Analyse en gedistribueerde regeling van onderling gekoppelde dynamische systemen

De eeuwenoude menselijke drang om zware en repetitieve taken te automatiseren, heeft ervoor gezorgd dat regelsystemen vandaag de dag alomtegenwoordig zijn. Zowel in de industrie, transportsector, landbouw als in het huishouden zijn regelsystemen te vinden. Nieuwe uitdagende toepassingen en de blijvende zoektocht om processen efficiënter te maken, resulteerden in het gebruik van optimalisatiegebaseerde regeltechnieken, zoals modelgebaseerde predictieve controle (MPC). Hoewel MPC een vaste waarde geworden is binnen de regeltechniek, blijven uitdagingen voortvloeien uit nieuwe toepassingen. Deze thesis ontwikkelt nieuwe MPC strategieën om enkele van deze uitdagingen aan te pakken en focust hierin op mechatronische toepassingen.

Zoals voor elk regelsysteem met terugkoppeling, wordt de effectiviteit van MPC bepaald door de verhouding van de regelsnelheid tot de snelheid van de systeemdynamica. MPC wordt vooral uitdagend om snelle systemen te regelen, zoals die vaak voorkomen in de mechatronica. Deze snelle regelwetten moeten bovendien vaak geïmplementeerd worden op hardware met beperkt geheugen en/of snelheid. Als oplossing voor deze uitdagingen stelt deze thesis een snel MPC algoritme voor, gebaseerd op een realtime implementatie van de proximal gradient method. Dit resulteert in eenvoudige berekeningen die snel uitgevoerd kunnen worden op hardware met beperkte middelen. Voor lineaire systemen kan stabiliteit van de gesloten lus aangetoond worden.

Geavanceerde toepassingen resulteren vaak in complexe regelproblemen. Een voorbeeld is vrije bewegingsplanning van bewegingssystemen in een omgeving met obstakels, die zich typisch vertaalt in een niet-convex probleem van hoge dimensie. Om zo een probleem efficiënt op te lossen, wordt een aanpak voorgesteld die de bewegingstrajecten parameteriseert als stuksgewijze veeltermen in een B-spline basis. De eigenschappen van B-splines worden uitgebuit om de bewegingsplanning te vertalen in een kleinschalig niet-lineair optimalisatieprobleem. Een software pakket met de naam OMG-tools, werd ontwikkeld om de splinegebaseerde bewegingsplanning op een gebruiksvriendelijke manier te modeleren, simuleren en implementeren.

Verbeteringen in communicatie en miniaturisatie van computers, zorgden voor een opgang van zogenaamde multi-agent systemen, die bestaan uit verschillende interagerende intelligente componenten. Om de modulariteit van zulke systemen te reflecteren op regelniveau, wordt vaak een gedistribueerde regelarchitectuur gebruikt. Hierbij wordt elk subsysteem voorzien van een eigen regelaar, terwijl communicatie tussen de regelaars toelaat om samen te werken. Deze thesis stelt een nieuwe gedistribueerde MPC aanpak voor om voertuigen te regelen die in formatie bewegen. Het algoritme is gebaseerd op een realtime implementatie van de alternating direction method of multipliers, en laat hoge regelsnelheden toe met beperkte communicatie tussen de voertuigen. Verder presenteert de thesis een demonstratie van een fabriek van de toekomst, waarbij gedistribueerde MPC voor transport wordt gecombineerd met gedistribueerde lokalisatie en coördinatie.