In te r n ation a l Jou rn al  o f Po we r  Elec tron ic s an d   D r ive S y stem  (IJ PED S )  V o l.  10, N o.  3, S ep 2019,  pp.  1 2 2 9 ~1 2 4 3   ISSN: 2088- 8694,  DOI :   10.11591 /ijpeds. v10. i 3.pp1229-1243     1 2 29     Jou rn a l  h o me pa ge :  ht tp: //i a e score . com / j o u r na l s / i n d e x . p hp/IJ PED S   A compara t ive study of no n li near circl e criterion based  observer and H ∞ observe r  for induction m otor drive        Far i d   Ber rez ze k 1 ,  W a f a  B o u rb i a 2 ,   Bachir  Ben sa ker 3    1  F acu lty of. S c i en ce and   Tech no l o g y ,  LEE R Lab , S o u k   Ahras Univ e rsity,   A l geri a.   2, 3  LSE   L ab , Bad j i  Mok h t ar Un i v e rsi t y ,   A l g éri a .       Art i cl e In fo     ABSTRACT  A r tic le hist o r y :   Re ce i v e d  Jan  7 , 2019   Re vise d Mar   1,  201 9   Ac ce p t ed  M a y  2 8 ,  2 019      Th is   p aper  d e a ls  w it h  a  co m p arati v e  st ud y  o f   c ircle  crit erion   b ased   n on li near  ob serv er   an d  H ∞   o bse r v e r  fo r  in du c t io n  mo to r  (I M)  d rive .  The   a d v a nta g e   of  th e  circl e   c riterion   a pp roach  f o r   n o n l i near  o bs erver  d e sig n   i s   th a t   i t  d i r e c t l y   h a nd le s  the   no nlin e a r i t ie s  o f   t h e   s ystem  w ith  l ess  restri c tion  c o ndi ti on s  in  c o ntra st  o f  the   othe r  me th o d s  wh ich  at tempt  to  e limi n ate  them.  Ho w e ve r   t h e   H ∞   o b s erv e r  gu aranteed   t he  s tab i lity   t akin g  into   accou n t  di st u r ba n ce  an d   no is e  at tenu ati o n .   L in ear  m atri x   in equal i t y   ( LMI)  opt im i zatio n  app r oach   i s   us ed  t o   co m pute  th e  g a ins   m a trices   f o r   t he  t wo  o b s erv e rs.  The  s im u l ati o n  results  s how  t h e  supe ri ority  o f   H ∞   o bs e r ver  i n   t he  s ense  t hat   it  can   a chi e ve   con v erg e n ce  t o   t he  t ru e  state,   d es pi te  t he  nonl in e a rity   o f   mod e l  and  the  pres ence o f  dist u rban ce.   K eyw ord s :   C i rc le   c r i te ri on    H ∞   ob se r v er    Ind u ct i on m o to r     Li n e ar m atri x   ineq ual i t y   L y ap un ov  st ab il ity   No nlinear  o b s erver     Co pyri gh t © 2 019 In stit u t e  of Advanced  En gi neeri n g  an d  S c ien ce.   All  rights   res e rv ed.  Corres pon d i n g  Au th or:   Fa rid Berr ezz ek,     D e pa rtem ent o f   E lectr i c a l E n gi nee r in g,   Mo ham e d C h e r if Messaa d ia -S ouk  ahra s  U n ivers i t y , LEE R,  S ouk-A h ras,  A lger ia , 410 0 0 .   Em ail:  f.be rre zze k@ u n iv- s o u k a h ras.dz       1.   I N TR OD U C TI O N    F o r  a  lon g   t i m e,   t he   i n duc t i o n   m o t or   i s   co n s ide r ed  a s   a  pri n ci p a l   w or kh orse  i n  t h e  ind u s t ry  d ue  t o  its   rob u st n e ss,  h igh  rel i a b i l i t y ,   re lat i ve ly  l ow   c ost ,   m odes t   m a i nt e n a n ce  re qu i r em ents  a nd   e f f icie nc y  [1,   2] .  H o w e ve r,  i nd u c t i o n   m otor   i s  als o   k now n  as  a   c om ple x   n o n l i ne ar  s ys tem ,   i n  w h ic h  tim e- varyi ng  par a m e ters  e n t a il   a dd it io na l   di ff i c ul ti e s   f o r   m a c h i n e   c o n t r ol ,  c o ndi t i o n s   m oni t o ri n g   a n d   f au l t   d ia gn ost i c  p u rpo s es  [ 1] .  The  ma in  p ro blem   w i t h  i nduc t i on  mo t o r  i n d u s t ria l   a p p l i c a t i o ns  i s  th at  o nly   a  f e w  st a t e   v a ri abl e s  o f   t h e   ma chine  are   a v ail a b l e   for o n -l ine  me asure m e n ts.   This is d u e   t o   tech n i ca l   an d/ or  econ o m i c a l c o n s t r ai n t s.    I n   o rde r   t o   per f orm   adva nce d   c on t r ol   t ec h n i que s,   c ond it io n s   m on i t o ri ng   a n d   f a ul ts  d i a gno si s   th e r e  i s   a  gre a t  nee d   o f   a  re l i a b le  a nd   acc urate  e s tim ati on  of  t he   k e y   u nme a sura bl e  sta t e   va ria b le s  o f   t he  m ac h i ne .  