<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.3 20210610//EN" "JATS-journalpublishing1-3.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="1.3" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xml:lang="ru"><front><journal-meta><journal-id journal-id-type="publisher-id">novtexmech</journal-id><journal-title-group><journal-title xml:lang="ru">Мехатроника, автоматизация, управление</journal-title><trans-title-group xml:lang="en"><trans-title>Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie</trans-title></trans-title-group></journal-title-group><issn pub-type="ppub">1684-6427</issn><issn pub-type="epub">2619-1253</issn><publisher><publisher-name>Commercial Publisher «New Technologies»</publisher-name></publisher></journal-meta><article-meta><article-id pub-id-type="doi">10.17587/mau.24.283-291</article-id><article-id custom-type="elpub" pub-id-type="custom">novtexmech-1389</article-id><article-categories><subj-group subj-group-type="heading"><subject>Research Article</subject></subj-group><subj-group subj-group-type="section-heading" xml:lang="ru"><subject>СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ И ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ</subject></subj-group><subj-group subj-group-type="section-heading" xml:lang="en"><subject>SYSTEM ANALYSIS, CONTROL AND INFORMATION PROCESSING</subject></subj-group></article-categories><title-group><article-title>Построение интервальных наблюдателей для дискретных нелинейных динамических систем</article-title><trans-title-group xml:lang="en"><trans-title>Interval Observer Design for Discrete-Time Nonlinear Dynamic Systems</trans-title></trans-title-group></title-group><contrib-group><contrib contrib-type="author" corresp="yes"><name-alternatives><name name-style="eastern" xml:lang="ru"><surname>Жирабок</surname><given-names>А. Н.</given-names></name><name name-style="western" xml:lang="en"><surname>Zhirabok</surname><given-names>A. N.</given-names></name></name-alternatives><bio xml:lang="ru"><p>д-р техн. наук, проф.</p><p>г. Владивосток</p></bio><bio xml:lang="en"><p>Vladivostok, 690950</p></bio><email xlink:type="simple">zhirabok@mail.ru</email><xref ref-type="aff" rid="aff-1"/></contrib><contrib contrib-type="author" corresp="yes"><name-alternatives><name name-style="eastern" xml:lang="ru"><surname>Зуев</surname><given-names>А. В.</given-names></name><name name-style="western" xml:lang="en"><surname>Zuev</surname><given-names>A. V.</given-names></name></name-alternatives><bio xml:lang="ru"><p>канд. техн. наук, доц.</p><p>г. Владивосток</p></bio><bio xml:lang="en"><p>Vladivostok, 690950</p></bio><email xlink:type="simple">alvzuev@yandex.ru</email><xref ref-type="aff" rid="aff-1"/></contrib><contrib contrib-type="author" corresp="yes"><name-alternatives><name name-style="eastern" xml:lang="ru"><surname>Шумский</surname><given-names>А. Е.</given-names></name><name name-style="western" xml:lang="en"><surname>Shumsky</surname><given-names>A. E.</given-names></name></name-alternatives><bio xml:lang="ru"><p>д-р техн. наук, проф.</p><p>г. Владивосток</p></bio><bio xml:lang="en"><p>Vladivostok, 690950</p></bio><email xlink:type="simple">a.e.shumsky@yandex.com</email><xref ref-type="aff" rid="aff-2"/></contrib><contrib contrib-type="author" corresp="yes"><name-alternatives><name name-style="eastern" xml:lang="ru"><surname>Бобко</surname><given-names>Е. Ю.</given-names></name><name name-style="western" xml:lang="en"><surname>Bobko</surname><given-names>E. Yu.</given-names></name></name-alternatives><bio xml:lang="ru"><p>ст. преподаватель</p><p>г. Владивосток</p></bio><bio xml:lang="en"><p>Vladivostok, 690950</p></bio><email xlink:type="simple">bobko.eyu@dvfu.ru</email><xref ref-type="aff" rid="aff-2"/></contrib></contrib-group><aff-alternatives id="aff-1"><aff xml:lang="ru"><institution>Дальневосточный федеральный университет; Институт проблем морских технологий ДВО РАН</institution><country>Россия</country></aff><aff xml:lang="en"><institution>Far Eastern Federal University; Institute of Marine Technology Problems</institution><country>Russian Federation</country></aff></aff-alternatives><aff-alternatives id="aff-2"><aff xml:lang="ru"><institution>Дальневосточный федеральный университет</institution><country>Россия</country></aff><aff xml:lang="en"><institution>Far