Multi-layer distributed control of complex systems with comm. constraints: irrigation

Luận án đề xuất điều khiển phân tán đa tầng cho hệ thống phức tạp, có ràng buộc truyền thông, ứng dụng cho kênh tưới.

Trường ĐH

Université Grenoble Alpes

Chuyên ngành

Automatique-Productique

Tác giả

Luan An

Thể loại

Luận án tiến sĩ

Năm xuất bản

Số trang

137

Thời gian đọc

21 phút

Lượt xem

0

Lượt tải

0

Phí lưu trữ

40 Point

Tóm tắt nội dung

I. Điều khiển phân tán đa lớp cho hệ thống phức tạp

Điều khiển phân tán đa lớp là phương pháp thiết yếu cho các hệ thống phức tạp quy mô lớn. Phương pháp này phân chia nhiệm vụ điều khiển thành nhiều cấp độ, mỗi cấp độ thực hiện các chức năng riêng biệt. Sự phân cấp giúp quản lý độ phức tạp, tăng cường khả năng mở rộng và độ tin cậy. Các hệ thống điều khiển cấp bậc này xử lý các ràng buộc thực tế như giới hạn truyền thông. Một hệ thống điều khiển phi tập trung đảm bảo tính linh hoạt, giảm thiểu điểm lỗi đơn lẻ. Nghiên cứu này tập trung vào thiết kế và triển khai các chiến lược điều khiển hiệu quả.

1.1. Khái niệm và lợi ích của điều khiển đa lớp

Điều khiển đa lớp tổ chức hệ thống thành các cấp độ phân cấp. Mỗi cấp độ có mục tiêu và phạm vi điều khiển riêng. Lợi ích bao gồm khả năng quản lý tốt hơn, tăng cường độ bền và hiệu quả. Phương pháp này đặc biệt phù hợp cho các hệ thống phức tạp có nhiều yếu tố tương tác. Nó tối ưu hóa hiệu suất tổng thể.

1.2. Ứng dụng cho hệ thống phức tạp quy mô lớn

Hệ thống phức tạp quy mô lớn như mạng lưới thủy lợi cần giải pháp điều khiển tinh vi. Điều khiển phân tán đa lớp cung cấp khung giải pháp vững chắc. Nó cho phép điều phối hiệu quả giữa các thành phần. Hệ thống duy trì ổn định và hoạt động tối ưu. Đây là nền tảng cho sự phát triển của các hệ thống phức tạp hiện đại.

1.3. Cơ chế hoạt động của điều khiển phi tập trung

Điều khiển phi tập trung không dựa vào một trung tâm duy nhất. Các thành phần hệ thống tự đưa ra quyết định dựa trên thông tin cục bộ. Điều này giảm gánh nặng truyền thông và tăng khả năng phục hồi. Cơ chế này đặc biệt quan trọng khi đối mặt với các sự cố mạng hoặc lỗi thiết bị. Nó đảm bảo hoạt động liên tục.

II. Thủy lợi thông minh Ứng dụng điều khiển tiên tiến

Thủy lợi thông minh là chìa khóa cho nông nghiệp hiện đại. Việc quản lý tài nguyên nước hiệu quả là một thách thức toàn cầu. Các hệ thống điều khiển phân tán mang lại giải pháp tối ưu cho kênh mương. Công nghệ điều khiển tiên tiến nâng cao hiệu suất sử dụng nước. Điều này trực tiếp hỗ trợ nông nghiệp chính xác. Giảm lãng phí nước và tối ưu hóa năng suất cây trồng là mục tiêu hàng đầu. Việc triển khai các hệ thống thông minh cải thiện đáng kể hoạt động thủy lợi.

2.1. Nhu cầu cấp thiết về quản lý nước hiệu quả

Nhu cầu về nước ngày càng tăng trong bối cảnh biến đổi khí hậu. Quản lý tài nguyên nước trở nên cấp thiết. Hệ thống thủy lợi thông minh giải quyết thách thức này. Chúng đảm bảo cung cấp nước bền vững cho nông nghiệp. Việc sử dụng công nghệ giúp tối ưu hóa từng giọt nước.

