Distributed Model Predictive Control Based on Dynamic Games

Model predictive control (MPC) is widely recognized as a high performance, yet practical,control technology. This model-based control strategy solves at each sample a discrete-timeoptimal control problem over a finite horizon, producing a control input sequence. Anattractive attribute of MPC technology is its ability to systematically account for systemconstraints. The theory of MPC for linear systems is well developed; all aspects suchas stability, robustness,feasibility and optimality have been extensively discussed in theliterature (see, e.g., (Bemporad & Morari, 1999; Kouvaritakis & Cannon, 2001; Maciejowski, 2002; Mayne et al., 2000)). The effectiveness of MPC depends on model accuracy and the availability of fast computational resources. These requirements limit the application base for MPC. Even though, applications abound in process industries (Camacho & Bordons, 2004), manufacturing (Braun et al., 2003), supply chains (Perea-Lopez et al., 2003), among others, are becoming more widespread.Two common paradigms for solving system-wide MPC calculations are centralised anddecentralised strategies. Centralised strategies may arise from the desire to operate thesystem in an optimal fashion, whereas decentralised MPC control structures can result fromthe incremental roll-out of the system development. An effective centralised MPC can bedifficult, if not impossible to implement in large-scale systems (Kumar & Daoutidis, 2002;Lu, 2003). In decentralised strategies, the system-wide MPC problem is decomposed intosubproblems by taking advantage of the system structure, and then, these subproblemsare solved independently. In general, decentralised schemes approximate the interactionsbetween subsystems and treat inputs in other subsystems as external disturbances. Thisassumption leads to a poor systemperformance (Sandell Jr et al., 1978; ?iljak, 1996). Therefore, there is a need for a cross-functional integration between the decentralised controllers, in which a coordination level performs steady-state target calculation for decentralised controller (Aguilera & Marchetti, 1998; Aske et al., 2008; Cheng et al., 2007; 2008; Zhu & Henson, 2002).Several distributed MPC formulations are available in the literature. A distributed MPCframework was proposed by Dumbar and Murray (Dunbar & Murray, 2006) for the classof systems that have independent subsystem dynamic but link through their cost functionsand constraints. Then, Dumbar (Dunbar, 2007) proposed an extension of this framework thathandles systemswith weakly interacting dynamics. Stability is guaranteed through the use ofa consistency constraint that forces the predicted and assumed input trajectories to be close toeach other. The resulting performance is different from centralised implementations in mostof cases. Distributed MPC algorithms for unconstrained and LTI systems were proposed in(Camponogara et al., 2002; Jia & Krogh, 2001; Vaccarini et al., 2009; Zhang & Li, 2007). In (Jia & Krogh, 2001) and (Camponogara et al., 2002) the evolution of the states of each subsystem is assumed to be only influenced by the states of interacting subsystems and local inputs, while these restrictions were removed in (Jia & Krogh, 2002; Vaccarini et al., 2009; Zhang & Li, 2007). This choice of modelling restricts the system where the algorithm can be applied, because inmany cases the evolution of states is also influenced by the inputs of interconnected subsystems. More critically for these frameworks is the fact that subsystems-based MPCs only know the cost functions and constraints of their subsystem. However, stability and optimality as well as the effect of communication failures has not been established.The distributed model predictive control problem from a game theory perspective for LTIsystems with general dynamical couplings, and the presence of convex coupled constraintsis addressed. The original centralised optimisation problem is transformed in a dynamicgame of a number of local optimisation problems, which are solved using the relevantdecision variables of each subsystem and exchanging information in order to coordinatetheir decisions. The relevance of proposed distributed control scheme is to reduce thecomputational burden and avoid the organizational obstacles associated with centralisedimplementations, while retains its properties (stability, optimality, feasibility). In this context,the type of coordination that can be achieved is determined by the connectivity and capacity of the communication network as well as the information available of system?s cost function and constraints. In this work we will assume that the connectivity of the communication network is sufficient for the subsystems to obtain information of all variables that appear in their local problems. We will show that when system?s cost function and constraints are known by all distributed controllers, the solution of the iterative process converge to the centralised MPC solution. This means that properties (stability, optimality, feasibility) of the solution obtained using the distributed implementation are the same ones of the solution obtained using the centralised implementation. Finally, the effects of communication failures on the system?s properties (convergence, stability and performance) are studied. We will show the effect of the system partition and communication on convergence and stability, and we will find a upper bound of the system performance.Fil: Giovanini, Leonardo Luis. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Investigación en Señales, Sistemas e Inteligencia Computacional. Universidad Nacional del Litoral. Facultad de Ingeniería y Ciencias Hídricas. Instituto de Investigación en Señales, Sistemas e Inteligencia Computacional; ArgentinaFil: Sanchez, Guido Marcelo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Investigación en Señales, Sistemas e Inteligencia Computacional. Universidad Nacional del Litoral. Facultad de Ingeniería y Ciencias Hídricas. Instituto de Investigación en Señales, Sistemas e Inteligencia Computacional; ArgentinaFil: Murillo, Marina Hebe. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; ArgentinaFil: Limache, Alejandro Cesar. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; Argentin

