Relationship between deadbeat and pole-placement discrete-time PID controllers

This paper considers PID control in terms of its implementation by means of an ARMA plant model. Two controller actions are considered, namely pole placement and deadbeat, both being applied via a PID structure for the adaptive real-time control of an industrial level system. As well as looking at two controller types separately, a comparison is made between the forms and it is shown how, under certain circumstances, the two forms can be seen to be identical. It is shown how the pole-placement PID form does not in fact realise an action which is equivalent to the deadbeat controller, when all closed-loop poles are chosen to be at the origin of the z-plane.

A comparative study of multilayered and single layered neural network based predictive controllers

The authors compare the performance of two types of controllers one based on the multilayered network and the other based on the single layered CMAC network (cerebellar model articulator controller). The neurons (information processing units) in the multi-layered network use Gaussian activation functions. The control scheme which is considered is a predictive control algorithm, along the lines used by Willis et al. (1991), Kambhampati and Warwick (1991). The process selected as a test bed is a continuous stirred tank reactor. The reaction taking place is an irreversible exothermic reaction in a constant volume reactor cooled by a single coolant stream. This reactor is a simplified version of the first tank in the two tank system given by Henson and Seborg (1989).

The system identification and control of Hammerstein system using non-uniform rational B-spline neural network and particle swarm optimization

In this paper a new system identification algorithm is introduced for Hammerstein systems based on observational input/output data. The nonlinear static function in the Hammerstein system is modelled using a non-uniform rational B-spline (NURB) neural network. The proposed system identification algorithm for this NURB network based Hammerstein system consists of two successive stages. First the shaping parameters in NURB network are estimated using a particle swarm optimization (PSO) procedure. Then the remaining parameters are estimated by the method of the singular value decomposition (SVD). Numerical examples including a model based controller are utilized to demonstrate the efficacy of the proposed approach. The controller consists of computing the inverse of the nonlinear static function approximated by NURB network, followed by a linear pole assignment controller.

New approach of induction machine drive using an adaptive digital PID controller with gain planning based on artificial neural networks

The present work introduces a new strategy of induction machines speed adjustment using an adaptive PID (Proportional Integral Derivative) digital controller with gain planning based on the artificial neural networks. This digital controller uses an auxiliary variable to determine the ideal induction machine operating conditions and to establish the closed loop gain of the system. The auxiliary variable value can be estimated from the information stored in a general-purpose artificial neural network based on CMAC (Cerebellar Model Articulation Controller).

An insulin infusion advisory system based on autotuning nonlinear model-predictive control

This paper aims at the development and evaluation of a personalized insulin infusion advisory system (IIAS), able to provide real-time estimations of the appropriate insulin infusion rate for type 1 diabetes mellitus (T1DM) patients using continuous glucose monitors and insulin pumps. The system is based on a nonlinear model-predictive controller (NMPC) that uses a personalized glucose-insulin metabolism model, consisting of two compartmental models and a recurrent neural network. The model takes as input patient's information regarding meal intake, glucose measurements, and insulin infusion rates, and provides glucose predictions. The predictions are fed to the NMPC, in order for the latter to estimate the optimum insulin infusion rates. An algorithm based on fuzzy logic has been developed for the on-line adaptation of the NMPC control parameters. The IIAS has been in silico evaluated using an appropriate simulation environment (UVa T1DM simulator). The IIAS was able to handle various meal profiles, fasting conditions, interpatient variability, intraday variation in physiological parameters, and errors in meal amount estimations.

Model-based control of neuromuscular block using mivacurium: design and clinical verification

