I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m p ute r  E ng in ee ring   ( I J E CE )   Vo l.   11 ,   No .   1 ,  Feb r u ar y   2 0 2 1 ,   p p .   27 2 ~ 283   I SS N:  2 0 8 8 - 8708 ,  DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j ec e . v 1 1 i 1 . pp 2 7 2 - 283          272       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij ec e. ia esco r e. co m   Fully sy m bo lic - ba sed tec hnique  f o r  so lv ing  com plex  s tate - spa ce  co ntrol sy ste m s       A m er a   M .   Abd - Alra he m 1 ,   H a la   M .   E lha did y 2 ,   K a m el  A.   E ls er a f i 3 ,   H a s s en  T .   Do rr a h 4   1, 2, 3 De p a rtm e n t   o f   El e c tri c a l  En g in e e rin g ,   P o r t - S a id   U n iv e rsity ,   Eg y p t   2 De p a rtme n t  o f   C o m p u ter E n g in e e rin g   a n d   N e tw o rk s,  Jo u f   Un iv e rsity ,   Kin g d o m   o f   S a u d i  A ra b i a   4 De p a rtme n t  o f   El e c tri c a l  En g in e e rin g ,   Ca iro   Un iv e rsity ,   Eg y p t       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Dec   2 4 ,   2 0 1 9   R ev i s ed   J u n   7 ,   2 0 2 0   A cc ep ted   A u g   5 ,   2 0 2 0       De sp it e   th e   su p e rio rit y   o f   s y m b o li c   a p p r o a c h e s  o v e r  th e   p u re ly   n u m e rica l   a p p ro a c h e s  i n   m a n y   a sp e c ts,  it   d o e s  n o t  re c e iv e   th e   p ro p e r  a tt e n ti o n   d u e   to   it s   sig n if ica n t  c o m p le x it y ,   h ig h   re so u rc e s   re q u irem e n t  a n d   lo n g   d r a w n   ti m e   w h ich   e v e n   g ro w s  sig n i f ica n tl y   w it h   th e   in c re a se   o f   m o d e l  d im e n sio n s.  Ho w e v e r,   it s  m e rit s  d e se rv e   e v e r y   a tt e m p t  to   o v e rc o m e   th e   d iff i c u lt ies   b e in g   f a c e d .   In   th is  p a p e r,   a   f u ll y   g e n e r ic  s y m b o li c - b a se d   tec h n iq u e   is  p r o p o se d   t o  d e a l  w it h   c o m p lex   sta te  sp a c e   c o n tro l   p r o b lem s.  In   th is  tec h n i q u e ,   d e p e n d in g   o n   th e   m o d e l  d im e n sio n   if   e x c e e d s  a   p re d e f in e d   li m it ,   th e   sta te  sp a c e   i s   so lv e d   u si n g   th e   p a rti ti o n e d   m a tri c e s  th e o ry   a n d   b l o c k   w ise   in v e rsio n   f o r m u la.  Ex p e ri m e n tal  re su lt s  d e m o n stra te  th a t  th e   p ro p o se d   tec h n iq u e   o v e rc o m e s  a ll   th e   p re v io u sly   m e n ti o n e d   b a rriers   a n d   g iv e s  th e   sa m e   re su lt s  w h e n   c o m p a r e d   to   n u m e rica l  m e th o d s  (S im u li n k ).   M o re o v e r,   it   c a n   b e   u se d   to   g a in   u se f u l  in f o r m a ti o n   a b o u t  th e   s y ste m   it se l f ,   p ro v id e s  a n   in d ica ti o n   o f   w h ich   p a ra m e ters   a re   m o re   i m p o rtan t  a n d   re v e a ls  th e   se n siti v it y   o f   s y ste m   m o d e l  to   sin g le p a ra m e ter v a riatio n s.   K ey w o r d s :   L iq u id   co n tain er   P ar titi o n   m atr ix   t h eo r y   Sh ip   au to p ilo t   State - s p ac e  s o lu t io n   S y m b o lic  alg eb r a   W in d   tu r b in e   T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Am er a  M.   A b d - A lr ah e m ,     Dep ar t m en t o f   E lectr ical  E n g i n ee r in g ,   P o r t - Said   Un iv er s it y ,   Facu lt y   o f   E n g i n ee r i n g ,   P o r t - F o ad   4 2 5 2 6 ,   E g y p t .   E m ail:  a m er a. g a m ea @ en g . p s u . ed u . eg       1.   I NT RO D UCT I O N     S y m b o lic  alg eb r a  is   a  g e n er ic   tech n iq u e  ex p lo ited   to   p r o d u ce   s y m b o lic  e x p r ess io n s   f o r   an y   s y s te m   r eg ar d in g   its   p ar a m e ter s   an d   v ar iab les.  I n   a  f ie ld   lik e  co n tr o l  s y s te m s   w h er e  co m p le x   m a th e m atica l  f o r m u la s   ar e  co m m o n l y   u s ed ,   g en er i c  s o lu tio n   ca n   b e  ex tr e m el y   v al u ab le.   Usi n g   s y m b o lic   m an ip u latio n   an d   s i m p li f icat io n s ,   th e   co n tr o l  e n g in ee r   ca n   o b tain   s i m p le   f o r m u las   f o r   a  co m p lex   lo o k i n g   p r o b lem .   I n   g e n er al,     it  is   co n ce i v ab le  to   ex p r es s   th at  u s i n g   s y m b o lic  tec h n iq u es  b r in g s   t w o   f u n d a m e n tal  a d v an ta g es  a m o n g   n u m er o u s   o th er s :  u s i n g   ex ac t  ca lcu latio n s   a n d   d ir ec t m a n ip u latio n   o f   s y m b o l s   [ 1 ] .   Nu m er ical  tech n iq u e  is   b ased   o n   an al y zin g   t h e  s y s te m   f o r   s ev er al   s a m p le  p o in t s   an d   it  i s   ass u m ed   th at  th e  r es u lt s   also   h o ld   f o r   all  th e  v al u es  a m o n g   t h e m   [ 2 ] .   I t  is   co n s id er ed   to   b e  m o r e  ap p r o x i m ate  s o l u tio n s   co m p ar ed   to   s y m b o lic  s o lu tio n s .   Alt h o u g h   it  is   u s u all y   m u ch   f aster ,   it  s h o w s   s o m e  w ea k n e s s e s   esp ec ial l y   w it h   p ar a m eter s   v ar y i n g   s y s te m s .   I t  m a y   lead   to   im p r ec is e  c o n clu s io n s ,   th e  v ar iab les  t h at  ac tu all y   m at ter   m a y   b e  d if f ic u lt  to   ag r ee   u p o n ,   b e  m ea s u r ed ,   o r   co n tr o l  [ 3 ] .  T h er ef o r e,   t h is   ca u s es  lo ad s   o f   r es ea r ch es  w h er e  ea c h   p r o p o s e s   di f f er e n t set o f   v al u e s   ass u m p t io n s   to   b e  th e  p er f ec t c h o ice  f o r   th e  p r o b le m   u n d er   in v e s ti g atio n .     A lt h o u g h   t h eo r etica ll y   s y m b o lic  an al y s i s   ca n   b e  co n s id er e d   as  a  g o o d   co m p le m e n t  to   n u m er ical   an al y s is ,   it   is   s ti ll  f ac i n g   s o m e  d i f f icu lties   s u c h   as   t h e  co s t  o f   h ar d w ar e  i m p le m en t atio n   m ea s u r ed   b y   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2088 - 8708       F u lly  s ymb o lic - b a s ed   tech n iq u e  fo r   s o lvin g   co mp lex  s ta te - s p a ce   co n tr o l sys tems   ( A me r a   M .   