Guaranteed state estimation using a bundle of interval observers with adaptive gains applied to the induction machine

he scope of this paper is the design of an interval observer bundle for the guaranteed state estimation of an uncertain induction machine with linear, time-varying dynamics. These guarantees are of particular interest in the case of safety-critical systems. In many cases, interval observers provide large intervals for which the usability becomes impractical. Hence, based on a reduced-order hybrid interval observer structure, the guaranteed enclosure within intervals of the magnetizing current’s estimates is improved using a bundle of interval observers. One advantage of such an interval observer bundle is the possibility to reinitialize the interval observers at specified timesteps during runtime with smaller initial intervals, based on previously observed system states, resulting in decreasing interval widths. Thus, unstable observer dynamics are considered so as to take advantage of their transient behavior, whereby the overall stability of the interval estimation is maintained. An algorithm is presented to determine the parametrization of reduced-order interval observers. To this, an adaptive observer gain is introduced with which the system states are observed optimally by considering a minimal interval width at variable operating points. Furthermore, real-time capability and validation of the proposed methods are shown. The results are discussed with simulations as well as experimental data obtained with a test bench

Advances in state estimation, diagnosis and control of complex systems

This dissertation intends to provide theoretical and practical contributions on estimation, diagnosis and control of complex systems, especially in the mathematical form of descriptor systems. The research is motivated by real applications, such as water networks and power systems, which require a control system to provide a proper management able to take into account their specific features and operating limits in presence of uncertainties related to their operation and failures from component malfunctions. Such a control system is expected to provide an optimal operation to obtain efficient and reliable performance. State estimation is an essential tool, which can be used not only for fault diagnosis but also for the controller design. To achieve a satisfactory robust performance, set theory is chosen to build a general framework for descriptor systems subject to uncertainties. Under certain assumptions, these uncertainties are propagated and bounded by deterministic sets that can be explicitly characterized at each iteration step. Moreover, set-invariance characterizations for descriptor systems are also of interest to describe the steady performance, which can also be used for active mode detection. For the controller design for complex systems, new developments of economic model predictive control (EMPC) are studied taking into account the case of underlying periodic behaviors. The EMPC controller is designed to be recursively feasible even with sudden changes in the economic cost function and the closed-loop convergence is guaranteed. Besides, a robust technique is plugged into the EMPC controller design to maintain these closed-loop properties in presence of uncertainties. Engineering applications modeled as descriptor systems are presented to illustrate these control strategies. From the real applications, some additional difficulties are solved, such as using a two-layer control strategy to avoid binary variables in real-time optimizations and using nonlinear constraint relaxation to deal with nonlinear algebraic equations in the descriptor model. Furthermore, the fault-tolerant capability is also included in the controller design for descriptor systems by means of the designed virtual actuator and virtual sensor together with an observer-based delayed controller.Esta tesis propone contribuciones de carácter teórico y aplicado para la estimación del estado, el diagnóstico y el control óptimo de sistemas dinámicos complejos en particular, para los sistemas descriptores, incluyendo la capacidad de tolerancia a fallos. La motivación de la tesis proviene de aplicaciones reales, como redes de agua y sistemas de energía, cuya naturaleza crítica requiere necesariamente un sistema de control para una gestión capaz de tener en cuenta sus características específicas y límites operativos en presencia de incertidumbres relacionadas con su funcionamiento, así como fallos de funcionamiento de los componentes. El objetivo es conseguir controladores que mejoren tanto la eficiencia como la fiabilidad de dichos sistemas. La estimación del estado es una herramienta esencial que puede usarse no solo para el diagnóstico de fallos sino también para el diseño del control. Con este fin, se ha decidido utilizar metodologías intervalares, o basadas en conjuntos, para construir un marco general para los sistemas de descriptores sujetos a incertidumbres desconocidas pero acotadas. Estas incertidumbres se propagan y delimitan mediante conjuntos que se pueden caracterizar explícitamente en cada instante. Por otra parte, también se proponen caracterizaciones basadas en conjuntos invariantes para sistemas de descriptores que permiten describir comportamientos estacionarios y resultan útiles para la detección de modos activos. Se estudian también nuevos desarrollos del control predictivo económico basado en modelos (EMPC) para tener en cuenta posibles comportamientos periódicos en la variación de parámetros o en las perturbaciones que afectan a estos sistemas. Además, se demuestra que el control EMPC propuesto garantiza la factibilidad recursiva, incluso frente a cambios repentinos en la función de coste económico y se garantiza la convergencia en lazo cerrado. Por otra parte, se utilizan técnicas de control robusto pata garantizar que las estrategias de control predictivo económico mantengan las prestaciones en lazo cerrado, incluso en presencia de incertidumbre. Los desarrollos de la tesis se ilustran con casos de estudio realistas. Para algunas de aplicaciones reales, se resuelven dificultades adicionales, como el uso de una estrategia de control de dos niveles para evitar incluir variables binarias en la optimización y el uso de la relajación de restricciones no lineales para tratar las ecuaciones algebraicas no lineales en el modelo descriptor en las redes de agua. Finalmente, se incluye también una contribución al diseño de estrategias de control con tolerancia a fallos para sistemas descriptores

