Networked Control System Design and Parameter Estimation

Networked control systems (NCSs) are a kind of distributed control systems in which the data between control components are exchanged via communication networks. Because of the attractive advantages of NCSs such as reduced system wiring, low weight, and ease of system diagnosis and maintenance, the research on NCSs has received much attention in recent years. The first part (Chapter 2 - Chapter 4) of the thesis is devoted to designing new controllers for NCSs by incorporating the network-induced delays. The thesis also conducts research on filtering of multirate systems and identification of Hammerstein systems in the second part (Chapter 5 - Chapter 6). Network-induced delays exist in both sensor-to-controller (S-C) and controller-to-actuator (C-A) links. A novel two-mode-dependent control scheme is proposed, in which the to-be-designed controller depends on both S-C and C-A delays. The resulting closed-loop system is a special jump linear system. Then, the conditions for stochastic stability are obtained in terms of a set of linear matrix inequalities (LMIs) with nonconvex constraints, which can be efficiently solved by a sequential LMI optimization algorithm. Further, the control synthesis problem for the NCSs is considered. The definitions of H₂ and H∞ norms for the special system are first proposed. Also, the plant uncertainties are considered in the design. Finally, the robust mixed H₂/H∞ control problem is solved under the framework of LMIs. To compensate for both S-C and C-A delays modeled by Markov chains, the generalized predictive control method is modified to choose certain predicted future control signal as the current control effort on the actuator node, whenever the control signal is delayed. Further, stability criteria in terms of LMIs are provided to check the system stability. The proposed method is also tested on an experimental hydraulic position control system. Multirate systems exist in many practical applications where different sampling rates co-exist in the same system. The l₂-l∞ filtering problem for multirate systems is considered in the thesis. By using the lifting technique, the system is first transformed to a linear time-invariant one, and then the filter design is formulated as an optimization problem which can be solved by using LMI techniques. Hammerstein model consists of a static nonlinear block followed in series by a linear dynamic system, which can find many applications in different areas. New switching sequences to handle the two-segment nonlinearities are proposed in this thesis. This leads to less parameters to be estimated and thus reduces the computational cost. Further, a stochastic gradient algorithm based on the idea of replacing the unmeasurable terms with their estimates is developed to identify the Hammerstein model with two-segment nonlinearities. Finally, several open problems are listed as the future research directions

Deep Learning-Based Machinery Fault Diagnostics

This book offers a compilation for experts, scholars, and researchers to present the most recent advancements, from theoretical methods to the applications of sophisticated fault diagnosis techniques. The deep learning methods for analyzing and testing complex mechanical systems are of particular interest. Special attention is given to the representation and analysis of system information, operating condition monitoring, the establishment of technical standards, and scientific support of machinery fault diagnosis

State estimation, system identification and adaptive control for networked systems

A networked control system (NCS) is a feedback control system that has its control loop physically connected via real-time communication networks. To meet the demands of `teleautomation', modularity, integrated diagnostics, quick maintenance and decentralization of control, NCSs have received remarkable attention worldwide during the past decade. Yet despite their distinct advantages, NCSs are suffering from network-induced constraints such as time delays and packet dropouts, which may degrade system performance. Therefore, the network-induced constraints should be incorporated into the control design and related studies. For the problem of state estimation in a network environment, we present the strategy of simultaneous input and state estimation to compensate for the effects of unknown input missing. A sub-optimal algorithm is proposed, and the stability properties are proven by analyzing the solution of a Riccati-like equation. Despite its importance, system identification in a network environment has been studied poorly before. To identify the parameters of a system in a network environment, we modify the classical Kalman filter to obtain an algorithm that is capable of handling missing output data caused by the network medium. Convergence properties of the algorithm are established under the stochastic framework. We further develop an adaptive control scheme for networked systems. By employing the proposed output estimator and parameter estimator, the designed adaptive control can track the expected signal. Rigorous convergence analysis of the scheme is performed under the stochastic framework as well

Intelligent signal processing for digital healthcare monitoring

Ein gesunder Gang ist ein komplexer Prozess und erfordert ein Gleichgewicht zwischen verschiedenen neurophysiologischen Systemen im Körper und gilt als wesentlicher Indikator für den physischen und kognitiven Gesundheitszustand einer Person. Folglich würden Anwendungen im Bereich der Bioinformatik und des Gesundheitswesens erheblich von den Informationen profitieren, die sich aus einer längeren oder ständigen Überwachung des Gangs, der Gewohnheiten und des Verhaltens von Personen unter ihren natürlichen Lebensbedingungen und bei ihren täglichen Aktivitäten mit Hilfe intelligenter Geräte ergeben. Vergleicht man Trägheitsmess- und stationäre Sensorsysteme, so bieten erstere hervorragende Möglichkeiten für Ganganalyseanwendungen und bieten mehrere Vorteile wie geringe Größe, niedriger Preis, Mobilität und sind leicht in tragbare Systeme zu integrieren. Die zweiten gelten als der Goldstandard, sind aber teuer und für Messungen im Freien ungeeignet. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Verbesserung der Zeit und Qualität der Gangrehabilitation nach einer Operation unter Verwendung von Inertialmessgeräten, indem sie eine neuartige Metrik zur objektiven Bewertung des Fortschritts der Gangrehabilitation in realen Umgebungen liefert und die Anzahl der verwendeten Sensoren für praktische, reale Szenarien reduziert. Daher wurden die experimentellen Messungen für eine solche Analyse in einer stark kontrollierten Umgebung durchgeführt, um die Datenqualität zu gewährleisten. In dieser Arbeit wird eine neue Gangmetrik vorgestellt, die den Rehabilitationsfortschritt anhand kinematischer Gangdaten von Aktivitäten in Innen- und Außenbereichen quantifiziert und verfolgt. In dieser Arbeit wird untersucht, wie Signalverarbeitung und maschinelles Lernen formuliert und genutzt werden können, um robuste Methoden zur Bewältigung von Herausforderungen im realen Leben zu entwickeln. Es wird gezeigt, dass der vorgeschlagene Ansatz personalisiert werden kann, um den Fortschritt der Gangrehabilitation zu verfolgen. Ein weiteres Thema dieser Arbeit ist die erfolgreiche Anwendung von Methoden des maschinellen Lernens auf die Ganganalyse aufgrund der großen Datenmenge, die von den tragbaren Sensorsystemen erzeugt wird. In dieser Arbeit wird das neuartige Konzept des ``digitalen Zwillings'' vorgestellt, das die Anzahl der verwendeten Wearable-Sensoren in einem System oder im Falle eines Sensorausfalls reduziert. Die Evaluierung der vorgeschlagenen Metrik mit gesunden Teilnehmern und Patienten unter Verwendung statistischer Signalverarbeitungs- und maschineller Lernmethoden hat gezeigt, dass die Einbeziehung der extrahierten Signalmerkmale in realen Szenarien robust ist, insbesondere für das Szenario mit Rehabilitations-Gehübungen in Innenräumen. Die Methodik wurde auch in einer klinischen Studie evaluiert und lieferte eine gute Leistung bei der Überwachung des Rehabilitationsfortschritts verschiedener Patienten. In dieser Arbeit wird ein Prototyp einer mobilen Anwendung zur objektiven Bewertung des Rehabilitationsfortschritts in realen Umgebungen vorgestellt