Predictive compensation for variable network delays and packet losses in networked control systems

Networked control systems (NCSs) offer many advantages over conventional control; however, they also demonstrate challenging problems such as network-induced delay and packet losses. This paper proposes an approach of predictive compensation for simultaneous network-induced delays and packet losses. Different from the majority of existing NCS control methods, the proposed approach addresses co-design of both network and controller. It also alleviates the requirements of precise process models and full understanding of NCS network dynamics. For a series of possible sensor-to-actuator delays, the controller computes a series of corresponding redundant control values. Then, it sends out those control values in a single packet to the actuator. Once receiving the control packet, the actuator measures the actual sensor-to-actuator delay and computes the control signals from the control packet. When packet dropout occurs, the actuator utilizes past control packets to generate an appropriate control signal. The effectiveness of the approach is demonstrated through examples.

Network protocols and predictive control strategies for distributed real-time control applications

A trend in design and implementation of modern industrial automation systems is to integrate computing, communication and control into a unified framework at different levels of machine/factory operations and information processing. These distributed control systems are referred to as networked control systems (NCSs). They are composed of sensors, actuators, and controllers interconnected over communication networks. As most of communication networks are not designed for NCS applications, the communication requirements of NCSs may be not satisfied. For example, traditional control systems require the data to be accurate, timely and lossless. However, because of random transmission delays and packet losses, the control performance of a control system may be badly deteriorated, and the control system rendered unstable. The main challenge of NCS design is to both maintain and improve stable control performance of an NCS. To achieve this, communication and control methodologies have to be designed. In recent decades, Ethernet and 802.11 networks have been introduced in control networks and have even replaced traditional fieldbus productions in some real-time control applications, because of their high bandwidth and good interoperability. As Ethernet and 802.11 networks are not designed for distributed control applications, two aspects of NCS research need to be addressed to make these communication networks suitable for control systems in industrial environments. From the perspective of networking, communication protocols need to be designed to satisfy communication requirements for NCSs such as real-time communication and high-precision clock consistency requirements. From the perspective of control, methods to compensate for network-induced delays and packet losses are important for NCS design. To make Ethernet-based and 802.11 networks suitable for distributed control applications, this thesis develops a high-precision relative clock synchronisation protocol and an analytical model for analysing the real-time performance of 802.11 networks, and designs a new predictive compensation method. Firstly, a hybrid NCS simulation environment based on the NS-2 simulator is designed and implemented. Secondly, a high-precision relative clock synchronization protocol is designed and implemented. Thirdly, transmission delays in 802.11 networks for soft-real-time control applications are modeled by use of a Markov chain model in which real-time Quality-of- Service parameters are analysed under a periodic traffic pattern. By using a Markov chain model, we can accurately model the tradeoff between real-time performance and throughput performance. Furthermore, a cross-layer optimisation scheme, featuring application-layer flow rate adaptation, is designed to achieve the tradeoff between certain real-time and throughput performance characteristics in a typical NCS scenario with wireless local area network. Fourthly, as a co-design approach for both a network and a controller, a new predictive compensation method for variable delay and packet loss in NCSs is designed, where simultaneous end-to-end delays and packet losses during packet transmissions from sensors to actuators is tackled. The effectiveness of the proposed predictive compensation approach is demonstrated using our hybrid NCS simulation environment.

Predictive technology and natural hazards: Risk for Australian planning authorities?

Purpose The object of this paper is to examine whether the improvements in technology that enhance community understanding of the frequency and severity of natural hazards also increased the risk of potential liability of planning authorities in negligence. In Australia, the National Strategy imposes a resilience based approach to disaster management and stresses that responsible land use planning can reduce or prevent the impact of natural hazards upon communities. Design/methodology/approach This paper analyses how the principles of negligence allocate responsibility for loss suffered by a landowner in a hazard prone area between the landowner and local government. Findings The analysis in this paper concludes that despite being able to establish a causal link between the loss suffered by a landowner and the approval of a local authority to build in a hazard prone area, it would be in the rarest of circumstances a negligence action may be proven. Research limitations/implications The focus of this paper is on planning policies and land development, not on the negligent provision of advice or information by the local authority. Practical implications This paper identifies the issues a landowner may face when seeking compensation from a local authority for loss suffered due to the occurrence of a natural hazard known or predicted to be possible in the area. Originality/value The paper establishes that as risk managers, local authorities must place reliance upon scientific modelling and predictive technology when determining planning processes in order to fulfil their responsibilities under the National Strategy and to limit any possible liability in negligence.