Dual refractive index and viscosity sensing using polymeric nanofibers optical structures

Porous materials have demonstrated to be ideal candidates for the creation of optical sensors with very high sensitivities. This is due both to the possibility of infiltrating the target substances into them and to their notable surface-to-volume ratio that provides a larger biosensing area. Among porous structures, polymeric nanofibers (NFs) layers fabricated by electrospinning have emerged as a very promising alternative for the creation of low-cost and easy-to-produce high performance optical sensors, for example, based on Fabry-Perot (FP) interferometers. However, the sensing performance of these polymeric NFs sensors is limited by the low refractive index contrast between the NFs porous structure and the target medium when performing in-liquid sensing experiments, which determines a very low amplitude of the FP interference fringes appearing in the spectrum. This problem has been solved with the deposition of a thin metal layer (∼ 3 nm) over the NFs sensing layer. We have successfully used these metal-coated FP NFs sensors to perform several real-time and in-flow refractive index sensing experiments. From these sensing experiments, we have also determined that the sponge-like structure of the NFs layer suffers an expansion/compression process that is dependent of the viscosity of the analyzed sample, what thus gives the possibility to perform a simultaneous dual sensing of refractive index and viscosity of a fluid

Low-Cost Piezoelectric Sensors for Time Domain Load Monitoring of Metallic Structures During Operational and Maintenance Processes

The versatility of piezoelectric sensors in measurement techniques and their performance in applications has given rise to an increased interest in their use for structural and manufacturing component monitoring. They enable wireless and sensor network solutions to be developed in order to directly integrate the sensors into machines, fixtures and tools. Piezoelectric sensors increasingly compete with strain-gauges due to their wide operational temperature range, load and strain sensing accuracy, low power consumption and low cost. This research sets out the use of piezoelectric sensors for real-time monitoring of mechanical strength in metallic structures in the ongoing operational control of machinery components. The behaviour of aluminium and steel structures under flexural strength was studied using piezoelectric sensors. Variations in structural behaviour and geometry were measured, and the load and μstrains during operational conditions were quantified in the time domain at a specific frequency. The lead zirconium titanate (PZT) sensors were able to distinguish between material types and thicknesses. Moreover, this work covers frequency selection and optimisation from 20 Hz to 300 kHz. Significant differences in terms of optimal operating frequencies and sensitivity were found in both structures. The influence of the PZT voltage applied was assessed to reduce power consumption without signal loss, and calibration to μstrains and loads was performed.This research was funded by Basque Government, grant number KK-2019/00051-SMARTRESNAK and by the European Commission, grant number 869884- RECLAIM

Aplicación para vigilancia de entornos agrícolas con UAVs y procesado de imagen (Machine Learning)

La finalidad de este trabajo de fin de grado era montar un dron y adaptarlo para el uso de ciberseguridad en los campos de cultivo. Esto se realiza mediante la adquisición de imágenes aéreas y el posterior envío automatizado mediante una unidad terrestre remota, en mi caso una Raspberry pi 4. El dron tiene la capacidad de volar autónomamente programando la ruta que queremos que realice. En este documento se explica desde como ensamblar el dron, hasta la programación y desarrollo de una red neuronal convolucional para la detección de personas en las fotos que envía el dron mediante la unidad terrestre. Se puede dividir el proyecto en cuatro grandes partes, la primera nos introduce en el mundo de los drones, aplicaciones que tienen en la actualidad y mas en concreto en la agricultura. La segunda parte consta de una descripción de los componentes que conforman el dron y una descripción del proceso de ensamblaje, configuración y calibración del dron. La tercera parte consta del desarrollo de una aplicación web, en mi caso la modificación y adaptación de una desarrollada por un compañero, y la implementación de la misma para poder usar la red neuronal desarrollada para el procesado de las imágenes recibidas a través del servidor. Para finalizar, se muestran los resultados y las conclusiones obtenidas gracias a las pruebas que se han realizad