Recent Advances in Robust Control

Robust control has been a topic of active research in the last three decades culminating in H_2/H_\infty and \mu design methods followed by research on parametric robustness, initially motivated by Kharitonov's theorem, the extension to non-linear time delay systems, and other more recent methods. The two volumes of Recent Advances in Robust Control give a selective overview of recent theoretical developments and present selected application examples. The volumes comprise 39 contributions covering various theoretical aspects as well as different application areas. The first volume covers selected problems in the theory of robust control and its application to robotic and electromechanical systems. The second volume is dedicated to special topics in robust control and problem specific solutions. Recent Advances in Robust Control will be a valuable reference for those interested in the recent theoretical advances and for researchers working in the broad field of robotics and mechatronics

On-line estimation approaches to fault-tolerant control of uncertain systems

This thesis is concerned with fault estimation in Fault-Tolerant Control (FTC) and as such involves the joint problem of on-line estimation within an adaptive control system. The faults that are considered are significant uncertainties affecting the control variables of the process and their estimates are used in an adaptive control compensation mechanism. The approach taken involves the active FTC, as the faults can be considered as uncertainties affecting the control system. The engineering (application domain) challenges that are addressed are: (1) On-line model-based fault estimation and compensation as an FTC problem, for systems with large but bounded fault magnitudes and for which the faults can be considered as a special form of dynamic uncertainty. (2) Fault-tolerance in the distributed control of uncertain inter-connected systems The thesis also describes how challenge (1) can be used in the distributed control problem of challenge (2). The basic principle adopted throughout the work is that the controller has two components, one involving the nominal control action and the second acting as an adaptive compensation for significant uncertainties and fault effects. The fault effects are a form of uncertainty which is considered too large for the application of passive FTC methods. The thesis considers several approaches to robust control and estimation: augmented state observer (ASO); sliding mode control (SMC); sliding mode fault estimation via Sliding Mode Observer (SMO); linear parameter-varying (LPV) control; two-level distributed control with learning coordination

