• Nem Talált Eredményt

6.2 Publications

6.2.1 Publications directly related to this thesis

The results of this thesis were presented at conferences and published or accepted

in journals and research reports as follows (in parenthesis the relevant Thesis is

indicated):

Journal papers

[P1] E. Weyer, G. Szederkényi, and K. M. Hangos. Grey box fault detection of

heat exchangers. Control Engineering Practice 8:121-131, 2000. (Thesis 1)

[P2] G.Szederkényi, M. Kovács, and K.M. Hangos. Reachabilityof nonlinear

fed-batch fermentation processes. International Journal of Robust and Nonlinear

Control, inprint,2002. (Thesis 2)

[P3] G. Szederkényi, N. R. Kristensen, K. M. Hangos and S. B. Jorgensen.

Non-linearanalysisand controlofacontinuousbioreactor. Computers &Chemical

Engineering,in print,2002. (Thesis 3)

systems. AIChE Journal, 47:1819-1831,2001. (Thesis 4)

Conference papers

[P5] G.Szederkényi,E.Weyer,andK.M.Hangos. Simulataneousfaultdetectionof

heat exchangers. In Proc. of the IFACWorkshop on Fault Detection and

Su-pervision inthe ChemicalProcess Industries,P.S.Dhurjati,S.Cauvin (Eds.),

(Lyon, France),pp. 1-6, June 1998. (Thesis 1)

[P6] K. M. Hangos and G. Szederkényi. Grey box process modeling for fault

de-tectionand isolation. InProc. ofthe EuropeanControlConference(ECC'99),

(Karlsruhe,Germany),(on CD),Aug. 1999. (Thesis 1)

[P7] L. Tesar, G. Dolanc, G. Szederkényi, J. Kadlec, D. Juricic, K. M. Hangos,

andM. Kinnaert. A toolbox formodel-based faultdetection and isolation. In

Proc. of the European Control Conference (ECC'99), (Karlsruhe, Germany),

(on CD),Aug. 1999. (Thesis 1)

[P8] K.M.Hangos,J.BokorandG.Szederkényi. Greyboxcharacterizationof

non-linearprocess systems. In Proc. of the 9th NordicProcess Control Workshop,

(Copenhagen, Denmark), pp. 89-106,Jan. 2000. (Thesis 2)

[P9] G. Szederkényi, N. R. Kristensen, K. M. Hangos, and S. B. Jorgensen.

Non-linear analysis and control of a continuous fermentation process. In Proc.

of the 11th European Symposium on Computer Aided Process Engineering

(ESCAPE-11),R.Gani,S.B.Jorgensen (Eds.),(Kolding,Denmark), pp.

787-792 May 2001. (Thesis 2, Thesis 3)

[P10] G. Szederkényi, K. M. Hangos, J. Bokor, and T. Vámos. Linear output

selectionforfeedbacklinearization. InProc. ofthe15thIFACWorldCongress

on Automatic Control, (Barcelona, Spain),accepted, July 2002. (Thesis 3)

Research reports

[P11] G. Szederkényi. Simultaneous fault detection of heat exchangers. Research

report of the Systems and Control Laboratory SCL-5-1998. Budapest, MTA

SZTAKI, 1998. 39p. (Thesis 1)

[P12] K. M. Hangos, G. Szederkényi, and J. Bokor. Grey box characterization

of nonlinear process systems. Research report of the Systems and Control

LaboratorySCL-1-1999. Budapest, MTA SZTAKI, 1999. 17 p. (Thesis 2)

[P13] K.M.Hangos, J.Bokor,and G.Szederkényi. Analysisand controlof

nonlin-ear process systems. Research report of the Systems and Control Laboratory

SCL-3-2000. Budapest, MTA SZTAKI, 2000. 115 p. (Thesis 2)

[P14] G. Szederkényi. Analysis and control of nonlinear fermentation processes.

ResearchreportoftheSystemsandControlLaboratorySCL-1-2001. Budapest,

MTA SZTAKI, 2001. 53 p. (Thesis 3)

Publications partially related to this thesis but primarily used in another Ph.D.

work are the following

[P15] P. Ailer, I. Sánta, G. Szederkényi, and K. M. Hangos. Nonlinear

model-buildingof a lowpower gas turbine. Periodica Polytechnica, inprint,2002.

