Dissipative State and Output Estimation of Systems with General Delays

Dissipative state and output estimation for continuous time-delay systems pose a significant challenge when an unlimited number of pointwise and general distributed delays (DDs) are concerned. We propose an effective solution to this open problem using the Krasovski\u{\i} functional (KF) framework in conjunction with a quadratic supply rate function, where both the plant and the estimator can accommodate an unlimited number of pointwise and general DDs. All DDs can contain an unlimited number of square-integrable kernel functions, which are treated by an equivalent decomposition-approximation scheme. This novel approach allows for the factorization or approximation of any kernel function without introducing conservatism, and facilitates the construction of a complete-type KF with integral kernels that can encompass any number of differentiable (weak derivatives) and linearly independent functions. Our proposed solution is expressed as convex semidefinite programs presented in two theorems along with an iterative algorithm, which eliminates the need of nonlinear solvers. We demonstrate the effectiveness of our method using two challenging numerical experiments, including a system stabilized by a non-smooth controller.Comment: submitting to TA

Review of dynamic positioning control in maritime microgrid systems

For many offshore activities, including offshore oil and gas exploration and offshore wind farm construction, it is essential to keep the position and heading of the vessel stable. The dynamic positioning system is a progressive technology, which is extensively used in shipping and other maritime structures. To maintain the vessels or platforms from displacement, its thrusters are used automatically to control and stabilize the position and heading of vessels in sea state disturbances. The theory of dynamic positioning has been studied and developed in terms of control techniques to achieve greater accuracy and reduce ship movement caused by environmental disturbance for more than 30 years. This paper reviews the control strategies and architecture of the DPS in marine vessels. In addition, it suggests possible control principles and makes a comparison between the advantages and disadvantages of existing literature. Some details for future research on DP control challenges are discussed in this paper

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

Prognostics and health aware model predictive control of wind turbines

Wind turbines components are subject to considerable stresses and fatigue due to extreme environmental conditions to which they are exposed, especially those located offshore. Also, the most common faults present in wind turbine components have been investigated for years by the research community and that has led to propose a fault diagnosis and fault tolerant control wind turbine benchmark which include a set of faults that affect the sensors and actuators of several wind turbine components. This thesis presents some contributions to the fields of fault diagnosis, fault-tolerant control, prognostics and its integration with wind turbine control which leads to proposing a control approach called health-aware model predictive control (HAMPC). The contributions are summarized below: - Model-based fault diagnosis: to perform fault detection and isolation interval-based observers together with a set of analytical redundant relations (ARRs) are obtained based on a structural analysis and the fault signature matrix that relates the ARRs with the faults. - Fault tolerant control: it is proposed a fault tolerant control scheme that integrates fault detection and an algorithm for fault accommodation. The scheme has the objective to avoid the increment of blades and tower loads when a fault in the rotor azimuth angle sensor occurs using the individual pitch control technique (IPC). - Wind turbine blades fatigue prognostics and degradation: fatigue is assessed using the rainflow counting algorithm which is used to estimate the accumulated damage and for degradation, it is used a stiffness degradation model of blades material which is used to make predictions of remaining useful life (RUL). - Wind turbines health control: the module for the health of the system based on fatigue damage estimation and RUL predictions is integrated with model predictive control (MPC) leading to the proposed control approach (HAMPC). The contributions presented in this thesis have been validated on a wind turbine study case that uses a 5MW wind turbine reference model implemented in a high fidelity wind turbine simulator (FAST).Els components dels aerogeneradors estan sotmesos a considerable estrès i fatiga, degut a les condicions ambientals extremes a les quals estan exposats, especialment els localitzats en alta mar. Per aquest motiu, al comunitat científica durant els últims anys ha investigat les averies més comunes presents en els aerogeneradors, fet que ha portat a proposar un cas d'estudi de diagnosi i control tolerant de fallades que inclou un conjunt de fallades que afecten a diversos components dels aerogeneradors. Aquesta tesi presenta algunes contribucions en els camps de la diagnosi de fallades, el control tolerant de fallades i la prognosi, així com la seva integració amb el control d'aerogeneradors, fet que ha portat a proposar una tècnica de control anomenada control predictiu basada en models conscients de la salut del sistema (HAMPC). Concretament les aportacions es poden resumir en: - Diagnosi de fallades basada en models: per a la detecció s'utilitzen observadors intervalars i l'aïllament de la fallada es fa en base el conjunt d'ARRs obtinguts de l'anàlisi estructural i de la matriu de signatures de fallades que relaciona les ARRs amb les fallades. - Control tolerant de fallades: es proposa un esquema de control tolerant a fallades que integra la detecció de fallades i algoritme d'acomodació de fallades, i té per objectiu evitar l'augment de càrregues en la pala i la torre quan es produeix una fallada en el sensor azimuth quan es fa un control individual de la inclinació de les pales (IPC). - Prognosi de la fatiga i la degradació de les pales: la fatiga s'avalua amb un algorisme denominat "rainflow counting" amb el qual es fa estimació del dany acumulat i per a la degradació es fa servir un model de degradació de la rigidesa del material amb el qual es fan prediccions de la vida útil restant (RUL). - Control de la salut d'aerogeneradors: s'ha integrat la gestió de la salut del sistema basat en danys per fatiga o prediccions de RUL amb control predictiu basat en models (MPC) donant lloc al control que anomenem HAMPC. Les contribucions presentades en aquesta tesi han sigut validades en un cas d'estudi d'aerogeneradors basat en un aerogenerador de referència de 5MW de potència implementat en el simulador d'aerogeneradors d'alta fidelitat conegut amb el nom de FAST.Postprint (published version

