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 packetized model predictive control for networked control systems subjects tot time-delays and dropouts

Networked Control Systems (NCS) are systems in which serial communication networks are used to exchange system information and control signals between various physical components of the systems that may be physically distributed. Major advantages of NCS include low cost, reduced weight and power requirements, simple installation and maintenance, and high reliability. Nonetheless, closing a control loop on a shared communication network introduces additional dynamics and constraints in the control problem. In addition to being bit-rate limited [1], [2], practical communitacion channels are commonly affected by packet dropouts and time delays, mainly due to transmission errors and waiting times to access the medium; see, e.g., [3]-[5] and the many references therein

Stochastic packetized model predictive control for networked control systems subjects tot time-delays and dropouts

Networked Control Systems (NCS) are systems in which serial communication networks are used to exchange system information and control signals between various physical components of the systems that may be physically distributed. Major advantages of NCS include low cost, reduced weight and power requirements, simple installation and maintenance, and high reliability. Nonetheless, closing a control loop on a shared communication network introduces additional dynamics and constraints in the control problem. In addition to being bit-rate limited [1], [2], practical communitacion channels are commonly affected by packet dropouts and time delays, mainly due to transmission errors and waiting times to access the medium; see, e.g., [3]-[5] and the many references therein

AquaFeL-PSO: A Monitoring System for Water Resources using Autonomous Surface Vehicles based on Multimodal PSO and Federated Learning

The preservation, monitoring, and control of water resources has been a major challenge in recent decades. Water resources must be constantly monitored to know the contamination levels of water. To meet this objective, this paper proposes a water monitoring system using autonomous surface vehicles, equipped with water quality sensors, based on a multimodal particle swarm optimization, and the federated learning technique, with Gaussian process as a surrogate model, the AquaFeL-PSO algorithm. The proposed monitoring system has two phases, the exploration phase and the exploitation phase. In the exploration phase, the vehicles examine the surface of the water resource, and with the data acquired by the water quality sensors, a first water quality model is estimated in the central server. In the exploitation phase, the area is divided into action zones using the model estimated in the exploration phase for a better exploitation of the contamination zones. To obtain the final water quality model of the water resource, the models obtained in both phases are combined. The results demonstrate the efficiency of the proposed path planner in obtaining water quality models of the pollution zones, with a 14$\%$ improvement over the other path planners compared, and the entire water resource, obtaining a 400$\%$ better model, as well as in detecting pollution peaks, the improvement in this case study is 4,000$\%$. It was also proven that the results obtained by applying the federated learning technique are very similar to the results of a centralized system

AquaHet-PSO: An Informative Path Planner for a Fleet of Autonomous Surface Vehicles with Heterogeneous Sensing Capabilities based on Multi-Objective PSO

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivativesThe importance of monitoring and evaluating the quality of water resources has significantly grown over time. To achieve this effectively, an option is to employ an intelligent monitoring system capable of measuring the physical and chemical parameters of water. Surface vehicles equipped with sensors for measuring water quality parameters offer a viable solution for these missions. This work presents a novel approach called AquaHet-PSO, which addresses the challenge of simultaneously monitoring multiple water quality parameters with several peaks of contamination using a heterogeneous fleet of autonomous surface vehicles. Each vehicle in the fleet possesses a different set of sensors, such as number of sensors and sensor types, which is the definition provided by the authors for a heterogeneous fleet. The AquaHet- PSO consists of three main phases. In the initial phase, the vehicles traverse the water resource to obtain preliminary models of water quality parameters. These models are then utilized in the second phase to identify potential contamination areas and assign vehicles to specific action zones. In the final phase, the vehicles focus on a comprehensive characterization of the parameters. The proposed system combines several techniques, including Particle Swarm Optimization and Gaussian Processes, with the integration of genetic algorithm to maximize the distances between the initial positions of vehicles equipped with identical sensors, and a distributed communication system in the final phase of the AquaHet-PSO. Simulation results in the Ypacarai lake demonstrate the effectiveness and efficiency of AquaHet-PSO in generating accurate water quality models and detecting contamination peaks. The proposed method demonstrated improvements compared to the lawnmower approach. It achieved a remarkable 17% improvement, on r-squared data, in generating complete models of water quality parameters throughout the lake. In addition, it achieved a 230% improvement in accurate characterization of high pollution areas and a 24% increase in pollution peak detection specifically for heterogeneous fleets equipped with four or more identical sensors.Ministerio de Ciencia e Innovación PID2021-126921OB-C21 TED2021-131326BC21Universidad de Sevill