BACKGROUND: Short-acting agents for neuromuscular block (NMB) require frequent dosing adjustments for individual patient's needs. In this study, we verified a new closed-loop controller for mivacurium dosing in clinical trials. METHODS: Fifteen patients were studied. T1% measured with electromyography was used as input signal for the model-based controller. After induction of propofol/opiate anaesthesia, stabilization of baseline electromyography signal was awaited and a bolus of 0.3 mg kg-1 mivacurium was then administered to facilitate endotracheal intubation. Closed-loop infusion was started thereafter, targeting a neuromuscular block of 90%. Setpoint deviation, the number of manual interventions and surgeon's complaints were recorded. Drug use and its variability between and within patients were evaluated. RESULTS: Median time of closed-loop control for the 11 patients included in the data processing was 135 [89-336] min (median [range]). Four patients had to be excluded because of sensor problems. Mean absolute deviation from setpoint was 1.8 +/- 0.9 T1%. Neither manual interventions nor complaints from the surgeons were recorded. Mean necessary mivacurium infusion rate was 7.0 +/- 2.2 microg kg-1 min-1. Intrapatient variability of mean infusion rates over 30-min interval showed high differences up to a factor of 1.8 between highest and lowest requirement in the same patient. CONCLUSIONS: Neuromuscular block can precisely be controlled with mivacurium using our model-based controller. The amount of mivacurium needed to maintain T1% at defined constant levels differed largely between and within patients. Closed-loop control seems therefore advantageous to automatically maintain neuromuscular block at constant levels.

An insulin infusion advisory system for type 1 diabetes patients based on non-linear model predictive control methods

In this paper, an Insulin Infusion Advisory System (IIAS) for Type 1 diabetes patients, which use insulin pumps for the Continuous Subcutaneous Insulin Infusion (CSII) is presented. The purpose of the system is to estimate the appropriate insulin infusion rates. The system is based on a Non-Linear Model Predictive Controller (NMPC) which uses a hybrid model. The model comprises a Compartmental Model (CM), which simulates the absorption of the glucose to the blood due to meal intakes, and a Neural Network (NN), which simulates the glucose-insulin kinetics. The NN is a Recurrent NN (RNN) trained with the Real Time Recurrent Learning (RTRL) algorithm. The output of the model consists of short term glucose predictions and provides input to the NMPC, in order for the latter to estimate the optimum insulin infusion rates. For the development and the evaluation of the IIAS, data generated from a Mathematical Model (MM) of a Type 1 diabetes patient have been used. The proposed control strategy is evaluated at multiple meal disturbances, various noise levels and additional time delays. The results indicate that the implemented IIAS is capable of handling multiple meals, which correspond to realistic meal profiles, large noise levels and time delays.

Sviluppo e Applicazione di Metodologie per l'Ottimizzazione di Sistemi Energetici

