ADMM-Tracking Gradient for Distributed Optimization over Asynchronous and Unreliable Networks

In this paper, we propose (i) a novel distributed algorithm for consensus optimization over networks and (ii) a robust extension tailored to deal with asynchronous agents and packet losses. The key idea is to achieve dynamic consensus on (i) the agents' average and (ii) the global descent direction by iteratively solving an online auxiliary optimization problem through a distributed implementation of the Alternating Direction Method of Multipliers (ADMM). Such a mechanism is suitably interlaced with a local proportional action steering each agent estimate to the solution of the original consensus optimization problem. First, in the case of ideal networks, by using tools from system theory, we prove the linear convergence of the scheme with strongly convex costs. Then, by exploiting the averaging theory, we extend such a first result to prove that the robust extension of our method preserves linear convergence in the case of asynchronous agents and packet losses. Further, by using the notion of Input-to-State Stability, we also guarantee the robustness of the schemes with respect to additional, generic errors affecting the agents' updates. Finally, some numerical simulations confirm our theoretical findings and show that the proposed methods outperform the existing state-of-the-art distributed methods for consensus optimization

Energy Efficient Reduced Complexity Multi-Service, Multi-Channel Scheduling Techniques

The need for energy efficient communications is essential in current and next-generation wireless communications systems. A large component of energy expenditure in mobile devices is in the mobile radio interface. Proper scheduling and resource allocation techniques that exploit instantaneous and long-term average knowledge of the channel, queue state and quality of service parameters can be used to improve the energy efficiency of communication. This thesis focuses on exploiting queue and channel state information as well as quality of service parameters in order to design energy efficient scheduling techniques. The proposed designs are for multi-stream, multi-channel systems and in general have high computational complexity. The large contributions of this thesis are in both the design of optimal/near-optimal scheduling/resource allocation schemes for these systems as well as proposing complexity reduction methods in their design. Methods are proposed for both a MIMO downlink system as well as an LTE uplink system. The effect of power efficiency on quality of service parameters is well studied as well as complexity/efficiency comparisons between optimal/near optimal allocation

Information Theory and Cooperative Control in Networked Multi-Agent Systems with Applications to Smart Grid

This dissertation focuses on information theoretic aspects of and cooperative control techniques in networked multi-agent systems (NMAS) with communication constraints. In the first part of the dissertation, information theoretic limitations of tracking problems in networked control systems, especially leader-follower systems with communication constraints, are studied. Necessary conditions on the data rate of each communication link for tracking of the leader-follower systems are provided. By considering the forward and feedback channels as one cascade channel, we also provide a lower bound for the data rate of the cascade channel for the system to track a reference signal such that the tracking error has finite second moment. Finally, the aforementioned results are extended to the case in which the leader system and follower system have different system models. In the second part, we propose an easily scalable hierarchical decision-making and control architecture for smart grid with communication constraints in which distributed customers equipped with renewable distributed generation (RDG) interact and trade energy in the grid. We introduce the key components and their interactions in the proposed control architecture and discuss the design of distributed controllers which deal with short-term and long-term grid stability, power load balancing and energy routing. At microgrid level, under the assumption of user cooperation and inter-user communications, we propose a distributed networked control strategy to solve the demand-side management problem in microgrids. Moreover, by considering communication delays between users and microgrid central controller, we propose a distributed networked control strategy with prediction to solve the demand-side management problem with communication delays. In the third part, we consider the disturbance attenuation and stabilization problem in networked control systems. To be specific, we consider the string stability in a large group of interconnected systems over a communication network. Its potential applications could be found in formation tracking control in groups of robots, as well as uncertainty reduction and disturbance attenuation in smart grid. We propose a leader-following consensus protocol for such interconnected systems and derive the sufficient conditions, in terms of communication topology and control parameters, for string stability. Simulation results and performance in terms of disturbance propagation are also given. In the fourth part, we consider distributed tracking and consensus in networked multi-agent systems with noisy time-varying graphs and incomplete data. In particular, a distributed tracking with consensus algorithm is developed for the space-object tracking with a satellite surveillance network. We also intend to investigate the possible application of such methods in smart grid networks. Later, conditions for achieving distributed consensus are discussed and the rate of convergence is quantified for noisy time-varying graphs with incomplete data. We also provide detailed simulation results and performance comparison of the proposed distributed tracking with consensus algorithm in the case of space-object tracking problem and that of distributed local Kalman filtering with centralized fusion and centralized Kalman filter. The information theoretic limitations developed in the first part of this dissertation provide guildlines for design and analysis of tracking problems in networked control systems. The results reveal the mutual interaction and joint application of information theory and control theory in networked control systems. Second, the proposed architectures and approaches enable scalability in smart grid design and allow resource pooling among distributed energy resources (DER) so that the grid stability and optimality is maintained. The proposed distributed networked control strategy with prediction provides an approach for cooperative control at RDG-equipped customers within a self-contained microgrid with different feedback delays. Our string stability analysis in the third part of this dissertation allows a single networked control system to be extended to a large group of interconnected subsystems while system stability is still maintained. It also reveals the disturbance propagation through the network and the effect of disturbance in one subsystem on other subsystems. The proposed leader-following consensus protocol in the constrained communication among users reveals the effect of communication in stabilization of networked control systems and the interaction between communication and control over a network. Finally, the distributed tracking and consensus in networked multi-agent systems problem shows that information sharing among users improves the quality of local estimates and helps avoid conflicting and inefficient distributed decisions. It also reveals the effect of the graph topologies and incomplete node measurements on the speed of achieving distributed decision and final consensus accuracy

