LMI-based digital redesign of linear time-invariant systems with state-derivative feedback

A simple method for designing a digital state-derivative feedback gain and a feedforward gain such that the control law is equivalent to a known and adequate state feedback and feedforward control law of a digital redesigned system is presented. It is assumed that the plant is a linear controllable, time-invariant, Single-Input (SI) or Multiple-Input (MI) system. This procedure allows the use of well-known continuous-time state feedback design methods to directly design discrete-time state-derivative feedback control systems. The state-derivative feedback can be useful, for instance, in the vibration control of mechanical systems, where the main sensors are accelerometers. One example considering the digital redesign with state-derivative feedback of a helicopter illustrates the proposed method. © 2009 IEEE.

On switched control design of linear time-invariant systems with polytopic uncertainties

This paper proposes a new switched control design method for some classes of linear time-invariant systems with polytopic uncertainties. This method uses a quadratic Lyapunov function to design the feedback controller gains based on linear matrix inequalities (LMIs). The controller gain is chosen by a switching law that returns the smallest value of the time derivative of the Lyapunov function. The proposed methodology offers less conservative alternative than the well-known controller for uncertain systems with only one state feedback gain. The control design of a magnetic levitator illustrates the procedure. © 2013 Wallysonn A. de Souza et al.

Anisotropy-based performance analysis of linear discrete time invariant control systems

The anisotropic norm of a linear discrete-time-invariant system measures system output sensitivity to stationary Gaussian input disturbances of bounded mean anisotropy. Mean anisotropy characterizes the degree of predictability (or colouredness) and spatial non-roundness of the noise. The anisotropic norm falls between the H-2 and H-infinity norms and accommodates their loss of performance when the probability structure of input disturbances is not exactly known. This paper develops a method for numerical computation of the anisotropic norm which involves linked Riccati and Lyapunov equations and an associated special type equation.

On the identification of multi-output linear time-invariant and periodic dynamic systems /

Includes bibliographies (p. 27-29).

CHARACTERIZATION OF EXPONENTIAL DIVERGENCE OF THE KALMAN FILTER FOR TIME-VARYING SYSTEMS

This paper studies semistability of the recursive Kalman filter in the context of linear time-varying (LTV), possibly nondetectable systems with incorrect noise information. Semistability is a key property, as it ensures that the actual estimation error does not diverge exponentially. We explore structural properties of the filter to obtain a necessary and sufficient condition for the filter to be semistable. The condition does not involve limiting gains nor the solution of Riccati equations, as they can be difficult to obtain numerically and may not exist. We also compare semistability with the notions of stability and stability w.r.t. the initial error covariance, and we show that semistability in a sense makes no distinction between persistent and nonpersistent incorrect noise models, as opposed to stability. In the linear time invariant scenario we obtain algebraic, easy to test conditions for semistability and stability, which complement results available in the context of detectable systems. Illustrative examples are included.

A time-invariant visco-elastic windkessel model relating blood flow and blood volume

The difference between the rate of change of cerebral blood volume (CBV) and cerebral blood flow (CBF) following stimulation is thought to be due to circumferential stress relaxation in veins (Mandeville, J.B., Marota, J.J.A., Ayata, C., Zaharchuk, G., Moskowitz, M.A., Rosen, B.R., Weisskoff, R.M., 1999. Evidence of a cerebrovascular postarteriole windkessel with delayed compliance. J. Cereb. Blood Flow Metab. 19, 679–689). In this paper we explore the visco-elastic properties of blood vessels, and present a dynamic model relating changes in CBF to changes in CBV. We refer to this model as the visco-elastic windkessel (VW) model. A novel feature of this model is that the parameter characterising the pressure–volume relationship of blood vessels is treated as a state variable dependent on the rate of change of CBV, producing hysteresis in the pressure–volume space during vessel dilation and contraction. The VW model is nonlinear time-invariant, and is able to predict the observed differences between the time series of CBV and that of CBF measurements following changes in neural activity. Like the windkessel model derived by Mandeville, J.B., Marota, J.J.A., Ayata, C., Zaharchuk, G., Moskowitz, M.A., Rosen, B.R., Weisskoff, R.M., 1999. Evidence of a cerebrovascular postarteriole windkessel with delayed compliance. J. Cereb. Blood Flow Metab. 19, 679–689, the VW model is primarily a model of haemodynamic changes in the venous compartment. The VW model is demonstrated to have the following characteristics typical of visco-elastic materials: (1) hysteresis, (2) creep, and (3) stress relaxation, hence it provides a unified model of the visco-elastic properties of the vasculature. The model will not only contribute to the interpretation of the Blood Oxygen Level Dependent (BOLD) signals from functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) experiments, but also find applications in the study and modelling of the brain vasculature and the haemodynamics of circulatory and cardiovascular systems.