Predictive Current Control of Doubly Fed Induction Generators

This paper presents a predictive current control strategy for doubly-fed induction generators (DFIG). The method predicts the DFIG’s rotor current variations in the synchronous reference frame fixed to the stator flux within a fixed sampling period. This is then used to directly calculate the required rotor voltage to eliminate the current errors at the end of the following sampling period. Space vector modulation is used to generate the required switching pulses within the fixed sampling period. The impact of sampling delay on the accuracy of the sampled rotor current is analyzed and detailed compensation methods are proposed to improve the current control accuracy and system stability. Experimental results for a 1.5 kW DFIG system illustrate the effectiveness and robustness of the proposed control strategy during rotor current steps and rotating speed variation. Tests during negative sequence current injection further demonstrate the excellent dynamic performance of the proposed PCC method.

A Gain Scheduling Model Predictive Controller for Blood Glucose Control in Type 1 Diabetes

This paper presents a control strategy for blood glucose(BG) level regulation in type 1 diabetic patients. To design the controller, model-based predictive control scheme has been applied to a newly developed diabetic patient model. The controller is provided with a feedforward loop to improve meal compensation, a gain-scheduling scheme to account for different BG levels, and an asymmetric cost function to reduce hypoglycemic risk. A simulation environment that has been approved for testing of artificial pancreas control algorithms has been used to test the controller. The simulation results show a good controller performance in fasting conditions and meal disturbance rejection, and robustness against model–patient mismatch and errors in meal estimation

Essays On CEO Compensation: New Evidence On The Managerial-Power Vs. Optimal Contracting Debate

This dissertation analyzes the effect of market analysts’ expectations of share prices (price targets) on executive compensation. It examines how well the estimated effects of price targets on compensation fit with two competing views on determining executive compensation: the arm’s length bargaining model, which assumes that a board seeks to maximize shareholders’ interests, and the managerial power model, which assumes that a board seeks to maximize managers’ compensation (Bebchuk et al. 2005). The first chapter documents the pattern of CEO pay from fiscal year 1996 to 2010. The second chapter analyzes the Institutional Broker Estimate System Detail History Price Target data file, which that reports analysts’ price targets for firms. I show that the number of price target announcements is positively associated with company share price’s volatility, that price targets are predictive of changes in the value of stocks, and that when analysts announce positive (negative) expectations of future stock price, share prices change in the same direction in the short run. The third chapter analyzes the effect of price targets on executive compensation. I find that analysts' price targets alter the composition of executive pay between cash-based compensation and stock-based compensation. When analysts forecast a rise (fall) in the share price for a firm, the compensation package tilts toward stock-based (cash-based) compensation. The substitution effect is stronger in companies that have weaker corporate governance. The fourth chapter explores the effect of the introduction of the Sarbanes-Oxley Act (SOX) in 2002 and its reinforcement in 2006 on the options granting process. I show that the introduction of SOX and its reinforcement eliminated the practice of backdating options but increased “spring-loading” of option grants around price targets announcements. Overall, the dissertation shows that price targets provide insights into the determinants of executive pay in favor of the managerial power model.

Mécanismes psychophysiques et neuronaux de la compensation dynamique de multiples champs de force : facilitation et anticipation liée à des indices de couleur