[P16] P.Ailer,G.Szederkényi,andK.M.Hangos. Parameterestimationandmodel

validationof a lowpower gas turbine. In Proc. of the IASTEDInternational

Conference on Modeling, Identication and Control (MIC'2002), (Innsbruck,

Austria),accepted, Feb. 2002.

[P17] P. Ailer, G.Szederkényi, and K. M. Hangos. Model-based nonlinear control

of a low power gas turbine. In Proc. of the 15th IFAC World Congress on

Automatic Control, (Barcelona, Spain),accepted, July 2002.

Other publicationsnot connected to the topic of this thesis are as follows

[O1] Hangos Katalin, Szederkényi Gábor. Dinamikus rendszerek paramétereinek

becslése. (Lecture notes) Veszprém, Veszprémi Egyetemi Kiadó, 1999. 99 p.

[O2] Hangos Katalin,BokorJózsef, Szederkényi Gábor. Computer Controlled

Sys-tems-2ndeditionwithexamples. (Lecturenotes)Veszprém,VeszprémiEgyetemi

Kiadó,2002. 135 p.

[O3] J. Nacsa, G. L. Kovács, and G. Szederkényi. Intelligent alert state

detec-tion andswitching ordergeneration atthe 400/120kV substation ofthe Paks

Nuclear Power Plant. In Proc. of the 4th IFAC Symposium on Fault

Detec-tion and Safety for Technical Processes (SAFEPROCESS 2000), (Budapest,

Hungary), pp. 1127-1132, 2000.

[O4] K. Eged, Z. Kis, B. Kanyár, and G. Szederkényi. A critical review of

exper-imental, eld and modeling information on the transfer of radionuclides to

fruits,description of RUVFRUmodel(I).IAEA TECDOC, 2000.

[O5] K. Eged, Z. Kis, B. Kanyár, and G. Szederkényi. A critical review of

exper-imental, eld and modeling Information on the transfer of radionuclides to

fruits,description of RUVFRUmodel(II). IAEA TECDOC, 2001.

[O6] G. Szederkényi, K. Eged, and B. Kanyár. Nukleáris beavatkozások

költség-optimális tervezése Matlab-Simulink rendszerrel. In Neumann János

Kol-lokvium,Veszprém, 1997.

[O7] K. Eged, Z. Kis, G. Szederkényi, and B. Kanyár. Planning nuclear

counter-measures in the way of optimization of cost. 23rd Workshop on Radiation

Protection, Balatonkenese, Hungary,1998.

[O8] B. Kanyár, K. Eged, Z. Kis, Á. Nényei, G. Szederkényi, and A. Sanchez.

Radionuklidok transzportjának modellezése a talaj-növény rendszerek esetén,

szcenárióvizsgálatok. InÚj módszerek a mez®gazdaságban,Szarvas,Hungary,

1999.

Wewouldliketoextendtheresultspresentedinthisthesisinthefollowingdirections

Chapter 2 The results of this part could be extended in a fairly straightforward

way tothe morerealistic case whenthe thermodynamicdriving forceis given

by a nonlinear relationin the heat exchanger model.

Although recursive parameter estimation is a very well-developed area, a few

excellent papers have appeared recently in this eld. In particular, the new

resultspresented in[62],[38]and[49]mightbesuccessfullyappliedinthefault

diagnosisof process systems.

Chapter 3 We have already begun working on the nonlinear model analysis of

systems given in the form of dierential-algebraic equations (DAEs). F

ur-thermore, wewould liketocontinue the nonlinearmodelanalysis with a deep

investigationofnonlinearobservabilityforprocesssystemstobeabletodesign

nonlinear observers.

Chapter 4 The next step in controller design is to study how the modelanalysis

results can be used in the design of not only static but dynamic linear and

nonlinear controllers.

Thestructureofthe globallystabilizingfeedback lawforcontinuous

fermenta-tionprocessesgiven by eqs. (4.13)and (4.14)proved tobe solucky that there

isa goodchance for solving the so-callednonlinear state feedback H

1

control

problem (see e.g. Chapter 7in [89]) for this type of systems.

Chapter 5 FutureworkintheareaofHamiltoniansystemswillbedirectedtowards

designingand tuningnonlinear controllersforpassivationand loop-shaping of

further classes of process systems. The more accurate determination of the

stability regionof thesecontrollers needsalsofurther study forrealistic cases.

