REGULARISASI SISTEM SINGULAR DENGAN OUTPUT UMPAN BALIK u = Fy + v
(Regularization of a Singular System by Feedback Output u = Fy + v )
ELVINUS RICHARD PERSULESSY
Jurusan Matematika FMIPA Universitas Pattimura Ambon Jl. Ir. M. Putuhena, Kampus Unpatti Ambon
ABSTRACT
(E,A,B,C,D) as a singular system is given. E, A, B and C are real constant matrices if E=I, I is a identify matrix, then (E,A,B,C) is a normal system. A unique solution of a singular system exists if (E,A) is regular. A singular system which is regular and the index is not more than one can be simplified to a normal system.
The regularization of a singular system by feedback output u = Fy + v is investigated in this paper. Furthermore a sufficient and necessary condition of the existence of F such that (E, A+BFC) is regular and the index is not more than one is represented.
Keywords : singular system, regular system, normal system
PENDAHULUAN
Diberikan sistem linier singular time invariant
( )
( )
( )
( )
t
C
x
( )
t
y
t
u
B
t
x
A
t
x
E
=
+
=
dengan variabel state
x
( )
t
∈
R
n , variabel input( )
mR
t
u
∈
, variabel outputy
( )
t
∈
R
p,E
,
A
∈
R
nxn, nxmR
B
∈
,C
∈
R
pxn danm
≤
n
,p
≤
n
. Sistem (1) dapat ditulis sebagai(
E
,
A
,
B
,
C
)
.Eksistensi dan ketunggalan penyelesaian dari sistem (1) terjamin jika matriks pencil
(
E
,
A
)
regular, yaitu terdapat skalarα
∈
C
sehinggaα
E
−
A
≠
0
. Menurut Dai (1989:7), kondisi yang diperlukan agar matriks(
E
,
A
)
regular adalah dapat ditemukannya dua matriks tak singularQ
danP
yang memenuhi(
)
(
1 2)
,
,
1 n nI
A
diag
QAP
N
I
diag
QEP
=
=
dengan 1 1 1 2 1,
xn nR
A
n
n
n
+
=
∈
danN
∈
R
n2xn2 adalah matriks nilpoten berindeksh
yaitu0
,
0
1≠
=
h− hN
N
. Indeks sistem (1), dilambangkan dengan ind(
E
,
A
)
, didefinisikan sebagai indeks matriksN
.Diberikan umpan balik berbentuk v
Fy
u = + ...(3) Jika (3) disubsitusikan ke (1) diperoleh sistem
(
A BFC)
x Bv xE= + + ...(4) dengan matriks pencil
(
E,A+BFC)
.Sistem (1) yang regular dan berindeks tidak lebih dari 1, mempunyai penyelesaian
( )
( )
( )
= t x t x P t x 2 1 dengan( )
( )( )
( )
t
B
u
x
d
u
B
e
x
e
t
x
t t A t A 2 2 0 1 0 1,
1 1−
=
∫
+
=
−ττ
τ
dan syarat awal
x
1( )
0
=
x
0.Selanjutnya akan ditinjau suatu kondisi yang menjamin eksistensi matriks
