Design methods for networked control systems with unreliable channels focusing on packet dropouts

Texto completo descargado en TeseoLos sistemas de control a través de redes se han convertido en un área importante dentro de la comunidad de control, lo cual es debido a su bajo coste y a la flexibilidad de sus aplicaciones. Los sistemas de control a través de redes (NCSs) se componen de sensores, actuadores y controladores; las operaciones entre ellos se coordinan a través de una red de comunicación. Típicamente, estos sistemas están espacialmente distribuidos, y pueden funcionar de manera asíncrona, pero sus operaciones han de estar coordinadas para conseguir los objetivos deseados. En este resumen se presenta una perspectiva general de los NCSs, y en particular, los casos específicos en los que se ha basado esta tesis, abordando los temas principales relacionados con NCS, con todos los problemas y ventajas asociados, se describen en este resumen. Por último, se presenta un índice de la tesis con sus contribuciones más relevantes. - Introducción a los Sistemas de Control a través de Red Los Sistemas de Control a través de Red (NCSs) son sistemas espacialmente distribuidos donde la comunicación entre plantas, sensores, actuadores y controladores se realiza a través de una red de comunicación. La complejidad en el diseño y la realización, el coste del cableado, la instalación y el mantenimiento pueden ser reducidos drásticamente incluyendo una red de comunicación. Sin embargo, las redes de comunicación en los sistemas también traen algunos incovenientes como los retrasos y la pérdida de datos, los errores de codificación, etc. Estos incovenientes pueden ser la causa de la de la degradación del comportamiento del sistema e incluso causar su desestabilización. Hoy en día, hay un gran número de situaciones prácticas en las que el uso de redes de comunicación para el control son necesarias para aplicaciones o procesos de control en ingeniería. Algunos ejemplos son: Situaciones en las que el espacio y el peso están limitados. Situaciones en las que las distancias a considerar son grandes. Aplicaciones de control donde el cableado no es posible. El uso de redes de comunicación digitales proporciona también algunas ventajas: La complejidad en el cableado en conexiones punto a punto se reduce mucho, así como el coste. Además, los costes de instalación pueden reducirse también drásticamente. La reducción en la complejidad del cableado hace mucho más fácil el diagnóstico y el mantenimiento del sistema, dando lugar a un ahorro en el coste debido a que la instalación y el funcionamiento tienen una eficiencia mayor. Los NCSs son flexibles y reconfigurables. Fiabilidad, redundancia y robustez ante los fallos. Los NCSs proporcionan modularidad, control descentralizado y diagnósticos integrados. Todas estas ventajas sugieren que los NCSs jugarán un papel principal en un futuro cercano, siendo un área de investigación muy prometedora. - Objetivos de la tesis La idea general de esta tesis es proponer algunas soluciones novedosas a diferentes problemas relacionados con NCSs. Todos los problemas considerados son típicos dentro del marco del control a través de redes, considerándose principalmente el de las pérdidas de paquetes en la transmisión de datos. Dentro del contexto de sistemas con pérdida de paquetes, se han estudiado diferentes problemas. Para obtener soluciones diferentes para este tipo de sistemas, se han considerado los siguientes objetivos: Diseño de controladores. Controladores Hinf, que consigan la robustificación de sistemas con incertidumbres. Controladores MPC, combinados con estrategias de buffer. Diseño de filtros. Filtros Hinf para sistemas con incertidumbres, usando técnicas frecuenciales y cadenas de Markov. Diseño de algoritmos. Localización dinámica de un control distribuido en una red formada por una estructura matricial de nodos. Localización dinámica del estimador de la salida del sistema, en una red formada por una estructura lineal de nodos. Estimación distribuida cooperativa. Basada en observadores locales de Luenberger. - Conclusiones Uno de los objetivos de esta tesis ha sido el análisis de la estabilidad y comportamiento de sistemas bajo control. En algunos casos, el diseño se ha realizado imponiendo restricciones en cuanto a la estabilidad. La robustificación de sistemas, en particular la de aquellos con incertidumbres, ha sido también tenida en cuenta. Las técnicas de control Hinf se han usado en los casos de análisis y diseño de sistemas de control. Otro objetivo importante de esta tesis ha sido el diseño de algoritmos para una red dinámica, la cual está compuesta por cierta estructura de nodos. El algoritmo es capaz de decidir qué nodo será el controlador o el estimador de la salida del sistema en la red. La estabilidad y el comportamiento del sistema de control ha sido analizado. También se ha abordado el diseño de estimación y esquemas distribuidos. Se han considerado redes que introducen retrasos temporales, junto con pérdidas aleatorias. La reducción en el consumo de energía ha sido un objetivo importante en esta parte de la tesis. En este caso, se ha examinado una política de comunicación entre agentes basada en eventos, la cual da lugar a un compromiso entre el comportamiento del sistema y los ahorros en la comunicación