A b d - A lr a h em )   273   co m p u tatio n al  a n d   co m m u n i ca tio n   r eq u ir e m en ts .   A l s o ,   t h er e  is   a  p r o b lem   o f   in cr ea s in g   co m p le x it y   o f   m o d er n   co n tr o l  p r o b le m s   to   b e  d ea lt  w it h   w h ile  t h e  s y m b o lic - b ased   ass i s tan t  p r o g r a m m i n g   is   s till   u n d er   d ev elo p m en t.   I t  i s   b elie v ed   th at  th e   ad v a n ta g es  ar e  m u c h   m o r e  i m p o r tan t  t h a n   t h e  d i f f icu l ties   w h ic h   m a k e  it   w o r th   al l o u r   ef f o r ts   to   d ef ea t t h e  d if f ic u ltie s   b ein g   co n f r o n te d .   His to r icall y ,   t h e  u s e  o f   s y m b o lic  b ased   tech n iq u es  w i tn e s s   p er io d s   o f   r is e  an d   d ec a y .   A lt h o u g h     th e  ea r l y   id ea s   o f   s y m b o lic  c o m p u tatio n s   ar i s e  i n   t h e  1 9 6 0 s ,   b u t  atte n tio n   w a s   t u r n ed   b y   th e   ti m e  to w ar d   n u m er ical  tec h n iq u es  as  s y s te m s   w er e  g ett in g   m o r e  co m p le x .   T h en ,   it  ca n   b e  co n s id er ed   t h at  th e  r ea l  leap   f o r   ex p lo itin g   s y m b o lic  al g eb r a  in   co n tr o l  en g in ee r i n g   ap p licatio n s   w as  i n   t h e  late  n i n etie s   b y   P r o f ess o r   Neil   Mu n r o .   He  g at h er ed   m a n y   v alu ab le  ap p licatio n s   o f   s y m b o lic  alg eb r a  to   co n tr o l  th eo r y   [ 4 ] ,   w h ic h   d r e w   in te n s e  at ten tio n   to   t h e  u s e  o f   s y m b o lic  tech n iq u es  a s   a  n e w   p o w er f u l  to o l  f o r   s o lv in g   m a n y   p r o b le m s   i n   co n tr o l  s y s te m s   e n g in ee r i n g .   T h is   led   to   th e  d ev elo p m en t  o f   m an y   s y m b o lic  to o lb o x es  in   co n tr o l  s y s te m   d esig n   [ 5 ,  6 ] .     I n   r ec en t   y ea r s ,   as   th e   c y b er - p h y s ical   s y s te m s   i n cr ea s e,   r esear ch er s   r et u r n   a g ain   to   f o cu s   o n   s y m b o lic  alg eb r a  i n   co n tr o l  ap p li ca tio n s   in c lu d i n g   f ield s   lik e  s y s te m   m o d elli n g ,   a n al y s is   a n d   co n tr o ller   d esig n   [ 7 ] .   R e g ar d in g   t h e  s y s t e m   m o d elli n g ,   P o la  et   a l .   [ 8 ]   d er iv ed   a  s y m b o lic  m o d el   as   an   ap p r o x i m atio n   f o r   th e  p lan t  an d   t h e n   ex p lo ited   t o   o b tain   th e  co n tr o l  p r o b lem   s o lu tio n .   T h e  r e s u lts   w er e  u t ili ze d   in   t h e  s y m b o lic   co n tr o l  o f   a  ca r - lik e   r o b o t.  Fak h r o lesl a m   e t  a l .   [ 9 ]   co n s tr u ct ed   ap p r o x im ate l y   b i s i m ilar   s y m b o lic   m o d els   f o r   n o n li n ea r   co n tr o l  s y s te m s .   I t   s h o w s   h o w   t h e  ch e m ical  p r o ce s s   co n tr o l  ca n   b e  m a n a g ed   v ia   th e  u s a g e  of   m et h o d s   th at  is   b ased   o n   s y m b o lic  m o d els.  Gir ar d   et  a l .   [ 1 0 ]   p r o p o s ed   m u lti s ca l e  s y m b o lic  m o d els   co n s tr u ct io n   f o r   s w itc h ed   s y s te m s .   I t  w a s   d e m o n s tr ated   th at  th e s e  m o d els   ar e  ap p r o x im atel y   b i s i m ilar   t o     th e  g e n u in e  s y s te m s .   T h en ,   it  w a s   u s ed   f o r   co n tr o ller   c o m p u tatio n   an d   ap p lied   to   t h e  s a f et y   a u to m a ta.   R ad a y d eh   an d   Mo t h af ar   [ 1 1 ]   d ev elo p ed   a  s y m b o lic  s tate - s p ac e - b ased   m o d el  f o r   c u r r en t - m o d e  co n tr o lled   m o d u lar   DC - D C   co n v er ter s .   T h en   th e  co n tr o l - to - o u tp u t  v o ltag e  tr an s f er   f u n ctio n s   ar e  d e r iv ed   in   a  s y m b o lic   f o r m .   R eg ar d in g   co n tr o ller   d esi g n ,   Miz o g u c h i  a n d   U s h io   [ 1 2 ]   d esig n ed   a  d ea d lo ck - f r ee   s y m b o lic  o u tp u t  f ee d b ac k   co n tr o ller .   B o r r i  et  a l .   [ 1 3 ]   p r o p o s ed   a  s y m b o lic  m et h o d   to   th e   co n tr o l  d esi g n   o f   NC S,  ta k i n g   in to   ac co u n t  th e   m o s t  s ig n i f ica n t  n o n - id ea liti e s   i n   t h e  co m m u n ic atio n   c h an n el   w it h   ap p licati o n   to   r o b o t  m o tio n   p lan n i n g .   Sh a m g ah   et  a l .   [ 1 4 ]   d ev elo p ed   a  n o v el  s y m b o lic   tech n iq u e  f o r   co n tr o llin g   au t o n o m o u s   attac k i n g   v eh ic les  in   f eu d i n g   e n v ir o n m e n ts .   Do r r ah   et  a l .   [ 1 5 ]   p r o p o s e d   a  n e w   g en er ic  m eth o d o lo g y   f o r   d er iv atio n   an d  r ea lizatio n   o f   f ee d b ac k   g ai n s   f o r   au to m atic  co n tr o l  s y s te m s   b ased   o n   s y m b o lic   r ep r esen tatio n   o f   f ee d b ac k   s tab ilizatio n   f u n ct io n s .     R eg ar d in g   t h e  s y s te m   a n al y s is ,   Mla d e n o v ić  et  a l .   [ 1 6 ]   an al y ze d   t h e  e x p ec tatio n - m a x i m izatio n   alg o r ith m   v ia   s y m b o lic   p r o ce s s i n g   a n d   co m p u ter   al g eb r a  t o o ls .   T h en ,   t h e  o b tain ed   r esu l ts   ar e  e m p lo y ed   f o r   f u r t h er   o p ti m izat io n .   Setia w a n   et  a l .   [ 1 7 ]   p r o p o s ed   a   s tead y   s tate  s y m b o lic  a n al y s i s   f o r   b u ck   co n v er ter   w h ic h   g iv e s   th e   ex ac t   ca lc u latio n   o f   s tead y   s tate   o u tp u t  w i th   n o   n ee d   f o r   tr an s ien t   r esp o n s e  e v al u atio n .     A b d - Alr ah e m   e t  a l .   [ 2 ]   ex a m in e d   th e  p r o b lem   o f   f u ll y   s y m b o lic  r ep r esen tatio n   an d   an al y s i s   f o r   p a r a m eter   v ar y i n g   s y s te m s   ( P VS) .   T h e  s i m u latio n   r es u lt s   w er e  c ar r ied   o u t  o n   th e  d r u g   co n ce n tr atio n   p h ar m ac o k i n etics   an d   p r o p o r tio n al - d er iv ativ e  ac tio n   i n   t h e  r etin a.   T h e  g en er at ed   o u tp u t  w as   r ep o r ted   to   b e  n ea ter   th a n   a n d   a s   clo s e  as  al g eb r aic,   an d   t h e  e f f ec t  o f   p ar a m eter   v ar iatio n   o n   s tate   v ar iab les   w as   an al y z ed .   Ne v er th ele s s ,     it is   in co n v e n ie n t  f o r   h ig h   o r d er   s tate  s p ac e  m o d els,  as it s u f f er s   f r o m   h i g h   co m p u tatio n al  co m p le x it y .   T h er ef o r e,   in   th i s   p ap er ,   a  f u ll y   s y m b o lic - b a s ed   tech n iq u e   is   p r o p o s ed   f o r   s o lv i n g   n th   o r d er   s tate - s p ac e  m o d els  a n d   t h u s   u tili ze d   in   t h e  a n al y s is   o f   p ar a m e ter   v ar iatio n s .   T h e  p r o p o s ed   tech n iq u e  h as   th e   ab ilit y   to   d ea l  w i th   lar g e  co m p lex   s y s te m s   th r o u g h   p ar titi o n i n g   t h e   o r ig in al  m a tr ices,  th e n   ea ch   s u b - m atr i x   is   tr ea ted   s ep ar atel y   w i th   t h e  ap p r o p r iate  m et h o d s   a n d   as s e m b led   ev e n tu a ll y   alto g eth e r .   Hen ce ,   s p e ed in g   u p   th e   p r o ce s s   an d   r ed u ce   th e  co m p u tatio n al  co m p le x it y   p r o b le m   f o u n d   in   [ 2 ].   T h e  r est  o f   th is   p ap er   is   o r g an ized   as  f o llo w s :   T h e  co n v e n tio n al  cr iter io n   f o r   s o lv in g   s tate  s p ac e   m o d el  i s   f o r m u lated   in   Sec ti o n   2 .   T h e  p r o p o s ed   s y m b o lic - b ased   tech n iq u e  v ia  p ar titi o n   m a tr ix   t h eo r y   f o r   s o lv i n g   s tate   m o d els   is   d escr i b ed   in   Sectio n   3 .   T h e  s i m u la tio n   r es u lt s   ar e  p r esen ted   in   Sectio n   4 .   F in al l y ,     th e  p ap er   is   co n clu d ed   in   Sect i o n   5.       2.   P RO B L E M   ST AT E M E NT   As  m o d er n   s y s te m s   b ec o m e  i n h er e n tl y   co m p lex ,   t h e  s tate  s p ac e  r ep r esen tatio n   o f   a  d y n a m ic  s y s te m   r ep lace s   an   n th   o r d er   d if f er en t i al  eq u atio n   w it h   a  s i n g le  f ir s t  o r d er   m atr ix   d i f f er e n tial e q u a t io n   as f o llo w s   [1 8 ] :     ̇   = A   x  + B   u     ( 1 )     y  = C x   + D   u      ( 2 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  1 1 ,   No .   1 ,   Feb r u ar y   2 0 2 1   :   27 2   -   28 3   274   w h er e   ( 1 )   is   ca lled   th e  s tate  e q u atio n   a n d   ( 2 )   is   ca lled   th e  o u tp u t  eq u at io n .   u   is   t h e  i n p u t  f u n ct io n   a n d   y   is     th e  o u tp u t   f u n c tio n .  A (n × n) ,   B (n × p) ,   C (q × ) ,   D ( q × )   r ep r esen ts   th e  s tate  m atr ix ,   t h e  i n p u t   m atr ix ,     th e  o u tp u t  m atr i x   a n d   th e  f ee d   th r o u g h   m atr i x   r esp ec tiv el y .     T h e  co m p lete  s y s te m   s ta te  r esp o n s e  x ( t)   co n s is ts   o f     t w o   p ar ts :  a   ze r o - in p u t  r esp o n s e     th at   r ep r esen ts   t h e  r esp o n s e   d u e  to   ar b itra r y   i n itial   co n d itio n s   x ( 0 )   w it h   n o   i n p u ts   at  al l,  an d   a  ze r o   s tate  r esp o n s e      th at  r ep r esen ts   t h e  r esp o n s e  d u e  to   ar b itra r y   in p u t  w it h   ze r o   in itial  co n d itio n s .   T h e  t w o   p ar ts   ar e  th en   j o in ed   to   p r o d u ce   th e  co m p let e  r esp o n s e  as f o llo w s ,        =  Φ( t ) .   x( 0 )     ( 3 )        =  ∫ ( − )   ( )    0      ( 4 )     X ( t )   = Φ ( t ) .   x( 0 )   +  ∫ ( − )   ( )    0       ( 5 )     w h er e  Φ ( t)   is   id en ti f ied   to   b e  th e  s tate  tr a n s it io n   m atr ix ,   w h i ch   is   co m p u ted   b y :     Φ( t )   =  − 1 [ S I   −   A ] - 1             ( 6 )     A cc o r d in g   to   [ 2 ] ,   a  s tr aig h t f o r w ar d   s y s te m atic  m et h o d   f o r   s y m b o lic  d er iv atio n   o f   s tate  s p ac e   s o lu tio n   is   p r esen ted .   A n   atte m p t  to   ex p lo it  th e  m eth o d   f o r   s o lv in g   lar g e  s tate  s p ac e  m o d els  u n f o r tu n atel y   s h o w s   s e v er e  s h o r tco m in g s   in   s p ee d   an d   r eso u r ce s   u s a g e   d u e   to   h ig h   d i m en s io n   m atr i x   m a n ip u lat io n s   w it h   its   r elate d   p r o s p ec ts   o f   r u n n in g   o u t  o f   av ai lab le  m e m o r y   [ 1 9 ] .   S y m b o lic  s o lu tio n s   o f   h ig h er   d i m en s io n   m atr ice s   ar e  in ev i tab l y   lar g e.   Fo r   in s ta n ce ,   co m p u tin g   t h e  i n v er s e  m atr ix   i n   s y m b o lic  f o r m   is   a  c u m b er s o m e  p r o ce s s .   5 × 5   in v er s e  m atr ix   e x ce ed s   2 0 0 0 0 0   ch ar ac ter s   lo n g ,   6   x   6   in v er s e  m atr i x   e x ce ed s   2 0 0 0 0 0 0 ,   th e  in v er s e   b ec o m e s   1 0   ti m es   lar g er   i n   len g t h   f o r   ea ch   ad d itio n al  in cr ea s e  o f   m atr i x   d i m en s io n .   I n   g e n er al,   f o r     a  s y m b o lic  in v er s e  o f   n × n   m at r ix ,   th e  o u tp u t  s ize  i s   ab o u t  2 . 2 x 10 .   So ,   m u ltip le  g ig ab y tes  ar e  n ee d ed   to   ca lcu late  th e   i n v er s e   o th er   t h an   t h e  o th er   p r o ce s s es.  Als o ,   th e  c u r r en t  s o f t w ar e  o f te n   g en er ate s   h i g h l y   co m p le x   r a w   ex p r es s io n s   w h i ch   ar e  to o   d if f ic u lt to   b e  d ir ec tl y   u s ed   [ 2 0 ] .   I n   r esp o n s e   to   t h ese  p r o b le m s ,   a  f u ll y   s y m b o lic   b ased   tec h n iq u e  f o r   s o l v in g   co m p lex   s tate  s p ac e   m o d el s   is   p r o p o s ed .   