Eastern Federal University</institution><country>Russian Federation</country></aff></aff-alternatives><pub-date pub-type="collection"><year>2023</year></pub-date><pub-date pub-type="epub"><day>13</day><month>06</month><year>2023</year></pub-date><volume>24</volume><issue>6</issue><fpage>283</fpage><lpage>291</lpage><permissions><copyright-statement>Copyright &amp;#x00A9; Commercial Publisher «New Technologies», 2023</copyright-statement><copyright-year>2023</copyright-year><copyright-holder xml:lang="ru">Commercial Publisher «New Technologies»</copyright-holder><copyright-holder xml:lang="en">Commercial Publisher «New Technologies»</copyright-holder><license xlink:href="https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNotice" xlink:type="simple"><license-p>https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNotice</license-p></license></permissions><self-uri xlink:href="https://mech.novtex.ru/jour/article/view/1389">https://mech.novtex.ru/jour/article/view/1389</self-uri><abstract><p>Рассматривается задача построения интервальных наблюдателей для нелинейных динамических систем, описываемых дискретными моделями, при действии на систему внешних неконтролируемых возмущений, а также при наличии шумов измерений и параметрических неопределенностей. Ставится задача синтеза наблюдателя размерности меньшей, чем размерность исходной системы, формирующего верхнюю и нижнюю границы множества допустимых значений заданной нелинейной функции вектора состояния исходной системы. Для решения используется математический аппарат так называемой алгебры функций, достоинством которого является то, что он позволяет анализировать динамические системы, описываемые моделями с негладкими нелинейностями. Для синтеза интервального наблюдателя вначале ищется модель исходной системы, нечувствительная или малочувствительная к внешним возмущениям, размерности меньшей, чем размерность исходной системы. Процедура основана на двух алгоритмах, первый из которых предназначен для построения модели, малочувствительной к внешним возмущениям, второй — для уменьшения размерности модели. Формулируются правила, позволяющие обеспечить устойчивость такой модели для заданного множества желаемых собственных чисел за счет введения в модель обратной связи. Строящийся интервальный наблюдатель состоит из двух подсистем, первая из которых генерирует нижнюю границу множества допустимых значений заданной функции вектора состояния системы, вторая — аналогичную верхнюю границу. Приводятся соотношения, описывающие каждую подсистему. Для синтеза такого наблюдателя в нелинейном случае вводятся понятия положительного и отрицательного влияния переменных, входящих в построенную модель, на компоненты вектора состояния модели. Эти понятия позволяют определить, каким образом верхние и нижние границы соответствующих переменных будут входить в строящийся интервальный наблюдатель. Получены условия, при которых наблюдатель может быть получен. Теоретические результаты иллюстрируются примером известной трехтанковой системы, для которой синтезирован соответствующий интервальный наблюдатель. Проведенное на основе пакета MATLAB моделирование исходной системы и наблюдателя подтвердило правильность принятых допущений и разработанной теории.</p></abstract><trans-abstract xml:lang="en"><p>The paper considers the problem of interval observer design for nonlinear dynamic systems described by discrete-time models under external disturbances, measurement noise, and parametric uncertainties. The problem is to design the observer with fewer dimensions than that of the original system; such an observer must generate upper and lower bounds of admissible values of the prescribed nonlinear function of the original system state vector. To solve the problem, special mathematical tool is used. The advantage of this tool is that it allows studying the systems described by models with non-smoo th nonlinearities. To construct interval observer, the reduced-order model of the original system insensitive or having minimal sensitivity to the disturbances is designed. The designing procedure is based on two algorithms: the first one is intended to design the model of minimal sensitivity; the second one is used to reduce the dimension of the model. The rules are formulated to ensure stability based on