Stochastic and Optimal Distributed Control for Energy Optimization and Spatially Invariant Systems

Improving energy efficiency and grid responsiveness of buildings requires sensing, computing and communication to enable stochastic decision-making and distributed operations. Optimal control synthesis plays a significant role in dealing with the complexity and uncertainty associated with the energy systems. The dissertation studies general area of complex networked systems that consist of interconnected components and usually operate in uncertain environments. Specifically, the contents of this dissertation include tools using stochastic and optimal distributed control to overcome these challenges and improve the sustainability of electric energy systems. The first tool is developed as a unifying stochastic control approach for improving energy efficiency while meeting probabilistic constraints. This algorithm is applied to demonstrate energy efficiency improvement in buildings and improving operational efficiency of virtualized web servers, respectively. Although all the optimization in this technique is in the form of convex optimization, it heavily relies on semidefinite programming (SP). A generic SP solver can handle only up to hundreds of variables. This being said, for a large scale system, the existing off-the-shelf algorithms may not be an appropriate tool for optimal control. Therefore, in the sequel I will exploit optimization in a distributed way. The second tool is itself a concrete study which is optimal distributed control for spatially invariant systems. Spatially invariance means the dynamics of the system do not vary as we translate along some spatial axis. The optimal H2 [H-2] decentralized control problem is solved by computing an orthogonal projection on a class of Youla parameters with a decentralized structure. Optimal H∞ [H-infinity] performance is posed as a distance minimization in a general L∞ [L-infinity] space from a vector function to a subspace with a mixed L∞ and H∞ space structure. In this framework, the dual and pre-dual formulations lead to finite dimensional convex optimizations which approximate the optimal solution within desired accuracy. Furthermore, a mixed L2 [L-2] /H∞ synthesis problem for spatially invariant systems as trade-offs between transient performance and robustness. Finally, we pursue to deal with a more general networked system, i.e. the Non-Markovian decentralized stochastic control problem, using stochastic maximum principle via Malliavin Calculus