Prevalencia de deshidratación hipernatrémica neonatal

Introducción. La deshidratación hipernatrémica (DH) es un padecimiento que se presenta con frecuencia en la población neonatal, se define como el estado de deshidratación acompañado del aumento en la concentración sérica de sodio (Na) con valor mayor o igual a 145 mEq/L; la incidencia reportada en la actualidad va de 1.7 a 5 por cada 1,000 nacidos vivos; el cuadro clínico que caracteriza este padecimiento es la presencia de: fiebre, letargia, ictericia, irritabilidad, crisis convulsivas o pérdida de peso excesiva, teniendo una presentación más frecuente en las primeras tres semanas de vida. Algunas de las causas conocidas son: la dilución inapropiada del sucedáneo de leche materna, la pérdida gastrointestinal excesiva y la lactancia materna ineficaz, siendo ésta última la causa más frecuente relacionada. Objetivo. Los objetivos del trabajo son el indagar el grupo de edad gestacional que presenta mayor prevalencia de DH, conocer prevalencia de este padecimiento en la población de estudio, analizar el tipo de alimentación brindado, determinar si la edad materna y escolaridad básica predisponen a la presentación del padecimiento, así como identificar el grupo de edad gestacional con estancias hospitalarias más prolongadas para su tratamiento y resolución. Metodología. Se realizó un estudio observacional, retrospectivo, poblacional y de prevalencia; analizando expedientes de pacientes ingresados a la Unidad de Cuidados Intensivos Neonatales (UCIN) con diagnóstico de DH durante el 1 de enero 2016 al 30 diciembre del 2021 en el Hospital Universitario Dr. José Eleuterio González. Resultados. Se trabajó con una población de 62 pacientes, de los cuales 8 fueron clasificados como recién nacidos pretérmino (RNPT) (<36 SDG), 28 pacientes de término (RNT) (37-38.6 SDG) y 26 pacientes de término tardío (RNTT) (≥39 SDG). Se reporta una prevalencia de 0.14% en los 5 años. La edad materna más frecuente reportada fue de jóvenes de entre 20 y 35 años de edad, de las cuales, 39 (62.9%) contaban con escolaridad básica, siendo minoría las madres que contaban con escolaridad nivel bachillerato o licenciatura (37%). El 85% de la población (53 pacientes) fue alimentada con seno materno exclusivo previo al ingreso hospitalario; el promedio de estancia hospitalaria fue de 1 a 6 días, presentando más frecuente la estancia corta de entre 1 y 3 días. Conclusiones. Con este estudio se logró descartar la prematuridad como factor de riesgo para presentar DH, sin embargo, se confirmó la relación entre la lactancia materna ineficaz con la incidencia de este padecimiento, así como la edad materna joven y la escolaridad básica de las madres. Se demuestra la estancia hospitalaria corta en los pacientes afectados

Control de mastitis causada por staphylococcus en bovinos de raza holstein utilizando una bacterina autógena

El objetivo de este trabajo es comprobar la eficacia del control de mastitis con una bacterina autógena, elaborada a partir del agente etiológico que se aisló en la misma finca donde se hizo el estudio. El comportamiento se evalup teniendo en cuenta el conteo de células somáticas (CCS) y la prueba de California Mastitis Test (CMT), en estos dos parámetros se basa el estudio. Para esto se escogieron dos grupos al azar conformado cada uno por 15 vacas, uno de vacas sanas o que presentan mastitis subclínica (Grupo A) y otro grupo de vacas enfermas que presentaron mastitis clínica (grupo B). A cada grupo se le hizo un seguimiento aproximado de un mes donde se pudo aislar el agente causante de la infección y con base en esto hacer la vacuna. En la semana en que se le aplico la primera dosis a cada animal de la vacuna se empezaron a hacer CCS en muestras de leche. Al mismo tiempo en el ordeño se le hacia un examen por palpación para evaluar la consistencia y se le hacia la prueba de CMT. Luego una muestra de leche era transportada al laboratorio, allí con una gota de leche en un lámina después de un procedimiento sé hacia el CCS. Esto se hizo una vez por cada ocho días, durante 6 semanas consecutivas, luego pasó hacerse cada 15 días por un mes, para que diera un total de 8 muestreos. El grupo A mostró un CCS al comienzo de 124.667 células somáticas/ml, mientras que el grupo B dio 872.667 de células somáticas/ml, con un elevado numero elevado de pezones que dieron positivo a la CMT, a los ocho días se les hizo la segunda aplicación de la vacuna y se hizo el CCS dando un incremento en ambos grupos de células somáticas. A los ocho días se observo un incremento en el CCS en el grupo A recuento dio 199.467 cs/ml y en el grupo B 1.097.67 cs/ml y un número de pezones que marcaron positivo tuvo un incremento muy insignificativo que fue de 78 de la semana anterior a 88.A la semana número 10, al término del estudio los resultados que se obtuvieron fueron, en el grupo A fue 99.733 cs/ml y del grupo B 623.333 cs/ml y los número de pezones que marcaron positivo bajaron hasta 51. El CCS en la vacas del grupo B, tiende a seguir bajando hasta llegar a un nivel normal de CS

Determinación de la actividad fotoprotectora in vitro de Passiflora mixta.

