498 research outputs found

    Generalized Proportional Integral Control for an Unmanned Quadrotor System

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    In this article, a generalized proportional integral (GPI) control approach is presented for regulation and trajectory tracking problems in a nonlinear, multivariable quadrotor system model. In the feedback control law, no asymptotic observers or time discretizations are needed in the feedback loop. The GPI controller guarantees the asymptotically and exponentially stable behaviour of the controlled quadrotor position and orientation, as well as the possibilities of carrying out trajectory tracking tasks. The simulation results presented in the paper show that the proposed method exhibits very good stabilization and tracking performance in the presence of atmospheric disturbances and noise measurements

    Autonomous landing of fixed-wing aircraft on mobile platforms

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    E n esta tesis se propone un nuevo sistema que permite la operación de aeronaves autónomas sin tren de aterrizaje. El trabajo está motivado por el interés industrial en aeronaves con la capacidad de volar a gran altitud, con más capacidad de carga útil y capaces de aterrizar con viento cruzado. El enfoque seguido en este trabajo consiste en eliminar el sistema de aterrizaje de una aeronave de ala fija empleando una plataforma móvil de aterrizaje en tierra. La aeronave y la plataforma deben sincronizar su movimiento antes del aterrizaje, lo que se logra mediante la estimación del estado relativo entre ambas y el control cooperativo del movimiento. El objetivo principal de esta Tesis es el desarrollo de una solución práctica para el aterrizaje autónomo de una aeronave de ala fija en una plataforma móvil. En la tesis se combinan nuevos métodos con experimentos prácticos para los cuales se ha desarrollado un sistema de pruebas específico. Se desarrollan dos variantes diferentes del sistema de aterrizaje. El primero presta atención especial a la seguridad, es robusto ante retrasos en la comunicación entre vehículos y cumple procedimientos habituales de aterrizaje, al tiempo que reduce la complejidad del sistema. En el segundo se utilizan trayectorias optimizadas del vehículo y sincronización bilateral de posición para maximizar el rendimiento del aterrizaje en términos de requerimientos de longitud necesaria de pista, pero la estabilidad es dependiente del retraso de tiempo, con lo cual es necesario desarrollar un controlador estabilizador ampliado, basado en pasividad, que permite resolver este problema. Ambas estrategias imponen requisitos funcionales a los controladores de cada uno de los vehículos, lo que implica la capacidad de controlar el movimiento longitudinal sin afectar el control lateral o vertical, y viceversa. El control de vuelo basado en energía se utiliza para proporcionar dicha funcionalidad a la aeronave. Los sistemas de aterrizaje desarrollados se han analizado en simulación estableciéndose los límites de rendimiento mediante múltiples repeticiones aleatorias. Se llegó a la conclusión de que el controlador basado en seguridad proporciona un rendimiento de aterrizaje satisfactorio al tiempo que suministra una mayor seguridad operativa y un menor esfuerzo de implementación y certificación. El controlador basado en el rendimiento es prometedor para aplicaciones con una longitud de pista limitada. Se descubrió que los beneficios del controlador basado en el rendimiento son menos pronunciados para una dinámica de vehículos terrestres más lenta. Teniendo en cuenta la dinámica lenta de la configuración del demostrador, se eligió el enfoque basado en la seguridad para los primeros experimentos de aterrizaje. El sistema de aterrizaje se validó en diversas pruebas de aterrizaje exitosas, que, a juicio del autor, son las primeras en el mundo realizadas con aeronaves reales. En última instancia, el concepto propuesto ofrece importantes beneficios y constituye una estrategia prometedora para futuras soluciones de aterrizaje de aeronaves.In this thesis a new landing system is proposed, which allows for the operation of autonomous aircraft without landing gear. The work was motivated by the industrial need for more capable high altitude aircraft systems, which typically suffer from low payload capacity and high crosswind landing sensitivity. The approach followed in this work consists in removing the landing gear system from the aircraft and introducing a mobile ground-based landing platform. The vehicles must synchronize their motion prior to landing, which is achieved through relative state estimation and cooperative motion control. The development of a practical solution for the autonomous landing of an aircraft on a moving platform thus constitutes the main goal of this thesis. Therefore, theoretical investigations are combined with real experiments for which a special setup is developed and implemented. Two different landing system variants are developed — the safety-based landing system is robust to inter-vehicle communication delays and adheres to established landing procedures, while reducing system complexity. The performance-based landing system uses optimized vehicle trajectories and bilateral position synchronization to maximize landing performance in terms of used runway, but suffers from time delay-dependent stability. An extended passivity-based stabilizing controller was implemented to cope with this issue. Both strategies impose functional requirements on the individual vehicle controllers, which imply independent controllability of the translational degrees of freedom. Energy-based flight control is utilized to provide such functionality for the aircraft. The developed landing systems are analyzed in simulation and performance bounds are determined by means of repeated random sampling. The safety-based controller was found to provide satisfactory landing performance while providing higher operational safety, and lower implementation and certification effort. The performance-based controller is promising for applications with limited runway length. The performance benefits were found to be less pronounced for slower ground vehicle dynamics. Given the slow dynamics of the demonstrator setup, the safety-based approach was chosen for first landing experiments. The landing system was validated in a number of successful landing trials, which to the author’s best knowledge was the first time such technology was demonstrated on the given scale, worldwide. Ultimately, the proposed concept offers decisive benefits and constitutes a promising strategy for future aircraft landing solutions

