High Efficiency Envelope Amplifier based on a Ripple Cancellation Buck Converter. Design, Optimization and Integration in an EER RFPA

Durante los últimos años la tendencia en el sector de las telecomunicaciones ha sido un aumento y diversificación en la transmisión de voz, video y fundamentalmente de datos. Para conseguir alcanzar las tasas de transmisión requeridas, los nuevos estándares de comunicaciones requieren un mayor ancho de banda y tienen un mayor factor de pico, lo cual influye en el bajo rendimiento del amplificador de radiofrecuencia (RFPA). Otro factor que ha influido en el bajo rendimiento es el diseño del amplificador de radiofrecuencia. Tradicionalmente se han utilizado amplificadores lineales por su buen funcionamiento. Sin embargo, debido al elevado factor de pico de las señales transmitidas, el rendimiento de este tipo de amplificadores es bajo. El bajo rendimiento del sistema conlleva desventajas adicionales como el aumento del coste y del tamaño del sistema de refrigeración, como en el caso de una estación base, o como la reducción del tiempo de uso y un mayor calentamiento del equipo para sistemas portátiles alimentados con baterías. Debido a estos factores, se han desarrollado durante las últimas décadas varias soluciones para aumentar el rendimiento del RFPA como la técnica de Outphasing, combinadores de potencia o la técnica de Doherty. Estas soluciones mejoran las prestaciones del RFPA y en algún caso han sido ampliamente utilizados comercialmente como la técnica de Doherty, que alcanza rendimientos hasta del 50% para el sistema completo para anchos de banda de hasta 20MHz. Pese a las mejoras obtenidas con estas soluciones, los mayores rendimientos del sistema se obtienen para soluciones basadas en la modulación de la tensión de alimentación del amplificador de potencia como “Envelope Tracking” o “EER”. La técnica de seguimiento de envolvente o “Envelope Tracking” está basada en la modulación de la tensión de alimentación de un amplificador lineal de potencia para obtener una mejora en el rendimiento en el sistema comparado a una solución con una tensión de alimentación constante. Para la implementación de esta técnica se necesita una etapa adicional, el amplificador de envolvente, que añade complejidad al amplificador de radiofrecuencia. En un amplificador diseñado con esta técnica, se aumentan las pérdidas debido a la etapa adicional que supone el amplificador de envolvente pero a su vez disminuyen las pérdidas en el amplificador de potencia. Si el diseño se optimiza adecuadamente, puede conseguirse un aumento global en el rendimiento del sistema superior al conseguido con las técnicas mencionadas anteriormente. Esta técnica presenta ventajas en el diseño del amplificador de envolvente, ya que el ancho de banda requerido puede ser menor que el ancho de banda de la señal de envolvente si se optimiza adecuadamente el diseño. Adicionalmente, debido a que la sincronización entre la señal de envolvente y de fase no tiene que ser perfecta, el proceso de integración conlleva ciertas ventajas respecto a otras técnicas como EER. La técnica de eliminación y restauración de envolvente, llamada EER o técnica de Kahn está basada en modulación simultánea de la envolvente y la fase de la señal usando un amplificador de potencia conmutado, no lineal y que permite obtener un elevado rendimiento. Esta solución fue propuesta en el año 1952, pero no ha sido implementada con éxito durante muchos años debido a los exigentes requerimientos en cuanto a la sincronización entre fase y envolvente, a las técnicas de control y de corrección de los errores y no linealidades de cada una de las etapas así como de los equipos para poder implementar estas técnicas, que tienen unos requerimientos exigentes en capacidad de cálculo y procesamiento. Dentro del diseño de un RFPA, el amplificador de envolvente tiene una gran importancia debido a su influencia en el rendimiento y ancho de banda del sistema completo. Adicionalmente, la linealidad y la calidad de la señal de transmitida deben ser elevados para poder cumplir con los diferentes estándares de telecomunicaciones. Esta tesis se centra en el amplificador de envolvente y el objetivo principal es el desarrollo de soluciones que permitan el aumento del rendimiento total del sistema a la vez que satisfagan los requerimientos de ancho de banda, calidad de la señal transmitida y de linealidad. Debido al elevado rendimiento que potencialmente puede alcanzarse con la técnica de EER, esta técnica ha sido objeto de análisis y en el estado del arte pueden encontrarse numerosas referencias que analizan el diseño y proponen diversas implementaciones. En una clasificación de alto nivel, podemos agrupar las soluciones propuestas del amplificador de envolvente según estén compuestas de una o múltiples etapas. Las soluciones para el amplificador de envolvente en una configuración multietapa se basan en la combinación de un convertidor conmutado, de elevado rendimiento con un regulador lineal, de alto ancho de banda, en una combinación serie o paralelo. Estas soluciones, debido a la combinación de las características de ambas etapas, proporcionan un buen compromiso entre rendimiento y buen funcionamiento del amplificador de RF. Por otro lado, la complejidad del sistema aumenta debido al mayor número de componentes y de señales de control necesarias y el aumento de rendimiento que se consigue con estas soluciones es limitado. Una configuración en una etapa tiene las ventajas de una mayor simplicidad, pero debido al elevado ancho de banda necesario, la frecuencia de conmutación debe aumentarse en gran medida. Esto implicará un bajo rendimiento y un peor funcionamiento del amplificador de envolvente. En el estado del arte pueden encontrarse diversas soluciones para un amplificador de envolvente en una etapa, como aumentar la frecuencia de conmutación y realizar la implementación en un circuito integrado, que tendrá mejor funcionamiento a altas frecuencias o utilizar técnicas topológicas y/o filtros de orden elevado, que permiten una reducción de la frecuencia de conmutación. En esta tesis se propone de manera original el uso de la técnica de cancelación de rizado, aplicado al convertidor reductor síncrono, para reducir la frecuencia de conmutación comparado con diseño equivalente del convertidor reductor convencional. Adicionalmente se han desarrollado dos variantes topológicas basadas en esta solución para aumentar la robustez y las prestaciones de la misma. Otro punto de interés en el diseño de un RFPA es la dificultad de poder estimar la influencia de los parámetros de diseño del amplificador de envolvente en el amplificador final integrado. En esta tesis se ha abordado este problema y se ha desarrollado una herramienta de diseño que permite obtener las principales figuras de mérito del amplificador integrado para la técnica de EER a partir del diseño del amplificador de envolvente. Mediante el uso de esta herramienta pueden validarse el efecto del ancho de banda, el rizado de tensión de salida o las no linealidades del diseño del amplificador de envolvente para varias modulaciones digitales. Las principales contribuciones originales de esta tesis son las siguientes: La aplicación de la técnica de cancelación de rizado a un convertidor reductor síncrono para un amplificador de envolvente de alto rendimiento para un RFPA linealizado mediante la técnica de EER. Una reducción del 66% en la frecuencia de conmutación, comparado con el reductor convencional equivalente. Esta reducción se ha validado experimentalmente obteniéndose una mejora en el rendimiento de entre el 12.4% y el 16% para las especificaciones de este trabajo. La topología y el diseño del convertidor reductor con dos redes de cancelación de rizado en cascada para mejorar el funcionamiento y robustez de la solución con una red de cancelación. La combinación de un convertidor redactor multifase con la técnica de cancelación de rizado para obtener una topología que proporciona una reducción del cociente entre frecuencia de conmutación y ancho de banda de la señal. El proceso de optimización del control del amplificador de envolvente en lazo cerrado para mejorar el funcionamiento respecto a la solución en lazo abierto del convertidor reductor con red de cancelación de rizado. Una herramienta de simulación para optimizar el proceso de diseño del amplificador de envolvente mediante la estimación de las figuras de mérito del RFPA, implementado mediante EER, basada en el diseño del amplificador de envolvente. La integración y caracterización del amplificador de envolvente basado en un convertidor reductor con red de cancelación de rizado en el transmisor de radiofrecuencia completo consiguiendo un elevado rendimiento, entre 57% y 70.6% para potencias de salida de 14.4W y 40.7W respectivamente. Esta tesis se divide en seis capítulos. El primer capítulo aborda la introducción enfocada en la aplicación, los amplificadores de potencia de radiofrecuencia, así como los principales problemas, retos y soluciones existentes. En el capítulo dos se desarrolla el estado del arte de amplificadores de potencia de RF, describiéndose las principales técnicas de diseño, las causas de no linealidad y las técnicas de optimización. El capítulo