Itisalsoaninteresting problemhowprocess modelsof moregeneralformcan

be transformed into Hamiltonian form using state feedback and/or dynamic

extension.

6.4 Tézisek magyar nyelven

Az értekezésben bemutatottúj tudományos eredményeket azalábbi tézisekben

fog-lalom össze. Az egyes tézisek címe után zárójelben a dolgozat vonatkozó fejezete

illetve atézishez tartozó, a6.2szakaszban felsorolt saját publikációkcímkéje

szere-pel.

Tézis 1 Nemlineáris folyamatrendszerek modell alapú hibadiagnosztikája (2.

feje-zet)

([P1], [P5], [P6], [P7], [P11])

Módszertdolgoztamkinemlineárisfolyamatrendszerekmodell-alapú

diagnosz-tikai eljárásainakvizsálatára. A folyamatdinamika leírásárazikai modellt, a

meghibásodásokraszemi-empirikus modellt alkalmaztam.

befolyásolja a vizsgált hibadetektálási és hibaizolációs algorimtusok

tu-lajdonságait. Módszert dolgoztam ki a hiba térbeli lokalizációjára a

fo-lyamatdinamikai modellnek a jelek térbeli elhelyezkedését is gyelembe

vev® nomítása útján.

2. Megmutattam, hogya folyamatmodellmellett rendelkezésre álló

szürke-vagy fehér-doboz hibamodellek alkalmazásával az egy id®ben fellép®

hi-bajelenségek isbiztonságosan detektálhatók és elkülöníthet®k.

Az eredményeket ellenáramú h®cserél®k modell alapú hibadiagnosztikájának

példáján illusztráltam. Az ismert folyamatdinamikátsz¶r®ként használtam a

mérésiadatokbólolyanjelek el®állítására,amelyek karakterisztikus változásai

csak a vizsgált hibajelenségekre jellemz®k. A hibadiagnosztikához rekurzív

paraméterbecsl® és a becsült paraméter hibára jellemz® változását detektáló

algoritmusokatalkalmaztam.

Tézis 2 Folyamatrendszerek nemlineárismodellanalízise (3. fejezet)

([P2], [P8], [P9], [P12], P[13])

Nemlineárisinput-an állapottérmodellel megadott folyamatmodellek

analí-zisét végeztem ellineáris ésnemlineáris módszerekkel, akapotteredményeket

összehasonlítottam.

1. Megmutattam, hogy a folyamatmodellek speciális strukturális

tulajdon-ságait felhasználva az általános esetben nagy bonyolultságú nemlineáris

elérhet®ségi analízis analitikusanis kiszámítható problémává válik. F

er-mentációs folyamatok elérhet®ségének példáján mutattam be, hogy az

elérhet®ségi analízis során kiszámított szinguláris pontok mérnökileg jól

értelmezhet® zikaijelentéssel bírnak.

2. Megmutattam, hogy izoterm félfolyamatos (fed-batch) üzem¶

fermentá-ciós folyamatok széles osztálya nemlineáris értelemben nem irányítható

a bemen®folyadékáram segítségével,mertazirányíthatóságidisztribúció

rangja az állapottér minden pontjában kisebb mint az állapotváltozók

száma. Meghatároztamaztaglobáliskoordináta-transzformációt,

amely-nek segítségével a félfolyamatos üzem¶ fermentációs folyamatok

állapot-tér modellje irányíthatósági kanonikus alakra hozható. Megmutattam,

hogy a kiszámított koordináta-transzformáció független a fermentációs

modellben szerepl® forrásfüggvényt®l. A koordináta-transzformáció

fel-használásávalmegadtam a félfolyamatosüzem¶fermentációs folyamatok

minimális állapottér realizációját. Meghatároztam egy dimenzionálisan

homogén megmaradó mennyiséget, amelyazállapotváltozók nemlineáris

kombinációja. Az eredményeket h®mérsékletfügg®esetreis

általánosítot-tam.

3. Megmutattam,hogy folyamatosüzem¶ izotermfermentációs folyamatok

zéró dinamikája a szubsztrátkoncentrációra nézve globálisan

aszimtpto-tikusan stabil a forrásfüggvényt®l függetlenül (azaz a folyamatos üzem¶

telemben minimálfázisúrendszerek), míga biomasszakoncentráció

kime-netbe való bevonása a zéró dinamika(és így visszacsatolás esetén a zárt

rendszer) stabilitási tartományát sz¶kíti.