Networked Predictive Control of Systems with Data Dropouts

This paper presents a practical algorithm to design networked control systems able to cope with high data dropout rates. The algorithm is intended for application in packet based networks protocols (Ethernet-like) where data packets typically content large data fields. The key concept is using such packets to transmit not only the current control signal, but predictions on a finite horizon without significantly increasing traffic load. Thus, predictive control is used together with buffered actuators and a state estimator to compensate for eventual packet dropouts. Additionally, some ideas are proposed to decrease traffic load, limiting packet size and media access frequency. Simulation results on the control of a three-tank system are given to illustrate the effectiveness of the method

Revisión sistemática de la literatura en ingeniería de sistemas. Caso práctico: técnicas de estimación distribuida de sistemas ciberfísicos

[Resumen] Este artículo presenta una aplicación de una revisión sistemática de la literatura al ámbito de la ingeniería de sistemas. Se exponen de forma general los pasos a seguir y la metodología adoptada, que se inspira a las revisiones que se realizan en otros sectores. Se presentan las bases de datos más utilizadas en este área, cada una con sus ventajas y limitaciones. Se facilitan unos consejos para definir la función booleana y los criterios de inclusión y exclusión. Finalmente, el artículo propone algunas recomendaciones para extraer y sintetizar los datos y finalmente como crear el informe final. Se aplica esta metodología a un caso práctico, sobre las técnicas de estimación distribuida aplicadas a sistemas ciberfísicos.Agencia Estatal de Investigación; TEC2016-80242-

R e troalimentación biológica y relajación en pacientes con enfermedad renal crónica terminal en tratamiento de hemodiálisis

El objetivo de este estudio fue evaluar la utilidad de la retroalimentación biológica y la relajación para reducir ansiedad y estrés en pacientes que se encontraban en tratamiento médico de hemodiálisis por enfermedad renal crónico terminal (ERCT) utilizando estrategias derivadas del modelo cognitivo conductual. Participaron ocho pacientes del servicio de Nefrología del Hospital Juárez de México a los que se les aplicaron el inventario de ansiedad IDARE y una escala subjetiva de estrés antes y después de realizar el programa. El diseño fue de caso único con línea base retrospectiva y replicación intrasujeto. Se trabajó con cada paciente durante ocho sesiones en las que se les instruyó sobre el propósito de la retroalimentación y recibieron instrucciones para relajarse ofreciéndoles de manera visual sus cifras de presión arterial y frecuencia cardiaca. Cada paciente disminuyó sus cifras de presión arterial sistólica y diastólica, siendo estas reducciones estadísticamente significativas. Se compararon los puntajes de las escalas de ansiedad y estrés antes y después del tratamiento existiendo reducción en los puntajes de ambas para cada sujeto, siendo estas reducciones estadísticamente significativas, concluyendo que el uso de relajación combinada con retroalimentación biológica resultó eficaz.Palabras clave: Ansiedad, Estrés, Relajación, Retroalimentación biológica (biofeedback), Enfermedad Renal Crónica

Succinate Pathway in Head and Neck Squamous Cell Carcinoma: Potential as a Diagnostic and Prognostic Marker

Simple Summary: Emerging evidence points to succinate as an important oncometabolite in cancer development; however, the contribution of the succinate-SUCNR1 axis to cancer progression remains unclear. Head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC) is associated with disease and treatmentrelated morbidity so there is an urgent need for innovation in treatment and diagnosis practices. Our aim was to evaluate the potential of the succinate-related pathway as a diagnostic and prognostic biomarker in HNSCC. The circulating succinate levels are increased in HNSCC, being a potential noninvasive biomarker for HNSCC diagnosis. Moreover, the succinate receptor (SUCNR1) and genes related to succinate metabolism, which are predominantly expressed in the tumoral mucosa as compared with healthy tissue, are positively associated with plasma succinate. Remarkably, we found that SUCNR1 and SDHA expression levels predict prognosis

