Exponential Stabilization of an Overhead Crane Model

Abstract A problem of exponential stabilization of an overhead crane model represented by a PDE is considered. For any r > 0, the exponential stability at the desired decay rate r is solved in semigroup setting by a collocated-type stabiliser of a target system combined with a term involving the solution of an appropriate PDE. This work is based on paper

Adaptive Control

Adaptive control has been a remarkable field for industrial and academic research since 1950s. Since more and more adaptive algorithms are applied in various control applications, it is becoming very important for practical implementation. As it can be confirmed from the increasing number of conferences and journals on adaptive control topics, it is certain that the adaptive control is a significant guidance for technology development.The authors the chapters in this book are professionals in their areas and their recent research results are presented in this book which will also provide new ideas for improved performance of various control application problems

Stochastic Control for Cooperative Cyber-Physical Networking

Die stetig fortschreitende Digitalisierung erlaubt einen immer autonomeren und intelligenteren Betrieb von Produktions- und Fertigungslinien, was zu einer stärker werdenden Verzahnung der physikalischen Prozesse und der Software-Komponenten zum Überwachen, Steuern und Messen führt. Cyber-physische Systeme (CPS) spielen hierbei eine Schlüsselrolle, indem sie sowohl die physikalischen als auch die Software-Komponenten zu einem verteilten System zusammenfassen, innerhalb dessen Umgebungszustände, Messwerte und Steuerbefehle über ein Kommunikationsnetzwerk ausgetauscht werden. Die Verfügbarkeit von kostengünstigen Geräten und die Möglichkeit bereits existierende Infrastruktur zu nutzen sorgen dafür, dass auch innerhalb von CPS zunehmend auf den Einsatz von Standard-Netzen auf Basis von IEEE 802.3 (Ethernet) und IEEE 802.11 (WLAN) gesetzt wird. Nachteilig bei der Nutzung von Standard-Netzen sind jedoch auftretende Dienstgüte-Schwankungen, welche aus der gemeinsamen Nutzung der vorhandenen Infrastruktur resultieren und für die Endsysteme in Form von sich ändernden Latenzen und Daten- und Paketverlustraten sichtbar werden. Regelkreise sind besonders anfällig für Dienstgüte-Schwankungen, da sie typischerweise isochrone Datenübertragungen mit festen Latenzen benötigen, um die gewünschte Regelgüte zu garantieren. Für die Vernetzung der einzelnen Komponenten, das heißt von Sensorik, Aktorik und Regler, setzt man daher klassischerweise auf Lösungen, die diese Anforderungen erfüllen. Diese Lösungen sind jedoch relativ teuer und unflexibel, da sie den Einsatz von spezialisierten Netzwerken wie z.B. Feldbussen benötigen oder über komplexe, speziell entwickelte Kommunikationsprotokolle realisiert werden wie sie beispielsweise die Time-Sensitive Networking (TSN) Standards definieren. Die vorliegende Arbeit präsentiert Ergebnisse des interdisziplinären Forschungsprojekts CoCPN:Cooperative Cyber-Physical Networking, das ein anderes Konzept verfolgt und explizit auf CPS abzielt, die Standard-Netze einsetzen. CoCPN benutzt einen neuartigen, kooperativen Ansatz um i) die Elastizität von Regelkreisen innerhalb solcher CPS zu erhöhen, das heißt sie in die Lage zu versetzen, mit den auftretenden Dienstgüte-Schwankungen umzugehen, und ii) das Netzwerk über die Anforderungen der einzelnen Regler in Kenntnis zu setzen. Kern von CoCPN ist eine verteilte Architektur für CPS, welche es den einzelnen Regelkreisen ermöglicht, die verfügbare Kommunikations-Infrastruktur gemeinsam zu nutzen. Im Gegensatz zu den oben genannten Lösungen benötigt CoCPN dafür keine zentrale Instanz mit globaler Sicht auf das Kommunikationssystem, sodass