Regulation of inhomogeneous drilling model with a P-I controller

International audienceIn this paper, we demonstrate that a Proportional Integral controller allows the regulation of the angular velocity of a drill-string despite unknown frictional torque and measuring only the angular velocity at the surface. Our model is an one dimensional damped inhomogeneous wave equation subject to an unknown dynamic at one side while the control and the measurement are in the other side. After writing this system of balance laws into the Riemann coordinates, we design a Lyapunov functional to prove the exponential stability of the closed-loop and show how it implies the regulation of the angular velocity

Stability analysis of coupled ordinary differential systems with a string equation: application to a drilling mechanism

Cette thèse porte sur l'analyse de stabilité de couplage entre deux systèmes, l'un de dimension finie et l'autre infinie. Ce type de systèmes apparait en physique car il est intimement lié aux modèles de structures. L'analyse générique de tels systèmes est complexe à cause des natures très différentes de chacun des sous-systèmes. Ici, l'analyse est conduite en utilisant deux méthodologies. Tout d'abord, la séparation quadratique est utilisée pour traiter le côté fréquentiel de ce système couplé. L'autre méthode est basée sur la théorie de Lyapunov pour prouver la stabilité asymptotique de l'interconnexion. Tous ces résultats sont obtenus en utilisant la méthode de projection de l'état de dimension infinie sur une base polynomiale. Il est alors possible de prendre en compte le couplage entre les deux systèmes et ainsi d'obtenir des tests numériques fiables, rapides et peu conservatifs. De plus, une hiérarchie de conditions est établie dans le cas de Lyapunov. L'application au cas concret du forage pétrolier est proposée pour illustrer l'efficacité de la méthode et les nouvelles perspectives qu'elle offre. Par exemple, en utilisant la notion de stabilité pratique, nous avons montré qu'une tige de forage controlée à l'aide d'un PI est sujette à un cycle limite et qu'il est possible d'estimer son amplitude.This thesis is about the stability analysis of a coupled finite dimensional system and an infinite dimensional one. This kind of systems emerges in the physics since it is related to the modeling of structures for instance. The generic analysis of such systems is complex, mainly because of their different nature. Here, the analysis is conducted using different methodologies. First, the recent Quadratic Separation framework is used to deal with the frequency aspect of such systems. Then, a second result is derived using a Lyapunov-based argument. All the results are obtained considering the projections of the infinite dimensional state on a basis of polynomials. It is then possible to take into account the coupling between the two systems. That results in tractable and reliable numerical tests with a moderate conservatism. Moreover, a hierarchy on the stability conditions is shown in the Lyapunov case. The real application to a drilling mechanism is proposed to illustrate the efficiency of the method and it opens new perspectives. For instance, using the notion of practical stability, we show that a PI-controlled drillstring is subject to a limit cycle and that it is possible to estimate its amplitude

Project of 1DoF attitude control system of 1U cubesat based on reaction wheel

PLATHONs main mission is to simulate a Networks System of CubeSats that collects information and communicate with other different orbital group satellites using IoT sensors to retrieve the information towards a ground station minimizing delay and maximizing global coverage. The project's overview encompasses an analytical estimation of the worst-case disturbance torques calculations for the mission. Moreover, a detailed control algorithm is developed for fine pointing and coarse pointing modes in the orbit as well as a 3D real-time monitoring interface. Finally, the design of the Reaction Wheel is also made following the technical requirements set by the project specifications. To perform the simulation, the CubeSat is introduced in an Air bearing in the center of a magnetic simulator, which will generate a magnetic field similar to the conditions that the satellite will be subjected in a Low Earth Orbit.El siguiente proyecto se realiza dentro de PLATHON (Plataforma de comunicaciones ópticas en nanosatélites) del proyecto DISEN y del Grupo de Investigación TIEG liderado por el Dr. David González y el Dr. Javier Gago en la ESEIAAT (Escola Superior d’Enginyeries Industrial, Audiovisual i Aeronàutica de Terrassa) de la Escuela Politécnica de Cataluña - BarcelonaTech. La misión principal de PLATHON es simular un Sistema de redes de CubeSats que recoja información y se comunique con otros satélites de diferentes grupos orbitales utilizando sensores IoT para recuperar la información hacia una estación terrestre minimizando el retraso y maximizando la cobertura global. Estudiantes de último curso de grado y máster de varios departamentos son los principales colaboradores del proyecto y la mayoría de los componentes del sistema están diseñados y construidos por los estudiantes. La siguiente tesis comprende una estimación analítica de los cálculos de los pares de perturbación en el peor de los casos para la misión. Además, se desarrolla un algoritmo de control detallado para los modos de apuntamiento fino y grueso en la órbita, así como una interfaz de monitorización 3D en tiempo real. Por último, el diseño de la Rueda de Reacción (RW) también se realiza siguiendo los requisitos técnicos establecidos por las especificaciones del proyecto. La etapa final del proyecto se centra en la realización de pruebas y la simulaciones de los algoritmos de control implementados. Para realizar la simulación, se introduce el CubeSat en un cojinete de aire en el centro de un simulador magnético, que generará un campo magnético similar a las condiciones a las que estará sometido el satélite en una órbita baja terrestre (LEO). El ordenador de a bordo (OBC) del nanosatélite se comunica vía Bluetooth con el ordenador de tierra a la espera de órdenes (en este caso, el ordenador central del laboratorio). La estación de tierra tiene acceso total a la actitud del satélite y control total sobre los distintos modos del satélite (es decir, modo de Detumbling, modo de apuntamiento, modo normal, entre otros). Una vez fijado el campo magnético y otras fuentes de perturbación, las ruedas de reacción y los magnetorquers se activarán para controlar la actitud del CubeSat. Análogamente, estos datos de actitud medidos por la Unidad de Medición Inercial (IMU) del Subsistema de Determinación y Control de Actitud (ADCS) se envían de vuelta al ordenador de la estación de tierra y se visualizan además con un modelo 3D generado por ordenador en tiempo real. El CubeSat está pensado para ser alimentado tanto con paneles solares como con una batería LiPo. La realización de una prueba de software-in-theloop y de hardware-in-the-loop ha demostrado que el sistema requiere algunas modificaciones para lograr resultados más precisos

Foundations of Multi-Paradigm Modelling for Cyber-Physical Systems

This open access book coherently gathers well-founded information on the fundamentals of and formalisms for modelling cyber-physical systems (CPS). Highlighting the cross-disciplinary nature of CPS modelling, it also serves as a bridge for anyone entering CPS from related areas of computer science or engineering. Truly complex, engineered systems—known as cyber-physical systems—that integrate physical, software, and network aspects are now on the rise. However, there is no unifying theory nor systematic design methods, techniques or tools for these systems. Individual (mechanical, electrical, network or software) engineering disciplines only offer partial solutions. A technique known as Multi-Paradigm Modelling has recently emerged suggesting to model every part and aspect of a system explicitly, at the most appropriate level(s) of abstraction, using the most appropriate modelling formalism(s), and then weaving the results together to form a representation of the system. If properly applied, it enables, among other global aspects, performance analysis, exhaustive simulation, and verification. This book is the first systematic attempt to bring together these formalisms for anyone starting in the field of CPS who seeks solid modelling foundations and a comprehensive introduction to the distinct existing techniques that are multi-paradigmatic. Though chiefly intended for master and post-graduate level students in computer science and engineering, it can also be used as a reference text for practitioners