the prescribed set of the desirable eigenvalues and feedback. The interval observer consists of two subsystems: the first one generates the lower bound, the second one the upper bound. The relations describing both subsystems are given. To construct such an observer in the nonlinear case, the terms of positive and negative influence of variables describing the model are introduced. These terms allow finding out how the upper and lower bounds of these variables will appear in the interval observer. The conditions under which the observer can be designed are given. The theoretical results are illustrated by an example of three tank system. Simulation results based on the package Matlab show the effectiveness of the developed theory.</p></trans-abstract><kwd-group xml:lang="ru"><kwd>динамические системы</kwd><kwd>негладкие нелинейности</kwd><kwd>параметрические неопределенности</kwd><kwd>дискрет- ные модели</kwd><kwd>алгебра функций</kwd><kwd>границы</kwd><kwd>интервальные наблюдатели</kwd><kwd>устойчивость</kwd></kwd-group><kwd-group xml:lang="en"><kwd>ynamic systems</kwd><kwd>non-smooth nonlinearities</kwd><kwd>parametric uncertainties</kwd><kwd>discrete-time models</kwd><kwd>algebra of functions</kwd><kwd>bounds</kwd><kwd>interval observers</kwd><kwd>stability</kwd></kwd-group><funding-group><funding-statement xml:lang="ru">Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 23-29-00191).</funding-statement><funding-statement xml:lang="en">This work was supported by the Russian Scientific Foundation, project no. 23-29-00191.</funding-statement></funding-group></article-meta></front><back><ref-list><title>References</title><ref id="cit1"><label>1</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Жирабок А. Н., Зуев А. В., Ким Чхун Ир. Метод построения интервальных наблюдателей для стационарных линейных систем // Известия РАН. Теория и системы управления. 2022. № 4. С. 22—32. DOI: 10.31857/S0002338822010139.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Zhirabok A., Zuev A., Kim C. Method to design interval observers for linear time-invariant systems, J. Computer and Systems Sciences Int., 2022, vol. 61, no. 5, pp. 485—495, DOI: 10.31857/S0002338822010139.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit2"><label>2</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Жирабок А. Н., Ким Чхун Ир, Бобко Е. Ю. Сравнительный анализ канонических форм в задачах диагностирования и оценивания // Мехатроника, автоматизация, управление. 2022. Т. 23, № 6. С. 289—294. DOI: 10.17587/mau.23.289-294.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Zhirabok A., Zuev A., Kim C., Bobko E. Yu. Comparative analysis of canonical forms in fault diagnosis and estimation problems, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2022, vol. 23, no. 6, pp. 289—294, DOI: 10.17587/mau.23.289-294 (in Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit3"><label>3</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Ефимов Д. В., Раисси Т. Построение интервальных наблюдателей для динамических систем с неопределенностями // АиТ. 2016. № 2. С. 5—49. DOI: 10.1134/S0005117916020016.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Efimov D., Raissi T. Design of interval state observers for uncertain dynamical systems, Autom. Remote Control, vol. 77, no. 2, pp. 191—225, DOI: 10.1134/S0005117916020016.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit4"><label>4</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Khan A., Xie W, Zhang L., Liu L. Design and applications of interval observers for uncertain dynamical systems // IET Circuits Devices Syst. 2020. Vol. 14. P. 721—740. DOI: 10.1049/iet-cds.2020.0004.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Khan A., Xie W, Zhang L., Liu L. Design and applications of interval observers for uncertain dynamical systems // IET Circuits Devices Syst., 2020, vol. 14, pp. 721—740, DOI: 10.1049/iet-cds.2020.0004.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit5"><label>5</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Kolesov N., Gruzlikov A., Lukoyanov E. Using fuzzy interacting observers for fault diagnosis in systems with parametric uncertainty // Proceedings of the XII-th Inter. Symp. Intelligent Systems, INTELS’16, 5-7 October 2016, Moscow, Russia. P. 499—504.