tres está centrado en las soluciones propuestas para el amplificador de envolvente. El modo de control se ha abordado en este capítulo y se ha presentado una optimización del diseño en lazo cerrado para el convertidor reductor convencional y para el convertidor reductor con red de cancelación de rizado. El capítulo cuatro se centra en el proceso de diseño del amplificador de envolvente. Se ha desarrollado una herramienta de diseño para evaluar la influencia del amplificador de envolvente en las figuras de mérito del RFPA. En el capítulo cinco se presenta el proceso de integración realizado y las pruebas realizadas para las diversas modulaciones, así como la completa caracterización y análisis del amplificador de RF. El capítulo seis describe las principales conclusiones de la tesis y las líneas futuras. ABSTRACT The trend in the telecommunications sector during the last years follow a high increase in the transmission rate of voice, video and mainly in data. To achieve the required levels of data rates, the new modulation standards demand higher bandwidths and have a higher peak to average power ratio (PAPR). These specifications have a direct impact in the low efficiency of the RFPA. An additional factor for the low efficiency of the RFPA is in the power amplifier design. Traditionally, linear classes have been used for the implementation of the power amplifier as they comply with the technical requirements. However, they have a low efficiency, especially in the operating range of signals with a high PAPR. The low efficiency of the transmitter has additional disadvantages as an increase in the cost and size as the cooling system needs to be increased for a base station and a temperature increase and a lower use time for portable devices. Several solutions have been proposed in the state of the art to improve the efficiency of the transmitter as Outphasing, power combiners or Doherty technique. However, the highest potential of efficiency improvement can be obtained using a modulated power supply for the power amplifier, as in the Envelope Tracking and EER techniques. The Envelope Tracking technique is based on the modulation of the power supply of a linear power amplifier to improve the overall efficiency compared to a fixed voltage supply. In the implementation of this technique an additional stage is needed, the envelope amplifier, that will increase the complexity of the RFPA. However, the efficiency of the linear power amplifier will increase and, if designed properly, the RFPA efficiency will be improved. The advantages of this technique are that the envelope amplifier design does not require such a high bandwidth as the envelope signal and that in the integration process a perfect synchronization between envelope and phase is not required. The Envelope Elimination and Restoration (EER) technique, known also as Kahn’s technique, is based on the simultaneous modulation of envelope and phase using a high efficiency switched power amplifier. This solution has the highest potential in terms of the efficiency improvement but also has the most challenging specifications. This solution, proposed in 1952, has not been successfully implemented until the last two decades due to the high demanding requirements for each of the stages as well as for the highly demanding processing and computation capabilities needed. At the system level, a very precise synchronization is required between the envelope and phase paths to avoid a linearity decrease of the system. Several techniques are used to compensate the non-linear effects in amplitude and phase and to improve the rejection of the out of band noise as predistortion, feedback and feed-forward. In order to obtain a high bandwidth and efficient RFPA using either ET or EER, the envelope amplifier stage will have a critical importance. The requirements for this stage are very demanding in terms of bandwidth, linearity and quality of the transmitted signal. Additionally the efficiency should be as high as possible, as the envelope amplifier has a direct impact in the efficiency of the overall system. This thesis is focused on the envelope amplifier stage and the main objective will be the development of high efficiency envelope amplifier solutions that comply with the requirements of the RFPA application. The design and optimization of an envelope amplifier for a RFPA application is a highly referenced research topic, and many solutions that address the envelope amplifier and the RFPA design and optimization can be found in the state of the art. From a high level classification, multiple and single stage envelope amplifiers can be identified. Envelope amplifiers for EER based on multiple stage architecture combine a linear assisted stage and a switched-mode stage, either in a series or parallel configuration, to achieve a very high performance RFPA. However, the complexity of the system increases and the efficiency improvement is limited. A single-stage envelope amplifier has the advantage of a lower complexity but in order to achieve the required bandwidth the switching frequency has to be highly increased, and therefore the performance and the efficiency are degraded. Several techniques are used to overcome this limitation, as the design of integrated circuits that are capable of switching at very high rates or the use of topological solutions, high order filters or a combination of both to reduce the switching frequency requirements. In this thesis it is originally proposed the use of the ripple cancellation technique, applied to a synchronous buck converter, to reduce the switching frequency requirements compared to a conventional buck converter for an envelope amplifier application. Three original proposals for the envelope amplifier stage, based on the ripple cancellation technique, are presented and one of the solutions has been experimentally validated and integrated in the complete amplifier, showing a high total efficiency increase compared to other solutions of the state of the art. Additionally, the proposed envelope amplifier has been integrated in the complete RFPA achieving a high total efficiency. The design process optimization has also been analyzed in this thesis. Due to the different figures of merit between the envelope amplifier and the complete RFPA it is very difficult to obtain an optimized design for the envelope amplifier. To reduce the design uncertainties, a design tool has been developed to provide an estimation of the RFPA figures of merit based on the design of the envelope amplifier. The main contributions of this thesis are: The application of the ripple cancellation technique to a synchronous buck converter for an envelope amplifier application to achieve a high efficiency and high bandwidth EER RFPA. A 66% reduction of the switching frequency, validated experimentally, compared to the equivalent conventional buck converter. This reduction has been reflected in an improvement in the efficiency between 12.4% and 16%, validated for the specifications of this work. The synchronous buck converter with two cascaded ripple cancellation networks (RCNs) topology and design to improve the robustness and the performance of the envelope amplifier. The combination of a phase-shifted multi-phase buck converter with the ripple cancellation technique to improve the envelope amplifier switching frequency to signal bandwidth ratio. The optimization of the control loop of an envelope amplifier to improve the performance of the open loop design for the conventional and ripple cancellation buck converter. A simulation tool to optimize the envelope amplifier design process. Using the envelope amplifier design as the input data, the main figures of merit of the complete RFPA for an EER application are obtained for several digital modulations. The successful integration of the envelope amplifier based on a RCN buck converter in the complete RFPA obtaining a high efficiency integrated amplifier. The efficiency obtained is between 57% and 70.6% for an output power of 14.4W and 40.7W respectively. The main figures of merit for the different modulations have been characterized and analyzed. This thesis is organized in six chapters. In Chapter 1 is provided an introduction of the RFPA application, where the main problems, challenges and solutions are described. In Chapter 2 the technical background for radiofrequency power amplifiers (RF) is presented. The main techniques to implement an RFPA are described and analyzed. The state of the art techniques to improve performance of the RFPA are identified as well as the main sources of no-linearities for the RFPA. Chapter 3 is focused on the envelope amplifier stage. The three different solutions proposed originally in this thesis for the envelope amplifier are presented and analyzed. The control stage design is analyzed and an optimization is proposed both for the conventional and the RCN buck converter. Chapter 4 is focused in the design and optimization process of the envelope amplifier and a design tool to evaluate the envelope amplifier design impact in the RFPA is presented. Chapter 5 shows the integration process of the complete amplifier. Chapter 6 addresses the main conclusions of the thesis and the future work.

