Zur Theorie und Anwendung der Flachheit nichtlinearer zeitdiskreter Systeme in Zustandsdarstellung

1 Einleitung

Das von Fliess, Lévine, Martin und Rouchon 1992 eingeführte Konzept der Flachheit für nichtlineare zeitkontinuierliche Systeme [6], [7], [8] zählt unumstritten zu den wichtigsten Methoden der nichtlinearen Regelungstechnik. Flache zeitkontinuierliche Systeme besitzen die charakteristische Eigenschaft, dass alle Systemgrößen durch einen flachen Ausgang und dessen Zeitableitungen ausgedrückt werden können, welcher umgekehrt von den Systemgrößen und deren Zeitableitungen abhängt. Damit ergibt sich eine Eins-zu-eins-Korrespondenz zwischen den Trajektorien eines flachen Systems und den Trajektorien eines trivialen Systems. Das erlaubt auch für nichtlineare Systeme eine einfache Trajektorienplanung und einen systematischen Entwurf von Folgeregelungen [3], [22].

Für eine Übertragung auf zeitdiskrete Systeme gibt es im Wesentlichen zwei Möglichkeiten. Ein in der Literatur häufig gewählter Zugang besteht darin, die Zeitableitungen der Systemgrößen aus der bekannten zeitkontinuierlichen Definition durch deren Vorwärts-Shifts, d. h. zukünftige Werte, zu ersetzen [11], [13], [27]. Das führt zu einer Übereinstimmung mit der in [1] für zeitdiskrete Systeme definierten Linearisierbarkeit durch eine endogene dynamische Zustandsrückführung, welche für zeitkontinuierliche Systeme äquivalent zur Flachheit ist. Im Rahmen dieses Beitrags betrachten wir als Ausgangspunkt stattdessen die Existenz einer Eins-zu-eins-Korrespondenz zwischen den Lösungstrajektorien des Systems und Lösungstrajektorien eines trivialen Systems [5]. Dieser Zugang ist allgemeiner und erlaubt, dass der flache Ausgang sowohl von zukünftigen als auch vergangenen Werten (Rückwärts-Shifts) der Systemgrößen abhängen darf, siehe auch [10]. Den Fall ohne Rückwärts-Shifts bezeichnen wir als Vorwärts-Flachheit.

Die Motivation für eine Übertragung des Konzepts der Flachheit auf zeitdiskrete Systeme besteht aus regelungstechnischer Sicht vor allem darin, dass die bei einer physikalischen Modellbildung auftretenden Systeme zwar typischerweise zeitkontinuierlich sind, aber die hergeleiteten Regelgesetze schließlich trotzdem zeitdiskret implementiert werden müssen (siehe z. B. [16] oder [25]). Insbesondere für Anwendungsfälle, bei denen die Abtastzeit bezogen auf die Dynamik der Solltrajektorien relativ groß ist – und somit die dem Reglerentwurf zugrundeliegende Annahme, dass das Regelgesetz kontinuierlich ausgewertet wird, an ihre Grenzen stößt – bietet es sich an, den flachheitsbasierten Steuerungs- bzw. Regelungsentwurf anhand des diskretisierten Systems durchzuführen. Ideal wäre dafür natürlich eine exakte Diskretisierung, da diese die stückweise konstanten Stellgrößen eines digitalen Regelkreises perfekt berücksichtigt. Eine exakte Diskretisierung ist aber einerseits meist schwierig zu berechnen und zerstört andererseits oft die Eigenschaft der Flachheit. Dennoch gibt es Ausnahmen wie zum Beispiel die in [1] betrachtete exakte Diskretisierung eines mobilen Roboters. Besonders geeignet ist hingegen die einfache Euler-Diskretisierung, da sie in vielen Fällen die Flachheit eines zeitkontinuierlichen Systems erhält. So sind z. B. die Euler-Diskretisierungen des Laborhelikopters aus [15], des Quadrokopters aus [19], des kinematischen Fahrzeugmodells aus [22] und der Asynchronmaschine aus [2] allesamt vorwärts-flach und auch die bekannten flachen Ausgänge werden erhalten. Ein weiteres Beispiel ist das gyroskopische Pendel in Impuls-Koordinaten, dessen Euler-Diskretisierung sogar eingangs-zustands-linearisierbar ist. Darüber hinaus sind auch die Euler-Diskretisierungen diverser akademischer flacher zeitkontinuierlicher Systeme ebenfalls flach. Dass die Euler-Diskretisierung die Flachheit eines Systems aber nicht generell erhält, kann man schon im Eingrößenfall einfach mit einem Gegenbeispiel zeigen, da in diesem Fall die Eigenschaften Flachheit, Vorwärts-Flachheit und Eingangs-Zustands-Linearisierbarkeit äquivalent sind. Im Hinblick auf die numerische Stabilität kann natürlich auch eine implizite Euler-Diskretisierung sinnvoll sein. Als Beispiele, bei denen diese die Flachheit erhält, seien exemplarisch wiederum die Asynchronmaschine sowie ein hydraulisches System (siehe [17]) genannt. Bei ersterer findet man zusätzlich zum bereits aus dem zeitkontinuierlichen Fall bekannten flachen Ausgang einen weiteren vorwärts-flachen Ausgang, während letzteres System sogar eingangs-zustands-linearisierbar ist.

