Analysis and design of model predictive control frameworks for dynamic operation -- An overview

This article provides an overview of model predictive control (MPC) frameworks for dynamic operation of nonlinear constrained systems. Dynamic operation is often an integral part of the control objective, ranging from tracking of reference signals to the general economic operation of a plant under online changing time-varying operating conditions. We focus on the particular challenges that arise when dealing with such more general control goals and present methods that have emerged in the literature to address these issues. The goal of this article is to present an overview of the state-of-the-art techniques, providing a diverse toolkit to apply and further develop MPC formulations that can handle the challenges intrinsic to dynamic operation. We also critically assess the applicability of the different research directions, discussing limitations and opportunities for further researc

Joint Model Predictive Control of Electric and Heating Resources in a Smart Building

The new challenge in power systems design and operation is to organize and control smart micro grids supplying aggregation of users and special loads as electric vehicles charging stations. The presence of renewable and storage can help the optimal operation only if a good control manages all the elements of the grid. New models of green buildings and energy communities are proposed. For a real application they need an appropriate and advanced power system equipped with a building automation control system. This article presents an economic model predictive control approach to the problem of managing the electric and heating resources in a smart building in a coordinated way, for the purpose of achieving in real time nearly zero energy consumption and automated participation to demand response programs. The proposed control, leveraging a mixed integer quadratic programming problem, allows to meet manifold thermal and electric users' requirements and react to inbound demand response signals, while still guaranteeing stable operation of the building's electric and thermal storage equipment. The simulation results, performed for a real case study in Italy, highlight the peculiarities of the proposed approach in the joint handling of electric and thermal building flexibility

On model predictive control for economic and robust operation of generalised flow-based networks

This thesis is devoted to design Model Predictive Control (MPC) strategies aiming to enhance the management of constrained generalised flow-based networks, with special attention to the economic optimisation and robust performance of such systems. Several control schemes are developed in this thesis to exploit the available economic information of the system operation and the disturbance information obtained from measurements and forecasting models. Dynamic network flows theory is used to develop control-oriented models that serve to design MPC controllers specialised for flow networks with additive disturbances and periodically time-varying dynamics and costs. The control strategies developed in this thesis can be classified in two categories: centralised MPC strategies and non-centralised MPC strategies. Such strategies are assessed through simulations of a real case study: the Barcelona drinking water network (DWN). Regarding the centralised strategies, different economic MPC formulations are first studied to guarantee recursive feasibility and stability under nominal periodic flow demands and possibly time-varying economic parameters and multi-objective cost functions. Additionally, reliability-based MPC, chance-constrained MPC and tree-based MPC strategies are proposed to address the reliability of both the flow storage and the flow transportation tasks in the network. Such strategies allow to satisfy a customer service level under future flow demand uncertainty and to efficiently distribute overall control effort under the presence of actuators degradation. Moreover, soft-control techniques such as artificial neural networks and fuzzy logic are used to incorporate self-tuning capabilities to an economic certainty-equivalent MPC controller. Since there are objections to the use of centralised controllers in large-scale networks, two non-centralised strategies are also proposed. First, a multi-layer distributed economic MPC strategy of low computational complexity is designed with a control topology structured in two layers. In a lower layer, a