control based on saturated time-delay systems theory of mach number in wind tunnels

Producción CientíficaA proposal for the regulation of the Mach number in wind tunnels using static state feedback for saturated systems with delays is presented here. As these systems can be precisely represented by a time-delay model with saturating inputs, a general solution for discrete delayed systems with saturating input is first derived. This general solution is based on modeling the saturation using a Lyapunov functional, using free weighting matrices and maximizing the set of admissible initial conditions. The application of this solution to the control of the Mach number in a wind tunnel is then presented, illustrating the design procedures.MiCInn Project DPI2014-54530-

Recent advances on filtering and control for nonlinear stochastic complex systems with incomplete information: A survey

This Article is provided by the Brunel Open Access Publishing Fund - Copyright @ 2012 Hindawi PublishingSome recent advances on the filtering and control problems for nonlinear stochastic complex systems with incomplete information are surveyed. The incomplete information under consideration mainly includes missing measurements, randomly varying sensor delays, signal quantization, sensor saturations, and signal sampling. With such incomplete information, the developments on various filtering and control issues are reviewed in great detail. In particular, the addressed nonlinear stochastic complex systems are so comprehensive that they include conventional nonlinear stochastic systems, different kinds of complex networks, and a large class of sensor networks. The corresponding filtering and control technologies for such nonlinear stochastic complex systems are then discussed. Subsequently, some latest results on the filtering and control problems for the complex systems with incomplete information are given. Finally, conclusions are drawn and several possible future research directions are pointed out.This work was supported in part by the National Natural Science Foundation of China under Grant nos. 61134009, 61104125, 61028008, 61174136, 60974030, and 61074129, the Qing Lan Project of Jiangsu Province of China, the Project sponsored by SRF for ROCS of SEM of China, the Engineering and Physical Sciences Research Council EPSRC of the UK under Grant GR/S27658/01, the Royal Society of the UK, and the Alexander von Humboldt Foundation of Germany

Nonlinear control of feedforward systems with bounded signals

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Robust Control of Uncertain Time -Delay Systems.

Time-delay systems are common in industries. Direct analysis and synthesis of control systems with time delays are complicated and approximation methods such as Pade approximation are usually applied. However, the issues of control system robustness with respect to model uncertainties and approximation errors have not been sufficiently addressed. This dissertation focus on robustness of time-delay systems, especially robustness with respect to time delays, which has been discussed extensively using Lyapunov second method. We propose two methods in this dissertation to reformulate the problems into standard mu or Hinfinity problems. The first method involves representing the systems in linear functional transformation (LFT) framework and approximating delays by rational transfer functions. The approximation errors are then treated as uncertainties. We show that all the well-known techniques of Hinfinity control theory can be applied to this framework. Consequently, controller design becomes a routine process. We also show that the conventional Lyapunov method is a special case in our proposed framework and our proposed method offers less conservative results. In the second method, we treat uncertain delays as uncertainties with restricted phase angles and extend structured singular value to include phase information. We show that the extended small-mu theorem can be applied to analyze stability and performance of uncertain delay systems with many other type of uncertainties, such as plant model uncertainties and parametric uncertainties. Finally, we generalize the above techniques to linear systems with feedback connected nonlinear elements. Both time invariant and time-varying nonlinearities are discussed by incorporating circle/Popov criterion with small-mu theorem