Tézis 3 Analízisalapú szabályozóstruktúra-választás (4. fejezet)

([P3], [P9], [P14])

A nemlineáris analízis eredményeinek a szabályozó-struktúra tervezésében és

kiválasztásában betöltött szerepét vizsgáltam. Lineáris és nemlineáris

sza-bályozókat terveztem folyamatos üzem¶ fermentációs folyamatok stabilizáló

szabályozására. A szabályozók m¶ködését összehasonlítottam.

1. Módszertdolgoztamkiarra,hogyanemlineárisanalízissoránkapott

el®-zetes információk(stabilitásitartomány,elérhet®ségi disztribúció

szingu-lárispontjai,zéródinamika)hogyanhasználhatókfelfolyamatrendszerek

statikus nemlineáris szabályozóinak tervezésére.

2. Elméleti analízissel és szimulációs kísérletekkel megmutattam, hogy a

modell analízis eredményeinek gyelembevételével tervezett nemlineáris

statikus visszacsatolások tulajdonságai el®nyösebbeka linearizáltmodell

alapjántervezett lineáris szabályozókénál.

3. Módszertadtamfolyamatosüzem¶ fermentációs folyamatokatglobálisan

stabilizálónemlineárisstatikus szabályozó tervezésére. A szabályozó

ter-vezési paramétere a zárt rendszer kvadratikus Ljapunov-függvénye.

4. Általánosan alkalmazható módszert adtam nemlineáris, egy bemenet¶,

lokálisan irányíthatóinput-an alakú állapottér modellek lokális

stabili-zálására. A módszerrel a lineáris optimális szabályozás és a nemlineáris

rendszerek közti kapcsolatot felhasználva olyan lineáris kimenet

választ-ható ki, amelyre nézve arendszer legalábblokálisan minimálfázisú.

Tézis 4 Folyamatrendszerek hamiltoni leírása (5. fejezet)

([P4])

A folyamatrendszerek széles osztályát leíró dinamikus modellek egyszer¶

ha-miltonialakrahozhatók. Azegyszer¶hamiltonileírásalapjána

folyamatrend-szerekhez stabilizálóés nemlineáris loop-shaping szabályozók tervezhet®k.

1. Módszertdolgoztamkiahamiltonistabilizálóésnemlineárisloop-shaping

szabályozók hangolásához, amely a visszacsatolt rendszer globális

stabi-litásvizsgálatán alapul.

2. Megadtam a folyamatrendszerek egyszer¶ hamiltoni leírásának a

rend-szer forrásfüggvényére vonatkozó feltételét. Ennek alapján

megállapítot-tam, hogy a forrást nem tartalmazó, valamint a csak egy komponenst

tartalmazó, forrással is rendelkez® folyamatrendszerek mindig leírhatók

egyszer¶ hamiltonimodellekkel.

Detailed Simulation Results of

Chapter 4

0 5 10 15 20 25

−3

−2

−1 0 1 2 3

Time [h]

Centered concentration [g/l]

Biomass concentration Substrate concentration

0 5 10 15 20 25

1 1.5 2 2.5 3 3.5

Time [h]

Input feed flow rate [l/h]

Input feed flow rate

FigureA.1: Centeredstatevariablesand input,partiallinearcontroller,X(0)=2 g

l ,

S(0)=0:1 g

l

, k =1

0 5 10 15 20 25

−0.4

−0.3

−0.2

−0.1 0 0.1 0.2 0.3

Time [h]

Centered concentration [g/l]

Biomass concentration Substrate concentration

0 5 10 15 20 25

3.06 3.08 3.1 3.12 3.14 3.16 3.18 3.2 3.22 3.24

Time [h]

Input feed flow rate [l/h]

Input feed flow rate

Figure A.2: Centered state variables and input, full state feedback pole placement

controller,X(0) =4:5 g

l

,S(0) =0:1 g

l

0 5 10 15 20 25

−3

−2.5

−2

−1.5

−1

−0.5 0 0.5

Time [h]

Centered concentration [g/l]

Biomass concentration Substrate concentration

0 5 10 15 20 25

1 1.5 2 2.5 3 3.5

Time [h]

Input feed flow rate [l/h]

Input feed flow rate

FigureA.3: Centeredstatevariablesandinput,LQcontroller,cheapcontrol,X(0)=

2 g

l

,S(0)=0:1 g

l

0 5 10 15 20 25

−2

−1.5

−1

−0.5 0 0.5

Time [h]

