Physically inspired control and diagnosis of nonlinear dynamic systems  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
115694
Type K
Principal investigator Hangos, Katalin
Title in Hungarian Nemlineáris dinamikus rendszerek fizika-inspirálta irányítása és diagnosztikája
Title in English Physically inspired control and diagnosis of nonlinear dynamic systems
Keywords in Hungarian nemlineáris rendszerek, stabilitás vizsgálat, optimális üzemeltetés, modell alapú diagnosztika
Keywords in English nonlinear systems, stability analysis, optimal operation, model-based diagnosis
Discipline
Information Technology (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Informatics
Panel Informatics and Electrical Engineering
Department or equivalent HUN-REN Institute for Computer Science and Control
Participants Csikós, Alfréd
Dulai, Tibor
Fodor, Attila
Gerzson, Miklós
Görbe, Péter László
Leitold, Adrien
Lipták, György
Magyar, Attila
Péni, Tamás
Starkné dr. Werner, Ágnes
Szederkényi, Gábor
Starting date 2015-09-01
Closing date 2019-11-30
Funding (in million HUF) 32.232
FTE (full time equivalent) 12.22
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A dinamikus rendszerek analízisében, szabályozóinak tervezésében és diagnosztikájában manapság elkerülhetetlenné vált a rendszer fizikai természetének és struktúrájának figyelembe vétele: ezt mutatja a legújabb, kiber-fizikai rendszerek (cyber-physical) elméletének és gyakorlatának nevezett megközelítés is. A pályázat új megközelítési módokat, módszereket és eszközöket kínál a nemlineáris rendszerek fizikai jellegzetességeinek feltárására és szisztematikus alkalmazására abból a célból. hogy modern és hatékony módszereket és eljárásokat adjon azok dinamikus analízisére, szabályozóik tervezésére és diagnosztikájára.
Az alábbi konkrét tudományos irányokban folytatjuk kutatásainkat.
1. Nemlineáris kompartment rendszerek (amelyek megmaradási törvényeknek tesznek eleget) struktúra alapú analízise és irányítása LPV beágyazás és SDD relaxáció segítségével
2. Entrópia-inspirálta Ljapunov függvények és ezek alkalmazása általánosított pozitív polinomiális rendszerekre (beleértve a (bio)kémiai és a Lotka-Volterra rendszereket is)
3. Komplex diszkrét eseményű rendszerek esemény-sorozatok követésén alapuló ütemezése és diagnosztikája , ahol mesterséges intelligencia módszereket és színezett Petri háló modelleket is alkalmazunk, valamint vizsgáljuk a rendszer optimális dekompozíciójának módszereit is
4. Olyan komplex energetikai rendszerek optimális üzemeltetésének vizsgálata, amelyek megújuló energiát felhasználó háztartási kiserőműveket is magukban foglalnak. Itt módszereket adunk ezek olyan üzemeltetésére és irányítására, amely a kisfeszültségű hálózatban kompenzálni képesek a hálózati torzítást és az aszimmetriát.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A kutatás fő célja olyan hatékony kiber-fizikai módszerek kifejlesztése, amelyek alkalmasak nemlineáris rendszerek dinamikus analízisére, szabályozóinak tervezésére és diagnosztikájára a rendszer fizikai természete és a benne lejátszódó fizikai folyamatok tulajdonságai által meghatározott speciális struktúrájának felhasználásával.
Az alábbi kutatási kérdésekre keressük a választ.
Q1. Hogyan lehet teljesen és elentmondásmentesen leírni matematikai formában a rendszer fizikai alapon elvárható tulajdonságait (pl. a változók pozitivitását, megmaradások érvényességét, tömeghatás törvényének érvényességét, stb.) egy nemlineáris állapottér modellben, és mik ezen fontos fizikai tulajdonságok dinamikai következményei (pl. stabilitás)?