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Kolesov N., Gruzlikov A., Lukoyanov E. Using fuzzy interacting observers for fault diagnosis in systems with parametric uncertainty, Proceedings of the XII-th Inter. Symp. Intelligent Systems, INTELS’16, 5-7 October 2016, Moscow, Russia, pp. 499—504.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit6"><label>6</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Кремлев А. С., Чеботарев С. Г. Синтез интервального наблюдателя для линейной системы с переменными параметрами // Изв. вузов. Приборостроение. 2013. Т. 56, № . 4. C. 42—46.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Kremlev A., Chebotarev S. Synthesis of interval observers for linear systems with variable parameters, Izv. Vuzov. Priborostroenie, 2013, vol. 56, no. 4, pp. 42—46 (in Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit7"><label>7</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Efimov D., Raissi T., Perruquetti W., Zolghadri A. Estimation and control of discrete-time LPV systems using interval observers // Proceedings of the 52nd IEEE Conf. On Decision and Control. Florence, Italy. 2013. P. 5036—5041.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Efimov D., Raissi T., Perruquetti W., Zolghadri A. Estimation and control of discrete-time LPV systems using interval observers, Proceedings of the 52nd IEEE Conf. on Decision and Control. Florence, Italy, 2013, pp. 5036—5041.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit8"><label>8</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Chebotarev S., Efimov D., Raissi T., Zolghadri A. Interval observers for continuous-time LPV systems with L1/L2 performance // Automatica. 2015. Vol. 51. P. 82—89. DOI: 10.1016/j.automatica.2015.05.009.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Chebotarev S., Efimov D., Raissi T., Zolghadri A. Interval observers for continuous-time LPV systems with L1/L2 performance, Automatica, 2015, vol. 51, pp. 82—89, DOI: 10.1016/j.automatica.2015.05.009.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit9"><label>9</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Blesa J., Puig V., Bolea Y. Fault detection using interval lpv models in an open-flow canal // Control Engineering Practice. 2010. Vol. 18. P. 460—470. DOI: 10.1016/j.conengprac.2010.01.002.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Blesa J., Puig V., Bolea Y. Fault detection using interval LPV models in an open-flow canal, Control Engineering Practice, 2010, vol. 18, pp. 460—470, DOI: 10.1016/j.conengprac.2010.01.002.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit10"><label>10</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Liu L., Xie W., Khan A., Zhang L. Finite-time functional interval observer for linear systems with uncertainties // IET Control Theory and Applications. 2020. Vol. 14. P. 2868—2878. DOI: 10.1049/iet-cta.2020.0200.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Liu L., Xie W. Khan A., Zhang L. Finite-time functional interval observer for linear systems with uncertainties, IET Control Theory and Applications, 2020, vol. 14, pp. 2868—2878, DOI: 10.1049/iet-cta.2020.0200.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit11"><label>11</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Marouani G., Dinh T., Raissi T., Wang X., Messaoud H. Unknown input interval observers for discrete-time linear switched systems // European J. Control. 2021. Vol. 59. P.165—174. DOI: 10.1016/j.ejcon.2020.09.004.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Marouani G., Dinh T., Raissi T., Wang X., Messaoud H. Unknown input interval observers for discrete-time linear switched systems, European J. Control, 2021, vol. 59, pp. 165—174, DOI: 10.1016/j.ejcon.2020.09.004.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit12"><label>12</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Mazenc F., Bernard O. Asymptotically stable interval observers for planar systems with complex poles // IEEE Trans. Automatic Control. 2010. Vol. 55, N. 2. P. 523—527. DOI: 10.1109/TAC.2009.2037472.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Mazenc F., Bernard O. Asymptotically stable interval observers for planar systems with complex poles, IEEE Trans. Automatic Control, 2010, vol. 55, no. 2, pp. 523—527, DOI: 10.1109/TAC.2009.2037472.