Centered concentration [g/l]

Biomass concentration Substrate concentration

0 5 10 15 20 25

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

Time [h]

Input feed flow rate [l/h]

Input feed flow rate

Figure A.4: Centered state variables and input, LQ controller, expensive control,

X(0)=3 g

l

,S(0) =0:1 g

l

0 5 10 15 20 25

−1.4

−1.2

−1

−0.8

−0.6

−0.4

−0.2 0 0.2 0.4

Time [h]

Centered concentration [g/l]

Biomass concentration Substrate concentration

0 5 10 15 20 25

2 2.5 3 3.5

Time [h]

Input feed flow rate [l/h]

Input feed flow rate

FigureA.5: Centeredstate variablesandinput,linearizationofthebiomass

concen-tration,X(0)=3:5 g

l

, S(0)=0:1 g

l

.

0 5 10 15 20 25

−3

−2.5

−2

−1.5

−1

−0.5 0 0.5

Time [h]

Centered concentration [g/l]

Biomass concentration Substrate concentration

0 5 10 15 20 25

1 1.5 2 2.5 3 3.5

Time [h]

Input feed flow rate [l/h]

Input feed flow rate

Figure A.6: Centered state variables and input, linearization of the substrate

con-centration,X(0)=2 g

l

, S(0)=0:1 g

l

0 5 10 15 20 25

−2

−1.5

−1

−0.5 0 0.5

Time [h]

Centered concentration [g/l]

Biomass concentration Substrate concentration

0 5 10 15 20 25

1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.4 3.6

Time [h]

Input feed flow rate [l/h]

Input feed flow rate

FigureA.7: Centered state variablesand input,linearization ofthe linear

combina-tion of the biomass and substrate concentrations, X(0)=3 g

l

,S(0)=0:1 g

l

0 5 10 15 20 25

−3

−2.5

−2

−1.5

−1

−0.5 0 0.5 1 1.5

Time [h]

Centered concentration [g/l]

Biomass concentration Substrate concentration

0 5 10 15 20 25

1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

Time [h]

Input feed flow rate [l/h]

Input feed flow rate

FigureA.8: Centeredstatevariablesandinput,passivitybasedcontrol,X(0)=2 g

l ,

S(0)=0:1 g

l

6

;

FigureA.9: TimederivativeoftheLyapunovfunctionasafunctionofcenteredstate

variables q

1

=1;q

2

=0:1, poleplacementcontroller, K

pp

=[ 0:3747 0:3429]

6

;

Figure A.10: Time derivative of the Lyapunov function as a function of centered

state variables q

1

=1;q

2

=0:1, partial linear feedback, k =1

6

;

Figure A.11: Time derivative of the Lyapunov function as a function of centered

state variables q

1

=1;q

2

=1, LQcontroller, cheap control

6

;

Figure A.12: Time derivative of the Lyapunov function as a function of centered

state variables q

1

=1;q

2

=1, LQcontroller, expensive control

6

;

Figure A.13: Time derivative of the Lyapunov function as a function of centered

state variables q

1

=1;q

2

=1, linearizingthe substrate concentration, k=0:5

6

;

Figure A.14: Time derivative of the Lyapunov function as a function of centered

state variables q

1

=1;q

2

=1, linearizingthe linear combination of the biomassand

substrate concentrations, K =[ 0:6549 0:5899]

T

,k =0:5

6

;

Figure A.15: Time derivative of the Lyapunov function as a function of centered

state variables q

1

=1;q

2

=1, passivity based controller, k =0:5

.

Mathematical tools

This chapter summarizes the basic mathematical notions and techniques for the

analysis and controlof nonlinear systems in the followingsections.

B.1 Notations, basic tools and concepts

B.1.1 State space representation

_

x=f(x)+ P

m

i=1 g

i (x)u

i

(B.1)

y=h(x) (B.2)

x2R n

; f;g

i 2R

n

!R n

i=1;:::;m (B.3)

f = 2

6

4 f

1

.

.

.

f

n 3

7

5 g

i

= 2

6

4 g

1i

.

.

.

g

ni 3

7

5 h=

2

6

4 h

1

.

.