Event-triggered control for rational and Lur’e type nonlinear systems

In the present work, the design of event-triggered controllers for two classes of nonlinear systems is addressed: rational systems and Lur’e type systems. Lyapunov theory techniques are used in both cases to derive asymptotic stability conditions in the form of linear matrix inequalities that are then used in convex optimization problems as means of computing the control system parameters aiming at a reduction of the number of events generated. In the context of rational systems, state-feedback control is considered and differentialalgebraic representations are used as means to obtain tractable stability conditions. An event-triggering strategy which uses weighting matrices to strive for less events is proposed and then it is proven that this strategy does not lead to Zeno behavior. In the case of Lur’e systems, observer-based state-feedback is addressed with event generators that have access only to the system output and observed state, but it imposes the need of a dwell-time, i.e. a time interval after each event where the trigger condition is not evaluated, to cope with Zeno behavior. Two distinct approaches, exact time-discretization and looped-functional techniques, are considered to ensure asymptotic stability in the presence of the dwell-time. For both system classes, emulation design and co-design are addressed. In the emulation design context, the control law (and the observer gains, when appropriate) are given and the task is to compute the event generator parameters. In the co-design context, the event generator and the control law or the observer can be simultaneously designed. Numerical examples are presented to illustrate the application of the proposed methods.Neste trabalho é abordado o projeto de controladores baseados em eventos para duas classes de sistemas não lineares: sistemas racionais e sistemas tipo Lur’e. Técnicas da teoria de Lyapunov são usadas em ambos os casos para derivar condições de estabilidade assintótica na forma de inequações matriciais lineares. Tais condições são então utilizadas em problemas de otimização convexa como meio de calcular os parâmetros do sistema de controle, visando uma redução no número de eventos gerados. No contexto de sistemas racionais, realimentação de estados é considerada e representações algébrico-diferenciais são usadas como meio de obter condições de estabilidade tratáveis computacionalmente. Uma estratégia de disparo de eventos que usa uma medida de erro ponderado através de matrizes definidas positivas é proposta e é demonstrado que tal estratégia não gera comportamento de Zenão. No caso de sistemas tipo Lur’e, considera-se o caso de controladores com restrições de informações, a saber, com acesso apenas às saídas do sistema. Um observador de estados é então utilizado para recuperar a informação faltante. Neste contexto, é necessária a introdução de um tempo de espera (dwell time, em inglês) para garantir a inexistência de comportamento de Zenão. Todavia, a introdução do tempo de espera apresenta um desafio adicional na garantia de estabilidade que é tratado neste trabalho considerando duas técnicas possíveis: a discretização exata do sistema e o uso de looped-functionals (funcionais em laço, em uma tradução livre). Para ambas classes de sistemas, são tratados os problemas de projeto por emulação e co-design (projeto simultâneo, em uma tradução livre). No projeto por emulação, a lei de controle (e os ganhos do observador, quando apropriado) são dados a priori e a tarefa é projetar os parâmetros do gerador de eventos. No caso do co-design, o gerador de eventos e a lei de controle ou o observador são projetados simultaneamente. Exemplos numéricos são usados para ilustrar a aplicação dos métodos propostos