Advanced control designs for output tracking of hydrostatic transmissions

The work addresses simple but efficient model descriptions in a combination with advanced control and estimation approaches to achieve an accurate tracking of the desired trajectories. The proposed control designs are capable of fully exploiting the wide operation range of HSTs within the system configuration limits. A new trajectory planning scheme for the output tracking that uses both the primary and secondary control inputs was developed. Simple models or even purely data-driven models are envisaged and deployed to develop several advanced control approaches for HST systems

Time-Delay Systems: Analysis and Control using the Lambert W Function.

Time-delay systems can arise due to inherent time-delays in the system or a deliberate introduction of time-delays into the system for control purposes. Such systems frequently occur in engineering and science. Time-delays can cause significant problems (e.g., instability and inaccuracy) and, thus, limit and degrade achievable performance. Time-delay terms lead to an infinite number of roots of the characteristic equation, and make analysis difficult using classical methods, especially, in determining stability and designing stabilizing controllers. Thus, such problems have been addressed mainly by using approximate, numerical, and graphical methods. However, such approaches constitute limitations, for example, on accuracy and robustness. The objective of this research is to develop an effective approach to analyze and control time-delay systems. Using the LambertWfunction, free and forced analytical solutions to delay differential equations are derived. The main advantage of this solution approach lies in the fact that the solution has an analytical form expressed in terms of system parameters and, thus, one can explicitly determine how each parameter affects each eigenvalue and the solution. Also, each eigenvalue in the infinite eigenspectrum is associated individually with a branch of the LambertWfunction. Solutions are obtained, for the first time, for systems of delay differential equations using the matrix Lambert W function. The obtained solutions are used to analyze essential system properties, such as stability, controllability and observability, and to design controllers for stabilizing systems, improving robustness and/or meeting time-domain specifications. Then, these methods are applied to biological systems to analyze the immune system via eigenvalue sensitivity analysis, to automotive powertrain systems to design feedback control with observers for improvements in fuel economy and emissions, and to manufacturing processes to improve productivity via stability analysis. The newly developed approach based on the matrix Lambert W function provides a tool for analysis and control, which is accurate (i.e., no approximation of timedelay terms), robust (i.e., no prediction of responses from models), and easy to implement (i.e., no need for complex nonlinear controllers).Ph.D.Mechanical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/64756/1/syjo_1.pd