T h e  p r o p o s ed   tech n iq u e  tr ie s   to   o v er co m e  t h e  b ar r ier s   o f   h i g h   r eso u r ce s ,   ti m e   co n s u m p tio n   an d   co m p u ta tio n al  co m p le x it y   u s in g   t h e  p ar titi o n ed   m atr i x   t h eo r y .   All  t h e  s tate,   i n p u t  a n d   o u tp u t  m a tr ices  o f   th e  o r ig i n al   s y s te m   ar e  b r o k en   u p   in to   b lo ck s   an d   all  th e  s u b s eq u en t  p r o ce s s i n g   i s   m ad e  o n   th ese  b lo c k s ,   t h e n   to   b e  as s e m b led   at  th e  e n d .   A lt h o u g h   th e   s tate  s p ac e  m o d el  m a y   b e  o f   an y   d i m en s io n   e ith e r   o d d   o r   ev en ,   th e  p ar titi o n   p r o ce s s   m a y   lead   to   r ec tan g u la r   b lo ck s   w h ic h   w ill  b e  co n s i d er ed   a  p r o b lem   as    th e  p r o ce s s i n g   i n cl u d es  i n v er s e  m atr ix   o p er atio n s .   T h is   b ar r ier   is   o v er co m e  b y   b lo ck w i s e   in v er s io n   f o r m u la   w h ic h   in s u r e s   th at  o n l y   ei th er   th e  to p - le f t o r   b o tto m - r i g h t  m a tr ices sh o u ld   o n l y   b e  s q u ar e  b lo ck s .       3.   T H E   P RO P O SE D  T E CH NI Q U E   I n   o r d er   to   o v er co m e  t h e  a f o r e m en tio n ed   d r a w b ac k s ,   a  p r o ce d u r e  th at   is   b ased   o n   p ar titi o n   m atr ix   th eo r y   a lo n g   w it h   b lo ck w is e   i n v er s es  is   p r o p o s ed .   P ar titi o n   m atr i x   t h eo r y   is   co n s id er ed   to   b e  th e   b est   m et h o d   to   d ea l  w it h   h i g h   d i m en s io n   m atr ices.   I t  r elies   o n   p ar titi o n i n g   a  lar g e  m atr i x   in to   co m p ati b le  s m aller   s ec tio n s   r ef er r ed   to   as  s u b - m a tr ices   o r   b lo ck s .   Hen ce ,   m a n ip u lat io n s   ca n   b e  p er f o r m ed   o n   t h e  s m all er   b lo ck s   w h ic h   i n   tu r n   lead s   to   s ig n i f ica n t  co m p u tatio n al  b e n ef i ts   [ 2 1 ] .   T h e  co m p lete  f lo w   c h ar t  o f   t h e  p r o p o s ed   s y m b o lic - b ased   tech n iq u e  f o r   s o lv i n g   c o m p le x   s tate  s p ac e  m o d el s   is   d ep icted   in   Fig u r e  1 .   Fo r   lo w   d i m en s io n   s y s te m s ,   it  is   co n v e n ie n t  to   u s e  th e  s t r aig h t f o r w ar d   s y s te m a tic  p r o ce d u r e  f o r   s o lv i n g   s tate  s p ac e  m o d el   d ir ec tly   o n     th e  o r ig i n al  m atr ice s   w it h o u t  an y   ad d itio n al  p r o ce s s i n g .   Me an w h ile  f o r   h i g h   d i m e n s io n   s y s t e m s ,   i t   i s   d e s i r a b l e   t o   p a r t i t i o n   t h e   o r i g i n a l   s y s t e m   i n t o   l o w e r   d i m e n s i o n a l   b l o c k s .   S o   t h a t   a n y   f u r t h e r   p r o c e s s i n g   i s   m a d e   o n   t h e s e   b l o c k s   i n s t e a d ,   w h i c h   m a k e s   t h e   p r o c e s s i n g   m u c h   p o w e r f u l   a n d   e a s i e r   t o   b e   a p p l i e d .   T h e  p r o p o s ed   tech n iq u e  b eg i n s   w it h   d ec id in g   w h et h er   tec h n iq u e  to   b e  u s ed   ac co r d in g   to   t h e  o r ig i n al   m o d el  d i m e n s io n .   I f   t h e  m at r ix   d i m e n s io n s   e x ce ed   a  p r ed ef in ed   li m it,  al l  s u b s eq u e n t   o p er atio n s   w ill  b e   p er f o r m ed   o n   s u b - m atr ix   le v e l,  o th er w i s e  o n   f u ll  m atr ix   le v el.   T h e  v alu e  o f   t h e  d i m e n s io n   li m it  i s   s et  to   7   as   it  w as   f o u n d   e m p ir icall y   b y   o u r   ex p er i m e n ts .   As  th e   d i m e n s io n s   g e t  lar g er ,   th e   d if f er en c e  b et w ee n   th e   t w o   m et h o d s   g ets  f u r th er   e n tire l y   i n   f a v o u r s   o f   th e  p ar titi o n ed   m atr ix   tech n iq u e.   P ar titi o n in g   o cc u r s   ac co r d in g   to   a  ce r tai n   cr iter io n   as   s h o w n   i n   Fi g u r e   2 .   If   n   ( th e  s ta te  m a tr i x   d i m en s io n )   i s   an   e v e n   n u m b er ,   th e  s ta te  m a tr ix   i s   d iv id ed   in t o   f o u r   eq u al  q u ar ter s   o f   s ize  n /2 .   I n   ca s e  t h at  n   is   an   o d d   n u m b er ,   th e  p ar titi o n   p r o ce s s   en s u r es  th a t  o n l y   11   an d   22   ar e  s q u ar e  b lo ck s   s o   th at  t h e y   ca n   b e  in v er ted   b lo c k w is e   w h ile  12   an d   21   ar e  m ai n tai n ed   as   r ec tan g u lar   b lo ck   m atr ice s .   I n   ca s e  o f   v er y   h i g h   d i m en s io n   m atr i x ,   th e  s o - ca lle d   n ested   p ar titi o n s   ca n   b e  ex p lo ited   if   n ee d ed .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2088 - 8708       F u lly  s ymb o lic - b a s ed   tech n iq u e  fo r   s o lvin g   co mp lex  s ta te - s p a ce   co n tr o l sys tems   ( A me r a   M .   A b d - A lr a h em )   275       Fig u r e  1 .   T h e  p r o p o s ed   s y m b o lic  b ased   tech n iq u e  f lo w   c h ar t             ( a)   ( b )   ( c)     Fig u r e  2 .   P ar titi o n ed   m atr i x   p r o ce s s   in   ca s e  o f   ( a)   n  is   ev en ,   ( b )   n   is   o d d ,   an d   ( c)   n ested   p ar titi o n s         T h e  m ai n   p ar t  o f   t h e  al g o r ith m   i s   r esp o n s ib le  f o r   t h e  ac t u a l  p r o ce s s es  th at   f o r m   t h e  ze r o   s tate   an d   ze r o   in p u t  r esp o n s es  o f   th e  co m p lete  f i n al  s o lu ti o n .   I f   th e   m atr ix   w a s   d etec ted   to   b e  a   lo w   d im e n s io n   m o d el,   ( 3 )   th r o u g h   ( 6 )  ar e   em p lo y ed   d ir ec tly   o n   t h e  f u ll  m a tr ix   o f   th e  o r ig i n al  s y s te m   m o d el.   Ho w e v er ,   if   a  h i g h   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  1 1 ,   No .   