A review of convex approaches for control, observation and safety of linear parameter varying and Takagi-Sugeno systems

This paper provides a review about the concept of convex systems based on Takagi-Sugeno, linear parameter varying (LPV) and quasi-LPV modeling. These paradigms are capable of hiding the nonlinearities by means of an equivalent description which uses a set of linear models interpolated by appropriately defined weighing functions. Convex systems have become very popular since they allow applying extended linear techniques based on linear matrix inequalities (LMIs) to complex nonlinear systems. This survey aims at providing the reader with a significant overview of the existing LMI-based techniques for convex systems in the fields of control, observation and safety. Firstly, a detailed review of stability, feedback, tracking and model predictive control (MPC) convex controllers is considered. Secondly, the problem of state estimation is addressed through the design of proportional, proportional-integral, unknown input and descriptor observers. Finally, safety of convex systems is discussed by describing popular techniques for fault diagnosis and fault tolerant control (FTC).Peer ReviewedPostprint (published version

Fuzzy control turns 50: 10 years later

In 2015, we celebrate the 50th anniversary of Fuzzy Sets, ten years after the main milestones regarding its applications in fuzzy control in their 40th birthday were reviewed in FSS, see [1]. Ten years is at the same time a long period and short time thinking to the inner dynamics of research. This paper, presented for these 50 years of Fuzzy Sets is taking into account both thoughts. A first part presents a quick recap of the history of fuzzy control: from model-free design, based on human reasoning to quasi-LPV (Linear Parameter Varying) model-based control design via some milestones, and key applications. The second part shows where we arrived and what the improvements are since the milestone of the first 40 years. A last part is devoted to discussion and possible future research topics.Guerra, T.; Sala, A.; Tanaka, K. (2015). Fuzzy control turns 50: 10 years later. Fuzzy Sets and Systems. 281:162-182. doi:10.1016/j.fss.2015.05.005S16218228

Nouveaux schémas de commande et d'observation basés sur les modèles de Takagi-Sugeno

This thesis addresses the estimation and controller design for continuous-time nonlinear systems. The methodologies developed are based on the Takagi-Sugeno (TS) representation of the nonlinear model via the sector nonlinearity approach. All strategies intend to get more relaxed conditions.The results presented for controller design are split in two parts. The first part is about standard TS models under control schemes based on: 1) a quadratic Lyapunov function (QLF); 2) a fuzzy Lyapunov function (FLF); 3) a line-integral Lyapunov functions (LILF); 4) a novel non-quadratic Lyapunov functional (NQLF). The second part concerns to TS descriptor models. Two strategies are proposed: 1) within the quadratic framework, conditions based on a general control law and some matrix transformations; 2) an extension to the nonquadratic approach based on a line-integral Lyapunov function (LILF) using non-PDC control law schemes and the Finsler’s Lemma; this strategy offers parameter-dependent linear matrix inequality (LMI) conditions instead of bilinear matrix inequality (BMI) constraints for second-order systems. On the other hand, the problem of the state estimation for nonlinear systems via TS models is also addressed considering: a) the particular case where premise vectors are based on measured variables and b) the general case where premise vectors can be based on unmeasured variables. Several examples have been included to illustrate the applicability of the obtained results.Cette thèse aborde l'estimation et la conception de commande de systèmes non linéaires à temps continu. Les méthodologies développées sont basées sur la représentation Takagi-Sugeno (TS) du modèle non linéaire par l'approche du secteur non-linéarité. Toutes les stratégies ont l'intention d'obtenir des conditions plus détendu. Les résultats présentés pour la conception de commande sont divisés en deux parties. La première partie est environ sur les modèles TS standard au titre des schémas de commande basés sur: 1) une fonction de Lyapunov quadratique (QLF); 2) une fonction de Lyapunov floue (FLF); 3) une fonction de Lyapunov intégrale de ligne (LILF); 4) un nouveau fonctionnelle de Lyapunov non-quadratique (NQLF). La deuxième partie concerne des modèles TS descripteurs. Deux stratégies sont proposées: 1) dans le cadre quadratique, des conditions basées sur une loi de commande général et quelques transformations de matrices; 2) une extension de l'approche non quadratique basée sur LILF utilisant un schéma de commande non-PDC et le lemme du Finsler; cette stratégie offre conditions sur la forme d’inégalité matricielles linéaires (LMI) dépendant des paramètres au lieu des contraintes sur la forme d’inégalité matricielles bilinéaires (BMI) pour les systèmes de second ordre. D'autre part, le problème de l'estimation de l'état pour les systèmes non linéaires via modèles TS est également abordé considérant: a) le cas particulier où les vecteurs prémisses sont basées sur les variables mesurées et b) le cas général où les vecteurs prémisse peuvent être basés sur des variables non mesurées. Plusieurs exemples ont été inclus pour illustrer l'applicabilité des résultats obtenus