La riduzione dei consumi di combustibili fossili e lo sviluppo di tecnologie per il risparmio energetico sono una questione di centrale importanza sia per l’industria che per la ricerca, a causa dei drastici effetti che le emissioni di inquinanti antropogenici stanno avendo sull’ambiente. Mentre un crescente numero di normative e regolamenti vengono emessi per far fronte a questi problemi, la necessità di sviluppare tecnologie a basse emissioni sta guidando la ricerca in numerosi settori industriali. Nonostante la realizzazione di fonti energetiche rinnovabili sia vista come la soluzione più promettente nel lungo periodo, un’efficace e completa integrazione di tali tecnologie risulta ad oggi impraticabile, a causa sia di vincoli tecnici che della vastità della quota di energia prodotta, attualmente soddisfatta da fonti fossili, che le tecnologie alternative dovrebbero andare a coprire. L’ottimizzazione della produzione e della gestione energetica d’altra parte, associata allo sviluppo di tecnologie per la riduzione dei consumi energetici, rappresenta una soluzione adeguata al problema, che può al contempo essere integrata all’interno di orizzonti temporali più brevi. L’obiettivo della presente tesi è quello di investigare, sviluppare ed applicare un insieme di strumenti numerici per ottimizzare la progettazione e la gestione di processi energetici che possa essere usato per ottenere una riduzione dei consumi di combustibile ed un’ottimizzazione dell’efficienza energetica. La metodologia sviluppata si appoggia su un approccio basato sulla modellazione numerica dei sistemi, che sfrutta le capacità predittive, derivanti da una rappresentazione matematica dei processi, per sviluppare delle strategie di ottimizzazione degli stessi, a fronte di condizioni di impiego realistiche. Nello sviluppo di queste procedure, particolare enfasi viene data alla necessità di derivare delle corrette strategie di gestione, che tengano conto delle dinamiche degli impianti analizzati, per poter ottenere le migliori prestazioni durante l’effettiva fase operativa. Durante lo sviluppo della tesi il problema dell’ottimizzazione energetica è stato affrontato in riferimento a tre diverse applicazioni tecnologiche. Nella prima di queste è stato considerato un impianto multi-fonte per la soddisfazione della domanda energetica di un edificio ad uso commerciale. Poiché tale sistema utilizza una serie di molteplici tecnologie per la produzione dell’energia termica ed elettrica richiesta dalle utenze, è necessario identificare la corretta strategia di ripartizione dei carichi, in grado di garantire la massima efficienza energetica dell’impianto. Basandosi su un modello semplificato dell’impianto, il problema è stato risolto applicando un algoritmo di Programmazione Dinamica deterministico, e i risultati ottenuti sono stati comparati con quelli derivanti dall’adozione di una più semplice strategia a regole, provando in tal modo i vantaggi connessi all’adozione di una strategia di controllo ottimale. Nella seconda applicazione è stata investigata la progettazione di una soluzione ibrida per il recupero energetico da uno scavatore idraulico. Poiché diversi layout tecnologici per implementare questa soluzione possono essere concepiti e l’introduzione di componenti aggiuntivi necessita di un corretto dimensionamento, è necessario lo sviluppo di una metodologia che permetta di valutare le massime prestazioni ottenibili da ognuna di tali soluzioni alternative. Il confronto fra i diversi layout è stato perciò condotto sulla base delle prestazioni energetiche del macchinario durante un ciclo di scavo standardizzato, stimate grazie all’ausilio di un dettagliato modello dell’impianto. Poiché l’aggiunta di dispositivi per il recupero energetico introduce gradi di libertà addizionali nel sistema, è stato inoltre necessario determinare la strategia di controllo ottimale dei medesimi, al fine di poter valutare le massime prestazioni ottenibili da ciascun layout. Tale problema è stato di nuovo risolto grazie all’ausilio di un algoritmo di Programmazione Dinamica, che sfrutta un modello semplificato del sistema, ideato per lo scopo. Una volta che le prestazioni ottimali per ogni soluzione progettuale sono state determinate, è stato possibile effettuare un equo confronto fra le diverse alternative. Nella terza ed ultima applicazione è stato analizzato un impianto a ciclo Rankine organico (ORC) per il recupero di cascami termici dai gas di scarico di autovetture. Nonostante gli impianti ORC siano potenzialmente in grado di produrre rilevanti incrementi nel risparmio di combustibile di un veicolo, è necessario per il loro corretto funzionamento lo sviluppo di complesse strategie di controllo, che siano in grado di far fronte alla variabilità della fonte di calore per il processo; inoltre, contemporaneamente alla massimizzazione dei risparmi di combustibile, il sistema deve essere mantenuto in condizioni di funzionamento sicure. Per far fronte al problema, un robusto ed efficace modello dell’impianto è stato realizzato, basandosi sulla Moving Boundary Methodology, per la simulazione delle dinamiche di cambio di fase del fluido organico e la stima delle prestazioni dell’impianto. Tale modello è stato in seguito utilizzato per progettare un controllore predittivo (MPC) in grado di stimare i parametri di controllo ottimali per la gestione del sistema durante il funzionamento transitorio. Per la soluzione del corrispondente problema di ottimizzazione dinamica non lineare, un algoritmo basato sulla Particle Swarm Optimization è stato sviluppato. I risultati ottenuti con l’adozione di tale controllore sono stati confrontati con quelli ottenibili da un classico controllore proporzionale integrale (PI), mostrando nuovamente i vantaggi, da un punto di vista energetico, derivanti dall’adozione di una strategia di controllo ottima.

