Variable structure control with chattering elimination and guaranteed stability for a generalized T-S model

In this paper, a fuzzy based Variable Structure Control (VSC) with guaranteed stability is presented. The main objective is to obtain an improved performance of highly non-linear unstable systems. The main contribution of this work is that, firstly, new functions for chattering reduction and error convergence without sacrificing invariant properties are proposed, which is considered the main drawback of the VSC control. Secondly, the global stability of the controlled system is guaranteed.The well known weighting parameters approach, is used in this paper to optimize local and global approximation and modeling capability of T-S fuzzy model.A one link robot is chosen as a nonlinear unstable system to evaluate the robustness, effectiveness and remarkable performance of optimization approach and the high accuracy obtained in approximating nonlinear systems in comparison with the original T-S model. Simulation results indicate the potential and generality of the algorithm. The application of the proposed FLC-VSC shows that both alleviation of chattering and robust performance are achieved with the proposed FLC-VSC controller. The effectiveness of the proposed controller is proven in front of disturbances and noise effects.

Fishing effort control regulations influence on stability, safety and operability of small fishing vessels: study of a series of stability related accidents occurred in Spain between 2004 and 2007

Entre los años 2004 y 2007 se hundieron por problemas de estabilidad cinco pesqueros españoles de pequeña eslora, de características parecidas, de relativamente poca edad, que habían sido construidos en un intervalo de pocos años. La mayoría de los tripulantes de esos pesqueros fallecieron o desaparecieron en esos accidentes. Este conjunto de accidentes tuvo bastante repercusión social y mediática. Entre ingenieros navales y marinos del sector de la pesca se relacionó estos accidentes con los condicionantes a los diseños de los pesqueros impuestos por la normativa de control de esfuerzo pesquero. Los accidentes fueron investigados y publicados sus correspondientes informes; en ellos no se exploró esta supuesta relación. Esta tesis pretende investigar la relación entre esos accidentes y los cambios de la normativa de esfuerzo pesquero. En la introducción se expone la normativa de control de esfuerzo pesquero analizada, se presentan datos sobre la estructura de la flota pesquera en España y su accidentalidad, y se detallan los criterios de estabilidad manejados durante el trabajo, explicando su relación con la seguridad de los pesqueros. Seguidamente se realiza un análisis estadístico de la siniestralidad en el sector de la pesca para establecer si el conjunto de accidentes estudiados supone una anomalía, o si por el contrario el conjunto de estos accidentes no es relevante desde el punto de vista estadístico. Se analiza la siniestralidad a partir de diversas bases de datos de buques pesqueros en España y se concluye que el conjunto de accidentes estudiados supone una anomalía estadística, ya que la probabilidad de ocurrencia de los cinco sucesos es muy baja considerando la frecuencia estimada de pérdidas de buques por estabilidad en el subsector de la flota pesquera en el que se encuadran los cinco buques perdidos. A continuación el trabajo se centra en la comparación de los buques accidentados con los buques pesqueros dados de baja para construir aquellos, según exige la normativa de control de esfuerzo pesquero; a estos últimos buques nos referiremos como “predecesores” de los buques accidentados. Se comparan las dimensiones principales de cada buque y de su predecesor, resultando que los buques accidentados comparten características de diseño comunes que son sensiblemente diferentes en los buques predecesores, y enlazando dichas características de diseño con los requisitos de la nueva normativa de control del esfuerzo pesquero bajo la que se construyeron estos barcos. Ello permite establecer una relación entre los accidentes y el mencionado cambio normativo. A continuación se compara el margen con que se cumplían los criterios reglamentarios de estabilidad entre los buques accidentados y los predecesores, encontrándose que en cuatro de los cinco casos los predecesores cumplían los criterios de estabilidad con mayor holgura que los buques accidentados. Los resultados obtenidos en este punto permiten establecer una relación entre el cambio de normativa de esfuerzo pesquero y la estabilidad de los buques. Los cinco buques accidentados cumplían con los criterios reglamentarios de estabilidad en vigor, lo que cuestiona la relación entre esos criterios y la seguridad. Por ello se extiende la comparativa entre pesqueros a dos nuevos campos relacionados con la estabilidad y la seguridad delos buques: • Movimientos a bordo (operatividad del buque), y • Criterios de estabilidad en condiciones meteorológicas adversas El estudio de la operatividad muestra que los buques accidentados tenían, en general, una mayor operatividad que sus predecesores, contrariamente a lo que sucedía con el cumplimiento de los criterios reglamentarios de estabilidad. Por último, se comprueba el desempeño de los diez buques en dos criterios específicos de estabilidad en caso de mal tiempo: el criterio IMO de viento y balance intenso, y un criterio de estabilidad de nueva generación, incluyendo la contribución original del autor de considerar agua en cubierta. Las tendencias observadas en estas dos comparativas son opuestas, lo que permite cuestionar la validez del último criterio sin un control exhaustivo de los parámetros de su formulación, poniendo de manifiesto la necesidad de más investigaciones