LQG制御…Homework
[1] 次のようなオブザーバベース・コントローラによる閉ループ系を考えます。ここで,新しい入力 と
と がそれぞれ
がそれぞれ と
と の平方根行列(
の平方根行列( に対し
に対し を満足する行列
を満足する行列 を
を で表す)により重み付けられて,
で表す)により重み付けられて, 次系の入力側(
次系の入力側( を介して)と出力側に設置されています。また新しい出力
を介して)と出力側に設置されています。また新しい出力 と入力
と入力 が取り出されており,それぞれ
が取り出されており,それぞれ と
と の平方根行列により重み付けられています。
の平方根行列により重み付けられています。
 図1 LQG制御系設計の枠組み
図1 LQG制御系設計の枠組み
可制御かつ可観測な制御対象

を安定化するオブザーバベース・コントローラ

を2次形式評価関数

を最小にするように、 と
と を決定する問題を考えます。これらは
を決定する問題を考えます。これらは


を満足する と
と を用いて、次のように与えられます。
を用いて、次のように与えられます。


このような制御方式をLQG制御と呼びます。
[2] 上の安定な閉ループ系は次式で表されます。
![Rendered by QuickLaTeX.com \displaystyle{(8)\quad \boxed{\begin{array}{l} \left[\begin{array}{cc} \dot{x}(t) \\ \dot{\hat{x}}(t) \end{array}\right]= \underbrace{ \left[\begin{array}{cc} A & -BF \\ HC&A-HC-BF \end{array}\right] }_{A_{CL1}} \left[\begin{array}{cc} {x}(t) \\ \hat{x}(t) \end{array}\right] + \underbrace{ \left[\begin{array}{cc} B'W^{\frac{1}{2}} & 0 \\ 0 & HV^{\frac{1}{2}} \end{array}\right] }_{B_{CL1}} \left[\begin{array}{cc} {w}(t) \\ {v}(t) \end{array}\right]\\ \left[\begin{array}{cc} {y'}(t) \\ {u'}(t) \end{array}\right] = \underbrace{ \left[\begin{array}{cc} Q^{\frac{1}{2}}C' & 0 \\ 0 & -R^{\frac{1}{2}}F \end{array}\right] }_{C_{CL1}} \left[\begin{array}{cc} {x}(t) \\ \hat{x}(t) \end{array}\right] \end{array}} }](https://cacsd1.sakura.ne.jp/wp/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-6e6de0ac1c24534b05d96168f970e1fc_l3.png)
これに座標変換
![Rendered by QuickLaTeX.com \displaystyle{(9)\quad \left[\begin{array}{cc} {x}(t) \\ {e}(t) \end{array}\right] = \left[\begin{array}{cc} I_n & 0 \\ -I_n & I_n \end{array}\right] \left[\begin{array}{cc} {x}(t) \\ \hat{x}(t) \end{array}\right],\quad \left[\begin{array}{cc} {x}(t) \\ \hat{x}(t) \end{array}\right] = \left[\begin{array}{cc} I_n & 0 \\ I_n & I_n \end{array}\right] \left[\begin{array}{cc} {x}(t) \\ {e}(t) \end{array}\right] }](https://cacsd1.sakura.ne.jp/wp/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-bb7049a7cc5166c82d5c181991549469_l3.png)
を行うと
![Rendered by QuickLaTeX.com \displaystyle{(10)\quad \boxed{\begin{array}{l} \left[\begin{array}{cc} \dot{x}(t) \\ \dot{e}(t) \end{array}\right]= \underbrace{ \left[\begin{array}{cc} A-BF & -BF \\ 0 & A-HC \end{array}\right] }_{A_{CL2}} \left[\begin{array}{cc} {x}(t) \\ {e}(t) \end{array}\right] +\underbrace{ \left[\begin{array}{cc} B'W^{\frac{1}{2}} & 0 \\ -B'W^{\frac{1}{2}} & HV^{\frac{1}{2}} \end{array}\right] }_{B_{CL2}} \left[\begin{array}{cc} {w}(t) \\ {v}(t) \end{array}\right]\\ \left[\begin{array}{cc} {y'}(t) \\ {u'}(t) \end{array}\right] = \underbrace{ \left[\begin{array}{cc} Q^{\frac{1}{2}}C' & 0 \\ -R^{\frac{1}{2}}F & -R^{\frac{1}{2}}F \end{array}\right] }_{C_{CL2}} \left[\begin{array}{cc} {x}(t) \\ {e}(t) \end{array}\right] \end{array}} }](https://cacsd1.sakura.ne.jp/wp/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-81a989326d7d4a34c5752f6aecf84dec_l3.png)
となります。このとき閉ループ系のインパルス応答は次式で与えられます。

