A Study of Energy Management Systems and its Failure Modes in Smart Grid Power Distribution

abstract: The subject of this thesis is distribution level load management using a pricing signal in a smart grid infrastructure. The project relates to energy management in a spe-cialized distribution system known as the Future Renewable Electric Energy Delivery and Management (FREEDM) system. Energy management through demand response is one of the key applications of smart grid. Demand response today is envisioned as a method in which the price could be communicated to the consumers and they may shift their loads from high price periods to the low price periods. The development and deployment of the FREEDM system necessitates controls of energy and power at the point of end use. In this thesis, the main objective is to develop the control model of the Energy Management System (EMS). The energy and power management in the FREEDM system is digitally controlled therefore all signals containing system states are discrete. The EMS is modeled as a discrete closed loop transfer function in the z-domain. A breakdown of power and energy control devices such as EMS components may result in energy con-sumption error. This leads to one of the main focuses of the thesis which is to identify and study component failures of the designed control system. Moreover, H-infinity ro-bust control method is applied to ensure effectiveness of the control architecture. A focus of the study is cyber security attack, specifically bad data detection in price. Test cases are used to illustrate the performance of the EMS control design, the effect of failure modes and the application of robust control technique. The EMS was represented by a linear z-domain model. The transfer function be-tween the pricing signal and the demand response was designed and used as a test bed. EMS potential failure modes were identified and studied. Three bad data detection meth-odologies were implemented and a voting policy was used to declare bad data. The run-ning mean and standard deviation analysis method proves to be the best method to detect bad data. An H-infinity robust control technique was applied for the first time to design discrete EMS controller for the FREEDM system.Dissertation/ThesisMasters Thesis Electrical Engineering 201

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

Controller Design and Optimization for Rotor System Supported by Active Magnetic Bearings