In   th i s   c on t e xt ,   t h e  obse r ver  des i g n   t he ory  see m s  to  b e   an  i d e al  s o l uti on.  O ver  t h e   last  t w o   d ec a d es,   no n l i n e a r   obs erve r  des i g n   p r o b l em   h as  r e ceive d   muc h   a t t en t i o n   i n  t h e  l ite ra ture .  S e ve ral  a t tem p ts  h ave  be e n   m ad e   fo r   part icu l ar   c lass es  o f  no n l i n ea r   syste m s.   E xist in g  a pproa c h es   c a n  be   r o u g h l y  clas sifie d   a s  fol l ow s :   N o n li ne ar  st a t e  l i n ear i z a t i on  ap proa c h es,  hi g h - g a i n  obse r ver s ,   geom etric   al gori t h m s,  v a r i a bl e   st r u ctu r e   d e si gn  proce dures,   and  alge bra i c te c h n i q u e s  [3- 6].   Th e  p r ob l e m  wi th   s en so rl e s s  i n du c t ion   moto r  in du st ri a l   a pp l i c a t i o ns  i s  w h ic h   a p proac h   t ha t  pro v i d e  the m o s t  ac c ura t e a nd re lia ble   estima t i o n  o f  unm ea sur a ble  sta t e  v a r i a b l es o f   t h e ma ch i n e   sy st em.    I n   t his  pa per   w e   f oc us  our   a tte nti on  o n   t h e   p erforma n ce   c o m pa ri so n  of  t h e   s o   c a lle d  c i rc l e   c ri ter i o n   appr oa ch  a n d   H ∞   o b s e r v e r  d e sig n   fo r  i nduc t i o n   mo to r  (I M )   s y s te m.  T h e   a dv a n t a g e   o f  t h e  circ l e   c riter i on   appr oa ch  i s  th e  dire c t   h a n d l ing  t h e  sys t e m   n o n l i n ear it ies  by  e x pl o i t i ng  the i r   pr opert ies.   T hi s  ap proa c h   i s  les s   restric t i v e  com p are d   t o t h e   o t her   m e th ods  a s  li n e ariz a t i o n  a ppr oa ch,   h i g h   g a i n obser ve r  a nd  va ria b le  s tr uc t u re  des i g n   p r o ce d u res  w itc h  a t t e m p t  t o   e li m i nate  t hem   [5,   6].   The  H ∞   obs erve r  is  u se d  t o   guara nt i e s  t h e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
          IS S N : 208 8- 869 4   Int J  Pow  El ec &   D ri  S yst ,  Vol .  10,  N o.   3 , Se p   2 019 : 1229 –  1 2 43  1 230 ro bu stn e ss  ag ai ns t   no nl in e a ri ti es  a ssu me d   to  b e  e q u i v a l e nt   t o  s om e  unc e r t a in tie s  d u e  to   i nter na l   a n d  e x t r e r nal   di st urba nces  a nd m e a s urem ent n o i ses  [7-12 ] .  To m ake a c o m p ara t i v e s t ud y be twee n t h e circ l e   c ri t e ri on ba se d  o b ser v er  and  H ∞   observer  d esign for  in duc t i on  m o tor   deri ve,   w e   u se  o ne   o f  the   sta n d a rd  m o d e l   o f  a n   in du ct i o n   mo to r.  T hi s  ty p e   o f   n onl in ea r  mode l  is  g e n e r all y   u se d  fo r  perfor ming  no n l i n ear   c ont rol  stra te g i es,   con d i t i ons  m on i t or in g  an d   fau lts   dia g no si s  o f  e le ctric  ind u c t i o n m a c h ine s y st em s.  The  pa per  i s  organize d   a s  follows :   In  t h e   s eco nd   a nd   t hi rd   s e c t io n w e  prese nt  t he  t he o r y  of no n line a r   obs erve r  and  t h e  no nl i n ea r  o b serve r   b ase d   c ircle   cri t eri o n   re sp ect ive l y.  T he   r o bus t  H ∞  o b s e r v e r   i s   p r e s e n t e d   in  t he   f o u rt h   s e ctio n.   I n  the   fift h  se ct i o n  w e   p rese n t   t he  c ons ider ed  n on li nea r   i nduc tio n  m o t o r   m o del.   F inl a y,  w e   p rese nt   s i m ula t ion  re su lts  a nd  com m e n t s .   A  concl u s i on  end s  t h e  p ap er.      2.   T H E NONLIN E AR  L U E N BE R G ER OBSERVER DESIGN   We  r eca ll  t h at   a n  o b serve r   i s  a  dy na mica l  sy stem   w h i c h   u se s  t h e   a va i l a b l e   i n put- o u t pu t  data  t o   re co n s t r u c t   th e  u n m ea su rabl e  sy st e m   s t a t e   v ari a bl es.  It   i s  a   “s oft  se n s or ”  tha t   p la ys  a n  im por tan t   r ol e   no t  o n ly   in  s e n s o rle s s  c o n t ro l  t e c h ni q u es  b ut  a ls o  in   c on di t i o n s  mon i tor in g,  f a u l t   di a g n o sis,  p re di c t i v e   m a i n te nanc e   and  fa u lt t o lera nt   c o n t ro l tec h niq u e s   [ 1,  2 ].    