Monocular 3D Scene Reconstruction for an Autonomous Unmanned Aerial Vehicle

Rekonstrukce 3D modelu prostředí je klíčovou částí autonomního letu bezpilotní helikoptéry (UAV). Kombinace inerciální měřicí jednotky (IMU) a kamery je běžnou a dostupnou senzorovou sadou, jež je schopna získat informaci o měřítku prostředí. Tato práce si klade za cíl vyvinout algoritmus řešící problém 3D rekostrukce pro tyto senzory za využití existujících metod vizuálně-inerciální lokalizace (VINS). V práci jsou navrženy dva algoritmy, odlišené způsobem, jakým extrahují korespondence mezi snímky: párovací algoritmus se širokou bází a algoritmus založený na trackingu s malou bází. Také je implementována metoda vylepšující výslednou 3D strukturu po letu. Algoritmy jsou otestovány na veřejně dostupné datové sadě. Navíc jsou otestovány v simulátoru a je proveden experiment v reálném prostředí. Výsledky ukazují, že algoritmus založený na trackingu dosahuje výrazně lepších výsledků. Navíc testy na datech a experimenty v reálném prostředí ukazují, že algoritmus může být nasazen v praktických aplikačních situacích.The real-time 3D reconstruction of the surrounding scene is a key part in the pipeline of the autonomous flight of unmanned aerial vehicle (UAV). The combination of an inertial measurement unit (IMU) and a monocular camera is a common and inexpensive sensor setup that can be used to recover the scale of the environment. This thesis aims to develop an algorithm solving this problem for this particular setup by leveraging the existing visual-inertial navigation system (VINS) odometry algorithms for localisation. Two algorithms are developed, wide-baseline matching-based and small-baseline tracking-based. Also, an offline post-processing structure-refinement step is implemented to further improve the resulting structure. The algorithms and the refinement step are then evaluated on publicly available datasets. Furthermore, they are tested in a simulator, and a real-world experiment is conducted. The results show that the tracking-based algorithm is significantly more performant. Importantly, tests on the datasets and the real-world experiments suggest that this algorithm can be practically employed in application scenarios

On the Robust Control and Optimization Strategies for Islanded Inverter-Based Microgrids

In recent years, the concept of Microgrids (MGs) has become more popular due to a significant integration of renewable energy sources (RESs) into electric power systems. Microgrids are small-scale power grids consisting of localized grouping of heterogeneous Distributed Generators (DGs), storage systems, and loads. MGs may operate either in autonomous islanded mode or connected to the main power system. Despite the significant benefits of increasing RESs, many new challenges raise in controlling MGs. Hence, a three layered hierarchical architecture consisting of three control loops closed on the DGs dynamics has been introduced for MGs. The inner loop is called Primary Control (PC), and it provides the references for the DG’s DC-AC power converters. In general, the PC is implemented in a decentralized way with the aim to establish, by means of a droop control term, the desired sharing of power among DGs while preserving the MG stability. Then, because of inverterbased DGs have no inertia, a Secondary Control (SC) layer is needed to compensate the frequency and voltage deviations introduced by the PC’s droop control terms. Finally, an operation control is designed to optimize the operation of the MGs by providing power setpoints to the lower control layers. This thesis is mainly devoted to the design of robust distributed secondary frequency and voltage restoration control strategies for AC MGs to avoid central controllers and complexity of communication networks. Different distributed strategies are proposed in this work: (i) Robust Adaptive Distributed SC with Communication delays (ii) Robust Optimal Distributed Voltage SC with Communication Delays and (iii) Distributed Finite-Time SC by Coupled Sliding-Mode Technique. In all three proposed approaches, the problem is addressed in a multi-agent fashion where the generator plays the role of cooperative agents communicating over a network and physically coupled through the power system. The first approach provides an exponentially converging voltage and frequency restoration rate in the presence of both, model uncertainties, and multiple time-varying delays in the DGs’s communications. This approach consist of two terms: 1) a decentralized Integral Sliding Mode Control (ISMC) aimed to enforce each agent (DG) to behaves as reference unperturbed dynamic; 2) an ad-hoc designed distributed protocol aimed to globally, exponentially, achieves the frequency and voltage restoration while fulfilling the power-sharing constraints in spite of the communication delays. The second approach extends the first one by including an optimization algorithm to find the optimal control gains and estimate the corresponding maximum delay tolerated by the controlled system. In the third approach, the problem of voltage and frequency restoration as well as active power sharing are solved in finite-time by exploiting delay-free communications among DGs and considering model uncertainties. In this approach, for DGs with no direct access to their reference values, a finite-time distributed sliding mode estimator is implemented for both secondary frequency and voltage schemes. The estimator determines local estimates of the global reference values of the voltage and frequency for DGs in a finite time and provides this information for the distributed SC schemes. This dissertation also proposes a novel certainty Model Predictive Control (MPC) approach for the operation of islanded MG with very high share of renewable energy sources. To this aim, the conversion losses of storage units are formulated by quadratic functions to reduce the error in storage units state of charge prediction