Active Magnetic Bearings (AMBs) have been receiving increased attention in industry because of the advantages (contact-free, oil-free, etc.,) that they display in comparison with conventional bearings. They are used extensively in rotor system applications, especially in conditions where conventional bearing systems fail. Most AMBs are controlled by Proportional-Integral-Derivative (PID)-controllers. Controller design for AMB systems by means of hand tuning is time-consuming and requires expert knowledge. In order to avoid this situation and reduce the effort to tune the controller, multi-objective optimization with genetic algorithm is introduced to design and optimize the AMB controllers. In the optimization, criteria both in time and frequency domain are considered. A hierarchical fitness function evaluation procedure is used to accelerate the optimization process and to increase the probability of convergence. This evaluation procedure guides the optimizer to locate the small feasible region resulting mainly from the requirement for stability of control system. Another strategy to reduce the number of optimization parameters is developed, which is based on a sensitivity analysis of the controller parameters. This strategy reduces directly the complexity of the optimization problem and accelerates the optimization process. Controller designs for two AMB systems are considered in this thesis. Based on the introduced and presented hierarchical evaluation strategy, the controller design for the first AMB system is obtained without specific requirements related to initial solutions. The optimal controller design is applied to a test rig with a flexible rotor supported by AMBs. The results show that the introduced optimization procedure realizes the desired results of the controlled system’s behavior. The maximal speed of 15000 rpm is reached. The second AMB system is designed for a turbo-compressor. The introduced parameter reduction strategy is applied for the controller design of this AMB system. The controller design is optimized in the search space around an initial solution. Optimization results show the efficiency of the introduced strategy.Aufgrund vieler Vorteile (wie z. B. Kontaktfreiheit, Ölfreiheit) gegenüber konventionellen Lagern etablieren sich aktive Magnetlager zunehmend in der Industrie. Aktive Magnetlager werden zum großen Teil in Rotorsystemen verwendet, wo konventionelle Öllager für die Anwendung versagen. PID-Regler werden häufig für Magnetlager verwendet. Die Auslegung des Reglers wird durch manuelle Einstellung (trial and error) bestimmt und ist sehr zeitaufwendig. Zudem bedarf es spezieller Fachkenntnisse zur Einstellung. Um diese Situation zu vermeiden und den Aufwand für die Reglerauslegung zu reduzieren, wird die Mehrzieloptimierung mit Genetischen Algorithmen in der vorliegenden Arbeit zur Optimierung des Reglerentwurfs eingesetzt. In der Optimierung werden die Zielfunktionen sowohl im Zeit- wie auch im Frequenzbereich definiert. Um den Optimierungsprozess zu beschleunigen und die Wahrscheinlichkeit der Konvergenz der Optimierung zu erhöhen, wird eine hierarchische Struktur zur Bewertung der Zielfunktionen eingeführt. Dies hilft dem Optimierer bei der Lokalisierung des kleinen zulässigen Bereichs, der im Wesentlichen aus der Anforderung an die Stabilität des Magnetlagersystems resultiert. Desweitern wird eine Strategie zur Reduzierung der Optimierungsparameter entwickelt, die auf der Sensitivitätsanalyse der Reglerparameter basiert. Diese Strategie reduziert die Komplexität des Optimierungsproblems und führt zu einer Beschleunigung des Optimierungsprozesses. In der vorliegenden Arbeit wird der Reglerentwurf von zwei Magnetlagersystemen berücksichtigt. Mit Hilfe der eingeführten Strategie zur Bewertung der Zielfunktionen, werden die Reglerparameter von dem ersten Magnetlagersystem bestimmt bzw. optimiert, ohne dass irgendeine Information über die Anfangslösung erforderlich ist. Der optimale Reglerentwurf wird dann in einem Versuchstand implementiert, in dem eine elastische Welle durch zwei Magnetlager gelagert ist. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass das gewünschte dynamische Verhalten des geregelten Magnetlagersystems durch die Optimierung erzielt wird. Die maximal zulässige Drehzahl (15000 rpm) des Versuchsstandes wird mit dem optimalen Regler ohne Probleme erreicht. Als zweites Beispiel wird der Reglerentwurf eines magnetgelagerten Rotorsystems eines Turboverdichters betrachtet. In der Reglerauslegung wird die vorgeschlagene Optimierungsstrategie mit Hilfe von Parameterreduktion verwendet. Die optimale Lösung wird lokal in der Nähe einer Anfangslösung gesucht. Die Optimierungsergebnisse zeigen die Effizienz der Optimierungsstrategie

