Filtering for discrete-time nonhomogeneous Markov jump systems with uncertainties

This paper studies the problem of robust H1 filtering for a class of uncertain discrete-time nonhomogeneous Markov jump systems. The time-varying jump transition probability matrix is described by a polytope. By Lyapunov function approach, mode-dependent and variation-dependent H1 filter is designed such that the resulting error dynamic system is stochastically stable and has a prescribed H1 performance index. A numerical example is given to illustrate the effectiveness of the developed techniques

Asynchronous H

This paper is devoted to the problem of asynchronous H∞ estimation for a class of two-dimensional (2D) nonhomogeneous Markovian jump systems with nonlocal sensor nonlinearity, where the nonlocal measurement nonlinearity is governed by a stochastic variable satisfying the Bernoulli distribution. The asynchronous estimation means that the switching of candidate filters may have a lag to the switching of system modes, and the varying character of transition probabilities is considered to reside in a convex polytope. The jumping process of the error system is modeled as a two-component Markov chain with extended varying transition probabilities. A stochastic parameter-dependent approach is provided for the design of H∞ filter such that, for randomly occurring nonlocal sensor nonlinearity, the corresponding error system is mean-square asymptotically stable and has a prescribed H∞ performance index. Finally, a numerical example is used to illustrate the effectiveness of the developed estimation method

Observer-based controllers with data dropout rate adaptation

In this work, we address the observer-based control problem for networked control systems with an unknown time-varying packet arrival rate (PAR) and under root mean square-norm bounded disturbances. We assume packetized transmissions of both measurement and control input through a communication network with successful delivery acknowledgement. Using the measurement reception state and the control transmission acknowledgement, we derive a filter to estimate the PAR. We consider that the PAR changes sporadically from a constant value to another one; that is, it has two different behaviours: transient and steady state. While the observer only updates the state estimation using the current received measurements, the controller computes the control action employing the current state estimation and the previous applied control input. We propose to schedule both the observer and controller with rational functions of the PAR estimation. We show that the separation principle applies, and then, seeking higher performance accuracy, we develop an optimization math formula observer and controller design procedure that considers the two possible behaviours of the PAR. This optimization procedure attempts to maximize the estimation and control performances for each of the possible constant values of the PAR while offering robustness against PAR estimation errors and variations of the PAR. By exploiting sum-of-squares decomposition techniques, the design procedure involves an optimization problem over polynomials. A numerical example illustrates the effectiveness of the proposed approach.This work has been supported by MICINN project number TEC2015-69155-R from the Spanish government, project number P1·1B2015-42 and grant PI15734 from Universitat Jaume I

Adaptive Control of Dynamically Complex Networks with Saturation Couplings

This paper considers the control problem of dynamically complex networks with saturation couplings. Two novel control schemes in terms of adaptive control are presented to deal with such saturation couplings. Based on the robust idea, the underlying complex network is firstly transformed into a strongly connected network having time-varying uncertainty. However, the upper bound of uncertainty is unknown. Because of such an unavailable bound, a kind of adaptive controller added to each node is proposed such that the closed-loop auxiliary network is uniformly bounded. In particular, the original system states are asymptotically stable. Moreover, in order to avoid adding the desired controller to every node, another different kind of adaptive controller based on the pinning control idea is proposed. Compared with the former method, it is only applied to a part of nodes and has a good operability. Finally, a numerical example is provided to show the effectiveness of our results

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

Passivity and synchronization of coupled reaction-diffusion complex-valued memristive neural networks

This paper considers two types of coupled reaction-diffusion complex-valued memristive neural networks (CRDCVMNNs). The nodes of the first type CRDCVMNN are coupled through their state and the second one is coupled by spatial diffusion coupling term. For the former, some novel criteria for the passivity and synchronization are derived by constructing an appropriate controller and utilizing some inequality techniques as well as Lyapunov functional method. For the latter, we establish some sufficient conditions which guarantee that this type of CRDCVMNNs can realize passivity and synchronization. Finally, the effectiveness and correctness of the acquired theoretical results are verified by two numerical examples

Sequential Modelling and Inference of High-frequency Limit Order Book with State-space Models and Monte Carlo Algorithms

The high-frequency limit order book (LOB) market has recently attracted increasing research attention from both the industry and the academia as a result of expanding algorithmic trading. However, the massive data throughput and the inherent complexity of high-frequency market dynamics also present challenges to some classic statistical modelling approaches. By adopting powerful state-space models from the field of signal processing as well as a number of Bayesian inference algorithms such as particle filtering, Markov chain Monte Carlo and variational inference algorithms, this thesis presents my extensive research into the high-frequency limit order book covering a wide scope of topics. Chapter 2 presents a novel construction of the non-homogeneous Poisson process to allow online intensity inference of limit order transactions arriving at a central exchange as point data. Chapter 3 extends a baseline jump diffusion model for market fair-price process to include three additional model features taken from real-world market intuitions. In Chapter 4, another price model is developed to account for both long-term and short-term diffusion behaviours of the price process. This is achieved by incorporating multiple jump-diffusion processes each exhibiting a unique characteristic. Chapter 5 observes the multi-regime nature of price diffusion processes as well as the non-Markovian switching behaviour between regimes. As such, a novel model is proposed which combines the continuous-time state-space model, the hidden semi-Markov switching model and the non-parametric Dirichlet process model. Additionally, building upon the general structure of the particle Markov chain Monte Carlo algorithm, I further propose an algorithm which achieves sequential state inference, regime identification and regime parameters learning requiring minimal prior assumptions. Chapter 6 focuses on the development of efficient parameter-learning algorithms for state-space models and presents three algorithms each demonstrating promising results in comparison to some well-established methods. The models and algorithms proposed in this thesis not only are practical tools for analysing high-frequency LOB markets, but can also be applied in various areas and disciplines beyond finance

Applications of stochastic modeling in air traffic management:Methods, challenges and opportunities for solving air traffic problems under uncertainty

In this paper we provide a wide-ranging review of the literature on stochastic modeling applications within aviation, with a particular focus on problems involving demand and capacity management and the mitigation of air traffic congestion. From an operations research perspective, the main techniques of interest include analytical queueing theory, stochastic optimal control, robust optimization and stochastic integer programming. Applications of these techniques include the prediction of operational delays at airports, pre-tactical control of aircraft departure times, dynamic control and allocation of scarce airport resources and various others. We provide a critical review of recent developments in the literature and identify promising research opportunities for stochastic modelers within air traffic management

Stochastic Processes with Applications

Stochastic processes have wide relevance in mathematics both for theoretical aspects and for their numerous real-world applications in various domains. They represent a very active research field which is attracting the growing interest of scientists from a range of disciplines.This Special Issue aims to present a collection of current contributions concerning various topics related to stochastic processes and their applications. In particular, the focus here is on applications of stochastic processes as models of dynamic phenomena in research areas certain to be of interest, such as economics, statistical physics, queuing theory, biology, theoretical neurobiology, and reliability theory. Various contributions dealing with theoretical issues on stochastic processes are also included