Optimization of the Integrated Guidance and Control for a Dual Aerodynamic Control Missile

Las futuras misiones para misiles aire-aire operando dentro de la atmósfera requieren la interceptación de blancos a mayores velocidades y más maniobrables, incluyendo los esperados vehículos aéreos de combate no tripulados. La intercepción tiene que lograrse desde cualquier ángulo de lanzamiento. Una de las principales discusiones en la tecnología de misiles en la actualidad es cómo satisfacer estos nuevos requisitos incrementando la capacidad de maniobra del misil y en paralelo, a través de mejoras en los métodos de guiado y control modernos. Esta Tesis aborda estos dos objetivos simultáneamente, al proponer un diseño integrando el guiado y el control de vuelo (autopiloto) y aplicarlo a misiles con control aerodinámico simultáneo en canard y cola. Un primer avance de los resultados obtenidos ha sido publicado recientemente en el Journal of Aerospace Engineering, en Abril de 2015, [Ibarrondo y Sanz-Aranguez, 2015]. El valor del diseño integrado obtenido es que permite al misil cumplir con los requisitos operacionales mencionados empleando únicamente control aerodinámico. El diseño propuesto se compara favorablemente con esquemas más tradicionales, consiguiendo menores distancias de paso al blanco y necesitando de menores esfuerzos de control incluso en presencia de ruidos. En esta Tesis se demostrará cómo la introducción del doble mando, donde tanto el canard como las aletas de cola son móviles, puede mejorar las actuaciones de un misil existente. Comparado con un misil con control en cola, el doble control requiere sólo introducir dos servos adicionales para accionar los canards también en guiñada y cabeceo. La sección de cola será responsable de controlar el misil en balanceo mediante deflexiones diferenciales de los controles. En el caso del doble mando, la complicación añadida es que los vórtices desprendidos de los canards se propagan corriente abajo y pueden incidir sobre las superficies de cola, alterando sus características de control. Como un primer aporte, se ha desarrollado un modelo analítico completo para la aerodinámica no lineal de un misil con doble control, incluyendo la caracterización de este efecto de acoplamiento aerodinámico. Hay dos modos de funcionamiento en picado y guiñada para un misil de doble mando: ”desviación” y ”opuesto”. En modo ”desviación”, los controles actúan en la misma dirección, generando un cambio inmediato en la sustentación y produciendo un movimiento de translación en el misil. La respuesta es rápida, pero en el modo ”desviación” los misiles con doble control pueden tener dificultades para alcanzar grandes ángulos de ataque y altas aceleraciones laterales. Cuando los controles actúan en direcciones opuestas, el misil rota y el ángulo de ataque del fuselaje se incrementa para generar mayores aceleraciones en estado estacionario, aunque el tiempo de respuesta es mayor. Con el modelo aerodinámico completo, es posible obtener una parametrización dependiente de los estados de la dinámica de corto periodo del misil. Debido al efecto de acoplamiento entre los controles, la respuesta en bucle abierto no depende linealmente de los controles. El autopiloto se optimiza para obtener la maniobra requerida por la ley de guiado sin exceder ninguno de los límites aerodinámicos o mecánicos del misil. Una segunda contribución de la tesis es el desarrollo de un autopiloto con múltiples entradas de control y que integra la aerodinámica no lineal, controlando los tres canales de picado, guiñada y cabeceo de forma simultánea. Las ganancias del autopiloto dependen de los estados del misil y se calculan a cada paso de integración mediante la resolución de una ecuación de Riccati de orden 21x21. Las ganancias obtenidas son sub-óptimas, debido a que una solución completa de la ecuación de Hamilton-Jacobi-Bellman no puede obtenerse de manera práctica, y se asumen ciertas simplificaciones. Se incorpora asimismo un mecanismo que permite acelerar la respuesta en caso necesario. Como parte del autopiloto, se define una estrategia para repartir el esfuerzo de control entre el canard y la cola. Esto se consigue mediante un controlador aumentado situado antes del bucle de optimización, que minimiza el esfuerzo total de control para maniobrar. Esta ley de alimentación directa mantiene al misil cerca de sus condiciones de equilibrio, garantizando una respuesta transitoria adecuada. El controlador no lineal elimina la respuesta de fase no-mínima característica de la cola. En esta Tesis se consideran dos diseños para el guiado y control, el control en Doble-Lazo y el control Integrado. En la aproximación de Doble-Lazo, el autopiloto se sitúa dentro de un bucle interior y se diseña independientemente del guiado, que conforma el bucle más exterior del control. Esta estructura asume que existe separación espectral entre los dos, esto es, que los tiempos de respuesta del autopiloto son mucho mayores que los tiempos característicos del guiado. En el estudio se combina el autopiloto desarrollado con una ley de guiado óptimo. Los resultados obtenidos demuestran que se consiguen aumentos muy importantes en las actuaciones frente a misiles con control canard o control en cola, y que la interceptación, cuando se lanza cerca del curso de colisión, se consigue desde cualquier ángulo alrededor del blanco. Para el misil de doble mando, la estrategia óptima resulta en utilizar el modo de control opuesto en la aproximación al blanco y utilizar el modo de desviación justo antes del impacto. Sin embargo la lógica de doble bucle no consigue el impacto cuando hay desviaciones importantes con respecto al curso de colisión. Una de las razones es que parte de la demanda de guiado se pierde, ya que el misil solo es capaz de modificar su aceleración lateral, y no tiene control sobre su aceleración axial, a no ser que incorpore un motor de empuje regulable. La hipótesis de separación mencionada, y que constituye la base del Doble-Bucle, puede no ser aplicable cuando la dinámica del misil es muy alta en las proximidades del blanco. Si se combinan el guiado y el autopiloto en un único bucle, la información de los estados del misil está disponible para el cálculo de la ley de guiado, y puede calcularse la estrategia optima de guiado considerando las capacidades y la actitud del misil. Una tercera contribución de la Tesis es la resolución de este segundo diseño, la integración no lineal del guiado y del autopiloto (IGA) para el misil de doble control. Aproximaciones anteriores en la literatura han planteado este sistema en ejes cuerpo, resultando en un sistema muy inestable debido al bajo amortiguamiento del misil en cabeceo y guiñada. Las simplificaciones que se tomaron también causan que el misil se deslice alrededor del blanco y no consiga la intercepción. En nuestra aproximación el problema se plantea