Dissipative systems theory : analysis and synthesis

Finite L2 gain and passivity (or positive real) methods have recently played an important role in a large number of robust, high performance engineering designs for both nonlinear and linear systems. This has renewed interest in the classical concept of dissipative systems. In particular, in various finite gain or passivity system synthesis methods in the literature, one studies a relevant dissipation inequality and looks for an appropriate solution to it. When such a solution exists, one then constructs the desired system by using this solution. The main theme of the thesis is the development of a framework for general dissipative systems analysis and synthesis. We firstly present a numerical method for testing dissipativity of a given system. We characterize a dissipative system in terms of a weak (viscosity) solution to a partial differential inequality (PDI) which is the relevant dissipation inequality for the system being considered and develop a finite-difference based discretization method that results in a partial difference inequality approximating the PDI. We then propose two iterative methods to solve the partial difference inequality. We report a number of computational experiment results to demonstrate the utility of the method. Under certain circumstances, strict dissipativity is of the main concern. We provide characterization of a strongly stable, strictly quadratic dissipative nonlinear system in terms of a solution to a PDI or a solution to a partial differential equation (PDE), in the viscosity sense. When the solution to the PDE is smooth, then it also has a stabilizing (in some sense) property. These results generalize the strict bounded real lemma in the linear H control literature. We also provide characterization of a stable, strictly quadratic dissipative linear system in terms of a stabilizing solution to an algebraic Riccati equation (ARE). Connections between quadratic dissipative systems and finite gain related systems are given. In the thesis, we propose a synthesis method for a general dissipative control problem for nonlinear and linear systems with state feedback. We express the solution to the roblem in terms of a solution to a Hamilton-Jacobi-Isaacs (HJI) PDI/PDE in the non­ linear systems case (algebraic Riccati equation/inequality in the linear systems case). In particular, in the case of nonlinear systems with a general quadratic supply rate, we show that whenever there exists a static state feedback control that renders the closed loop system dissipative, then there exists a solution to the Hamilton-Jacobi-Isaacs PDI/PDE in the viscosity solution. This extends and generalizes a number of synthesis results in the nonlinear H control literature. We then consider a general dissipative output feedback control problem and propose a solution by employing the recently developed information state method. We formulate an information state and then convert the original output feedback problem into a new full state one in which the information state provides the appropriate state. The dynamics of the information state takes the form of a controlled PDE. We then solve the new problem by using game theoretic methods leading to a (infinite dimensional) HJI PDI. This is the relevant (ontrolled) dissipation inequality for the output feedback problem at hand. The solution is then specialized to bilinear and linear systems yielding finite dimensional solutions. As a by product, we formulate and solve a general dissipativity filtering problem for nonlinear and linear systems. The problem takes the nonlinear H filtering as a special case. As in the control case, the solution to the filtering problem is expressed in terms of a controlled PDE describing the dynamics of the corresponding information state and a(infinite dimensional) HJI PDI. When specialized to linear systems with a general quadratic supply rate, the solution reduces to new finite dimensional linear filters with the (central) linear H filter appearing as a special one. Finally, we propose application of general dissipativity control methods to two stabilization problems. In the first problem we look for a controller that stabilizes linear systems possesing sector bounded nonlinearities at their inputs and outputs. In the second one, we look for a controller that stabilizes an uncertain nonlinear systenfconsisting of a nonlinear nominal model and an unknown nonlinear model belonging to a class of general dissipative systems described in terms of a specific suppply rate function. In either case, we pose the stabilization problem as a dissipativity control synthesis one for a related system

Element and system design for active and passive vibration isolation

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Mechanical Engineering, February 2005.Includes bibliographical references (p. 277-294).This thesis focusses on broadband vibration isolation, with an emphasis on control of absolute payload motion for ultra-precision instruments such as the MIT/Caltech Laser-Interferometric Gravitational Wave Observatory (LIGO), which is designed to measure spatial strains on the order of 10-²¹. We develop novel passive elements and control strategies as well as a framework for concurrent design of the passive and active elements of single-stage and multi-stage isolation systems. In many applications, it is difficult to construct passive isolation systems compliant enough to achieve specifications on low-frequency ground transmission without introducing hysteresis as well as high-frequency transmission resonances. We develop and test a compliant support that employs a post-buckled structure in con- junction with a compliant spring to attain a low-frequency, low-static-sag mount in a compact package with a large range of travel and very clean dynamics. Most passive damping techniques increase ground transmission at high frequency, but tuned-mass dampers are decoupled from the ground. We explore the tuned-mass damper as a passive realization of the skyhook damper, obtain the optimal designs for multiple-SDOF systems of dampers, propose the concept of a multi-DOF damper, and show that MDOF dampers that couple translational and rotational motion have the potential to provide performance many times better than that traditional tuned-mass dampers. Active control can be used to improve low-frequency performance, but high-gain control can amplify sensor and actuator noise or cause instability. We study several control strategies for uncertain plants with high-order dynamics.(cont.) In particular, we develop a novel control strategy, "model-reaching" adaptive control, that drives the system onto a dynamic manifold defined directly in terms of the states of the target. The method can be used to robustly increase the apparent compliance of an isolation mount and maintain a -40 dB/decade roll-off above the resulting corner frequency.by Lei Zuo.Ph.D