Auch die optimierungsbasierte Trajektorienplanung gestaltet sich einfacher als im zeitkontinuierlichen Fall. Da die zu planenden Solltrajektorien nun Folgen anstatt Zeitfunktionen sind, ergibt sich von vornherein ein endlichdimensionales Optimierungsproblem und es entfällt die Diskretisierung eines unendlichdimensionalen Funktionenraums. Entsprechend kann die Flachheit eines zeitdiskreten Systems auch im Bereich der modellprädiktiven Regelung ausgenutzt werden, siehe z. B. [18]. Darüber hinaus gibt es aber auch Anwendungen abseits der Regelungstechnik, z. B. im Gebiet der Kryptographie, siehe [10]. Aus diesem Grund betrachten wir zeitdiskrete Systeme ganz allgemein, unabhängig davon, ob sie durch Diskretisierung eines zeitkontinuierlichen Systems entstanden sind.

Der Beitrag gliedert sich wie folgt: In Abschnitt 2 diskutieren wir das Konzept der Flachheit für zeitdiskrete Systeme basierend auf der Eins-zu-eins-Korrespondenz zwischen Systemtrajektorien und Trajektorien eines trivialen Systems. In Abschnitt 3 geben wir für den Spezialfall der Vorwärts-Flachheit einen rechentechnisch effizienten Test an, der eine geradlinige Verallgemeinerung des bekannten Tests für Eingangs-Zustands-Linearisierbarkeit darstellt. In Abschnitt 4 veranschaulichen wir die vorgestellten Konzepte schließlich anhand von Beispielen. Insbesondere zeigen wir anhand der Simulation eines mobilen Roboters mit einer zeitdiskret berechneten Vorsteuerung die möglichen Vorteile des zeitdiskreten Zugangs auf.

2 Äquivalenz von Trajektorien und Flachheit zeitdiskreter Systeme

Wir betrachten in diesem Beitrag zeitdiskrete Systeme

in Zustandsdarstellung mit dim(x)=n, dim(u)=m und glatten Funktionen fi(x,u), welche die Submersivitätsbedingung

erfüllen. Die Bedingung (2) ist notwendig für die Erreichbarkeit eines zeitdiskreten Systems und folglich auch für dessen Flachheit, weshalb sie keine Einschränkung darstellt. Das ist unmittelbar ersichtlich, da im Fall rank(∂(x,u)f)<n die durch (1) repräsentierte Abbildung nicht surjektiv ist und somit nicht jeder Zustand x+ erreicht werden könnte.