en ejes inerciales y se recurre a la dinámica de los cuaterniones, eliminado estos inconvenientes. No se limita a la dinámica de corto periodo del misil, porque se construye incluyendo de modo explícito la velocidad dentro del bucle de optimización. La formulación resultante en el IGA es independiente de la maniobra del blanco, que sin embargo se ha de incluir en el cálculo del modelo en Doble-bucle. Un típico inconveniente de los sistemas integrados con controlador proporcional, es el problema de las escalas. Los errores de guiado dominan sobre los errores de posición del misil y saturan el controlador, provocando la pérdida del misil. Este problema se ha tratado aquí con un controlador aumentado previo al bucle de optimización, que define un estado de equilibrio local para el sistema integrado, que pasa a actuar como un regulador. Los criterios de actuaciones para el IGA son los mismos que para el sistema de Doble-Bucle. Sin embargo el problema matemático resultante es muy complejo. El problema óptimo para tiempo finito resulta en una ecuación diferencial de Riccati con condiciones terminales, que no puede resolverse. Mediante un cambio de variable y la introducción de una matriz de transición, este problema se transforma en una ecuación diferencial de Lyapunov que puede resolverse mediante métodos numéricos. La solución resultante solo es aplicable en un entorno cercano del blanco. Cuando la distancia entre misil y blanco es mayor, se desarrolla una solución aproximada basada en la solución de una ecuación algebraica de Riccati para cada paso de integración. Los resultados que se han obtenido demuestran, a través de análisis numéricos en distintos escenarios, que la solución integrada es mejor que el sistema de Doble-Bucle. Las trayectorias resultantes son muy distintas. El IGA preserva el guiado del misil y consigue maximizar el uso de la propulsión, consiguiendo la interceptación del blanco en menores tiempos de vuelo. El sistema es capaz de lograr el impacto donde el Doble-Bucle falla, y además requiere un orden menos de magnitud en la cantidad de cálculos necesarios. El efecto de los ruidos radar, datos discretos y errores del radomo se investigan. El IGA es más robusto, resultando menos afectado por perturbaciones que el Doble- Bucle, especialmente porque el núcleo de optimización en el IGA es independiente de la maniobra del blanco. La estimación de la maniobra del blanco es siempre imprecisa y contaminada por ruido, y degrada la precisión de la solución de Doble-Bucle. Finalmente, como una cuarta contribución, se demuestra que el misil con guiado IGA es capaz de realizar una maniobra de defensa contra un blanco que ataque por su cola, sólo con control aerodinámico. Las trayectorias estudiadas consideran una fase pre-programada de alta velocidad de giro, manteniendo siempre el misil dentro de su envuelta de vuelo. Este procedimiento no necesita recurrir a soluciones técnicamente más complejas como el control vectorial del empuje o control por chorro para ejecutar esta maniobra. En todas las demostraciones matemáticas se utiliza el producto de Kronecker como una herramienta practica para manejar las parametrizaciones dependientes de variables, que resultan en matrices de grandes dimensiones. ABSTRACT Future missions for air to air endo-atmospheric missiles require the interception of targets with higher speeds and more maneuverable, including forthcoming unmanned supersonic combat vehicles. The interception will need to be achieved from any angle and off-boresight launch conditions. One of the most significant discussions in missile technology today is how to satisfy these new operational requirements by increasing missile maneuvering capabilities and in parallel, through the development of more advanced guidance and control methods. This Thesis addresses these two objectives by proposing a novel optimal integrated guidance and autopilot design scheme, applicable to more maneuverable missiles with forward and rearward aerodynamic controls. A first insight of these results have been recently published in the Journal of Aerospace Engineering in April 2015, [Ibarrondo and Sanz-Aránguez, 2015]. The value of this integrated solution is that it allows the missile to comply with the aforementioned requirements only by applying aerodynamic control. The proposed design is compared against more traditional guidance and control approaches with positive results, achieving reduced control efforts and lower miss distances with the integrated logic even in the presence of noises. In this Thesis it will be demonstrated how the dual control missile, where canard and tail fins are both movable, can enhance the capabilities of an existing missile airframe. Compared to a tail missile, dual control only requires two additional servos to actuate the canards in pitch and yaw. The tail section will be responsible to maintain the missile stabilized in roll, like in a classic tail missile. The additional complexity is that the vortices shed from the canard propagate downstream where they interact with the tail surfaces, altering the tail expected control characteristics. These aerodynamic phenomena must be properly described, as a preliminary step, with high enough precision for advanced guidance and control studies. As a first contribution we have developed a full analytical model of the nonlinear aerodynamics of a missile with dual control, including the characterization of this cross-control coupling effect. This development has been produced from a theoretical model validated with reliable practical data obtained from wind tunnel experiments available in the scientific literature, complement with computer fluid dynamics and semi-experimental methods. There are two modes of operating a missile with forward and rear controls, ”divert” and ”opposite” modes. In divert mode, controls are deflected in the same direction, generating an increment in direct lift and missile translation. Response is fast, but in this mode, dual control missiles may have difficulties in achieving large angles of attack and high level of lateral accelerations. When controls are deflected in opposite directions (opposite mode) the missile airframe rotates and the body angle of attack is increased to generate greater accelerations in steady-state, although the response time is larger. With the aero-model, a state dependent parametrization of the dual control missile short term dynamics can be obtained. Due to the cross-coupling effect, the open loop dynamics for the dual control missile is not linearly dependent of the fin positions. The short term missile dynamics are blended with the servo system to obtain an extended autopilot model, where the response is linear with the control fins turning rates, that will be the control variables. The flight control loop is optimized to achieve the maneuver required by the