Performance indicators for the dynamics modeling and control of PEMFC systems

Society is gradually becoming aware that the current energy industry, based on the use of fossil fuels, is inefficient, highly polluting and has a finite supply. Within the scientific community, there are indications that hydrogen (H2) as an energy vector, obtained from renewable energy sources, can represent a viable option to mitigate the problems associated with hydrocarbon combustion. In this context, the change from the current energy industry to a new structure with a significant involvement of H2 facilitates the introduction of fuel cells as elements of energy conversion. Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFC) are gaining increased attention as viable energy conversion devices for a wide range of applications from automotive, stationary to portable. In order to optimize performance, these systems require active control and thus in-depth knowledge of the system dynamics which include fluid mechanics, thermal dynamics and reaction kinetics. One of the main issues, with respect to proper control of these systems, is the understanding of the water transport mechanisms through the membrane and the liquid water distribution. The thesis is based on the publication of nine international journal articles that are divided into 4 sub-topics: Dynamic fuel cell modeling, fuel cell system control-oriented analysis, identification of parameters and performance indicators and finally, fault and failure detection and system diagnosis. In the sub-topic of Dynamic Fuel cell modeling, experimentally validated Computational Fluid Dynamics (CFD) modeling is used to relate the effects of the physical phenomena associated with fluid mechanics and thermal dynamics, that occur inside the fuel cell [Alonso, 2009][Strahl, 2011], to water distribution. However, since these CFD models cannot be directly used for control, control-oriented models [Kunusch, 2008][Kunusch, 2011] have been developed in parallel. As well, another study is done in [Serra, 2006] which includes a controllability analysis of the system for future development and application of efficient controllers. The results of the above mentioned studies are limited because either they do not incorporate an electrochemical model or the model is not experimentally validated. Moreover, these models do not take into account the voltage losses due to liquid water inside the fuel cell. Therefore, there is a need to properly relate the relevant effects of fluid mechanics and thermal dynamics, including liquid water, to the fuel cell voltage. Primarily, methodologies are needed to determine the relevant indicators associated to the effect of water on the fuel cell performance. The works published in [Husar, 2008] and [Husar, 2011] treats experimental parameter identification, mainly focused on water transport through the membrane and fuel cell voltage loss indicators respectively. The implementation of the indicators indirect measurement methodology provides an experimental way for the isolation of three main types of voltage losses in the fuel cell: activation, mass transport and ohmic losses. Additionally since these voltage loss indicators relate the fuel cell operating conditions to the fuel cell voltage, they can be utilized to calibrate and validate CFD models as well as employed in novel control strategies. On the other hand, to develop reliable systems, the controller should not only take into account performance variables during standard operation but should also be able to detect failures and take the appropriate actions. A preliminary study on failure indicators is presented in [Husar 2007] and fault detection methodologies are described in [de Lira 2011]. As a whole, the compilation of articles represented in this thesis applies a comprehensive experimental approach which describes the implementation of novel methodologies and experimental procedures to characterize and model the PEMFC and their associated systems taking into consideration control oriented goals.La societat s'està adonant que la indústria energètica actual, basada en l'ús de combustibles fòssils, és ineficient, molt contaminant i té un subministrament limitat. Dins de la comunitat científica, hi ha indicis que el hidrogen (H2) com vector energètic, obtingut a partir de fonts d'energia renovables, pot representar una opció viable per a mitigar els problemes associats amb la combustió d'hidrocarburs. En aquest context, el canvi de la indústria energètica actual a una nova estructura amb una important participació de el hidrogen exigeix la introducció de les piles de combustible com elements de conversió d'energia. Les piles de combustible de membrana polimèrica (PEMFC) estan tenint cada vegada més atenció com a dispositius viables de conversió d'energia per a una àmplia gamma d'aplicacions com automoció, estacionàries o