Dynamic Tracking with Zero Variation and Disturbance Rejection Applied to Discrete-Time Systems

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Synchronization of Discrete-Time Chaotic Systems in Bandlimited Channels

Over the last couple of decades, many methods for synchronizing chaotic systems have been proposed with communications applications in view. Yet their performance has proved disappointing in face of the nonideal character of usual channels linking transmitter and receiver, that is, due to both noise and signal propagation distortion. Here we consider a discrete-time master-slave system that synchronizes despite channel bandwidth limitations and an allied communication system. Synchronization is achieved introducing a digital filter that limits the spectral content of the feedback loop responsible for producing the transmitted signal. Copyright (C) 2009 Marcio Eisencraft et al.

H(infinity) filtering for rectangular discrete-time descriptor systems

This paper deals with the H(infinity) recursive estimation problem for general rectangular time-variant descriptor systems in discrete time. Riccati-equation based recursions for filtered and predicted estimates are developed based on a data fitting approach and game theory. In this approach, the nature determines a state sequence seeking to maximize the estimation cost, whereas the estimator tries to find an estimate that brings the estimation cost to a minimum. A solution exists for a specified gamma-level if the resulting cost is positive. In order to present some computational alternatives to the H(infinity) filters developed, they are rewritten in information form along with the respective array algorithms. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Synthesis of PID controllers for a class of time delay systems

In this paper we use the Hermite-Biehler theorem to establish results on the design of proportional plus integral plus derivative (PID) controllers for a class of time delay systems. Using the property of interlacing at high frequencies of the class of systems considered and linear programming we obtain the set of all stabilizing PID controllers. As far as we know, previous results on the synthesis of PID controllers rely on the solution of transcendental equations. This paper also extends previous results on the synthesis of proportional controllers for a class of delay systems Of retarded type to a larger class of delay systems. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Recursive linear estimation for general discrete-time descriptor systems

This paper considers the optimal linear estimates recursion problem for discrete-time linear systems in its more general formulation. The system is allowed to be in descriptor form, rectangular, time-variant, and with the dynamical and measurement noises correlated. We propose a new expression for the filter recursive equations which presents an interesting simple and symmetric structure. Convergence of the associated Riccati recursion and stability properties of the steady-state filter are provided. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Some remarks on static-feedback linearization for time-varying systems

This work summarizes some results about static state feedback linearization for time-varying systems. Three different necessary and sufficient conditions are stated in this paper. The first condition is the one by [Sluis, W. M. (1993). A necessary condition for dynamic feedback linearization. Systems & Control Letters, 21, 277-283]. The second and the third are the generalizations of known results due respectively to [Aranda-Bricaire, E., Moog, C. H., Pomet, J. B. (1995). A linear algebraic framework for dynamic feedback linearization. IEEE Transactions on Automatic Control, 40, 127-132] and to [Jakubczyk, B., Respondek, W. (1980). On linearization of control systems. Bulletin del` Academie Polonaise des Sciences. Serie des Sciences Mathematiques, 28, 517-522]. The proofs of the second and third conditions are established by showing the equivalence between these three conditions. The results are re-stated in the infinite dimensional geometric approach of [Fliess, M., Levine J., Martin, P., Rouchon, P. (1999). A Lie-Backlund approach to equivalence and flatness of nonlinear systems. IEEE Transactions on Automatic Control, 44(5), 922-937]. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Linear minimum mean square filter for discrete-time linear systems with Markov jumps and multiplicative noises

In this paper we obtain the linear minimum mean square estimator (LMMSE) for discrete-time linear systems subject to state and measurement multiplicative noises and Markov jumps on the parameters. It is assumed that the Markov chain is not available. By using geometric arguments we obtain a Kalman type filter conveniently implementable in a recurrence form. The stationary case is also studied and a proof for the convergence of the error covariance matrix of the LMMSE to a stationary value under the assumption of mean square stability of the system and ergodicity of the associated Markov chain is obtained. It is shown that there exists a unique positive semi-definite solution for the stationary Riccati-like filter equation and, moreover, this solution is the limit of the error covariance matrix of the LMMSE. The advantage of this scheme is that it is very easy to implement and all calculations can be performed offline. (c) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Code offloading on real-time multimedia systems: a framework for handling code mobility and code offloading in a QoS aware environment

Actualmente, os smartphones e outros dispositivos móveis têm vindo a ser dotados com cada vez maior poder computacional, sendo capazes de executar um vasto conjunto de aplicações desde simples programas de para tirar notas até sofisticados programas de navegação. Porém, mesmo com a evolução do seu hardware, os actuais dispositivos móveis ainda não possuem as mesmas capacidades que os computadores de mesa ou portáteis. Uma possível solução para este problema é distribuir a aplicação, executando partes dela no dispositivo local e o resto em outros dispositivos ligados à rede. Adicionalmente, alguns tipos de aplicações como aplicações multimédia, jogos electrónicos ou aplicações de ambiente imersivos possuem requisitos em termos de Qualidade de Serviço, particularmente de tempo real. Ao longo desta tese é proposto um sistema de execução de código remota para sistemas distribuídos com restrições de tempo-real. A arquitectura proposta adapta-se a sistemas que necessitem de executar periodicamente e em paralelo mesmo conjunto de funções com garantias de tempo real, mesmo desconhecendo os tempos de execução das referidas funções. A plataforma proposta foi desenvolvida para sistemas móveis capazes de executar o Sistema Operativo Android.

