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Controlo por Computador 0-Course presentation 1 J. Miranda Lemos IST-DEEC, Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo Controlo por Computador Computer Control Introduction to design for Cyber-Physical Systems J. Miranda Lemos Professor Catedrático do IST 2015
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Controlo por Computador 0-Course presentation 1 Controlo ... · Controlo por Computador 0-Course presentation 11 J. Miranda Lemos IST-DEEC, Área Científica de Sistemas, Decisão

Oct 10, 2020

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Controlo por Computador 0-Course presentation 1

J. Miranda Lemos IST-DEEC, Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

Controlo por Computador

Computer Control

Introduction to design for Cyber-Physical Systems

J. Miranda Lemos

Professor Catedrático do IST

2015

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Controlo por Computador 0-Course presentation 2

J. Miranda Lemos IST-DEEC, Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

Documents that support the course

Available at the course web page (Fénix):

Slides

Laboratory guide and auxiliary documents

Problems for self-study

Other (Solution to selected problems, papers, etc.)

Available at the IST Library (complements):

Franklin, Powell, Workman, Digital Control of Dynamic Systems.

Astrom, Wittenmark, Computer Controlled Systems

Other references

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Controlo por Computador 0-Course presentation 3

J. Miranda Lemos IST-DEEC, Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

Student evaluation and grading

Theory

o 2 tests (recommended) or 1 exam; Weight: 50%

o Minimum 9,3 in the test average or exam;

o No minimum in each test

o After succeeding in the tests it is possible to attend the exam.

Counts only the best. Not possible to recover individual tests

Lab

o 2 reports; Weight: 50%; No minimum grade. Accepted: grades from last 2 years

Final

o F=0,5 T+0.5 min(T+4, L)

o Approval: round(F) >= 10 and T >= 9,3

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Controlo por Computador 0-Course presentation 4

J. Miranda Lemos IST-DEEC, Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

What is the course about?

What do you expect to learn?

Why are you here?

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Controlo por Computador 0-Course presentation 5

J. Miranda Lemos IST-DEEC, Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

Computer Controlled Systems

u yD/A

A/D Sensor

Sistema a Controlar

Porto de Saída

Controlador

Porto de Entrada

Computador de Controlo

Actuator

Command

signal

Output

Physical

variable

Signal proportional to

the output variable

Command signal

(numeric)

Control Algorithm

Output port

Input port

Control computer

Plant to control

The subject of

this course

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Controlo por Computador 0-Course presentation 6

J. Miranda Lemos IST-DEEC, Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

Embedded Control Systems

Embedded control systems consist of an unit that comprise all the hardware

and software required to form a control system.

Microcontrollers form a first step towards embedded control systems.

Example of a microcontroller

Modern microelectronic technology provide the possibility of increasing the

degree of embedding, with units that can be embedded with the physical

systems themselves. Applications: electrical machines, automotive, …

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Controlo por Computador 0-Course presentation 7

J. Miranda Lemos IST-DEEC, Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

Cyber-Physical Systems

Cyber-physical systems combine physical parts of the system with

computational parts.

Example: A cyber physical spring

Linearmotor

Sensors

A B

Algorithm ina computer

From the signal read from the sensors

(displacement, force) the algorithm in the

computer computes the excitation of the

linear motor such that from A to B the

device behaves as a spring.

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Controlo por Computador 0-Course presentation 8

J. Miranda Lemos IST-DEEC, Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

An example of application to a medical device

Cyber-physical systems include:

Control

Communication

Fault tolerance and security

Reconfiguration

IEEE Control Systems Magazine

February 2015 (vol 35, nº 1) dedicated

to Cyberphysical security

Access through IEEExplore

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Controlo por Computador 0-Course presentation 9

J. Miranda Lemos IST-DEEC, Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

The ingredients

Models

Identification algorithms (from plant data to models)

Control algorithms (from models to systematic decision of the value of

manipulated variables)

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Controlo por Computador 0-Course presentation 10

J. Miranda Lemos IST-DEEC, Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

Models for Computer Controlled Systems

A model represents the way the system reacts to an input.

Models:

Transfer function and linear difference equation (linear)

𝑦(𝑘 + 1) = 0,5𝑦(𝑘) + 3𝑢(𝑘)

State-space (linear and non-linear)

In this course we mainly consider linear design, but some techniques can be

used to solve nonlinear problems.

t t

u y ?

Plant

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Controlo por Computador 0-Course presentation 11

J. Miranda Lemos IST-DEEC, Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

Identification: Building models from plant i/o data

Model: )2()1()2()1()( 1021 tubtubtyatyaty

Problem: A partir das amostras de u e y , estimar os parâmetros a bi j,

u y

ESTIMADOR

Sistema a

Identificar

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Controlo por Computador 0-Course presentation 12

J. Miranda Lemos IST-DEEC, Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

Controllers for computer controlled systems

Linear controllers

o State-space based

o Input/output based 𝑢(𝑘) = 𝑘1𝑦(𝑘) + 𝑘2𝑦(𝑘 − 1) + 𝑘3𝑢(𝑘 − 1)

Optimal control (Dynamic Programming).

