Control over the Cloud : Offloading, Elastic Computing, and Predictive Control

The thesis studies the use of cloud native software and platforms to implement critical closed loop control. It considers technologies that provide low latency and reliable wireless communication, in terms of edge clouds and massive MIMO, but also approaches industrial IoT and the services of a distributed cloud, as an extension of commercial-of-the-shelf software and systems.First, the thesis defines the cloud control challenge, as control over the cloud and controller offloading. This is followed by a demonstration of closed loop control, using MPC, running on a testbed representing the distributed cloud.The testbed is implemented using an IoT device, clouds, next generation wireless technology, and a distributed execution platform. Platform details are provided and feasibility of the approach is shown. Evaluation includes relocating an on-line MPC to various locations in the distributed cloud. Offloaded control is examined next, through further evaluation of cloud native software and frameworks. This is followed by three controller designs, tailored for use with the cloud. The first controller solves MPC problems in parallel, to implement a variable horizon controller. The second is a hierarchical design, in which rate switching is used to implement constrained control, with a local and a remote mode. The third design focuses on reliability. Here, the MPC problem is extended to include recovery paths that represent a fallback mode. This is used by a control client if it experiences connectivity issues.An implementation is detailed and examined.In the final part of the thesis, the focus is on latency and congestion. A cloud control client can experience long and variable delays, from network and computations, and used services can become overloaded. These problems are approached by using predicted control inputs, dynamically adjusting the control frequency, and using horizontal scaling of the cloud service. Several examples are shown through simulation and on real clouds, including admitting control clients into a cluster that becomes temporarily overloaded

Efficient Control Approaches for Guaranteed Frequency Performance in Power Systems

Due to high penetration of renewable energy, converter-interfaced sources are increasing in power systems and degrading the grid frequency response. Synthetic inertia emulation and guaranteed primary frequency response is a challenging task. Still, there is high potential for application of highly controllable converter-interfaced devices to help performance. Renewable energy sources and demand side smart devices also need to be equipped with innovative frequency control approaches that contribute to frequency regulation operations. First, the wind turbine generator is chosen to represent an example of a converter- interfaced source. An augmented system frequency response model is derived, including the system frequency response model and a reduced-order model of the wind turbine generator representing the supportive active power due to supplementary inputs. An output feedback observer-based control is designed to provide guaranteed frequency performance. System performance is analyzed for different short circuit ratio scenarios where a lower bound to guarantee the performance is obtained. Second, the load side control for frequency regulation with its challenges is introduced. 5G technology and its potential application in smart grids are analyzed. The effect of communication delays and packet losses on inertia emulation are investigated to show the need of using improved communication infrastructure. Third, a robust delay compensation for primary frequency control using fast demand response is proposed. Possible system structured uncertainties and communication delays are considered to limit frequency variations using the proposed control approach. An uncertain governor dead-band model is introduced to capture frequency response characteristics. Guaranteed inertial response is achieved and compared with a PI-based Smith predictor controller to show the effectiveness of the proposed method. Fourth, set theoretic methods for safety verification to provide guaranteed frequency response are introduced. The Barrier certificate approach using a linear programming relaxation by Handelman’s representation is proposed with its application to power systems. Finally, the Handelman’s based barrier certificate approach for adequate frequency performance is studied. The computational algorithm is provided for the proposed method and validated using power system benchmark case studies with a discussion on a safety supervisory control (SSC)

Resilience-oriented control and communication framework for cyber-physical microgrids