guidance law without exceeding any of the missile aerodynamic or mechanical limitations. The specific aero-limitations and relevant performance indicators for the dual control are set as part of the analysis. A second contribution of this Thesis is the development of a step-tracking multi-input autopilot that integrates non-linear aerodynamics. The designed dual control missile autopilot is a full three dimensional autopilot, where roll, pitch and yaw are integrated, calculating command inputs simultaneously. The autopilot control gains are state dependent, and calculated at each integration step solving a matrix Riccati equation of order 21x21. The resulting gains are sub-optimal as a full solution for the Hamilton-Jacobi-Bellman equation cannot be resolved in practical terms and some simplifications are taken. Acceleration mechanisms with an λ-shift is incorporated in the design. As part of the autopilot, a strategy is defined for proper allocation of control effort between canard and tail channels. This is achieved with an augmented feed forward controller that minimizes the total control effort of the missile to maneuver. The feedforward law also maintains the missile near trim conditions, obtaining a well manner response of the missile. The nonlinear controller proves to eliminate the non-minimum phase effect of the tail. Two guidance and control designs have been considered in this Thesis: the Two- Loop and the Integrated approaches. In the Two-Loop approach, the autopilot is placed in an inner loop and designed separately from an outer guidance loop. This structure assumes that spectral separation holds, meaning that the autopilot response times are much higher than the guidance command updates. The developed nonlinear autopilot is linked in the study to an optimal guidance law. Simulations are carried on launching close to collision course against supersonic and highly maneuver targets. Results demonstrate a large boost in performance provided by the dual control versus more traditional canard and tail missiles, where interception with the dual control close to collision course is achieved form 365deg all around the target. It is shown that for the dual control missile the optimal flight strategy results in using opposite control in its approach to target and quick corrections with divert just before impact. However the Two-Loop logic fails to achieve target interception when there are large deviations initially from collision course. One of the reasons is that part of the guidance command is not followed, because the missile is not able to control its axial acceleration without a throttleable engine. Also the separation hypothesis may not be applicable for a high dynamic vehicle like a dual control missile approaching a maneuvering target. If the guidance and autopilot are combined into a single loop, the guidance law will have information of the missile states and could calculate the most optimal approach to the target considering the actual capabilities and attitude of the missile. A third contribution of this Thesis is the resolution of the mentioned second design, the non-linear integrated guidance and autopilot (IGA) problem for the dual control missile. Previous approaches in the literature have posed the problem in body axes, resulting in high unstable behavior due to the low damping of the missile, and have also caused the missile to slide around the target and not actually hitting it. The IGA system is posed here in inertial axes and quaternion dynamics, eliminating these inconveniences. It is not restricted to the missile short term dynamic, and we have explicitly included the missile speed as a state variable. The IGA formulation is also independent of the target maneuver model that is explicitly included in the Two-loop optimal guidance law model. A typical problem of the integrated systems with a proportional control law is the problem of scales. The guidance errors are larger than missile state errors during most of the flight and result in high gains, control saturation and loss of control. It has been addressed here with an integrated feedforward controller that defines a local equilibrium state at each flight point and the controller acts as a regulator to minimize the IGA states excursions versus the defined feedforward state. The performance criteria for the IGA are the same as in the Two-Loop case. However the resulting optimization problem is mathematically very complex. The optimal problem in a finite-time horizon results in an irresoluble state dependent differential Riccati equation with terminal conditions. With a change of variable and the introduction of a transition matrix, the equation is transformed into a time differential Lyapunov equation that can be solved with known numerical methods in real time. This solution results range limited, and applicable when the missile is in a close neighborhood of the target. For larger ranges, an approximate solution is used, obtained from solution of an algebraic matrix Riccati equation at each integration step. The results obtained show, by mean of several comparative numerical tests in diverse homing scenarios, than the integrated approach is a better solution that the Two- Loop scheme. Trajectories obtained are very different in the two cases. The IGA fully preserves the guidance command and it is able to maximize the utilization of the missile propulsion system, achieving interception with lower miss distances and in lower flight times. The IGA can achieve interception against off-boresight targets where the Two- Loop was not able to success. As an additional advantage, the IGA also requires one order of magnitude less calculations than the Two-Loop solution. The effects of radar noises, discrete radar data and radome errors are investigated. IGA solution is robust, and less affected by radar than the Two-Loop, especially because the target maneuvers are not part of the IGA core optimization loop. Estimation of target acceleration is always imprecise and noisy and degrade the performance of the two-Loop solution. The IGA trajectories are such that minimize the impact of radome errors in the guidance loop. Finally, as a fourth contribution, it is demonstrated that the missile with IGA guidance is capable of performing a defense against attacks from its rear hemisphere, as a tail attack, only with aerodynamic control. The studied trajectories have a preprogrammed high rate turn maneuver, maintaining the missile within its controllable envelope. This solution does not recur to more complex features in service today, like vector control of the missile thrust or side thrusters. In all the mathematical treatments and demonstrations, the Kronecker product has been introduced as a practical tool to handle the state dependent parametrizations that have resulted in very high order matrix equations.