Q2. Hogyan lehet fizikai elvek alapján alkalmas Ljapunov függvény jelölteket találni nemlineáris rendszerekhez. és ezek hogyan használhatóak stabilitás vizsgálatra és szabályozótervezésre?
Q3. Hogyan lehet optimálisan dekomponálni egy komplex nemlineáris rendszert egy adott irányításelméleti cél (pl. szabályozótervezés, diagnosztika) szempontjából fizikai elvek segítségével?

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A kutatás eredményei új utakat nyitnak a nemlineáris rendszerek dinamikus analízisében, szabályozóinak tervetésében és diagnosztikájában azáltal, hogy szisztematikusan feltárjuk és alkalmazzuk a rendszerek fizikai sajátosságait és az azokból eredő tulajdonságaikat. Kifejlesztett módszereink segítségével lehetővé válik pozitív rendszerek, megmaradási összefüggéseknek eleget tevő rendszerek, valamint entrópia-alapú Ljapunov függvényt megengedő passzivitással rendelkező rendszerek karakterizációja, valamint speciális hatékony szabályozóik és diagnosztikai módszereik tervezése és megvalósítása. Komplex nemlineáris rendszerek olyan optimális dekompozíciós módszereit is kidolgozzuk, amelyek lehetővé teszik algoritmikusan nehéz eljárások dekomponált módon történő hatékony végrehajtását.
Az elméleti eredményeken túlmenően társadalmi szempontból is fontos alkalmazási területekre fejlesztünk ki módszereket és eljárásokat. Fizika-inspirálta irányítási és diagnosztikai módszereket adunk megújuló energiaforrásokat is tartalmazó energetikai rendszerekre, valamint közlekedési rendszerekre.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A nagyméretű komplex rendszerek bonyolult (pl. kaotikus) időbeli viselkedést mutathatnak, ezért vizsgálatuk és viselkedésük befolyásolása komoly tudományos kihívást jelentő, de a mindennapok szempontjából igen nagy jelentőségű feladat. A kutatás célja, hogy olyan hatékony és testreszabott irányítási és diagnosztikai módszereket dolgozzunk ki, amelyek az irányítandó vagy diagnosztizálandó rendszer speciális struktúrájára támaszkodnak, amelyet a rendszer fizikai természete és a benne lejátszódó fizikai folyamatok tulajdonságai határoznak meg.
A kutatások eredményeképpen új módszereket és eljárásokat adunk pozitív értékű változókkal jellemezhető rendszerek, megmaradási összefüggéseknek eleget tevő rendszerek, valamint irreverzibilis lefolyású folyamatokat (pl. súrlódás) is mutató rendszerek speciális hatékony szabályozóinak és diagnosztikai módszereinek tervezésére és megvalósítására. Nagyméretű komplex rendszerek olyan optimális részekre bontási módszereit is kidolgozzuk, amelyek lehetővé teszik nagy számításigényű eljárások dekomponált módon történő hatékony végrehajtását.
Az elméleti eredményeken túlmenően társadalmi szempontból is fontos alkalmazási területekre fejlesztünk ki módszereket és eljárásokat. Fizika-inspirálta irányítási és diagnosztikai módszereket adunk megújuló energiaforrásokat is tartalmazó energetikai rendszerekre, valamint közlekedési rendszerekre.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The use of the physical nature and properties of a system for dynamic analysis, diagnosis and control has become ubiquitous nowadays, that is reflected in the recent emergence of the theory and practice of cyber-physical systems. This proposal offers novel approaches, tools and techniques to explore the physical characteristics of nonlinear systems in order to design advanced advanced methods for their dynamic analysis, control design and diagnosis.
The following scientific challenges wil be investigated.
