Robust Control of Systems Subjected to Uncertain Disturbances and Actuator Dynamics

Esta tesis está enfocada al diseño y validación de controladores robustos que pueden reducir de una manera efectiva las vibraciones structurales producidas por perturbaciones externas tales como terremotos, fuertes vientos o cargas pesadas. Los controladores están diseñados basados en teorías de control tradicionalamente usadas en esta area: Teoría de estabilidad de Lyapunov, control en modo deslizante y control clipped-optimal, una técnica reciente mente introducida : Control Backstepping y una que no había sido usada antes: Quantitative Feedback Theory. La principal contribución al usar las anteriores técnicas, es la solución de problemas de control estructural abiertos tales como dinámicas de actuador, perturbaciones desconocidas, parametros inciertos y acoplamientos dinámicos. Se utilizan estructuras típicas para validar numéricamente los controladores propuestos. Especificamente las estructuras son un edificio de base aislada, una plataforma estructural puente-camión y un puente de 2 tramos, cuya configuración de control es tal que uno o mas problemas abiertos están presentes. Se utilizan tres prototipos experimentales para implementar los controladores robustos propuestos, con el fin de validar experimentalmente su efectividad y viabilidad. El principal resultado obtenido con la presente tesis es el diseño e implementación de controladores estructurales robustos que resultan efectivos para resolver problemas abiertos en control estructural tales como dinámicas de actuador, parámetros inciertos, acoplamientos dinámicos, limitación de medidas y perturbaciones desconocidas.

Representació qualitativa asíncrona de senyals per a la supervisió de sistemes dinàmics

L'objectiu general d'aquest treball és trobar i mostrar una eina que permeti obtenir una representació dels senyals procedents de sistemes dinàmics adequada a les necessitats dels sistemes de Supervisió Experta de processos. Aquest objectiu general es pot subdividir en diverses parts, que són tractades en els diferents capítols que composen el treball i que es poden resumir en els següents punts: En primer lloc, cal conèixer les necessitats dels sistemes de Supervisió: La gran quantitat de dades que provenen dels processos fa necessari el tractament d'aquestes dades per obtenir-ne d'altres, més elaborades, amb un nivell més elevat de representació. La utilització de raonament qualitatiu, pròpia dels éssers humans, comporta la necessitat de representar simbòlicament els senyals, de traduir les dades numèriques en símbols. La Supervisió de sistemes dinàmics comporta que el temps sigui una variable fonamental, la asincronia dels esdeveniments significatius per a la Supervisió fa que les representacions més adequades i útils dels senyals siguin asíncrones. Finalment,l'ús dels coneixements experimentals en la Supervisió dels processos comporta que les representacions més naturals siguin les més útils. Aquestes necessitats fan de la representació dels senyals mitjançant episodis l'eina amb més possibilitats per assolir els objectius que es volen assolir. Per això, es presenta un formalisme que permet descriure i incloure-hi la formalització i les diferents aproximacions a aquest tipus de representació ja existents i, al mateix temps, augmentar-ne la significació a través de característiques dels senyals que no es tenen en compte en les aproximacions ja existents. El següent pas és aprofitar el nou formalisme per obtenir una nova representació amb un grau més gran de significació, cosa que s'aconsegueix representant explícitament les discontinuïtats i els períodes estacionaris o d'estabilitat, molt significatius en Supervisió de processos. Un problema sempre present en el tractament de senyals és el soroll que els afecta. Per aquest motiu es presenta un mètode que permet filtrar el soroll de manera que les representacions resultants quedin afectades el mínim possible per aquest tractament. Finalment, es presenta l'aplicació en línia de les eines descrites. La representació en línia dels senyals comporta el tractament de la incertesa inherent al coneixement parcial del senyal (un episodi no pot ser determinat i caracteritzat completament fins que no s'acaba). L'obtenció de resultats amb determinats graus de certesa és perfectament coherent amb la seva utilització posterior mitjançant Sistemes Experts o altres eines de la IA. Totes les aportacions del treball vénen acompanyades d'exemples i/o aplicacions que permeten observar-ne la utilitat i les limitacions.

