Nonlinear model predictive control of an Organic Rankine Cycle for exhaust waste heat recovery in automotive engines

Energy recovery from exhaust gas waste heat can be regarded as an effective way to improve the energy efficiency of automotive powertrains, thus reducing CO2 emissions. The application of Organic Rankine Cycles (ORCs) to waste heat recovery is a solution that couples effectiveness and reasonably low technological risks. On the other hand, ORC plants are rather complex to design, integrate and control, due to the presence of heat exchangers operating with phase changing fluid, and several control devices to regulate the thermodynamic states of the systems. Furthermore, the power output and efficiency of ORC systems are extremely sensitive to the operating conditions, requiring precise control of the evaporator pressure and superheat temperature. This paper presents an optimization and control design study for an Organic Rankine Cycle plant for automotive engine waste heat recovery. The analysis has been developed using a detailed Moving Boundary Model that predicts mass and energy flows through the heat exchangers, valves, pumps and expander, as well as the system performance. Starting from the model results, a nonlinear model predictive controller is designed to optimize the transient response of the ORC system. Simulation results for an acceleration-deceleration test illustrate the benefits of the proposed control strategy

Computational intelligence approaches to robotics, automation, and control [Volume guest editors]

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Cooperative optimal preview tracking for linear descriptor multi-agent systems

© 2018 The Franklin Institute. In this paper, a cooperative optimal preview tracking problem is considered for continuous-time descriptor multi-agent systems with a directed topology containing a spanning tree. By the acyclic assumption and state augmentation technique, it is shown that the cooperative tracking problem is equivalent to local optimal regulation problems of a set of low-dimensional descriptor augmented subsystems. To design distributed optimal preview controllers, restricted system equivalent (r.s.e.) and preview control theory are first exploited to obtain optimal preview controllers for reduced-order normal subsystems. Then, by using the invertibility of restricted equivalent relations, a constructive method for designing distributed controller is presented which also yields an explicit admissible solution for the generalized algebraic Riccati equation. Sufficient conditions for achieving global cooperative preview tracking are proposed proving that the distributed controllers are able to stabilize the descriptor augmented subsystems asymptotically. Finally, the validity of the theoretical results is illustrated via numerical simulation

Nonlinear Model Predictive Control for Motion Generation of Humanoids

Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung und Entwicklung numerischer Methoden zur Bewegungserzeugung von humanoiden Robotern basierend auf nichtlinearer modell-prädiktiver Regelung. Ausgehend von der Modellierung der Humanoiden als komplexe Mehrkörpermodelle, die sowohl durch unilaterale Kontaktbedingungen beschränkt als auch durch die Formulierung unteraktuiert sind, wird die Bewegungserzeugung als Optimalsteuerungsproblem formuliert. In dieser Arbeit werden numerische Erweiterungen basierend auf den Prinzipien der Automatischen Differentiation für rekursive Algorithmen, die eine effiziente Auswertung der dynamischen Größen der oben genannten Mehrkörperformulierung erlauben, hergeleitet, sodass sowohl die nominellen Größen als auch deren ersten Ableitungen effizient ausgewertet werden können. Basierend auf diesen Ideen werden Erweiterungen für die Auswertung der Kontaktdynamik und der Berechnung des Kontaktimpulses vorgeschlagen. Die Echtzeitfähigkeit der Berechnung von Regelantworten hängt stark von der Komplexität der für die Bewegungerzeugung gewählten Mehrkörperformulierung und der zur Verfügung stehenden Rechenleistung ab. Um einen optimalen Trade-Off zu ermöglichen, untersucht diese Arbeit einerseits die mögliche Reduktion der Mehrkörperdynamik und andererseits werden maßgeschneiderte numerische Methoden entwickelt, um die Echtzeitfähigkeit der Regelung zu realisieren. Im Rahmen dieser Arbeit werden hierfür zwei reduzierte Modelle hergeleitet: eine nichtlineare Erweiterung des linearen inversen Pendelmodells sowie eine reduzierte Modellvariante basierend auf der centroidalen Mehrkörperdynamik. Ferner wird ein Regelaufbau zur GanzkörperBewegungserzeugung vorgestellt, deren Hauptbestandteil jeweils aus einem speziell diskretisierten Problem der nichtlinearen modell-prädiktiven Regelung sowie einer maßgeschneiderter Optimierungsmethode besteht. Die Echtzeitfähigkeit des Ansatzes wird durch Experimente mit den Robotern HRP-2 und HeiCub verifiziert. Diese Arbeit schlägt eine Methode der nichtlinear modell-prädiktiven Regelung vor, die trotz der Komplexität der vollen Mehrkörperformulierung eine Berechnung der Regelungsantwort in Echtzeit ermöglicht. Dies wird durch die geschickte Kombination von linearer und nichtlinearer modell-prädiktiver Regelung auf der aktuellen beziehungsweise der letzten Linearisierung des Problems in einer parallelen Regelstrategie realisiert. Experimente mit dem humanoiden Roboter Leo zeigen, dass, im Vergleich zur nominellen Strategie, erst durch den Einsatz dieser Methode eine Bewegungserzeugung auf dem Roboter möglich ist. Neben Methoden der modell-basierten Optimalsteuerung werden auch modell-freie Methoden des verstärkenden Lernens (Reinforcement Learning) für die Bewegungserzeugung untersucht, mit dem Fokus auf den schwierig zu modellierenden Modellunsicherheiten der Roboter. Im Rahmen dieser Arbeit werden eine allgemeine vergleichende Studie sowie Leistungskennzahlen entwickelt, die es erlauben, modell-basierte und -freie Methoden quantitativ bezüglich ihres Lösungsverhaltens zu vergleichen. Die Anwendung der Studie auf ein akademisches Beispiel zeigt Unterschiede und Kompromisse sowie Break-Even-Punkte zwischen den Problemformulierungen. Diese Arbeit schlägt basierend auf dieser Grundlage zwei mögliche Kombinationen vor, deren Eigenschaften bewiesen und in Simulation untersucht werden. Außerdem wird die besser abschneidende Variante auf dem humanoiden Roboter Leo implementiert und mit einem nominellen modell-basierten Regler verglichen

Decentralized Control of Partially Observable Markov Decision Processes using Belief Space Macro-actions

The focus of this paper is on solving multi-robot planning problems in continuous spaces with partial observability. Decentralized partially observable Markov decision processes (Dec-POMDPs) are general models for multi-robot coordination problems, but representing and solving Dec-POMDPs is often intractable for large problems. To allow for a high-level representation that is natural for multi-robot problems and scalable to large discrete and continuous problems, this paper extends the Dec-POMDP model to the decentralized partially observable semi-Markov decision process (Dec-POSMDP). The Dec-POSMDP formulation allows asynchronous decision-making by the robots, which is crucial in multi-robot domains. We also present an algorithm for solving this Dec-POSMDP which is much more scalable than previous methods since it can incorporate closed-loop belief space macro-actions in planning. These macro-actions are automatically constructed to produce robust solutions. The proposed method's performance is evaluated on a complex multi-robot package delivery problem under uncertainty, showing that our approach can naturally represent multi-robot problems and provide high-quality solutions for large-scale problems