.

h

p 3

7

5

(B.4)

B.1.2 Changes of coordinates (coordinates transformations)

Transforming the coordinates in the state space is often very useful in order to

highlight some properties of interest (e.g. reachability, observability etc.), or to

showhow certaincontrolproblems can be solved.

Linear changes of coordinates

Thiskindoftransformationcorrespondstothesubstitutionofthe originaln

dimen-sional state vector x with a new vector z related to x by a transformation of the

form

z =Tx (B.5)

where T is a nonsingularnn matrix. Accordingly, the originaldescription of the

linear system

_

x = Ax+Bu (B.6)

y = Cx (B.7)

_

Nonlinear changes of coordinates

A nonlinear change of coordinates is writtenas

z =(x) (B.11)

where represents aR n

-valued functionof n variables,i.e.

(x) =

with the followingproperties

1. is invertible, i.e. there exists a function 1

arebothsmoothmappings,i.e. theyhavecontinuouspartial

deriva-tives of any order.

A transformationof this type is called aglobal dieomorphismon R n

.

Sometimes, a transformation having both these properties and dened for all x

is dicultto nd. Thus, in most cases one rather looks attransformations dened

only in a neighborhood of a given point. A transformation of this type is called a

local dieomorphism. In order to check whether a given transformation is a local

dieomorphismor not, the followingresult is very useful.

Suppose is a smooth function dened on some subset U of R n

. Suppose the

jacobian matrix of is nonsingular at a point x = x 0

. Then, on a suitable open

subset U 0

of U, containingx 0

, denes a localdieomorphism (see e.g. [35]).

B.1.3 Lie-derivative

2R

Derivativeof alongf:

L

Repeated use:

L

f;g 2R

Lie-product (bracket) of f and g:

[f;g](x)=

Important properties

bilinearityover R

f

skew commutativity

[f;g]= [g;f] (B.20)

Jacobi identity

[f;[g;p]]+[g;[p;f]]+[p;[f;g]]=0 (B.21)

B.1.5 Distributions

f

A vector space is assignedto eachpointof U. Notation:

=spanff

Obviously, if the distributions

1

and

2

are spanned by the functions (f

1

) respectively, then the distribution (

1

9d2N such that

dim((x)) =d 8x2U (B.26)

x 0

is a regular point of a distribution :

Thereexists a neighborhood U 0

of x 0

such that is nonsingular onU 0

.

point of singularity:

not a regularpoint

f belongs to the distribution (f 2):

f(x)2(x) 8x (B.27)

a distribution

1

contains a distribution

2

a distribution is involutive:

a distribution is invariant underthe vector eld f:

2)[f;]2 (B.30)

B.1.6 Codistributions

Denitions:

the set of all linearreal-valued functions dened onV.

f(x)=f(x

Notethat f isgiven by the rowvector a.

covector-eld:

A mappingfromR n1

toR 1 n

. (Arowvector valued function).

f(x)=f(x

2R

codistribution :

Let!

1

;:::;!

n

be smooth covector-elds.

(x)=spanf!

1

(x);:::;!

d

(x)g (B.35)

Pointwise: codistributionsare subspaces of (R n

)

. Notation:

=spanf!

1

;:::;!

d

g (B.36)

analogue concepts: addition, intersection, inclusion, dimension at a point,

regular point, point of singularity

annihilator of a distribution (

?

):

The set of all covectors whichannihilates all vectors in (x).

The annihilator of a distribution is a codistribution. The annihilator of a

smooth distributionis not necessarily smooth.

annihilator of a codistribution (

?

The annihilator of acodistribution isa distribution.

a codistribution ! is invariant under the vector eldf:

!2 ) L

f

! 2 (B.39)

where(L

f

!)(x)=!(x)

@f(x)

@x

Important properties of distributions and codistributions

sum of dimensions

dim()+dim(

?

)=n (B.40)

inclusion

annihilatorof an intersection

(

at a pointx 0

is equalto the rankof F(x 0

). If the entries of F are smooth

functionsof x then the annihilator of is identiedat each x2U by the set

of rowvectors w

satisfyingthe condition w

F(x)=0

If a codistribution is spanned by the rows of a matrix W, whose entries

are smooth functions of x, its annihilator is identied at each x by the set of

vectors v satisfyingW(x)=0. (I.e.

?

(x)=ker(W(x)))

If a smooth distribution is invariant under the vector eld f, then the

codistribution =

?

is also invariant under f. If a smooth codistribution

is invariant under the vector eld f, then the distribution =

?

is also

invariantunder f.

