Numerical Predictive Control for Delay Compensation

We present a delay-compensating control method that transforms exponentially stabilizing controllers for an undelayed system into a sample-based predictive controller with numerical integration. Our method handles both first-order and transport delays in actuators and trades-off numerical accuracy with computation delay to guaranteed stability under hardware limitations. Through hybrid stability analysis and numerical simulation, we demonstrate the efficacy of our method from both theoretical and simulation perspectives

Tutorial on arbitrary and state-dependent sampling

International audienceThis tutorial, presents basic concepts and recent research directions about sampled-data systems. We focus mainly on the stability of systems with time-varying sampling intervals. Without being exhaustive, which would be neither possible nor useful, we try to give a structural survey of what we think to be the main results and issues in this domain

The Continuous Stream Model of Computation for Real-Time Control

This paper presents a new Model of Computation (MoC) for real-time tasks used in control systems. This new model, named continuous stream task model, relaxes some of the constraints imposed by the traditional hard and soft real-time task models. A key advantage of the model is the possibility to easily analyse the probabilistic evolution of the delays. This leads to an easy formalisation of necessary and sufficient conditions for the stochastic stability of the closed loop system producing considerable savings in the amount of CPU bandwidth required to stabilise the system. This fact is confirmed by an extensive set of simulations. © 2013 IEEE

Event-sampled direct adaptive neural network control of uncertain strict-feedback system with application to quadrotor unmanned aerial vehicle

Neural networks (NNs) are utilized in the backstepping approach to design a control input by approximating unknown dynamics of the strict-feedback nonlinear system with event-sampled inputs. The system state vector is assumed to be unknown and an observer is used to estimate the state vector. By using the estimated state vector and backstepping design approach, an event-sampled controller is introduced. As part of the controller design, first, input-to-state-like stability (ISS) for a continuously sampled controller that has been injected with bounded measurement errors is demonstrated and, subsequently, an event-execution control law is derived such that the measurement errors are guaranteed to remain bounded. Lyapunov theory is used to demonstrate that the tracking errors, the observer estimation errors, and the NN weight estimation errors for each NN are locally uniformly ultimately bounded (UUB) in the presence bounded disturbances, NN reconstruction errors, as well as errors introduced by event-sampling. Simulation results are provided to illustrate the effectiveness of the proposed controllers. Subsequently, the output-feedback neural network (NN) controller that was presented above is considered for an underactuated quadrotor UAV application. The flexibility for the control of a quadrotor UAV is extended by incorporating notions of event-sampling and by designing an appropriate event-execution law. First, the continuously sampled controller is considered in the presence of bounded measurement errors and it is shown that the system generates a local ISS-like Lyapunov function. Next, by designing an appropriate event-execution law, the measurement errors that result from event-sampling are shown to be bounded for all time. Finally, the effectiveness of the proposed event-sampled controller is demonstrated with simulation results --Abstract, page iv