Dans cette thèse, nous abordons le contrôle moteur du mouvement du coude à travers deux approches expérimentales : une première étude psychophysique a été effectuée chez les sujets humains, et une seconde implique des enregistrements neurophysiologiques chez le singe. Nous avons recensé plusieurs aspects non résolus jusqu’à présent dans l’apprentissage moteur, particulièrement concernant l’interférence survenant lors de l’adaptation à deux ou plusieurs champs de force anti-corrélés. Nous avons conçu un paradigme où des stimuli de couleur aident les sujets à prédire la nature du champ de force externe actuel avant qu’ils ne l’expérimentent physiquement durant des mouvements d’atteinte. Ces connaissances contextuelles faciliteraient l’adaptation à des champs de forces en diminuant l’interférence. Selon le modèle computationnel de l’apprentissage moteur MOSAIC (MOdular Selection And Identification model for Control), les stimuli de couleur aident les sujets à former « un modèle interne » de chaque champ de forces, à s’en rappeler et à faire la transition entre deux champs de force différents, sans interférence. Dans l’expérience psychophysique, quatre groupes de sujets humains ont exécuté des mouvements de flexion/extension du coude contre deux champs de forces. Chaque force visqueuse était associée à une couleur de l’écran de l’ordinateur et les deux forces étaient anti-corrélées : une force résistante (Vr) a été associée à la couleur rouge de l’écran et l’autre, assistante (Va), à la couleur verte de l’écran. Les deux premiers groupes de sujets étaient des groupes témoins : la couleur de l’écran changeait à chaque bloc de 4 essais, tandis que le champ de force ne changeait pas. Les sujets du groupe témoin Va ne rencontraient que la force assistante Va et les sujets du groupe témoin Vr performaient leurs mouvements uniquement contre une force résistante Vr. Ainsi, dans ces deux groupes témoins, les stimuli de couleur n’étaient pas pertinents pour adapter le mouvement et les sujets ne s’adaptaient qu’à une seule force (Va ou Vr). Dans les deux groupes expérimentaux, cependant, les sujets expérimentaient deux champs de forces différents dans les différents blocs d’essais (4 par bloc), associés à ces couleurs. Dans le premier groupe expérimental (groupe « indice certain », IC), la relation entre le champ de force et le stimulus (couleur de l’écran) était constante. La couleur rouge signalait toujours la force Vr tandis que la force Va était signalée par la couleur verte. L’adaptation aux deux forces anti-corrélées pour le groupe IC s’est avérée significative au cours des 10 jours d’entraînement et leurs mouvements étaient presque aussi bien ajustés que ceux des deux groupes témoins qui n’avaient expérimenté qu’une seule des deux forces. De plus, les sujets du groupe IC ont rapidement démontré des changements adaptatifs prédictifs dans leurs sorties motrices à chaque changement de couleur de l’écran, et ceci même durant leur première journée d’entraînement. Ceci démontre qu’ils pouvaient utiliser les stimuli de couleur afin de se rappeler de la commande motrice adéquate. Dans le deuxième groupe expérimental, la couleur de l’écran changeait régulièrement de vert à rouge à chaque transition de blocs d’essais, mais le changement des champs de forces était randomisé par rapport aux changements de couleur (groupe « indice-incertain », II). Ces sujets ont pris plus de temps à s’adapter aux champs de forces que les 3 autres groupes et ne pouvaient pas utiliser les stimuli de couleurs, qui n’étaient pas fiables puisque non systématiquement reliés aux champs de forces, pour faire des changements prédictifs dans leurs sorties motrices. Toutefois, tous les sujets de ce groupe ont développé une stratégie ingénieuse leur permettant d’émettre une réponse motrice « par défaut » afin de palper ou de sentir le type de la force qu’ils allaient rencontrer dans le premier essai de chaque bloc, à chaque changement de couleur. En effet, ils utilisaient la rétroaction proprioceptive liée à la nature du champ de force afin de prédire la sortie motrice appropriée pour les essais qui suivent, jusqu’au prochain changement de couleur d’écran qui signifiait la possibilité de changement de force. Cette stratégie était efficace puisque la force demeurait la même dans chaque bloc, pendant lequel la couleur de l’écran restait inchangée. Cette étude a démontré que les sujets du groupe II étaient capables d’utiliser les stimuli de couleur pour extraire des informations implicites et explicites nécessaires à la réalisation des mouvements, et qu’ils pouvaient utiliser ces informations pour diminuer l’interférence lors de l’adaptation aux forces anti-corrélées. Les résultats de cette première étude nous ont encouragés à étudier les mécanismes permettant aux sujets de se rappeler d’habiletés motrices multiples jumelées à des stimuli contextuels de couleur. Dans le cadre de notre deuxième étude, nos expériences ont été effectuées au niveau neuronal chez le singe. Notre but était alors d’élucider à quel point les neurones du cortex moteur primaire (M1) peuvent contribuer à la compensation d’un large éventail de différentes forces externes durant un mouvement de flexion/extension du coude. Par cette étude, nous avons testé l’hypothèse liée au modèle MOSAIC, selon laquelle il existe plusieurs modules contrôleurs dans le cervelet qui peuvent prédire chaque contexte et produire un signal de sortie motrice approprié pour un nombre restreint de conditions. Selon ce modèle, les neurones de M1 recevraient des entrées de la part de plusieurs contrôleurs cérébelleux spécialisés et montreraient ensuite une modulation appropriée de la réponse pour une large variété de conditions. Nous avons entraîné deux singes à adapter leurs mouvements de flexion/extension du coude dans le cadre de 5 champs de force différents : un champ nul ne présentant aucune perturbation, deux forces visqueuses anti-corrélées (assistante et résistante) qui dépendaient de la vitesse du mouvement et qui ressemblaient à celles utilisées dans notre étude psychophysique chez l’homme, une force élastique résistante qui dépendait de la position de l’articulation du coude et, finalement, un champ viscoélastique comportant une sommation linéaire de la force élastique et de la force visqueuse. Chaque champ de force était couplé à une couleur d’écran de l’ordinateur, donc nous avions un total de 5 couleurs différentes associées chacune à un champ de force (relation fixe). Les singes étaient bien adaptés aux 5 conditions de champs de forces et utilisaient les stimuli contextuels de couleur pour se rappeler de la sortie motrice appropriée au contexte de forces associé à chaque couleur, prédisant ainsi leur sortie motrice avant de sentir les effets du champ de force. Les enregistrements d’EMG ont permis d’éliminer la possibilité de co-contractions sous-tendant ces adaptations, étant donné que le patron des EMG était approprié pour compenser chaque condition de champ de force. En parallèle, les neurones de M1 ont montré des changements systématiques dans leurs activités, sur le plan unitaire et populationnel, dans chaque condition de champ de force, signalant les changements requis dans la direction, l’amplitude et le décours temporel de la sortie de force musculaire nécessaire pour compenser les 5 conditions de champs de force. Les changements dans le patron de réponse pour chaque champ de force étaient assez cohérents entre les divers neurones de M1, ce qui suggère que la plupart des neurones de M1 contribuent à la compensation de toutes les conditions de champs de force, conformément aux prédictions du modèle MOSAIC. Aussi, cette modulation de l’activité neuronale ne supporte pas l’hypothèse d’une organisation fortement modulaire de M1.

