Modeling of Distributed Control Systems in Intelligent Building based on Colored Petri Nets

Distributed control systems consist of sensors, actuators and controllers, interconnected by communication networks and are characterized by a high number of concurrent process. This work presents a proposal for a procedure to model and analyze communication networks for distributed control systems in intelligent building. The approach considered for this purpose is based on the characterization of the control system as a discrete event system and application of coloured Petri net as a formal method for specification, analysis and verification of control solutions. With this approach, we develop the models that compose the communication networks for the control systems of intelligent building, which are considered the relationships between the various buildings systems. This procedure provides a structured development of models, facilitating the process of specifying the control algorithm. An application example is presented in order to illustrate the main features of this approach.

Accelerating autonomous learning by using heuristic selection of actions

This paper investigates how to make improved action selection for online policy learning in robotic scenarios using reinforcement learning (RL) algorithms. Since finding control policies using any RL algorithm can be very time consuming, we propose to combine RL algorithms with heuristic functions for selecting promising actions during the learning process. With this aim, we investigate the use of heuristics for increasing the rate of convergence of RL algorithms and contribute with a new learning algorithm, Heuristically Accelerated Q-learning (HAQL), which incorporates heuristics for action selection to the Q-Learning algorithm. Experimental results on robot navigation show that the use of even very simple heuristic functions results in significant performance enhancement of the learning rate.

Specification of Supervisory Control Systems for Ventricular Assist Devices

One of the most important recent improvements in cardiology is the use of ventricular assist devices (VADs) to help patients with severe heart diseases, especially when they are indicated to heart transplantation. The Institute Dante Pazzanese of Cardiology has been developing an implantable centrifugal blood pump that will be able to help a sick human heart to keep blood flow and pressure at physiological levels. This device will be used as a totally or partially implantable VAD. Therefore, an improvement on device performance is important for the betterment of the level of interaction with patient`s behavior or conditions. But some failures may occur if the device`s pumping control does not follow the changes in patient`s behavior or conditions. The VAD control system must consider tolerance to faults and have a dynamic adaptation according to patient`s cardiovascular system changes, and also must attend to changes in patient conditions, behavior, or comportments. This work proposes an application of the mechatronic approach to this class of devices based on advanced techniques for control, instrumentation, and automation to define a method for developing a hierarchical supervisory control system that is able to perform VAD control dynamically, automatically, and securely. For this methodology, we used concepts based on Bayesian network for patients` diagnoses, Petri nets to generate a VAD control algorithm, and Safety Instrumented Systems to ensure VAD system security. Applying these concepts, a VAD control system is being built for method effectiveness confirmation.

Fast experimental identification of suspension models for control design

This paper presents both the theoretical and the experimental approaches of the development of a mathematical model to be used in multi-variable control system designs of an active suspension for a sport utility vehicle (SUV), in this case a light pickup truck. A complete seven-degree-of-freedom model is successfully quickly identified, with very satisfactory results in simulations and in real experiments conducted with the pickup truth. The novelty of the proposed methodology is the use of commercial software in the early stages of the identification to speed up the process and to minimize the need for a large number of costly experiments. The paper also presents major contributions to the identification of uncertainties in vehicle suspension models and in the development of identification methods using the sequential quadratic programming, where an innovation regarding the calculation of the objective function is proposed and implemented. Results from simulations of and practical experiments with the real SUV are presented, analysed, and compared, showing the potential of the method.

MODELLING AND CONTROL OF ERSW PROCESSES BY NEURONAL NETWORK

A study on the use of artificial intelligence (AI) techniques for the modelling and subsequent control of an electric resistance spot welding process (ERSW) is presented. The ERSW process is characterized by the coupling of thermal, electrical, mechanical, and metallurgical phenomena. For this reason, early attempts to model it using computational methods established as the methods of finite differences, finite element, and finite volumes, ask for simplifications that lead the model obtained far from reality or very costly in terms of computational costs, to be used in a real-time control system. In this sense, the authors have developed an ERSW controller that uses fuzzy logic to adjust the energy transferred to the weld nugget. The proposed control strategies differ in the speed with which it reaches convergence. Moreover, their application for a quality control of spot weld through artificial neural networks (ANN) is discussed.