● に対して、評価関数
に対して、評価関数 の総和は次式で与えられます。
の総和は次式で与えられます。

ここで は次式を満足します。
は次式を満足します。

ラグランジュの未定定数法を適用するために、次の評価関数を考えます。

これを最小化する場合の必要条件は、次式となります。

以下では、次の分割を考えます。
![Rendered by QuickLaTeX.com \displaystyle{(16)\quad \Pi=\left[\begin{array}{cc} \Pi_{1}&\Pi_{3} \\ \Pi_{3}^T&\Pi_{2} \end{array}\right],\ \Gamma=\left[\begin{array}{cc} \Gamma_{1}&\Gamma_{3} \\ \Gamma_{3}^T&\Gamma_{2} \end{array}\right] }](https://cacsd1.sakura.ne.jp/wp/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-7b961abb8a451e8e33cf0c9b521e32b9_l3.png)
[3]  の場合について、必要条件を一つ一つ調べていきます。
の場合について、必要条件を一つ一つ調べていきます。
●

において
![Rendered by QuickLaTeX.com \displaystyle{(18)\quad \begin{array}{l} \Pi A_{CL1}= \left[\begin{array}{cc} \Pi_{1}&\Pi_{3} \\ \Pi_{3}^T&\Pi_{2} \end{array}\right] \left[\begin{array}{cc} A & -BF \\ HC&A-HC-BF \end{array}\right]\\ = \left[\begin{array}{cc} \Pi_{1}A+\Pi_{3}HC & -\Pi_{1}BF+\Pi_{3}(A-HC-BF)\\ \Pi_{3}^TA+\Pi_{2}HC & -\Pi_{3}^TBF+\Pi_{2}(A-HC-BF) \end{array}\right] \end{array} }](https://cacsd1.sakura.ne.jp/wp/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-c429aa33a0e5684bc85b0263996ad5ef_l3.png)
![Rendered by QuickLaTeX.com \displaystyle{(19)\quad \begin{array}{l} A_{CL1}^T\Pi =(\Pi A_{CL1})^T\\ =\left[\begin{array}{cc} A^T\Pi_{1}+C^TH^T\Pi_{3}^T&\\ -F^TB^T\Pi_{1}+(A-HC-BF)^T\Pi_{3}^T & \end{array}\right.\\ \left.\begin{array}{cc} A^T\Pi_{3}+C^TH^T\Pi_{2}\\ -F^TB^T\Pi_{3}+(A-HC-BF)^T\Pi_{2} \end{array}\right] \end{array} }](https://cacsd1.sakura.ne.jp/wp/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-c914ac5d6ae500873c120fe9e3c82eef_l3.png)
![Rendered by QuickLaTeX.com \displaystyle{(20)\quad Q_{CL1}= \left[\begin{array}{cc} C'^TQC' & 0 \\ 0 & F^TRF \end{array}\right] }](https://cacsd1.sakura.ne.jp/wp/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-d47eaea96bbf5c5b6cf9c2a96be21f67_l3.png)
を代入して、次を得ます。