Wie schon in der Einleitung angemerkt, gibt es verschiedene Ansätze, den Begriff der Flachheit vom zeitkontinuierlichen Fall auf den zeitdiskreten Fall zu übertragen. Eine Möglichkeit besteht darin, Zeitableitungen durch Vorwärts-Shifts zu ersetzen. Im Rahmen dieses Beitrags bezeichnen wir diesen Zugang als Vorwärts-Flachheit und verfolgen stattdessen einen allgemeineren Ansatz. Als Ausgangspunkt betrachten wir die zentrale Eigenschaft eines zeitkontinuierlichen Systems x˙=f(x,u), dass es eine Eins-zu-eins-Korrespondenz zwischen Systemtrajektorien (x(t),u(t)) und Trajektorien y(t) eines trivialen Systems (hinreichend glatt, aber ansonsten beliebig) mit dim(y)=dim(u) gibt. Analog dazu bezeichnen wir ein zeitdiskretes System (1) als flach, wenn es eine Eins-zu-eins-Korrespondenz zwischen den Systemtrajektorien (x(k),u(k)) und Trajektorien y(k) eines trivialen Systems (beliebige Folgen, welche keine Differenzengleichung erfüllen müssen) mit dim(y)=dim(u) gibt. Unter Eins-zu-eins-Korrespondenz verstehen wir dabei, dass x(k) und u(k) zu einem fixen Zeitschritt k von einer beliebigen, aber finiten Anzahl von zukünftigen und vergangenen Werten von y(k) abhängen dürfen, d. h. von der ganzen Trajektorie in einem beliebig großen, aber finiten Zeitintervall. Umgekehrt darf der Wert von y(k) zu einem fixen Zeitschritt k von einer beliebigen, aber finiten Anzahl von zukünftigen und vergangenen Werten von x(k) und u(k) abhängen. Die Verwendung von sowohl zukünftigen als auch vergangenen Werten erscheint auch deshalb sinnvoll, da die Zeitableitungen im zeitkontinuierlichen Fall über die Taylor-Entwicklung ja auch eine Information über die Trajektorie sowohl in Vorwärts- als auch Rückwärts-Richtung liefern.

Die Eins-zu-eins-Korrespondenz der Trajektorien kann prinzipiell durch Abbildungen der Form

und

mit geeigneten r1, r2, q1, q2 beschrieben werden. Einsetzen von (4) in (3), oder umgekehrt, muss im Sinne der Eins-zu-eins-Korrespondenz identisch erfüllte Gleichungen liefern. Weiters müssen nach Einsetzen von (3) in die Systemgleichungen (1) letztere identisch erfüllt sein, da die Lösungstrajektorien y(k) eines trivialen Systems ja beliebig sind. Da wir zeitinvariante Systeme betrachten, sind wir im Folgenden aber nur an Abbildungen (3) und (4) interessiert, welche nicht explizit vom Zeitschritt k abhängen. Weiters ist es nicht erforderlich, sowohl in (3) als auch in (4) gleichermaßen Vorwärts- und Rückwärts-Shifts zu betrachten. Durch Definition eines geeigneten Rückwärts-Shifts von y als neuer flacher Ausgang kann immer erreicht werden, dass in der Abbildung (3) nur Vorwärts-Shifts auftreten. Die Abbildungen (3) und (4) vereinfachen sich damit zu

und

Eine weitere Vereinfachung betrifft die Darstellung des flachen Ausgangs (6), da die Trajektorien des Zustands x(k) und des Eingangs u(k) nicht unabhängig voneinander sind. Mithilfe der Systemgleichungen (1) können sämtliche Vorwärts-Shifts x(k+j) der Zustandsgrößen durch x(k) und Vorwärts-Shifts u(k),…,u(k+j−1) der Eingangsgrößen ausgedrückt werden:

In Rückwärts-Richtung gelingt das mithilfe von Rückwärts-Shifts der Eingänge nur für Systeme, bei denen die Bedingung rank(∂xf)=n erfüllt ist. Wegen (2) lassen sich aber immer m Funktionen g(x,u) so finden, dass die Jacobimatrix von

regulär und somit (8) lokal invertierbar ist. Mit den Inversen

sind alle Rückwärts-Shifts x(k−j) und u(k−j) der Zustands- und Eingangsgrößen durch x(k) und Rückwärts-Shifts ζ(k−1),…,ζ(k−j) der gemäß (8) definierten Systemgrößen ζ eindeutig bestimmt:

Durch Einsetzen von (7) und (10) ergibt sich für die Abbildung (6), d. h. den flachen Ausgang, eine Darstellung der Form

Die Wahl der Funktionen g(x,u) in (8) ist nicht eindeutig, hat aber keine Auswirkung auf die Flachheit des Systems, sondern nur auf die Darstellung des flachen Ausgangs.

