2247:
1527:
2242:{\displaystyle {\begin{aligned}{\dot {P}}(t)={}&A(t)P(t)+P(t)A'(t)-P(t)C'(t)W^{-1}(t)C(t)P(t)+V(t)\\&{}+\tau _{\perp }(t)P(t)C'(t)W^{-1}(t)C(t)P(t)\tau '_{\perp }(t),\\P(0)={}&E\left({\mathbf {x} }(0){\mathbf {x} }'(0)\right),\\&{}-{\dot {S}}(t)=A'(t)S(t)+S(t)A(t)-S(t)B(t)R^{-1}(t)B'(t)S(t)+Q(t)\\&{}+\tau '_{\perp }(t)S(t)B(t)R^{-1}(t)B'(t)S(t)\tau _{\perp }(t),\end{aligned}}}
7299:
562:
6294:
6785:
3526:
7595:
8692:
7854:
59:(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 to solve the associated optimal projection equations.
261:
872:
3751:
6979:
9474:
8055:
5481:
5219:
5822:
4460:
3135:
2764:
3261:
5954:
7602:
6463:
9608:
7306:
8993:
8394:
6958:
8188:
557:{\displaystyle {\dot {\hat {\mathbf {x} }}}_{r}(t)=A_{r}(t){\hat {\mathbf {x} }}_{r}(t)+B_{r}(t){\mathbf {u} }(t)+K_{r}(t)\left({\mathbf {y} }(t)-C_{r}(t){\hat {\mathbf {x} }}_{r}(t)\right),{\hat {\mathbf {x} }}_{r}(0)={\mathbf {x} }_{r}(0),}
8838:
6449:
3894:
671:
51:. 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.
54:
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
7294:{\displaystyle P_{i+1}=A_{i}\left(P_{i}-P_{i}C'_{i}\left(C_{i}P_{i}C'_{i}+W_{i}\right)^{-1}C_{i}P_{i}\right)A'_{i}+V_{i}+\tau _{\perp i+1}\Psi _{i}^{1}\tau '_{\perp i+1},P_{0}=E\left({\mathbf {x} }_{0}{\mathbf {x'} }_{0}\right)}
3535:
1532:
5569:
7861:
966:
656:
9287:
9216:
1115:
9071:
4930:
4767:
9499:
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.
5008:
4681:
8278:
5230:
196:
5577:
4568:
4068:
3521:{\displaystyle {\dot {\hat {P}}}(t)=1/2\left(\tau (t)\Psi _{1}(t)+\Psi _{1}(t)\tau '(t)\right),{\hat {P}}(0)=E({\mathbf {x} }(0))E({\mathbf {x} }(0))',\operatorname {rank} ({\hat {P}}(t))=n_{r}}
3240:
2869:
6289:{\displaystyle \Psi _{i}^{1}=\left(A_{i}-B_{i}(B'_{i}S_{i+1}B_{i}+R_{i})^{-1}B'_{i}S_{i+1}A_{i})\right){\hat {P}}_{i}\left(A_{i}-B_{i}(B'_{i}S_{i+1}B_{i}+R_{i})^{-1}B'_{i}S_{i+1}A_{i})\right)'}
2394:
7849:{\displaystyle {\hat {P}}_{i+1}=1/2(\tau _{i+1}\Psi _{i}^{1}+\Psi _{i}^{1}\tau '_{i+1}),{\hat {P}}_{0}=E({\mathbf {x} }(0))E({\mathbf {x} }(0))',\operatorname {rank} ({\hat {P}}_{i})=n_{r}}
8350:
9275:
6780:{\displaystyle \Psi _{i+1}^{2}=\left(A_{i}-A_{i}P_{i}C'_{i}(C_{i}P_{i}C'_{i}+W_{i})^{-1}C_{i}\right)'{\hat {S}}_{i+1}\left(A_{i}-A_{i}P_{i}C'_{i}(C_{i}P_{i}C'_{i}+W_{i})^{-1}C_{i}\right)}
121:
4204:
4993:
4156:
2883:
2512:
1198:
9687:
250:
7590:{\displaystyle S_{i}=A'_{i}\left(S_{i+1}-S_{i+1}B_{i}\left(B'_{i}S_{i+1}B_{i}+R_{i}\right)^{-1}B'_{i}S_{i+1}\right)A_{i}+Q_{i}+\tau '_{\perp i}\Psi _{i+1}^{2}\tau _{\perp i},S_{N}=F}
8386:
1386:
4196:
1238:
3966:
9751:
8687:{\displaystyle F_{i}^{r}=H_{i+1}\left(A_{i}-P_{i}C'_{i}\left(C_{i}P_{i}C'_{i}+W_{i}\right)^{-1}C_{i}-B_{i}\left(B'_{i}S_{i+1}B_{i}+R_{i}\right)^{-1}B'_{i}S_{i+1}\right)G'_{i},}
1430:
1472:
9768:
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".