In   t hi s  p a p e r,   w e  con s i d e r   a   c l a ss  o f  no nl i n ea r  sy st ems  th a t   c a n  be  d ecom p ose d   i n  line a r  a n d   nonl inear  parts   as :    )) ( ), ( ( ) ( ) ( t u t x F t Ax t x  ( 1 )     ) ( ) ( t Cx t y    ( 2 )    Where ) ( t x stan d fo r t h e   sys t em  st a te varia b l e,   ) ( t u  for system   in pu t a n d ) ( t y f o r   the system   o utput.  The  fu nc ti on  )) ( ), ( ( t u t x F   r e p resents   t h e  system   n on l i ne ar i t ies.   F or   t h i s  type   o f  n onl i n e a r  s y s t e m ,  a  g e n e r a l   no n l i n ea r  ob se rver  (Lue nberg er ) e xpressi o n  is a s   f o l l o w s :     )) ( ˆ ) ( ( ) , ˆ ( ) ( ˆ ) ( ˆ t y t y L u x F t x A t x    ( 3 )    ) ( ˆ ) ( ˆ t x C t y    ( 4 )     Where  ) ( ˆ t x   s tan d s   for  t h e  es ti m a te d  s t a t e.   W e  assume   t hat  t h e  non li nea r   f u n ct ion  )) ( ), ( ( t u t x F  i s   loca l l y L i p s ch i t z   wit h  r espec t   t o  t h e sta t e  vari a b l e ) ( t x .  ) ( ˆ ) ( )) ( ), ( ˆ ( )) ( ), ( ( / ), ( ˆ ), ( t x t x t u t x F t u t x F t x t x Wi t h   0 as the  L i p sc hitz  co n st an t;     Th e o r e m   1  [1 3] :   C o nside r   L ip sch i t z   n on lin ea r  system   ( 1)- ( 2)  a long  w i t h   t he  o bse rver   ( 3)-( 4).  The  ob ser v er  err o r  dy nam i cs   a re  a sym p t o t i call y   s ta b l e  wi th   m axim um  a dmiss i b l e  Lip s ch it z  con s t a nt   i f  th ere   e x i s t   sca l e r s  0  and  0  a n d  m atr i ce s   0 P a nd  G  su c h t h at  t he  fo l l o w i ng  L MI o pt imi z a tio n  pro b lem   has a   so l u tio n  ) min( .  0 2 ) ( ) ( P P P LC A P P LC A T    ( 5 )      0 2 1 2 1 I P P I    (6 )   W ith   1 * ) max( ˆ   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   E l e c  &  D ri S yst  IS S N :   2088- 86 94       A c o m para tive   st udy o f   non l i n e ar c i rc l e  c r i t e r i on b a se d  ob se rver  and  H ∞  ob s e r v er …..  (Fa r id  Berrezzek)   1 231 Proof:   D e finin g   t he  o bser ver  error   a s ) ( ˆ ) ( ) ( t x t x t e ,  t h e n  t he  o b s e r ver   er ror  dy nam i c s  ar e  give n   b y:    )) ( ), ( ˆ ( )) ( ), ( ( ) ( ) ( t u t x F t u t x F e LC A t e    ( 7 )      I n the foll ow i ng w e  use  n o t a tio ns :   )) ( ), ( ( t u t x F F   a nd  )) ( ), ( ˆ ( ˆ t u t x F F     The  tim e  deriv a ti ve  o f the  L y apu n ov fu nc ti o n   Pe e V T   can  b e  expre s se d as:     ) ˆ ( 2 )] ( ) [( ) ( F F P e e LC A P P LC A e t V T T T    ( 8 )      By  u sin g   t he  L ip sch i tz pr ope rty w e  have :     e P e F F P e T T 2 ) ˆ ( 2    ( 9 )     The n eq ua ti on  ( 8) be c om es:     0 ] 2 ) ( ) [( ) ( e P e LC A P P LC A e t V T T T    ( 10)    Th ose le ad s to :       0 2 ) ( ) ( 1 P PP LC A P P LC A T    ( 11)    By  u sin g   t he  S chur  c om p l e m e n t   t h e o rem   we  t he refore  o bta i n  t h e   f oll o w i ng l i near  m atrix ine q ua li t y  (LMI) :    0 2 ) ( ) ( P P P LC A P P LC A T    ( 12)    The  Lipsc h itz  c on sta n t c a n b e  com pute d  a s fo l l ow s :   F o r   any  Lyap u n o v  func tio n  Pe e V T we h av e:  2 max 2 min ) ( ) ( e P Pe e e P T      ( 13)    2 min ) ( 2 2 e P Pe e T     ( 14)    Le t:  Q LC A P P LC A T ) ( ) (   ( 15)    The n   t he  t ime   der i va ti ve  ca n  be  w r itte n a s :  0 2 ) ( 2 e P Qe e t V T   ( 16)       0 ) ( 2 ) ( ) ( 2 max 2 min e P e Q t V     ( 17)    So :  ) ( ) ( 2 min max Q P    ) ( ) ( 2 1 max min P Q    ( 18)    In a dd iti on,  s i n c e  P  is posi t i v e   de fi nite,   sup p o se  I Q .F ro m t h e  eq u a ti on  (1 8 )  we   ca n   w r i t e :     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
