Discrete Time Systems

Discrete-Time Systems comprehend an important and broad research field. The consolidation of digital-based computational means in the present, pushes a technological tool into the field with a tremendous impact in areas like Control, Signal Processing, Communications, System Modelling and related Applications. This book attempts to give a scope in the wide area of Discrete-Time Systems. Their contents are grouped conveniently in sections according to significant areas, namely Filtering, Fixed and Adaptive Control Systems, Stability Problems and Miscellaneous Applications. We think that the contribution of the book enlarges the field of the Discrete-Time Systems with signification in the present state-of-the-art. Despite the vertiginous advance in the field, we also believe that the topics described here allow us also to look through some main tendencies in the next years in the research area

Stochastic and Optimal Distributed Control for Energy Optimization and Spatially Invariant Systems

Improving energy efficiency and grid responsiveness of buildings requires sensing, computing and communication to enable stochastic decision-making and distributed operations. Optimal control synthesis plays a significant role in dealing with the complexity and uncertainty associated with the energy systems. The dissertation studies general area of complex networked systems that consist of interconnected components and usually operate in uncertain environments. Specifically, the contents of this dissertation include tools using stochastic and optimal distributed control to overcome these challenges and improve the sustainability of electric energy systems. The first tool is developed as a unifying stochastic control approach for improving energy efficiency while meeting probabilistic constraints. This algorithm is applied to demonstrate energy efficiency improvement in buildings and improving operational efficiency of virtualized web servers, respectively. Although all the optimization in this technique is in the form of convex optimization, it heavily relies on semidefinite programming (SP). A generic SP solver can handle only up to hundreds of variables. This being said, for a large scale system, the existing off-the-shelf algorithms may not be an appropriate tool for optimal control. Therefore, in the sequel I will exploit optimization in a distributed way. The second tool is itself a concrete study which is optimal distributed control for spatially invariant systems. Spatially invariance means the dynamics of the system do not vary as we translate along some spatial axis. The optimal H2 [H-2] decentralized control problem is solved by computing an orthogonal projection on a class of Youla parameters with a decentralized structure. Optimal H∞ [H-infinity] performance is posed as a distance minimization in a general L∞ [L-infinity] space from a vector function to a subspace with a mixed L∞ and H∞ space structure. In this framework, the dual and pre-dual formulations lead to finite dimensional convex optimizations which approximate the optimal solution within desired accuracy. Furthermore, a mixed L2 [L-2] /H∞ synthesis problem for spatially invariant systems as trade-offs between transient performance and robustness. Finally, we pursue to deal with a more general networked system, i.e. the Non-Markovian decentralized stochastic control problem, using stochastic maximum principle via Malliavin Calculus