How to go from A to B with a minimum effort?

Stochastic control

Counteract stochastic disturbances

Predictive control (MPC, Receding Horizon Control)

Make decisions about control moves based on predictions over a sliding

horizon and cost optimization

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Controlo por Computador 0-Course presentation 13

J. Miranda Lemos IST-DEEC, Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

A mosaic of possible application areas

From aerospace to agriculture there is no limit to the areas where you can

apply the techniques studied in this course:

Get data with sensors,

Identify a model from data,

Design a controller from the model,

Connect your controller to the sensors and the actuators to obtain on-line (real time) decisions to manage the process.

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Controlo por Computador 0-Course presentation 14

J. Miranda Lemos IST-DEEC, Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

More (unconventional) application areas

Traffic control in communication networks

Computers and computing systems

Medical systems (figure refers to control of anesthesia)

Security of networked control systems o Mars path finder o Large power systems o Integrated circuits

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Controlo por Computador 0-Course presentation 15

J. Miranda Lemos IST-DEEC, Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

Schematic view of a networked control system under attack

Teixeira et al., Secure Control Systems, IEEE Control Systems Magazine, Feb 2015, 36(1):24-45

Physicalplant

Feedbackcontroller

Anomalydetector

Attack Attack

Communicationnetwork

Communicationnetwork

u(k)+u(k)

y(k)+y(k)

y(k)

y(k)u(k)

u(k)

||residue|| > Threshold => alarm

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Controlo por Computador 0-Course presentation 16

J. Miranda Lemos IST-DEEC, Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

A global view of engineering

The course on Computer Control provides an integration tool to the different

components of engineering design.

Understandthe process

Modelling,Controller

design

Communications

Instrumentation,sensors andtransducers

Basicphysico-chemicalphenomena

Computerarchitecture

Electronics,embedded systems

Productionobjectives

Energyoptimization

Processoptimization

Interface withmanagement

Qualityrequirements

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Controlo por Computador 0-Course presentation 17

J. Miranda Lemos IST-DEEC, Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

What type of course is this?

Boltzman: Nothing is more practical than a good theory.

FundamentalConcepts

Designinsight

Thiscourse

Basic conceptsMathematical manipulationsAlgorithm deductionAlgorithm propertiesAnalysis tools (stability, convergence)

Design optionsModel structure choiceSpecificationsController structure choice

Options: The noblepart of engineering

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Controlo por Computador 0-Course presentation 18

J. Miranda Lemos IST-DEEC, Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

Conclusion

The course on Computer control provides

A top view on design that combines o Physical systems o Information technology

The basic tools from Systems, Decision and Control A wide range of applications, with strong socio-economic impact can be addressed by mastering the course. The course follows a structure and content that is common to all the reference engineering schools in the world.

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Controlo por Computador 0-Course presentation 19

J. Miranda Lemos IST-DEEC, Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

Syllabus

1. Structure of computer controlled systems

2. Models for computer controlled systems

3. Model Identification

4. Controller design

a) Linear state variables feedback

b) Output feedback with polynomial methods

c) Stochastic control and Model Predictive Control (MPC)

d) Dynamic Programming

1st Test

2nd

Test

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Controlo por Computador 0-Course presentation 20

J. Miranda Lemos IST-DEEC, Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

Previous knowledge required

Basic knowledge about signals and systems, including

o Time and frequency representation of signals

o Laplace transform

o Transfer function, Bode diagrams and frequency response

Basic knowledge about calculus and differential equations

Basic course on Control as given in the first cycle of MEEC

Strong interest on the topic

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Controlo por Computador 0-Course presentation 21

J. Miranda Lemos IST-DEEC, Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

Laboratory project: Computer control of a flexible robot joint

Objective: Drive the motor such that the tip of the flexible bar tracks a

reference.

Part 1: System identification to obtain a model suitable to controller design

Part 2: Controller design and testing

MD/A

A/D 0

A/D 1

PA

Shaftangular position

Bardeflection

Gear box

Direction ofzero angularposition

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Controlo por Computador 0-Course presentation 22

J. Miranda Lemos IST-DEEC, Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

Main difficulty: What is the order of the system?

A continuum of metal yields an infinite dimensional model.

We need a finite dimensional model for controller design!

M

M

M

M

2nd order

4th order

6th order

8th order

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Controlo por Computador 0-Course presentation 23

J. Miranda Lemos IST-DEEC, Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

Physical Laws Plant i/o data

Basic principlemodels

Data basedmodels,fitted to data

Model orderreduction andapproximation

Overallplant model

This course

Experi-ments

Identifi-cation

i/o data

Model

NoModelvalid?

Yes

Specifi-cations

Controllerdesign

Verifica-tion

Design CycleApproaches to model building

La

b. P

art

1

La

b P

art

2

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Controlo por Computador 0-Course presentation 24

J. Miranda Lemos IST-DEEC, Área Científica de Sistemas, Decisão e Controlo

Reprodução de uma gravura de Francisco Goya (1746-1828)

Até à próxima aula