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit13"><label>13</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Meyer L. Robust functional interval observer for multivariable linear systems // J. Dynamic Systems, Meas. Control. 2019. Vol. 141. Art. no. 094502. DOI: 10.1115/1.4043334.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Meyer L. Robust functional interval observer for multivariable linear systems. J. Dynamic Systems, Measur. Control, 2019, vol. 141, art. no. 094502, DOI: 10.1115/1.4043334.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit14"><label>14</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Zheng G., Efimov D., Perruquetti W. Interval state estimation for uncertain nonlinear systems // Proceedings of the IFAC Nolcos 2013. Toulouse, France, 2013.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Zheng G., Efimov D., Perruquetti W. Interval state estimation for uncertain nonlinear systems, Proceedings of the IFAC Nolcos 2013, Toulouse, France, 2013.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit15"><label>15</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Zhang K., Jiang B., Yan X., Edwards C. Interval sliding mode based fault accommodation for non-minimal phase LPV systems with online control application // Intern. J. Control. 2019. DOI: 10.1080/00207179.2019.1687932.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Zhang K., Jiang B., Yan X., Edwards C. Interval sliding mode based fault accommodation for non-minimal phase LPV systems with online control application, Intern. J. Control, 2019, DOI: 10.1080/00207179.2019.1687932.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit16"><label>16</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Жирабок А. Н., Шумский А. Е. Алгебраические методы анализа нелинейных динамических систем. Владивосток: Дальнаука, 2008.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Zhirabok A., Shumsky А. Algebraic methods of nonlinear dynamic system analysis. Vladivostok, Dalnaura, 2008 (in Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit17"><label>17</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Жирабок А. Н. Поиск дефектов в нелинейных системах методом функционального диагностирования на основе обобщенных алгебраических инвариантов // АиТ. 1994. № 7. С. 160—169.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Zhirabok A. Fault isolation in nonlinear systems by fault diagnosis method based on generalized algebraic invariants, Autom. and Remote Control, 1994, no. 7, pp. 160—169.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit18"><label>18</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Kaldmae A., Kotta U., Jiang B., Shumsky A., Zhirabok A.Faulty plant reconfiguration based on disturbance decoupling methods // Asian J. Control. 2016. Vol. 8, N. 3. P. 858—867. DOI: 10.1371/journal.pone.0193972</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Kaldmae A., Kotta U., Jiang B., Shumsky A., Zhirabok A. Faulty plant reconfiguration based on disturbance decoupling methods, Asian J. Control, 2016, vol. 8, pp. 858—867, DOI: 10.1371/journal.pone.0193972.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit19"><label>19</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Жирабок А. Н., Шумский А. Е., Соляник С. П., Суворов А. Ю. Метод построения нелинейных робастных диагностических наблюдателей // АиТ. 2017. № 9. С. 34—48. DOI: 10.1134/S000511791709003X.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Zhirabok A., Shumsky А., Solyanic S., Suvorov A. Method of design of nonlinear diagnostic observers, Autom. and Remote Control, 2017, vol. 78, pp. 1572—1584, DOI: 10.1134/S000511791709003X.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit20"><label>20</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Нелинейная динамика и управление: Сборник статей. Вып. 6 / Под ред. С. В. Емельянова, С. К. Коровина. М.: Физматлит, 2008.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Emelyanov S., Korovin S. eds. Nonlinear dynamic and control. Vol. 6. Moscow, 2008 (in Russian).</mixed-citation></citation-alternatives></ref></ref-list><fn-group><fn fn-type="conflict"><p>The authors declare that there are no conflicts of interest present.</p></fn></fn-group></back></article>