          IS S N : 208 8- 869 4   Int J  Pow  El ec &   D ri  S yst ,  Vol .  10,  N o.   3 , Se p   2 019 : 1229 –  1 2 43  1 232 0 ) ( 2 1 max P     ( 19)    A nd  ) ( ) ( max P P   S o   f rom   ( 19):   2 1 ) ( P    ( 20)  Wh ic h  i s   e q u i v alen t t o :   0 ) 2 1 ( 2 P P I T      ( 21)    U s ing  S c hur c omplem en t  l e mm a   0 2 1 2 1 I P P I   ( 22)    Defi n i ng   1 , (6)  i s  ac hi e v ed.       3.   CIRCLE   CRITERION BASED NONLINE A R OB S E R V E R   D ESIGN  I n   c o n t r as t  of  t he  line a riz a t i o n- base d  a n d   h i g h -ga i n  a ppr oac h e s   w h i c h   a ttem p t  t o   e limi n a t e  t h e   syste m   n o n l i n ear i t ies  us in g  a  no nl ine a r  st ate  t r ans f orm a ti o n   o r   t o  d o m inate   t h e m   by  a   hi gh  gai n   t e r m   of  corr ecti on,  c ir cle - criter i o n   e xp l o its  t he  p r o pert ies  of  t he  s ys tem   no nl i n e a r i t i es.  In  its  b a s ic   f orm ,   i nt r oduc e d   by  A r cak  a n d   K ok oto v ic  [ 14 ],   t he  a p p roa c h   i s  ap p lica b le   t o  a  c l ass  o f   s ys tem s   t hat  c a n  be  d ec om p o se d  i n   line a r  and n o n l i nea r  pa r ts  w i t h  a  cond i t i o n t h at  t he  n on l i ne ari t i es sat isfy t he  sec tor  prope r t y  [1 4-1 6 ].    .   3.1.   Ba s i c se cto r  pr o pe rti e s   A   me moryle ss   n o n l i ne ar  f un cti on  p p R R t z F [ 0 [ : ) , (   i s  said  t o  be l ong  t o  the  sector   [ 0 [   if  0 ) , ( t z zF .  Let  1 v  a n d   2 v  t w o  r e a l   p o s i t i v e   n u m b e r s ,   b y  s e t t i n g   2 1 v v z  a n d )] , ( ) , ( [ ) , ( 2 1 t v F t v F t z F ,   the  above  s ec tor  pro p ert y   i s  equ i vale n t  t o:      R v v t v F t v F v v 2 1 2 1 2 1 , 0 )] , ( ) , ( )[ (    ( 23)    Re lat i o n   (2 3)  s ta tes  t h at   t he   n on li nea r   f un c t i o n ) , ( t z F   i s  a  n ond ec rea s in g  func t i o n .   O n   th e   o t h e r  han d  i f  ) , ( t z F  is a  co nt i n u ous ly d iff e re ntiab l e   func ti o n  the  a b o v e  rela tio n i s e q u i va l e n t   t o [7] , [8]:     R z t z F d z d 0 ) , (    ( 24)    I f   t he   n o n l i ne a r   f unc t i o n ) , ( t z F do e s   n o t   s a t is fy  t he  p os i t i v i ty  c on d i t i on  ( 24)   w e   intr od uce   a   f un ct i on  ) , ( t z F  su c h   th a t:      R z t z F dz d z t z F t z F , ) , ( , ) , ( ) , (      ( 25)    An d:  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   E l e c  &  D ri S yst  IS S N :   2088- 86 94       A c o m para tive   st udy o f   non l i n e ar c i rc l e  c r i t e r i on b a se d  ob se rver  and  H ∞  ob s e r v er …..  (Fa r id  Berrezzek)   1 233 R z t z F d z d t z F d z d 0 ) , ( ) , (      ( 26)    I n   t he   m u l t i v ariab l e  case   the   sect or  p r o pe rt y   ca n  be  w rit t en   a s :  0 ) , ( t z F z T .  W h ere  z an d ) , ( t z F   are   r e spec tive l y ve ct ors of an   appro p r i a t e   d i m e nsion.     3.2.   Non l in ear  Ob serve r   D esign   The   c i r c le  c rit e rio n   b ase d   non l i nea r   o bser ver  desi g n   c a n   b e   per form ed  f or  a   c lass  of   n onl inear   syste m   t ha t  the   m odel  can  b e  d e com p ose d  i n t o l i n ear  par t   and  no nl i n ear  par t as  t he  foll o win g  [1 4 -1 6] :    )] ( . [ )] ( ), ( [ ) ( ) ( t x H GF t y t u t Ax t x    ( 27)    ) ( ) ( t Cx t y    ( 28)    Wh ere A ,  C  a n d   G  a r e  k n o w n  c o n s t a n t  m a t r i c e s   w i t h  a p p r o p r i a t e   d i m e n s i o n s .   T h e  p air  ) , ( C A  i s   assum e d  t o   b e   observa b l e .   T he   t erm   )] ( ), ( [ t u t y   is  a n  a r bi trary  rea l -value d  ve ct or  t h a t  de pen d s  on l y   o n  t h e   system  m easured  c ont ro l   in pu ts  ) ( t u   a n d   ou t put s ) ( t y .  The  no n l i n ea r  pa rt  o f  the   system   i s  i n c l ude d  in  t h e   term )] ( . [ t x H F   w hic h   i s   a  tim e-va ry i n g  ve c t or  f u n c t i on  veri fy i ng  t h e  sec t or  p r o pe rty.  I n  t h e  f o l l ow i n g  w e   rec a ll t h e ma i n  the ore m  and c o n d i t i o n s  t hat a r e used in th is  w o r k  to s t ud y the  fea s i b i l i t y of no n l i n ear  o b s erve r  des i g n   f or   i nd uct i on  m o t o r  sens orless  c o n t r o l   w ith  r e s pe c t   o f  c irc l e  c r i t e r io n  or   s ec t o r   pro p er t y .   