Event-triggered near optimal adaptive control of interconnected systems

Increased interest in complex interconnected systems like smart-grid, cyber manufacturing have attracted researchers to develop optimal adaptive control schemes to elicit a desired performance when the complex system dynamics are uncertain. In this dissertation, motivated by the fact that aperiodic event sampling saves network resources while ensuring system stability, a suite of novel event-sampled distributed near-optimal adaptive control schemes are introduced for uncertain linear and affine nonlinear interconnected systems in a forward-in-time and online manner. First, a novel stochastic hybrid Q-learning scheme is proposed to generate optimal adaptive control law and to accelerate the learning process in the presence of random delays and packet losses resulting from the communication network for an uncertain linear interconnected system. Subsequently, a novel online reinforcement learning (RL) approach is proposed to solve the Hamilton-Jacobi-Bellman (HJB) equation by using neural networks (NNs) for generating distributed optimal control of nonlinear interconnected systems using state and output feedback. To relax the state vector measurements, distributed observers are introduced. Next, using RL, an improved NN learning rule is derived to solve the HJB equation for uncertain nonlinear interconnected systems with event-triggered feedback. Distributed NN identifiers are introduced both for approximating the uncertain nonlinear dynamics and to serve as a model for online exploration. Next, the control policy and the event-sampling errors are considered as non-cooperative players and a min-max optimization problem is formulated for linear and affine nonlinear systems by using zero-sum game approach for simultaneous optimization of both the control policy and the event based sampling instants. The net result is the development of optimal adaptive event-triggered control of uncertain dynamic systems --Abstract, page iv