9114:
8067:
5942:
2431:
4814:
2463:
47:, 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
2496:
1392:
constitute four matrix differential equations. The first two equations listed below are generalizations of the matrix
Riccati differential equations associated to the
1278:
5863:
2324:
2288:
867:{\displaystyle {\dot {\hat {\mathbf {x} }}}_{r}(t)=F_{r}(t){\hat {\mathbf {x} }}_{r}(t)+K_{r}(t){\mathbf {y} }(t),{\hat {\mathbf {x} }}_{r}(0)={\mathbf {x} }_{r}(0),}
9795:
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".
3763:
1332:
1499:
9730:
Van
Willigenburg L.G.; De Koning W.L. (1999). "Optimal reduced-order compensators for time-varying discrete-time systems with deterministic and white parameters".
9497:
5889:
1519:
1298:
8846:
6795:
8700:
3746:{\displaystyle -{\dot {\hat {S}}}(t)=1/2\left(\tau '(t)\Psi _{2}(t)+\Psi _{2}(t)\tau (t)\right),{\hat {S}}(T)=0,\operatorname {rank} ({\hat {S}}(t))=n_{r}}
9511:(discrete-time systems with time-varying dimensions). Such systems arise in the case of digital controller design if the sampling occurs asynchronously.
5002:
can be stated in many different ways that are all equivalent. To identify the equivalent representations the following identities are especially useful:
9567:
6304:
8050:{\displaystyle {\hat {S}}_{i}=1/2(\tau '_{i}\Psi _{i+1}^{2}+\Psi _{i+1}^{2}\tau _{i}),{\hat {S}}_{N}=0,\operatorname {rank} ({\hat {S}}_{i})=n_{r}}
9469:{\displaystyle \tau _{i}{\hat {P}}_{i}={\hat {P}}_{i}\tau '_{i}={\hat {P}}_{i},\tau '_{i}{\hat {S}}_{i}={\hat {S}}_{i}\tau _{i}={\hat {S}}_{i}}
880:
570:
5489:
9666:
Van
Willigenburg L.G.; De Koning W.L. (2000). "Numerical algorithms and issues concerning the discrete-time optimal projection equations".
977:
9001:
25:
9748:
9684:
5214:{\displaystyle \tau (t){\hat {P}}(t)={\hat {P}}(t)\tau '(t)={\hat {P}}(t),\tau '(t){\hat {S}}(t)={\hat {S}}(t)\tau (t)={\hat {S}}(t)}
4689:
5908:
2397:
1393:
662:
73:
32:
9122:
5476:{\displaystyle {\dot {P}}(t)=A(t)P(t)+P(t)A'(t)-P(t)C'(t)W^{-1}(t)C(t)P(t)+V(t)+\tau _{\perp }(t)\Psi _{1}(t)\tau '_{\perp }(t),}
3972:
8199:
5817:{\displaystyle -{\dot {S}}(t)=A'(t)S(t)+S(t)A(t)-S(t)B(t)R^{-1}(t)B'(t)S(t)+Q(t)+\tau '_{\perp }\Psi _{2}(t)\tau _{\perp }(t),}
126:
4822:
3981:
44:
2329:
4576:
9837:
4468:
2506:. To state the additional two matrix differential equations it is convenient to introduce the following two matrices:
9479:
As in the continuous-time case if all the matrices in the problem formulation are time-invariant and if the horizon
4455:{\displaystyle F_{r}(t)=H(t)\left(A(t)-P(t)C'(t)W^{-1}(t)C(t)-B(t)R^{-1}(t)B'(t)S(t)\right)G(t)+{\dot {H}}(t)G'(t),}
3145:
2774:
9704:
Athans M. (1971). "The role and use of the stochastic linear-quadratic-Gaussian problem in control system design".
8287:
3130:{\displaystyle \Psi _{2}(t)=(A(t)-P(t)C'(t)W^{-1}(t)C(t))'{\hat {S}}(t)+{\hat {S}}(t)(A(t)-P(t)C'(t)W^{-1}(t)C(t))}
2759:{\displaystyle \Psi _{1}(t)=(A(t)-B(t)R^{-1}(t)B'(t)S(t)){\hat {P}}(t)+{\hat {P}}(t)(A(t)-B(t)R^{-1}(t)B'(t)S(t))'}
9225:
5224:
Using these identities one may for instance rewrite the first two of the optimal projection equations as follows:
79:
4939:
4081:
1123:
9827:
201:
123:
represent the state of the reduced-order LQG controller. Then the only difference is that the state dimension
9832:
9530:
Hyland D.C; Bernstein D.S. (1984). "The optimal projection equations for fixed order dynamic compensation".
