Predictive LPV control of a liquid-gas separation process

[EN] The problem of controlling a liquid-gas separation process is approached by using LPV control techniques. An LPV model is derived from a nonlinear model of the process using differential inclusion techniques. Once an LPV model is available, an LPV controller can be synthesized. The authors present a predictive LPV controller based on the GPC controller [Clarke D, Mohtadi C, Tuffs P. Generalized predictive control - Part I. Automatica 1987;23(2):137-48; Clarke D, Mohtadi C, Tuffs P. Generalized predictive control - Part II. Extensions and interpretations. Automatica 1987;23(2):149-60]. The resulting controller is denoted as GPC-LPV. This one shows the same structure as a general LPV controller [El Gahoui L, Scorletti G. Control of rational systems using linear-fractional representations and linear matrix inequalities. Automatica 1996;32(9):1273-84; Scorletti G, El Ghaoui L. Improved LMI conditions for gain scheduling and related control problems. International Journal of Robust Nonlinear Control 1998;8:845-77; Apkarian P, Tuan HD. Parametrized LMIs in control theory. In: Proceedings of the 37th IEEE conference on decision and control; 1998. p. 152-7; Scherer CW. LPV control and full block multipliers. Automatica 2001;37:361-75], which presents a linear fractional dependence on the process signal measurements. Therefore, this controller has the ability of modifying its dynamics depending on measurements leading to a possibly nonlinear controller. That controller is designed in two steps. First, for a given steady state point is obtained a linear GPC using a linear local model of the nonlinear system around that operating point. And second, using bilinear and linear matrix inequalities (BMIs/LMIs) the remaining matrices of GPC-LPV are selected in order to achieve some closed loop properties: stability in some operation zone, norm bounding of some input/output channels, maximum settling time, maximum overshoot, etc., given some LPV model for the nonlinear system. As an application, a GPC-LPV is designed for the derived LPV model of the liquid-gas separation process. This methodology can be applied to any nonlinear system which can be embedded in an LPV system using differential inclusion techniques. (C) 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.Partially supported by projects: CICYT DPI2004-08383-C03-02 and DPI2005-07835.Salcedo-Romero-De-Ávila, J.; Martínez Iranzo, MA.; Ramos Fernández, C.; Herrero Durá, JM. (2007). Predictive LPV control of a liquid-gas separation process. Advances in Engineering Software. 38(7):466-474. https://doi.org/10.1016/j.advengsoft.2006.10.003S46647438

Robust Control of Input Limited Smart Structural Systems

Integration of controllers with smart structural systems require the controllers to consume less power and to be small in hardware size. These requirements pose as limits on the control input and the order of the controllers. Use of reduced order model of the plant in the controller design can cause spill over problems in the closed-loop system due to possible excitation of the unmodeled dynamics. In this paper, we present a method to design output feedback robust controllers for smart structures in the presence of control input limits considering unmodeled dynamics as additive uncertainty in the design. The performance requirements for the design are specified as regional pole placement constraints on the closed-loop poles. The controller design problem requires the maximization of damping ratio in the presence of additive uncertainty and control input limits. The resulting optimization problem for the controller design is formulated as a generalized eigenvalue problem involving linear matrix inequality (LMI) constraints. The proposed controller is designed and implemented on a multiinput-multioutput 3-mass smart structural test article. The tradeoffs involved in the controller design are analyzed and the performance and robustness specifications are verified experimentall

Robust Control and Dynamic Games

International audienceWe describe several problems of " robust control " that have a solution using game theoretical tools. This is by no means a general overview of robust control theory beyond that specific purpose, nor a general account of system theory with set-description of uncertaineties

Fault-tolerant wide-area control of power systems

In this thesis, the stability and performance of closed-loop systems following the loss of sensors or feedback signals (sensor faults) are studied. The objective is to guarantee stability in the face of sensor faults while optimising performance under nominal (no sensor fault) condition. One of the main contributions of this work is to deal effectively with the combinatorial binary nature of the problem when the number of sensors is large. Several fault-tolerant controller and observer architectures that are suitable for different applications are proposed and their effectiveness demonstrated. The problems are formulated in terms of the existence of feasible solutions to linear matrix inequalities. The formulations presented in this work are described in a general form and can be applied to a large class of systems. In particular, the use of fault-tolerant architectures for damping inter-area oscillations in power systems using wide-area signals has been demonstrated. As an extension of the proposed formulations, regional pole placement to enhance the damping of inter-area modes has been incorporated. The objective is to achieve specified damping ratios for the inter-area modes and maximise the closed-loop performance under nominal condition while guaranteeing stability for all possible combinations of sensors faults. The performances of the proposed fault-tolerant architectures are validated through extensive nonlinear simulations using a simplified equivalent model of the Nordic power system.Open Acces