2.2. Điều khiển phân tán trong hệ thống kênh mương

Kênh mương thủy lợi thường rộng lớn và phức tạp. Điều khiển phân tán cho phép kiểm soát độc lập từng đoạn kênh. Hệ thống van và máy bơm được điều chỉnh tự động. Nước được phân phối chính xác đến từng khu vực. Điều này giảm thiểu sự can thiệp thủ công và lỗi vận hành.

2.3. Lợi ích của nông nghiệp chính xác từ thủy lợi

Thủy lợi thông minh là trụ cột của nông nghiệp chính xác. Cây trồng nhận được lượng nước cần thiết vào đúng thời điểm. Việc này tối ưu hóa sự phát triển của cây. Nó tăng năng suất và chất lượng nông sản. Đồng thời, giảm chi phí vận hành và bảo vệ môi trường.

III. Giải pháp điều khiển với hạn chế truyền thông mạng

Hạn chế truyền thông mạng là rào cản lớn trong hệ thống điều khiển phân tán. Độ trễ, mất gói dữ liệu ảnh hưởng đến hiệu suất hệ thống. Cần có các chiến lược điều khiển mạnh mẽ để vượt qua những thách thức này. Các thuật toán điều khiển thích nghi được phát triển. Chúng duy trì ổn định và hiệu quả hoạt động. Nghiên cứu này đề xuất giải pháp để đảm bảo hoạt động liên tục. Hệ thống hoạt động hiệu quả ngay cả trong điều kiện mạng kém. Điều này cực kỳ quan trọng đối với các ứng dụng thực tế.

3.1. Thách thức từ đường truyền mạng không ổn định

Các hệ thống điều khiển từ xa thường gặp đường truyền mạng không ổn định. Độ trễ cao, băng thông thấp, và mất gói dữ liệu là những vấn đề phổ biến. Những yếu tố này có thể gây ra sự không ổn định trong hệ thống. Hệ thống phải được thiết kế để chịu được các điều kiện này. Việc giảm thiểu ảnh hưởng của mạng là ưu tiên hàng đầu.

3.2. Chiến lược điều khiển thích nghi với độ trễ

Phát triển các chiến lược điều khiển thích nghi là cần thiết. Các thuật toán bù độ trễ được tích hợp. Hệ thống có khả năng dự đoán và phản ứng với sự chậm trễ. Mục tiêu là duy trì hiệu suất mong muốn. Chúng đảm bảo tính chính xác của quá trình điều khiển. Việc này giúp hệ thống hoạt động ổn định trong mọi tình huống truyền thông.

3.3. Đảm bảo hiệu suất hệ thống dưới mọi điều kiện

Đảm bảo hiệu suất hệ thống trong mọi điều kiện là một yêu cầu quan trọng. Ngay cả khi có gián đoạn truyền thông, hệ thống phải hoạt động ổn định. Các giải pháp dự phòng và cơ chế tự phục hồi được triển khai. Điều này tăng cường độ tin cậy và khả năng chống chịu của hệ thống. Nó giảm thiểu rủi ro hoạt động và sự cố.

IV. Tối ưu quản lý tài nguyên nước nông nghiệp chính xác

Tối ưu hóa quản lý tài nguyên nước là mục tiêu cốt lõi. Nông nghiệp chính xác hưởng lợi trực tiếp từ điều này. Hệ thống điều khiển đa lớp cung cấp công cụ hiệu quả. Nó giúp phân bổ nước tối ưu cho các cây trồng khác nhau. Nước được cung cấp đúng lúc, đúng lượng, giảm lãng phí đáng kể. Điều này không chỉ bảo tồn tài nguyên mà còn nâng cao năng suất. Các quyết định quản lý trở nên minh bạch và dựa trên dữ liệu. Đây là bước tiến quan trọng cho một nền nông nghiệp bền vững hơn.

4.1. Cải thiện hiệu suất sử dụng nước

Hệ thống điều khiển phân tán cho phép cải thiện đáng kể hiệu suất sử dụng nước. Nó giảm thiểu lượng nước thất thoát do bay hơi hoặc thấm. Nước được chuyển đến nơi cần thiết một cách chính xác. Lượng nước cấp vào hệ thống được tối ưu hóa. Điều này mang lại lợi ích kinh tế và môi trường.