VHDL-based system design of a cognitive sensorimotor loop (CSL) for haptic Human-Machine Interaction (HMI)

This document is a summary of the Bachelor thesis titled “VHDL-Based System Design of a Cognitive Sensorimotor Loop (CSL) for Haptic Human-Machine Interaction (HMI)” written by Pablo de Miguel Morales, Electronics Engineering student at the Universidad Politécnica de Madrid (UPM Madrid, Spain) during an Erasmus+ Exchange Program at the Beuth Hochschule für Technik (BHT Berlin, Germany). The tutor of this project is Dr. Prof. Hild. This project has been developed inside the Neurobotics Research Laboratory (NRL) in close collaboration with Benjamin Panreck, a member of the NRL, and another exchange student from the UPM Pablo Gabriel Lezcano. For a deeper comprehension of the content of the thesis, a deeper look in the document is needed as well as the viewing of the videos and the VHDL design. In the growing field of automation, a large amount of workforce is dedicated to improve, adapt and design motor controllers for a wide variety of applications. In the specific field of robotics or other machinery designed to interact with humans or their environment, new needs and technological solutions are often being discovered due to the existing, relatively unexplored new scenario it is. The project consisted of three main parts: Two VHDL-based systems and one short experiment on the haptic perception. Both VHDL systems are based on a Cognitive Sensorimotor Loop (CSL) which is a control loop designed by the NRL and mainly developed by Dr. Prof. Hild. The CSL is a control loop whose main characteristic is the fact that it does not use any external sensor to measure the speed or position of the motor but the motor itself. The motor always generates a voltage that is proportional to its angular speed so it does not need calibration. This method is energy efficient and simplifies control loops in complex systems. The first system, named CSL Stay In Touch (SIT), consists in a one DC motor system controller by a FPGA Board (Zynq ZYBO 7000) whose aim is to keep contact with any external object that touches its Sensing Platform in both directions. Apart from the main behavior, three features (Search Mode, Inertia Mode and Return Mode) have been designed to enhance the haptic interaction experience. Additionally, a VGA-Screen is also controlled by the FPGA Board for the monitoring of the whole system. This system has been completely developed, tested and improved; analyzing its timing and consumption properties. The second system, named CSL Fingerlike Mechanism (FM), consists in a fingerlike mechanical system controlled by two DC motors (Each controlling one part of the finger). The behavior is similar to the first system but in a more complex structure. This system was optional and not part of the original objectives of the thesis and it could not be properly finished and tested due to the lack of time. The haptic perception experiment was an experiment conducted to have an insight into the complexity of human haptic perception in order to implement this knowledge into technological applications. The experiment consisted in testing the capability of the subjects to recognize different objects and shapes while being blindfolded and with their ears covered. Two groups were done, one had full haptic perception while the other had to explore the environment with a plastic piece attached to their finger to create a haptic handicap. The conclusion of the thesis was that a haptic system based only on a CSL-based system is not enough to retrieve valuable information from the environment and that other sensors are needed (temperature, pressure, etc.) but that a CSL-based system is very useful to control the force applied by the system to interact with haptic sensible surfaces such as skin or tactile screens. RESUMEN. Este documento es un resumen del proyecto fin de grado titulado “VHDL-Based System Design of a Cognitive Sensorimotor Loop (CSL) for Haptic Human-Machine Interaction (HMI)” escrito por Pablo de Miguel, estudiante de Ingeniería Electrónica de Comunicaciones en la Universidad Politécnica de Madrid (UPM Madrid, España) durante un programa de intercambio Erasmus+ en la Beuth Hochschule für Technik (BHT Berlin, Alemania). El tutor de este proyecto ha sido Dr. Prof. Hild. Este proyecto se ha desarrollado dentro del Neurorobotics Research Laboratory (NRL) en estrecha colaboración con Benjamin Panreck (un miembro del NRL) y con Pablo Lezcano (Otro estudiante de intercambio de la UPM). Para una comprensión completa del trabajo es necesaria una lectura detenida de todo el documento y el visionado de los videos y análisis del diseño VHDL incluidos en el CD adjunto. En el creciente sector de la automatización, una gran cantidad de esfuerzo está dedicada a mejorar, adaptar y diseñar controladores de motor para un gran rango de aplicaciones. En el campo específico de la robótica u otra maquinaria diseñada para interactuar con los humanos o con su entorno, nuevas necesidades y soluciones tecnológicas se siguen desarrollado debido al relativamente inexplorado y nuevo escenario que supone. El proyecto consta de tres partes principales: Dos sistemas basados en VHDL y un pequeño experimento sobre la percepción háptica. Ambos sistemas VHDL están basados en el Cognitive Sesnorimotor Loop (CSL) que es un lazo de control creado por el NRL y cuyo desarrollador principal ha sido Dr. Prof. Hild. El CSL es un lazo de control cuya principal característica es la ausencia de sensores externos para medir la velocidad o la posición del motor, usando el propio motor como sensor. El motor siempre genera un voltaje proporcional a su velocidad angular de modo que no es necesaria calibración. Este método es eficiente en términos energéticos y simplifica los lazos de control en sistemas complejos. El primer sistema, llamado CSL Stay In Touch (SIT), consiste en un sistema formado por un motor DC controlado por una FPGA Board (Zynq ZYBO 7000) cuyo objetivo es mantener contacto con cualquier objeto externo que toque su plataforma sensible en ambas direcciones. Aparte del funcionamiento básico, tres modos (Search Mode, Inertia Mode y Return Mode) han sido diseñados para mejorar la interacción. Adicionalmente, se ha diseñado el control a través de la FPGA Board de una pantalla VGA para la monitorización de todo el sistema. El sistema ha sido totalmente desarrollado, testeado y mejorado; analizando su propiedades de timing y consumo energético. El segundo sistema, llamado CSL Fingerlike Mechanism (FM), consiste en un mecanismo similar a un dedo controlado por dos motores DC (Cada uno controlando una falange). Su comportamiento es similar al del primer sistema pero con una estructura más compleja. Este sistema no formaba parte de los objetivos iniciales del proyecto y por lo tanto era opcional. No pudo ser plenamente desarrollado debido a la falta de tiempo. El experimento de percepción háptica fue diseñado para profundizar en la percepción háptica humana con el objetivo de aplicar este conocimiento en aplicaciones tecnológicas. El experimento consistía en testear la capacidad de los sujetos para reconocer diferentes objetos, formas y texturas en condiciones de privación del sentido del oído y la vista. Se crearon dos grupos, en uno los sujetos tenían plena percepción háptica mientras que en el otro debían interactuar con los objetos a través de una pieza de plástico para generar un hándicap háptico. La conclusión del proyecto fue que un sistema háptico basado solo en sistemas CSL no es suficiente para recopilar información valiosa del entorno y que debe hacer uso de otros sensores (temperatura, presión, etc.). En cambio, un sistema basado en CSL es idóneo para el control de la fuerza aplicada por el sistema durante la interacción con superficies hápticas sensibles tales como la piel o pantallas táctiles.