Event-triggered control for rational and Lur’e type nonlinear systems

In the present work, the design of event-triggered controllers for two classes of nonlinear systems is addressed: rational systems and Lur’e type systems. Lyapunov theory techniques are used in both cases to derive asymptotic stability conditions in the form of linear matrix inequalities that are then used in convex optimization problems as means of computing the control system parameters aiming at a reduction of the number of events generated. In the context of rational systems, state-feedback control is considered and differentialalgebraic representations are used as means to obtain tractable stability conditions. An event-triggering strategy which uses weighting matrices to strive for less events is proposed and then it is proven that this strategy does not lead to Zeno behavior. In the case of Lur’e systems, observer-based state-feedback is addressed with event generators that have access only to the system output and observed state, but it imposes the need of a dwell-time, i.e. a time interval after each event where the trigger condition is not evaluated, to cope with Zeno behavior. Two distinct approaches, exact time-discretization and looped-functional techniques, are considered to ensure asymptotic stability in the presence of the dwell-time. For both system classes, emulation design and co-design are addressed. In the emulation design context, the control law (and the observer gains, when appropriate) are given and the task is to compute the event generator parameters. In the co-design context, the event generator and the control law or the observer can be simultaneously designed. Numerical examples are presented to illustrate the application of the proposed methods.Neste trabalho é abordado o projeto de controladores baseados em eventos para duas classes de sistemas não lineares: sistemas racionais e sistemas tipo Lur’e. Técnicas da teoria de Lyapunov são usadas em ambos os casos para derivar condições de estabilidade assintótica na forma de inequações matriciais lineares. Tais condições são então utilizadas em problemas de otimização convexa como meio de calcular os parâmetros do sistema de controle, visando uma redução no número de eventos gerados. No contexto de sistemas racionais, realimentação de estados é considerada e representações algébrico-diferenciais são usadas como meio de obter condições de estabilidade tratáveis computacionalmente. Uma estratégia de disparo de eventos que usa uma medida de erro ponderado através de matrizes definidas positivas é proposta e é demonstrado que tal estratégia não gera comportamento de Zenão. No caso de sistemas tipo Lur’e, considera-se o caso de controladores com restrições de informações, a saber, com acesso apenas às saídas do sistema. Um observador de estados é então utilizado para recuperar a informação faltante. Neste contexto, é necessária a introdução de um tempo de espera (dwell time, em inglês) para garantir a inexistência de comportamento de Zenão. Todavia, a introdução do tempo de espera apresenta um desafio adicional na garantia de estabilidade que é tratado neste trabalho considerando duas técnicas possíveis: a discretização exata do sistema e o uso de looped-functionals (funcionais em laço, em uma tradução livre). Para ambas classes de sistemas, são tratados os problemas de projeto por emulação e co-design (projeto simultâneo, em uma tradução livre). No projeto por emulação, a lei de controle (e os ganhos do observador, quando apropriado) são dados a priori e a tarefa é projetar os parâmetros do gerador de eventos. No caso do co-design, o gerador de eventos e a lei de controle ou o observador são projetados simultaneamente. Exemplos numéricos são usados para ilustrar a aplicação dos métodos propostos

Sobre o controle para uma classe de sistemas não-lineares com atuadores saturantes

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2009.Apresentamos uma metodologia sistemática visando estudar e computar leis de controle para uma classe de sistemas não-lineares, em tempo contínuo e em tempo discreto, sujeitos à saturação de atuadores. Para modelar o sistema saturado não-linear, utiliza-se uma não-linearidade de tipo zona-morta satisfazendo uma condição de setor modificada, a qual engloba a representação clássica da saturação como uma não-linearidade de setor. Para proposição dos resultados teóricos e algoritmos, consideramos um sistema não-linear tipo Lur'e e, baseados em ferramentas de estabilidade absoluta, uma condição de setor modificada para levar em conta os efeitos da saturação nas entradas de controle. A estrutura do controlador é composta por uma parte linear, um termo associado a saída da não-linearidade dinâmica e, no caso do compensador dinâmico, de uma malha anti-windup. Abordamos, para uma classe de sistemas não-lineares em tempo discreto e com parâmetros variantes, o problema de estabilização sob saturação via uma lei de controle dependente de parâmetros e uma lei de controle a ganhos fixos, ambas sob a forma de uma realimentação de estados mais uma realimentação da não-linearidade. Com base nos resultados obtidos, desenvolvemos também um compensador dinâmico não-linear parcialmente dependente de parâmetros e analisamos a influência da realimentação das não-linearidades consideradas. Para os problemas de controle considerados ao longo deste trabalho, são propostos problemas de otimização convexa com restrições de tipo LMI para o projeto dos controladores, com o objetivo de determinar a maximização da região de atração ou melhoramento do desempenho com a garantia de estabilidade. Exemplos numéricos foram desenvolvidos para ilustrar as potencialidades dos algoritmos propostos

Estabilidade de sistemas não lineares e controle de sistemas chaveados

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2010Este trabalho apresenta técnicas de análise de estabilidade de sistemas não lineares e estratégias de controle de sistemas chaveados com uma proposta de formulação para máquinas de indução, ambos utilizando LMIs como ferramenta de trabalho. Inicialmente, uma nova técnica para se avaliar a estabilidade local, regional e global de sistemas não lineares é apresentada. Os sistemas podem apresentar não linearidades do tipo polinomial, racional e com incerteza paramétrica, e são utilizadas funções de Lyapunov deste mesmo tipo. A abordagem regional conta com a possibilidade de se utilizar a união de politopos para estimar regiões de atração não convexas e da abordagem global tem-se uma técnica para evitar o crescimento do número de LMIs que ocorre na abordagem politópica. Pretende-se aplicar estas técnicas futuramente nos sistemas não lineares chaveados, como a máquina de indução. Na sequência, é mostrada uma técnica de projeto de estratégias de chaveamento, cujo objetivo principal é garantir estabilidade e desempenho de sistemas comutados. Para isso, a metodologia usada é baseada na teoria de estabilidade de Lyapunov, de modo a descrever as condições necessárias para a lei de chaveamento em forma de LMIs e resolvê-las usando pacotes computacionais existentes. Ao final, é apresentada a modelagem da máquina de indução de maneira genérica, denotando as diferenças para os casos desta operando como motor ou gerador, e a sua forma de acionamento utilizando inversores de tensão. Em seguida, são definidas as LMIs e a estabilidade de sistemas juntamente à suas propriedades básicas para então mostrar o desenvolvimento da estratégia de chaveamento proposta e os resultados atingidos