4.2. Hỗ trợ ra quyết định cho người quản lý

Dữ liệu thu thập từ hệ thống thủy lợi thông minh hỗ trợ ra quyết định. Người quản lý có cái nhìn tổng quan về tình hình nước. Các mô hình dự đoán cung cấp thông tin quý giá. Quyết định được đưa ra dựa trên dữ liệu thực tế. Điều này tối ưu hóa việc phân phối và sử dụng tài nguyên nước.

4.3. Nâng cao năng suất và chất lượng cây trồng

Việc cung cấp nước chính xác tác động trực tiếp đến cây trồng. Cây phát triển khỏe mạnh, cho năng suất cao hơn. Chất lượng sản phẩm nông nghiệp được cải thiện. Đây là mục tiêu quan trọng của nông nghiệp chính xác. Hệ thống điều khiển góp phần vào an ninh lương thực.

V. Tích hợp IoT và CPS trong hệ thống điều khiển cấp bậc

Internet of Things (IoT) và Hệ thống Vật lý Mạng (CPS) đóng vai trò trung tâm. Chúng tạo ra nền tảng cho các hệ thống điều khiển cấp bậc thông minh. IoT thu thập dữ liệu thời gian thực từ môi trường vật lý. CPS tích hợp tính toán và vật lý để tự động hóa điều khiển. Sự kết hợp này mang lại khả năng giám sát và kiểm soát chưa từng có. Ứng dụng trong nông nghiệp thông minh, đặc biệt là thủy lợi, hứa hẹn nhiều tiềm năng. Các hệ thống này cung cấp khả năng mở rộng và linh hoạt. Đây là tương lai của nông nghiệp số và quản lý tài nguyên.

5.1. Vai trò của IoT trong thu thập dữ liệu thủy lợi

IoT bao gồm các cảm biến và thiết bị kết nối. Chúng thu thập dữ liệu về độ ẩm đất, mực nước, lưu lượng. Thông tin này được truyền về trung tâm điều khiển. Dữ liệu IoT là cơ sở cho các quyết định điều khiển. Nó cho phép giám sát liên tục và chính xác. Đây là yếu tố then chốt cho thủy lợi thông minh.

5.2. CPS Nền tảng cho hệ thống điều khiển thông minh

Hệ thống Vật lý Mạng (CPS) là sự giao thoa giữa thế giới vật lý và kỹ thuật số. Chúng cho phép các hệ thống vật lý tương tác với các thành phần tính toán. Trong điều khiển thủy lợi, CPS tự động điều chỉnh van, bơm. Hệ thống phản ứng thông minh với các thay đổi. Nó tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu sự can thiệp của con người.

5.3. Hướng phát triển cho tương lai nông nghiệp số

Tích hợp IoT và CPS mở ra hướng phát triển mới cho nông nghiệp số. Các hệ thống điều khiển cấp bậc sẽ trở nên tự động hơn. Khả năng học hỏi và thích nghi sẽ được cải thiện. Nông nghiệp chính xác sẽ đạt đến một tầm cao mới. Công nghệ này góp phần vào việc tạo ra các trang trại thông minh, bền vững.

Xem trước tài liệu
Tải đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Luận án tiến sĩ multi layer distributed controlof complex systems with communication constraints application to irrigation channels

Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung

Tải đầy đủ (137 trang)