Nedd4 mediates control of an epithelial Na+ channel in salivary duct cells by cytosolic Na+

Epithelial Na+ channels are expressed widely in absorptive epithelia such as the renal collecting duct and the colon and play a critical role in fluid and electrolyte homeostasis. Recent studies have shown that these channels interact via PY motifs in the C terminals of their α, β, and γ subunits with the WW domains of the ubiquitin-protein ligase Nedd4. Mutation or deletion of these PY motifs (as occurs, for example, in the heritable form of hypertension known as Liddle’s syndrome) leads to increased Na+ channel activity. Thus, binding of Nedd4 by the PY motifs would appear to be part of a physiological control system for down-regulation of Na+ channel activity. The nature of this control system is, however, unknown. In the present paper, we show that Nedd4 mediates the ubiquitin-dependent down-regulation of Na+ channel activity in response to increased intracellular Na+. We further show that Nedd4 operates downstream of Go in this feedback pathway. We find, however, that Nedd4 is not involved in the feedback control of Na+ channels by intracellular anions. Finally, we show that Nedd4 has no influence on Na+ channel activity when the Na+ and anion feedback systems are inactive. We conclude that Nedd4 normally mediates feedback control of epithelial Na+ channels by intracellular Na+, and we suggest that the increased Na+ channel activity observed in Liddle’s syndrome is attributable to the loss of this regulatory feedback system.

Nucleotide binding and autophosphorylation of the clock protein KaiC as a circadian timing process of cyanobacteria

A negative feedback control of kaiC expression by KaiC protein has been proposed to generate a basic oscillation of the circadian clock in the cyanobacterium Synechococcus sp. PCC 7942. KaiC has two P loops or Walker's motif As, that are potential ATP-/GTP-binding motifs and DXXG motifs conserved in various GTP-binding proteins. Herein, we demonstrate that in vitro KaiC binds ATP and, with lower affinity, GTP. Point mutation by site-directed mutagenesis of P loop 1 completely nullified the circadian rhythm of kaiBC expression and markedly reduced ATP-binding activity. Moreover, KaiC can be autophosphorylated in vitro. These results suggest that the nucleotide-binding activity of KaiC plays important roles in the generation of circadian oscillation in cyanobacteria.

Nonlinear control of heart rate variability in human infants.