set of local MPC agents are in charge of controlling partitions of the overall network by exchanging limited information on shared resources and solving their local problems in a hierarchical-like fashion. Moreover, to counteract the loss of global economic information due to the decomposition of the overall control task, a coordination layer is designed to influence non-iteratively the decision of local controllers towards the improvement of the overall economic performance. Finally, a cooperative distributed economic MPC formulation based on a periodic terminal cost/region is proposed. Such strategy guarantees convergence to a Nash equilibrium without the need of a coordinator and relies on an iterative and global communication of local controllers, which optimise in parallel their control actions but using a centralised model of the network.Esta tesis se enfoca en el diseño de estrategias de control predictivo basado en modelos (MPC, por sus siglas en inglés) con la meta de mejorar la gestión de sistemas que pueden ser descritos por redes generalizadas de flujo y que están sujetos a restricciones, enfatizando especialmente en la optimización económica y el desempeño robusto de tales sistemas. De esta manera, varios esquemas de control se desarrollan en esta tesis para explotar tanto la información económica disponible de la operación del sistema como la información de perturbaciones obtenida de datos medibles y de modelos de predicción. La teoría de redes dinámicas de flujo es utilizada en esta tesis para desarrollar modelos orientados a control que sirven para diseñar controladores MPC especializados para la gestión de redes de flujo que presentan tanto perturbaciones aditivas como dinámicas y costos periódicamente variables en el tiempo. Las estrategias de control propuestas en esta tesis se pueden clasificar en dos categorías: estrategias de control MPC centralizado y estrategias de control MPC no-centralizado. Dichas estrategias son evaluadas mediante simulaciones de un caso de estudio real: la red de transporte de agua potable de Barcelona en España. En cuanto a las estrategias de control MPC centralizado, diferentes formulaciones de controladores MPC económicos son primero estudiadas para garantizar factibilidad recursiva y estabilidad del sistema cuya operación responde a demandas nominales de flujo periódico, a parámetros económicos posiblemente variantes en el tiempo y a funciones de costo multi-objetivo. Adicionalmente, estrategias de control MPC basado en fiabilidad, MPC con restricciones probabilísticas y MPC basado en árboles de escenarios son propuestas para garantizar la fiabilidad tanto de tareas de almacenamiento como de transporte de flujo en la red. Tales estrategias permiten satisfacer un nivel de servicio al cliente bajo incertidumbre en la demanda futura, así como distribuir eficientemente el esfuerzo global de control bajo la presencia de degradación en los actuadores del sistema. Por otra parte, técnicas de computación suave como redes neuronales artificiales y lógica difusa se utilizan para incorporar capacidades de auto-sintonía en un controlador MPC económico de certeza-equivalente. Dado que hay objeciones al uso de control centralizado en redes de gran escala, dos estrategias de control no-centralizado son propuestas en esta tesis. Primero, un controlador MPC económico distribuido de baja complejidad computacional es diseñado con una topología estructurada en dos capas. En una capa inferior, un conjunto de controladores MPC locales se encargan de controlar particiones de la red mediante el intercambio de información limitada de los recursos físicos compartidos y resolviendo sus problemas locales de optimización de forma similar a una secuencia jerárquica de solución. Para contrarrestar la pérdida de información económica global que ocurra tras la descomposición de la tarea de control global, una capa de coordinación es diseñada para influenciar no-iterativamente la decisión de los controles locales con el fin de lograr una mejora global del desempeño económico. La segunda estrategia no-centralizada propuesta en esta tesis es una formulación de control MPC económico distribuido cooperativo basado en una restricción terminal periódica. Tal estrategia garantiza convergencia a un equilibrio de Nash sin la necesidad de una capa de coordinación pero requiere una comunicación iterativa de información global entre todos los controladores locales, los cuales optimizan en paralelo sus acciones de control utilizando un modelo centralizado de la red