Um eine mathematisch präzise Definition der Flachheit zeitdiskreter Systeme formulieren zu können, benutzen wir einen Raum mit Koordinaten (…,ζ[−1],x,u,u[1],…), wobei das Subskript den entsprechenden Shift bezeichnet.^[1] Wegen (7) and (10) entspricht jeder Punkt dieses Raumes einer eindeutigen Lösungstrajektorie des Systems (1). Auf diesem Raum lässt sich nun der für eine beliebige Funktion h gemäß (8) mit

definierte Vorwärts-Shift-Operator δ einführen. Seine Inverse ist gemäß (9) durch

gegeben und wird als Rückwärts-Shift-Operator bezeichnet. Eine β-fache Anwendung von δ oder seiner Inversen wird mit δβ bzw. δ−β bezeichnet. In der folgenden Definition betrachten wir, in Übereinstimmung mit der Literatur über die exakte Linearisierung von zeitdiskreten Systemen mittels statischer oder dynamischer Zustandsrückführung, nur eine Umgebung einer Ruhelage x0=f(x0,u0), siehe z. B. [20] oder [1].^[2] Das Konzept ist aber in vielen Fällen auch dann sinnvoll anwendbar, wenn die Bedingungen in der Ruhelage selbst nicht erfüllt sind.

Es kann gezeigt werden, dass alle Vorwärts- und Rückwärts-Shifts eines flachen Ausgangs (11) funktional unabhängig sind (siehe [5]). Das wiederum garantiert die Eindeutigkeit der Abbildung (5). Diese ist außerdem eine Submersion, d. h. die Zeilen ihrer Jacobimatrix sind linear unabhängig, und hat die spezielle Form

Der Multi-Index R=(r1,…,rm) soll verdeutlichen, dass die Anzahl der auftretenden Vorwärts-Shifts der einzelnen Komponenten eines flachen Ausgangs unterschiedlich sein kann. Der Unterschied zwischen Flachheit und Vorwärts-Flachheit besteht nun lediglich darin, dass ein vorwärts-flacher Ausgang unabhängig von den Größen ζ bzw. deren Rückwärts-Shifts sein muss.

Wie bei zeitkontinuierlichen Systemen ist auch im zeitdiskreten Fall die Eigenschaft der Flachheit eng mit dem Problem der exakten Linearisierung mittels dynamischer Zustandsrückführung verknüpft. In [1] wird eine zeitdiskrete dynamische Zustandsrückführung

als endogen bezeichnet, wenn die Größen z und v als Funktionen von x, u und Vorwärts-Shifts von u ausgedrückt werden können. Dazu passend ist ein System (1) genau dann vorwärts-flach, wenn es mittels einer solchen endogenen Zustandsrückführung exakt linearisiert werden kann. In [5] wird aber gezeigt, dass auch für flache Systeme gemäß der allgemeineren Definition 1 immer eine exakt linearisierende dynamische Zustandsrückführung der Form (12) existiert, welche zwar nicht endogen im Sinne von [1] ist, aber immerhin die Eigenschaft besitzt, dass die Trajektorien des geschlossenen Kreises in einer Eins-zu-eins-Korrespondenz zu den Trajektorien des Originalsystems stehen und auch die Submersivität erhalten bleibt. Da das prinzipiell mit der aus dem zeitkontinuierlichen Fall bekannten Definition einer endogenen dynamischen Zustandsrückführung übereinstimmt, stellt sich die Frage, ob die in [1] benutzte Definition einer endogenen dynamischen Zustandsrückführung mit der Einschränkung auf Vorwärts-Shifts nicht zu restriktiv ist. Im Sinne dieses Beitrags würde sich dafür der Begriff vorwärts-endogen anbieten.