A   de tai l e d   pro o f  o f  the  t h e ore m   i s  presen te d i n  re f er ence  [1 7 ] .     Th e o r e m   2   [1 4,  1 5]:  C o nsid e r   a   n on li nea r   s y s tem   o f   t he   f orm   ( 2 7 ) -(28)  w it h  t h e  no n lin e a r  par t   s at is fy in g  t h e   circl e   c riterion  r e lations  (23) -( 26).   I f   t he re  e xi st  a   s ym m e tri c   a n d   po s itiv e  d e fi nit e   m a t ri x   nxn R P   a nd  a   se t   of  r ow  ve c t o rs p R K suc h  tha t   the   foll ow i n g li near  m atrix i n eq ua li tie s (LMI)   hol d:    0 ) ( ) ( Q LC A P P LC A T    ( 29)    0 ) ( T KC H PG    ( 30)    The  no n line a r   ob se rver  d e s ign  re fe rs  t o  t h e  se l e c t i on  of  t he   g a i n   m a t ri ces  L  a n d   K   s at i s fy i ng  t h e  L M I  con d i t i on s  (29) -( 30).  Wit h   n I Q   a s  a  define d  p o s i tive   kn ow n  m a tri x ,  n I   i s  an  n -t h   order   un i t y  m a t r ix  a n d    is a   sm all   po siti ve  r ea l   numb e r.    The n   a  non l i ne ar  observe r  can  b e de signe d as:     ))] ( ˆ ) ( ( ) ( ˆ [ )] ( ˆ ) ( [ )] ( ), ( [ ) ( ˆ ) ( ˆ t y t y K t x H F G t y t y L t y t u t x A t x    ( 31)    ) ( ˆ ) ( ˆ t x C t y    ( 32)    A nd  0 ) ( ˆ ) ( ) ( lim t x t x t e t ,  where  ) ( ˆ t x is  t he  e s tima t e   o f   t he   s ta te   v ec tor  ) ( t x  o f   t h e   n onl in e a r  sy st e m .  On e  c a n   s ee  th at   t h e   s t r u c t u re   o f  t h e  nonl in e a r   obse r ver   is   c om p o se d  of  a   line a r  part   t hat   is  si m i lar  to  line a r   L uen b e r ger   o b se rver  a n d   a   n o n li nea r   p art  tha t   i s  a n   a d d it io na l  term   t ha t   repre s ents  t he   tim e- vary in g n o n l in ear i t ies  sa t i sfy i ng t h e  sec t or  p roper t y.     Proof:   The  dynam i cs of t h e s t ate   es tima t i on  e rror   ) ( ˆ ) ( ) ( t x t x t e a r e   gi ve n by :   ))] ( ˆ ) ( ( ) ( ˆ . ( )) ( . ( [ ) ( ) ( ) ( t y t y K t x H F t x H f G t e LC A t e    ( 33)    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
          IS S N : 208 8- 869 4   Int J  Pow  El ec &   D ri  S yst ,  Vol .  10,  N o.   3 , Se p   2 019 : 1229 –  1 2 43  1 234 Let  ) ( . 1 t x H v  a n d )) ( ˆ ) ( ( ) ( ˆ . 2 t y t y K t x H v ,  by  se tti n g ) ( ) ( 2 1 t e KC H v v z ,   the  te rm   b e t w e e n   brac ke ts in ( 3 3)  ca n  be   see n  a s  a  funct i on o f   t he  va r iab l e  z  t hen :   ) , ( )] ( ) ( [ 2 1 t z f v f v f .  The  ex pre s si on   ) , ( )] ( ) ( )[ ( 2 1 2 1 t z zF v F v F v v   s atisf i es the  p ropert y  of t he  s ector.   Ta ki ng  in t o   a c c o unt  t h e  a bove  re s u l t ,  t h e  e rro r  d yn ami c s i n  (3 3 )   ca n be  r ew rit t e n  as:     ) , ( . ) ( ) ( ) ( t z F G t e LC A t e    ( 34)    ) ( ) ( t e KC H z    ( 35)    Re lat i ons  ( 3 4 )-(35)   s how ,   on c e   a ga in,   t h a t   t he  e r r or  d y n a m ics  c an  t h e n   be  c ons i d ere d   a s  a  l i ne ar   syste m   c on t r o lled  by  a  t i me -varyi ng  n o n l ine a ri ty  f u n c t i o n ) , ( t z F   s a t i s fy i ng  t h e  se ct or  p ro per t y.   C i r cle   criter i on   e st a b lis hes  t h a t   t he  f eed ba c k   i n t erc onne c t i o n   of  a   l i nea r   s yst e m  and  a  tim e-va ry in g  non li n e a r i t y   sa ti s f yi ng  t h e  se c t o r p r op erty  i s gl ob al l y  un i fo rml y  a sy mpt o t i c a l l y  stab l e  [14,  15].   Base d   u p o n   th e   e rror  dyna m i cs,  re latio n  (3 4)- ( 35),   the  no nl ine a r  o b serv e r   d esi g n  pro b l em   i s  th en   e q uiv a l e nt   t o  st ab ili z a tio n  of   t h e   e rro r   d yn a m i c s  p r ob l e m.  T o   t hi s  en d   a  c a nd id at e  Ly a p un o v   f un cti on  Pe e V T   i s  c o nside r ed .   I n   o rder  t o  ens u re   a symp t o t i c   s t a b il i t y  of  t he   obse r v e r,   t he   d eri v a t ive   o f   t he   ca ndi da te   L ya pu n ov  fu nc ti o n   m ust  be  n e g ati v e .   