Advances in gain-scheduling and fault tolerant control techniques

This thesis presents some contributions to the state-of-the-art of the fields of gain-scheduling and fault tolerant control (FTC). In the area of gain-scheduling, the connections between the linear parameter varying (LPV) and Takagi-Sugeno (TS) paradigms are analyzed, showing that the methods for the automated generation of models by nonlinear embedding and by sector nonlinearity, developed for one class of systems, can be easily extended to deal with the other class. Then, two measures, based on the notions of overboundedness and region of attraction estimates, are proposed in order to compare different models and choose which one can be considered the best one. Later, the problem of designing state-feedback controllers for LPV systems has been considered, providing two main contributions. First, robust LPV controllers that can guarantee some desired performances when applied to uncertain LPV systems are designed, by using a double-layer polytopic description that takes into account both the variability due to the varying parameter vector and the uncertainty. Then, the idea of designing the controller in such a way that the required performances are scheduled by the varying parameters is explored, which provides an elegant way to vary online the behavior of the closed-loop system. In both cases, the problem reduces to finding a solution to a finite number of linear matrix inequalities (LMIs), which can be done efficiently using the available solvers. In the area of fault tolerant control, the thesis first shows that the aforementioned double-layer polytopic framework can be used for FTC, in such a way that different strategies (passive, active and hybrid) are obtained depending on the amount of available information. Later, an FTC strategy for LPV systems that involves a reconfigured reference model and virtual actuators is developed. It is shown that by including the saturations in the reference model equations, it is possible to design a model reference FTC system that automatically retunes the reference states whenever the system is affected by saturation nonlinearities. In this way, a graceful performance degradation in presence of actuator saturations is incorporated in an elegant way. Finally, the problem of FTC of unstable LPV systems subject to actuator saturations is considered. In this case, the design of the virtual actuator is performed in such a way that the convergence of the state trajectory to zero is assured despite the saturations and the appearance of faults. Also, it is shown that it is possible to obtain some guarantees about the tolerated delay between the fault occurrence and its isolation, and that the nominal controller can be designed so as to maximize the tolerated delay.Aquesta tesi presenta diverses contribucions a l'estat de l'art del control per planificació del guany i del control tolerant a fallades (FTC). Pel que fa al control per planificació del guany, s'analitzen les connexions entre els paradigmes dels sistemes lineals a paràmetres variants en el temps (LPV) i de Takagi-Sugeno (TS). Es demostra que els mètodes per a la generació automàtica de models mitjançant encastament no lineal i mitjançant no linealitat sectorial, desenvolupats per una classe de sistemes, es poden estendre fàcilment per fer-los servir amb l'altra classe. Es proposen dues mesures basades en les nocions de sobrefitació i d'estimació de la regió d'atracció, per tal de comparar diferents models i triar quin d'ells pot ser considerat el millor. Després, es considera el problema de dissenyar controladors per realimentació d'estat per a sistemes LPV, proporcionant dues contribucions principals. En primer lloc, fent servir una descripció amb doble capa politòpica que té en compte tant la variabilitat deguda al vector de paràmetres variants i la deguda a la incertesa, es dissenyen controladors LPV robustos que puguin garantir unes especificacions desitjades quan s'apliquen a sistemes LPV incerts. En segon lloc, s'explora la idea de dissenyar el controlador de tal manera que les especificacions requerides siguin programades pels paràmetres variants. Això proporciona una manera elegant de variar en línia el comportament del sistema en llaç tancat. En tots dos casos, el problema es redueix a trobar una solució d'un nombre finit de desigualtats matricials lineals (LMIs), que es poden resoldre fent servir algorismes numèrics disponibles i molt eficients. En l'àrea del control tolerant a fallades, primerament la tesi mostra que la descripció amb doble capa politòpica abans esmentada es pot utilitzar per fer FTC, de tal manera que, en funció de la quantitat d'informació disponible, s'obtenen diferents estratègies (passiva, activa i híbrida). Després, es desenvolupa una estratègia de FTC per a sistemes LPV que fa servir un model de referència reconfigurat combinat amb la tècnica d'actuadors virtuals. Es mostra que mitjançant la inclusió de les saturacions en les equacions del model de referència, és possible dissenyar un sistema de control tolerant a fallades que resintonitza automàticament els estats de referència cada vegada que el sistema es veu afectat per les no linealitats de la saturació en els actuadors. D'aquesta manera s'incorpora una degradació elegant de les especificacions en presència de saturacions d'actuadors. Finalment, es considera el problema de FTC per sistemes LPV inestables afectats per saturacions d'actuadors. En aquest cas, es porta a terme el disseny de l'actuador virtual de tal manera que la convergència a zero de la trajectòria d'estat està assegurada tot i les saturacions i l'aparició de fallades. A més, es mostra que és possible obtenir garanties sobre el retard tolerat entre l'aparició d'una fallada i el seu aïllament, i que el controlador nominal es pot dissenyar maximitzant el retard tolerat

Sampled-data control of linear systems subject to input saturation : a hybrid system approach

In this work, a new method for the stability analysis and synthesis of sampled-data control systems subject to variable sampling intervals and input saturation is proposed. From a hybrid systems representation, stability conditions based on quadratic clockdependent Lyapunov functions and the generalized sector condition to handle saturation are developed. These conditions are cast in semidefinite and sum-of-squares optimization problems to provide maximized estimates of the region of attraction, to estimate the maximum intersampling interval for which a region of stability is ensured, or to produce a stabilizing controller that results in a large implicit region of attraction, through the maximization of an estimate of it.Neste trabalho é proposto um novo método para a análise da estabilidade de sistemas de controle amostrados aperiodicamente e com saturação na entrada, e também para a síntese de controladores estabilizantes. A partir de uma representação por sistemas híbridos, condições de estabilidade baseadas em funções quadráticas de Lyapunov dependentes do clock e na condição de setor generalizada para o tratamento de saturação são desenvolvidas para o sistema amostrado em questão. Essas condições são incorporadas como restrições em problemas de otimização. Os problemas de otimização são baseados em programação semidefinida e em programação sum-of-squares, e têm o objetivo de obter estimativas maximizadas da região de atração do sistema, estimativas do intervalo de amostragem máximo para o qual uma dada região de estados iniciais seja uma região de estabilidade, ou para produzir controladores (dados por ganhos estáticos estabilizantes) que resultem em uma região de atração implicitamente grande, através da maximização da estimativa dessa região de atração

Stability analysis and stabilization of linear aperiodic sampled-data systems subject to input constraints

