Uma Abordagem Algébrica à Teoria de Controlo Não Linear

Abstract

Nesta tese de Doutoramento desenvolve-se principalmente uma abordagem algébrica à teoria de sistemas de controlo não lineares. No entanto, outros tópicos são também estudados. Os tópicos tratados são os seguidamente enunciados: fórmulas para sistemas de controlo sobre álgebras de Lie livres, estabilidade de um sistema de corpos rolantes, algoritmos para aritmética digital, e equações integrais de Fredholm não lineares. No primeiro e principal tópico estudam-se representações para as soluções de sistemas de controlo lineares no controlo. As suas trajetórias são representadas pelas chamadas séries de Chen. Estuda-se a representação formal destas séries através da introdução de várias álgebras não associativas e técnicas específicas de álgebras de Lie livres. Sistemas de coordenadas para estes sistemas são estudados, nomeadamente, coordenadas de primeiro tipo e de segundo tipo. Apresenta-se uma demonstração alternativa para as coordenadas de segundo tipo e obtêm-se expressões explícitas para as coordenadas de primeiro tipo. Estas últimas estão intimamente ligadas ao logaritmo da série de Chen que, por sua vez, tem fortes relações com uma fórmula designada na literatura por “continuous Baker-Campbell- Hausdorff formula”. São ainda apresentadas aplicações à teoria de funções simétricas não comutativas. É, por fim, caracterizado o mapa de monodromia de um campo de vectores não linear e periódico no tempo em relação a uma truncatura do logaritmo de Chen. No segundo tópico é estudada a estabilizabilidade de um sistema de quaisquer dois corpos que rolem um sobre o outro sem deslizar ou torcer. Constroem-se controlos fechados e dependentes do tempo que tornam a origem do sistema de dois corpos num sistema localmente assimptoticamente estável. Vários exemplos e algumas implementações em Maple°c são discutidos. No terceiro tópico, em apêndice, constroem-se algoritmos para calcular o valor de várias funções fundamentais na aritmética digital, sendo possível a sua implementação em microprocessadores. São também obtidos os seus domínios de convergência. No último tópico, também em apêndice, demonstra-se a existência e unicidade de solução para uma classe de equações integrais não lineares com atraso. O atraso tem um carácter funcional, mostrando-se ainda a diferenciabilidade no sentido de Fréchet da solução em relação à função de atraso.

In this PhD thesis several subjects are studied regarding the following topics: formulas for nonlinear control systems on free Lie algebras, stabilizability of nonlinear control systems, digital arithmetic algorithms, and nonlinear Fredholm integral equations with delay. The first and principal topic is mainly related with a problem known as the continuous Baker-Campbell-Hausdorff exponents. We propose a calculus to deal with formal nonautonomous ordinary differential equations evolving on the algebra of formal series defined on an alphabet. We introduce and connect several (non)associative algebras as Lie, shuffle, zinbiel, pre-zinbiel, chronological (pre-Lie), pre-chronological, dendriform, D-I, and I-D. Most of those notions were also introduced into the universal enveloping algebra of a free Lie algebra. We study Chen series and iterated integrals by relating them with nonlinear control systems linear in control. At the heart of all the theory of Chen series resides a zinbiel and shuffle homomorphism that allows us to construct a purely formal representation of Chen series on algebras of words. It is also given a pre-zinbiel representation of the chronological exponential, introduced by A.Agrachev and R.Gamkrelidze on the context of a tool to deal with nonlinear nonautonomous ordinary differential equations over a manifold, the so-called chronological calculus. An extensive description of that calculus is made, collecting some fragmented results on several publications. It is a fundamental tool of study along the thesis. We also present an alternative demonstration of the result of H.Sussmann about coordinates of second kind using the mentioned tools. This simple and comprehensive proof shows that coordinates of second kind are exactly the image of elements of the dual basis of a Hall basis, under the above discussed homomorphism. We obtain explicit expressions for the logarithm of Chen series and the respective coordinates of first kind, by defining several operations on a forest of leaf-labelled trees. It is the same as saying that we have an explicit formula for the functional coefficients of the Lie brackets on a continuous Baker-Campbell-Hausdorff-Dynkin formula when a Hall basis is used. We apply those formulas to relate some noncommutative symmetric functions, and we also connect the monodromy map of a time-periodic nonlinear vector field with a truncation of the Chen logarithm. On the second topic, we study any system of two bodies rolling one over the other without twisting or slipping. By using the Chen logarithm expressions, the monodromy map of a flow and Lyapunov functions, we construct time-variant controls that turn the origin of a control system linear in control into a locally asymptotically stable equilibrium point. Stabilizers for control systems whose vector fields generate a nilpotent Lie algebra with degree of nilpotency · 3 are also given. Some examples are presented and Maple°c were implemented. The third topic, on appendix, concerns the construction of efficient algorithms for Digital Arithmetic, potentially for the implementation in microprocessors. The algorithms are intended for the computation of several functions as the division, square root, sines, cosines, exponential, logarithm, etc. By using redundant number representations and methods of Lyapunov stability for discrete dynamical systems, we obtain several algorithms (that can be glued together into an algorithm for parallel execution) having the same core and selection scheme in each iteration. We also prove their domains of convergence and discuss possible extensions. The last topic, also on appendix, studies the set of solutions of a class of nonlinear Fredholm integral equations with general delay. The delay is of functional character modelled by a continuous lag function. We ensure existence and uniqueness of a continuous (positive) solution of such equation. Moreover, under additional conditions, it is obtained the Fr´echet differentiability of the solution with respect to the lag function.