Optimal control with structure constraints and its application to the design of passive mechanical systems

Thesis (S.M.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Mechanical Engineering; and, (S.M.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 2002.Page 214 blank.Includes bibliographical references.Structured control (static output feedback, reduced-order control, and decentralized feedback) is one of the most important open problems in control theory and practice. In this thesis, various techniques for synthesis of structured controllers are surveyed and investigated, including H2 optimization, H[infinity] optimization, L1 control, eigenvalue and eigenstructure treatment, and multiobjective control. Unstructured control-full- state feedback and full-order control-is also discussed. Riccati-based synthesis, linear matrix inequalities (LMI), homotopy methods, gradient- and subgradientbased optimization are used. Some new algorithms and extensions are proposed, such as a subgradient-based method to maximize the minimal damping with structured feedback, a multiplier method for structured optimal H2 control with pole regional placement, and the LMI-based H2/H[infinity]/pole suboptimal synthesis with static output feedback. Recent advances in related areas are comprehensively surveyed and future research directions are suggested. In this thesis we cast the parameter optimization of passive mechanical systems as a decentralized control problem in state space, so that we can apply various decentralized control techniques to the parameter design which might be very hard traditionally. More practical constraints for mechanical system design are considered; for example, the parameters are restricted to be nonnegative, symmetric, or within some physically-achievable ranges. Marginally statable systems and hysterically damped systems are also discussed. Numerical examples and experimental results are given to illustrate the successful application of decentralized control techniques to the design of passive mechanical systems, such as multi-degree-of-freedom tuned-mass dampers, passive vehicle suspensions, and others.by Lei Zuo.S.M

Linear Parameter-Varying Control of Full-Vehicle Vertical Dynamics using Semi-Active Dampers

Semi-aktive Fahrwerke bergen im Vergleich zu passiven großes Potential zur Verbesserung wesentlicher Fahrzeugeigenschaften, wie Fahrkomfort, Straßenhaftung und Fahrverhalten. Die Ausnutzung dieses Potentials verlangt nach geeigneten Regelungsalgorithmen,welche das nichtlineare Eingangssignal-zu-Dämpferkraft Verhalten und die Passivitätsbeschränkung semi-aktiver Dämpfer berücksichtigen. Im Besonderen die Passivitätsbeschränkung impliziert enge, zustandsabhängige Aktuatorkraftbegrenzungen und sollte daher im Regelungsentwurf direkt berücksichtigt werden. Der Entwurf performanter semi-aktiver Fahrwerkregelungen stellt eine große Herausforderung dar, da Störungen aufgrund von Straßenunebenheiten und Lastwechseln unterschiedliche Anforderungen an die Regelung stellen, und zusätzlich in einer Gesamtfahrzeuganwendung auch ein Regelungsentwurf basierend auf einem Gesamtfahrzeugmodell benötigt wird. Im Gegensatz zu konventionellen viertelfahrzeug-basierten Fahrwerkregelungsansätzen, welche häufig in der Literatur zu finden sind, zielt der Gesamtfahrzeugregelungsansatz dieser Dissertation auf die explizite Berücksichtigung der Hub-, Wank und Nickbewegung des Aufbaus. Darüber hinaus ermöglicht der Gesamtfahrzeugansatz die Entwicklung von fehlertoleranten Reglern, welche die schwache Aktuatorredundanz der vier Dämpfer nutzen. Die vorliegende Dissertation befasst sich mit linear parameter-variablen (LPV) Regelungsmethoden zur Lösung des oben beschriebenen komplexen Regelungsproblems. Die Kraftbegrenzungen der semi-aktiven Dämpfer werden mittels Sättigungsindikatoren modelliert und diese dann als variable Parameter in den LPV Regelungsentwurf integriert. Zusätzlich wird der LPV Regler um eine Dämpferkraftrekonfiguration erweitert, so dass der Regler den Dämpferkraftverlust im Falle einer Dämpferfehlfunktion mit den verbleibenden gesunden Dämpfern kompensiert. Der Regelungsentwurf begegnet den unterschiedlichen Anforderungen von Straßen- und Lastwechselstörungen durch eine Zweifreiheitsgradregelung bestehend aus einem LPV Regler und einer LPV Vorsteuerung.Dabei fokussiert sich der LPV Regler auf die Verminderung des Effekts der Straßenunebenheiten und die LPV Vorsteuerung verringert den Effekt der Lastwechselstörungen. Auf diese Weise zeigt die Zweifreiheitsgradregelung das gewünschte Verhalten trotz dieser beiden konträren Störungen. Die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Zweifreiheitsgradregelung wird durch Experimente auf einem Stempelprüfstand und durch Straßenversuche validiert. Die Ergebnisse zeigen eine Verbesserung des klassischen Zielkonflikts der Fahrwerksregelung zwischen Fahrkomfort und Straßenhaftung durch die LPV Gesamtfahrzeugregelung. Insbesondere erzielt die LPV Gesamtfahrzeugregelung eine 10 % ige Verbesserung von Fahrkomfort und Straßenhaftung im Vergleich zu einer Skyhook-Groundhook Gesamtfahrzeugregelung. Des Weiteren verdeutlicht ein Experiment mit einem simulierten Dämpferfehler die Vorteile der fehlertoleranten LPV Regelung. Abschließend wird anhand von Spurwechselversuchen die Wirksamkeit der LPV Vorsteuerung zur Verbesserung von Fahrkomfort, Straßenhaftung und Fahrverhalten bei dynamischen Lenkwinkeleingaben des Fahrers demonstriert

Real-Time Substrate Feed Optimization of Anaerobic Co-Digestion Plants

In anaerobic co-digestion plants a mix of organic materials is converted to biogas using the anaerobic digestion process. These organic materials, called substrates, can be crops, sludge, manure, organic wastes and many more. They are fed on a daily basis and significantly affect the biogas production process. In this thesis dynamic real-time optimization of the substrate feed for anaerobic co-digestion plants is developed. In dynamic real-time optimization a dynamic simulation model is used to predict the future performance of the controlled plant. Therefore, a complex simulation model for biogas plants is developed, which uses the famous Anaerobic Digestion Model No. 1 (ADM1). With this model the future economics as well as stability can be calculated resulting in a multi-objective performance criterion. Using multi-objective nonlinear model predictive control (NMPC) the model predictions are used to find the optimal substrate feed for the biogas plant. Therefore, NMPC solves an optimization problem over a moving horizon and applies the optimal substrate feed to the plant for a short while before recalculating the new optimal solution. The multi-objective optimization problem is solved using state-of-the-art methods such as SMS-EMOA and SMS-EGO. The performance of the proposed approach is validated in a detailed simulation studyAlgorithms and the Foundations of Software technolog