1. Structure based analysis and control of nonlinear compartmental systems the dynamic model of which is based on conservation laws, where LPV embedding and SDD relaxation is applied
2. Entropy-inspired Lyapunov functions and their use of generalized positive polynomial systems including (bio)chemical and Lotka-Volterra models
3. Scheduling and diagnosis of complex discrete event systems based on following event sequences, where artificial intelligence and coloured Petri net techniques will be used and the optimal decomposition of complex nonlinear systems will also be investigated
4. Optimal operation of energy systems that integrate domestic power plants generating renewable enegy sources into the low voltage distribuution network, and the operation and control aim is to compensate nonlinear distortion and asymmetry

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The aim of the proposed project is to develop efficient cyber-physical methods for dynamic analysis, control and diagnosis of nonlinear systems based on their special structure ensured by the properties of their underlying physical mechanisms.
The following basic research questions will be investigated.
Q1. How can we completely and consistently describe mathematically the expected physical properties (e.g. positivity of the variables, mass action law, conservation etc.) in a nonlinear state space model, and what are the dynamical implications (e.g.\ stability) of these properties?
Q2. How can we determine suitable Lyapunov function candidates for nonlinear systems based on physical insights, and how can we use them for stability analysis and controller design?
Q3. How can we optimally decompose complex nonlinear systems for a given aim (i.e.\ controller design, diagnosis) based on physical insights?

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The expected results may open up new ways of dynamic analysis, diagnosis and controller design of nonlinear systems by sythematically exploring and utilyzing their physical nature and underlying properties. In particular, positive systems, systems with underlying conservation leading to compartmental system models and systems with inherent dissipativity enabling entropy-inspired Lyapunov functions will be better characterized and used for control and diagnosis. Methods for optimal decomposition of complex nonlinear systems for a given purpose will also be developed that may enable the use of computationally hard techniques in a decomposed way.
Besides of the theoretical results, our targeted application fields have a primary societal importance: we intend to develop physically inspired control and diagnosis methods for energy systems with renewable energy sources and also traffic control metrods for transportation systems.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Large-scale complex systems may exhibit complicated (for example chaotic) time-behavior, therefore their analysis and diagnosis, as well as their control are challenging from research viewpoint but extremely important from practical point of view. The aim of our research is to develop efficient and taylor-made control and diagnosis methods, that bulid on the special structure of the system to be controlled or diagnosed, that is determined by their physical nature and underlying properties.
As results of our research, positive systems, systems with underlying conservation leading to compartmental system models and systems with inherent irreversible processes (such as friction, for example) will be better characterized and used for control and diagnosis. Methods for optimal decomposition of complex nonlinear systems for a given purpose will also be given that may enable the use of computationally hard techniques in a decomposed way.
Besides of the theoretical results, our targeted application fields have a primary societal importance: we intend to develop physically inspired control and diagnosis methods for energy systems with renewable energy sources and also traffic control metrods for transportation systems.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Nemlineáris rendszerek dinamikus analízisére, irányítására és diagnosztikájára alkalmas olyan módszereket fejlesztettünk ki, amelyek a rendszer fizikai tulajdonságaira támaszkodnak. Eredményeinket energetikai rendszerekben alkalmaztuk. A pozitív polinomiális redszerek entrópia alapú Ljapunov függvényét felhasználva megmutattuk, hogy kémiai reakcióhálózatok komplex kiegyensúlyozott egyensúlyi pontjai tetszőleges időkésleltetéssel is lokálisan asziptotikusan stabilak. A módszert elosztott időkésleltetések esetére is kiterjesztettük. Számítási eljárást adtunk lineáris input struktúrával rendelkező polinomiális rendszerek pozitív egyensúlyi pont körüli stabilizáló szabályozóinak tervezésére lineáris és szemidefinit programozással. A passzivitás elmélet alkalmazásával elosztott szabályozórendszert terveztünk késleltetett konvekciós hálózattal összekötött kinetikus rendszerekre. Modell alapú diagnosztikai módszert fejlesztettünk ki kisfeszültségű elektromos hálózatok illegális vételezéseinek diagnosztikájára, amely többszörös illegális fogyasztókat is kezel, és az illegális vételezés nagysága is megbecsülhető. Módszert adtunk elektromos hálózatok feszültség kiegyenlítetlenségének analízisére és kompenzálására. A javasolt három fázisú inverter szabályozó algoritmusának és csatolt megújuló energiaforrásának segítségével képes asszimmetrikus teljesítmény injekcióra vagy az energia áramlás megváltoztatására a kiegyenlítetlenség csökkentése érdekében.