sobre ese criterio antes de su adopción para uso regulatorio. El conjunto de estos resultados permite obtener una serie de conclusiones en la comparativa entre ambos conjuntos de buques pesqueros. Si bien los resultados de este trabajo no muestran que la aprobación de la nueva normativa de esfuerzo pesquero haya significado una merma general de seguridad en sectores enteros de la flota pesquera, sí se concluye que permitió que algunos diseños de buques pesqueros, posiblemente en busca de la mayor eficiencia compatible con dicha normativa, quedaran con una estabilidad precaria, poniendo de manifiesto que la relación entre seguridad y criterios de estabilidad no es unívoca, y la necesidad de que éstos evolucionen y se adapten a los nuevos diseños de buques pesqueros para continuar garantizando su seguridad. También se concluye que la estabilidad es un aspecto transversal del diseño de los buques, por lo que cualquier reforma normativa que afecte al diseño de los pesqueros o su forma de operar debería estar sujeta a evaluación por parte de las autoridades responsables de la seguridad marítima con carácter previo a su aprobación. ABSTRACT Between 2004 and 2007 five small Spanish fishing vessels sank in stability related accidents. These vessels had similar characteristics, had relatively short age, and had been built in a period of a few years. Most crewmembers of these five vessels died or disappeared in those accidents. This set of accidents had significant social and media impact. Among naval architects and seamen of the fishing sector these accidents were related to the design constraints imposed by the fishing control effort regulations. The accidents were investigated and the official reports issued; this alleged relationship was not explored. This thesis aims to investigate the relationship between those accidents and changes in fishing effort control regulations. In the introduction, the fishing effort control regulation is exposed, data of the Spanish fishing fleet structure and its accident rates are presented, and stability criteria dealt with in this work are explained, detailing its relationship with fishing vessel safety. A statistical analysis of the accident rates in the fishing sector in Spain is performed afterwards. The objective is determining whether the set of accidents studied constitute an anomaly or, on the contrary, they are not statistically relevant. Fishing vessels accident rates is analyzed from several fishing vessel databases in Spain. It is concluded that the set of studied accidents is statistically relevant, as the probability of occurrence of the five happenings is extremely low, considering the loss rates in the subsector of the Spanish fishing fleet where the studied vessels are fitted within. From this point the thesis focuses in comparing the vessels lost and the vessels that were decommissioned to build them as required by the fishing effort control regulation; these vessels will be referred to as “predecessors” of the sunk vessels. The main dimensions between each lost vessel and her predecessor are compared, leading to the conclusion that the lost vessels share design characteristics which are sensibly different from the predecessors, and linking these design characteristics with the requirements imposed by the new fishing control effort regulations. This allows establishing a relationship between the accidents and this regulation change. Then the margin in fulfilling the regulatory stability criteria among the vessels is compared, resulting, in four of the five cases, that predecessors meet the stability criteria with greater clearance than the sunk vessels. The results obtained at this point would establish a relationship between the change of fishing effort control regulation and the stability of vessels. The five lost vessels complied with the stability criteria in force, so the relation between these criteria and safety is put in question. Consequently, the comparison among vessels is extended to other fields related to safety and stability: • Motions onboard (operability), and • Specific stability criteria in rough weather The operability study shows that the lost vessels had in general greater operability than their predecessors, just the opposite as when comparing stability criteria. Finally, performance under specific rough weather stability criteria is checked. The criteria studied are the IMO Weather Criterion, and one of the 2nd generation stability criteria under development by IMO considering in this last case the presence of water on deck, which is an original contribution by the author. The observed trends in these two cases are opposite, allowing to put into question the last criterion validity without an exhaustive control of its formulation parameters; indicating that further research might be necessary before using it for regulatory purposes. The analysis of this set of results leads to some conclusions when comparing both groups of fishing vessels. While the results obtained are not conclusive in the sense that the entry into force of a new fishing effort control in 1998 caused a generalized safety reduction in whole sectors of the Spanish fishing fleet, it can be concluded that it opened the door for some vessel designs resulting with precarious stability. This evidences that the relation between safety and stability criteria is not univocal, so stability criteria needs to evolve for adapting to new fishing vessels designs so their safety is still guaranteed. It is also concluded that stability is a transversal aspect to ship design and operability, implying that any legislative reform affecting ship design or operating modes should be subjected to assessing by the authorities responsible for marine safety before being adopted.