portàtils. Amb la finalitat d'optimitzar el seu rendiment, les piles PEM requereixen un control actiu i per tant un coneixement profund de la dinàmica del sistema, que inclou la mecànica de fluids, la dinàmica tèrmica i la cinètica de les reaccions. Un dels temes principals relacionat amb el control adequat d'aquests sistemes és la comprensió dels mecanismes de transport d'aigua a través de la membrana i la distribució d'aigua líquida. Aquesta tesi es basa en nou articles publicats en revistes internacionals que es divideixen en 4 subtemes: la modelització dinàmica de piles de combustible, l'anàlisi orientada al control del sistema, la identificació de paràmetres i d’indicadors de funcionament i, finalment, la detecció de fallades i la diagnosi dels sistemes. En el sub-tema de la modelització dinàmica de piles PEM, la modelització basada en la Dinàmica de Fluids Computacional (CFD) amb validació experimental s'ha utilitzat per a relacionar els efectes dels fenòmens físics de la mecànica de fluids i de la dinàmica tèrmica que es produeixen dintre de la pila [Alonso, 2009] [ Strahl, 2011] amb la distribució d'aigua. No obstant això, com aquests models CFD no poden ser utilitzats directament per al control, s'han desenvolupat models orientats a control [Kunusch, 2008] [Kunusch, 2011] en paral·lel. A més, en un altre estudi [Serra, 2006] s'inclou una anàlisi de control·labilitat del sistema per al desenvolupament i aplicació futurs de controladors eficaços. Però els resultats dels estudis esmentats anteriorment són limitats, ja sigui perquè no incorporen un model electroquímic o bé perquè no han estat validats experimentalment. A més, cap dels models té en compte les pèrdues de tensió degudes a l'aigua líquida dins de la pila de combustible. Per tant, hi ha una necessitat de relacionar adequadament els efectes rellevants de la mecànica de fluids i de la dinàmica tèrmica, incloent l'aigua líquida, amb el voltatge de la pila de combustible. Principalment, són necessàries metodologies per a determinar els indicadors rellevants associats a aquest efecte de l'aigua sobre el rendiment de la pila de combustible. Els treballs publicats en [Husar, 2008] i [Husar, 2011] tracten la identificació experimental de paràmetres, centrada en el transport d'aigua a través de la membrana i els indicadors de pèrdua de tensió, respectivament. L'aplicació d'una proposta de metodologia de mesura indirecte dels indicadors permet l'aïllament dels tres tipus principals de pèrdues de voltatge en la pila de combustible: l'activació, el transport de massa i les pèrdues ohmiques. Aquests indicadors de pèrdua de tensió relacionen les condicions d'operació amb el voltatge de la pila de combustible i per tant poden ser utilitzats per a calibrar i validar models CFD, així com per a definir noves estratègies de control. D'altra banda, per a aconseguir sistemes fiables, el controlador no només ha de considerar els indicadors de funcionament de l'operació normal, sinó que també ha de detectar possibles fallades per a poder prendre les accions adequades en cas de fallada. Un estudi preliminar sobre indicadors de fallades es presenta en [Husar 2007] i una metodologia de detecció de fallades completa es descriu en [Lira de 2011]. En el seu conjunt, el compendi d'articles que formen aquesta tesi segueix un enfocament experimental i descriu la implementació de noves metodologies i procediments experimentals per a la caracterització i el modelatge de piles PEM i els sistemes associats amb objectius orientats al control eficient d'aquests sistemes.La sociedad se ésta dando cuenta de que la industria energética actual, basada en el uso de combustibles fósiles, es ineficiente, muy contaminante y tiene un suministro limitado. Dentro de la comunidad científica, hay indicios de que el hidrógeno (H2) como vector energético, obtenido a partir de fuentes de energía renovables, puede representar una opción viable para mitigar los problemas asociados con la combustión de hidrocarburos. En este contexto, el cambio de la industria energética actual a una nueva estructura con una importante participación de H2 exige la introducción de pilas de combustible como elementos de conversión de energía. Las pilas de combustible de membrana polimérica (PEMFC) están ganando cada vez más atención como dispositivos viables de conversión de energía para una amplia gama de aplicaciones como automoción, estacionarias o portátiles. Con el fin de optimizar su rendimiento, las pilas PEM requieren un control activo y por lo tanto un conocimiento profundo de la dinámica del sistema, que incluye la mecánica de fluidos, la dinámica térmica y la cinética de las reacciones. Uno de los temas principales relacionado con el control adecuado de estos sistemas, es la comprensión de los mecanismos de transporte de agua a través de la membrana y la distribución de agua líquida. Esta tesis se basa en la publicación de