Results in English
Novel methods were developed using the physical characteristics of nonlinear systems for their dynamic analysis, control design and diagnosis. Energy systems were chosen as the main focus of our applications. Using an entropy-inspired Lyapunov function of positive polynomial systems we proved that every positive complex balanced equilibrium solution of chemical reaction networks with arbitrary time delays are locally asymptotically stable. This method was generalized for chemical reaction network models with distributed time delays, too. New computational methods were proposed to construct polynomial feedback controllers for the stabilization of polynomial systems with linear input structure around a positive equilibrium point using linear and semidefinite programming. Passivity theory was used to develop a novel control approach for a class of CRNs that are interconnected through a delayed convection network. A model-based diagnostic method was proposed for detecting and isolating illegal loads in low voltage electrical grids that handles multiple illegal loads, and the amount of the illegal consumption can also be estimated. A method for analysis and compensation of voltage unbalance in electrical grids was developed. The proposed three phase inverter together with the control algorithm that uses a renewable source (photovoltaic panel or wind turbine) is capable of an asymmetric power injection or re-routing the energy flow so that the voltage unbalance decreases.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=115694
Decision
Yes





 

List of publications

  
Gábor A, Hangos KM, Szederkényi G: Linear conjugacy in biochemical reaction networks with rational reaction rates, J MATH CHEM 54: 1658-1676, 2016
Lipták Gy, Magyar A, Hangos K M: LQ control of Lotka-Volterra systems based on their locally linearized dynamics, In: Proceedings of the 13th IFAC Workshop on Time Delay Systems . Istanbul, Törökország, 2016.06.22-2016.06.24. Kiadvány: Istanbul: IFAC, 2016. pp. 241-245., 2016
Lipták Gy, Szederkényi G, Hangos K M: Kinetic feedback design for polynomial systems, J PROCESS CONTR 41: 56-66, 2016
Lipták G, Szederkényi G, Hangos KM: Computing zero deficiency realizations of kinetic systems, SYST CONTROL LETT 81: 24-30, 2015
Lipták Gy, Rudan J, Hangos K M, Szederkényi G: Stabilizing kinetic feedback design using semidefinite programming, IFAC-PAPERSONLINE 49: (24) 12-17, 2016
Pózna A I, Gerzson M, Leitold A, Hangos K M: Colored Petri Net Based Diagnosis of Process Systems, In: Hernández-Cabrera J J, Évora-Gómez J (szerk.) (szerk.) 30th European Simulation and Modelling Conference - ESM'16. Las Palmas: European Multidisciplinary Society for Modelling and Simulation Technology (EUROSIS), 2016. pp. 91-95., 2016
Tóth A, Hangos K M: A diagnostic method based on clustering qualitative event sequences, COMPUT CHEM ENG 95: 58-70, 2016
Ács B., Szederkényi G., Tuza Zs., Tuza Y. A.: Computing all possible graph structures describing linearly conjugate realizations of kinetic systems, COMPUETR PHYSICS COMMUNICATIONS 204:11-20, 2016
Bálint R., Magyar A: Refridgerator optimal schedulin to minimize the cost of operation, HUNGARIAN JOURNAL OF INDUSTRY AND CHEMISTRY 44: 99-104, 2016