Stochastic Control for Cooperative Cyber-Physical Networking

Die stetig fortschreitende Digitalisierung erlaubt einen immer autonomeren und intelligenteren Betrieb von Produktions- und Fertigungslinien, was zu einer stärker werdenden Verzahnung der physikalischen Prozesse und der Software-Komponenten zum Überwachen, Steuern und Messen führt. Cyber-physische Systeme (CPS) spielen hierbei eine Schlüsselrolle, indem sie sowohl die physikalischen als auch die Software-Komponenten zu einem verteilten System zusammenfassen, innerhalb dessen Umgebungszustände, Messwerte und Steuerbefehle über ein Kommunikationsnetzwerk ausgetauscht werden. Die Verfügbarkeit von kostengünstigen Geräten und die Möglichkeit bereits existierende Infrastruktur zu nutzen sorgen dafür, dass auch innerhalb von CPS zunehmend auf den Einsatz von Standard-Netzen auf Basis von IEEE 802.3 (Ethernet) und IEEE 802.11 (WLAN) gesetzt wird. Nachteilig bei der Nutzung von Standard-Netzen sind jedoch auftretende Dienstgüte-Schwankungen, welche aus der gemeinsamen Nutzung der vorhandenen Infrastruktur resultieren und für die Endsysteme in Form von sich ändernden Latenzen und Daten- und Paketverlustraten sichtbar werden. Regelkreise sind besonders anfällig für Dienstgüte-Schwankungen, da sie typischerweise isochrone Datenübertragungen mit festen Latenzen benötigen, um die gewünschte Regelgüte zu garantieren. Für die Vernetzung der einzelnen Komponenten, das heißt von Sensorik, Aktorik und Regler, setzt man daher klassischerweise auf Lösungen, die diese Anforderungen erfüllen. Diese Lösungen sind jedoch relativ teuer und unflexibel, da sie den Einsatz von spezialisierten Netzwerken wie z.B. Feldbussen benötigen oder über komplexe, speziell entwickelte Kommunikationsprotokolle realisiert werden wie sie beispielsweise die Time-Sensitive Networking (TSN) Standards definieren. Die vorliegende Arbeit präsentiert Ergebnisse des interdisziplinären Forschungsprojekts CoCPN:Cooperative Cyber-Physical Networking, das ein anderes Konzept verfolgt und explizit auf CPS abzielt, die Standard-Netze einsetzen. CoCPN benutzt einen neuartigen, kooperativen Ansatz um i) die Elastizität von Regelkreisen innerhalb solcher CPS zu erhöhen, das heißt sie in die Lage zu versetzen, mit den auftretenden Dienstgüte-Schwankungen umzugehen, und ii) das Netzwerk über die Anforderungen der einzelnen Regler in Kenntnis zu setzen. Kern von CoCPN ist eine verteilte Architektur für CPS, welche es den einzelnen Regelkreisen ermöglicht, die verfügbare Kommunikations-Infrastruktur gemeinsam zu nutzen. Im Gegensatz zu den oben genannten Lösungen benötigt CoCPN dafür keine zentrale Instanz mit globaler Sicht auf das Kommunikationssystem, sodass eine enge Kopplung an die Anwendungen vermieden wird. Stattdessen setzt CoCPN auf eine lose Kopplung zwischen Netzwerk und Regelkreisen, realisiert in Form eines Austauschs von Meta-Daten über den sog. CoCPN-Translator. CoCPN implementiert ein Staukontrollverfahren, welches den typischen Zusammenhang zwischen erreichbarer Regelgüte und Senderate ausnutzt: die erreichbare Regelgüte steigt mit der Senderate und umgekehrt. Durch Variieren der zu erreichenden Regelgüte kann das Sendeverhalten der Regler so eingestellt werden, dass die vorhandenen Kommunikations-Ressourcen optimal ausgenutzt und gleichzeitig Stausituationen vermieden werden. In dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit den regelungstechnischen Fragestellungen innerhalb von CoCPN. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf dem Entwurf und der Analyse von Algorithmen, die auf Basis der über den CoCPN-Translator ausgetauschten Meta-Daten die notwendige Elastizität liefern und es dadurch den Reglern ermöglichen, schnell auf Änderungen der Netzwerk-Dienstgüte zu reagieren. Dazu ist es notwendig, dass den Reglern ein Modell zur Verfügung gestellt wird, dass die Auswirkungen von Verzögerungen und Paketverlusten auf die Regelgüte erfasst. Im ersten Teil der Arbeit wird eine Erweiterung eines existierenden Modellierungs-Ansatzes vorgestellt, dessen Grundidee es ist, sowohl die Dynamik der Regelstrecke als auch den Einfluss von Verzögerungen und Paketverlusten durch ein hybrides System darzustellen. Hybride Systeme zeichnen sich dadurch aus, dass sie sowohl kontinuierlich- als auch diskretwertige Zustandsvariablen besitzen. Unsere vorgestellte Erweiterung ist in der Lage, Änderungen der Netzwerk-Dienstgüte abzubilden und ist nicht auf eine bestimmte probabilistische Darstellung der auftretenden Verzögerungen und Paketverluste beschränkt. Zusätzlich verzichtet unsere Erweiterung auf die in der Literatur übliche Annahme, dass Quittungen für empfangene Datenpakete stets fehlerfrei und mit vernachlässigbarer Latenz übertragen werden. Verglichen mit einem Großteil der verwandten Arbeiten, ermöglichen uns die genannten Eigenschaften daher eine realistischere Berücksichtigung der Netzwerk-Einflüsse auf die Regelgüte. Mit dem entwickelten Modell kann der Einfluss von Verzögerungen und Paketverlusten auf die Regelgüte prädiziert werden. Auf Basis dieser Prädiktion können Stellgrößen dann mit Methoden der stochastischen