A generalised integral polynomial Lyapunov function for nonlinear systems

[EN] This work generalises the line-integral Lyapunov function in (Rhee and Won, 2006) for stability analysis of continuous-time nonlinear models expressed as fuzzy systems. The referred result applied only to Takagi¿Sugeno representations, and required memberships to be a tensor-product of functions of a single state; these are generalised here so that membership arguments can be arbitrary polynomials of the state variables; in this way, systems for which earlier results cannot be applied are now covered. Both the modelling and the integral terms appearing in the Lyapunov functions are generalised to a fuzzy polynomial case. Illustrative examples show the advantage of the proposed method against previous literature, even in the TS case.The authors gratefully to the financial support of Spanish ministry of Economy and European Union, grant DPI2016-81002-R (AEI/FEDER, UE), the CONACyT/COECyT Sonora scholarship 383252, and Project ITSON-PROFAPI-CA 2017-0088.Gonzalez-German, IT.; Sala, A.; Bernal Reza, MÁ. (2019). A generalised integral polynomial Lyapunov function for nonlinear systems. Fuzzy Sets and Systems. 356:77-91. https://doi.org/10.1016/j.fss.2018.02.005S779135

On the Local Quadratic Stability of T-S Fuzzy Systems in the Vicinity of the Origin

The main goal of this paper is to introduce new local stability conditions for continuous-time Takagi-Sugeno (T-S) fuzzy systems. These stability conditions are based on linear matrix inequalities (LMIs) in combination with quadratic Lyapunov functions. Moreover, they integrate information on the membership functions at the origin and effectively leverage the linear structure of the underlying nonlinear system in the vicinity of the origin. As a result, the proposed conditions are proved to be less conservative compared to existing methods using fuzzy Lyapunov functions in the literature. Moreover, we establish that the proposed methods offer necessary and sufficient conditions for the local exponential stability of T-S fuzzy systems. The paper also includes discussions on the inherent limitations associated with fuzzy Lyapunov approaches. To demonstrate the theoretical results, we provide comprehensive examples that elucidate the core concepts and validate the efficacy of the proposed conditions

Contributions to nonlinear system modelling and controller synthesis via convex structures

Esta tesis discute diferentes metodologías de modelado para extraer mejores prestaciones o resultados de estabilidad que aquéllas que el modelado convencional basado en sector no-lineal de sistemas Takagi-Sugeno (también denominados cuasi-LPV) es capaz de producir. En efecto, incluso si las LMIs pueden probar distintas cotas de prestaciones o márgenes de estabilidad (tasa de decaimiento, $\mathcal H_\infty$, etc.) para sistemas politópicos, es bien conocido que las prestaciones probadas dependen del modelo elegido y, dado un sistema no-lineal, dicho modelo politópico no es único. Por tanto, se presentan exploraciones hacia cómo obtener el modelo que es menos perjudicial para la medida de prestaciones elegida. Como una última contribución, mejores resultados son obtenidos mediante la extensión del modelado politópico Takagi-Sugeno a un marco de inclusiones en diferencias cuasi-convexas con planificación de ganancia. En efecto, una versión sin planificación de ganancia fue propuesta por un equipo de investigadores de la Universidad de Sevilla (Fiaccini, Álamo, Camacho) para generalizar el modelado politópico, y esta tesis propone una version aún más general de algunos de dichos resultados que incorpora planificación de ganancia.This thesis discusses different modelling methodologies to eke out best performance/stability results than conventional sector-nonlinearity Takagi-Sugeno (also known as quasi-LPV) systems modelling techniques are able to yield. Indeed, even if LMIs can prove various performance and stability bounds (decay rate, $\mathcal H_\infty$, etc.) for polytopic systems, it is well known that the proven performance depends on the chosen model and, given a nonlinear dynamic systems, the polytopic embeddings available for it are not unique. Thus, explorations on how to obtain the model which is less deletereous for performance are presented. As a last contribution, extending the polytopic Takagi-Sugeno setup to a gain-scheduled quasi-convex difference inclusion framework allows to improve the results over the polytopic models. Indeed, the non-scheduled convex difference inclusion framework was proposed by a research team in University of Seville (Fiacchini, Alamo, Camacho) as a generalised modelling methodology which included the polytopic one; this thesis poses a further generalised gain-scheduled version of some of these results.Aquesta tesi discuteix diferents metodologies de modelatge per extreure millors prestacions o resultats d'estabilitat que aquelles que el modelatge convencional basat en sector no-lineal de sistemes Takagi-Sugeno (també anomenats quasi-LPV) és capaç de produir. En efecte, fins i tot si les LMIs poden provar diferents cotes de prestacions o marges d'estabilitat (taxa de decaïment, $\mathcal H_\infty$, etc.) per a sistemes politòpics, és ben conegut que les prestacions provades depenen del model triat i, donat un sistema no-lineal, el dit model politòpic no és únic. Per tant, es presenten exploracions cap a com obtenir el model que és menys perjudicial per a la mesura de prestacions triada. Com una darrera contribució, millors resultats són obtinguts mitjançant l'extensió del modelatge politòpic Takagi-Sugeno a un marc d'inclusions en diferències quasi-convexes amb planificació de guany. En efecte, una versió sense planificació de guany va ser proposada per un equip d'investigadors de la Universitat de Sevilla (Fiaccini, Álamo, Camacho) per a generalitzar el modelatge politòpic, i aquesta tesi proposa una versió més general d'alguns d'aquests resultats que incorpora planificació de guany.Robles Ruiz, R. (2018). Contributions to nonlinear system modelling and controller synthesis via convex structures [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/100848TESI