Controlling a contactless planar actuator with manipulator

An existing magnetically levitated planar actuator with manipulator has been studied and improved from a control point of view. This prototype consists of a magnetically levitated six-degree-of-freedom (6-DOF) planar actuator with moving magnets, with a 2-DOF manipulator on top of it. This system contains three different contactless technologies: contactless bearing and propulsion of the planar actuator, wireless powering of the manipulator, and wireless communication and control of the manipulator. The planar actuator (PA) consists of a Halbach magnet array, which is levitated and controlled in all six DOF’s above a stationary coil array. The PA is propelled in two horizontal translational DOF’s while the other four DOF’s are stabilized to accomplish a stiff bearing. Each active coil contributes to the production of forces and torques acting on the magnet array. Since the number of active coils is much larger than the number of DOF’s, the desired force production can be distributed over many coils. Therefore, a commutation algorithm has to be used to invert the mapping of the forces and torques exerted by the set of active coils as a function of the coil currents and the position and orientation of the translator. One method for linearization and decoupling of the forces and torques was developed in the past. The method is called direct wrench decoupling and guaranties minimal dissipation of energy. However, no constraints on the maximum current can be given. This study proposes two novel, norm-based commutation methods: l8-norm and clipped l2-norm based commutation. Both methods can put bounds on the maximum currents in the coils to prevent saturation of the current amplifiers. The first method focuses on minimization of the maximum current whereas the second method limits the peak current while it minimizes the power losses. Consequently, a higher acceleration of the translator can be achieved and/or less powerful (cheaper) current amplifiers can be utilized and/or fewer commutation errors arise. Only a long-stroke translational movement of the moving magnet planar actuators has been considered in the past. The possibility of a completely propelled and controlled rotation about the vertical axis instead of just stabilizing it for bearing has been analyzed in this thesis from a control point of view. Enhancing the planar actuator with a long-range rotation will increase its utility value and opens new application areas. Based on this investigation, a novel coil array with a triangular grid of rounded coils has been proposed for better controllability in any orientation of the PA. In addition, other coil and magnet topologies have been studied from a control point of view for their suitability for full rotation. The influence of different kinds of error-causes on the commutation precision has been studied. From this investigation, it has been found that the offsets of the measurement system have the highest influence on the precision of the commutation. Investigation of the convergence of the procedure for estimation and elimination of these offsets has been performed. Although it was not proven that the procedure could be applied on the whole workspace of the PA, the convergence has been shown at least for all the investigated points. From this investigation, convergence for any position in the workspace of the PA is expected. It was found that it is possible to use the procedure also with different topologies and with different commutations. A novel wireless link has been developed for the real-time control of a fast motion system. The wireless link communicates via infrared-light transceivers and the link has a delay and a packet-loss ratio almost indistinguishable from the wired connection for the bandwidth of the system up to several kilohertz. The clipped l2-norm based commutation method has been successfully tested on the experimental setup after improving the measurement system, the contactless energy transfer and the wireless communication. With a new, interferometer sensor system, a well-controlled PA with two long-stroke DOF’s has become available. Improved contactless energy transfer does not cause increased electromagnetic interference during switching between the primary coils any more and the wireless connection using the infrared link provides a reliable communication channel between the manipulator and the fixed world. Several control approaches have been tested on the experimental setup. Both, the classical PID control, Sliding-mode control and Iterative learning control have been implemented. Each controller brought better performance than the previous one. Also, a fourth-order trajectory and enhanced feedforward control helped to improve performance. Finally, the tracking errors, in comparison to the initial situation, were reduced by a factor 10 (and even more than by a factor 50 with deactivated contactless energy transfer) while the velocity and acceleration of the system were a factor 4 and 14, respectively, higher

Cooperative Strategies for Management of Power Quality Problems in Voltage-Source Converter-based Microgrids

The development of cooperative control strategies for microgrids has become an area of increasing research interest in recent years, often a result of advances in other areas of control theory such as multi-agent systems and enabled by emerging wireless communications technology, machine learning techniques, and power electronics. While some possible applications of the cooperative control theory to microgrids have been described in the research literature, a comprehensive survey of this approach with respect to its limitations and wide-ranging potential applications has not yet been provided. In this regard, an important area of research into microgrids is developing intelligent cooperative operating strategies within and between microgrids which implement and allocate tasks at the local level, and do not rely on centralized command and control structures. Multi-agent techniques are one focus of this research, but have not been applied to the full range of power quality problems in microgrids. The ability for microgrid control systems to manage harmonics, unbalance, flicker, and black start capability are some examples of applications yet to be fully exploited. During islanded operation, the normal buffer against disturbances and power imbalances provided by the main grid coupling is removed, this together with the reduced inertia of the microgrid (MG), makes power quality (PQ) management a critical control function. This research will investigate new cooperative control techniques for solving power quality problems in voltage source converter (VSC)-based AC microgrids. A set of specific power quality problems have been selected for the application focus, based on a survey of relevant published literature, international standards, and electricity utility regulations. The control problems which will be addressed are voltage regulation, unbalance load sharing, and flicker mitigation. The thesis introduces novel approaches based on multi-agent consensus problems and differential games. It was decided to exclude the management of harmonics, which is a more challenging issue, and is the focus of future research. Rather than using model-based engineering design for optimization of controller parameters, the thesis describes a novel technique for controller synthesis using off-policy reinforcement learning. The thesis also addresses the topic of communication and control system co-design. In this regard, stability of secondary voltage control considering communication time-delays will be addressed, while a performance-oriented approach to rate allocation using a novel solution method is described based on convex optimization

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