1 ,   Feb r u ar y   2 0 2 1   :   27 2   -   28 3   276   d i m en s io n   m o d el  i s   d etec ted   a n d   p ar titi o n   w a s   m ad e  to   all  m o d el  m atr ices,  all  p r o ce s s es  s h o u ld   b e  ap p lie d   o n   a  s u b - m atr i x   b asis .   B eg i n n in g   f r o m   t h e  s tate  tr a n s i tio n   m atr ix   ca lcu la tio n   ac co r d in g   to   ( 6 ) ,   b lo ck   m atr i x   in v er s io n   s h o u ld   b e  ca r r ied   o u t.  T h e  b lo ck w is e   i n v er s io n   f o r m u la  f o r   ca lcu lat in g   th e  n o n s i n g u lar   p ar titi o n ed   m atr i x   in v er s e  s ta tes t h at:   f o r   an y   g i v en   m atr i x   A   th a t is p ar titi o n ed   in to   4   b lo ck s   as  f o llo ws,     A   =   [         11 12 13 14 15 21 22 23 24 25 31 32 33 34 35 41 42 43 44 45 51 52 53 54 55 ]            =  [ 11 12 21 22 ]   ( 7 )     T h e  in v er s e  m atr ix   − 1   ca n   b e  ex p r ess ed   as f o llo w s ,     − 1    =  [ 11 ̃ 12 ̃ 21 ̃ 22 ̃ ]   ( 8 )     No w   t h er e  ar e   t w o   s et s   o f   f o r m u las to   ca lcu late  11 ̃ ,  12 ̃ ,  21 ̃   an d   22 ̃   [ 22 ]:     I f   b o th   11   an d   its   s c h u r   co m p le m en t ( 22   -   21 11 − 1   12 )   ar e  n o n s in g u lar ; th e  m atr i x   is   i n v er tib le   u s i n g ,     11 ̃ =  11 − 1 + 11 − 1 12 ( 22 − 21 11 − 1 12 ) − 1 21 11 − 1   ( 9 )     12 ̃   =  − 11 − 1   12   ( 22   −   21 11 − 1   12 ) − 1   ( 1 0 )     21 ̃   =  − ( 22   −   21 11 − 1   12 ) − 1   21   11 − 1   ( 1 1 )     22 ̃   =  ( 22   −   21 11 − 1   12 ) − 1     ( 1 2 )       I f   b o th   22   an d   its   s c h u r   co m p le m en t ( 11   -   12 22 − 1   21 )   ar e  n o n s in g u lar ; th e  m atr i x   is   i n v er tib le  u s i n g ,     11 ̃ =  ( 11   −   12 22 − 1   21 ) − 1   ( 1 3 )     12 ̃   =  −   ( 11   −   12 22 − 1   21 ) − 1   12   22 − 1   ( 1 4 )     21 ̃   =  − 22 − 1 ( 11   −   12 22 − 1   21 ) − 1   ( 1 5 )     22 ̃ =  22 − 1 + 22 − 1 21 ( 11 − 12 22 − 1 21 ) − 1 12 22 − 1   ( 1 6 )     A l s o   t h e  p s e u d o   in v er s e  [ 2 3 ]   w a s   tes ted   in   th e   s tate   tr an s iti o n   m a tr ix   ca lcu la tio n ,   b u t  it  y ield s   p o o r   r esu lt s   i n   ter m s   o f   ti m e  a n d   m e m o r y   co m p ar ed   to   t h e  b lo ck w i s e  i n v er s io n   f o r m u la.   T h en ,   all  t h e  s u b s eq u e n t   o p er atio n s   ca n   b e  ea s il y   e m p lo y ed   u s in g   t h e  co r r esp o n d in g   b lo ck s   as  eq u atio n s   ( 3 )   to   ( 6 )   s tates.    As  th e  i n v er s io n   o f   h i g h   o r d er   m a tr ices  h a s   al w a y s   b ee n   a  ch allen g e  d u e  to   th e  li m i t ed   p r o ce s s in g   an d   m e m o r y   ca p ac it y   o f   tr ad itio n al   co m p u ter s   [ 2 4 ] .   T h er ef o r e,   co m b i n in g   t h e  p ar titi o n - m atr i x   th eo r y   a n d   b lo ck w i s e  in v er s e   y ie ld s   a n   in ter e s ti n g   m eth o d o lo g y   w i th   at tr ac tiv e   s o l u tio n   o f   n o   m atr i x   o p er atio n s   o v er h ea d   f o r   t h e  p r o b le m   o f   h ig h   d i m e n s io n alit y .   Fi n all y ,   th e  co r r esp o n d in g   s u b - m atr ic es  o f   ze r o   i n p u t  a n d   ze r o   s tate  r esp o n s es  ar e  ad d ed ,   th en ,   ass e m b le  t h e  b lo ck s   ag ain   al to g et h er   to   f o r m   t h e  co m p lete  s tate  p ac e  s o lu tio n .       4.   I M P L E M E NT AT I O N  A ND  CASE   S T UD I E S    Sev er al  e x p er i m e n ts   h a v e  b ee n   p er f o r m ed   to   p r o v e  t h e  ap p li ca b ilit y   o f   t h e  p r o p o s ed   tech n i q u e  u s in g   MA T L A B   M u P A D  S y m b o li c  Ma th   T o o lb o x   [ 2 5 ]   w it h   d if f er e n t  s ta te  s p ac e  s y s te m   m o d el  o f   v ar io u s   d i m en s io n s .  I n   t h e  n e x t  s u b s ec tio n s ,   ea ch   ca s e  s t u d y   is   b r ief l y   d escr ib ed ,   s y m b o l icall y   s o l v ed ,   th e n     th e  p ar a m eter   v ar y i n g   b eh a v io r   is   an al y ze d   a n d   f i n all y   th e  r e s u lt s   ar e   co m p ar ed   w it h   n u m e r ical  s o lu tio n s .     4 . 1 .     Ca s e  s t ud y   # 1   ( s hip   m o t io n  m o de l )   T o   f u ll y   r ep r ese n t  t h e  m o tio n   o f   a  r i g id   b o d y   i n   s p ac e,   s ix   d eg r ee s   o f   f r ee d o m   ( DO F)  ar e  r eq u ir ed .   T h e  Stan d ar d   No tatio n   f o r   s h ip   m o tio n   is   d ep icted   in   Fig u r e   3   [ 2 6 ]   an d   it s   p ar a m eter s   ar e   g iv e n   i n     T ab le  1   [ 2 6 ] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2088 - 8708       F u lly  s ymb o lic - b a s ed   tech n iq u e  fo r   s o lvin g   co mp lex  s ta te - s p a ce   co n tr o l sys tems   ( A me r a   M .   A b d - A lr a h em )   277       Fig u r e  3 .   Stan d ar d   n o tatio n   f o r   s h ip   m o tio n   d escr ip tio n       T ab le   1 .   Sh ip   Mo tio n   s i m u lati o n   p ar am e ter s   d ef i n itio n s   P a r a me t e r s   D e f i n i t i o n   P a r a me t e r s   D e f i n i t i o n   x ,   y ,   z   D i st a n c e   a l o n g   b o d y - f i x e d   sy st e m a x e s [ m ]     Y a w   a n g l e   [ r a d ]   0 ,   v ,   w   T r a n sl a t i o n a l   v e l o c i t y   i n   b o d y - f i x e d   f r a me   [ m / s ]   θ   P i t c h   a n g l e   [ r a d ]    ,  ,    F o r c e   c o mp o n e n t s   a l o n g   b o d y   a x e s [ k g ]         R o l l   a n g l e   [ r a d ]   , ,   R o t a t i o n a l   v e l o c i t y   i n   b o d y - f i x e d   f r a me   [ r a d / s ]   δ   R u d d e r   A n g l e   [ r a d ]   K ,   M,   N   M o me n t   c o mp o n e n t s   a l o n g   b o d y   a x e s   [ k g . m ]           Ho w e v er ,   f o r   s h ip   m a n o eu v r i n g ,   a  4   DO F  d escr ip tio n   t h at  i n v o l v es  s u r g e,   s w a y ,   y a w   an d   r o ll  m o d es  is   t y p icall y   r e g ar d ed   ad eq u ate  [ 2 7 ] .   