Climate change drives the energy supply transition from traditional fossil fuel-based power generation to renewable energy resources. This transition has been widely recognised as one of the most significant developing pathways promoting the decarbonisation process toward a zero-carbon and sustainable society. Rapidly developing renewables gradually dominate energy systems and promote the current energy supply system towards decentralisation and digitisation. The manifestation of decentralisation is at massive dispatchable energy resources, while the digitisation features strong cohesion and coherence between electrical power technologies and information and communication technologies (ICT). Massive dispatchable physical devices and cyber components are interdependent and coupled tightly as a cyber-physical energy supply system, while this cyber-physical energy supply system currently faces an increase of extreme weather (e.g., earthquake, flooding) and cyber-contingencies (e.g., cyberattacks) in the frequency, intensity, and duration. Hence, one major challenge is to find an appropriate cyber-physical solution to accommodate increasing renewables while enhancing power supply resilience. The main focus of this thesis is to blend centralised and decentralised frameworks to propose a collaboratively centralised-and-decentralised resilient control framework for energy systems i.e., networked microgrids (MGs) that can operate optimally in the normal condition while can mitigate simultaneous cyber-physical contingencies in the extreme condition. To achieve this, we investigate the concept of "cyber-physical resilience" including four phases, namely prevention/upgrade, resistance, adaption/mitigation, and recovery. Throughout these stages, we tackle different cyber-physical challenges under the concept of microgrid ranging from a centralised-to-decentralised transitional control framework coping with cyber-physical out of service, a cyber-resilient distributed control methodology for networked MGs, a UAV assisted post-contingency cyber-physical service restoration, to a fast-convergent distributed dynamic state estimation algorithm for a class of interconnected systems.Open Acces

Distributed H∞ Controller Design and Robustness Analysis for Vehicle Platooning Under Random Packet Drop

This paper presents the design of a robust distributed state-feedback controller in the discrete-time domain for homogeneous vehicle platoons with undirected topologies, whose dynamics are subjected to external disturbances and under random single packet drop scenario. A linear matrix inequality (LMI) approach is used for devising the control gains such that a bounded H∞ norm is guaranteed. Furthermore, a lower bound of the robustness measure, denoted as γ gain, is derived analytically for two platoon communication topologies, i.e., the bidirectional predecessor following (BPF) and the bidirectional predecessor leader following (BPLF). It is shown that the γ gain is highly affected by the communication topology and drastically reduces when the information of the leader is sent to all followers. Finally, numerical results demonstrate the ability of the proposed methodology to impose the platoon control objective for the BPF and BPLF topology under random single packet drop

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

Coordination and Self-Adaptive Communication Primitives for Low-Power Wireless Networks

The Internet of Things (IoT) is a recent trend where objects are augmented with computing and communication capabilities, often via low-power wireless radios. The Internet of Things is an enabler for a connected and more sustainable modern society: smart grids are deployed to improve energy production and consumption, wireless monitoring systems allow smart factories to detect faults early and reduce waste, while connected vehicles coordinate on the road to ensure our safety and save fuel. Many recent IoT applications have stringent requirements for their wireless communication substrate: devices must cooperate and coordinate, must perform efficiently under varying and sometimes extreme environments, while strict deadlines must be met. Current distributed coordination algorithms have high overheads and are unfit to meet the requirements of today\u27s wireless applications, while current wireless protocols are often best-effort and lack the guarantees provided by well-studied coordination solutions. Further, many communication primitives available today lack the ability to adapt to dynamic environments, and are often tuned during their design phase to reach a target performance, rather than be continuously updated at runtime to adapt to reality.In this thesis, we study the problem of efficient and low-latency consensus in the context of low-power wireless networks, where communication is unreliable and nodes can fail, and we investigate the design of a self-adaptive wireless stack, where the communication substrate is able to adapt to changes to its environment. We propose three new communication primitives: Wireless Paxos brings fault-tolerant consensus to low-power wireless networking, STARC is a middleware for safe vehicular coordination at intersections, while Dimmer builds on reinforcement learning to provide adaptivity to low-power wireless networks. We evaluate in-depth each primitive on testbed deployments and we provide an open-source implementation to enable their use and improvement by the community

Efficiency and Sustainability of the Distributed Renewable Hybrid Power Systems Based on the Energy Internet, Blockchain Technology and Smart Contracts

The climate changes that are visible today are a challenge for the global research community. In this context, renewable energy sources, fuel cell systems, and other energy generating sources must be optimally combined and connected to the grid system using advanced energy transaction methods. As this book presents the latest solutions in the implementation of fuel cell and renewable energy in mobile and stationary applications such as hybrid and microgrid power systems based on energy internet, blockchain technology, and smart contracts, we hope that they are of interest to readers working in the related fields mentioned above