Motivados pelo crescente uso de controladores embarcados em diferentes aplicações, onde um protocolo de comunicação é responsável pela transmissão de dados entre algoritmos computacionais, atuadores e sensores, a análise e o controle de sistemas amostrados foram abordados em muitos trabalhos. Nesse contexto, a amostragem aperiódica pode ser vista como uma abstração matemática empregada para representar, na teoria, o efeito de imperfeições no canal de comunicação, como instabilidades, flutuações e, em alguns casos, perda de pacotes de dados. Além disso, devido a limitações físicas dos atuadores, restrições de entrada e, em particular, a saturação são onipresentes em problemas reais de controle. Essas restrições são fonte de comportamentos não-lineares e de degradação do desempenho. Em muitos casos, apenas a estabilidade local (ou regional) do sistema em malha fechada pode ser garantida na presença de restrições e não-linearidades de entrada, mesmo para plantas lineares. Este trabalho lida com sistemas lineares amostrados aperiodicamente em que a entrada de controle, sujeita a restrições (por exemplo, saturação), é calculada com base em uma realimentação de estados do sistema. Dois problemas principais são abordados. O primeiro consiste na análise de estabilidade da origem de tais sistemas com a determinação de estimativas da região de atração da origem (RAO). O segundo, por sua vez, corresponde ao projeto de controle, onde uma lei de controle de realimentação de estados é calculada para otimizar o tamanho de uma estimativa da RAO do sistema em malha fechada resultante. Os métodos propostos são baseados no uso de programação semidefinida ou linear e, portanto, podem ser facilmente aplicados na prática. Um dos métodos propostos considera uma realimentação de estados linear sujeita a saturação e funções de Lyapunov quadráticas, resultando em estimativas elipsoidais da RAO do sistema. Dois outros métodos lidam com a análise de estabilidade do sistema amostrado sujeito a saturação fornecendo estimativas poliedrais da RAO. Devido à sua flexibilidade, a adoção de poliedros em vez de elipsóides permite uma redução de conservadorismo, mas é muito exigente em termos de complexidade computacional. Motivada por esse fato, esta tese também propõe um método de projeto de controle baseado em uma estratégia alternativa, onde a complexidade dos poliedros é fixada a priori. Essa ideia resulta em um problema de otimização com restrições bilineares, onde uma lei de controle linear por partes estabilizadora de complexidade relativamente baixa é encontrada para o sistema amostrado. Os métodos mencionados acima consideram uma abordagem não-estocástica, onde limites inferior e superior são impostos para o intervalo de amostragem do sistema, o qual é desconhecido e variante no tempo. Como contribuição adicional, esta tese também considera uma abordagem estocástica. Um método de projeto de controle é proposto para a estabilização global no sentido quadrático médio do sistema amostrado, onde a lei de realimentação de estados linear é sujeita a não-linearidades que satisfazem a uma condição de setor e os intervalos de amostragem correspondem a variáveis aleatórias com a distribuição de Erlang. A possibilidade de perda de pacotes de dados também é explicitamente levada em consideração através da distribuição de Bernoulli. Além disso, o método proposto, que se baseia na teoria de processos de Markov determinísticos por partes, resulta em condições de estabilização não-conservadoras no caso linear sem restrições de entrada.Motivated by the growing use of embedded controllers in different applications, where a communication protocol is responsible for the transmission of data between computer algorithms, actuators and sensors, the analysis and control design for sampled-data control systems have been addressed in many works. In this context, aperiodic sampling can be seen as a modeling abstraction employed to represent, in a theoretical framework, the effect of imperfections on the communication channel such as sampling jitters, fluctuations and, in some cases, packet dropouts. Moreover, due to physical limitations of actuators, input constraints and, in particular, input saturation are ubiquitous in real control problems. These constraints are source of nonlinear behaviors and performance degradation. In many cases, only local (or regional) stability of the closed-loop system can be ensured in the presence of actuators constraints and nonlinearities, even for linear plants. This work deals with linear aperiodic sampled-data systems where the control input, subject to constraints (e.g. saturation), is computed based on a feedback of the system state. It focuses on two main problems. The first one regards the stability analysis of the origin of such systems, with the determination of estimates of the region of attraction of the origin (RAO). The second one, in turn, corresponds to the control design, where a state-feedback control law is computed in order to enlarge an estimate of the RAO of the resulting closed-loop system. The proposed methods are based on the use of semidefinite or linear programming and can therefore be easily applied in practice. One of the proposed methods considers a linear saturating feedback of the system state and quadratic Lyapunov functions, leading to ellipsoidal estimates of