modellprädiktiven Regelung (stochastic model predictive control) berechnet werden. Unsere realistischere Betrachtung der Netzwerk-Einflüsse auf die Regelgüte führt hierbei zu einer gegenseitigen Abhängigkeit von Regelung und Schätzung. Zur Berechnung der Stellgrößen muss der Regler den Zustand der Strecke aus den empfangenen Messungen schätzen. Die Qualität dieser Schätzungen hängt von den berechneten Stellgrößen und deren Auswirkung auf die Regelstrecke ab. Umgekehrt beeinflusst die Qualität der Schätzungen aber maßgeblich die Qualität der Stellgrößen: Ist der Schätzfehler gering, kann der Regler bessere Entscheidungen treffen. Diese gegenseitige Abhängigkeit macht die Berechnung von optimalen Stellgrößen unmöglich und bedingt daher die Fokussierung auf das Erforschen von approximativen Ansätzen. Im zweiten Teil dieser Arbeit stellen wir zwei neuartige Verfahren für die stochastische modellprädiktive Regelung über Netzwerke vor. Im ersten Verfahren nutzen wir aus, dass bei hybriden System oft sogenannte multiple model-Algorithmen zur Zustandsschätzung verwendet werden, welche den geschätzten Zustand in Form einer Gaußmischdichte repräsentieren. Auf Basis dieses Zusammenhangs und einer globalen Approximation der Kostenfunktion leiten wir einen Algorithmus mit geringer Komplexität zur Berechnung eines (suboptimalen) Regelgesetzes her. Dieses Regelgesetz ist nichtlinear und ergibt sich aus der gewichteten Kombination mehrerer unterlagerter Regelgesetze. Jedes dieser unterlagerten Regelgesetze lässt sich dabei als lineare Funktion genau einer der Komponenten der Gaußmischdichte darstellen. Unser zweites vorgestelltes Verfahren besitzt gegensätzliche Eigenschaften. Das resultierende Regelgesetz ist linear und basiert auf einer Approximation der Kostenfunktion, welche wir nur lokal, das heißt nur in der Umgebung einer erwarteten Trajektorie des geregelten Systems, berechnen. Diese Trajektorie wird hierbei durch die Prädiktion einer initialen Zustandsschätzung über den Optimierungshorizont gewonnen. Zur Berechnung des Regelgesetzes schlagen wir dann einen iterativen Algorithmus vor, welcher diese Approximation durch wiederholtes Optimieren der System-Trajektorie verbessert. Simulationsergebnisse zeigen, dass unsere neuartigen Verfahren eine signifikant höhere Regelgüte erzielen können als verwandte Ansätze aus der Literatur. Der dritte Teil der vorliegenden Arbeit beschäftigt sich erneut mit dem hybriden System aus dem ersten Teil. Die im Rahmen dieser Arbeit verwendeten Netzwerk-Modelle, das heißt die verwendeten probabilistischen Beschreibungen der Verzögerungen und Paketverluste, werden vom CoCPN-Translator auf Grundlage von im Netzwerk gesammelten Status-Informationen erzeugt. Diese Status-Informationen bilden jedoch stets nur Ausschnitte ab und können nie exakt den "Zustand” des Netzwerks repräsentieren. Dementsprechend können die resultierenden Netzwerk-Modelle nicht als fehlerfrei erachtet werden. In diesem Teil der Arbeit untersuchen wir daher den Einfluss möglicher Fehler in den Netzwerk-Modellen auf die zu erwartende Regelgüte. Weiterhin gehen wir der Frage nach der Existenz von Reglern, die robust gegenüber solchen Fehlern und Unsicherheiten sind, nach. Dazu zeigen wir zunächst, dass sich Fehler in den Netzwerk-Modellen immer als eine polytopische Parameter-Unsicherheit im hybriden System aus dem ersten Teil manifestieren. Für solche polytopischen hybride System leiten wir dann eine sowohl notwendige als auch hinreichende Stabilitätsbedingung her, was einen signifikanten Beitrag zur Theorie der hybriden Systeme darstellt. Die Auswertung dieser Bedingung erfordert es zu bestimmen, ob der gemeinsame Spektralradius (joint spectral radius) einer Menge von Matrizen kleiner als eins ist. Dieses Entscheidungsproblem ist bekanntermaßen NP-schwer, was die Anwendbarkeit der Stabilitätsbedingung stark limitiert. Daher präsentieren wir eine hinreichende Stabilitätsbedingung, die in polynomieller Zeit überprüft werden kann, da sie auf der Erfüllbarkeit von linearen Matrixungleichungen basiert. Schließlich zeigen wir, dass die Existenz eines Reglers, der die Stabilität des betrachteten polytopischen hybriden Systems garantiert, von der Erfüllbarkeit einer ähnlichen Menge von Matrixungleichungen bestimmt wird. Diese Ungleichungen sind weniger restriktiv als die bisher in der Literatur bekannten, was die Synthese von weniger konservativen Reglern erlaubt. Schließlich zeigen wir im letzten Teil dieser Arbeit die Anwendbarkeit des kooperativen Konzepts von CoCPN in Simulations-Szenarien, in denen stark ausgelastete Netzwerk-Ressourcen mit anderen Anwendungen geteilt werden müssen. Wir demonstrieren, dass insbesondere das Zusammenspiel unserer modellprädiktiven Verfahren mit dem Staukontrollverfahren von CoCPN einen zuverlässigen Betrieb der Regelkreise ohne unerwünschte Einbußen der Regelgüte auch dann ermöglicht, wenn sich die Kommunikationsbedingungen plötzlich und unvorhergesehen ändern. Insgesamt stellt unsere Arbeit somit einen wichtigen Baustein auf dem Weg zu einem flächendeckenden Einsatz von Standard-Netzen als flexible und adaptive Basis für industrielle CPS dar