(22)+(23)より

(23)より

(21)+(22)より


●

において
![Rendered by QuickLaTeX.com \displaystyle{(29)\quad \begin{array}{l} A_{CL1}\Gamma= \left[\begin{array}{cc} A & -BF \\ HC&A-HC-BF \end{array}\right] \left[\begin{array}{cc} \Gamma_{1}&\Gamma_{3} \\ \Gamma_{3}^T&\Gamma_{2} \end{array}\right]\\ =\left[\begin{array}{cc} A\Gamma_{1} -BF\Gamma_{3}^T &A\Gamma_{3} -BF\Gamma_{2}\\ HC\Gamma_{1}+(A-HC-BF)\Gamma_{3}^T &HC\Gamma_{3}+(A-HC-BF)\Gamma_{2} \end{array}\right] \end{array} }](https://cacsd1.sakura.ne.jp/wp/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-b5efbe327872da02c0cdae613082e8a5_l3.png)
![Rendered by QuickLaTeX.com \displaystyle{(30)\quad \begin{array}{l} \Gamma A_{CL1}^T =(A_{CL1}\Gamma)^T\\ =\left[\begin{array}{cc} \Gamma_{1}A^T -\Gamma_{3}F^TB^T & \Gamma_{1}C^TH^T+\Gamma_{3}(A-HC-BF)^T\\ \Gamma_{3}^TA^T -\Gamma_{2}F^TB^T & \Gamma_{3}^TC^TH^T+\Gamma_{2}(A-HC-BF)^T \end{array}\right] \end{array} }](https://cacsd1.sakura.ne.jp/wp/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-166202eb44f8bebfc11fcdbb0cf09ab8_l3.png)
![Rendered by QuickLaTeX.com \displaystyle{(31)\quad B_{CL1}B_{CL1}^T =\left[\begin{array}{cc} B'WB'^T & 0 \\ 0 & HVH^T \end{array}\right] }](https://cacsd1.sakura.ne.jp/wp/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-81f78e8fb4bff67c14ad39d131669ef6_l3.png)
を代入して、次を得ます。



(33)-(34)より

(34)より

(32)-(33)より


●準備1
![Rendered by QuickLaTeX.com \displaystyle{(39)\quad \Pi B_{CL1}B_{CL1}^T= \left[\begin{array}{cc} \Pi_{1}&\Pi_{3} \\ \Pi_{3}^T&\Pi_{2} \end{array}\right] \left[\begin{array}{cc} B'WB'^T & 0 \\ 0 & HVH^T \end{array}\right] }](https://cacsd1.sakura.ne.jp/wp/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-630cbebc4ca877c9ec8b0470b7431044_l3.png)
 (1)    


●準備2
![Rendered by QuickLaTeX.com \displaystyle{(42)\quad \begin{array}{l} \Pi A_{CL1}\Gamma= \left[\begin{array}{cc} \Pi_{1}&\Pi_{3} \\ \Pi_{3}^T&\Pi_{2} \end{array}\right] \left[\begin{array}{cc} A & -BF \\ HC&A-HC-BF \end{array}\right] \Gamma\\ =\left[\begin{array}{cc} \Pi_{1}A+\Pi_{3}HC & -\Pi_{1}BF+\Pi_{3}(A-HC-BF)\\ \Pi_{3}^TA+\Pi_{2}HC & -\Pi_{3}^TBF+\Pi_{2}(A-HC-BF) \end{array}\right] \left[\begin{array}{cc} \Gamma_{1}&\Gamma_{3} \\ \Gamma_{3}^T&\Gamma_{2} \end{array}\right] \end{array} }](https://cacsd1.sakura.ne.jp/wp/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-5cf2147ab153e0a23d8488f0452990da_l3.png)



●準備3
![Rendered by QuickLaTeX.com \displaystyle{(46)\quad \begin{array}{l} A_{CL1}^T\Pi\Gamma=(\Pi A_{CL1})^T\Gamma=\\ \left[\begin{array}{cc} A^T\Pi_{1}+C^TH^T\Pi_{3}^T&\\ -F^TB^T\Pi_{1}+(A-HC-BF)^T\Pi_{3}^T & \end{array}\right.\\ \left.\begin{array}{cc} A^T\Pi_{3}+C^TH^T\Pi_{2}\\ -F^TB^T\Pi_{3}+(A-HC-BF)^T\Pi_{2} \end{array}\right] \left[\begin{array}{cc} \Gamma_{1}&\Gamma_{3} \\ \Gamma_{3}^T&\Gamma_{2} \end{array}\right] \end{array} }](https://cacsd1.sakura.ne.jp/wp/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-98094a2e6a48cf9f59754bbc5f21fdef_l3.png)



●準備4
![Rendered by QuickLaTeX.com \displaystyle{(50)\quad Q_{CL1}^T\Gamma= \left[\begin{array}{cc} C^TQC & 0 \\ 0 & F^TRF \end{array}\right] \left[\begin{array}{cc} \Gamma_{1}&\Gamma_{3} \\ \Gamma_{3}^T&\Gamma_{2} \end{array}\right] }](https://cacsd1.sakura.ne.jp/wp/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-06a33935bb96e50dc7117057aec13c10_l3.png)


●

●

補遺 上述の議論では、次についての検討が必要です。
検討事項1 (13)の妥当性
検討事項2 (24),(35)における仮定の妥当性
検討事項3  の場合の導出
の場合の導出
検討事項4 十分性の証明