W i t h  the   he lp  o f  r e l a t i o n  ( 3 4 )  a n d  ( 3 5 )  t h e  d e r i v a t i v e   o f   t h e   Lya p u n ov f unc tio n  becom e s :       ) , ( ) , ( ) ( ) ( t z PGF e Pe G t z F e LC A P P LC A e V T T T T T    ( 36)    By  se t ti n g :  Q LC A P P LC A T ) ( ) (    ( 37)    An d  T KC H PG ) (    ( 38)    W ith   n I Q  a n d 0 , the  d eri v at i v e  of t h e   L yap u n o v  func ti on  can  b e rew r itte n  as:    ) , ( . . 2 t z F z Qe e V T T    ( 39)    Th us end s  t h e   pro o f.   N o te  t hat   t h e  e x i s te nce   of  o bse r ver   (31)-( 32)  i s  c o nd it io ne d   b y   t he   s o l u t i o n  of  L MI  c o n d i t i on s  (2 9) -(30 ) .   By   so l v i n g   L M I  c ons trai n t s,   o bse r ver   ga in   m a t ric e s  L  a n d   K   t ha t  gua ra nte e   o b s e r ver   co nver g e n ce  a r e  th en  com p u t e d . In Ibrir [1 6 ], the a ut hor   h a s  i n v es t i ga te d   the   stu d y   o f   g lo b a ll y  Li psc h it z  sy st ems   a n d  bou nd e d -st a t e   no n l i n ea r  sy ste m s.  B ou nde d-s t ate  n onl i n ea r  sys t em s  co nst itu te  a   l ar ge  c l a ss  o f  sys t em   t hat  i n cl u d es  e le ctric   mac h i n e  sy st ems.  E l e c t ri c  m a ch i n e  m o d e l s   i nvo l v e  th e   ma g n e ti c   f l u x   a s   a   k e y   a n d   bound e d   s t a t e   v a r i a b l e   th at   com b i n e d   w i t h   o t her  sta t e  var i a b le   o f  t h e   ma chi n e,   s uc h   a s   r oto r   an g u lar  v e loc i ty,  lea d s  t o   t he   n o n li nea r   p art   of  t he  m ac hi ne   m ode l.  T his   is   d ue  t o  t h e   effe ct  o f  t h e   ma g n et ic   m a t eria l  sat u ra t i o n   p ro p e rty  t h at   i s  s i milar   t o   the se c t or no n l inear i t y.       4.   NONL INEAR  H ∞  OBSERVER S Y NT HESIS     I n   t h i s  se c t i o n,   w e  propo se  t o  st u d y   the  ro bus t  H ∞   o bserver.  T his  obser v er  i s  used  i n  the  case  o f  syste m s  i n vo l v i n g  u n cer t a int i e s  i n   t he  m odel   m e a s ure m ents  [7, 9 ,   10,  11,  1 2,  18].  A   l i ter a ture  r e v i e w   show s  th at  m a ny  usef u l   H ∞   f il ter i n g   a ppr oa ches  h a v e   be en  d eve l op ed  f or  s eve r al  k i nds  o f  systems.   O ne  c an  c ite  the  H ∞   o bse r vers  f o r   one-s ide d   L ipsc hi tz  n on lin ea r  sys t em s,  t he   H ∞   obser v e r  for   si n gul a r   L i p sch i t z   n onl in ear  sys t em s  and  the  H ∞   c o n tro l   a nd  fi lter i ng  for   uncer ta i n   M a r ko v i a n   j um p  s y ste m s  w ith  t i m e- vary in g de l a y [9,   10,  11,  19].  Th e  ai m  of   t h e   H ∞   a p proac h   i s  to  d es ig n   a  ful l - o rder  f il ter  suc h   t ha t  t h e   c o rre sp o n d i n g  filter i n g   e r r or   sy st em  i s  asymp t oti cal ly   s ta b l e  a n d   sati sf i e s  a   p r e s cribe d   H ∞   l e v e l   d is t u r b a n ce   a tte nua tio n.   B y  u s i ng  a   Lya p u n ov f unc tio n,  suffic i e n t   con d i t i on s a r e form ula t e d   i n  te rm s of  line a r  ma t r i x   i neq u a l i t ie s  (LMIs).  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   E l e c  &  D ri S yst  IS S N :   2088- 86 94       A c o m para tive   st udy o f   non l i n e ar c i rc l e  c r i t e r i on b a se d  ob se rver  and  H ∞  ob s e r v er …..  (Fa r id  Berrezzek)   1 235 To   d o   t h i s ,  we   e xt en d  th e  re su lt  of   t h e   p re vio u s   s e c ti on   t o   n o n line a r  r o b u s t  H ∞   ob se rv er  d e s ig n  met h od .  W e   con s i d er  t he  sy s tem   (1) - (2) w ith an  ad d iti o n a l   d ist u rba n c e  te r m  as  follow s :     ) ( )) ( ), ( ( ) ( ) ( t w B t u t x F t Ax t x d    ( 40)    ) ( ) ( t Cx t y    ( 41)    Whe r e  ) , 0 [ 2 l w   i s  an unk n o w n   e x oge no us d is tur b an ce .  The  goa l  is  t o   re bu i l d  the  s t a t e  ) ( t x  o f   t h e   s y s t e m  ( 4 0 ) - ( 4 1 )  w i t h  s o m e   a c c u r a c y   d e s p i t e  t h e  p r e s e n c e  o f   di st urba nce  term ) ( t w .   W e  sup po s e  tha t :   ) ( t He z , with  H  a known constant  m a tr ix   s u c h   t h a t   w z  ,  wi t h   0 .   