    Modeling and control of PEM fuel cells

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    Aplicat embargament des del moment de la defensa fins al 5 de juliol de 2019.In recent years, the PEM fuel cell technology has been incorporated to the R&D plans of many key companies in the automotive, stationary power and portable electronics sectors. However, despite current developments, the technology is not mature enough to be significantly introduced into the energy market. Performance, durability and cost are the key challenges. The performance and durability of PEM fue! cells significantly depend on variations in the concentrations of hydrogen and oxygen in the gas channels, water activity in the catalyst layers and other backing layers, water content in the polymer electrolyte membrane, as well as temperature, among other variables. Such variables exhibit intemal spatial dependence in the direction of the fuel and air streams of the anode and cathode. Highly non-uniform spatial distributions in PEM fuel cells result in local over-heating, cell flooding, accelerated ageing, and lower power output than expected. Despite the importance of spatial variations of certain variables in PEM fuel cells, not many works available in the literature target the control of spatial profiles. Most control-oriented designs use lumped-parameter models because of their simplicity and convenience for controller performance. In contrast, this Doctoral Thesis targets the distributed parameter modelling and control of PEM fuel cells. In the modelling part, the research addresses the detailed development of a non-linear distributed parameter model of a single PEM fuel cell, which incorporates the effects of spatial variations of variables that are relevant to its proper performance. The model is first used to analyse important cell intemal spatial profiles, and it is later simplified in arder to decrease its computational complexity and make it suitable for control purposes. In this task, two different model order reduction techniques are applied and compared. The purpose of the control part is to tackle water management and supply of reactants, which are two major PEM fuel cell operation challenges with important degradation consequences. In this part of the Thesis, two decentralised control strategies based on distributed parameter model predictive controllers are designed, implemented and analysed via simulation environment State observers are also designed to estímate intemal unmeasurable spatial profiles necessary for the control action. The aim of the first strategy is to monitor and control observed water activity spatial profiles on both sides of the membrana to appropriate levels. These target values are carefully chosen to combine proper membrane, catalyst layer and gas diffusion layer humídification, whilst the rate of accumulation of excess liquid water is reduced. The key objective of this approach is to decrease the frequency of water removal actions that cause disruption in the power supplied by the cell, increased parasitic losses or degradation of cell efficiency. The second strategy is a variation of the previous water activity control strategy, which includes the control of spatial distribution of gases in the fuel and air channels. This integrated solution aims to avoid starvation of reactants by controlling corresponding concentration spatial profiles. This approach is intended to prevent PEM fuel cell degradation due to corrosion mechanisms, and thennal stress caused by the consequences of reactant starvation.A pesar de los avances actuales, la tecnología de celdas de hidrógeno tipo PEM no está suficientemente preparada para ser ampliamente introducida en el mercado energético. Rendimiento, durabilidad y costo son los mayores retos. El rendimiento y la durabilidad de las celdas dependen significativamente de las variaciones en las concentraciones de hidrógeno y oxígeno en los canales de alimentación de gases, la humedad relativa en las capas catalizadoras, el contenido de agua de la membrana polimérica, así como la temperatura, entre otras variables. Dichas variables presentan dependencia espacial interna en la dirección del flujo de gases del ánodo y del cátodo. Distribuciones espaciales altamente no uniformes en algunas variables de la celda resultan en sobrecalentamiento local, inundación, degradación acelerada y menor potencia de la requerida. Muy pocos trabajos disponibles en la literatura se ocupan del control de perfiles espaciales. La mayoría de los diseños orientados a control usan modelos de parámetros concentrados que ignoran la dependencia espacial de variables internas de la celda, debido a la complejidad que añaden al funcionamiento de controladores. En contraste, esta Tesis Doctoral trata la modelización y control de parámetros distribuidos en las celdas de hidrógeno tipo PEM. En la parte de modelización, esta tesis presenta el desarrollo detallado de un modelo no lineal de parámetros distribuidos para una sola celda, el cual incorpora las variaciones espaciales de todas las variables que son relevantes para su correcto funcionamiento. El modelo se usa primero para analizar importantes perfiles espaciales internos, y luego se simplifica para reducir su complejidad computacional y adecuarlo a propósitos de control. En esta tarea se usan y se comparan dos técnicas de reducción de orden de modelos. El propósito de la parte de control es abordar la gestión de agua y el suministro de reactantes, que son dos grandes retos en el funcionamiento de las celdas con importantes consecuencias para su vida útil. En esta parte de la tesis, dos estrategias de control descentralizadas, basadas en controladores predictivos de modelos de referencia con parámetros distribuidos, son diseñadas, implementadas y analizadas en un entorno de simulación. Estas tareas incluyen también el diseño de observadores de estado que estiman los perfiles espaciales internos necesarios para la acción de control. El objetivo de la primera estrategia es monitorear y controlar perfiles espaciales observados de la humedad relativa en las capas catalizadoras para mantenerlos en niveles apropiados. Estos niveles son escogidos cuidadosamente para combinar la correcta humidificación de la membrana y las capas catalizadoras, reduciendo la velocidad de acumulación de agua líquida. El objetivo clave de este enfoque es disminuir la frecuencia de las acciones de remoción de agua dentro de la celda, ya que estas acciones causan interrupción en la potencia suministrada, aumento de las cargas parasitarias y disminución de la eficiencia. La segunda estrategia es una variación de la estrategia anterior que considera adicionalmente el control de la distribución espacial de los gases en los canales del ánodo y cátodo. Esta solución integrada tiene como objetivo evitar la ausencia local de reactantes mediante el control de perfiles espaciales de concentración de gases. Este enfoque pretende prevenir la degradación de las celdas debido a mecanismos de corrosión. Los resultados muestran un mayor rendimiento de la celda considerando los enfoques de control de perfiles espaciales propuestos en esta tesis, en comparación con técnicas de control que ignoran dichos perfiles. Además, la característica descentralizada de los esquemas de control, combinada con el uso de modelos reducidos dentro de los controladores predictivos, tiene un impacto positivo importante en el rendimiento general del control.Postprint (published version