Advanced control of managed pressure drilling

Automation of managed pressure drilling (MPD) enhances the safety and increases efficiency of drilling and that drives the development of controllers and observers for MPD. The objective is to maintain the bottom hole pressure (BHP) within the pressure window formed by the reservoir pressure and fracture pressure and also to reject kicks. Practical MPD automation solutions must address the nonlinearities and uncertainties caused by the variations in mud flow rate, choke opening, friction factor, mud density, etc. It is also desired that if pressure constraints are violated the controller must take appropriate actions to reject the ensuing kick. The objectives are addressed by developing two controllers: a gain switching robust controller and a nonlinear model predictive controller (NMPC). The robust gain switching controller is designed using H1 loop shaping technique, which was implemented using high gain bumpless transfer and 2D look up table. Six candidate controllers were designed in such a way they preserve robustness and performance for different choke openings and flow rates. It is demonstrated that uniform performance is maintained under different operating conditions and the controllers are able to reject kicks using pressure control and maintain BHP during drill pipe extension. The NMPC was designed to regulate the BHP and contain the outlet flow rate within certain tunable threshold. The important feature of that controller is that it can reject kicks without requiring any switching and thus there is no scope for shattering due to switching between pressure and flow control. That is achieved by exploiting the constraint handling capability of NMPC. Active set method was used for computing control inputs. It is demonstrated that NMPC is able to contain kicks and maintain BHP during drill pipe extension.

Projecto timecloud: software de gestão de tempo laboral numa plataforma cloud

O presente projecto tem como objectivo a disponibilização de uma plataforma de serviços para gestão e contabilização de tempo remunerável, através da marcação de horas de trabalho, férias e faltas (com ou sem justificação). Pretende-se a disponibilização de relatórios com base nesta informação e a possibilidade de análise automática dos dados, como por exemplo excesso de faltas e férias sobrepostas de trabalhadores. A ênfase do projecto está na disponibilização de uma arquitectura que facilite a inclusão destas funcionalidades. O projecto está implementado sobre a plataforma Google App Engine (i.e. GAE), de forma a disponibilizar uma solução sob o paradigma de Software as a Service, com garantia de disponibilidade e replicação de dados. A plataforma foi escolhida a partir da análise das principais plataformas cloud existentes: Google App Engine, Windows Azure e Amazon Web Services. Foram analisadas as características de cada plataforma, nomeadamente os modelos de programação, os modelos de dados disponibilizados, os serviços existentes e respectivos custos. A escolha da plataforma foi realizada com base nas suas características à data de iniciação do presente projecto. A solução está estruturada em camadas, com as seguintes componentes: interface da plataforma, lógica de negócio e lógica de acesso a dados. A interface disponibilizada está concebida com observação dos princípios arquitecturais REST, suportando dados nos formatos JSON e XML. A esta arquitectura base foi acrescentada uma componente de autorização, suportada em Spring-Security, sendo a autenticação delegada para os serviços Google Acounts. De forma a permitir o desacoplamento entre as várias camadas foi utilizado o padrão Dependency Injection. A utilização deste padrão reduz a dependência das tecnologias utilizadas nas diversas camadas. Foi implementado um protótipo, para a demonstração do trabalho realizado, que permite interagir com as funcionalidades do serviço implementadas, via pedidos AJAX. Neste protótipo tirou-se partido de várias bibliotecas javascript e padrões que simplificaram a sua realização, tal como o model-view-viewmodel através de data binding. Para dar suporte ao desenvolvimento do projecto foi adoptada uma abordagem de desenvolvimento ágil, baseada em Scrum, de forma a implementar os requisitos do sistema, expressos em user stories. De forma a garantir a qualidade da implementação do serviço foram realizados testes unitários, sendo também feita previamente a análise da funcionalidade e posteriormente produzida a documentação recorrendo a diagramas UML.

Formation Control Driven by Cooperative Object Tracking

In this paper we introduce a formation control loop that maximizes the performance of the cooperative perception of a tracked target by a team of mobile robots, while maintaining the team in formation, with a dynamically adjustable geometry which is a function of the quality of the target perception by the team. In the formation control loop, the controller module is a distributed non-linear model predictive controller and the estimator module fuses local estimates of the target state, obtained by a particle filter at each robot. The two modules and their integration are described in detail, including a real-time database associated to a wireless communication protocol that facilitates the exchange of state data while reducing collisions among team members. Simulation and real robot results for indoor and outdoor teams of different robots are presented. The results highlight how our method successfully enables a team of homogeneous robots to minimize the total uncertainty of the tracked target cooperative estimate while complying with performance criteria such as keeping a pre-set distance between the teammates and the target, avoiding collisions with teammates and/or surrounding obstacles.