Real-Time Forecasting/Control of Water Resource Systems; Selected Papers from an IIASA Workshop, October 18-21,1976

When water resource systems are not under control, the consequences can be devastating. In the United States alone, flood damage cost approximately $1.5 billion annually. These losses can be avoided by building more reservoirs to hold the flood waters, but such construction is very expensive, especially because reservoirs have already been built on the best sites. A better and less expensive alternative is the development of more effective management methods for existing water resource systems, which commonly waste approximately 20 percent of their capacities through mismanagement. Statistical models first appeared in hydrology at the beginning of the 1970s. Hydrologists began to use the techniques of time series analysis and system identification in their models, which seemed to give better results than the earlier, deterministic simulation models. In addition, real-time control of water resources was being developed at the practical level and on-line measurements of rainfall and runoff from a catchment were becoming available. The conceptual models then in use could not take advantage of measurements from the catchment, but on-line measurements now allow an operator to anticipate flood waters upstream or a water shortage downstream. This book contains selected papers from a workshop devoted to the consolidation of international research on statistically estimated models for real-time forecasting and control of water resource systems. The book is divided into three parts. The first part presents several methods of forecasting for water resource systems: distributed lag models, maximum likelihood identification, nonlinear catchment models, Kalman filtering, and self-tuning predictors. The papers in the second part present methods for controlling stream quality and stream flow, and the third part describes forecasting in the United States, the United Kingdom, and Poland

A Resilient Control Approach to Secure Cyber Physical Systems (CPS) with an Application on Connected Vehicles