Pózna A.I., Gerzson M., Leitold A., Hangos K.M.: Diagnosis of technological systems based on the structural decomposition of their coloured Petri net model, HUNGARIAN JOURNAL OF INDUSTRY AND CHEMISTRY 44:121-128, 2016
Neukirchner L., Görbe P., Magyar A.: Voltage unbalance reduction in the domestic distribution area using asymmetric inverters, JORNAL OF CLEANER PRODUCTION 142: 1710-1720, 2017
Neukirchner L., Magyar A.: Modelling a three-phase current source inverter, HUNGARIAN JOURNAL OF INDUSTRY AND CHEMISTRY 44: 105-111, 2016
Lipták Gy, Szederkényi G, Hangos K M: Kinetic feedback design for polynomial systems, J PROCESS CONTR 41: 56-66, 2016
Gábor A, Hangos KM, Szederkényi G: Linear conjugacy in biochemical reaction networks with rational reaction rates, J MATH CHEM 54: 1658-1676, 2016
Tóth A, Hangos K M: A diagnostic method based on clustering qualitative event sequences, COMPUT CHEM ENG 95: 58-70, 2016
Ács B., Szederkényi G., Tuza Zs., Tuza Y. A.: Computing all possible graph structures describing linearly conjugate realizations of kinetic systems, COMPUETR PHYSICS COMMUNICATIONS 204:11-20, 2016
Neukirchner L., Görbe P., Magyar A.: Voltage unbalance reduction in the domestic distribution area using asymmetric inverters, JORNAL OF CLEANER PRODUCTION 142: 1710-1720, 2017
Csikós A, Varga I, Hangos K M: A hybrid model predictive control for traffic flow stabilization and pollution reduction of freeways, TRANSPORT RES D-TR E 59: pp. 174-191., 2018
Lipták Gy , Hangos K M, Pituk M , Szederkényi G: Semistability of complex balanced kinetic systems with arbitrary time delays, SYST CONTROL LETT 114: pp. 38-43., 2018
Lipták Gy, Hangos K M, Szederkényi G: Approximation of delayed chemical reaction networks, REACT KINET MECH CATAL 123: (2) pp. 403-419., 2018
Pózna AI, Fodor A, Gerzson M, Hangos KM: Colored Petri net model of electrical networks for diagnostic purposes, IFACOL 51: (2) pp. 260-265., 2018
Szederkényi G, Magyar A, Hangos KM: Analysis and Control of Polynomial Dynamic Models with Biological Applications, London: Academic Press, 184 p., 2018
Bálint R, Hangos KM, Magyar A: Optimal scheduling of a household refrigerator using adaptive model predictive technique, In: [S n ] (szerk.) (szerk.) 19th International Symposium on Power Electronics Ee 2017. Novi Sad: IEEE, 2017. pp. 1-6., 2017
Bálint R, Magyar A, Hangos K M: Cost-optimal model predictive scheduling of home appliances, IFACOL 50: (1) pp. 3344-3349., 2017
Dulai Tibor, Werner-Stark Ágnes, Hangos Katalin Mária: Algorithm for directing cooperative vehicles of a vehicle routing problem for improving fault-tolerance, OPTIM ENG 11081: pp. 1-32., 2017
Pózna AI, Magyar A, Hangos KM: Model identification and parameter estimation of lithium ion batteries for diagnostic purposes, In: [S n ] (szerk.) (szerk.) 19th International Symposium on Power Electronics Ee 2017. Novi Sad: IEEE, 2017. pp. 1-6., 2017
Ács B, Szlobodnyik G, Szederkényi G: A computational approach to the structural analysis of uncertain kinetic systems, COMPUTER PHYSICS COMMUNICATIONS 228: pp. 83-95., 2018
Polcz P, Péni T, Szederkényi G: Reduced linear fractional representation of nonlinear systems for stability analysis, IFAC PAPERSONLINE 51:(2) pp. 37-42., 2018