eine enge Kopplung an die Anwendungen vermieden wird. Stattdessen setzt CoCPN auf eine lose Kopplung zwischen Netzwerk und Regelkreisen, realisiert in Form eines Austauschs von Meta-Daten über den sog. CoCPN-Translator. CoCPN implementiert ein Staukontrollverfahren, welches den typischen Zusammenhang zwischen erreichbarer Regelgüte und Senderate ausnutzt: die erreichbare Regelgüte steigt mit der Senderate und umgekehrt. Durch Variieren der zu erreichenden Regelgüte kann das Sendeverhalten der Regler so eingestellt werden, dass die vorhandenen Kommunikations-Ressourcen optimal ausgenutzt und gleichzeitig Stausituationen vermieden werden. In dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit den regelungstechnischen Fragestellungen innerhalb von CoCPN. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf dem Entwurf und der Analyse von Algorithmen, die auf Basis der über den CoCPN-Translator ausgetauschten Meta-Daten die notwendige Elastizität liefern und es dadurch den Reglern ermöglichen, schnell auf Änderungen der Netzwerk-Dienstgüte zu reagieren. Dazu ist es notwendig, dass den Reglern ein Modell zur Verfügung gestellt wird, dass die Auswirkungen von Verzögerungen und Paketverlusten auf die Regelgüte erfasst. Im ersten Teil der Arbeit wird eine Erweiterung eines existierenden Modellierungs-Ansatzes vorgestellt, dessen Grundidee es ist, sowohl die Dynamik der Regelstrecke als auch den Einfluss von Verzögerungen und Paketverlusten durch ein hybrides System darzustellen. Hybride Systeme zeichnen sich dadurch aus, dass sie sowohl kontinuierlich- als auch diskretwertige Zustandsvariablen besitzen. Unsere vorgestellte Erweiterung ist in der Lage, Änderungen der Netzwerk-Dienstgüte abzubilden und ist nicht auf eine bestimmte probabilistische Darstellung der auftretenden Verzögerungen und Paketverluste beschränkt. Zusätzlich verzichtet unsere Erweiterung auf die in der Literatur übliche Annahme, dass Quittungen für empfangene Datenpakete stets fehlerfrei und mit vernachlässigbarer Latenz übertragen werden. Verglichen mit einem Großteil der verwandten Arbeiten, ermöglichen uns die genannten Eigenschaften daher eine realistischere Berücksichtigung der Netzwerk-Einflüsse auf die Regelgüte. Mit dem entwickelten Modell kann der Einfluss von Verzögerungen und Paketverlusten auf die Regelgüte prädiziert werden. Auf Basis dieser Prädiktion können Stellgrößen dann mit Methoden der stochastischen modellprädiktiven Regelung (stochastic model predictive control) berechnet werden. Unsere realistischere Betrachtung der Netzwerk-Einflüsse auf die Regelgüte führt hierbei zu einer gegenseitigen Abhängigkeit von Regelung und Schätzung. Zur Berechnung der Stellgrößen muss der Regler den Zustand der Strecke aus den empfangenen Messungen schätzen. Die Qualität dieser Schätzungen hängt von den berechneten Stellgrößen und deren Auswirkung auf die Regelstrecke ab. Umgekehrt beeinflusst die Qualität der Schätzungen aber maßgeblich die Qualität der Stellgrößen: Ist der Schätzfehler gering, kann der Regler bessere Entscheidungen treffen. Diese gegenseitige Abhängigkeit macht die Berechnung von optimalen Stellgrößen unmöglich und bedingt daher die Fokussierung auf das Erforschen von approximativen Ansätzen. Im zweiten Teil dieser Arbeit stellen wir zwei neuartige Verfahren für die stochastische modellprädiktive Regelung über Netzwerke vor. Im ersten Verfahren nutzen wir aus, dass bei hybriden System oft sogenannte multiple model-Algorithmen zur Zustandsschätzung verwendet werden, welche den geschätzten Zustand in Form einer Gaußmischdichte repräsentieren. Auf Basis dieses Zusammenhangs und einer globalen Approximation der Kostenfunktion leiten wir einen Algorithmus mit geringer Komplexität zur Berechnung eines (suboptimalen) Regelgesetzes her. Dieses