    Gestion de l'énergie d'un système multi-port à pertes intégrant une pile à combustible

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    Efficient regulation of the energy transfer between generating, storage and load subsystems is a topic of current practical interest. A new strategy to achieve this objective, together with its corresponding power electronics implementation, was recently proposed in this thesis work. The device is called dynamic energy router (DER) because, in contrast with current practice, the regulation of the direction and rate of change of the power flow is done without relying on steady–state considerations. A key assumption for the correct operation of the DER is that dissipation in the system is negligible. Unfortunately, in the presence of dissipation the original DER ceases to be operational. In this thesis a new DER that takes into account the presence of losses is proposed. Simulation and experimental evidence of the performance improvement with the new DER are presented. As a complement of this work a global convergent estimator of parameters of Polymer Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) was designing by using the principles or “Immersion and Invariance” recently reported in control theory.Dans de nombreux réseaux, la régulation efficace du transfert d'énergie entre les sous-systèmes de production, de stockage et d'utilisation demeure un sujet difficile à traiter. Dans cette thèse on a proposent une nouvelle stratégie pour atteindre cet objectif, ainsi que sa mise en œuvre. Le dispositif est appelé routeur d'énergie dynamique (RED), parce que, contrairement à la pratique actuelle, l'asservissement de l'écoulement de puissance se fait sans s'appuyer sur des hypothèses stationnaire. Une hypothèse clé pour le bon fonctionnement du RED est que la dissipation du système est négligeable. Toutefois, en présence de pertes en ligne le RED initial n'est plus opérationnel, car il est base sur l'hypothèse clé de non dissipation des interconnections. Dans ce travail, un nouveau RED prenant en compte la présence de pertes est proposé. Des preuves de l'amélioration des performances sont présentées en simulation comme en expérimentation. Un complément de ce travail a été réalisée sur l'estimation des paramètres d'une pile à combustible du type Polymer Exchange Membrane (PEM) dans le but de concevoir un estimateur convergeant sur un grand domaine (convergence globale). Ce dernier utilise des principes d'immersion et d'invariance développés récemment dans la théorie des asservissements

    Optimal control and approximations

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    Optimal control and approximations

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    Empowering wave energy with control technology: Possibilities and pitfalls

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    With an increasing focus on climate action and energy security, an appropriate mix of renewable energy technologies is imperative. Despite having considerable global potential, wave energy has still not reached a state of maturity or economic competitiveness to have made an impact. Challenges include the high capital and operational costs associated with deployment in the harsh ocean environment, so it is imperative that the full energy harnessing capacity of wave energy devices, and arrays of devices in farms, is realised. To this end, control technology has an important role to play in maximising power capture, while ensuring that physical system constraints are respected, and control actions do not adversely affect device lifetime. Within the gamut of control technology, a variety of tools can be brought to bear on the wave energy control problem, including various control strategies (optimal, robust, nonlinear, etc.), data-based model identification, estimation, and forecasting. However, the wave energy problem displays a number of unique features which challenge the traditional application of these techniques, while also presenting a number of control ‘paradoxes’. This review articulates the important control-related characteristics of the wave energy control problem, provides a survey of currently applied control and control-related techniques, and gives some perspectives on the outstanding challenges and future possibilities. The emerging area of control co-design, which is especially relevant to the relatively immature area of wave energy system design, is also covered

    A Stable and Transparent Framework for Adaptive Shared Control of Robots

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    In mixed-initiative haptic shared control of robots, humans and automatic control system work in parallel. The commands to the robot are a weighted sum of forces from these two agents. This thesis develops control methods to improve the force feedback performance for mixed-initiative shared teleoperation and to adapt the control authority between human and automatic control system in a stable manner even in the presence of communication delays. All methods are validated on real robotic hardware
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