A smooth distribution=spanff

1

;:::;f

d

g isinvolutive if and only if

[ f

i

;f

j

]2 8 1i;j d: (B.43)

B.2 Manifolds

AlocallyEuclideanspaceX ofdimensionn isatopologicalspacesuchthat,foreach

p2X,thereexistsahomeomorphism mappingsomeopen neighborhoodofponto

anopen set in R n

.

A manifold N of dimension n is a topological space which is locally Euclidean

of dimension n, is Hausdor (i.e. any two dierent points p

1

and p

2

have disjoint

neighborhoods) and has a countable basis.

B.3 Conservation matrices and their properties

Denition B.3.1 A real square matrix F = ff

ij g

n

i;j=1

of order n is said to be a

column conservation matrix (or a row conservation matrix) if it is a matrix with

dominant main diagonal with respect columns (or rows), i.e.

jf

ii j

X

j6=i jf

ij j=R

i

; i=1;2;:::;n (B.44)

or

jf

ii j

X

j6=i jf

ji j=C

i

; i=1;2;:::;n (B.45)

and its elements have the following signpattern

f

ii

0 ; f

ij

0 ; i6=j (B.46)

In case of proper inequalityfor every inequalityin eitherEq. (B.44) or (B.45) F is

saidtobe aa strictcolumnconservationmatrixor astrictrowconservationmatrix.

Conservation matrices are nonsingular and stable matrices (Szidarovszky and

Bahill,1991).

Quadratic forms are important expressions in loss functions of both parameter

es-timationand controlproblemformulations. A quadratic formis anexpression

con-taininga vector x2R n

and a square matrix Q2R nn

:

q

Q

=x T

Qx (B.47)

Observe that the value of the quadratic formitself isa real number, that is

x T

Qx2R

A quadratic form is denite if it has the same sign for every possible vector x.

The matrix Q present in the quadratic form is called denite if the corresponding

quadraticform isdenite. In particular, aquadratic matrix Q is called

positive denite, if x T

Qx>0

degative denite,if x T

Qx<0

positive semidenite, if x T

Qx0

negative semidenite, if x T

Qx0

if neither of the above conditions hold

for every possible x2R n

.

B.5 Stability of nonlinear systems

In this section we give a very brief summary on Lyapunov stability. We consider

the stability ofan autonomoussystem, i.e.

_

x=f(x) (B.48)

that can be eitheran open loopnonlinearcontrol system assumingzero input,or a

closedloopnonlinear statespace model. We assumethat x2R n

and f isasmooth

vectoreld onR n

. The solution of(B.48) for initialcondition x(0) =x

0

is denoted

asx(t;x

0 ).

Denition B.5.1 Let x

be an equilibrium point of (B.48) i.e. f(x

) = 0. The

equilibrium x

is

1. stable, if for each >0 there exists Æ() such that

kx

0 x

k<Æ())kx(t;x

0 ) x

k<;8t0 (B.49)

2. locally asymptotically stable, if it is stableand there exists r(x

)>0such that

kx

0 x

k<r(x

)) lim

t!1 x(t;x

0 )=x

(B.50)

3. globally asymptotically stable, if it is stable and lim

t!1 x(t;x

0

) = x for all

x

0 2R

n

4. unstable, if it is notstable.

Theorem B.5.1 (First method of Lyapunov) Theequilibriumpointx

of(B.48)

islocallyasymptoticallystableifthe matrixA:=

@f

@x (x

)isasymptoticallystable,i.e.

if the matrix A has all its eigenvalues in the open left half plane. The equilibrium

point is unstable, if at least one of the eigenvalues of the matrix A has a positive

realpart.

Theorem B.5.2 (Second method of Lyapunov) Letx

beanequilibriumof(B.48).

Let V :R n

!R +

be a C 1

function with

V(x

)=0; V(x)>0; x6=x

0

(B.51)

such that

_

V(x)=

@V

@x

f(x)0; 8x2R n

(B.52)

Then x

is a stable equilibrium. If moreover

_

V(x)<0; 8x2R n

; x6=x

; (B.53)

thenx

isanasymptoticallystableequilibrium,whichisgloballyasymptoticallystable

if V is proper (that is, the sets fx 2 R n

j0 V(x) cg are compact for every

j0 V(x) cg are compact for every