Polcz P, Péni T, Szederkényi G: Improved algorithm for computing the domain of attraction of rational nonlinear systems, EUROPEAN JOURNAL OF CONTROL 39: pp. 53-67. (2018), 2018
Lipták Gy, Hangos K M: Distributed delay model of the McKeithan’s network, IFAC PAPERSONLINE 52: (7) pp. 33-38., 2019
Lipták Gy, Hangos K M, Szederkényi G: Stabilization of time delayed nonnegative polynomial systems through kinetic realization, In: EUCA (szerk.) 2019 18th European Control Conference (ECC), European Control Association (EUCA) (2019) pp. 3138-3143., 2019
Márton L, Szederkényi G, Hangos K M: Observer-based Diagnosis in Chemical Reaction Networks, In: EUCA (szerk.) 2019 18th European Control Conference (ECC), European Control Association (EUCA) (2019) pp. 3120-3125., 2019
Pózna Anna I., Fodor Attila, Hangos Katalin M.: Model-based fault detection and isolation of non-technical losses in electrical networks, MATHEMATICAL AND COMPUTER MODELLING OF DYNAMICAL SYSTEMS 25: (4) pp. 1-32., 2019
Szederkényi Gábor, Hangos Katalin M.: Chemical Reaction Networks as General Representations of Positive Polynomial Systems, In: Reedijk, J. (szerk.) Reference Module in Chemistry, Molecular Sciences and Chemical Engineering, Elsevier Inc (2019) pp. 1-14., 2019
Bálint R, Fodor A, Hangos K M, Magyar A: Cost-optimal model predictive scheduling of freezers, CONTROL ENGINEERING PRACTICE 80: pp. 61-69., 2018
Lipták Gy, Hangos KM: Delays in Model Reduction of Chemical Reaction Networks, IFAC PAPERSONLINE 51: (14) pp. 100-105., 2018
Márton L, Szederkényi G, Hangos KM: Distributed control of interconnected Chemical Reaction Networks with delay, JOURNAL OF PROCESS CONTROL 71: pp. 52-62., 2018
Pózna Anna I., Fodor Attila, Hangos Katalin M.: Non-Technical Loss Diagnosis in Electrical Networks With a Radial Layout, HUNGARIAN JOURNAL OF INDUSTRY AND CHEMISTRY 47: (1) pp. 3-9., 2018
Pózna Anna I., Hangos Katalin M., Magyar Attila: Design of Experiments for Battery Aging Estimation, IFAC PROCEEDINGS VOLUMES 51: (28) pp. 386-391., 2018
Magyar A.: Generalized mass action realizations of temperature dependent chemical reaction networks, Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis, 126: 587-600, 2019
Szlobodnyik, G, Szederkényi, G: Reachability Analysis of Low-Order Discrete State Reaction Networks Obeying Conservation Laws, COMPLEXITY, Article ID 1035974, 2019
Szlobodnyik G, Szederkényi G, Johnston M.D.: Reachability Analysis of SubconservativeDiscrete Chemical Reaction Networks, MATCH Commun. Math. Comput. Chem. 81: 705-736, 2019
Vághy M, Szlobodnyik G, Szederkényi G.: Kinetic realization of delayed polynomial dynamical models, IFAC PapersOnLine 52-7, pp. 45–50, 2019
Polcz, P ; Péni, T ; Szederkényi, G: Computational method for estimating the domain of attraction of discrete-time uncertain rational systems, EUROPEAN JOURNAL OF CONTROL 49: 68-83, 2019
Lipták Gy, Pituk M, Hangos K M: Modelling and stability analysis of complex balanced kinetic systems with distributed time delays, JOURNAL OF PROCESS CONTROL 84: pp. 13-23., 2019
Pózna A I, Hangos K M, Magyar A: Temperature Dependent Parameter Estimation of Electrical Vehicle Batteries, ENERGIES 12: (19) pp. 1-17., 2019




 

Events of the project

  
2018-10-18 16:33:56
Résztvevők változása
2018-01-12 12:44:44
Résztvevők változása



Back »