Event-triggered control of hybrid dynamical systems

Xuanzhi Zhu

Key information

Authors:

Xuanzhi Zhu (Xuanzhi Zhu)

Supervisors:

Carlos Jorge Ferreira Silvestre (Carlos Jorge Ferreira Silvestre); Pedro Daniel Graça Casau (Pedro Daniel Graça Casau)

Published in

November 25, 2024

Abstract

Esta tese investiga a viabilidade e praticabilidade da implementação do controlo event-triggered emsistemas dinâmicos híbridos. Propõe umconjuntoabrangente de controladores event-triggered capazes de produzir transmissões aperiódicas nos canais de comunicação sensor-controlador e/ou controlador-atuador, mantendo ao mesmo tempo os desempenhos de controlo em malha fechada desejados. As estratégias propostas são adaptadas a sistemas dinâmicos de diferentes níveis de complexidade e incerteza, garantem diversas garantias de estabilidade e/ou robustez e apresentam diversos padrões de evolução do tempo entre transmissões. As originalidades da tese são triplas. Primeiro, combina o controlo event-triggered com o controlo sinérgico híbrido para tarefas de seguimento de trajetórias de robôs aéreos, permitindo transmissões esporádicas no canal de comunicação sensor-controlador ou controlador-atuador. Segundo, incorpora o controlo event-triggered baseado em modelo com controlo híbrido de tempo finito para tarefas de estabilização de sistemas lineares e não lineares gerais, levando a uma quantidade considerável de transmissões reduzidas e a alguma liberdade na seleção do controlador nominal. Terceiro, propõe ferramentas analíticas para estudarsistematicamente o comportamento weak dwell-time das soluções para sistemas dinâmicos híbridos gerais, bem como o comportamento dwell-time de certos arcos híbridos associados às soluções, oferecendo insights valiosos para implementar o controlo event-triggered em sistemas dinâmicos híbridos gerais. Uma grande parte das descobertas desta tese são apoiadas por análises rigorosas no âmbito dos sistemas dinâmicos híbridos, que abrangem a aplicação, incluindo, mas não se limitando a. da teoria híbrida de Lyapunov, do princípio da invariância híbrida, do princípio da redução híbrida, e a noção de soluções para sistemas dinâmicos híbridos interligados. Osresultadosteóricos desta tese são validados através de extensas simulações numéricas envolvendo cenários de controlo em rede para sistemas lineares, não lineares e híbridos. Estas simulações demonstram a eficácia dos métodos propostos em vários contextos. Além disso, é realizada validação experimental para tarefas de controlo de movimento de robôs aéreos, mostrando a aplicabilidade prática e o impacto no mundo real das estratégias propostas. This thesis investigates the feasibility of implementing event-triggered control on hybrid dynamical systems. It proposes a suite of event-triggered controllers capable of producing aperiodic transmissions on the sensor-to-controller and/or the controller-to-actuator communication channels, while maintaining desired closed-loop control performances. The proposed strategies are tailored to dynamical systems of different levels of complexity and uncertainty, ensure various stability and/or robustness guarantees, and exhibit diverse evolution patterns of the inter-transmission time. The originalities of the thesis are trifold. First, it combines event-triggered control with hybrid synergistic control for trajectory tracking tasks of aerial robots, enabling sporadic transmissions on either the sensor-to-controller or the controller-to-actuator communication channel. Second, it incorporates model-based event-triggered control with hybrid finite-time control for stabilizing tasks of general linear and nonlinear systems, leading to a considerable amount of reduced transmissions and some freedom in selecting the nominal controller. Third, it proposes tools to characterize the weak dwell-time behaviors of solutions to general hybrid dynamical systems and the dwell-time behavior of certain hybrid arcs associated with the solutions, being instructive for general event-triggered control designs of hybrid dynamical systems. A large portion of the findings in this thesis are supported by rigorous analysis in the framework of hybrid dynamical systems, which encompasses the application of, including but not limited to, the hybrid Lyapunov theory, the hybrid invariance principle, the hybrid reduction principle, and the notion of solutions to interconnected hybrid dynamical systems. The proposed control schemes are further validated through numerical simulations in cases of networked control of linear/nonlinear/hybrid systems and also through experimental runs in the specific case of motion control of aerial robots.