Non-fragile H∞ control with randomly occurring gain variations, distributed delays and channel fadings

This study is concerned with the non-fragile H∞ control problem for a class of discrete-time systems subject to randomly occurring gain variations (ROGVs), channel fadings and infinite-distributed delays. A new stochastic phenomenon (ROGVs), which is governed by a sequence of random variables with a certain probabilistic distribution, is put forward to better reflect the reality of the randomly occurring fluctuation of controller gains implemented in networked environments. A modified stochastic Rice fading model is then exploited to account for both channel fadings and random time-delays in a unified representation. The channel coefficients are a set of mutually independent random variables which abide by any (not necessarily Gaussian) probability density function on [0, 1]. Attention is focused on the analysis and design of a non-fragile H∞ outputfeedback controller such that the closed-loop control system is stochastically stable with a prescribed H∞ performance. Through intensive stochastic analysis, sufficient conditions are established for the desired stochastic stability and H∞ disturbance attenuation, and the addressed non-fragile control problem is then recast as a convex optimisation problem solvable via the semidefinite programme method. An example is finally provided to demonstrate the effectiveness of the proposed design method

Networked Control System Design and Parameter Estimation

Networked control systems (NCSs) are a kind of distributed control systems in which the data between control components are exchanged via communication networks. Because of the attractive advantages of NCSs such as reduced system wiring, low weight, and ease of system diagnosis and maintenance, the research on NCSs has received much attention in recent years. The first part (Chapter 2 - Chapter 4) of the thesis is devoted to designing new controllers for NCSs by incorporating the network-induced delays. The thesis also conducts research on filtering of multirate systems and identification of Hammerstein systems in the second part (Chapter 5 - Chapter 6). Network-induced delays exist in both sensor-to-controller (S-C) and controller-to-actuator (C-A) links. A novel two-mode-dependent control scheme is proposed, in which the to-be-designed controller depends on both S-C and C-A delays. The resulting closed-loop system is a special jump linear system. Then, the conditions for stochastic stability are obtained in terms of a set of linear matrix inequalities (LMIs) with nonconvex constraints, which can be efficiently solved by a sequential LMI optimization algorithm. Further, the control synthesis problem for the NCSs is considered. The definitions of H₂ and H∞ norms for the special system are first proposed. Also, the plant uncertainties are considered in the design. Finally, the robust mixed H₂/H∞ control problem is solved under the framework of LMIs. To compensate for both S-C and C-A delays modeled by Markov chains, the generalized predictive control method is modified to choose certain predicted future control signal as the current control effort on the actuator node, whenever the control signal is delayed. Further, stability criteria in terms of LMIs are provided to check the system stability. The proposed method is also tested on an experimental hydraulic position control system. Multirate systems exist in many practical applications where different sampling rates co-exist in the same system. The l₂-l∞ filtering problem for multirate systems is considered in the thesis. By using the lifting technique, the system is first transformed to a linear time-invariant one, and then the filter design is formulated as an optimization problem which can be solved by using LMI techniques. Hammerstein model consists of a static nonlinear block followed in series by a linear dynamic system, which can find many applications in different areas. New switching sequences to handle the two-segment nonlinearities are proposed in this thesis. This leads to less parameters to be estimated and thus reduces the computational cost. Further, a stochastic gradient algorithm based on the idea of replacing the unmeasurable terms with their estimates is developed to identify the Hammerstein model with two-segment nonlinearities. Finally, several open problems are listed as the future research directions

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

Optimized state feedback regulation of 3DOF helicopter system via extremum seeking

In this paper, an optimized state feedback regulation of a 3 degree of freedom (DOF) helicopter is designed via extremum seeking (ES) technique. Multi-parameter ES is applied to optimize the tracking performance via tuning State Vector Feedback with Integration of the Control Error (SVFBICE). Discrete multivariable version of ES is developed to minimize a cost function that measures the performance of the controller. The cost function is a function of the error between the actual and desired axis positions. The controller parameters are updated online as the optimization takes place. This method significantly decreases the time in obtaining optimal controller parameters. Simulations were conducted for the online optimization under both fixed and varying operating conditions. The results demonstrate the usefulness of using ES for preserving the maximum attainable performance

