in Tempo Reale – p.18/23

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Parameters round-off - (continued)

In the example above the Z−transform thatwe get is z − α + δα

If we want to place a pole at 0.995 we need atleast a precision of three digits: δα ≤ 0.005

Robustness analysis can be conducted usingthe root-locus-Jury critterion methods

We will show a different approach based onlinearised sensitivy analysis

Ingegneria dell ’Automazione - Sistemi in Tempo Reale – p.19/23

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Linearised sensitivity analysis

Let the closed loop characteristic polynomialbe:

P = zn + α1zn−1 + . . . + αn

Let the roots of the system be: λi = riejθi

Suppose αk is subject to uncertainity and thatwe are interested in evaluating variations ofλj, that we assume to be a single root of P

The Polynomial P can be thought of as afunction of z and αk: P (z, αk)

Ingegneria dell ’Automazione - Sistemi in Tempo Reale – p.20/23

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Lin. sensitivity an. - (continued)

First order series expansion around z = λj :

P (λj + δλj , αk + δλk) ≈ P (λj , αk) + ∂P∂z

˛

˛

˛

z=λj

δλj + ∂P∂αk

δαk + . . .

Observing that P (λj , αk) = 0 we get:

δλj ≈∂P/∂αk

∂P/∂z

˛

˛

˛

˛

z=λj

δαk

Numerator:∂P

∂αk

˛

˛

˛

˛

z=λj

= λn−kj

Writing P (z, αk) = (z − λ1) . . . (z − λn), we get for the denominator:

∂P

∂z

˛

˛

˛

˛

z=λj

=Y

l6=j

(λj − λl)

Ingegneria dell ’Automazione - Sistemi in Tempo Reale – p.21/23

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Lin. sensitivity an. - (continued)

First order series expansion around z = λj :

P (λj + δλj , αk + δλk) ≈ P (λj , αk) + ∂P∂z

˛

˛

˛

z=λj

δλj + ∂P∂αk

δαk + . . .

Observing that P (λj , αk) = 0 we get:

δλj ≈∂P/∂αk

∂P/∂z

˛

˛

˛

˛

z=λj

δαk

Numerator:∂P

∂αk

˛

˛

˛

˛

z=λj

= λn−kj

Writing P (z, αk) = (z − λ1) . . . (z − λn), we get for the denominator:

∂P

∂z

˛

˛

˛

˛

z=λj

=Y

l6=j

(λj − λl)

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Lin. sensitivity an. - (continued)

First order series expansion around z = λj :

P (λj + δλj , αk + δλk) ≈ P (λj , αk) + ∂P∂z

˛

˛

˛

z=λj

δλj + ∂P∂αk

δαk + . . .

Observing that P (λj , αk) = 0 we get:

δλj ≈∂P/∂αk

∂P/∂z

˛

˛

˛

˛

z=λj

δαk

Numerator:∂P

∂αk

˛

˛

˛

˛

z=λj

= λn−kj

Writing P (z, αk) = (z − λ1) . . . (z − λn), we get for the denominator:

∂P

∂z

˛

˛

˛

˛

z=λj

=Y

l6=j

(λj − λl)

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Lin. sensitivity an. - (continued)

First order series expansion around z = λj :

P (λj + δλj , αk + δλk) ≈ P (λj , αk) + ∂P∂z

˛

˛

˛

z=λj

δλj + ∂P∂αk

δαk + . . .

Observing that P (λj , αk) = 0 we get:

δλj ≈∂P/∂αk

∂P/∂z

˛

˛

˛

˛

z=λj

δαk

Numerator:∂P

∂αk

˛

˛

˛

˛

z=λj

= λn−kj

Writing P (z, αk) = (z − λ1) . . . (z − λn), we get for the denominator:

∂P

∂z

˛

˛

˛

˛

z=λj

=Y

l6=j

(λj − λl)

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Lin. sensitivity an. - (continued)

...hence,

δλj = −

λn−kj

Q

l 6=j(λj − λl)

δαk

Consideration 1: assuming a stable λj the highest sensitivity is for n = k i.e. forthe variations of αn

Consideration 2: Looking at the denominator roots should be far apart: clustersempahsise senistivity

Ingegneria dell ’Automazione - Sistemi in Tempo Reale – p.22/23

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Lin. sensitivity an. - (continued)

...hence,

δλj = −

λn−kj

Q

l 6=j(λj − λl)

δαk

Consideration 1: assuming a stable λj the highest sensitivity is for n = k i.e. forthe variations of αn

Consideration 2: Looking at the denominator roots should be far apart: clustersempahsise senistivity

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Lin. sensitivity an. - (continued)

...hence,

δλj = −

λn−kj

Q

l 6=j(λj − λl)

δαk

Consideration 1: assuming a stable λj the highest sensitivity is for n = k i.e. forthe variations of αn

Consideration 2: Looking at the denominator roots should be far apart: clustersempahsise senistivity

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Example

Suppose we need to implement a low passfilter with sharp cutoff

we need a cluster of roots → highsensitivity for canonical implementationsit is much more convenient to use a seriesor parallel composition of low order filters(sensitivity is on one factor).

Ingegneria dell ’Automazione - Sistemi in Tempo Reale – p.23/23