Es lässt sich zeigen, dass für lineare Systeme und nichtlineare Eingrößensysteme die Eigenschaften Flachheit, Vorwärts-Flachheit und Eingangs-Zustands-Linearisierbarkeit äquivalent sind und somit immer eine Transformation auf Brunovsky-Normalform möglich ist [5]. Die wesentliche Schwierigkeit besteht also wie bei zeitkontinuierlichen Systemen im Nachweis der Flachheit bzw. der Konstruktion von flachen Ausgängen für nichtlineare Mehrgrößensysteme. Während es für den allgemeinen Fall gemäß Definition 1 noch keine einfach verifizierbaren notwendigen und hinreichenden Bedingungen gibt, wurde dieses Problem für den Spezialfall der Vorwärts-Flachheit in [12] basierend auf Ergebnissen aus [14] vollständig gelöst. Ein alternativer Ansatz findet sich in [26]. Darüber hinaus wurde in [4] gezeigt, dass jedes vorwärts-flache System (1) mit m≤2 Eingängen durch eine Zustands- und Stellgrößentransformation sogar in eine strukturell flache Normalform gebracht werden kann.

3 Geometrische Charakterisierung von vorwärts-flachen Systemen

In diesem Abschnitt geben wir eine vollständige differentialgeometrische Charakterisierung für vorwärts-flache Systeme an. Bevor wir in Abschnitt 3.2 eine Verallgemeinerung des bekannten Tests für Eingangs-Zustands-Linearisierbarkeit (siehe [9] oder [20]) auf vorwärts-flache Systeme vorstellen, gehen wir in Abschnitt 3.1 auf die dafür benötigten mathematischen Konzepte ein.

4 Beispiele

In diesem Abschnitt veranschaulichen wir die vorgestellten Konzepte anhand von zwei Beispielen. Zuerst erklären wir die Anwendung des Tests für Vorwärts-Flachheit aus Abschnitt 3.2 nochmals mithilfe eines akademischen Beispiels. Anschließend betrachten wir ein praktisches Beispiel, welches flach aber nicht vorwärts-flach ist, und zeigen Simulationsergebnisse für eine zeitdiskret entworfene Vorsteuerung.

4.2 Mobiler Roboter

Als praktisches Beispiel betrachten wir die exakte Diskretisierung eines mobilen Roboters, welche in [1] und [21] bereits im Rahmen der Linearisierung mittels dynamischer Zustandsrückführung diskutiert wurde. Die zeitkontinuierlichen Systemgleichungen haben die Form

(30)x˙1=u1cos(x3)x˙2=u1sin(x3)x˙3=u2

und sind auch als kinematisches Einachsmodell eines Fahrzeugs bekannt. Die Zustandsgrößen x1, x2 und x3 beschreiben Position und Winkel des mobilen Roboters. Bei den Stellgrößen u1 und u2 handelt es sich um die translatorische Geschwindigkeit und die Winkelgeschwindigkeit. Eine exakte Diskretisierung des Systems (30) mit einer allgemeinen Abtastzeit T>0 durch Berechnung der Lösung für im Abtastintervall konstante Stellgrößen führt zunächst auf

(31)x1,+=x1+u1Tcosx3+u2T2sinu2T2u2T2x2,+=x2+u1Tsinx3+u2T2sinu2T2u2T2x3,+=x3+u2T,

vgl. [21] oder [28]. Durch eine anschließende Stellgrößentransformation

u¯1=2u1sinu2T2u2u¯2=x3+u2T2

erhält man das System

(32)x1,+=x1+u¯1cos(u¯2)x2,+=x2+u¯1sin(u¯2)x3,+=2u¯2−x3.

Es sei weiters angemerkt, dass für u2=0 im Grenzübergang

limu2→0sinu2T2u2T2=1

gilt und somit weder in (31) noch in der Stellgrößentransformation eine Singularität auftritt.