The objective of this dissertation is to develop a resilient control approach to secure Cyber Physical Systems (CPS) against cyber-attacks, network failures and potential physical faults. Despite being potentially beneficial in several aspects, the connectivity in CPSs poses a set of specific challenges from safety and reliability standpoint. The first challenge arises from unreliable communication network which affects the control/management of overall system. Second, faulty sensors and actuators can degrade the performance of CPS and send wrong information to the controller or other subsystems of the CPS. Finally, CPSs are vulnerable to cyber-attacks which can potentially lead to dangerous scenarios by affecting the information transmitted among various components of CPSs. Hence, a resilient control approach is proposed to address these challenges. The control approach consists of three main parts:(1) Physical fault diagnostics: This part makes sure the CPS works normally while there is no cyber-attacks/ network failure in the communication network; (2) Cyber-attack/failure resilient strategy: This part consists of a resilient strategy for specific cyber-attacks to compensate for their malicious effects ; (3) Decision making algorithm: The decision making block identifies the specific existing cyber-attacks/ network failure in the system and deploys corresponding control strategy to minimize the effect of abnormality in the system performance. In this dissertation, we consider a platoon of connected vehicle system under Co-operative Adaptive Cruise Control (CACC) strategy as a CPS and develop a resilient control approach to address the aforementioned challenges. The first part of this dissertation investigates fault diagnostics of connected vehicles assuming ideal communication network. Very few works address the real-time diagnostics problem in connected vehicles. This study models the effect of different faults in sensors and actuators, and also develops fault diagnosis scheme for detectable and identifiable faults. The proposed diagnostics scheme is based on sliding model observers to detect, isolate and estimate faults in the sensors and actuators. One of the main advantages of sliding model approach lies in applicability to nonlinear systems. Therefore, the proposed method can be extended for other nonlinear cyber physical systems as well. The second part of the proposed research deals with developing strategies to maintain performance of cyber-physical systems close to the normal, in the presence of common cyber-attacks and network failures. Specifically, the behavior of Dedicated Short-Range Communication (DSRC) network is analyzed under cyber-attacks and failures including packet dropping, Denial of Service (DOS) attack and false data injection attack. To start with, packet dropping in network communication is modeled by Bernoulli random variable. Then an observer based modifying algorithm is proposed to modify the existing CACC strategy against the effect of packet dropping phenomena. In contrast to the existing works on state estimation over imperfect communication network in CPS which mainly use either holding previous received data or Kalman filter with intermittent observation, a combination of these two approaches is used to construct the missing data over packet dropping phenomena. Furthermore, an observer based fault diagnostics based on sliding mode approach is proposed to detect, isolate and estimate sensor faults in connected vehicles platoon. Next, Denial of Service (DoS) attack is considered on the communication network. The effect of DoS attack is modeled as an unknown stochastic delay in data delivery in the communication network. Then an observer based approach is proposed to estimate the real data from the delayed measured data over the network. A novel approach based on LMI theory is presented to design observer and estimate the states of the system via delayed measurements. Next, we explore and alternative approach by modeling DoS with unknown constant time delay and propose an adaptive observer to estimate the delay. Furthermore, we study the effects of system uncertainties on the DoS algorithm. In the third algorithm, we considered a general CPS with a saturated DoS attack modeled with constant unknown delay. In this part, we modeled the DoS via a PDE and developed a PDE based observer to estimate the delay as well as states of the system while the only available measurements are delayed. Furthermore, as the last cyber-attack of the second part of the dissertation, we consider false data injection attack as the fake vehicle identity in the platoon of vehicles. In this part, we develop a novel PDE-based modeling strategy for the platoon of vehicles equipped with CACC. Moreover, we propose a PDE based observer to detect and isolate the location of the false data injection attack injected into the platoon as fake identity. Finally, the third part of the dissertation deals with the ongoing works on an optimum decision making strategy formulated via Model Predictive Control (MPC). The decision making block is developed to choose the optimum strategy among available strategies designed in the second part of the dissertation

Automatic Flight Control Systems

The history of flight control is inseparably linked to the history of aviation itself. Since the early days, the concept of automatic flight control systems has evolved from mechanical control systems to highly advanced automatic fly-by-wire flight control systems which can be found nowadays in military jets and civil airliners. Even today, many research efforts are made for the further development of these flight control systems in various aspects. Recent new developments in this field focus on a wealth of different aspects. This book focuses on a selection of key research areas, such as inertial navigation, control of unmanned aircraft and helicopters, trajectory control of an unmanned space re-entry vehicle, aeroservoelastic control, adaptive flight control, and fault tolerant flight control. This book consists of two major sections. The first section focuses on a literature review and some recent theoretical developments in flight control systems. The second section discusses some concepts of adaptive and fault-tolerant flight control systems. Each technique discussed in this book is illustrated by a relevant example