Chaotic, memory, and cooling rate effects in spin glasses: Evaluation of the Edwards-Anderson model

We investigate chaotic, memory, and cooling rate effects in the three-dimensional Edwards-Anderson model by doing thermoremanent (TRM) and ac susceptibility numerical experiments and making a detailed comparison with laboratory experiments on spin glasses. In contrast to the experiments, the Edwards-Anderson model does not show any trace of reinitialization processes in temperature change experiments (TRM or ac). A detailed comparison with ac relaxation experiments in the presence of dc magnetic field or coupling distribution perturbations reveals that the absence of chaotic effects in the Edwards-Anderson model is a consequence of the presence of strong cooling rate effects. We discuss possible solutions to this discrepancy, in particular the smallness of the time scales reached in numerical experiments, but we also question the validity of the Edwards-Anderson model to reproduce the experimental results.

Entorn de simulació per a xarxes òptiques de transport

Aquest projecte final de carrera pretén investigar i experimentar una nova línia de desenvolupament d’algorismes dinàmics. A partir de l’algorisme AntNet-QoS [2] s’ incorporen noves mesures a l’algorisme (mesura de l’amplada de banda disponible i jitter), les quals combinant amb la mesura de retard ja feta servir, permet adaptar-se millor a les condicions actuals del trànsit en la xarxa i als requeriments específics de qualitat (QoS) per part del trànsit

Robust fault detection using consistency techniques for uncertainty handling

Often practical performance of analytical redundancy for fault detection and diagnosis is decreased by uncertainties prevailing not only in the system model, but also in the measurements. In this paper, the problem of fault detection is stated as a constraint satisfaction problem over continuous domains with a big number of variables and constraints. This problem can be solved using modal interval analysis and consistency techniques. Consistency techniques are then shown to be particularly efficient to check the consistency of the analytical redundancy relations (ARRs), dealing with uncertain measurements and parameters. Through the work presented in this paper, it can be observed that consistency techniques can be used to increase the performance of a robust fault detection tool, which is based on interval arithmetic. The proposed method is illustrated using a nonlinear dynamic model of a hydraulic system

SQualTrack: A Tool for Robust Fault Detection

One of the techniques used to detect faults in dynamic systems is analytical redundancy. An important difficulty in applying this technique to real systems is dealing with the uncertainties associated with the system itself and with the measurements. In this paper, this uncertainty is taken into account by the use of intervals for the parameters of the model and for the measurements. The method that is proposed in this paper checks the consistency between the system's behavior, obtained from the measurements, and the model's behavior; if they are inconsistent, then there is a fault. The problem of detecting faults is stated as a quantified real constraint satisfaction problem, which can be solved using the modal interval analysis (MIA). MIA is used because it provides powerful tools to extend the calculations over real functions to intervals. To improve the results of the detection of the faults, the simultaneous use of several sliding time windows is proposed. The result of implementing this method is semiqualitative tracking (SQualTrack), a fault-detection tool that is robust in the sense that it does not generate false alarms, i.e., if there are false alarms, they indicate either that the interval model does not represent the system adequately or that the interval measurements do not represent the true values of the variables adequately. SQualTrack is currently being used to detect faults in real processes. Some of these applications using real data have been developed within the European project advanced decision support system for chemical/petrochemical manufacturing processes and are also described in this paper

Constraint satisfaction techniques under uncertain conditions for fault diagnosis in nonlinear dynamic systems

The speed of fault isolation is crucial for the design and reconfiguration of fault tolerant control (FTC). In this paper the fault isolation problem is stated as a constraint satisfaction problem (CSP) and solved using constraint propagation techniques. The proposed method is based on constraint satisfaction techniques and uncertainty space refining of interval parameters. In comparison with other approaches based on adaptive observers, the major advantage of the presented method is that the isolation speed is fast even taking into account uncertainty in parameters, measurements and model errors and without the monotonicity assumption. In order to illustrate the proposed approach, a case study of a nonlinear dynamic system is presented

Fault diagnosis by refining the parameter uncertainty space of nonlinear dynamic systems