F
sehingga(
E
,
A
+
BFC
)
regular dan ind(
E
,
A
+
BFC
)
≤
1
.LANDASAN TEORI
Jika
A
adalah matriks berukuranmxn
dengan rankr
a maka terdapatS
A yaitu matriks yang kolom-kolomnya membangun ruang nullA
danS
A merupakan matriks dengan rank kolom penuh. Untuk matriksA
terdapat
R
danS
sedemikian sehingga
=
0
0
0
a rI
RAS
. Dapat dipilih
=
− − a r n AI
S
S
10
. Defenisi 2.1 (Goldberg, 1991: 391)Misalkan
A
matriks real berukuranm n
×
.Bilangan real taknegatif
σ
disebut nilai singular dari matriksA
jika ada vektor taknolu
∈
R
mdanv
∈
R
nsehingga
Av
=
σ
u
danA u
T=
σ
v
.Teorema 2.2 (Goldberg, 1991: 395)
Jika
A
matriks real berukuranm n
×
maka terdapat matriks orthogonalU
∈
R
m m× danV
∈
R
n n×sedemikian hingga T
A USV
=
denganS
∈
R
m n× berbentuk(
, 0)
(
1, 2, 3, , r, 0, , 0)
S=diag ∑ =diag σ σ σ σ dimana
σ σ
1,
2,
,
σ
radalah nilai-nilai singular dariA
. Lemma 2.3 (Chu et.al, 1998)………..……….(1)
Matriks pencil
(
E A regular
,
)
danind E A
(
,
)
≤
1
jika dan hanya jika
[
E]
rank E AS
=
n
.Lemma 2.4 (Chu et.al, 1998)
Jika
E
∈
R
n n× danB
∈
R
n m× danrank B
( )
= ≤
r
bn
maka terdapat matriks-matriks orthogonal
Q
,U
danV
sedemikian hingga 1 21 22 0 0 0 0 0 0 UEV ∑ = ∑ ∑ , 0 0 0 0 0 B UBQ = ∑ dengan
E
22∈
R
r x rb (e+ −rb reb)mempunyai rank kolom penuh dan 1 ( ) ( ) eb b eb b r r x r r
R
− −∑ ∈
, r xrb b BR
∑ ∈
adalah matriks diagonal definit positif.Regularisasi Sistem Singular dengan Output Umpan Balik u=Fy+v. Jika
[
]
ebr
=
rank E B
, ec E r rank C = , rb=rank B( )
dan 0 ebc E B r rank C = maka generalisasi dari Lemma 2.4 adalah
Teorema 3.1
Diberikan
E
∈
R
n n× ,B
∈
R
n m× ,C
∈
R
p n× .Terdapat matriks-matriks orthogonal
U
,V
,Q
danW
sedemikian hingga 1 21 2 23 31 33 41 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 UEV ∑ ∑ ∑ ∑ = ∑ ∑ ∑ , 1 2 3
0
0
0
0
0
0
0
B
UBQ
B
B
=
11 210
0
0
0
0
CC
WCV
C
∑
=
Dengan
∑ ∑ ∑
1,
2,
C matriks yang masing-masing berukuran(
r
eb−
r x r
b) (
eb−
r
b)
,(
r
b+ −
r
ecr
ebc) (
x r
b+ −
r
ecr
ebc)
dan(
r
ebc−
r
eb) (
x r
ebc−
r
eb)
,E
33 matriks dengan rank barispenuh berukuran
(
r
e+
r
ebc−
r
eb−
r
ec) (
x r
ebc−
r
eb)
,1 2 3
T T T
B
B
B
adalah matriks taksingular berukuranb b
r x r
, dan
C
11TC
21T
adalah matriks berukuran(
eb b)
.
