Event-triggered control for nonlinear systems : Application to vehicle platoons - Thèses de doctorat de l'Université Polytechnique Hauts-de-France
Thèse Année : 2024

Event-triggered control for nonlinear systems : Application to vehicle platoons

Commande événementielle pour les systèmes non linéaires : Application au convoi de véhicules

Controle acionado por evento para sistemas não lineares : Aplicação a comboio de veículos

Résumé

In this thesis, we address the design of event-triggered control for nonlinear systems focusing on the application of nonhomogeneous vehicle platooning. Due to the presence of parametric uncertainties and unmeasured exogenous disturbances, the classical feedback linearization technique cannot be applied to attain linear and homogeneous platoon. To address this issue, we propose a disturbance observer (DOB) to estimate a lumped disturbance, representing the effects of both the parametric uncertainty and the unmeasured external signals. The estimated disturbance is directly incorporated into the feedback linearization control law for uncertainty compensation. Considering the compensation effects, to assess the individual stability and the string stability, we formulate an overlapping subsystem representing the interaction between vehicles, which directly exchange information. Through this modeling formulation, individual and string stability of the nonhomogeneous platoon can be studied using ℒ2 stability analysis of a single overlapping subsystem, ensuring the scalability of the proposed stability conditions. Considering event-based transmission for resource-efficient communication, we derive sufficient design conditions using suitable Lyapunov-Krasovskii functionals and relaxation techniques for dynamic event-triggered control (ETC) methods to ensure individual and string stability in both cases, with and without communication delays. To ensure Zeno-free behavior, a minimum time between consecutive transmissions is imposed. To account for the enforced time, the overlapping subsystem is rewritten as a switching system based on the intervals during which the triggering mechanism is active. As an extension of ETC methods for platooning applications, we propose a co-design ETC method for nonlinear systems, based on a feedback linearization technique. The co-design conditions for both the controller and the event-triggering mechanism are recast as an optimization problem subject to linear matrix inequality constraints. Extensive simulations and comparisons are presented for each proposed ETC control result to illustrate the advantages of the respective methods over the related literature.
Cette thèse aborde la mise en œuvre d'une commande événementielle pour les systèmes non linéaires avec une application au convoi non homogène de véhicules. La commande linéarisante est appliquée pour homogénéiser le convoi. Néanmoins, elle a des limitations en présence d'incertitudes paramétriques et de perturbations exogènes non mesurées. Pour résoudre ce problème, nous proposons d'utiliser un observateur de perturbations (DOB : disturbance observer) qui estime une perturbation "virtuelle", représentant les effets à la fois des incertitudes paramétriques et des signaux externes non mesurés. Cette estimation est directement intégrée dans la loi de commande linéarisante pour compenser les incertitudes. En tenant compte des effets de compensation, la stabilité individuelle de chaque véhicule et la stabilité du convoi de véhicules est formulée à partir d'un sous-système interconnecté. Ce dernier représente l'interaction entre deux véhicules consécutifs qui échangent directement des informations. Grâce à cette formulation, la stabilité individuelle et en convoi non homogène peut être étudiée en utilisant une analyse de stabilité ℒ2 d'un seul sous-système interconnecté, assurant la scalabilité des conditions de stabilité proposées. En considérant une transmission basée sur les événements pour réduire le taux de communication, des conditions de suffisantes de stabilité sont proposées. Elles utilisent la théorie de Lyapunov et dans le cas de retards des fonctionnelles de Lyapunov-Krasovskii. Pour éviter le phénomène de Zenon, un délai minimum entre les transmissions consécutives est imposé. Pour tenir compte du délai imposé, le sous-système interconnecté est réécrit sous forme d'un système à commutation basé sur les intervalles pendant lesquels le mécanisme de déclenchement est actif. En tant qu'extension des méthodes ETC pour les applications autour des convois de véhicules, une méthode de co-design pour les systèmes non linéaires est également proposée à partir d'une technique de commande linéarisante. Les conditions de synthèse à la fois pour le contrôleur et le mécanisme de déclenchement d'événements sont reformulées sous forme d'un problème d'optimisation écrit à l'aide de contraintes d'inégalité matricielle linéaire. Des simulations et des comparaisons sont présentées pour chaque partie du mémoire.
Nesta tese abordamos o projeto de controle acionado por eventos para sistemas não lineares, com foco na aplicação em comboio de veículos não homogêneos. Devido à presença de incertezas paramétricas e distúrbios exógenos, a técnica clássica de linearização por realimentação não pode ser aplicada para obter um comboio linear e homogêneo. Para resolver essa questão, propomos um observador de distúrbios (DOB : Disturbance observer) para estimar um distúrbio “virtual”, representando os efeitos tanto da incerteza paramétrica quanto dos sinais externos não medidos. O distúrbio estimado é incorporado diretamente na lei de controle de linearização por realimentação para compensação das incertezas. Considerando os efeitos da compensação, para avaliar a estabilidade individual e a estabilidade do comboio, formulamos um subsistema sobreposto que representa a interação entre veículos que trocam informações diretamente. Por meio dessa formulação, a estabilidade individual e do comboio não homogêneo pode ser estudada utilizando a análise de estabilidade ℒ2 de apenas um subsistema sobreposto, garantindo a escalabilidade das condições de estabilidade propostas. Considerando a transmissão baseada em eventos para comunicação eficiente em termos de recursos, derivamos condições suficientes usando funcionais de Lyapunov-Krasovskii adequados e técnicas de relaxamento para métodos de controle acionado por eventos dinâmicos (ETC : Event-triggered control) para garantir a estabilidade individual e do comboio nos casos, com e sem atrasos de comunicação. Para garantir um comportamento livre de Zenão, um tempo mínimo entre transmissões consecutivas é imposto. Para incluir esse tempo no modelo do subsistema sobreposto, o mesmo é reescrito como um sistema chaveado baseado nos intervalos durante os quais o mecanismo de disparo está ativo. Como uma extensão das abordagem ETC aplicada ao comboio, propomos um método para co-projeto de ETC aplicado a sistemas não lineares, baseado em uma técnica de linearização por realimentação. As condições de co-projeto para o controlador e o mecanismo de acionamento de eventos são reformuladas como um problema de otimização sujeito a restrições sob a forma de desigualdades matriciais lineares. Simulações extensivas e comparações são apresentadas para cada controlador ETC proposto com intuito de ilustrar as vantagens dos respectivos métodos em relação à literatura relacionada.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04731021 , version 1 (10-10-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04731021 , version 1

Citer

Rafael Nascimento Silva. Event-triggered control for nonlinear systems : Application to vehicle platoons. Automatic. Université Polytechnique Hauts-de-France; Universidade Federal de Minas Gerais, 2024. English. ⟨NNT : 2024UPHF0022⟩. ⟨tel-04731021⟩
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