This paper deals with fault detection and isolation problems for nonlinear dynamic systems. Both problems are stated as constraint satisfaction problems (CSP) and solved using consistency techniques. The main contribution is the isolation method based on consistency techniques and uncertainty space refining of interval parameters. The major advantage of this method is that the isolation speed is fast even taking into account uncertainty in parameters, measurements, and model errors. Interval calculations bring independence from the assumption of monotony considered by several approaches for fault isolation which are based on observers. An application to a well known alcoholic fermentation process model is presented

An Interval Intelligent-based Approach for Fault Detection and Modelling

Not considered in the analytical model of the plant, uncertainties always dramatically decrease the performance of the fault detection task in the practice. To cope better with this prevalent problem, in this paper we develop a methodology using Modal Interval Analysis which takes into account those uncertainties in the plant model. A fault detection method is developed based on this model which is quite robust to uncertainty and results in no false alarm. As soon as a fault is detected, an ANFIS model is trained in online to capture the major behavior of the occurred fault which can be used for fault accommodation. The simulation results understandably demonstrate the capability of the proposed method for accomplishing both tasks appropriately

Necessary and sufficient conditions for robust stability using modal intervals

In this paper, robustness of parametric systems is analyzed using a new approach to interval mathematics called Modal Interval Analysis. Modal Intervals are an interval extension that, instead of classic intervals, recovers some of the properties required by a numerical system. Modal Interval Analysis not only simplifies the computation of interval functions but allows semantic interpretation of their results. Necessary, sufficient and, in some cases, necessary and sufficient conditions for robust performance are presented

Dynamic task allocation and coordination in cooperative multi-agent environments

La coordinació i assignació de tasques en entorns distribuïts ha estat un punt important de la recerca en els últims anys i aquests temes són el cor dels sistemes multi-agent. Els agents en aquests sistemes necessiten cooperar i considerar els altres agents en les seves accions i decisions. A més a més, els agents han de coordinar-se ells mateixos per complir tasques complexes que necessiten més d'un agent per ser complerta. Aquestes tasques poden ser tan complexes que els agents poden no saber la ubicació de les tasques o el temps que resta abans de que les tasques quedin obsoletes. Els agents poden necessitar utilitzar la comunicació amb l'objectiu de conèixer la tasca en l'entorn, en cas contrari, poden perdre molt de temps per trobar la tasca dins de l'escenari. De forma similar, el procés de presa de decisions distribuït pot ser encara més complexa si l'entorn és dinàmic, amb incertesa i en temps real. En aquesta dissertació, considerem entorns amb sistemes multi-agent amb restriccions i cooperatius (dinàmics, amb incertesa i en temps real). En aquest sentit es proposen dues aproximacions que permeten la coordinació dels agents. La primera és un mecanisme semi-centralitzat basat en tècniques de subhastes combinatòries i la idea principal es minimitzar el cost de les tasques assignades des de l'agent central cap als equips d'agents. Aquest algoritme té en compte les preferències dels agents sobre les tasques. Aquestes preferències estan incloses en el bid enviat per l'agent. La segona és un aproximació d'scheduling totalment descentralitzat. Això permet als agents assignar les seves tasques tenint en compte les preferències temporals sobre les tasques dels agents. En aquest cas, el rendiment del sistema no només depèn de la maximització o del criteri d'optimització, sinó que també depèn de la capacitat dels agents per adaptar les seves assignacions eficientment. Addicionalment, en un entorn dinàmic, els errors d'execució poden succeir a qualsevol pla degut a la incertesa i error de accions individuals. A més, una part indispensable d'un sistema de planificació és la capacitat de re-planificar. Aquesta dissertació també proveeix una aproximació amb re-planificació amb l'objectiu de permetre als agent re-coordinar els seus plans quan els problemes en l'entorn no permeti la execució del pla. Totes aquestes aproximacions s'han portat a terme per permetre als agents assignar i coordinar de forma eficient totes les tasques complexes en un entorn multi-agent cooperatiu, dinàmic i amb incertesa. Totes aquestes aproximacions han demostrat la seva eficiència en experiments duts a terme en l'entorn de simulació RoboCup Rescue.