Predictive controller design for networked systems

This thesis considered the analysis and design of networked control systems with the communication delay and data loss, which are responsible for degradation of the control performance. Predictive control strategy is applied to compensate the communication delay and data loss in the NCS. The stability and the system performance of the close-loop networked control system are analyzed. Also, this control strategy is applied to a DC servo control system with communication delay and data packet loss. The stability of the closed-loop networked predictive control system has been analyzed and the comparison with other existing networked control methods like H_∞ control [20] , Networked predictive control for random network delays in both forward and feedback channels [21] and Model-based control [22]

Dynamic Programming and Time-Varying Delay Systems

This thesis is divided into two separate parts. The first part is about Dynamic Programming for non-trivial optimal control problems. The second part introduces some useful tools for analysis of stability and performance of systems with time-varying delays. The two papers presented in the first part attacks optimal control problems with finite but rapidly increasing search space. In the first paper we try it reduce the complexity of the optimization by exploiting the structure of a certain problem. The result, if found, is an optimal solution. The second paper introduces a new general approach of relaxing the optimality constraint. The main contribution of the paper is an extension of the Bellman equality to a double inequality. This inequality is a sufficient condition for a suboptimal solution to be within a certain distance to the optimal solution. The main approach of solving the inequality in the paper is value iteration, which is shown to work well in many different applications. In the second part of the thesis, two analysis methods for systems with time-varying delays are presented in two papers. The first paper presents a set of simple graphical stability (and performance) criteria when the delays are bounded but otherwise unknown. All that is needed to verify stability is a Bode diagram of the closed loop system. For more exact computations, the last paper presents a toolbox for Matlab called Jitterbug. It calculates quadratic costs and power spectral densities of interconnected continuous-time and discrete-time linear systems. The main contribution of the toolbox is to make well known theory easily applicable for analysis of real-time systems

Controller Design and Experimental Validation for Connected Vehicle Systems Subject to Digital Effects and Stochastic Packet Drops

Vehicle-to-everything (V2X) communication allows vehicles to monitor the nearby traffic environment, including participants that are beyond the line of sight. Equipping conventional vehicles with V2X devices results in connected vehicles (CVs) while incorporating the information provided by V2X devices into the controllers of automated vehicles (AVs) leads to connected automated vehicles (CAVs). CAVs have great potential for improving driving comfort, reducing fuel consumption and advancing active safety for individual vehicles, as well as enhancing traffic efficiency and mobility for human-dominated traffic systems. In this dissertation, we study a class of connected cruise control (CCC) algorithms for longitudinal control of CAVs, where they respond to the motion information of one or multiple connected vehicles ahead. For validation and demonstration purposes, we utilize a scaled connected vehicle testbed consisting of a group of ground robots, which can provide us with insights about the controller design of full-size vehicles. On the one hand, intermittencies in V2X communication combined with the digital implementation of controllers introduce information delays. To ensure the performance of individual CAVs and the overall traffic, a set of methods is proposed for design and analysis of such communication-based controllers. We validate them with the scaled testbed by conducting a series of experiments on two-car predecessor-follower systems, cascaded predecessor-follower systems, and more complex connected vehicle systems. It is demonstrated that CAVs utilizing information about multiple preceding vehicles in the CCC algorithm can improve the system performance even for low penetration levels. This can be beneficial at the early stage of vehicle automation when human-driven vehicles still dominate the traffic system. On the other hand, we study the delay variations caused by stochastic packet drops in V2X communication and derive the stochastic processes describing the dynamics for the predecessor-follower systems. The dynamics of the mean, second moment and covariance are utilized to obtain stability conditions. Then the results of the two-car predecessor-follower system with stochastic delay variations are extended to an open chain as well as to a closed ring of cascaded predecessor-followers where stochastic packet drops lead to heterogeneity among different V2X devices. It is shown that the proposed analytical methods allow CCC design for CAVs that can achieve stability and stochastic disturbance attenuation in the presence of stochastic packet drops in complex connected vehicle systems.PHDMechanical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttps://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/145874/1/wubing_1.pd