p x r
−
r
Bukti :Diberikan
E
∈
R
n n× ,B
∈
R
n m× .Menurut Lemma 2.4, terdapat matriks-matriks orthogonal
ˆ
,
ˆ
U V
danQ
yang masing-masing berukurann x n
,n x n
danm x m
sehingga 1 21 220
0
ˆ ˆ
0
0
0
0
UEV
∑
= ∑
∑
,0
0
ˆ
0
0
0
BUBQ
= ∑
denganˆ
22 r x rb (e rb reb)E
∈
R
+ − matriks dengan rank kolom penuh,∑ ∈
1R
(reb−r x rb) (eb−rb) dan r xrb b BR
∑ ∈
. MisalkanV
ˆ
=
V
ˆ
1V
ˆ
2
denganV
ˆ
1∈
n x r(eb−rb) , ( ) 2ˆ
n x n reb rbV
∈
− + ,E
ˆ
=
E
ˆ
220
danB
ˆ
=
CV
ˆ
2 dengan ( )ˆ
r x n rb eb rbE
∈
− + danB
ˆ
∈
p x n r( − +eb rb) .Menurut Lemma 2.4, terdapat matriks orthogonal
U
*berukuran
r x r
b b,V
* matriks(
n r− eb+r x n rb) (
− eb+rb)
danW
matrikspxp
sehingga( )
( )
( )
2 * * 23 33 0 0 ˆ 0 0 0 0 T T T T T T V E U ∑ = ∑ ∑ atau 2 23 * * 33 0 ˆ 0 0 0 0 0 U EV ∑ ∑ = ∑ ( )
*( )
( )
* 0 0 ˆ 0 0 0 T T T T C V E U = ∑ atau ˆ * 0 0 0 0 0 C WBV = ∑ dengan matriks 33 TE
mempunyai rank kolom penuh dan berukuran(
)
ˆˆ ˆ ˆ
ˆ E rankB x rankE rankB rank
B
+ −
matriks
∑
C berukuranrankB x rankB
ˆ
ˆ.
Jika diambil
( )
( )
( )
1 2 1 ˆ ˆ , ˆ ˆ , ˆ C E y rank rank B B z rank B y rank E y = − = = −maka 1 1 2 y x y
∑ ∈
, z x zC C C∑ ∈
adalah matriks-matriks diagonal definit positif dan 233 C
z x y T
E
∈
matriks dengan rank kolom penuh.Jadi, jika diambil
U
=
diag I U I U
(
,
*,
)
ˆ
dan(
*)
ˆ
,
V
=
V diag I V
maka * * 0 0 0 ˆ ˆ 0 0 0 0 0 I I UEV U UEV V I = 1 1 21 2 23 * * * 21 31 33 41 0 0 0 0 0 ˆ ˆ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 U E U EV ∑ ∑ ∑ ∑ ∑ = = ∑ ∑ ∑ * * * 0 0 ˆ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 B B I UBQ U UBQ I I U I U = = ∑ = ∑ Karena
U
* orthogonal dan∑
B taksingular maka1 * 2 3 B B U B B ∑ =
taksingular dan berukuran
r x r
b b.Selanjutnya 11 * 21
0
0
0
ˆ
0
0
0
0
CC
I
WCV
WCV
C
V
∑
=
=
dengan 1 11 21ˆ
C
WCV
C
=
matriks berukuran(
eb b)
p x r
−
r
. Karena 0 ˆ 0 ˆ 0 0 0 0 ebc E B r rank C E B U V rank C I Q = = 1 21 2 1 1 1 0 0 0 ˆ 0 0 0 0 0 ˆ ˆ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ˆ 0 0 0 ˆ B B B E E rank CV B rank Brank rank rankB
∑ ∑ = ∑ ∑ = = ∑ + ∑ +
maka
z
c=
rank B
ˆ
=
r
ebc−
(
r
eb−
r
b)
− =
r
br
ebc−
r
eb.
Karena 1 21
0
ˆ
ˆ
0
0
UEV
E
E
∑
=
berakibat 1ˆ
er
=
rank
∑ +
rank E
.Selanjutnya
rank E
ˆ
= −
r
erank
∑ = −
1r
er
eb+
r
b.
Diperoleh, 1 21 1 1 ˆ 0 ˆ 0 0 ˆ ˆ 0 0 ˆ ˆ ˆ ˆ ec E U E r rank rank V C I C E E rank CV B E rank rank B = = ∑ = = ∑ + Akibatnya, 1
ˆ
.