Mécanismes psychophysiques et neuronaux de la compensation dynamique de multiples champs de force : facilitation et anticipation liée à des indices de couleur

Dans cette thèse, nous abordons le contrôle moteur du mouvement du coude à travers deux approches expérimentales : une première étude psychophysique a été effectuée chez les sujets humains, et une seconde implique des enregistrements neurophysiologiques chez le singe. Nous avons recensé plusieurs aspects non résolus jusqu’à présent dans l’apprentissage moteur, particulièrement concernant l’interférence survenant lors de l’adaptation à deux ou plusieurs champs de force anti-corrélés. Nous avons conçu un paradigme où des stimuli de couleur aident les sujets à prédire la nature du champ de force externe actuel avant qu’ils ne l’expérimentent physiquement durant des mouvements d’atteinte. Ces connaissances contextuelles faciliteraient l’adaptation à des champs de forces en diminuant l’interférence. Selon le modèle computationnel de l’apprentissage moteur MOSAIC (MOdular Selection And Identification model for Control), les stimuli de couleur aident les sujets à former « un modèle interne » de chaque champ de forces, à s’en rappeler et à faire la transition entre deux champs de force différents, sans interférence. Dans l’expérience psychophysique, quatre groupes de sujets humains ont exécuté des mouvements de flexion/extension du coude contre deux champs de forces. Chaque force visqueuse était associée à une couleur de l’écran de l’ordinateur et les deux forces étaient anti-corrélées : une force résistante (Vr) a été associée à la couleur rouge de l’écran et l’autre, assistante (Va), à la couleur verte de l’écran. Les deux premiers groupes de sujets étaient des groupes témoins : la couleur de l’écran changeait à chaque bloc de 4 essais, tandis que le champ de force ne changeait pas. Les sujets du groupe témoin Va ne rencontraient que la force assistante Va et les sujets du groupe témoin Vr performaient leurs mouvements uniquement contre une force résistante Vr. Ainsi, dans ces deux groupes témoins, les stimuli de couleur n’étaient pas pertinents pour adapter le mouvement et les sujets ne s’adaptaient qu’à une seule force (Va ou Vr). Dans les deux groupes expérimentaux, cependant, les sujets expérimentaient deux champs de forces différents dans les différents blocs d’essais (4 par bloc), associés à ces couleurs. Dans le premier groupe expérimental (groupe « indice certain », IC), la relation entre le champ de force et le stimulus (couleur de l’écran) était constante. La couleur rouge signalait toujours la force Vr tandis que la force Va était signalée par la couleur verte. L’adaptation aux deux forces anti-corrélées pour le groupe IC s’est avérée significative au cours des 10 jours d’entraînement et leurs mouvements étaient presque aussi bien ajustés que ceux des deux groupes témoins qui n’avaient expérimenté qu’une seule des deux forces. De plus, les sujets du groupe IC ont rapidement démontré des changements adaptatifs prédictifs dans leurs sorties motrices à chaque changement de couleur de l’écran, et ceci même durant leur première journée d’entraînement. Ceci démontre qu’ils pouvaient utiliser les stimuli de couleur afin de se rappeler de la commande motrice adéquate. Dans le deuxième groupe expérimental, la couleur de l’écran changeait régulièrement de vert à rouge à chaque transition de blocs d’essais, mais le changement des champs de forces était randomisé par rapport aux changements de couleur (groupe « indice-incertain », II). Ces sujets ont pris plus de temps à s’adapter aux champs de forces que les 3 autres groupes et ne pouvaient pas utiliser les stimuli de couleurs, qui n’étaient pas fiables puisque non systématiquement reliés aux champs de forces, pour faire des changements prédictifs dans leurs sorties motrices. Toutefois, tous les sujets de ce groupe ont développé une stratégie ingénieuse leur permettant d’émettre une réponse motrice « par défaut » afin de palper ou de sentir le type de la force qu’ils allaient rencontrer dans le premier essai de chaque bloc, à chaque changement de couleur. En effet, ils utilisaient la rétroaction proprioceptive liée à la nature du champ de force afin de prédire la sortie motrice appropriée pour les essais qui suivent, jusqu’au prochain changement de couleur d’écran qui signifiait la possibilité de changement de force. Cette stratégie était efficace puisque la force demeurait la même dans chaque bloc, pendant lequel la couleur de l’écran restait inchangée. Cette étude a démontré que les sujets du groupe II étaient capables d’utiliser les stimuli de couleur pour extraire des informations implicites et explicites nécessaires à la réalisation des mouvements, et qu’ils pouvaient utiliser ces informations pour diminuer l’interférence lors de l’adaptation aux forces anti-corrélées. Les résultats de cette première étude nous ont encouragés à étudier les mécanismes permettant aux sujets de se rappeler d’habiletés motrices multiples jumelées à des stimuli contextuels de couleur. Dans le cadre de notre deuxième étude, nos expériences ont été effectuées au niveau neuronal chez le singe. Notre but était alors d’élucider à quel point les neurones du cortex moteur primaire (M1) peuvent contribuer à la compensation d’un large éventail de différentes forces externes durant un mouvement de flexion/extension du coude. Par cette étude, nous avons testé l’hypothèse liée au modèle MOSAIC, selon laquelle il existe plusieurs modules contrôleurs dans le cervelet qui peuvent prédire chaque contexte et produire un signal de sortie motrice approprié pour un nombre restreint de conditions. Selon ce modèle, les neurones de M1 recevraient des entrées de la part de plusieurs contrôleurs cérébelleux spécialisés et montreraient ensuite une modulation appropriée de la réponse pour une large variété de conditions. Nous avons entraîné deux singes à adapter leurs mouvements de flexion/extension du coude dans le cadre de 5 champs de force différents : un champ nul ne présentant aucune perturbation, deux forces visqueuses anti-corrélées (assistante et résistante) qui dépendaient de la vitesse du mouvement et qui ressemblaient à celles utilisées dans notre étude psychophysique chez l’homme, une force élastique résistante qui dépendait de la position de l’articulation du coude et, finalement, un champ viscoélastique comportant une sommation linéaire de la force élastique et de la force visqueuse. Chaque champ de force était couplé à une couleur d’écran de l’ordinateur, donc nous avions un total de 5 couleurs différentes associées chacune à un champ de force (relation fixe). Les singes étaient bien adaptés aux 5 conditions de champs de forces et utilisaient les stimuli contextuels de couleur pour se rappeler de la sortie motrice appropriée au contexte de forces associé à chaque couleur, prédisant ainsi leur sortie motrice avant de sentir les effets du champ de force. Les enregistrements d’EMG ont permis d’éliminer la possibilité de co-contractions sous-tendant ces adaptations, étant donné que le patron des EMG était approprié pour compenser chaque condition de champ de force. En parallèle, les neurones de M1 ont montré des changements systématiques dans leurs activités, sur le plan unitaire et populationnel, dans chaque condition de champ de force, signalant les changements requis dans la direction, l’amplitude et le décours temporel de la sortie de force musculaire nécessaire pour compenser les 5 conditions de champs de force. Les changements dans le patron de réponse pour chaque champ de force étaient assez cohérents entre les divers neurones de M1, ce qui suggère que la plupart des neurones de M1 contribuent à la compensation de toutes les conditions de champs de force, conformément aux prédictions du modèle MOSAIC. Aussi, cette modulation de l’activité neuronale ne supporte pas l’hypothèse d’une organisation fortement modulaire de M1.