RETO CIUDAD NATURALEZA LA PAZ: UMA EXPERIÊNCIA DE OBSERVAÇÃO E REGISTO DA BIODIVERSIDADE URBANA

Citizen science encourages people to participate in scientific research projects. One of the best-known initiatives is the City Nature Challenge contest, aimed at recording biodiversity in cities through the iNaturalist application. The metropolitan region of La Paz, Bolivia, participated in this contest in 2019 and 2022 under the name Reto Ciudad Naturaleza, promoted by the Wildlife Conservation Society (WCS) Bolivia, the Biology Department and the Ecology Institute of the Universidad Mayor de San Andrés (UMSA), and the National Museum of Natural History (MNHN), who together formed an Organizing Committee. The objective was to strengthen the links between the urban population and nature so that they can contribute in improving knowledge about biodiversity and help to conserve Nature. The activities were based on the promotion and dissemination of the contest, training events in the use of iNaturalist, photographic registration, taxonomic identification events, and delivery of certificates to participants. In 2019, La Paz competed with 158 cities and achieved eighth place in number of species (3,005), third place in number of participants (1,500) and second place in number of observations (46,931). In 2022, 447 cities participated. La Paz led in all three categories of the contest, with 137,345 observations, 5,320 species and 4,296 participants. Beyond these results, the outstanding commitment of La Paz citizens to their biodiversity is resulting in an increasingly close link between the urban population and their natural environment.La ciencia ciudadana incentiva la participación de las personas en proyectos de investigación científica. Una de las iniciativas más conocidas es el concurso City Nature Challenge, dirigida a registrar la biodiversidad en las ciudades mediante la aplicación iNaturalist. La región metropolitana de La Paz, Bolivia, participó de este concurso en 2019 y 2022 con el nombre de Reto Ciudad Naturaleza, gracias al impulso de Wildlife Conservation Society (WCS) Bolivia, la Carrera de Biología y el Instituto de Ecología de la Universidad Mayor de San Andrés (UMSA), y el Museo Nacional de Historia Natural (MNHN), que conformaron un Comité Organizador. El objetivo fue fortalecer los vínculos de la población urbana con la naturaleza para generar datos sobre el conocimiento y conservación de la biodiversidad. Las actividades se basaron en la promoción y difusión del concurso, eventos de capacitación en el manejo de aplicación iNaturalist, registro fotográfico, identificación taxonómica y entrega de certificados a los participantes. En 2019, La Paz compitió con 158 ciudades y consiguió el octavo lugar en número de especies (3.005), el tercer lugar en número de participantes (1.500) y el segundo en número de observaciones (46.931). En 2022, participaron 447 ciudades. La Paz lideró en las tres categorías del concurso, con 137.345 observaciones, 5.320 especies y 4.296 participantes. Más allá de estos resultados, destaca el compromiso de la ciudadanía paceña con su biodiversidad, lo que repercute en un vínculo cada vez más estrecho entre la población urbana y su entorno natural.A ciência cidadã encoraja às pessoas a participar em projetos de pesquisa científica. Uma das iniciativas mais conhecidas é o concurso City Nature Challenge, destinado a registrar a biodiversidade nas cidades através do aplicativo iNaturalist. A região metropolitana de La Paz, Bolívia, participou neste concurso em 2019 e 2022 sob o nome City Nature Challenge, com o impulso da Wildlife Conservation Society (WCS) Bolívia, do Departamento de Biologia e do Instituto de Ecologia da Universidad Mayor de San Andrés (UMSA), e do Museu Nacional de História Natural (MNHN), que formou uma Comissão Organizadora. O objectivo foi reforçar os laços entre a população urbana e a natureza, para que possam contribuir para o conhecimento e conservação da biodiversidade. As atividades basearam-se na promoção e divulgação do concurso, sessões  de formação na utilização do iNaturalist, registro fotográfico, identificação taxonómica e na entrega de certificados aos participantes. Em 2019, La Paz concorreu com 158 cidades atingindo o oitavo lugar em número de espécies (3.005), o terceiro lugar em número de participantes (1.500) e o segundo lugar em número de observações (46.931). Em 2022, participaram 447 cidades. La Paz liderou nas três categorias do concurso com 137.345 observações, 5.320 espécies e 4.296 participantes. Para além destes resultados, destaca-se o compromisso dos cidadãos de La Paz com a sua biodiversidade, tendo como resultado uma ligação cada vez mais estreita entre a população urbana e o seu ambiente natural.&nbsp