Contribuciones a la sintonía de controladores basados en eventos

Dentro del paradigma del control automático, las estrategias de control basado en eventos se postulan como una posible solución para satisfacer los requisitos de los actuales procesos de control distribuidos. La creciente descentralización, escala y número de dispositivos implicados, está demandando esquemas de muestreo más eficaces conforme a las nuevas necesidades. Los incipientes sistemas basados en red (tales como los sistemas de control en red) son una prueba de tal demanda. En estas aplicaciones el desafío consiste en reducir el intercambio de información entre dispositivos distribuidos con la menor pérdida de rendimiento y, para tal fin, los enfoques basados en eventos podrían aportar un compromiso satisfactorio entre el esfuerzo de muestro y el rendimiento del lazo, a través de un uso oportuno de los recursos y canales de comunicación. A pesar de las muchas ventajas potenciales del control basado en eventos, este campo de investigación se encuentra aún en sus primeros pasos. Aunque la última década ha sido prolífica en resultados analíticos, la carencia de una teoría comprensible es todavía evidente. El diseño de un esquema eficiente sigue siendo un problema difícil de resolver y cuestiones tales como la sintonía del controlador o las condiciones para la estabilidad global y la ausencia de ciclos límite son dificultades que todavía están lejos de ser completamente solventadas. En particular, la cuestión de la sintonía no ha sido tratada debidamente. En la mayoría de los sistemas de control propuestos por los autores, la sintonía o no es tratada o se terminan proponiendo reglas que por las propias condiciones de diseño restringen el espacio de parámetros y comprometen el rendimiento global del sistema. Ante tal escenario, la presente Tesis se centra en el diseño de controladores basados en eventos con ventajas prácticas desde el punto de vista del diseño y desarrollo de la sintonía. Para tal objetivo, la presente Tesis realiza tres principales aportaciones. En primer lugar, se propone un nuevo esquema de control basado en eventos. En su desarrollo se considera el diseño global del generador de eventos y del controlador, de manera que el sistema pueda tratar la problemática del retardo del proceso y el seguimiento de referencias y, a la vez, se obtenga un sistema basado en eventos de fácil diseño y ajuste. El enfoque se centra en sistemas de primer orden con retardo, pero puede ser extendido sistemas de orden mayor. Se ha desarrollado el análisis de estabilidad y robustez del sistema y los resultados experimentales y de simulación prueban la eficacia de la...In the paradigm of automatic control, event-based strategies are proposed as a solution to satisfy the current requirements of distributed process control. The increasing decentralization, large scale and the number of involved devices in current control applications demand more effective sampling schemes for signals. Systems based on networks (such as Networked Control Systems, NCS) are proof of this demand. In this context, the challenge is to reduce the exchange of information between distributed devices without losing performance and, to this aim, event-based approaches could provide a satisfactory trade-off between the sampling effort and the loop performance through an opportune use of sources and information channels. Despite many conceptual advantages of event-based control, this field is still in its infancy. Although last decade has been prolific in analytical results, the lack of a comprehensive theory is still evident. The design of an efficient scheme is a challenging problem and issues such as controller tuning, conditions for global stability and the absence of limit cycles are topics that are far from being fully solved yet. In particular, the question of controller tuning has not been properly addressed. In most control systems proposed for authors, the controller tuning task is omitted or the provided rules become complex and restrictive, compromising the overall system performance. In this context, this thesis is focused on the designing of event-based controllers with advantages from the point of view of a practical design and an intuitive tuning methodology. To this end, this thesis makes three main contributions. Firstly, a novel eventbased control scheme has been proposed. The overall design of the event generator and the controller is considered in order to cope with the problem of the process delay, the set-point tracking and to obtain an easy-to-tune event-based system. The approach is focused on FOPTD systems but can be easily extended to higher order systems. Stability and robustness analyses are conducted, and the experimental and simulation results verify the effectiveness of the approach. Secondly, the tuning framework is presented. The complexity of the design is simplified by using only two parameters with a very intuitive influence. The methodology is illustrated through the definition of the tuning regions and the guidelines for the tuning of parameters are provided. Thirdly, a new interactive software tool developed using Sysquake is described. By using the..

Estudio de la influencia de las redes de comunicación en las redes inteligentes de energía

Las Redes Inteligentes de Energía (RRII) deben garantizar la calidad y la disponibilidad de energía, así como los nuevos servicios destinados a los usuarios finales y a las compañías eléctricas. El soporte básico de las RRII son los sistemas de comunicación, cercanos al tiempo real, entre los sistemas de generación, consumo y control de la red eléctrica. Esta tesis aborda, en primera instancia, un estudio sobre las necesidades de comunicaciones en los diferentes ámbitos de las RRII y las características de ancho de banda y latencia necesarias para dar soporte a la gran variedad de casos de uso que se pueden contemplar. La problemática del modelado de los diferentes canales y medios físicos habituales en las comunicaciones de las RRII es siguiente objetivo de esta tesis. Cada canal tiene unos parámetros característicos que es preciso cuantificar, para analizar su idoneidad para los diferentes ámbitos de comunicación y funciones dentro de la red inteligente. La latencia, el ancho de banda, la variabilidad de estos a lo largo del tiempo y la disponibilidad, deben cumplir unos requisitos mínimos en función del ámbito de red y el caso de uso al que se destine. Se muestra cómo los parámetros de cada canal pueden ser modelados en el caso de que la red de datos sea conocida. Además, dado que en la mayoría de los casos la red de datos es heterogénea y compuesta de diferentes medios, en este trabajo, amén de analizar el comportamiento de los canales de comunicación más utilizados en las RRII, se propone un método de análisis que permite derivar las características principales del canal de comunicaciones. En última instancia, esta tesis recoge un análisis de la influencia de las comunicaciones en dos casos de uso de gran importancia en las RRII, proponiendo y diseñando un entorno de pruebas, una metodología de análisis propia y ofreciendo alternativas para solventar los problemas que las comunicaciones introducen. En el primero ellos se estudia la influencia de las comunicaciones en los índices de calidad de la red eléctrica de distribución. El segundo caso aborda la influencia de las comunicaciones en el control, dentro de una red de área extensa, de un compensador estático trabajando como sistema de soporte de red eléctrica