Trích đoạn nội dung luận án

Tải xuống để đọc toàn bộ

THÈSE Pour obtenir le grade de DOCTEUR DE LA COMMUNAUTÉ UNIVERSITÉ GRENOBLE ALPES Spécialité : AUTOMATIQUE-PRODUCTIQUE Arrêté ministérial : 25 Mai 2016 Présentée par Le-Duy-Lai NGUYEN Thèse dirigée par Monsieur Laurent LEFÈVRE et co-encadrée par Monsieur Denis GENON-CATALOT préparée au sein Laboratoire de Conception et d’Intégration des Sys- tèmes (LCIS - EA 3747) dans l’École Doctorale Électronique, Électrotechnique, Automatique et Traitement du Signal (EEATS - ED 220) Contrôle distribué multi-couches des systèmes complexes avec con- traintes de communication : applica- tion aux systèmes d’irrigation Multi-layer distributed control of complex sys- tems with communication constraints: applica- tion to irrigation channels Thèse soutenue publiquement le 19 Décembre 2017, devant le jury composé de : Monsieur, Jean-Marc THIRIET Professeur - GIPSA-Lab, Univ. Grenoble Alpes, Président Monsieur, Eric DUVIELLA Professeur - IMT, Ecole des Mines de Douai, Rapporteur Monsieur, Michel ROBERT Professeur - CRAN, Univ. de Lorraine, Rapporteur Monsieur, Bastien CHOPARD Professeur - CUI, Univ. de Genève, Examinateur Monsieur, Laurent LEFÈVRE Professeur - LCIS, Institut Polytechnique de Grenoble, Directeur de thèse Monsieur, Denis GENON-CATALOT Maître de conférence - LCIS, Univ.

Grenoble Alpes, Co-Encadrant Multi-layer distributed control of complex systems with communication constraints: application to irrigation channels Le-Duy-Lai NGUYEN Supervisors: Prof. Laurent LEFÈVRE Assoc. Denis GENON-CATALOT Univ. Grenoble Alpes, Grenoble INP*, LCIS, 26000 Valence, France * Institute of Engineering Univ.

Grenoble Alpes Address: 50, Rue Barthélémy de Laffemas - BP54 26902 VALENCE Cedex 09 - FRANCE This dissertation is submitted for the degree of Doctor of Philosophy December 2017 I would like to dedicate this thesis to my loving and lovely family, especially, my wife Vy-Nha and my two princes Gia-An and Gia-Khang. Acknowledgements It is a great milestone in one’s life to engage in the doctoral study and success the Ph. This doctoral thesis, like most research works, is the result of a curious and inquisitive spirit, coupled with plenty of hard work and persistence. Naturally, it was difficult at times, but overall, the fulfilling moments far exceeded the hardship – and I owe that in a world of people, to whom I will always be grateful.

Without their generous supports throughout, this thesis would not become possible. First of all, I would like to express my sincere gratitude to my supervisors Prof. Laurent LEFÈVRE and Assoc. Denis GENON-CATALOT for their continuous support of my Ph.

study and related research, for their patience, motivation, and immense knowledge. Their guidance helped me in all the time of research period and writing of this thesis. They are knowledgeable and helpful mentors who have not only given me advice on the academic side, but also shared a lot of experience in life. Their patience and high availability when I needed assistance in research benefited me greatly.

It has been an honor to be their Ph. They have taught me, both consciously and unconsciously, how good automatic control and computer science can be combined. I appreciate all their contributions of time, ideas, and funding to make my Ph. experience productive and stimulating.

The joy and enthusiasm that they have for their research were contagious and motivational for me, even during tough times in the Ph. I am also thankful for the excellent example, they have provided as successful scientists and professors. Besides my supervisors, I would like to thank the reading committee members: Prof. Eric DUVIELLA and Prof.

Michel ROBERT, for their insightful comments and encouragement, but also for the hard question which incanted me to widen my research from various perspectives. They spent their valuable time examining my research work and provided many insightful suggestions. I would also like to thank the other members of my oral defense committee, specially Prof. Jean-Marc THIRIET, Prof.

Bastien CHOPARD, for their time, interest, and helpful questions. The financial support of the Artemis Arrowhead European project under grant agreement number 332987 is acknowledged. With the forty-two month scholarship from this project, I did not have to worry about my living expenses, and therefore was able to concentrate on studies and research. Many thanks to the "Syndicat d’Irrigation Drômois" (SID, www.fr), which has provided the information such as the overview, structure, figures and control objectives of the Bourne river irrigation network.