Twentieth Annual Conference on Manual Control, Volume 1

The 48 papers presented were devoted to humanopeator modeling, application of models to simulation and operational environments, aircraft handling qualities, teleopertors, fault diagnosis, and biodynamics

End to end architecture and mechanisms for mobile and wireless communications in the Internet

Architecture et mécanismes de bout en bout pour les communications mobiles et sans fil dans l'Internet. La gestion performante de la mobilité et l'amélioration des performances des couches basses sont deux enjeux fondamentaux dans le contexte des réseaux sans fil. Cette thèse apporte des solutions originales et innovantes qui visent à répondre à ces deux problématiques empêchant à ce jour d'offrir des possibilités de communication performantes et sans couture aux usagers mobiles accédant à l'Internet via des réseaux d'accès locaux sans fil (WLAN). Ces solutions se distinguent en particulier par l'impact minimum qu'elles ont sur les protocoles standards de l'Internet (niveaux transport et réseau) ou de l'IEEE (niveaux physique et liaison de données). S'inscrivant dans les paradigmes de "bout en bout" et "cross-layer", notre architecture permet d'offrir des solutions efficaces pour la gestion de la mobilité : gestion de la localisation et des handover en particulier. En outre, nous montrons que notre approche permet également d'améliorer l'efficacité des transmissions ainsi que de résoudre efficacement plusieurs syndromes identifiés au sein de 802.11 tels que les anomalies de performance, l'iniquité entre les flux et l'absence de contrôle de débit entre la couche MAC et les couches supérieures. Cette thèse résout ces problèmes en combinant des modèles analytiques, des simulations et de réelles expérimentations. Ces mécanismes adaptatifs ont été développés et intégrés dans une architecture de communication qui fournit des services de communication à haute performance pour réseaux sans fils tels que WIFI et WIMAX. ABSTRACT : Wireless networks, because of the potential pervasive and mobile communication services they offer, are becoming the dominant Internet access networks. However, the legacy Internet protocols, still dominant at that time, have not been designed with mobility and wireless in mind. Therefore, numerous maladjustments and “defaults of impedance” can be observed when combining wireless physical and MAC layers with the traditional upper layers. This thesis proposes several solutions for a pacific coexistence between these communication layers that have been defined and designed independently. Reliable mobility management and Low layer performance enhancements are two main challenging issues in the context of wireless networks. Mobility management (which is mostly based on mobile IP architecture nowadays) aims to continuously assign and control the wireless connections of mobile nodes amongst a space of wireless access networks. Low layer performance enhancements mainly focus on the transmission efficiency such as higher rate, lower loss, interference avoidance. This thesis addresses these two important issues from an original and innovative approach that, conversely to the traditional contributions, entails a minimum impact on the legacy protocols and internet infrastructure. Following the “end to end” and “cross layer” paradigms, we address and offer efficient and light solutions to fast handover, location management and continuous connection support through a space of wireless networks. Moreover, we show that such an approach makes it possible to enhance transmission efficiency and solve efficiently several syndromes that plague the performances of current wireless networks such as performance anomaly, unfairness issues and maladjustment between MAC layer and upper layers. This thesis tackles these issues by combining analytical models, simulations and real experiments. The resulting mechanisms have been developed and integrated into adaptive mobility management communication architecture that delivers high performing communication services to mobile wireless systems, with a focus on WIFI and WIMAX access networks

Intelligent Circuits and Systems

ICICS-2020 is the third conference initiated by the School of Electronics and Electrical Engineering at Lovely Professional University that explored recent innovations of researchers working for the development of smart and green technologies in the fields of Energy, Electronics, Communications, Computers, and Control. ICICS provides innovators to identify new opportunities for the social and economic benefits of society.　 This conference bridges the gap between academics and R&D institutions, social visionaries, and experts from all strata of society to present their ongoing research activities and foster research relations between them. It provides opportunities for the exchange of new ideas, applications, and experiences in the field of smart technologies and finding global partners for future collaboration. The ICICS-2020 was conducted in two broad categories, Intelligent Circuits & Intelligent Systems and Emerging Technologies in Electrical Engineering