Regelgesetz ist nichtlinear und ergibt sich aus der gewichteten Kombination mehrerer unterlagerter Regelgesetze. Jedes dieser unterlagerten Regelgesetze lässt sich dabei als lineare Funktion genau einer der Komponenten der Gaußmischdichte darstellen. Unser zweites vorgestelltes Verfahren besitzt gegensätzliche Eigenschaften. Das resultierende Regelgesetz ist linear und basiert auf einer Approximation der Kostenfunktion, welche wir nur lokal, das heißt nur in der Umgebung einer erwarteten Trajektorie des geregelten Systems, berechnen. Diese Trajektorie wird hierbei durch die Prädiktion einer initialen Zustandsschätzung über den Optimierungshorizont gewonnen. Zur Berechnung des Regelgesetzes schlagen wir dann einen iterativen Algorithmus vor, welcher diese Approximation durch wiederholtes Optimieren der System-Trajektorie verbessert. Simulationsergebnisse zeigen, dass unsere neuartigen Verfahren eine signifikant höhere Regelgüte erzielen können als verwandte Ansätze aus der Literatur. Der dritte Teil der vorliegenden Arbeit beschäftigt sich erneut mit dem hybriden System aus dem ersten Teil. Die im Rahmen dieser Arbeit verwendeten Netzwerk-Modelle, das heißt die verwendeten probabilistischen Beschreibungen der Verzögerungen und Paketverluste, werden vom CoCPN-Translator auf Grundlage von im Netzwerk gesammelten Status-Informationen erzeugt. Diese Status-Informationen bilden jedoch stets nur Ausschnitte ab und können nie exakt den "Zustand” des Netzwerks repräsentieren. Dementsprechend können die resultierenden Netzwerk-Modelle nicht als fehlerfrei erachtet werden. In diesem Teil der Arbeit untersuchen wir daher den Einfluss möglicher Fehler in den Netzwerk-Modellen auf die zu erwartende Regelgüte. Weiterhin gehen wir der Frage nach der Existenz von Reglern, die robust gegenüber solchen Fehlern und Unsicherheiten sind, nach. Dazu zeigen wir zunächst, dass sich Fehler in den Netzwerk-Modellen immer als eine polytopische Parameter-Unsicherheit im hybriden System aus dem ersten Teil manifestieren. Für solche polytopischen hybride System leiten wir dann eine sowohl notwendige als auch hinreichende Stabilitätsbedingung her, was einen signifikanten Beitrag zur Theorie der hybriden Systeme darstellt. Die Auswertung dieser Bedingung erfordert es zu bestimmen, ob der gemeinsame Spektralradius (joint spectral radius) einer Menge von Matrizen kleiner als eins ist. Dieses Entscheidungsproblem ist bekanntermaßen NP-schwer, was die Anwendbarkeit der Stabilitätsbedingung stark limitiert. Daher präsentieren wir eine hinreichende Stabilitätsbedingung, die in polynomieller Zeit überprüft werden kann, da sie auf der Erfüllbarkeit von linearen Matrixungleichungen basiert. Schließlich zeigen wir, dass die Existenz eines Reglers, der die Stabilität des betrachteten polytopischen hybriden Systems garantiert, von der Erfüllbarkeit einer ähnlichen Menge von Matrixungleichungen bestimmt wird. Diese Ungleichungen sind weniger restriktiv als die bisher in der Literatur bekannten, was die Synthese von weniger konservativen Reglern erlaubt. Schließlich zeigen wir im letzten Teil dieser Arbeit die Anwendbarkeit des kooperativen Konzepts von CoCPN in Simulations-Szenarien, in denen stark ausgelastete Netzwerk-Ressourcen mit anderen Anwendungen geteilt werden müssen. Wir demonstrieren, dass insbesondere das Zusammenspiel unserer modellprädiktiven Verfahren mit dem Staukontrollverfahren von CoCPN einen zuverlässigen Betrieb der Regelkreise ohne unerwünschte Einbußen der Regelgüte auch dann ermöglicht, wenn sich die Kommunikationsbedingungen plötzlich und unvorhergesehen ändern. Insgesamt stellt unsere Arbeit somit einen wichtigen Baustein auf dem Weg zu einem flächendeckenden Einsatz von Standard-Netzen als flexible und adaptive Basis für industrielle CPS dar

