A Set-Based Approach for Robust Control Co-Design

Control Co-Design (CCD) considers the coupled effects of both the plant and control parameters to optimize a system's closed-loop transient performance during the design stage. This paper presents a new method for CCD with guarantees on robustness to nondeterministic disturbances for all initial conditions within a specified region of operation. This is accomplished by calculating the reachable sets of a candidate closed-loop system directly within the optimization problem. Using this approach, the plant and control parameters are simultaneously chosen to shape these reachable sets to be robustly positive invariant and thus safe for all time. Compared to conventional approaches that perform the optimization for a single initial condition and an a priori chosen sequence of disturbances, the proposed set-based method avoids sensitivity to variations in the assumed design scenario. As a representative example, the proposed method is applied to an active suspension system.Comment: 8 pages, 4 figure

Set-valued State Estimation for Nonlinear Systems Using Hybrid Zonotopes

This paper proposes a method for set-valued state estimation of nonlinear, discrete-time systems. This is achieved by combining graphs of functions representing system dynamics and measurements with the hybrid zonotope set representation that can efficiently represent nonconvex and disjoint sets. Tight over-approximations of complex nonlinear functions are efficiently produced by leveraging special ordered sets and neural networks, which enable computation of set-valued state estimates that grow linearly in memory complexity with time. A numerical example demonstrates significant reduction of conservatism in the set-valued state estimates using the proposed method as compared to an idealized convex approach

Functional sets with typed symbols: Framework and mixed Polynotopes for hybrid nonlinear reachability and filtering

Verification and synthesis of Cyber-Physical Systems (CPS) are challenging and still raise numerous issues so far. In this paper, an original framework with mixed sets defined as function images of symbol type domains is first proposed. Syntax and semantics are explicitly distinguished. Then, both continuous (interval) and discrete (signed, boolean) symbol types are used to model dependencies through linear and polynomial functions, so leading to mixed zonotopic and polynotopic sets. Polynotopes extend sparse polynomial zonotopes with typed symbols. Polynotopes can both propagate a mixed encoding of intervals and describe the behavior of logic gates. A functional completeness result is given, as well as an inclusion method for elementary nonlinear and switching functions. A Polynotopic Kalman Filter (PKF) is then proposed as a hybrid nonlinear extension of Zonotopic Kalman Filters (ZKF). Bridges with a stochastic uncertainty paradigm are outlined. Finally, several discrete, continuous and hybrid numerical examples including comparisons illustrate the effectiveness of the theoretical results.Comment: 21 pages, 8 figure

Fluidization of Petri nets to improve the analysis of Discrete Event Systems

Las Redes de Petri (RdP) son un formalismo ampliamente aceptado para el modelado y análisis de Sistemas de Eventos Discretos (SED). Por ejemplo sistemas de manufactura, de logística, de tráfico, redes informáticas, servicios web, redes de comunicación, procesos bioquímicos, etc. Como otros formalismos, las redes de Petri sufren del problema de la ¿explosión de estados¿, en el cual el número de estados crece explosivamente respecto de la carga del sistema, haciendo intratables algunas técnicas de análisis basadas en la enumeración de estados. La fluidificación de las redes de Petri trata de superar este problema, pasando de las RdP discretas (en las que los disparos de las transiciones y los marcados de los lugares son cantidades enteras no negativas) a las RdP continuas (en las que los disparos de las transiciones, y por lo tanto los marcados se definen en los reales). Las RdP continuas disponen de técnicas de análisis más eficientes que las discretas. Sin embargo, como toda relajación, la fluidificación supone el detrimento de la fidelidad, dando lugar a la pérdida de propiedades cualitativas o cuantitativas de la red de Petri original. El objetivo principal de esta tesis es mejorar el proceso de fluidificación de las RdP, obteniendo un formalismo continuo (o al menos parcialmente) que evite el problema de la explosión de estados, mientras aproxime adecuadamente la RdP discreta. Además, esta tesis considera no solo el proceso de fluidificación sino también el formalismo de las RdP continuas en sí mismo, estudiando la complejidad computacional de comprobar algunas propiedades. En primer lugar, se establecen las diferencias que aparecen entre las RdP discretas y continuas, y se proponen algunas transformaciones sobre la red discreta que mejorarán la red continua resultante. En segundo lugar, se examina el proceso de fluidificación de las RdP autónomas (i.e., sin ninguna interpretación temporal), y se establecen ciertas condiciones bajo las cuales la RdP continua preserva determinadas propiedades cualitativas de la RdP discreta: limitación, ausencia de bloqueos, vivacidad, etc. En tercer lugar, se contribuye al estudio de la decidibilidad y la complejidad computacional de algunas propiedades comunes de la RdP continua autónoma. En cuarto lugar, se considera el proceso de fluidificación de las RdP temporizadas. Se proponen algunas técnicas para preservar ciertas propiedades cuantitativas de las RdP discretas estocásticas por las RdP continuas temporizadas. Por último, se propone un nuevo formalismo, en el cual el disparo de las transiciones se adapta a la carga del sistema, combinando disparos discretos y continuos, dando lugar a las Redes de Petri híbridas adaptativas. Las RdP híbridas adaptativas suponen un marco conceptual para la fluidificación parcial o total de las Redes de Petri, que engloba a las redes de Petri discretas, continuas e híbridas. En general, permite preservar propiedades de la RdP original, evitando el problema de la explosión de estados

Bell nonlocality

Bell's 1964 theorem, which states that the predictions of quantum theory cannot be accounted for by any local theory, represents one of the most profound developments in the foundations of physics. In the last two decades, Bell's theorem has been a central theme of research from a variety of perspectives, mainly motivated by quantum information science, where the nonlocality of quantum theory underpins many of the advantages afforded by a quantum processing of information. The focus of this review is to a large extent oriented by these later developments. We review the main concepts and tools which have been developed to describe and study the nonlocality of quantum theory, and which have raised this topic to the status of a full sub-field of quantum information science.Comment: 65 pages, 7 figures. Final versio