Zuerst wollen wir mit Algorithmus 1 nachweisen, dass das System (32) nicht vorwärts-flach ist. Dazu benötigen wir adaptierte Koordinaten (16) und treffen dafür die Wahl

θi=fi(x,u¯),i=1,…,3ξ1=u¯1ξ2=u¯2.

In diesen Koordinaten haben die Eingangs-Vektorfelder ∂u¯1 und ∂u¯2 die Form

cos(ξ2)∂θ1+sin(ξ2)∂θ2+∂ξ1

und

−ξ1sin(ξ2)∂θ1+ξ1cos(ξ2)∂θ2+2∂θ3+∂ξ2.

Für die Distribution E0=span{∂u¯1,∂u¯2} ergibt sich damit

E0=span{∂θ1−2sin(ξ2)ξ1∂θ3+cos(ξ2)∂ξ1−sin(ξ2)ξ1∂ξ2,aaaaaaa∂θ2+2cos(ξ2)ξ1∂θ3+sin(ξ2)∂ξ1+cos(ξ2)ξ1∂ξ2},

wobei bereits eine durch Linearkombinationen normierte Basis gewählt wurde. Man kann erkennen, dass es keine Linearkombination der beiden Vektorfelder gibt, welche die Form (19) hat, d. h. projizierbar ist. Somit gibt es keine nicht-triviale projizierbare Subdistribution. Wir erhalten folglich D0={0} und der Algorithmus stoppt bereits nach dem ersten Schritt mit Δ1=f∗(0)={0}.

Obwohl das System nicht vorwärts-flach ist kann man aber zeigen, dass es flach im Sinne der allgemeineren Definition 1 ist. Mit der Wahl

ζ1=x3ζ2=x1

für die Größen ζ aus (8) existiert ein flacher Ausgang^[6]

(33)y=(ζ[−1]1,x1sinζ[−1]1+x32−x2cosζ[−1]1+x32).

Die zugehörige Parametrierung der Systemgrößen hat die Form

x=Fx(y1,y2,…,y[2]1,y[1]2)u¯=Fu¯(y1,y2,…,y[3]1,y[2]2).

Durch Einsetzen dieser Parametrierung in die Inverse

u1=u¯1T(u¯2−x3)sinu¯2−x3u2=2T(u¯2−x3)

der zu Beginn benutzten Stellgrößentransformation ergibt sich die Parametrierung der ursprünglichen Stellgrößen

u=Fu(y1,y2,…,y[3]1,y[2]2).

Für T→0 gilt ζ[−1]1=x[−1]3→x3 und der flache Ausgang (33) des zeitdiskreten Systems (32) geht über in den flachen Ausgang

(34)y=(x3,x1sin(x3)−x2cos(x3))

des zeitkontinuierlichen Systems (30).

Abb. 1

Vorsteuerung basierend auf zeitkontinuierlichem System.

Abb. 2

Vorsteuerung basierend auf exakt diskretisiertem System.

Um zu verdeutlichen, dass ein Entwurf basierend auf einem diskretisierten System vorteilhaft sein kann, wurde für das zeitkontinuierliche System (30) und das exakt diskretisierte System (32) mithilfe der flachen Ausgänge (34) und (33) jeweils eine Trajektorienplanung durchgeführt. Die Abtastzeit wurde dabei wie in [21] mit T=0.5s festgelegt. Die resultierenden Vorsteuerungen wurden in einer Simulation auf das zeitkontinuierliche System (30) aufgeschaltet, wobei die zeitkontinuierlich berechnete Vorsteuerung u(t) nur zu den Abtastzeitpunkten t=kT ausgewertet und dazwischen konstant gehalten wurde. Die Ergebnisse sind in Abb. 1 und Abb. 2 dargestellt und zeigen die Trajektorie des mobilen Roboters in der Ebene. Während es durch den Effekt des Abtastens und Haltens mit der zeitkontinuierlich berechneten Vorsteuerung zu einer deutlichen Abweichung von der Solltrajektorie kommt, ist mit der zeitdiskret berechneten Vorsteuerung durch die exakte Diskretisierung erwartungsgemäß keine Abweichung erkennbar.