Analysis of Embedded Controllers Subject to Computational Overruns

Microcontrollers have become an integral part of modern everyday embedded systems, such as smart bikes, cars, and drones. Typically, microcontrollers operate under real-time constraints, which require the timely execution of programs on the resource-constrained hardware. As embedded systems are becoming increasingly more complex, microcontrollers run the risk of violating their timing constraints, i.e., overrunning the program deadlines. Breaking these constraints can cause severe damage to both the embedded system and the humans interacting with the device. Therefore, it is crucial to analyse embedded systems properly to ensure that they do not pose any significant danger if the microcontroller overruns a few deadlines.However, there are very few tools available for assessing the safety and performance of embedded control systems when considering the implementation of the microcontroller. This thesis aims to fill this gap in the literature by presenting five papers on the analysis of embedded controllers subject to computational overruns. Details about the real-time operating system's implementation are included into the analysis, such as what happens to the controller's internal state representation when the timing constraints are violated. The contribution includes theoretical and computational tools for analysing the embedded system's stability, performance, and real-time properties.The embedded controller is analysed under three different types of timing violations: blackout events (when no control computation is completed during long periods), weakly-hard constraints (when the number of deadline overruns is constrained over a window), and stochastic overruns (when violations of timing constraints are governed by a probabilistic process). These scenarios are combined with different implementation policies to reduce the gap between the analysis and its practical applicability. The analyses are further validated with a comprehensive experimental campaign performed on both a set of physical processes and multiple simulations.In conclusion, the findings of this thesis reveal that the effect deadline overruns have on the embedded system heavily depends the implementation details and the system's dynamics. Additionally, the stability analysis of embedded controllers subject to deadline overruns is typically conservative, implying that additional insights can be gained by also analysing the system's performance

Controller Design and Experimental Validation for Connected Vehicle Systems Subject to Digital Effects and Stochastic Packet Drops

Vehicle-to-everything (V2X) communication allows vehicles to monitor the nearby traffic environment, including participants that are beyond the line of sight. Equipping conventional vehicles with V2X devices results in connected vehicles (CVs) while incorporating the information provided by V2X devices into the controllers of automated vehicles (AVs) leads to connected automated vehicles (CAVs). CAVs have great potential for improving driving comfort, reducing fuel consumption and advancing active safety for individual vehicles, as well as enhancing traffic efficiency and mobility for human-dominated traffic systems. In this dissertation, we study a class of connected cruise control (CCC) algorithms for longitudinal control of CAVs, where they respond to the motion information of one or multiple connected vehicles ahead. For validation and demonstration purposes, we utilize a scaled connected vehicle testbed consisting of a group of ground robots, which can provide us with insights about the controller design of full-size vehicles. On the one hand, intermittencies in V2X communication combined with the digital implementation of controllers introduce information delays. To ensure the performance of individual CAVs and the overall traffic, a set of methods is proposed for design and analysis of such communication-based controllers. We validate them with the scaled testbed by conducting a series of experiments on two-car predecessor-follower systems, cascaded predecessor-follower systems, and more complex connected vehicle systems. It is demonstrated that CAVs utilizing information about multiple preceding vehicles in the CCC algorithm can improve the system performance even for low penetration levels. This can be beneficial at the early stage of vehicle automation when human-driven vehicles still dominate the traffic system. On the other hand, we study the delay variations caused by stochastic packet drops in V2X communication and derive the stochastic processes describing the dynamics for the predecessor-follower systems. The dynamics of the mean, second moment and covariance are utilized to obtain stability conditions. Then the results of the two-car predecessor-follower system with stochastic delay variations are extended to an open chain as well as to a closed ring of cascaded predecessor-followers where stochastic packet drops lead to heterogeneity among different V2X devices. It is shown that the proposed analytical methods allow CCC design for CAVs that can achieve stability and stochastic disturbance attenuation in the presence of stochastic packet drops in complex connected vehicle systems.PHDMechanical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttps://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/145874/1/wubing_1.pd