ˆ
ec ec eb bE
rank
r
rank
r
r
r
B
=
−
∑ =
−
+
Jadi diperoleh( )
1ˆ
ˆ
ˆ
.
ec eb b ebc eb ec b ebcE
y
rank
rank B
B
r
r
r
r
r
r
r
r
=
−
=
−
+ −
+
=
+ −
( )
2ˆ
1 e eb b ec eb ebc eb ec ebcy
rank E
y
r
r
r
r
r
r
r
r
r
=
−
= −
+ −
−
+
=
−
−
Karakterisasi rank matriks
E
+
BGC
diberikan oleh teorema berikut.Teorema 3.2
Jika
E
∈
R
n n× ,B
∈
R
n m× ,C
∈
R
p n× , maka untuk sebarang bilangan bulatr
yang memenuhi{
}
min
,
eb ec ebc eb ecr
−
r
−
r
≤ ≤
r
r
r
adaG
0∈
R
m x p sehingga(
0)
rank E
+
BG C
=
r
Atau, ekuivalen dengan
(
)
{
rank E
+
BGC
\
G
∈
R
m x p}
=
S
ebcdimana
S
ebc=
{
r r Z r
|
∈
,
eb− −
r
ecr
ebc≤ ≤
r
min
(
r r
eb,
ec)
}
.
Bukti :
Menurut teorema 3.1, untuk
E
∈
R
n x n ,B
∈
R
n m× , p nC
∈
R
× terdapat matriks orthogonalU
,V
,Q
danW
sehingga 1 21 2 23 31 33 41 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 UEV ∑ ∑ ∑ ∑ = ∑ ∑ ∑ ; 1 2 3 0 0 0 0 0 0 0 B UBQ B B = 11 21 0 0 0 0 0 C C WCV C ∑ = Untuk sebarang
G
∈
R
m x p , misalkan1 2 3 4
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
T TG
G
G
Q GW
G
G
=
=
maka(
)
[
]
[
]
0 0 0 0 T T I I rank E BGC rank E B G C I Irank UEV UBQ
Q GW WCV + = = 1 21 1 1 11 1 2 21 2 23 1 1 31 2 1 11 2 2 21 33 2 1 41 3 1 11 3 2 21 3 1 0 0 0 ˆ ˆ ˆ 0 ˆ ˆ 0 ˆ 0 ˆ ˆ 0 ˆ 0 0 0 0 0 C C C B G C B G C B G C rank B G C B G C B G C B G C B G C B G C ∑ ∑ + + ∑ ∑ + = ∑ + + ∑ + ∑ + +
Karena
∑
1 dan∑
2 tak singular maka diperoleh(
)
1 2 33 2 1 3 10
0
0
0
0
0
ˆ
0
0
0
ˆ
0
0
0
0
0
0
0
C Crank E BGC
rank
B G C
B G C
∑
∑
+
=
∑ +
Menurut teorema 3.1,
rank
∑ =
1r
eb+
r
b dan2 b ec ebc
.
rank
∑ = +
r
r
−
r
Akibatnya,(
)
33 2 1 1 2 3 1 33 2 1 3 1 ˆ ˆ ˆ ˆ C C C eb ec ebc C B G Crank E BGC rank rank rank
B G C B G C r r r rank B G C ∑ + + = ∑ + ∑ + ∑ + = + − + Selanjutnya, 33 2 1 2 1 3 3 1
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
C C CB G C
B
A
G
B
B G C
∑ +
= +
∑
denganˆ
330
E
A
=
berukuran(
r
ebc−
r
ec) (
x r
ebc−
r
eb)
.