Se evaluó la actividad fotoprotectora in vitro del extracto hidroalcohólico de Passiflora mixta var. mixta, mediante el método de muerte celular inducida por radiación UV-B sobre una cepa de Escherichia coli ATCC 25922. El extracto se preparó usando etanol 70% (v/v) como solvente extractivo, y maceración dinámica durante 72 h en oscuridad; la mezcla fue filtrada al vacío, concentrada bajo condiciones controladas con el objetivo de eliminar el solvente orgánico y finalmente liofilizada. El tamizaje fitoquímico demostró la presencia de metabolitos secundarios como; compuestos fenólicos, flavonoides, taninos de tipo pirocatécolico, alcaloides, compuestos lactónicos, triterpenos, esteroides, azúcares reductores, quinonas y antocianinas. A través de cromatografía en capa fina fueron registrados posibles flavonoides especialmente de tipo Cglycosidos como; vitexina 2-O-ramnósido, isovitexina 2-O-glucósido, quercetina-3-rutinósido y quercetina-3-O-glucósido. El contenido de fenoles totales determinado por el método FolinCiocalteu fue de 325 ± 7.07 mg GAE/g de liofilizado; en tanto que el contenido de flavonoides totales fue de 629.04 ± 6.23 mg QE/g liofilizado. La actividad antioxidante evaluada con el radical DPPH* del extracto de Passiflora mixta en términos de IC50 se logró a una concentración de extracto liofilizado de 5.43 (µg mL -1 ) disuelto en metanol. El Factor de protección solar (FPS) del extracto de P. mixta calculado a una concentración 20 ppm, luego de aplicar la ecuación de Mansur y el método espectrofotométrico para el registro de absorbancias obtuvo un valor de 7.00 ± 0.08. El número de unidades formadoras de colonias de E. coli sobrevivientes tras su exposición a radiación UV-B, fueron transformados en valores de área bajo la curva. Los resultados indican que los extractos a 2000 ppm y 200 ppm de P. mixta tienen mayor actividad fotoprotectora en comparación con los controles positivos octil dimetil PABA y 2-etilhexil 4-metoxicinamato (OMC) a la misma concentración. Se recomienda realizar pruebas que garanticen la seguridad.The photoprotective activity in vitro of the hydroalcoholic extract of Passiflora mixta var. mixta by UV-B induced cell death method on a strain of Escherichia coli ATCC 25922. The extract was prepared using 70% (v/v) ethanol as an extractive solvent and dynamic maceration for 72 h in darkness; the mixture was vacuum filtered, concentrated under controlled conditions in order to remove the organic solvent and finally lyophilized. Phytochemical screening demonstrated the presence of secondary metabolites such as; phenolic compounds, flavonoids, pyrophoretic type tannins, alkaloids, lactone compounds, triterpenes, steroids, reducing sugars, quinones and anthocyanins. Flavonoids, especially of the C-glycosides type, were recorded as thin layer chromatography; vitexin 2-O-rhamnoside, isovitexin 2-O-glucoside, quercetin-3-rutinoside and quercetin-3-O-glucoside. The total phenol content determined by the Folin-Ciocalteu method was 325 ± 7.07 mg GAE/g of lyophilisate; While the total flavonoid content was 629.04 ± 6.23 mg QE / g lyophilized. The antioxidant activity evaluated with the DPPH* radical of the Passiflora mixta extract in terms of IC50 was achieved at a lyophilized extract concentration of 5.43 (μg mL xvi -1 ) dissolved in methanol. The sun protection factor (SPF) of the extract of P. mixta. calculated at a concentration of 20 ppm, after applying the Mansur equation and the spectrophotometric method for the recording of absorbances obtained a value of 7.00 ± 0.08. The number of surviving colony forming units of E. coli after exposure to UV-B radiation were transformed into area under a curve. The results indicate that the extracts at 2000 ppm and 200 ppm of P. mixta have higher photoprotective activity compared to the octyl dimethyl PABA and 2ethylhexyl 4-methoxycinnamate (OMC) positive controls at the same concentration. Testing to ensure safety is recommended