Contribució al coneixement de variables geoambientals en l'àmbit de la Costa Brava (Girona)

La tesi doctoral desenvolupada, emmarcada dins del camp de les Ciències Ambientals, aplica la Geologia Ambiental orientada al coneixement dels processos i recursos geològics de cara a la planificació i a l'ordenació del territori. Com a zona d'estudi s'ha seleccionat la Costa Brava meridional, concretament tota l'àrea litoral compresa per les conques hidrogràfiques de l'Aubi, riera de Calonge, Ridaura, riera de Tossa i riera de Lloret (75 km de línia de costa i una extensió de 291 km2). Aquest treball, amb l'aptitud integradora dels conceptes i mètodes propis de les Ciències Geològiques i Ambientals, s'ha proposat com a objectius globals l'anàlisi de la qualitat i del comportament físic i químic dels materials terrestres en front les accions humanes i de la seva utilització com a recursos; l'estudi dels processos naturals i de la influència que puguin tenir sobre l'home o bé els efectes que aquest pot causar sobre aquells, i per últim, com a derivació dels anteriors, el disseny i aplicació d'instruments de tipus preventiu en la gestió del territori; és a dir, la planificació dels usos del territori. Amb la filosofia de recerca basada en que els factor geològics són uns elements d'ajuda per a la visió integral d'un territori, s'han estudiat diferents variables geoambientals procurant traduir el coneixement del medi en informació apta per a la presa de decisions sobre l'ús i preservació d'aquest àmbit litoral. Els Sistemes d'Informació Geogràfica (SIG) han estat clau per a la visió sistèmica del territori, per a la integració de les diferents variables geoambientals, així com per a la producció cartogràfica temàtica i final. Pel que fa als processos geològics, lligats a la dinàmica fluviotorrencial, s'han cartografiat les principals àrees d'actuació així com analitzat els factors que inicien, afavoreixen o magnifiquen la seva ocurrència. S'han estudiat les accions denudatives, els processos de transport-sedimentació i amb l'estudi integrat d'aquests processos i formes resultants s'han identificat unitats territorials caracteritzades per un comportament geomòrfic uniforme. En quant a l'anàlisi dels recursos geològics s'ha aprofundit en el coneixement dels recursos hídrics subterranis, les roques industrials i els georecursos litorals. Pel que fa als primers s'ha centrat en la delimitació de les principals unitats i subunitats aqüíferes, així com en acotar les geometries i principals característiques hidràuliques. Pel que fa als àrids i roques de construcció l'objectiu fonamental ha estat la delimitació cartogràfica d'aquells materials que per les seves propietats fisicoquímiques són potencialment aptes per als usos indicats. Finalment s'ha fet una recerca orientada a l'estudi de factors que limiten o condicionen el potencial geoturístic d'aquesta àrea litoral, concretament en els penya-segats i les platges. Les principals aportacions d'aquesta tesi doctoral es poden emmarcar en l'àmbit regional i fenomenològic, aspectes clau en la gestió i planificació territorial. Pel que fa al primer, destaquem l'aportació de dades geoambientals a nivell cartogràfic en relació a variables litoestructurals, de processos dinàmics com de recursos geològics. Des del punt de vista de l'àmbit fenomenològic destaquem la interacció de les variables estudiades a nivell de conca hidrogràfica, com són, entre d'altres, les relacions existents entre les diferents formacions aqüíferes; la possible participació de les aigües subterrànies en la resposta hidrològica del sistema fluviotorrencial, o la problemàtica derivada de l'antropització de la sorra de la platja com a conseqüència d'abocaments de terres i residus inerts als marges de les rieres.

Desenvolupament i caracterització d'aliatges de base ferro produïts per aliatge mecànic i solidificació ràpida