Karena
B
1TB
2TB
3T =
TU
*∑
B dan∑
C taksingular maka dipilih(
)
( )
1 * 1 1 1 * 1 0 0 ˆ ˆ 0 0 ˆ B C T C G U X A U X A − − − − = ∑ − ∑ = ∑ − ∑ Dengan (rebc rec) (x rebc reb)
X
∈
R
− − adalah suatu matriks yang memenuhi(
)
0
≤ =
i rank X
≤
min
r
ebc−
r r
ec,
ebc−
r
ebAkibatnya, dari (6), (7) dan 1
2
X
X
X
=
diperoleh( )
33 2 1 3 1 2 1 * 1 3 1 1 1 2 2 1 33 3 3 2 1 33 2 ˆ ˆ 0 0 ˆ ˆ 0 0 0 ˆ 0 0 ˆ C C T B C C B G C rank B G C B rank A U B X A B B I rank A B B X E I B B X X E rank A X − − − ∑ + = + ∑ − ∑ ∑ = + − − = + rank X i = =Akibatnya dari (8) dan (9) diperoleh
(
)
33 2 1 3 1 ˆ 0 ˆ min , C C ebc ec ebc eb B G C rank B G C r r r r ∑ + ≤ ≤ − −Dari (5), (10) dan misal
r
=
rank E
(
+
BGC
)
diperoleh
(
)
0
≤ − − +
r r
ebr
ecr
ebc≤
min
r
ebc−
r r
ec,
ebc−
r
ebDengan kata lain,
(
)
min
,
eb ec ebc ebc ec ebc eb
r
+ −
r
r
≤ ≤
r
r
−
r r
−
r
Diberikan 1 11 0 0 0 0 0 0 ˆ 0 0 0 0 0 C I I V V C I I − = − ∑ maka diperoleh : …(5) ..(6) ………(7) ………(8) ………..………(9) ………(10)1. 1 11 0 0 0 0 0 0 ˆ 0 0 0 0 0 C I I UEV UEV C I I − = − ∑ 1 21 2 23 31 33 41 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ∑ ∑ ∑ ∑ = ∑ ∑ ∑ dengan
E
ˆ
21=
E
21−
E
23∑
C−1C
11 dan 1 31 31 33 11ˆ
CE
=
E
−
E
∑
−C
2. 1 11 0 0 0 0 0 0 ˆ 0 0 0 0 0 C I I WCV WCV C I I − = − ∑ 11 21 0 0 0 0 0 C C C ∑ = Selanjutnya 11 12 13 14 21 22 23 24 31 32 33 34 41 42 43 44 51 52 53 54 ˆ A A A A A A A A UAV A A A A A A A A A A A A = Teorema 3.3 Jika[
]
0 EC EC E AS rank E AS B rank n C = = dengan
S
EC matriks yang kolomnya membangun ruangnull dari
E
C
makaA
54 dan 1 14 31 34 41 44 54 21 ˆ 0 0 A E A E A A C ∑ masing-masing matriks dengan baris penuh dan rank kolom penuh.
Bukti
Diketahui
rank E
[
AS
ECB
]
=
n
, maka1 1 1 1 14 21 2 23 24 1 31 33 34 2 41 44 3 54 ˆ ˆ ˆ 0 0 ˆ ˆ 0 0 0 0 ˆ ˆ ˆ 0 0 0 0 0 ˆ 0 0 ˆ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 . EC EC EC rank E AVV S B V rank U E AVV S B I Q rank UEV AVV S UBQ
A E E A B rank E E A B E A B A n − − − = = ∑ ∑ = =
Karena
R
=
B
1TB
2TB
3T
dan∑
1 taksingular dengan rank rb dan rank reb+rb, maka diperoleh1 54 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 rank R n A ∑ = atau 1 54
rank
∑ +
rank A
+
rank R
=
n
.Akibatnya,
rank A
54= −
n r
eb atauA
54 matriks denganrank baris penuh, dengan
A
54 matriks berukuran(
n r
−
eb) (
x n r
−
eb)
. Karena diketahui0
ECE
AS
rank
n
C
=
maka 1 1 1 1 14 21 2 23 24 31 33 34 41 44 54 21ˆ ˆ
0
ˆ ˆ
ˆ
0
0
0
0
0
ˆ
ˆ ˆ
ˆ
0
0
0
0
ˆ
0
ˆ
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
EC EC EC CE
AVV S
rank
C
U
E
AVV S
V
rank
W
C
I
UEV
UAVV S
rank
WCV
A
E
E
A
E
E
A
rank E
A
A
C
− − −
=
=
∑
∑
=
∑
.