Advanced Discrete-Time Control Methods for Industrial Applications

This thesis focuses on developing advanced control methods for two industrial systems in discrete-time aiming to enhance their performance in delivering the control objectives as well as considering the practical aspects. The first part addresses wind power dispatch into the electricity network using a battery energy storage system (BESS). To manage the amount of energy sold to the electricity market, a novel control scheme is developed based on discrete-time model predictive control (MPC) to ensure the optimal operation of the BESS in the presence of practical constraints. The control scheme follows a decision policy to sell more energy at peak demand times and store it at off-peaks in compliance with the Australian National Electricity Market rules. The performance of the control system is assessed under different scenarios using actual wind farm and electricity price data in simulation environment. The second part considers the control of overhead crane systems for automatic operation. To achieve high-speed load transportation with high-precision and minimum load swings, a new modeling approach is developed based on independent joint control strategy which considers actuators as the main plant. The nonlinearities of overhead crane dynamics are treated as disturbances acting on each actuator. The resulting model enables us to estimate the unknown parameters of the system including coulomb friction constants. A novel load swing control is also designed based on passivity-based control to suppress load swings. Two discrete-time controllers are then developed based on MPC and state feedback control to track reference trajectories along with a feedforward control to compensate for disturbances using computed torque control and a novel disturbance observer. The practical results on an experimental overhead crane setup demonstrate the high performance of the designed control systems.Comment: PhD Thesis, 230 page

On Vibration Suppression and Trajectory Tracking in Largely Uncertain Torsional System: An Error-based ADRC Approach

In this work, a practically relevant control problem of compensating harmonic uncertainties is tackled. The problem is formulated and solved here using an active disturbance rejection control (ADRC) methodology. A novel, custom ADRC structure is proposed that utilizes an innovative resonant extended state observer (RESO), dedicated to systems subjected to harmonic interferences. In order to make the introduced solution more industry-friendly, the entire observer-centered control topology is additionally restructured into one degree-of-freedom, compact, feedback error-based form (similar to ubiquitous in practice PID controller). Such reorganization enables a straightforward implementation and commission of the proposed technique in wide range of industrial control platforms, thus potentially increasing its outreach. In order to verify the efficiency of the introduced method, a multi-criteria experimental case study using a torsional plant is conducted in a trajectory tracking task, showing satisfactory performance in vibration suppression, without the often problem of noise amplification due to high observer/controller gains. Finally, a frequency analysis and a rigorous stability proof of the proposed control structure are given

Design and energy consumption of invariant based shortcuts to adiabaticity

140 p.Esta tesis consta de dos ramas de investigación. La primera se centra en el diseño de operaciones para controlar los sistemas cuánticos basándose en los atajos a la adiabaticidad. La otra rama es el análisis del consumo energético en estas operaciones, y en particular, cómo afecta ese coste al rendimiento de los motores cuánticos

Two techniques to enhance particle reconstruction in JUNO: Liquid Scintillator purification and Waveform analysis