Developing a framework for the modernisation of passenger railway maintenance depots in developing countries

Industrial Engineerin

Generalized averaged Gaussian quadrature and applications

A simple numerical method for constructing the optimal generalized averaged Gaussian quadrature formulas will be presented. These formulas exist in many cases in which real positive GaussKronrod formulas do not exist, and can be used as an adequate alternative in order to estimate the error of a Gaussian rule. We also investigate the conditions under which the optimal averaged Gaussian quadrature formulas and their truncated variants are internal

MS FT-2-2 7 Orthogonal polynomials and quadrature: Theory, computation, and applications

Quadrature rules find many applications in science and engineering. Their analysis is a classical area of applied mathematics and continues to attract considerable attention. This seminar brings together speakers with expertise in a large variety of quadrature rules. It is the aim of the seminar to provide an overview of recent developments in the analysis of quadrature rules. The computation of error estimates and novel applications also are described

Anwendungsorientierte robuste Regelung einer Klasse unendlich-dimensionaler Systeme am Beispiel eines trimorphen Biegewandlers

Die vorliegende Arbeit thematisiert ein methodisches Vorgehen zur Synthese hoch performanter robuster endlich-dimensionaler Regler für eine Klasse unendlich-dimensionaler Systeme mit unbeschränkten Ein-/Ausgangsoperatoren am Beispiel eines trimorphen Biegewandlers. Das propagierte Vorgehen zeichnet sich durch einen theoretisch untermauerten Brückenschlag aus, der zwischen der rigorosen mathematischen Theorie unendlich-dimensionaler Systeme einerseits und den ausgereiften, praxiserprobten sowie leicht handhabbaren Syntheseverfahren robuster endlich-dimensionaler Regler nach der H∞-Methode beziehungsweise auf Basis der μ-Synthese andererseits vorgenommen wird. Der durch diese Arbeit geleistete Beitrag zum Eintrag mathematischer Theorie und Methodik in den Methodenbaukasten der Ingenieure umfasst damit ein fundiertes und zugleich praktikables Vorgehen zur Synthese leistungsstarker endlich-dimensionaler Regler für eine umfangreiche Klasse unendlich-dimensionaler Systeme. Einleitend vermittelt eine vergleichende Gegenüberstellung der im regelungstechnischen Kontext gebräuchlichen mathematischen Realisierungen endlich-dimensionaler Systeme und denen ausgewählter Klassen unendlich-dimensionaler Systeme einen eingängigen Zugang zu der diskutierten Thematik. Mit der Pritchard-Salamon-Klasse wird dabei eine Systemklasse eingeführt, die eine Formulierung des Beispielsystems erlaubt und für die zugleich eine umfangreiche sowie ausgereifte Theorie existiert, die wesentliche systemtheoretische Aspekte abdeckt und dabei vielfach klare Analogien zum endlich-dimensionalen Fall aufweist. Innerhalb dieser Arbeit erfolgt dabei erstmalig die explizite Formulierung der den betrachteten trimorphen Biegewandler charakterisierenden Systemdynamik in der Pritchard-Salamon-Klasse. Dieser Zugehörigkeitsbeweis ersetzt den Nachweis essentieller Systemeigenschaften, wie beispielsweise der Existenz und Eindeutigkeit von Lösungen unter Berücksichtigung einer umfangreichen Klasse von Eingangssignalen und der Existenz verschiedener äquivalenter mathematischer Realisierungsformen. Im Anschluss an die Ausführungen zur mathematischen Realisierung dient die Analyse und Klassifizierung des Beispielsystems bezüglich ausgesuchter systemtheoretischer Aspekte der Gewinnung eines ausreichend tiefgreifenden Systemverständnisses, um im Hinblick auf die Reglersynthese einen fundierten Entscheidungsprozess zu ermöglichen. Insbesondere