n
=
Karena
∑
2 dan∑
C tak singular maka 1 14 21 2 23 24 31 33 34 41 44 54 21 0 0 0 ˆ 0 ˆ 0 0 . 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 C A E E A E E A rank E A n A C ∑ ∑ = ∑ Akibatnya, 1 14 31 34 2 41 44 54 21 ˆ 0 0 C b ec eb A E Arank E A n rank rank A C n r r r ∑ = − ∑ − ∑ = − − − Karena matriks 1 14 31 34 41 44 54 21 ˆ 0 0 A E A E A A C ∑ berukuran
(
n
+ +
p
r
eb− −
r
br
ec) (
x n r
− −
br
ec−
r
eb)
makamatriks tersebut merupakan matriks dengan rank kolom penuh.
Selanjutnya, kondisi yang menjamin eksistensi umpan balik
u
=
Fy
+
v
diberikan oleh teorema berikut.Teorema 3.4
Diberikan
E
,A
∈
R
n n× ,B
∈
R
n m× ,C
∈
R
p n× ,m
≤
n
,p
≤
n
maka terdapatF
∈
R
n p× sedemikian sehingga(
E A
,
+
BFC regular
)
dan(
,
_
)
1
ind E A
+
BFC
≤
jika dan hanya jika[
]
.
0
E E EE
AS
rank E
AS
B
rank
n
CS
=
=
Bukti Menurut Lemma 2.3 :(
E A BFC
,
+
)
regular dan ind(
E A
,
+
_
BFC
)
≤
1
(
)
(
)
[
]
[
]
(
0
)
E E E E Erank E
A BFC S
n
rank E
AS
BFCS
n
rank
E
AS
BF
CS
n
⇔
+
=
⇔
+
=
⇔
+
=
Menurut teorema 3.2, terdapat
F
sedemikian hingga memenuhirank
(
[
E
AS
E]
+
BF
[
0
CS
E]
)
=
n
ekuivalen dengan[
]
min , 0 E EC E E AS n rank E AS B rank CS ≤ ...(11) dan[
]
0 0 0 . EC E E E E rank E AS B E AS rank CS E AS B rank CS n + − ≤Dari (10) menyatakan bahwa n≤rank E
[
ASEC B]
dan 0 E E E AS n rank CS ≤ .
Karena
E
berukurannxn
maka[
EC]
rank E AS B ≤n dan . 0 E E E AS rank n CS ≤ Terbukti bahwa[
]
. 0 E E E E AS rank E AS B rank n CS = = KESIMPULANDari pembahasan di atas dapat diambil kesimpulan sebagai berikut.
Untuk sistem singular
( )
( )
( )
( )
( )
ˆ
Ex t
Ax t
Bu t
y t
Cx t
=
+
=
denganE A
,
∈
R
n n× ,B
∈
R
n m× ,C
∈
R
p n× ,m
≤
n
,p
≤
n
danr
ec≤
r
eb, berlaku :terdapat matriks
F
∈
R
mxp sedemikian sehingga(
E A BFC regular, +)
, ind E A(
, +_BFC)
≤1 jika danhanya jika
[
]
.
0
E EC EE
AS
rank E
AS
B
rank
n
CS
=
=
DAFTAR PUSTAKAChu, D. L., Chan, H. C., Ho, D. W. C. Regularization of Singular Systems by Derivative and Proportional Output Feedback SIAM J. Matrix Anal. Appl., 19 (1998), pp. 21-38.
Cullen, C. G. 1996. Matrices and Linear Transformations. London : Addison-Wesley Publishing Company. Dai, L. 1989. Singular Control Systems, Lecture Notes in
Control and Information Sciences 118. Berlin : Springer-Verlag.
Goldberg, J. L. 1991. Matrix Theory with Application. United States of America: McGraw-Hill Inc. Olsder, G. J. 1944. Mathematical System Theory.