Time domain passivity control for delayed teleoperation

La telepesencia combina diferentes modalidades sensoriales, incluyendo, entre otras, la visual y la del tacto, para producir una sensación de presencia remota en el operador. Un elemento clave en la implementación de sistemas de telepresencia para permitir una telemanipulación del entorno remoto es el retorno de fuerza. Durante una telemanipulación, la energía mecánica es transferida entre el operador humano y el entorno remoto. En general, la energía es una propiedad de los objetos físicos, fundamental en su mutual interacción. En esta interacción, la energía se puede transmitir entre los objetos, puede cambiar de forma pero no puede crearse ni destruirse. En esta tesis, se aplica este principio fundamental para derivar un nuevo método de control bilateral que permite el diseño de sistemas de teleoperación estables para cualquier arquitectura concebible. El razonamiento parte del hecho de que la energía mecánica insertada por el operador humano en el sistema debe transferirse hacia el entorno remoto y viceversa. Tal como se verá, el uso de la energía como variable de control permite un tratamiento más general del sistema que el control convencional basado en variables específicas del sistema. Mediante el concepto de Red de Potencia de Retardo Temporal (RPRT), el problema de definir los flujos de energía en un sistema de teleoperación es solucionado con independencia de la arquitectura de comunicación. Como se verá, los retardos temporales son la principal causa de generación de energía virtual. Este hecho se observa con retardos a partir de 1 milisegundo. Esta energía virtual es añadida al sistema de forma intrínseca y representa la causa principal de inestabilidad. Se demuestra que las RPRTs son transportadoras de la energía deseada intercambiada entre maestro y esclavo pero a la vez generadoras de energía virtual debido al retardo temporal. Una vez estas redes son identificadas, el método de Control de Pasividad en el Dominio Temporal para RPRTs se propone como mecanismo de control para asegurar la pasividad del sistema, y as__ la estabilidad. El método se basa en el simple hecho de que esta energía virtual debido al retardo debe transformarse en disipación. As__ el sistema se aproxima al sistema deseado, donde solo la energía insertada desde un extremo es transferida hacia el otro. El sistema resultante presenta dos cualidades: por un lado la estabilidad del sistema queda garantizada con independencia de la arquitectura del sistema y del canal de comunicación; por el otro, el rendimiento es maximizado en términos de fidelidad de transmisión energética. Los métodos propuestos se sustentan con sistemas experimentales con diferentes arquitecturas de control y retardos entre 2 y 900 ms. La tesis concluye con un experimento que incluye una comunicación espacial basada en el satélite geoestacionario ASTRA. ABSTRACT Telepresence combines different sensorial modalities, including vision and touch, to produce a feeling of being present in a remote location. The key element to successfully implement a telepresence system and thus to allow telemanipulation of a remote environment is force feedback. In a telemanipulation, mechanical energy must convey from the human operator to the manipulated object found in the remote environment. In general, energy is a property of all physical objects, fundamental to their mutual interactions in which the energy can be transferred among the objects and can change form but cannot be created or destroyed. In this thesis, we exploit this fundamental principle to derive a novel bilateral control mechanism that allows designing stable teleoperation systems with any conceivable communication architecture. The rationale starts from the fact that the mechanical energy injected by a human operator into the system must be conveyed to the remote environment and Vice Versa. As will be seen, setting energy as the control variable allows a more general treatment of the controlled system in contrast to the more conventional control of specific systems variables. Through the Time Delay Power Network (TDPN) concept, the issue of defining the energy flows involved in a teleoperation system is solved with independence of the communication architecture. In particular, communication time delays are found to be a source of virtual energy. This fact is observed with delays starting from 1 millisecond. Since this energy is added, the resulting teleoperation system can be non-passive and thus become unstable. The Time Delay Power Networks are found to be carriers of the desired exchanged energy but also generators of virtual energy due to the time delay. Once these networks are identified, the Time Domain Passivity Control approach for TDPNs is proposed as a control mechanism to ensure system passivity and therefore, system stability. The proposed method is based on the simple fact that this intrinsically added energy due to the communication must be transformed into dissipation. Then the system becomes closer to the ambitioned one, where only the energy injected from one end of the system is conveyed to the other one. The resulting system presents two benefits: On one hand, system stability is guaranteed through passivity independently from the chosen control architecture and communication channel; on the other, performance is maximized in terms of energy transfer faithfulness. The proposed methods are sustained with a set of experimental implementations using different control architectures and communication delays ranging from 2 to 900 milliseconds. An experiment that includes a communication Space link based on the geostationary satellite ASTRA concludes this thesis.