A stable MPC with zone control

Several MPC applications implement a control strategy in which some of the system outputs are controlled within specified ranges or zones, rather than at fixed set points [J.M. Maciejowski, Predictive Control with Constraints, Prentice Hall, New Jersey, 2002]. This means that these outputs will be treated as controlled variables only when the predicted future values lie outside the boundary of their corresponding zones. The zone control is usually implemented by selecting an appropriate weighting matrix for the output error in the control cost function. When an output prediction is inside its zone, the corresponding weight is zeroed, so that the controller ignores this output. When the output prediction lies outside the zone, the error weight is made equal to a specified value and the distance between the output prediction and the boundary of the zone is minimized. The main problem of this approach, as long as stability of the closed loop is concerned, is that each time an output is switched from the status of non-controlled to the status of controlled, or vice versa, a different linear controller is activated. Thus, throughout the continuous operation of the process, the control system keeps switching from one controller to another. Even if a stabilizing control law is developed for each of the control configurations, switching among stable controllers not necessarily produces a stable closed loop system. Here, a stable M PC is developed for the zone control of open-loop stable systems. Focusing on the practical application of the proposed controller, it is assumed that in the control structure of the process system there is an upper optimization layer that defines optimal targets to the system inputs. The performance of the proposed strategy is illustrated by simulation of a subsystem of an industrial FCC system. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Thermodynamic information system for diagnosis and prognosis of power plant operation condition

A thermodynamic information system for diagnosis and prognosis of an existing power plant was developed. The system is based on an analytic approach that informs the current thermodynamic condition of all cycle components, as well as the improvement that can be obtained in the cycle performance by the elimination of the discovered anomalies. The effects induced by components anomalies and repairs in other components efficiency, which have proven to be one of the main drawbacks in the diagnosis and prognosis analyses, are taken into consideration owing to the use of performance curves and corrected performance curves together with the thermodynamic data collected from the distributed control system. The approach used to develop the system is explained, the system implementation in a real gas turbine cogeneration combined cycle is described and the results are discussed. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Control of fed-batch fermentations

Fed-batch fermentation is used to prevent or reduce substrate-associated growth inhibition by controlling nutrient supply. Here we review the advances in control of fed-batch fermentations. Simple exponential feeding and inferential methods are examined, as are newer methods based on fuzzy control and neural networks. Considerable interest has developed in these more advanced methods that hold promise for optimizing fed-batch techniques for complex fermentation systems. (C) 1999 Elsevier Science Inc. All rights reserved.

On the Hopf bifurcation in control systems with a bounded nonlinearity asymptotically homogeneous at infinity

The paper studies existence, uniqueness, and stability of large-amplitude periodic cycles arising in Hopf bifurcation at infinity of autonomous control systems with bounded nonlinear feedback. We consider systems with functional nonlinearities of Landesman-Lazer type and a class of systems with hysteresis nonlinearities. The method is based on the technique of parameter functionalization and methods of monotone concave and convex operators. (C) 2001 Academic Press.

Control of chaotic motion in a dual-spin spacecraft with nutational damping

Control of chaotic vibrations in a dual-spin spacecraft with an axial nutational damper is achieved using two techniques. The control methods are implemented on two realistic spacecraft parameter configurations that have been found to exhibit chaotic instability when a sinusoidally varying torque is applied to the spacecraft for a range of forcing amplitudes and frequencies. Such a torque, in practice, may arise under malfunction of the control system or from an unbalanced rotor. Chaotic instabilities arising from these torques could introduce uncertainties and irregularities into a spacecraft's attitude motion and, consequently, could have disastrous effects on its operation. The two control methods, recursive proportional feedback and continuous delayed feedback, are recently developed techniques for control of chaotic motion in dynamic systems. Each technique is outlined and the effectiveness on this model compared and contrasted. Numerical simulations are performed, and the results are studied by means of time history, phase space, Poincare map, Lyapunov characteristic exponents, and bifurcation diagrams.

Control of chaotic instability in a dual-spin spacecraft with dissipation using energy methods

Control of chaotic instability in a rotating multibody system in the form of a dual-spin spacecraft with an axial nutational damper is achieved using an algorithm derived using energy methods. The control method is implemented on two realistic spacecraft parameter configurations which have been found to exhibit chaotic instability when a sinusoidally varying torque is applied to the spacecraft for a range of forcing amplitudes and frequencies. Such a torque, in practice, may arise under malfunction of the control system or from an unbalanced rotor. Chaotic instabilities arising from these torques could introduce uncertainties and irregularities into a spacecraft's attitude and consequently impair pointing accuracy. The control method is formulated from nutational stability results derived using an energy sink approximation for a dual-spin spacecraft with an asymmetric platform and axisymmetric rotor. The effectiveness of the control method is shown numerically and the results are studied by means of time history, phase space, Poincare map, Lyapunov characteristic exponents and Bifurcation diagrams.