the RAO of the system. Two other methods deal with the stability analysis of the sampled-data system subject to input saturation providing polyhedral estimates of the RAO. Because of their flexibility, adopting polyhedrons instead of ellipsoids allows a reduction of conservatism, but is very demanding in terms of computational complexity. Motivated by this fact, this thesis also proposes a control design method based on an alternative strategy, where the complexity of the polytopes is fixed a priori. This idea results in an optimization problem with bilinear constraints, where a stabilizing piecewise linear control law of relatively low complexity is found for the sampled-data system. The aforementioned methods consider a non-stochastic framework, where lower and upper bounds are imposed for the unknown, time-varying sampling interval of the system. As an additional contribution, this thesis also considers a stochastic setting. A control design method is proposed for the global stabilization in the mean square sense of the sampled-data system, where the linear feedback control law is subject to sector bounded nonlinearities and the sampling intervals are assumed to be random variables with the Erlang distribution. The possibility of packet dropouts is also explicitly taken into account through the Bernoulli distribution. Moreover, the proposed approach, which is based onthe framework of Piecewise Deterministic Markov Processes, leads to non-conservative stabilization conditions in the unconstrained linear case.Motivé par l’utilisation croissante de contrôleurs embarqués dans différentes applications, où un protocole de communication est responsable par la transmission de données entre les algorithmes numériques, les actionneurs et les capteurs, l’analyse et la conception de contrôle pour les systèmes de contrôle échantillonnées ont été abordées dans de nombreux travaux. Dans ce contexte, l’échantillonnage apériodique peut être considéré comme une abstraction mathématique employée pour représenter, dans un cadre théorique, l’effet des imperfections sur le canal de communication telles que la gigue d’échantillonnage, les fluctuations et, dans certains cas, les pertes de paquets. De plus, en raison des limitations physiques des actionneurs, les contraintes d’entrée et, en particulier, la saturation des entrées sont omniprésentes dans les problèmes de contrôle réels. Ces contraintes sont une source de comportements non-linéaires et de dégradation de la performance. Dans de nombreux cas, seule la stabilité locale (ou régionale) du système en boucle fermée peut être assurée en présence de contraintes et de non-linéarités des actionneurs, même pour les systèmes linéaires. Ce travail traite des systèmes linéaires échantillonnées apériodiquement où l’entrée de commande, soumise à des contraintes (par exemple la saturation), est calculée sur la base d’un retour d’état du système. Il se concentre sur deux problèmes principaux. Le premier consiste en l’analyse de stabilité de l’origine de tels systèmes avec la détermination d’estimations de la région d’attraction de l’origine (RAO). Le deuxième, à son tour, correspond à la conception de la commande, où une loi de commande à retour d’état est calculée afin d’agrandir une estimation de la RAO du système en boucle fermée résultant. Les méthodes proposées sont basées sur la programmation semi-définie ou linéaire et peuvent donc être facilement appliquées dans la pratique. L’une des méthodes proposées considère un retour d’état linéaire soumis à la saturation et des fonctions de Lyapunov quadratiques, conduisant à des estimations ellipsoïdales de la RAO du système. Deux autres méthodes traitent de l’analyse de stabilité du système échantillonné soumis à la saturation des entrées fournissant des estimations polyédriques de la RAO. En raison de leur flexibilité, l’adoption de polyèdres au lieu d’ellipsoïdes permet une réduction du conservatisme mais est très exigeante en termes de complexité de calcul. Motivée par ce fait, cette thèse propose également une méthode de conception de contrôle basée sur une stratégie alternative, où la complexité des polyèdres est fixée a priori. Cette idée se traduit par un problème d’optimisation avec des contraintes bilinéaires, où une loi de commande linéaire par morceaux stabilisante de complexité relativement faible est trouvée pour le système échantillonné. Les méthodes mentionnées ci-dessus considèrent un cadre non stochastique, où des limites inférieure et supérieure sont imposées pour l’intervalle d’échantillonnage inconnu et variable dans le temps du système. Comme contribution supplémentaire, cette thèseconsidère également un cadre stochastique. Une méthode de conception de contrôle est proposée pour la stabilisation globale dans le sens quadratique moyen du système échantillonné, où la loi de contrôle linéaire de retour d’état est soumise à des non-linéarités délimitées par secteur et les intervalles d’échantillonnage sont supposés être des variables aléatoires avec la distribution d’Erlang. La possibilité de pertes de paquets est aussi explicitement prise en compte via la distribution de Bernoulli. De plus, l’approche proposée, qui est basée sur le cadre des processus de Markov déterministes par morceaux, conduit à des conditions de stabilisation non conservatrices dans le cas linéaire sans contraintes