Prototipagem de um sistema de gestão de armazém com recurso à identificação por radiofrequência

A evolução tecnológica atingiu um ritmo que muitas empresas têm dificuldade de acompanhar, existem diversas opções no mercado, para um mesmo objectivo, e tornasse determinante o processo de tomada de decisão sobre qual tecnologia adoptar para determinado objectivo. O alvo de estudo desta dissertação de mestrado, é uma das tecnologias, que últimamente tem ganho especial relevo, quando aplicada ao ambiente industrial, o RFID (Radio Frequency Identification Devices). Na presente dissertação, foi efectuado um levantamento do estado da arte, na área da identificação automática, com especial foco no RFID. Esta revisão bibliográfica teve como principal objectivo perceber quais as tecnologias concorrentes do RFID, e explorar quais as suas principais características tecnológicas e funcionais, bem como as vantagens no uso desta tecnologia de forma a sustentar a implementação de um sistema protótipo de gestão de armazém. O contributo final da dissertação, consiste numa aplicação que tem como principal objectvo simular os fluxos de infomação resultantes dos fluxos fisícos de materiais em ambiente de armazém. Foi também tido em conta no desenvolvimento da aplicação, a demonstração de algumas das mais valias que esta tecnologia pode trazer para a gestão de armazéns. Para implementação da aplicação destaca-se a utilização da arquitectura MVC (Model-view-controlador), em ambiente web, para permitir uma descentalização do software no ambiente indoor do armazém.

Recursive neuro fuzzy techniques for online identification and control

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

LiveUpdate : gestor de descargas

La función principal de LiveUpdate será la de descargar actualizaciones mediante un servidor remoto permitiendo tener un control integral de todas las descargas disponibles. El desarrollo del proyecto estará marcado por la tecnología en la que se basa, Windows Presentation Foundation (WPF) para la creación de interfaces gráficas enriquecidas, y el lenguaje en que se sustenta, C#. La metodología utilizada estará caracterizada por el modelo Modelo‐Vista‐VistaModelo (MVVM) y los estándares corporativos que Mitsubishi aplica en su software. Finalmente, el sistema también dispondrá de soporte multiidioma pudiendo visualizar idiomas con caracteres no latinos como el ruso (cirílico) o el japonés (katakana, hiragana).

Broadband excitation in the system identification of active magnetic bearing rotor systems

One of the targets of the climate and energy package of the European Union is to increase the energy efficiency in order to achieve a 20 percent reduction in primary energy use compared with the projected level by 2020. The energy efficiency can be improved for example by increasing the rotational speed of large electrical drives, because this enables the elimination of gearboxes leading to a compact design with lower losses. The rotational speeds of traditional bearings, such as roller bearings, are limited by mechanical friction. Active magnetic bearings (AMBs), on the other hand, allow very high rotational speeds. Consequently, their use in large medium- and high-speed machines has rapidly increased. An active magnetic bearing rotor system is an inherently unstable, nonlinear multiple-input, multiple-output system. Model-based controller design of AMBs requires an accurate system model. Finite element modeling (FEM) together with the experimental modal analysis provides a very accurate model for the rotor, and a linearized model of the magneticactuators has proven to work well in normal conditions. However, the overall system may suffer from unmodeled dynamics, such as dynamics of foundation or shrink fits. This dynamics can be modeled by system identification. System identification can also be used for on-line diagnostics. In this study, broadband excitation signals are adopted to the identification of an active magnetic bearing rotor system. The broadband excitation enables faster frequency response function measurements when compared with the widely used stepped sine and swept sine excitations. Different broadband excitations are reviewed, and the random phase multisine excitation is chosen for further study. The measurement times using the multisine excitation and the stepped sine excitation are compared. An excitation signal design with an analysis of the harmonics produced by the nonlinear system is presented. The suitability of different frequency response function estimators for an AMB rotor system are also compared. Additionally, analytical modeling of an AMB rotor system, obtaining a parametric model from the nonparametric frequency response functions, and model updating are discussed in brief, as they are key elements in the modeling for a control design. Theoretical methods are tested with a laboratory test rig. The results conclude that an appropriately designed random phase multisine excitation is suitable for the identification of AMB rotor systems.