Contributions to fuzzy polynomial techniques for stability analysis and control

The present thesis employs fuzzy-polynomial control techniques in order to improve the stability analysis and control of nonlinear systems. Initially, it reviews the more extended techniques in the field of Takagi-Sugeno fuzzy systems, such as the more relevant results about polynomial and fuzzy polynomial systems. The basic framework uses fuzzy polynomial models by Taylor series and sum-of-squares techniques (semidefinite programming) in order to obtain stability guarantees. The contributions of the thesis are: ¿ Improved domain of attraction estimation of nonlinear systems for both continuous-time and discrete-time cases. An iterative methodology based on invariant-set results is presented for obtaining polynomial boundaries of such domain of attraction. ¿ Extension of the above problem to the case with bounded persistent disturbances acting. Different characterizations of inescapable sets with polynomial boundaries are determined. ¿ State estimation: extension of the previous results in literature to the case of fuzzy observers with polynomial gains, guaranteeing stability of the estimation error and inescapability in a subset of the zone where the model is valid. ¿ Proposal of a polynomial Lyapunov function with discrete delay in order to improve some polynomial control designs from literature. Preliminary extension to the fuzzy polynomial case. Last chapters present a preliminary experimental work in order to check and validate the theoretical results on real platforms in the future.Pitarch Pérez, JL. (2013). Contributions to fuzzy polynomial techniques for stability analysis and control [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/34773TESI

Robust stabilization and observation of positive Takagi-Sugeno systems

Esta tesis propone metodologías para diseñar controladores robustos y observadores para los sistemas positivos descritos por modelos de Takagi-Sugeno (TS), lineal, inciertos, y tal vez con retraso. Las condiciones de síntesis se expresan como LMIs (desigualdades matriciales lineales). En la primera parte, se establecen las condiciones para garantizar la estabilización asintótica y la α-estabilización de los sistemas T-S lineales positivas y, tal vez afectados por incertidumbres de intervalo, usando controladores de retroalimentación de estado descompuestos. En la segunda parte, se dan las condiciones necesarias y suficientes para la estabilización de los sistemas de T-S positivos con retraso, en dos casos: cuando las variables de premisa del sistema son medibles o no. Además, el problema de diseño de control basado en observador es considerado, por las leyes de retroalimentación del estado que se pueden elegir con o sin memoria. Para mostrar la eficacia de los métodos propuestos, se proporcionan ejemplos numéricos y prácticos, dando resultados satisfactorios.Departamento de Ingeniería de Sistemas y Proceso

Relaxed LMI conditions for control of nonlinear Takagi-Sugeno models

Los problemas de optimización de desigualdades matriciales lineales en control borroso se han convertido en la herramienta más utilizada en dicha área desde los años 90. Muchos sistemas no lineales pueden ser modelados como sistemas borrosos de modo que el control borroso puede considerarse como una técnica de control no lineal. Aunque se han obtenido muchos y buenos resultados, quedan algunas fuentes de conservadurismo cuando se comparan con otros enfoques de control no lineal. Esta tesis discute dichas cuestiones de conservadurismo y plantea nuevos enfoques para resolverlas. La principal ventaja de la formulación mediante desigualdades matriciales lineales es la posibilidad de asegurar estabilidad y prestaciones de un sistema no lineal modelado como un sistema borroso Takagi-Sugeno. Estos modelos están formados por un conjunto de modelos lineales eligiendo el sistema a aplicar mediante el uso de unas reglas borrosas. Estas reglas se traducen en funciones de interpolación o de pertenecía que nos indican el grado de validez de un modelo lineal respecto del resto. El mayor problema que presentan estas técnicas basadas en desigualdades matriciales lineales es que las funciones de pertenencia no están incluidas en las condiciones de estabilidad del sistema, lo que significa que se prueba la estabilidad y prestaciones para cualquier forma de interpolación entre los diferentes modelos lineales. Esto genera una fuente de conservadurismo que sería conveniente limitar. En la tesis doctoral se presentan varias metodologías capaces de trasladar la información de las funciones de pertenencia del sistema al problema basado en desigualdades matriciales lineales de estabilidad y prestaciones. Las dos principales aportaciones propuestas se basan, respectivamente, en introducir una serie de matrices de relajación que permitan incorporar esta información y en aprovechar la descripción de una amplia clase de sistemas borrosos en productos tensoriales de...Ariño Latorre, CV. (2008). Relaxed LMI conditions for control of nonlinear Takagi-Sugeno models [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/8301Palanci