Nonlinear analyses of infant heart rhythms reveal a marked rise in the complexity of the electrocardiogram with maturation. We find that normal mature infants (gestation greater than or equal to 35 weeks) have complex and distinctly nonlinear heart rhythms (consistent with recent reports for healthy adults) but that such nonlinearity is lacking in preterm infants (gestation > or = to 27 weeks) where parasympathetic-sympathetic interaction and function are presumed to be less well developed. Our study further shows that infants with clinical brain death and those treated with atropine exhibit a similar lack of nonlinear feedback control. These three lines of evidence support the hypothesis championed by Goldberger et al. [Goldberger, A.L., Rigney, D.R. & West, B.J. (1990) Sci. Am. 262, 43-49] that autonomic nervous system control underlies the nonlinearity and possible chaos of normal heart rhythms. This report demonstrates the acquisition of nonlinear heart rate dynamics and possible chaos in developing human infants and its loss in brain death and with the administration of atropine. It parallels earlier work documenting changes in the variability of heart rhythms in each of these cases and suggests that nonlinearity may provide additional power in characterizing physiological states.

Dynamic visual servo control of a 4-axis joint tool to track image trajectories during machining complex shapes

A large part of the new generation of computer numerical control systems has adopted an architecture based on robotic systems. This architecture improves the implementation of many manufacturing processes in terms of flexibility, efficiency, accuracy and velocity. This paper presents a 4-axis robot tool based on a joint structure whose primary use is to perform complex machining shapes in some non-contact processes. A new dynamic visual controller is proposed in order to control the 4-axis joint structure, where image information is used in the control loop to guide the robot tool in the machining task. In addition, this controller eliminates the chaotic joint behavior which appears during tracking of the quasi-repetitive trajectories required in machining processes. Moreover, this robot tool can be coupled to a manipulator robot in order to form a multi-robot platform for complex manufacturing tasks. Therefore, the robot tool could perform a machining task using a piece grasped from the workspace by a manipulator robot. This manipulator robot could be guided by using visual information given by the robot tool, thereby obtaining an intelligent multi-robot platform controlled by only one camera.

The analysis and compensation of nonlinear sampled-data feedback systems.

"Research was supported by the United States Air Force through the Air Force Office of Scientific Research, Air Research and Development Command."

Specification and data presentation in linear control systems; [final report,

"EE 61-4. Research project PRF 30. Contract no. AF 29(600)-1933."

On adaptive control systems,

At head of title: Microwave Research Institute, Polytechnic Institute of Brooklyn, Systems and Control Group, R-735, PIB-663, contract no. DA-30-069-ORD-1560.

Sampled-data control systems /

Includes bibliography.

Real-time control of a Tokamak plasma using neural networks

This paper presents results from the first use of neural networks for the real-time feedback control of high temperature plasmas in a Tokamak fusion experiment. The Tokamak is currently the principal experimental device for research into the magnetic confinement approach to controlled fusion. In the Tokamak, hydrogen plasmas, at temperatures of up to 100 Million K, are confined by strong magnetic fields. Accurate control of the position and shape of the plasma boundary requires real-time feedback control of the magnetic field structure on a time-scale of a few tens of microseconds. Software simulations have demonstrated that a neural network approach can give significantly better performance than the linear technique currently used on most Tokamak experiments. The practical application of the neural network approach requires high-speed hardware, for which a fully parallel implementation of the multi-layer perceptron, using a hybrid of digital and analogue technology, has been developed.

An experimental analysis of operating conditions in cold roll-forming

A detailed literature survey confirmed cold roll-forming to be a complex and little understood process. In spite of its growing value, the process remains largely un-automated with few principles used in set-up of the rolling mill. This work concentrates on experimental investigations of operating conditions in order to gain a scientific understanding of the process. The operating conditions are; inter-pass distance, roll load, roll speed, horizontal roll alignment. Fifty tests have been carried out under varied operating conditions, measuring section quality and longitudinal straining to give a picture of bending. A channel section was chosen for its simplicity and compatibility with previous work. Quality measurements were measured in terms of vertical bow, twist and cross-sectional geometric accuracy, and a complete method of classifying quality has been devised. The longitudinal strain profile was recorded, by the use of strain gauges attached to the strip surface at five locations. Parameter control is shown to be important in allowing consistency in section quality. At present rolling mills are constructed with large tolerances on operating conditions. By reduction of the variability in parameters, section consistency is maintained and mill down-time is reduced. Roll load, alignment and differential roll speed are all shown to affect quality, and can be used to control quality. Set-up time is reduced by improving the design of the mill so that parameter values can be measured and set, without the need for judgment by eye. Values of parameters can be guided by models of the process, although elements of experience are still unavoidable. Despite increased parameter control, section quality is variable, if only due to variability in strip material properties. Parameters must therefore be changed during rolling. Ideally this can take place by closed-loop feedback control. Future work lies in overcoming the problems connected with this control.

Control integrated finite state machine design for photovoltaic module integrated converter

The operation state of photovoltaic Module Integrated Converter (MIC) is subjected to change due to different source and load conditions, while state-swap is usually implemented with flow chart based sequential controller in the past research. In this paper, the signatures for different operational states are evaluated and investigated, which lead to an effective control integrated finite state machine (CIFSM), providing real-time state-swap as fast as the local control loop. The proposed CIFSM is implemented digitally for a boost type MIC prototype and tested under a variety of load and source conditions. The test results prove the effectiveness of the proposed CIFSM design.

Comparison between conventional and stochastic pinning control

Theoretical developments on pinning control of complex dynamical networks have mainly focused on the deterministic versions of the model dynamics. However, the dynamical behavior of most real networks is often affected by stochastic noise components. In this paper the pinning control of a stochastic version of the coupled map lattice network with spatiotemporal characteristics is studied. The control of these complex dynamical networks have functional uncertainty which should be considered when calculating stabilizing control signals. Two feedback control methods are considered: the conventional feedback control and modified stochastic feedback control. It is shown that the typically-used conventional control method suffers from the ignorance of model uncertainty leading to a reduction and potentially a collapse in the control efficiency. Numerical verification of the main result is provided for a chaotic coupled map lattice network. © 2011 IEEE.