Control over the Cloud : Offloading, Elastic Computing, and Predictive Control

The thesis studies the use of cloud native software and platforms to implement critical closed loop control. It considers technologies that provide low latency and reliable wireless communication, in terms of edge clouds and massive MIMO, but also approaches industrial IoT and the services of a distributed cloud, as an extension of commercial-of-the-shelf software and systems.First, the thesis defines the cloud control challenge, as control over the cloud and controller offloading. This is followed by a demonstration of closed loop control, using MPC, running on a testbed representing the distributed cloud.The testbed is implemented using an IoT device, clouds, next generation wireless technology, and a distributed execution platform. Platform details are provided and feasibility of the approach is shown. Evaluation includes relocating an on-line MPC to various locations in the distributed cloud. Offloaded control is examined next, through further evaluation of cloud native software and frameworks. This is followed by three controller designs, tailored for use with the cloud. The first controller solves MPC problems in parallel, to implement a variable horizon controller. The second is a hierarchical design, in which rate switching is used to implement constrained control, with a local and a remote mode. The third design focuses on reliability. Here, the MPC problem is extended to include recovery paths that represent a fallback mode. This is used by a control client if it experiences connectivity issues.An implementation is detailed and examined.In the final part of the thesis, the focus is on latency and congestion. A cloud control client can experience long and variable delays, from network and computations, and used services can become overloaded. These problems are approached by using predicted control inputs, dynamically adjusting the control frequency, and using horizontal scaling of the cloud service. Several examples are shown through simulation and on real clouds, including admitting control clients into a cluster that becomes temporarily overloaded

New Approaches in Automation and Robotics

The book New Approaches in Automation and Robotics offers in 22 chapters a collection of recent developments in automation, robotics as well as control theory. It is dedicated to researchers in science and industry, students, and practicing engineers, who wish to update and enhance their knowledge on modern methods and innovative applications. The authors and editor of this book wish to motivate people, especially under-graduate students, to get involved with the interesting field of robotics and mechatronics. We hope that the ideas and concepts presented in this book are useful for your own work and could contribute to problem solving in similar applications as well. It is clear, however, that the wide area of automation and robotics can only be highlighted at several spots but not completely covered by a single book

Autonomous landing of fixed-wing aircraft on mobile platforms

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

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

Future Smart Grid Systems

This book focuses on the analysis, design and implementation of future smart grid systems. This book contains eleven chapters, which were originally published after rigorous peer-review as a Special Issue in the International Journal of Energies (Basel). The chapters cover a range of work from authors across the globe and present both the state-of-the-art and emerging paradigms across a range of topics including sustainability planning, regulations and policy, estimation and situational awareness, energy forecasting, control and optimization and decentralisation. This book will be of interest to researchers, practitioners and scholars working in areas related to future smart grid systems

Holistic Control for Cyber-Physical Systems

The Industrial Internet of Things (IIoT) are transforming industries through emerging technologies such as wireless networks, edge computing, and machine learning. However, IIoT technologies are not ready for control systems for industrial automation that demands control performance of physical processes, resiliency to both cyber and physical disturbances, and energy efficiency. To meet the challenges of IIoT-driven control, we propose holistic control as a cyber-physical system (CPS) approach to next-generation industrial automation systems. In contrast to traditional industrial automation systems where computing, communication, and control are managed in isolation, holistic control orchestrates the management of cyber platforms (networks and computing platforms) and physical plant control at run-time in an integrated architecture. Specifically, this dissertation research comprises the following primary components. Holistic wireless control: The core of holistic wireless control is a holistic controller comprising a plant controller and a network controller cooperating with each other. At run-time the holistic controller generates (1) control commands to the physical plant and (2) network reconfiguration commands to wireless networks based on both physical and network states. This part of dissertation research focused on the design and evaluation of holistic controllers exploiting a range of network reconfiguration strategies: (1) adapting transmission redundancy, (2) adapting sampling rates, (3) self-triggered control, and (4) dynamic transmission scheduling. Furthermore, we develop novel network reconfiguration protocols (NRP) as actuators to control network configurations in holistic control. Holistic edge control: This part of dissertation research explores edge computing as a multitier computing platform for holistic control. The proposed switching multi-tier control (SMC) dynamically switches controllers located on different computation platforms, thereby exploiting the trade-off between computation and communication in a multi-tier computing platform. We also design the stability switch between local and edge controllers under information loss from another perspective, based on co-design of edge and local controllers that are designed via a joint Lyapunov function. Real-time wireless cyber-physical simulators: To evaluate holistic control, we extend the Wireless Cyber-Physical Simulator (WCPS) to integrate simulated physical plants (in Simulink) with real wireless networks (WCPS-RT) and edge computing platforms (WCPS-EC). The real-time WCPS provides a holistic environment for CPS simulations that incorporate wireless dynamics that are challenging to simulate accurately, explore the impacts and trade-off of computation and communication of multi-tier platforms, and leverage simulation support for controllers and plants