C o n s eq u en t l y ,   a  f o u r t h   o r d er   s tate  s p ac e  m o d el  f o r   th e  s h ip   m o tio n   u n d er   co n s id er atio n   b ased   o n   th e  No m o to   m o d el  is   g iv e n   i n   a  s y m b o lic  f o r m   a s   f o llo w s   [ 2 6 ] ,       [         ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ]           =  [         11 12 0 0 0 21 22 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 44 45 0 0 0 1 0 ]         [         ]         +  [         1 2 0 4 0 ]           ( 1 7 )     A p p l y in g   t h e  p r o p o s ed   s y m b o lic  b ased   tech n iq u e  o n   t h e  n o n h o m o g en eo u s   s h ip   m o t io n   m o d el,   a  lo w   d i m en s io n   s y s te m   i s   in d icate d .   T h u s ,   th e  s tr aig h t f o r w ar d   s y m b o lic  p r o ce d u r e  th at  f o l lo w s   ( 3 )   to   ( 6 )   is   ex p lo ited   o n   t h e  o r ig i n al  f u ll   m atr ices .  C o m p u ti n g   th e   s t ate  tr an s i tio n   m atr i x ,   t h e  ze r o   in p u t ,  ze r o   s tat e   r esp o n s es   an d   f i n all y   th e  co m p lete  s y m b o lic  s o lu t io n   o f   th e  s h ip   m o tio n   s tate  s p ac e  m o d el  is   o b tain ed .   Si m u latio n   r esu l ts   u s i n g   r ea l  s h ip   m o d el  p ar am e ter s   h a v e  b ee n   u n d er tak e n   f o r   test i n g   [ 2 6 ] .   Nu m er ical  v al u es   f o r   th e  lin ea r ized   s h ip   m o tio n   m o d el  p ar a m eter s   ar e  s u m m a r ized   in   T a b le  2 .   Fo r   illu s tr atio n ,   Fig u r e   4   s h o w s   th e  i m p ac t   o f   v ar y i n g   th e  v al u e  o f   p ar a m e ter   12   o n l y   w it h   a   s tep   o f   0 . 2   o v er   th e  r an g e  f r o m   - 2 . 3   to   - 1 . 5 .     T h e  p ar am eter   ch a n g e  i s   ch o s en   to   b e  n ea r l y   w it h i n   ± 10 %.       T ab le  2 .   Nu m er ical  v al u es  f o r   s h ip   m o t io n   p ar a m eter s   P a r a me t e r   V a l u e   P a r a me t e r   V a l u e   11   - 0 . 0 4   45   - 0 . 0 5 9   12   - 1 . 9 3 3   1   0 . 1 5 5 9   21   0 . 0 0 0 1 1   3   - 0 . 0 0 3 3   22   - 0 . 0 8 1 3   4   0 . 0 0 8 2 1   44   - 0 . 0 7           I t  is   n o ted   th at  c h an g i n g   12   h as  an   ap p ar en t  ef f ec t  o n   t h e  tr an s latio n al  v e lo cit y   ,   a  s lig h t  ef f e ct  o n     an d     an d   al m o s t  n o   e f f ec t   o n   b o th     an d   Φ .   Als o   it   is   n o ted   f r o m   t h e  p lo t  t h at  th e   y a w   an g le  r esp o n s e  i s   u n s tab le.   T h e  o p en - lo o p   r esp o n s e  d o es  n o t  s atis f y   t h e  d esi g n   cr iter ia  at  all.   Hen ce ,   th es e  eq u atio n s   ca n   b e  u s ed   to   an al y s e  t h e  ef f ec t o f   an y   o f   th e  i n ter n a l p ar a m eter   ch an g es  w i th in   a n y   r a n g e  o f   v a r iatio n .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  1 1 ,   No .   1 ,   Feb r u ar y   2 0 2 1   :   27 2   -   28 3   278       ( a)   ( b )     ( c)     Fig u r e  4 .   T h e  ef f ec t o f   c h an g i n g   12   o n   s tate  v ar iab le s   ( a)     v er s u s   ti m e ,   ( b )     v er s u s   ti m e ,   ( c)     v er s u s   ti m e         4 . 2 .     Ca s e  s t ud y   # 2   ( l iqu id co nta iner  m o t io n)   T h is   ca s e  s tu d y   is   co n ce r n ed   w it h   a  liq u id   co n tain er   tr an s f e r   s y s te m   alo n g   s la n ted   p ath s   t h at  r ed u ce   s lo s h in g ,   av o id   o v er f lo w   a n d   f ac ilit ate  h i g h - s p ee d   tr an s m is s io n   in   t h e  s teel  i n d u s tr ies  [ 2 8 ] .   T h e  m elted   m etal   is   m o v ed   to   ca s tin g   ar ea   f r o m   f u r n ac e  af ter   it  h as  b ee n   p o u r ed   to   a  lad le.   A   s ch e m at ic  d iag r a m   o f   a  2   DO F   tr an s f er r in g   m ac h i n e  o n   a  s la n ted   tr an s f er   p ath   i s   s h o w n   i n   F ig u r e  5   [ 2 9 ] .           Fig u r e  5 .   L iq u id   c o n tai n er   tr a n s f er   s y s te m   m o d e l   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2088 - 8708       F u lly  s ymb o lic - b a s ed   tech n iq u e  fo r   s o lvin g   co mp lex  s ta te - s p a ce   co n tr o l sys tems   ( A me r a   M .   A b d - A lr a h em )   279   T h e  s tate  s p ac e  m o d el  r ep r esen ti n g   t h e  s y s te m   i n   t h e  f o r m   o f   ( 1 ,   2 )   is   g iv e n   b y   [ 2 9 ],     x   =  [ ̇ ̇ ̈ ̇ ]   ( 1 8 a)     y   =  [   ℎ       ]    ,     u   =    [   1       2 ]   ( 1 8 b )     B   =  [ 0   c os 0 0 0 0   0 0 0 0 2 0 0 ]   ( 1 8 c)     A   =  [               0 1 0 0 0 0 0 − − 0 0 0 − 1   cos 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 − 2 − 2 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 − 1 ]                 ( 1 8 d )     w h er e  1   an d   2   ar e  th e  li n ea r   tr an s f er   co n tr o l  i n p u t   an d   r o tatio n al  m o tio n   i n p u t  r e s p ec tiv el y .     i s     th e  p en d u l u m   a n g le  f r o m   h o r izo n tal,     is   th e  co n tai n e r   an g le ,  ̈   is   th e   co n tain er   r o tatio n   an g u lar     ac ce ler atio n ,   an d   ̈   i s   th e  ac ce l er atio n   ap p lied   to   th e   co n tain er .   T h e  o th er   m o d el  p ar a m ete r s   ar e  s u m m ar ized   in   T ab le  3 .       T ab le  3 .   L iq u id   co n tain er   tr an s f er   s y s te m   m o d el  p ar am e ter s   P a r a me t e r   D e f i n i t i o n   V a l u e   P a r a me t e r   D e f i n i t i o n   V a l u e     M o t o r   g a i n   0 . 0 9 1 2     A n g l e   o f   sl a n t e d   t r a n sf e r   p a t h   5 . 0     T i me   c o n st a n t   0 . 0 2 2 7   l   L e n g t h   o f   p e n d u l u m   0 . 0 4 4 2     M o t o r   g a i n   - 0 . 5 8 0 7   c   C o e f f i c i e n t   o f   v i s c o si t y   1 . 8 8     D a mp i n g   f a c t o r   0 . 