The  cor respon di n g  ob s erve r for the   sys t e m   ( 40)- ( 41) is g i v e n  b y:   )] ( ˆ ) ( [ )) ( ), ( ˆ ( ) ( ˆ ) ( ˆ t y t y L t u t x F t x A t x    ( 42)    ) ( ˆ ) ( ˆ t x C t y    ( 43)    O u r  purp o se   i s   to  d es ig n  t h e  obs erve r  par a m e ter  L   s uc h  t h at  t he   o bserv e r   error  dynam i cs  a r e   a sym p t o tica lly   st a b le a n d  t he  f oll o w i ng s p ec i f ie d n o r m   H   uppe r  b o u nd  is  s i m ul t a neo u s l y   gu ara n tee d .     Le mm a  1:   F or   a ny n R y x , a nd  a ny  p o s i t i ve   d e f i n i t e   m a tri x n n R P ,  w e   h ave:   y P y Px x y x T T T 1 2     Th e o r e m   3  [1 3]:  Co nsi d e r   s t o cha s t i c  L i p s c h i t z  no n l i n ear   s yste m  (40)-( 41 ) ,   a nd  t h e  c o rre sp o n d i ng  o b s erve r  (42)- ( 43).  The   obs er ver  err o r  dy n a mic s   a re  a sym p t o t i ca ll y  sta b l e   w i th  t he   m ini m um   o f  t h e  norm   2 l  a n d ,  if   there   e x i s t   sc aler s  s >  1 ,   0 and   0 and   ma trice s   0 P an d  G   s uc h  tha t   t he  f o l lo w i n g   L M I   op tim iza t i o n prob lem   ha s a  sol u t i o n .      0 ) 1 ( 2 1 I P B PB I H H T d d s T    ( 44)    0 2 ) ( 1 2 ) ( 1 2 2 H P P I H    ( 45)    W ith   G P L 1  and  ) min( ˆ *    Proof:   The  observe r e r ror   dynam i cs a re:      ) ( ) ˆ ( ) ( ) ( ) ( t w B F F t e LC A t e d    ( 46)    The  tim e  deriv a ti ve  o f the  L y apu n ov fu nc ti o n   ) ( ) ( t Pe e t V T is  g iv e n  b y:   Pe B t w t w PB e F F P e e LC A P P LC A e t V T T d T T T T d ) ( ) ( ) ˆ ( 2 )] ( ) [( ) (    ( 47)  ) min( Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
          IS S N : 208 8- 869 4   Int J  Pow  El ec &   D ri  S yst ,  Vol .  10,  N o.   3 , Se p   2 019 : 1229 –  1 2 43  1 236   U s ing  Lem m a  1  a nd  the   Ra y l eig h  lea ds  t o th e foll ow i n g :   ) ˆ ( ) ˆ ( ) ˆ ( 2 1 F F P PP F F Pe e F F P e T T T    ( 48)    ) ˆ ( ) ˆ ( ) ˆ ( 2 F F P F F Pe e F F P e T T T    ( 49)    The  right   term   o f (49)  c an be  writt e n  as :   e e P e P Pe e T T ) ( ) ( max 2 max    ( 50)    2 max 2 ) ( ) ˆ ( ) ˆ ( e P F F P F F T    ( 51)    The  l e ft ter m  of  ( 49) can be wr i t ten  as:  2 max ) ( 2 ) ˆ ( 2 e P F F P e T     ( 52)    Re plac i ng ( 51) -(52)  i n e qua ti on ( 4 9),  l e ads to:   2 max 2 2 max 2 max ) ( ) ( ) ( 2 e P e P e P     Assume  I Q ,   in  t he   d e t erm i nis t ic  case   we   h a v e   0 w and  the   c o r r espon d i n g   t i m e   de riva tive   of  t h e   fu nc ti o n  Lya pu no v  bec o m e s:   0 ) ˆ ( 2 ) ( F F e Qe e t V T T    ( 53)    0 ) ( 2 ) ( 2 max e P Ie e t V T     ( 54)    Then:  0 ) ( 2 1 max P     ( 55)  2 1 ) ( P    ( 56)    e e P F F P e T T ) ( ) 1 ( ) ˆ ( 2 max 2    ( 57)    e e e e P F F P e T T T ) 1 ( 2 1 ) ( 2 1 ) 1 ( ) ˆ ( 2 2    ( 58)    In  t he   s t o c h a s t i c  a n d  gene ra l   ca se  o f  0 w  a n d   I Q s   t he  a b ove   e q u a t i o n   of  L ya pu n o v   deriva t i v e  bec o me s:    Pe B t w t w PB e F F P e e LC A P P LC A e t V T d T d T T T T ) ( ) ( ) ˆ ( 2 )] ( ) [( ) (    ( 59)    ) ( ) ( ) 1 ( 2 1 ) ( ) ( max t w PB e Pe B t w e e e e Q t V d T T d T T T    ( 60)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   E l e c  &  D ri S yst  IS S N :   2088- 86 94       A c o m para tive   st udy o f   non l i n e ar c i rc l e  c r i t e r i on b a se d  ob se rver  and  H ∞  ob s e r v er …..  (Fa r id  Berrezzek)   1 237 ) ( ) ( ) 1 ( 2 1 ) ( t w PB e Pe B t w e e e e t V d T T d T T T s    ( 61)    ) ( ) ( )] ) 1 ( 2 1 [ ) ( 2 t w PB e Pe B t w e e t V d T T d T T    ( 62)    ) ( t He z , H is a  kn o w n   c o n s t a n t   w ith  w z   N o w ,   w e   de fi n e   t he   f oll o w i ng   c riteri o n   t o  mi nimiz e   the   di ff ere n ce  be tw e e n  the   e n erg y   o f  t h e   e s tim at ion   er ror  and  the   ene r g y  in d u cte d   b y t h e  di s t urba nc es :   dt w w z z J T T ) ( 0    ( 63)    Thus:     dt t V w w z z J T T )) ( ( 0    ( 64)    So  a  su f f i ci en t   co nd i tio n   fo r  0 J  is that:    Th is  m e a ns tha t :   0 w w z z T T ( b eca use   ) ( t V  is a   ne gat i ve  fu n c t i o n)  h ence :   2 2 w z . w z   B u t   we  h av e:  w w Pe B w w PB e e e He H e t V w w He H e t V w w z z T T d T d T T s T T T T T T T )] ) 1 ( 2 1 [ ) ( ) ( 2    ( 65)    Th en , we  c an   w ri t e :   w e I P B PB I H H w e J T d d s T T T ] ) 1 ( 2 1 [ 2    ( 66)    So  a  su f f i ci en t   co nd i tio n   fo r  0 J is  t hat t h e  fol l ow in g be  ne g a t ive   defin ite :   0 ] ) 1 ( 2 1 [ 2 I P B PB I H H T d d s T    ( 67)    A c c o rdi n g   to t he  S chur ’s c o m plem en t le mm a, (67)  is equiva le n t   t o:   0 I .   0 1 ) ( 2 max P B PB I P H H T d s T d     ( 68)    F o r   equa ti on  ( 68)  t o  be   n ega t i v e,   t he  s um   o f  the  first   a n d  se co n d   t er ms  m ust  be  n e g ati v e  be ca use   t h e  thir d   term  is a l w a ys pos i tive :    0 ) ( 2 max I P H H s T     ( 69)  0 ) ( , , 0 t V w w z z t T T Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
          IS S N : 208 8- 869 4   Int J  Pow  El ec &   D ri  S yst ,  Vol .  10,  N o.   3 , Se p   2 019 : 1229 –  1 2 43  1 238 But  as for a ny  ot her  sym m e tric  m a t r i x ,  for H H T , we  h ave:   ) ( ) ( max min H H H H H H T T T    ( 70)    I H H H I H T ) ( ) ( 2 min 2 max    ( 71)  O r   acc ordi ng t o  the  d e f in i tio n   of sin g u l a r va lue s   0 ) ( 2 ) ( max 2 s P H     ( 72)    Or:   2 ) ( ) ( 2 max H P s    ( 73)  Th is  i s  eq ui va l e nt t o  (45).      5.   SIM U L A TIO N  RESULTS  AND COMME NTS   To  p er form   t he   c ompa rati ve  s t u d y   b e t w e e n   t he   t w o   n on line a r   obse rver s  pr e v i ous ly  v i e w ,   w e  use  t h e   mode l  of  a n  i n d u c t i o n  m o to r.   D esc r ibed  b y  the   fo llow i n g   n on li ne a r   d i ffe ren t ial  e q ua ti o n s  w ith,  t h e   stat or   curr ent,  r otor flux  an d r o tor   angu lar   vel o c i t y  a s selec t e d  sta t e  variab le s  of  t he  m achin e  [1,   20,  21].    s s r r r r s s u l T i i dt d 1     s s r r r r s s u l T i i dt d 1      r r r r s r r T i T m dt d 1    ( 74)    r r r r s r r T i T m dt d 1      l l r f s r s r r T k k i i dt d ) (     Where : p r r n , r p Jl m n 2  ,   r s l l m m 1 1 1 ,  r s l l m 2 1 ,  J f k r f ,  J n k p l ,  r r r R L T .  The  i n de xes  s   a nd  r   r e f e r   t o  t h e  sta t or  a nd  t h e  rot o r  c o mp o n en ts  r es pec t i v ely.   i ,  a n d   u   r e s p e ct iv el y  den o t e  t h e  sta t or  c urre n t ,   th e   rotor  fl u x es,   t h e   su ppl ie d   stat o r  vo lt ag e,   R   i s  the  r e si sta n ce,   l  i s   t h e   in duc ta nce ,   m   i s  the  m u t u a l   i n duc t a nce.   s T  a n d   r T   a r e   t he  s ta tor   a nd  t h e  rot o r  tim e  co ns tan t   r e s pec t i v e l y.   r   i s  the  rotor  angular  velocity,  r f   i s  t h e  fric t i o n   c oef f ic ie n t ,  J   i s  t h e   mo me nt   o f  i n erti a  c o ef fi ci e n t ,   p n  i s   the  numbe r  o f   p air   po le s,   r   i s  the  m echa n ic al  s pee d   o f  t h e   rotor   and  fina l l y l T   i s  t h e  m e c h ani c a l   l o a d   tor que.     Thi s   t yp e  o f   n onl in ea r  model   i s   g e n eral ly   u sed  fo r  perf o r mi ng   n onl i n ea r  co nt rol ,   c on dit i o n s   moni t o ri ng  a n d  fa u l t s   d i a gn o s is  o f  e l e c t ric  i n d u c tio n  m a c h i n e   s ys tem s .  P e rformin g  t h es e  tec h n i que s  r e qu ires   est i ma t i n g  un m ea sured ro tor   flu x  lin ka ge   a nd   r o t or a ng u l a r  vel o c i t y   s ta te  varia b l es base d  on   t h e s t a t or   c urrent   and  vo lta ge  m easur em ents [21 ].   To ca rry ou t   t h e  c o m par a t i v e st ud y be t w e e n  the  tw o  o bser v e rs pr evi o us l y   v i e w, we use t h e  in d u c t io n   motor  w i t h   t he fo llow i n g  c hara cteris t i c s  deta i l s  on  Tab l e  1.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.