8355:
1337:
4161:
1203:
3909:
2396:
and the two equations above become the uncoupled matrix
Riccati differential equations associated to the
5871:
If all the matrices in the reduced-order LQG problem formulation are time-invariant and if the horizon
1399:
9582:
8183:{\displaystyle \tau _{i}={\hat {P}}_{i}{\hat {S}}_{i}\left({\hat {P}}_{i}{\hat {S}}_{i}\right)^{*}.}
1435:
9568:"The optimal projection equations for reduced-order discrete-time modeling estimation and control"
9079:
5891:
tends to infinity, the optimal reduced-order LQG controller becomes time-invariant and so do the
5914:
2403:
9632:
Haddad W.M.; Tadmor G. (1993). "Reduced-order LQG controllers for linear time-varying plants".
4775:
3889:{\displaystyle \tau (t)={\hat {P}}(t){\hat {S}}(t)\left({\hat {P}}(t){\hat {S}}(t)\right)^{*}.}
2436:
2472:
1254:
5830:
2296:
2255:
9804:
9777:
9739:
9709:
9675:
9641:
9598:
9590:
9543:
9535:
1307:
1477:
9755:
9691:
48:
36:
9586:
8988:{\displaystyle L_{i}^{r}=\left(B'_{i}S_{i+1}B_{i}+R_{i}\right)^{-1}B'_{i}S_{i+1}G'_{i},}
9482:
5907:
Similar to the continuous-time case, in the discrete-time case the difference with the
5874:
5868:
This representation is both relatively simple and suitable for numerical computations.
3900:
1504:
1283:
17:
9743:
9679:
6953:{\displaystyle {}+A'_{i}S_{i+1}B_{i}(B'_{i}S_{i+1}B_{i}+R_{i})^{-1}B'_{i}S_{i+1}A_{i}}
9821:
9645:
8833:{\displaystyle K_{i}^{r}=H_{i+1}P_{i}C'_{i}\left(C_{i}P_{i}C'_{i}+W_{i}\right)^{-1},}
40:
665:. For the reduced-order LQG control problem it is convenient to rewrite them as
6444:{\displaystyle {}+A_{i}P_{i}C'_{i}(C_{i}P_{i}C'_{i}+W_{i})^{-1}C_{i}P_{i}A'_{i}}
9781:
2498:
is determined from two additional matrix differential equations which involve
9713:
9539:
2502:. Together with the previous two matrix differential equations these are the
661:
These equations are deliberately stated in a format that equals that of the
255:
The reduced-order LQG controller is represented by the following equations:
5944:
of the LQG controller state dimension. As in continuous-time, to state the
9603:
9548:
3251:
Then the two additional matrix differential equations that complete the
961:{\displaystyle {\mathbf {u} }(t)=-L_{r}(t){\hat {\mathbf {x} }}_{r}(t),}
651:{\displaystyle {\mathbf {u} }(t)=-L_{r}(t){\hat {\mathbf {x} }}_{r}(t).}
5564:{\displaystyle P(0)=E\left({\mathbf {x} }(0){\mathbf {x} }'(0)\right),}
9808:
9594:
1240:
of the reduced-order LQG controller are determined by the so-called
1110:{\displaystyle F_{r}(t)=A_{r}(t)-B_{r}(t)L_{r}(t)-K_{r}(t)C_{r}(t).}
9066:{\displaystyle {\mathbf {x} }_{0}^{r}=H_{0}E({\mathbf {x} }_{0}).}
2293:
If the dimension of the LQG controller is not reduced, that is if
72:
The reduced-order LQG control problem is almost identical to the
4762:{\displaystyle {\mathbf {x} }_{r}(0)=H(0)E({\mathbf {x} }(0)).}
5895:. In that case the derivatives on the left hand side of the
9211:{\displaystyle G'_{i}H_{i}=\tau _{i},G_{i}H'_{i}=I_{n_{r}}}
198:
of the LQG controller is a-priori fixed to be smaller than
5948:
it is convenient to introduce the following two matrices:
4078:
that determines the reduced-order LQG controller matrices
8273:{\displaystyle P_{i},S_{i},{\hat {P}}_{i},{\hat {S}}_{i}}
9222:
They can be obtained from a projective factorization of
4936:
They can be obtained from a projective factorization of
2433:
the two equations are coupled by the oblique projection
1304:. The rank of this matrix is almost everywhere equal to
191:{\displaystyle n_{r}=dim({\hat {\mathbf {x} }}_{r}(t))}
4925:{\displaystyle G'(t)H(t)=\tau (t),G(t)H'(t)=I_{n_{r}}}
2465:
This reveals why the reduced-order LQG problem is not
9485:
9290:
9228:
9125:
9082:
9004:
8849:
8703:
8397:
8358:
8290:
8202:
8070:
7864:
7605:
7309:
6982:
6798:
6466:
6307:
5957:
5917:
5877:
5833:
5580:
5492:
5233:
5011:
4942:
4825:
4778:
4692:
4579:
4471:
4207:
4164:
4084:
4063:{\displaystyle P(t),S(t),{\hat {P}}(t),{\hat {S}}(t)}
3984:
3912:
3766:
3538:
3264:
3148:
2886:
2777:
2515:
2475:
2439:
2406:
2332:
2299:
2258:
1530:
1507:
1480:
1438:
1402:
1340:
1310:
1286:
1257:
1206:
1126:
980:
883:
674:
573:
264:
204:
129:
82:
8284:
determine the reduced-order LQG controller matrices
1334:
The associated projection is an oblique projection:
28:
for a locally optimal reduced-order LQG controller.