L'objectiu general d'aquest treball és l'obtenció de nous materials nanoestructurats magnètics tous produïts mitjançant la tècnica de l'aliatge mecànic. Forma part d'un projecte més ampli de desenvolupament d'aquests tipus d'aliatges amb altres tècniques, com les de solidificació ràpida, i la seva posterior molturació i compactació per a l'aplicació a la indústria pulverimetal·lúrgica. Aquests materials tindran una estructura amorfa i/o nanocristal·lina que comportarà una millora de les seves propietats magnètiques. Els objectius particulars d'aquest treball són: - Síntesi d'aliatges de Fe-Ni-Zr-B-(Co), Fe-Nb-B-(Cu), i Fe-Ni-Nb-B mitjançant aliatge mecànic. Es parteix de precursors cristal·lins i es tracta d'obtenir un aliatge bàsicament nanocristal·lí. En concret, es pretén obtenir aliatges: ·Amb una alta estabilitat tèrmica que afavoreixi posteriors estudis de consolidació. ·Amb la presència de nanocristalls de reduïdes dimensions o d'una fase amorfa que permeti posteriors tractaments tèrmics per a produir aliatges de nanoestructura controlada. -Comparació entre les mostres produïdes per aliatge mecànic amb diferents micromolins de les mostres Fe-Nb-B. Els micromolins utilitzats són un P7 i un SPEX 8000 -Estudi de la influència dels diferents precursors i de la quantitat relativa dels mateixos que s'ha utilitzat per a cada mostra, concretament: ·La substitució en els aliatges de Fe-Nb-B de Fe per Ni, tot i que interessa que els aliatges tinguin una alta quantitat de ferro perquè tingui millors propietats magnètiques. ·La substitució en els aliatges de Fe-Ni-Zr-B de Fe per Co. ·La inclusió de Cu en les mostres Fe-Nb-B ·La comparació entre els aliatges amb Nb i amb Ni-Zr -Modelització del comportament termodinàmic d'equilibri dels compostos Fe-Nb-B, mitjançant software de minimització de l'energia lliure dels diferents elements. S'han utilitzat una sèrie de tècniques analítiques per a avaluar l'estabilitat tèrmica i realitzar la caracterització estructural dels aliatges obtinguts. Anàlisi de l'estabilitat tèrmica mitjançant anàlisi calorimètrica diferencial (DSC) i termogravimetria (TG). També s'analitzarà la cinètica de cristal·lització mitjançant tractaments isotèrmics i dinàmics. -Anàlisi morfològic de les diferents mostres per microscòpia electrònica de rastreig (SEM) i caracterització estructural de les diferents fases presents i de les diferents microestructures obtingudes mitjançant difracció de raigs X XRD)i microscòpia electrònica de transmissió(TEM). S'identificaran les diferents fases presents i es calcularan els diferents paràmetres de cel·la, així com la dimensió de les microestructures. L'anàlisi microestructural es complementarà amb algunes mesures 'espectroscòpia Mössbauer de transmissió (TMS)

Application of modal interval analysis to the simulation of the behaviour of dynamic systems with uncertain parameters

Els models matemàtics quantitatius són simplificacions de la realitat i per tant el comportament obtingut per simulació d'aquests models difereix dels reals. L'ús de models quantitatius complexes no és una solució perquè en la majoria dels casos hi ha alguna incertesa en el sistema real que no pot ser representada amb aquests models. Una forma de representar aquesta incertesa és mitjançant models qualitatius o semiqualitatius. Un model d'aquest tipus de fet representa un conjunt de models. La simulació del comportament de models quantitatius genera una trajectòria en el temps per a cada variable de sortida. Aquest no pot ser el resultat de la simulació d'un conjunt de models. Una forma de representar el comportament en aquest cas és mitjançant envolupants. L'envolupant exacta és complete, és a dir, inclou tots els possibles comportaments del model, i correcta, és a dir, tots els punts dins de l'envolupant pertanyen a la sortida de, com a mínim, una instància del model. La generació d'una envolupant així normalment és una tasca molt dura que es pot abordar, per exemple, mitjançant algorismes d'optimització global o comprovació de consistència. Per aquesta raó, en molts casos s'obtenen aproximacions a l'envolupant exacta. Una aproximació completa però no correcta a l'envolupant exacta és una envolupant sobredimensionada, mentre que una envolupant correcta però no completa és subdimensionada. Aquestes propietats s'han estudiat per diferents simuladors per a sistemes incerts.