nueve artículos en revistas internacionales que se dividen en 4 sub-temas: el modelado dinámico de pilas de combustible, el análisis orientado a control del sistema, la identificación de parámetros e indicadores de desempeño y, por último, la detección de fallos y la diagnosis. En el sub-tema de la modelización dinámica de pilas PEM, el modelado basado en Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) con validación experimental se ha utilizado para relacionar los efectos de los fenómenos físicos de la mecánica de fluidos y la dinámica térmica que se producen dentro de la pila [Alonso, 2009] [ Strahl, 2011] con la distribución de agua. Sin embargo, como estos modelos CFD no pueden ser utilizados directamente para el control, modelos orientados a control [Kunusch, 2008] [Kunusch, 2011] se han desarrollado en paralelo. Además, en otro estudio [Serra, 2006] se incluye un análisis de controlabilidad del sistema para el futuro desarrollo y aplicación de controladores eficaces. Pero los resultados de los estudios mencionados anteriormente son limitados, ya sea porque no incorporan un modelo electroquímico o bien porque no son validados experimentalmente. Además, ninguno de los modelos tiene en cuenta las pérdidas de tensión debidas al agua líquida dentro de la pila de combustible. Por lo tanto, hay una necesidad de relacionar adecuadamente los efectos relevantes de la mecánica de fluidos y la dinámica térmica, incluyendo el agua líquida, con la tensión de la pila de combustible. Principalmente, son necesarias metodologías para determinar los indicadores relevantes asociados al efecto del agua sobre el rendimiento de la pila de combustible. Los trabajos publicados en [Husar, 2008] y [Husar, 2011] tratan la identificación experimental de parámetros, centrada en el transporte de agua a través de la membrana y los indicadores de pérdida de tensió, respectivamente. La aplicación de una metodología propuesta de medición indirecta de los indicadores permite el aislamiento de los tres tipos principales de pérdidas de tensión en la pila de combustible: la activación, el transporte de masa y las pérdidas óhmicas. Éstos indicadores de pérdida de tensión relacionan las condiciones de operación con la tensión de la pila de combustible y por lo tanto pueden ser utilizados para calibrar y validar modelos CFD, así como para definir nuevas estrategias de control. Por otro lado, para conseguir sistemas fiables, el controlador no sólo debe considerar los indicadores de desempeño de la operación regular, sino que también debe detectar posibles fallos para poder tomar las acciones adecuadas en caso de fallo. Un estudio preliminar sobre indicadores de fallos se presenta en [Husar 2007] y una metodología de detección de fallos completa se describe en [Lira de 2011]. En su conjunto, el compendio de artículos que forman esta tesis sigue un enfoque experimental y describe la implementación de nuevas metodologías y procedimientos experimentales para la caracterización y el modelado de pilas PEM y los sistemas asociados con objetivos orientados al control eficiente de estos sistemas

From verified parameter identification to the design of interval observers and cooperativity-preserving controllers : an experimental case study

One of the most important advantages of interval observers and the associated trajectory computation is their capability to provide estimates for a given dynamic system model in terms of guaranteed state bounds which are compatible with measured data subject to bounded uncertainty. However, the inevitable requirement for being able to produce such verified bounds is the knowledge about a dynamic system model in which possible uncertainties and inaccuracies are themselves represented by guaranteed bounds. For that reason, classical point-valued parameter identification schemes are often not sufficient or should, at least, be handled with sufficient care if safety critical applications are of interest. This paper provides an application-oriented description of the major steps leading from a control-oriented system model with an associated interval-valued parameter and disturbance identification to a verified design of interval observers which provide the basis for the development and implementation of cooperativity-preserving feedback controllers. Such combined control and observer structures allow for forecasting guaranteed lower and upper state bounds that can be determined by solving initial value problems for crisp-parameter models. As such, they replace the significantly more demanding task of computing tubes of reachable states by means of general-purpose interval methods. The corresponding computational steps for the cooperativity-preserving control and observer synthesis are described and visualized for the temperature control of a laboratory-scale test rig available at the Chair of Mechatronics at the University of Rostock