9491:
9468:
9269:
9210:
9108:
9065:
8987:
8832:
8686:
8380:
8344:
8272:
8182:
8049:
7848:
7589:
7293:
6952:
6779:
6443:
6288:
5936:
5883:
5857:
5816:
5563:
5475:
5213:
4987:
4924:
4808:
4761:
4675:
4562:
4454:
4190:
4150:
4062:
3960:
3888:
3745:
3520:
3234:
3129:
2863:
2758:
2490:
2457:
2425:
2389:{\displaystyle \tau (t)=I_{n},\tau _{\perp }(t)=0}
2388:
2318:
2282:
2241:
1513:
1493:
1466:
1424:
1380:
1326:
1292:
1272:
1232:
1192:
1109:
960:
866:
650:
556:
244:
190:
115:
5909:conventional discrete-time full-order LQG problem
4676:{\displaystyle L_{r}(t)=R^{-1}(t)B'(t)S(t)G'(t),}
9749:Associated software download from Matlab Central
9685:Associated software download from Matlab Central
9566:Bernstein D.S.; Davis L.D.; Hyland D.C. (1986).
9281:the following identities are especially useful:
9277:. To identify equivalent representations of the
9116:are two matrices with the following properties:
4816:are two matrices with the following properties:
4563:{\displaystyle K_{r}(t)=H(t)P(t)C'(t)W^{-1}(t),}
3899:Here * denotes the group generalized inverse or
252:, the state dimension of the controlled system.
33:linear-quadratic-Gaussian (LQG) control problem
3235:{\displaystyle {}+S(t)B(t)R^{-1}(t)B'(t)S(t).}
2864:{\displaystyle {}+P(t)C'(t)W^{-1}(t)C(t)P(t),}
8345:{\displaystyle F_{i}^{r},K_{i}^{r},L_{i}^{r}}
63:Mathematical problem formulation and solution
8:
9270:{\displaystyle {\hat {P}}_{i}{\hat {S}}_{i}}
116:{\displaystyle {\hat {\mathbf {x} }}_{r}(t)}
9509:variable state, input and output dimensions
74:conventional full-order LQG control problem
9797:Journal of Guidance, Control, and Dynamics
9575:Journal of Guidance, Control, and Dynamics
8061:The oblique projection matrix is given by
4988:{\displaystyle {\hat {P}}(t){\hat {S}}(t)}
4151:{\displaystyle F_{r}(t),K_{r}(t),L_{r}(t)}
1193:{\displaystyle F_{r}(t),K_{r}(t),L_{r}(t)}
9627:
9625:
9602:
9547:
9507:apply also to discrete-time systems with
9484:
9460:
9449:
9448:
9438:
9428:
9417:
9416:
9406:
9395:
9394:
9384:
9371:
9360:
9359:
9346:
9336:
9325:
9324:
9314:
9303:
9302:
9295:
9289:
9261:
9250:
9249:
9242:
9231:
9230:
9227:
9200:
9195:
9179:
9169:
9156:
9143:
9130:
9124:
9100:
9087:
9081:
9051:
9045:
9044:
9031:
9018:
9013:
9007:
9006:
9003:
8973:
8957:
8944:
8931:
8920:
8907:
8891:
8878:
8859:
8854:
8848:
8818:
8807:
8791:
8781:
8771:
8752:
8742:
8726:
8713:
8708:
8702:
8672:
8651:
8638:
8625:
8614:
8601:
8585:
8572:
8556:
8543:
8530:
8519:
8503:
8493:
8483:
8464:
8454:
8441:
8420:
8407:
8402:
8396:
8372:
8367:
8361:
8360:
8357:
8336:
8331:
8318:
8313:
8300:
8295:
8289:
8264:
8253:
8252:
8242:
8231:
8230:
8220:
8207:
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8171:
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