This thesis describes two techniques to enhance the particle reconstruction in large antineutrino experiments where large target masses are pivotal to compensate for neutrinos’ extremely elusive nature. The main obstacle for the correct characterization of the antineutrino crossing the experiment is the radioactive background. In the first section of this thesis, It is described the design, construction principles and operations of a distillation and a stripping plant for the purification of Liquid Scintillator. The main goal of these plants is to remove radio impurities from the liquid scintillator while increasing its optical attenuation length. Such a combined system will aim at obtaining a total attenuation length greater than 20 m @430 nm, and a bulk radiopurity for 238U and 232Th in the 10−15 ÷ 10−17 g/g range. In order to better understand the purification capability of these techniques two pilot plant were built and operated at the Daya Bay laboratories. Depending on the detector light yield, several scintillation photons stemming from the same neutrino interaction are likely to hit a single Photo Multiplier Tube in a few tens/hundreds of nanoseconds, resulting in several photoelectrons (pes) to pile-up at the anode. In such scenario, the signal generated by each pe is entangled to the others, and an accurate charge reconstruction becomes challenging. Thus, leads to a degradation of the resolution of the antineutrino energy spectrum. In the second part of this manuscript, it is described an experimental method able to address the charge reconstruction in the case of large pe pile-up, providing an unbiased charge estimator at the permille level up to 15 detected pes. The method is based on a signal filtering technique (Wiener filter) which suppresses the noise due to both pmt and readout electronics, and on a Fourier-based deconvolution able to minimize the influence of signal distortions — such as an overshoot.Questa tesi descrive due tecniche che possono essere utilizzate per migliorare la ricostruzione delle caratteristiche delle particelle interagenti all’interno di esperimenti per la rivelazione di antineutrini, in cui le grandi masse bersaglio sono fondamentali per compensare la natura estremamente sfuggente di queste particelle. L'ostacolo principale per la corretta caratterizzazione dell'antineutrino è il fondo radioattivo. Nella prima sezione di questa tesi, viene descritto la progettazione, i principi costruttivi e le operazioni di un impianto di distillazione e strippaggio per la purificazione si Scintillatore Liquido. L'obiettivo principale di questi impianti è rimuovere le radio-impurità dallo scintillatore liquido aumentandone contemporaneamente la lunghezza di attenuazione ottica. Tale sistema combinato mirerà ad ottenere una lunghezza di attenuazione totale maggiore di 20 m @430 nm, e una radiopurezza, espressa in concentrazione massica, per 238U e 232Th nell'intervallo 10−15 ÷ 10−17 g/g. Per comprendere meglio la capacità di purificazione di queste tecniche sono stati costruiti e messi in funzione due impianti pilota presso i laboratori di Daya Bay. A seconda della resa luminosa del rivelatore, è probabile che diversi fotoni di scintillazione derivanti dalla stessa interazione di neutrini colpiscano un singolo tubo fotomoltiplicatore in poche decine/centinaia di nanosecondi, con il risultato che diversi fotoelettroni (pes) si accumulino all'anodo. In tale scenario, il segnale generato da ciascun pe è sovrapposto agli altri, e una ricostruzione accurata della carica diventa impegnativa, comportando quindi un degrado della risoluzione dello spettro energetico dell'antineutrino. Nella seconda parte di questo manoscritto, viene descritto un metodo sperimentale in grado ricostruire la carica generata da multipli foto-elettroni incidenti sul PMT nel caso di pile-up, fornendo uno stimatore della carica con una precisione a livello del permille. Il metodo si basa su una tecnica di filtraggio del segnale (filtro Wiener) che sopprime il rumore dovuto sia al PMT che all'elettronica di lettura del segnale, e su una deconvoluzione basata sull’analisi di Fourier in grado di minimizzare l'influenza delle distorsioni del segnale