3 7 7 8   m   M a ss   o f   l i q u i d   2 . 7 4 4     N a t u r a l   a n g u l a r   f r e q u e n c y   4 1 . 4 4 6   g   G r a v i t a t i o n a l   a c c e l e r a t i o n   9 . 8   h   L i q u i d   l e v e l   0 . 1 4 0             As  th e  m o d el  d i m e n s io n s   g e ts   lar g er ,   a  co m m o n   cr iter io n   to   f ac ilit ate  th e  p r o ce s s i n g   is   to   p u t    th e  co m p le x   m atr ice s   in   ( 1 8 )   in   th e  p ar a m e tr ic  co m p ac t f o r m   as  f o llo w ,     A  =   [             0 1 0 0 0 0 0 21 22 0 24 0 0 27 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 54 55 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 77 ]             ,  B   =  [             0 0 21 0 0 0 0 0 0 52 0 0 71 0 ]               ( 19 )     A p p l y in g   t h e  p r o p o s ed   tech n iq u e  o n   t h e  n o n h o m o g en eo u s   liq u id   co n tai n er   tr an s f er   s tat e  m o d el,     th e  m atr i x   lev el  d ec is io n   in d i ca tes  a  h ig h   d i m en s io n   s y s te m   n= 7   i.e .   o d d   n u m b er .   T h u s ,   th e  s y s te m   m o d el  is   p ar titi o n ed   in to   lo w er   d i m en s io n al  s u b s y s te m s .  T h en   all  th e  s u cc ee d i n g   p r o ce s s e s   i n   tu r n   ar e  m ad e  o n     th e  s u b m atr i x   lev el.   First  co m p u ti n g   th e  ter m [ SI − A ] − 1 ,   h er e  b o th   11   an d   its   s ch u r   co m p le m e n t   ar e   n o n s in g u lar ;  s o ,   i t  i s   i n v er tib l e  u s in g   eq u atio n s   ( 9 )   to   ( 1 2 ) .  S y m b o lic  ca lc u latio n s   ar e  p r o ce ed ed   co n s is te n tl y ,   th e  s ta te  tr an s itio n   m atr i x   i s   ca lcu lated   as  f o u r   s ep ar ate  b lo ck s   d en o ted    .   T h en   th e  ze r o - i n p u t  r esp o n s e     is   g e n er ated   in   t w o   s ep ar ate   p a r titi o n s   o f   s ize  ( 4 × 1 )   an d   ( 3 × 1 )   r esp ec tiv el y .   T h e  ze r o - s tate  r esp o n s e  is     also   c o m p u t e d   o n   a   b l o c k - b a s i s   a c c o r d i n g   t o   ( 5 )   t h a t   y i e l d s   tw o   s e p a r a t e   b l o c k s   o f   s i z e   ( 4 × 1 )   a n d   ( 3 × 1 ) .     F i n a l l y ,   t h e   z e r o   s t a t e   a n d   z e r o   i n p u t   r e s p o n s e   b l o c k s   a r e   a d d e d   a n d   s im p l i f i e d   t o   f o r m   t h e   c o m p l e t e    s y m b o l i c   s o l u t i o n .   Si m u latio n   r es u lts   u s in g   r ea l  m o d el  p ar a m e ter s   h a v e  b ee n   u n d er ta k en   f o r   test i n g   [ 2 9 ] .   Nu m er ical   v alu e s   f o r   t h e  liq u id   co n tai n er   tr an s f er   m o d el   p ar a m ete r s   ca n   b e  f o u n d   i n   T ab le  3 .   Fig u r e   6   s h o ws     th e  i m p ac t   o f   v ar y i n g   th e  v al u e  o f   th e  liq u id   m a s s   m   o v er   t h e  r an g e  f r o m   2   to   4   k ilo g r a m s   w h ic h   r ep r esen t s   an   ap p r o x i m ate  ch a n g e  ar o u n d   ± 2 0 %,  w h er ea s   all  o th er   p ar a m eter s   v alu e s   ar e  k ep t  u n v ar y in g .   T h e  ch an g e   w il l a f f ec t t h e  v al u e  o f   b o th   p a r a m eter s   22   an d   24 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  1 1 ,   No .   1 ,   Feb r u ar y   2 0 2 1   :   27 2   -   28 3   280   I t is n o ted   t h at  i n cr ea s i n g   liq u i d   m ass   m   i n cr ea s e  t h e  o s cillati o n s   i n   t h e  p en d u l u m   a n g le   an d   v elo cit y ,  w h ile   in   t h e  m ea n ti m e  h a s   n o   ef f ec t  o n   th e  o th er   s tate  p ar a m eter s   at  all.   A ls o ,   it  is   n o ted   f r o m   t h e  p lo t  th at  s o m e  r esp o n s es  ar e  u n s tab le   an d   in   n ee d   f o r   co n tr o llin g   cr iter ia.   Hen ce ,   th ese  eq u ati o n s   ca n   b e  u s ed   to   an al y ze   t h e  e f f ec t o f   an y   o f   t h e  in ter n al  p ar a m e ter   ch an g e s   w it h i n   an y   r an g e  o f   v ar iatio n .         ( a)     ( b )         Fig u r e  6 .   T h e  ef f ec t o f   c h an g i n g   m   o n   s tate  v ar iab le s   ( a)   θ   v er s u s   ti m e ,   ( b )   θ ̇   v er s u s   ti m e       4 . 3 .     Ca s e  s t ud y   # 3   ( Wind   t urbin e  m o del)   I n   th i s   ca s e  s tu d y ,   t h e  w i n d   t u r b in e  s ta te  s p ac e  m o d el  to   b e  in v e s ti g ated   is   a  t h r ee - b lad e  v ar iab le  s p ee d   h o r izo n tal  ax i s   w in d   t u r b in e   [ 3 0 ] .  O v er all  s tate  s p ac e  r ep r esen tatio n   i n   t h e  f o r m   o f   ( 1 ,   2 )   is   g iv e n   b y ,     A   =   [                           −  +        −      0 1 0 2 0 3 0         −     2     −             − 1   0 0 0 0 0 0 1 − 1   0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 − 1   0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 − 2 − 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 − 2 − 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 − 2 − 2 ]                             (2 0 a)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2088 - 8708       F u lly  s ymb o lic - b a s ed   tech n iq u e  fo r   s o lvin g   co mp lex  s ta te - s p a ce   co n tr o l sys tems   ( A me r a   M .   A b d - A lr a h em )   281   B   =  [                     0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1   0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 2 ]                       ( 2 0 b )     w h er e  t h e  s tate   an d   i n p u t  v ec t o r s   ar e,     x( t )   =  [ ∆ 1 1 ̇ 2 2 ̇ 3 3 ̇ ]   u ( t)   =  [ , 1 , 2 ,  3 , ]     w h er e     is   r o to r   s p ee d ,     is   g en er ato r   s p ee d ,     is   p itch   p o s itio n   f o r   b lad e  i,   ∆   is   th e  d r iv e  tr ain   to r s io n   an g le,   a n d     is   th e  g e n er ato r   to r q u e   co n tr o lled   b y   t h e  r ef er e n c e  , .  Oth er   p ar am eter s   ar e  g i v en   in   T ab le  4 .       