Disseny d'agents físics: inclusió de capacitats específiques per a l'avaluació de l'eficiència d'accions

L'experiència de l'autor en la temàtica d'agents intel·ligents i la seva aplicació als robots que emulen el joc de futbol han donat el bagatge suficient per poder encetar i proposar la temàtica plantejada en aquesta tesi: com fer que un complicat robot pugui treure el màxim suc de l'autoconeixement de l'estructura de control inclosa al seu propi cos físic, i així poder cooperar millor amb d'altres agents per optimitzar el rendiment a l'hora de resoldre problemes de cooperació. Per resoldre aquesta qüestió es proposa incorporar la dinàmica del cos físic en les decisions cooperatives dels agents físics unificant els móns de l'automàtica, la robòtica i la intel·ligència artificial a través de la noció de capacitat: la capacitat vista com a entitat on els enginyers de control dipositen el seu coneixement, i a la vegada la capacitat vista com la utilitat on un agent hi diposita el seu autoconeixement del seu cos físic que ha obtingut per introspecció. En aquesta tesi es presenta l'arquitectura DPAA que s'organitza seguint una jerarquia vertical en tres nivells d'abstracció o mòduls control, supervisor i agent, els quals presenten una estructura interna homogènia que facilita les tasques de disseny de l'agent. Aquests mòduls disposen d'un conjunt específic de capacitats que els permeten avaluar com seran les accions que s'executaran en un futur. En concret, al mòdul de control (baix nivell d'abstracció) les capacitats consisteixen en paràmetres que descriuen el comportament dinàmic i estàtic que resulta d'executar un controlador determinat, és a dir, encapsulen el coneixement de l'enginyer de control. Així, a través dels mecanismes de comunicació entre mòduls aquest coneixement pot anar introduint-se als mecanismes de decisió dels mòduls superiors (supervisor i agent) de forma que quan els paràmetres dinàmics i estàtics indiquin que pot haver-hi problemes a baix nivell, els mòduls superiors es poden responsabilitzar d'inhibir o no l'execució d'algunes accions. Aquest procés top-down intern d'avaluació de la viabilitat d'executar una acció determinada s'anomena procés d'introspecció. Es presenten diversos exemples per tal d'il·lustrar com es pot dissenyar un agent físic amb dinàmica pròpia utilitzant l'arquitectura DPAA com a referent. En concret, es mostra tot el procés a seguir per dissenyar un sistema real format per dos robots en formació de comboi, i es mostra com es pot resoldre el problema de la col·lisió utilitzant les capacitats a partir de les especificacions de disseny de l'arquitectura DPAA. Al cinquè capítol s'hi exposa el procés d'anàlisi i disseny en un domini més complex: un grup de robots que emulen el joc del futbol. Els resultats que s'hi mostren fan referència a l'avaluació de la validesa de l'arquitectura per resoldre el problema de la passada de la pilota. S'hi mostren diversos resultats on es veu que és possible avaluar si una passada de pilota és viable o no. Encara que aquesta possibilitat ja ha estat demostrada en altres treballs, l'aportació d'aquesta tesi està en el fet que és possible avaluar la viabilitat a partir de l'encapsulament de la dinàmica en unes capacitats específiques, és a dir, és possible saber quines seran les característiques de la passada: el temps del xut, la precisió o inclòs la geometria del moviment del robot xutador. Els resultats mostren que la negociació de les condicions de la passada de la pilota és possible a partir de capacitats atòmiques, les quals inclouen informació sobre les característiques de la dinàmica dels controladors. La complexitat del domini proposat fa difícil comparar els resultats amb els altres treballs. Cal tenir present que els resultats mostrats s'han obtingut utilitzant un simulador fet a mida que incorpora les dinàmiques dels motors dels robots i de la pilota. En aquest sentit cal comentar que no existeixen treballs publicats sobre el problema de la passada en què es tingui en compte la dinàmica dels robots. El present treball permet assegurar que la inclusió de paràmetres dinàmics en el conjunt de les capacitats de l'agent físic permet obtenir un millor comportament col·lectiu dels robots, i que aquesta millora es deu al fet que en les etapes de decisió els agents utilitzen informació relativa a la viabilitat sobre les seves accions: aquesta viabilitat es pot calcular a partir del comportament dinàmic dels controladors. De fet, la definició de capacitats a partir de paràmetres dinàmics permet treballar fàcilment amb sistemes autònoms heterogenis: l'agent físic pot ser conscient de les seves capacitats d'actuació a través de mecanismes interns d'introspecció, i això permet que pugui prendre compromisos amb altres agents físics.