We also wish to thank the working group "Arrowhead Project" within vi | Schneider Electric Grenoble, particularly Mr. Claude LEPAPE, Domain Leader of Energy Management and Analytics Optimization and Mr. Alfredo SAMPERIO, Project Leader of Task 1.4, for their support throughout the completion of research works. I would also like to thank the members inside and outside the MACSY-COSY group.

GENON-CATALOT and Mr. André LAGREZE drove me to disastrous excursion and leisure activities many times when I stayed in the Laboratory LCIS during the three years. Antoine SAILLOT taught me techniques on the control of linear dynamic systems. Discussion with Mrs.

Ionela PRODAN gave me new insights into some problems from centralized to decentralized control of complex systems. In addition, I enjoyed the friendship with other members in our group: Mr. Youness LAMI, Mr. Yoann HERVAGAULT, Mr.

We have shared lots of exciting moments together. I also thank Mr. El Mehdi KHALFI for inspirational discussions with me regarding the knowledge in the field of multi- agent systems. My sincere thanks also go to Mr.

Christophe DELEUZE, and Mr. Yves GUIDO, who provided me an opportunity to join their team as teaching assistant, and who gave access to the network department facilities. Without their precious support it would not be possible to conduct this research. My time at LCIS was made enjoyable in large part due to the many friends and groups that became a part of my life.

I am grateful for the time spent with roommates and friends, for my backpacking buddies and our memorable trips in the mountains, countryside for Youness LAMI and Benjamin VINCENT’s hospitality as I finished up my degree, and for many other people and memories. My time at LCIS was also enriched by the graduate ESISAR student group. Finally and most importantly, I should express my gratitude to my family. Their supports, encouragement and love have been accompanying me for so many years.

I am indebted to their diligent work and great contribution to the family. For my parents who raised me with a love of study and supported me in all my pursuits. I would like to thank my foster brother, Patrick TROUCHE, for supporting me spiritually throughout writing this thesis and my life in general. And most of all for my loving, supportive, encouraging, and patient wife whose faithful support during the final stages of this Ph.

is so appreciated. I thank my fellow lab-mates in LCIS for the stimulating discussions, for the sleepless nights we were working together before deadlines, and for all the fun we have had in the last four years. Also, I am grateful to Prof. Marc BUI in the institution “École Pratique des Hautes Études" (EPHE) for enlightening me the first glance of research.

Abstract This thesis presents the control problems of irrigation network with communication constraints and a multi-layer approach to solve these problems in a distributed manner. Detailed discussions of each layer with analytical and simulation results are described throughout several chapters. They emphasize the potential interest of the multi-layer approach, more precisely its efficiency and reliability for supervision, multi-objective optimization and distributed cooperative control of complex water transport systems. The first layer to be considered is the hydraulic network composed of free-surface channels, hydraulic structures and mesh subnetwork of pressurized pipes.

By coupling the Saint-Venant equations for describing the physics of free-surface fluid and the Lattice Boltzmann method for the fluid simulation, a discrete-time nonlinear model is obtained for the channels. The hydraulic structures are usually treated as internal boundaries of reaches and modeled by algebraic relationships between the flow and pressure variables. To enable the exchange of the information among the control system’s components, a communication network is considered in the second layer. Solving challenging problems of heterogeneous devices and communication issues (e., network delay, packet loss, energy consumption) is investigated in this thesis by introducing a hybrid network architecture and a dynamic routing design based on Quality of Service (QoS) requirements of control applications.

For network routing, a weighted composition of some standard metrics is proposed so that the routing protocol using the composite metric achieves convergence, loop-freeness and path- optimality properties. Through extensive simulation scenarios, different network performance criteria are evaluated. The comparison of simulation results can validate the interest of this composition approach for dynamic routing. Finally, the third layer introduces an optimal reactive control system developed for the regulatory control of large-scale irrigation channels under a Distributed Cooperative Model Predictive Control (DCMPC) framework.

This part discusses different control implementation strategies (e., centralized, decentralized, and distributed strategies) and how the cooperative communication among local MPC controllers can be included to improve the performance of the overall system. Managing the divergent (or outdated) information exchanged among controllers is considered in this thesis as a consensus problem and solved by using an asynchronous consensus protocol. Based on the multi-agent system paradigm, this approach to distributed control provides a solution guaranteeing that all controllers have a consistent view of some data values needed for action computation. A particular benchmark of an irrigation channel is viii | investigated in simulations.