Health-aware predictive control schemes based on industrial processes

Aplicat embargament des de la data de defensa fins el dia 30 de desembre de 2021The research is motivated by real applications, such as pasteurization plant, water networks and autonomous system, which each of them require a specific control system to provide proper management able to take into account their particular features and operating limits in presence of uncertainties related to their operation and failures from component breakdowns. According to that most of the real systems have nonlinear behaviors, it can be approximated them by polytopic linear uncertain models such as Linear Parameter Varying (LPV) and Takagi-Sugeno (TS) models. Therefore, a new economic Model Predictive Control (MPC) approach based on LPV/TS models is proposed and the stability of the proposed approach is certified by using a region constraint on the terminal state. Besides, the MPC-LPV strategy is extended based on the system with varying delays affecting states and inputs. The control approach allows the controller to accommodate the scheduling parameters and delay change. By computing the prediction of the state variables and delay along a prediction time horizon, the system model can be modified according to the evaluation of the estimated state and delay at each time instant. To increase the system reliability, anticipate the appearance of faults and reduce the operational costs, actuator health monitoring should be considered. Regarding several types of system failures, different strategies are studied for obtaining system failures. First, the damage is assessed with the rainflow-counting algorithm that allows estimating the component’s fatigue and control objective is modified by adding an extra criterion that takes into account the accumulated damage. Besides, two different health-aware economic predictive control strategies that aim to minimize the damage of components are presented. Then, economic health-aware MPC controller is developed to compute the components and system reliability in the MPC model using an LPV modeling approach and maximizes the availability of the system by estimating system reliability. Additionally, another improvement considers chance-constraint programming to compute an optimal list replenishment policy based on a desired risk acceptability level, managing to dynamically designate safety stocks in flowbased networks to satisfy non-stationary flow demands. Finally, an innovative health-aware control approach for autonomous racing vehicles to simultaneously control it to the driving limits and to follow the desired path based on maximization of the battery RUL. The proposed approach is formulated as an optimal on-line robust LMI based MPC driven from Lyapunov stability and controller gain synthesis solved by LPV-LQR problem in LMI formulation with integral action for tracking the trajectory.Esta tesis pretende proporcionar contribuciones teóricas y prácticas sobre seguridad y control de sistemas industriales, especialmente en la forma maten ática de sistemas inciertos. La investigación está motivada por aplicaciones reales, como la planta de pasteurización, las redes de agua y el sistema autónomo, cada uno de los cuales requiere un sistema de control específico para proporcionar una gestión adecuada capaz de tener en cuenta sus características particulares y limites o de operación en presencia de incertidumbres relacionadas con su operación y fallas de averías de componentes. De acuerdo con que la mayoría de los sistemas reales tienen comportamientos no lineales, puede aproximarse a ellos mediante modelos inciertos lineales politopicos como los modelos de Lineal Variación de Parámetros (LPV) y Takagi-Sugeno (TS). Por lo tanto, se propone un nuevo enfoque de Control Predictivo del Modelo (MPC) económico basado en modelos LPV/TS y la estabilidad del enfoque propuesto se certifica mediante el uso de una restricción de región en el estado terminal. Además, la estrategia MPC-LPV se extiende en función del sistema con diferentes demoras que afectan los estados y las entradas. El enfoque de control permite al controlador acomodar los parámetros de programación y retrasar el cambio. Al calcular la predicción de las variables de estado y el retraso a lo largo de un horizonte de tiempo de predicción, el modelo del sistema se puede modificar de acuerdo con la evaluación del estado estimado y el retraso en cada instante de tiempo. Para aumentar la confiabilidad del sistema, anticipar la aparición de fallas y reducir los costos operativos, se debe considerar el monitoreo del estado del actuador. Con respecto a varios tipos de fallas del sistema, se estudian diferentes estrategias para obtener fallas del sistema. Primero, el daño se evalúa con el algoritmo de conteo de flujo de lluvia que permite estimar la fatiga del componente y el objetivo de control se modifica agregando un criterio adicional que tiene en cuenta el daño acumulado. Además, se presentan dos estrategias diferentes de control predictivo económico que tienen en cuenta la salud y tienen como objetivo minimizar el daño de los componentes. Luego, se desarrolla un controlador MPC económico con conciencia de salud para calcular los componentes y la confiabilidad del sistema en el modelo MPC utilizando un enfoque de modelado LPV y maximiza la disponibilidad del sistema mediante la estimación de la confiabilidad del sistema. Además, otra mejora considera la programación de restricción de posibilidades para calcular una política ´optima de reposición de listas basada en un nivel de aceptabilidad de riesgo deseado, logrando designar dinámicamente existencias de seguridad en redes basadas en flujo para satisfacer demandas de flujo no estacionarias. Finalmente, un enfoque innovador de control consciente de la salud para vehículos de carreras autónomos para controlarlo simultáneamente hasta los límites de conducción y seguir el camino deseado basado en la maximización de la bacteria RUL. El diseño del control se divide en dos capas con diferentes escalas de tiempo, planificador de ruta y controlador. El enfoque propuesto está formulado como un MPC robusto en línea optimo basado en LMI impulsado por la estabilidad de Lyapunov y la síntesis de ganancia del controlador resuelta por el problema LPV-LQR en la formulación de LMI con acción integral para el seguimiento de la trayectoria.Postprint (published version

Model-Predictive Control in Communication Networks

This dissertation consists of 8 papers, separated into 3 groups. The first 3 papers show, how model-predictive control can be applied to queueing networks and contain a detailed proof of throughput optimality. Additionally, numerous network examples are discussed, and a connection between the stability properties of assembly queues and random walks on quotient spaces is established. The next two papers develop algorithms, with which robust forecasts of delay can be obtained in queueing networks. To that end, a notion of robustness is proposed, and the network control policy is designed to meet this goal. For the last 3 papers, focus is shifted towards Age-of-Information. Two main contributions are the derivation of the distribution of the Age-of-Information values in networks with clocked working cycles and an algorithm for the exact numerical evaluation of the Age-of-Information state-space in a similar set-up