Engineering Dynamics and Life Sciences

From Preface: This is the fourteenth time when the conference “Dynamical Systems: Theory and Applications” gathers a numerous group of outstanding scientists and engineers, who deal with widely understood problems of theoretical and applied dynamics. Organization of the conference would not have been possible without a great effort of the staff of the Department of Automation, Biomechanics and Mechatronics. The patronage over the conference has been taken by the Committee of Mechanics of the Polish Academy of Sciences and Ministry of Science and Higher Education of Poland. It is a great pleasure that our invitation has been accepted by recording in the history of our conference number of people, including good colleagues and friends as well as a large group of researchers and scientists, who decided to participate in the conference for the first time. With proud and satisfaction we welcomed over 180 persons from 31 countries all over the world. They decided to share the results of their research and many years experiences in a discipline of dynamical systems by submitting many very interesting papers. This year, the DSTA Conference Proceedings were split into three volumes entitled “Dynamical Systems” with respective subtitles: Vibration, Control and Stability of Dynamical Systems; Mathematical and Numerical Aspects of Dynamical System Analysis and Engineering Dynamics and Life Sciences. Additionally, there will be also published two volumes of Springer Proceedings in Mathematics and Statistics entitled “Dynamical Systems in Theoretical Perspective” and “Dynamical Systems in Applications”

Bio-inspired robotic control in underactuation: principles for energy efficacy, dynamic compliance interactions and adaptability.

Biological systems achieve energy efficient and adaptive behaviours through extensive autologous and exogenous compliant interactions. Active dynamic compliances are created and enhanced from musculoskeletal system (joint-space) to external environment (task-space) amongst the underactuated motions. Underactuated systems with viscoelastic property are similar to these biological systems, in that their self-organisation and overall tasks must be achieved by coordinating the subsystems and dynamically interacting with the environment. One important question to raise is: How can we design control systems to achieve efficient locomotion, while adapt to dynamic conditions as the living systems do? In this thesis, a trajectory planning algorithm is developed for underactuated microrobotic systems with bio-inspired self-propulsion and viscoelastic property to achieve synchronized motion in an energy efficient, adaptive and analysable manner. The geometry of the state space of the systems is explicitly utilized, such that a synchronization of the generalized coordinates is achieved in terms of geometric relations along the desired motion trajectory. As a result, the internal dynamics complexity is sufficiently reduced, the dynamic couplings are explicitly characterised, and then the underactuated dynamics are projected onto a hyper-manifold. Following such a reduction and characterization, we arrive at mappings of system compliance and integrable second-order dynamics with the passive degrees of freedom. As such, the issue of trajectory planning is converted into convenient nonlinear geometric analysis and optimal trajectory parameterization. Solutions of the reduced dynamics and the geometric relations can be obtained through an optimal motion trajectory generator. Theoretical background of the proposed approach is presented with rigorous analysis and developed in detail for a particular example. Experimental studies are conducted to verify the effectiveness of the proposed method. Towards compliance interactions with the environment, accurate modelling or prediction of nonlinear friction forces is a nontrivial whilst challenging task. Frictional instabilities are typically required to be eliminated or compensated through efficiently designed controllers. In this work, a prediction and analysis framework is designed for the self-propelled vibro-driven system, whose locomotion greatly relies on the dynamic interactions with the nonlinear frictions. This thesis proposes a combined physics-based and analytical-based approach, in a manner that non-reversible characteristic for static friction, presliding as well as pure sliding regimes are revealed, and the frictional limit boundaries are identified. Nonlinear dynamic analysis and simulation results demonstrate good captions of experimentally observed frictional characteristics, quenching of friction-induced vibrations and satisfaction of energy requirements. The thesis also performs elaborative studies on trajectory tracking. Control schemes are designed and extended for a class of underactuated systems with concrete considerations on uncertainties and disturbances. They include a collocated partial feedback control scheme, and an adaptive variable structure control scheme with an elaborately designed auxiliary control variable. Generically, adaptive control schemes using neural networks are designed to ensure trajectory tracking. Theoretical background of these methods is presented with rigorous analysis and developed in detail for particular examples. The schemes promote the utilization of linear filters in the control input to improve the system robustness. Asymptotic stability and convergence of time-varying reference trajectories for the system dynamics are shown by means of Lyapunov synthesis