The comparison of simulation results validates the benefits of the distributed cooperative control approach over other control strategies. Keywords - irrigation network, Saint-Venant (SV) equations, Lattice Boltzmann (LB) method, Networked Control System (NCS), Low power and Lossy Network (LLN), hybrid architecture, dynamic routing, Routing Protocol for Low power and lossy network (RPL), composite metric, distributed control, cooperative control, asynchronous consensus, Multi-Agent System (MAS). Résumé Cette thèse présente une contribution sur les problèmes de contrôle de réseaux d’irrigations en ten- ant compte des contraintes de communication grâce à une approche multi-couches d’intelligence distribuée. Les analyses détaillées de chaque couche avec les résultats analytiques et les simula- tions seront décrites dans les différents chapitres.

Ils mettent l’accent sur l’intérêt de l’approche multicouches, plus précisément sur son efficacité et sa fiabilité pour la supervision, l’optimisation multi-objectifs et le contrôle coopératif distribué sur des systèmes complexes de transport d’eau. La première couche analysée est le réseau hydraulique composé de canaux d’écoulements à surface libre, de sous-réseaux maillés de tuyaux sous pression et des structures hydrauliques. En intégrant les équations de Saint-Venant pour décrire l’écoulement physique des fluides en surface libre et la méthode de Lattice Boltzmann pour la simulation du fluide, nous obtenons un modèle non linéaire discret pour les canaux à surface libre. Les structures hydrauliques sont généralement traitées comme des limites internes des biefs (tronçons) et modélisées par des relations entre les variables de flux et de pression.

Permettant l’échange d’informations entre les éléments du système de contrôle, le réseau de communication sera considéré comme la deuxième couche. La résolution des problèmes d’hétérogénéités des systèmes et des communications (par exemple les retards de diffusion dans le réseau, la perte de paquets, la consommation d’énergie) sera étudié en introduisant une architecture de réseau hybride avec un routage dynamique basé sur les exigences de Qualité de Service (QoS) des applications de contrôle. Pour le routage dynamique dans le réseau, une composition pondérée de certaines métriques standards est proposée afin que le protocole de routage utilisant cette métrique composite converge sans boucle avec une « route » optimum. Grâce à différents scénarios de simulation, plusieurs critères de performance du réseau ont été évalués.

La comparaison des résultats de simulation permet de valider l’intérêt de cette approche de composition pour le routage dynamique. Une troisième couche propose un système de contrôle réactif optimal développé pour la régulation du réseau d’irrigation dans un modèle étendue à grande échelle : Distributed Coopera- tive Model Predictive Control (DCMPC). Cette partie aborde la mise en œuvre de différentes stratégies de contrôle (centralisées, décentralisées et distribuées) et intègre la communication coopérative entre les contrôleurs MPC locaux afin d’améliorer les performances globales du système.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Câu hỏi thường gặp

Luận án "Multi-layer distributed control: complex systems & irrigation" nghiên cứu về vấn đề gì?

Luận án đề xuất điều khiển phân tán đa tầng cho hệ thống phức tạp, có ràng buộc truyền thông, ứng dụng cho kênh tưới.

Luận án "Multi-layer distributed control: complex systems & irrigation" được bảo vệ tại trường nào?

Luận án này được bảo vệ tại Université Grenoble Alpes. Năm bảo vệ: 2017.

Luận án "Multi-layer distributed control: complex systems & irrigation" thuộc chuyên ngành gì?

Luận án "Multi-layer distributed control: complex systems & irrigation" thuộc chuyên ngành Automatique-Productique. Danh mục: Tự Động Hóa.

Luận án "Multi-layer distributed control: complex systems & irrigation" có bao nhiêu trang?

Luận án "Multi-layer distributed control: complex systems & irrigation" có 137 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.

Cách tải luận án "Multi-layer distributed control: complex systems & irrigation" về máy như thế nào?

Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.

Luận án liên quan

Chia sẻ tài liệu: Facebook Twitter