T ab le  4 .  W in d   tu r b in e  m o d el  p ar am eter s   P a r a me t e r   D e f i n i t i o n   V a l u e   P a r a me t e r   D e f i n i t i o n   V a l u e      D r i v e   t r a i n   t o r si o n   d a m p i n g   c o e f f i c i e n t   7 7 5 . 4 9         T h e   g e a r   r a t i o   3 9 0     M o me n t   o f   i n e r t i a   f o r   l o w - sp e e d   sh a f t   55 × 10 6        T i me   c o n st a n t   0 . 02     M o me n t   o f   i n e r t i a   f o r   h i g h - s p e e d   sh a f t   95     T h e   d a m p i n g   f a c t o r   0 . 6      T h e   t o r si o n   st i f f n e ss o f   t h e   d r i v e   t r a i n   27 × 10 8       T h e   n a t u r a l   f r e q u e n c y   1 1 . 1 1        T h e   e f f i c i e n c y   o f   t h e   d r i v e   t r a i n   0 . 9 7   g   G r a v i t a t i o n a l   a c c e l e r a t i o n   9 . 8     V i sco u s   f r i c t i o n   o f   h i g h - sp e e d   s h a f t   4 5 . 6                   To   f ac ilit ate  t h e  p r o ce s s i n g ,  t h e  co m p le x   m atr ice s   ( 2 0 )   ar e  r ep r esen ted   i n   t h e  p ar a m etr i c  co m p ac t .   B y   ap p l y i n g   th e  p r o p o s ed   s y m b o lic  b ased   tech n iq u e  o n   th e  n o n h o m o g e n eo u s   w i n d   tu r b in e  s tate  s p ac e  m o d el,   th e  m a tr ix   le v el  d ec is io n   in d i ca tes   a  h i g h   d i m e n s io n   s y s te m   n= 1 0   i.e .   ev en   n u m b er .   T h u s ,   t h e  s y s te m   m o d el   is   p ar titi o n ed   in to   lo w er   d i m en s io n al  s u b s y s te m s .  T h en   al l  th e  s u cc ee d in g   p r o ce s s es  i n   tu r n   ar e  m ad e  o n     th e  s u b m atr i x   b asis .   First  co m p u ti n g   th e  ter m   [ SI − A ] − 1 ,  w h er e  b o t h   11   an d   its   s ch u r   co m p le m e n t   ar e  n o n s in g u lar ;  s o   it   is   in v er ti b le  u s i n g   eq u atio n s   f r o m   ( 9 )   to   ( 1 2 ) .   Sy m b o lic  ca lcu la t io n s   ar e  p r o ce ed ed   co n s is ten tl y ,   t h e  s tate  tr an s iti o n   m atr i x   is   ca lc u lated   as  f o u r   s ep ar ate  b lo ck s   d en o ted      o f   s ize  ( 5 × 5 )   f o r   ea ch   b lo ck .   T h en   t h e  ze r o - i n p u t  r esp o n s e  is   g en er ated   i n   t wo   s ep ar ate  p ar titi o n s   o f   s ize  ( 5 × 1 ) .   T h e  ze r o - s tate  r esp o n s e  is   also   co m p u ted   o n   a  b lo ck - b asis   ac co r d in g   to   ( 4 )   th at  y ield s   t w o   s ep ar ate  ze r o   s tate  b lo ck s   o f   s ize   (5 × 1 ) .   Fin all y ,   th e  ze r o   s tate  an d   ze r o   in p u t  r esp o n s e  b lo ck s   ar e  a d d ed   an d   s im p li f ied   to   f o r m   t h e  co m p lete  s y m b o lic  s o lu t io n   o f   t h e  w i n d   tu r b in e  s ta te  s p ac e  m o d el.   Si m u lat io n   r es u lt s   u s i n g   r ea l  m o d el   p ar a m eter s   h a v e  b ee n   u n d er ta k en   f o r   te s ti n g   [ 30 ] .   Nu m er ical   v alu e s   f o r   w i n d   tu r b i n e   m o d el  p ar am eter s   ar e  s u m m ar ize d   in   T ab le  4 .   Fo r   illu s tr atio n ,   Fi g u r e  7   s h o w s     th e  i m p ac t   o f   v ar y i n g   t h e  v al u e  o f   p ar a m eter   1   o n l y   o v er   t h e  r an g e  f r o m   0 . 0 0 1   to   0 . 0 2 ,   w h er ea s   all  o t h er   p ar am eter s   v alu e s   ar e  k ep t  u n v ar y i n g .   I t  is   n o ted   th at  ch an g i n g   1   h as  a   n o ticea b le  im p ac t   o n   r o to r   an d   g en er ato r   s p ee d   an d   to r s io n   an g le  o f   d r iv e  tr ai n   ( , ,  ∆ ),   w h ile   i n   th e  m ea n ti m e  h as  n o   e f f ec t  o n   th e  o th er   s tate  p ar a m eter s   at  all .   He n c e,   th ese  eq u atio n s   ca n   b e  u s ed   to   an al y ze   th e  e f f ec t  o f   a n y   o f   th e  i n ter n al   p ar am eter   ch a n g es  w it h in   a n y   r an g e  o f   v ar iatio n .   Mo r eo v er ,   it  i s   n o ted   f r o m   th e   p lo t  t h at  s o m e  r e s p o n s es   ar e  u n s tab le  an d   i n   n ee d   f o r   a  co n t r o llin g   cr iter io n .   Fo r   all  t h e  p r ev io u s   ca s e  s tu d i es,  t h e   p er f o r m a n ce   o f   t h e  p r o p o s ed   s y m b o lic - b ased   tec h n iq u e  h as  b ee n   co m p ar ed   to   t h e  co r r esp o n d in g   Si m u lin k   m o d el.   Up   to   n o w ,   Si m u li n k   is   to tall y   n u m er ical.   T o   v er if y     th e  co r r ec tn es s   o f   t h e  r es u lted   s y m b o lic  s o l u tio n ,   a  Si m u li n k   m o d el  f o r   ea ch   ca s e  s t u d y   h as  b ee n   d e v elo p ed   an d   th e  n u m er ical   v al u es   f o r   th e  p ar a m eter s   h a ve   b ee n   f ed   in to   t h e  s tate  s p ac e  b lo ck .   T h e  r es u lted   o u tp u ts   f r o m   th e   s co p e  b lo ck s   s h o w   t h e  s a m e   b eh a v io u r   id e n ticall y   to   th at   g e n er ated   f r o m   th e   s y m b o lic   eq u atio n s   in   all  ca s e  s t u d ies .   A t  la s t  it  ca n   b e  co n clu d ed   f r o m   all  ca s e  s t u d ies  i m p le m e n tat io n s   t h at  t h e  s y m b o lic  s o lu tio n   g iv e s   id en tical   r es u lts   as   t h e  n u m er ica l  co r r esp o n d in g   s o lu ti o n .   So ,   t h e  s y m b o lic  b a s ed   m o d el  ca n   b e  a   b etter   alter n ati v e  to   th e   n u m er ical  m et h o d s   w h ic h   h as   th e   ad v an tag e   o f   g e n er alit y   a n d   f le x ib ilit y .   Mo r eo v er ,     th e  p ar titi o n ed   m atr i x   tec h n i q u e  i m p r o v es  t h e  m e m o r y   u s e  an d   ti m e  co n s u m p tio n   t h a n   th e  d ir ec t  m eth o d   w h er e  t h e  ti m e  i s   d ec r ea s e d   b y   2 0 %  an d   m e m o r y   u s e  b y   ab o u t  5 %  as   ca lcu lated   f r o m   t h e  p r ev io u s   ca s e  s tu d ie s   ex p er i m e n tat io n s .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.