Contribution of cholinergic systems to state-dependent modulation of respiratory control

Respiration is altered during different stages of the sleep-wake cycle. We review the contribution of cholinergic systems to this alteration, with particular reference to the role of muscarinic acetylcholine receptors (MAchRs) during rapid eye movement (REM) sleep. Available evidence demonstrates that MAchRs have potent excitatory effects on medullary respiratory neurones and respiratory motoneurones, and are likely to contribute to changes in central chemosensitive drive to the respiratory control system. These effects are likely to be most prominent during REM sleep, when cholinergic brainstem neurones show peak activity levels. It is possible that MAchR dysfunction is involved in sleep-disordered breathing, Such as obstructive sleep apnea. (C) 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

A new control strategy with saturation effect compensation for an autonomous induction generator drivenby wide speed range turbines

This paper presents a variable speed autonomous squirrel cage generator excited by a current-controlled voltage source inverter to be used in stand-alone micro-hydro power plants. The paper proposes a system control strategy aiming to properly excite the machine as well as to achieve the load voltage control. A feed-forward control sets the appropriate generator flux by taking into account the actual speed and the desired load voltage. A load voltage control loop is used to adjust the generated active power in order to sustain the load voltage at a reference value. The control system is based on a rotor flux oriented vector control technique which takes into account the machine saturation effect. The proposed control strategy and the adopted system models were validated both by numerical simulation and by experimental results obtained from a laboratory prototype. Results covering the prototype start-up, as well as its steady-state and dynamical behavior are presented. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Sistema de controlo de um veículo autónomo terrestre

A crescente necessidade imposta pela gama de aplicações existentes, torna o estudo dos veículos autónomos terrestres um objecto de grande interesse na investigação. A utilização de robots móveis autónomos originou quer um incremento de eficiência e eficácia em inúmeras aplicações como permite a intervenção humana em contextos de elevado risco ou inacessibilidade. Aplicações de monitorização e segurança constituem um foco de utilização deste tipo de sistemas quer pela automatização de procedimentos quer pelos ganhos de eficiência (desde a eficiência de soluções multi-veículo à recolha e detecção de informação). Neste contexto, esta dissertação endereça o problema de concepção, o desenvolvimento e a implementação de um veículo autónomo terrestre, com ênfase na perspectiva de controlo. Este projecto surge pois no âmbito do desenvolvimento de um novo veículo terrestre no Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA) do Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP). É efectuado um levantamento de requisitos do sistema tendo por base a caracterização de aplicações de monitorização, transporte e vigilância em cenários exteriores pouco estruturados. Um estado da arte em veículos autónomos terrestres é apresentado bem como conceitos e tecnologias relevantes para o controlo deste tipo de sistemas. O problema de controlo de locomoção é abordado tendo em particular atenção o controlo de motores DC brushless. Apresenta-se o projecto do sistema de controlo do veículo, desde o controlo de tracção e direcção, ao sistema computacional de bordo responsável pelo controlo e supervisão da missão. A solução adoptada para a implementação mecânica da estrutura do veículo consiste numa plataforma de veículo todo terreno (motociclo 4X4) disponível comercialmente. O projecto e implementação do sistema de controlo de direcção para o mesmo é apresentado quer sob o ponto de vista da solução electromecânica, quer pelo subsistema de hardware de controlo embebido e respectivo software. Tendo em vista o controlo de tracção são apresentadas duas soluções. Uma passando pelo estudo e desenvolvimento de um sistema de raiz capaz de controlar motores BLDC de elevada potência, a segunda passando pela utilização de uma solução através de um controlador externo. A gestão energética do sistema é abordada através do projecto e implementação de um sistema de controlo e distribuição de energia específico. A implementação do veículo foi alcançada nas suas vertentes mecânica, de hardware e software, envolvendo a integração dos subsistemas projectados especialmente bem como a implementação do sistema computacional de bordo. São apresentados resultados de validação do controlo de locomoção básico quer em simulação quer descritos os testes e validações efectuados no veículo real. No presente trabalho, são também tiradas algumas conclusões sobre o desenvolvimento do sistema e sua implementação bem como perspectivada a sua evolução futura no contexto de missões coordenadas de múltiplos veículos robóticos.