Supporting intra-task parallelism in real-time multiprocessor systems

Os sistemas de tempo real modernos geram, cada vez mais, cargas computacionais pesadas e dinâmicas, começando-se a tornar pouco expectável que sejam implementados em sistemas uniprocessador. Na verdade, a mudança de sistemas com um único processador para sistemas multi- processador pode ser vista, tanto no domínio geral, como no de sistemas embebidos, como uma forma eficiente, em termos energéticos, de melhorar a performance das aplicações. Simultaneamente, a proliferação das plataformas multi-processador transformaram a programação paralela num tópico de elevado interesse, levando o paralelismo dinâmico a ganhar rapidamente popularidade como um modelo de programação. A ideia, por detrás deste modelo, é encorajar os programadores a exporem todas as oportunidades de paralelismo através da simples indicação de potenciais regiões paralelas dentro das aplicações. Todas estas anotações são encaradas pelo sistema unicamente como sugestões, podendo estas serem ignoradas e substituídas, por construtores sequenciais equivalentes, pela própria linguagem. Assim, o modo como a computação é na realidade subdividida, e mapeada nos vários processadores, é da responsabilidade do compilador e do sistema computacional subjacente. Ao retirar este fardo do programador, a complexidade da programação é consideravelmente reduzida, o que normalmente se traduz num aumento de produtividade. Todavia, se o mecanismo de escalonamento subjacente não for simples e rápido, de modo a manter o overhead geral em níveis reduzidos, os benefícios da geração de um paralelismo com uma granularidade tão fina serão meramente hipotéticos. Nesta perspetiva de escalonamento, os algoritmos que empregam uma política de workstealing são cada vez mais populares, com uma eficiência comprovada em termos de tempo, espaço e necessidades de comunicação. Contudo, estes algoritmos não contemplam restrições temporais, nem outra qualquer forma de atribuição de prioridades às tarefas, o que impossibilita que sejam diretamente aplicados a sistemas de tempo real. Além disso, são tradicionalmente implementados no runtime da linguagem, criando assim um sistema de escalonamento com dois níveis, onde a previsibilidade, essencial a um sistema de tempo real, não pode ser assegurada. Nesta tese, é descrita a forma como a abordagem de work-stealing pode ser resenhada para cumprir os requisitos de tempo real, mantendo, ao mesmo tempo, os seus princípios fundamentais que tão bons resultados têm demonstrado. Muito resumidamente, a única fila de gestão de processos convencional (deque) é substituída por uma fila de deques, ordenada de forma crescente por prioridade das tarefas. De seguida, aplicamos por cima o conhecido algoritmo de escalonamento dinâmico G-EDF, misturamos as regras de ambos, e assim nasce a nossa proposta: o algoritmo de escalonamento RTWS. Tirando partido da modularidade oferecida pelo escalonador do Linux, o RTWS é adicionado como uma nova classe de escalonamento, de forma a avaliar na prática se o algoritmo proposto é viável, ou seja, se garante a eficiência e escalonabilidade desejadas. Modificar o núcleo do Linux é uma tarefa complicada, devido à complexidade das suas funções internas e às fortes interdependências entre os vários subsistemas. Não obstante, um dos objetivos desta tese era ter a certeza que o RTWS é mais do que um conceito interessante. Assim, uma parte significativa deste documento é dedicada à discussão sobre a implementação do RTWS e à exposição de situações problemáticas, muitas delas não consideradas em teoria, como é o caso do desfasamento entre vários mecanismo de sincronização. Os resultados experimentais mostram que o RTWS, em comparação com outro trabalho prático de escalonamento dinâmico de tarefas com restrições temporais, reduz significativamente o overhead de escalonamento através de um controlo de migrações, e mudanças de contexto, eficiente e escalável (pelo menos até 8 CPUs), ao mesmo tempo que alcança um bom balanceamento dinâmico da carga do sistema, até mesmo de uma forma não custosa. Contudo, durante a avaliação realizada foi detetada uma falha na implementação do RTWS, pela forma como facilmente desiste de roubar trabalho, o que origina períodos de inatividade, no CPU em questão, quando a utilização geral do sistema é baixa. Embora o trabalho realizado se tenha focado em manter o custo de escalonamento baixo e em alcançar boa localidade dos dados, a escalonabilidade do sistema nunca foi negligenciada. Na verdade, o algoritmo de escalonamento proposto provou ser bastante robusto, não falhando qualquer meta temporal nas experiências realizadas. Portanto, podemos afirmar que alguma inversão de prioridades, causada pela sub-política de roubo BAS, não compromete os objetivos de escalonabilidade, e até ajuda a reduzir a contenção nas estruturas de dados. Mesmo assim, o RTWS também suporta uma sub-política de roubo determinística: PAS. A avaliação experimental, porém, não ajudou a ter uma noção clara do impacto de uma e de outra. No entanto, de uma maneira geral, podemos concluir que o RTWS é uma solução promissora para um escalonamento eficiente de tarefas paralelas com restrições temporais.