erfolgt im Rahmen der Systemanalyse eine Lösung des Eigenwertproblems des Systemoperators, die Klassifizierung des Systemoperators als diagonalisierbarer Operator und die Klassifizierung der dem System zugeordneten stark stetigen Halbgruppe als analytische Halbgruppe. Ferner wird die Nuklearität des dem Beispielsystem zugeordneten Hankel-Operators gezeigt, die approximative Steuer- und Beobachtbarkeit des trimorphen Biegewandlers festgestellt sowie der Nachweis der exponentiellen Stabilität des Beispielssystems erbracht. Um die Synthese leistungsstarker endlich-dimensionaler Regler zu ermöglichen, umfasst die nachfolgend beschriebene Methodik zur Anwendung indirekter Reglersyntheseverfahren eine konsistente Auswahl des Approximationsverfahrens, der Unsicherheitsbeschreibungen und der eigentlichen Reglersyntheseverfahren. Als ein im Hinblick auf die Reglersynthese aussagekräftiges Maß zur Beurteilung der Eignung und Güte eines Approximationsverfahrens wird dabei die Konvergenz im Sinne der Gap-Metrik angesehen. Entsprechend erfolgt der Nachweis der Konvergenz im Sinne dieser Metrik für das zur Approximation des Beispielsystems verwendete modale Approximationsverfahren, welches ein Spezialfall eines Petrov-Galerkin-Verfahrens darstellt. Im Anschluss an die Approximation wird dem unendlich-dimensionalen Charakter der Strecke nur noch implizit durch die Berücksichtigung einer Modellschar Rechnung getragen. Die Wahl der Struktur der dabei zugrunde liegenden Unsicherheitsformulierung erlaubt eine einfache Integration der resultierenden Modellschar in die Entwurfsprobleme der eingesetzten Reglersyntheseverfahren, ohne dabei übermäßige Konservativität zu induzieren. Im Vorfeld des Reglerentwurfs wird eine an den Regelungszielen orientierte Festlegung auf eine Regelkreisstruktur mit zwei Freiheitsgraden getroffen. Im Einklang mit dieser Struktur erfolgt die Synthese einer Modellfolgeregelung in einem einzelnen Entwurfsschritt sowohl nach der H∞-Methodik als auch mittels der μ-Synthese. Daran schließt sich die Synthese einer Trajektorienfolgeregelung unter Verwendung einer flachheitsbasierten Vorsteuerung sowie einer mittels der μ-Synthese entworfenen Rückführung an. Die ausgewählten Syntheseverfahren gewährleisten jeweils in Kombination mit einem geeignet formulierten Entwurfsproblem a priori die robuste Stabilität des geschlossenen Regelkreises gegenüber der verwendeten Modellschar. Im Fall der μ-Synthese sind hinsichtlich berücksichtigter Modellscharen ohne weitere Analysen zusätzlich Aussagen bezüglich der robusten Performance des geschlossenen Regelkreises möglich. Der Entwurfsprozess wird durch eine abschließende Analyse aller aus der Verwendung der synthetisierten Regler resultierenden Regelkreise hinsichtlich essentieller nomineller und robuster Regelkreiseigenschaften sowie ihres jeweiligen Verhaltens im Zeitbereich vervollständigt. Der maßgebliche Nachweis für die Eignung des vorgeschlagenen Vorgehens erfolgt durch die Anwendung der jeweiligen Regler auf die reale Strecke, daraus resultiert abschließend eine eindrucksvolle Bestätigung der Leistungsfähigkeit und der praktischen Verwendbarkeit der propagierten Vorgehensweise

NASA University Program Management Information System: FY 1995

The University Program Report, Fiscal Year 1995, provides current information and related statistics for grants/contracts/cooperative agreements active during the report period. NASA field centers and certain Headquarters program offices provide funds for those R&D activities in universities which contribute to the mission needs of that particular NASA element. This annual report is one means of documenting the NASA-university relationship, frequently denoted, collectively, as NASA's University Program