PSiS mobile

Os sistemas de recomendação têm vindo a ser cada vez mais utilizados nos últimos anos. Por isso, é imprescindível que estes sistemas se adaptem à evolução da sociedade incluindo cada vez mais novas funcionalidades, tais como a adaptação do sistema ao contexto da pessoa. Esta adaptação pode ser feita através de, por exemplo, dispositivos móveis, que têm vindo a apresentar uma taxa de crescimento de vendas muito grande. Dada a crescente integração dos sistemas de recomendação com os sistemas móveis, foi elaborado um estudo sobre o estado da arte dos sistemas de auxílio ao turista que utilizam dispositivos móveis, sendo apresentadas as suas vantagens e desvantagens. Estes sistemas móveis de auxílio a turistas foram divididos em dois grupos: os que apresentam apenas a informação sobre pontos de interesse e os sistemas que são capazes de efectuar recomendações, com base no perfil do turista. Um breve estudo sobre os sistemas operativos para dispositivos móveis é apresentado, sendo especialmente focado o sistema operativo Android que foi o escolhido para esta implementação. Como os dispositivos móveis, actualmente, ainda possuem várias limitações, estas foram descritas e apresentadas as boas práticas no desenvolvimento de aplicações para este tipo de sistemas. É também apresentado um estudo que visa descobrir qual é o método mais leve e mais rápido para trocar dados entre a parte servidora e a parte móvel. Com a parte introdutória apresentada, é exposto o projecto desenvolvido nesta tese, o PSiS Mobile. Este sistema é um módulo que faz parte do projecto PSiS e pretende trazer todas as vantagens dos sistemas móveis para o sistema base já implementado. O projecto PSiS foca-se no estabelecimento de planos de visita personalizados com indicação de percursos para turistas com tempo limitado. Apoiando a definição de planos de visitas de acordo com o perfil do turista (interesses, valores pessoais, desejos, restrições, deficiências, etc.) combinando os produtos de turismo mais adequados (locais de interesse, eventos, restaurantes, etc.) em itinerários eficientes. A utilização de dispositivos móveis para acompanhamento da visita permite uma rápida interacção entre o turista e o sistema. Assim, o PSiS poderá recolher informação contextual do utilizador para que o perfil do mesmo seja enriquecido. O sistema apresentado é composto por duas partes: a parte cliente e a parte servidora. Toda a informação, como por exemplo o perfil do turista, histórico de viagens e valores de similaridade entre utilizadores está presente na parte servidora. O processo de recomendação também é efectuado pela aplicação servidora, sendo esta a responsável pela atribuição de uma classificação aos pontos de interesse tendo em conta o perfil do utilizador em causa. A base de dados do PSiS possui toda a informação relativa aos pontos de interesse numa determinada cidade ou região e o portfólio completo do histórico de visitas de cada utilizador. A componente móvel é uma parte muito importante para o sistema, pois interage com o utilizador no terreno. Um dispositivo móvel como o PDA, não só permite a apresentação de informação relevante ao utilizador, como também permite a recolha automática de informação contextual (por exemplo, a localização). Toda esta informação contribui para a definição de um perfil completo e para uma melhor adaptação do sistema às necessidades do utilizador. De forma a nem sempre estar dependente do servidor, a aplicação móvel possui rotinas para a realização de recomendações básicas. Ou seja, a aplicação móvel não realiza a classificação dos pontos de interesse, mas apenas mostra os principais resultados já formados pela parte servidora. Por exemplo, se um utilizador gostar de comida Chinesa, um restaurante Chinês nas imediações irá ter uma boa classificação e, por isso, ser recomendado. A aplicação móvel mostra ao turista o percurso definido para o dia em que o mesmo se encontra, sendo feito o rastreio do trajecto que o mesmo efectua. Assim, o sistema consegue saber se o horário do planeamento está a ser cumprido ou não. Caso não esteja, é invocado um algoritmo de planeamento que irá tentar corrigir o atraso ou o adiantamento perante o horário inicial. Depois de visitar um ponto de interesse, é pedido ao utilizador para fornecer feedback sobre o mesmo. Se desejado também é possível mostrar os pontos de interesse existentes perto do turista (usando as coordenadas GPS obtidas pelo dispositivo móvel) organizados por categorias, raio de distância, etc. Apesar dos dispositivos móveis possuírem várias restrições, pretendeu-se proporcionar ao utilizador uma boa experiência, através de uma aplicação rápida, de fácil utilização e adaptável, incluindo funcionalidades de planeamento, realidade aumentada e integração com a rede social do sistema. Todos estes factores contribuem para a disponibilização de informação detalhada ao turista.