Distributed Networked Predictive Control with application to a laboratory experimental setup

Nowadays, distributed and networked strategies are widely used to control modern infrastructures where geographically dispersed and complex engineering systems can be regarded as "networks" of simpler interacting units. In this thesis we will implement and test a state-of-the-art model Predictive Control-based Distributed algorithm, named DPC. The tests will be carried out on a laboratory experimental setup devised specifically for this work, consisting of unicycle mobile robots virtually connected through springs and dampers, moving on a bi-dimensional plane. The realized setup will be characterized by non-idealities typical of networked control systems, like delays and disturbances. These undesired phenomena typically deteriorate the performances of control algorithms designed specifically for nominal systems. To overcome this problem we will present a robust networked variant of the DPC algorithm, capable to deal with the delays and the disturbances affecting the experimental setup. These phenomena will be characterized by analyzing the used laboratory equipment, i.e., the E-PUCK mobile robots and the Decawave UWB positioning system. Moreover, a specific calibration strategy for the compensation of the biases affecting the position measurement will be provided. In this way, such setup can be used as a versatile benchmark case study for development and testing of networked control strategies for multi-agent systems. Finally the novel, robust networked DPC algorithm will be tested, and its effectiveness will be discussed.

Oggigiorno, le tecniche di controllo distribuito e su rete trovano ampio utilizzo nella regolazione di moderni sistemi ingegneristici, dove impianti complessi e dispersi su grandi aree geografiche possono essere visti come una rete di sottosistemi interagenti tra loro. In questa tesi implementeremo e testeremo un algoritmo distribuito basato sul controllo predittivo, chiamato DPC. I test verranno eseguiti su un setup sperimentale sviluppato specificamente per questo lavoro, dove dei robot mobili a uniciclo virtualmente connessi da molle e smorzatori saranno liberi di muoversi all'interno di un arena. Il setup realizzato è caratterizzato da non idealità tipiche dei sistemi di controllo su rete, come ritardi e disturbi di comunicazione. Questi effetti indesiderati solitamente contribuiscono a degradare le prestazioni fornite da algoritmi di controllo sviluppati appositamente per sistemi nominali. Per superare questo problema, presenteremo una variante robusta specifica per il controllo su rete del DPC, in grado di sormontare le problematiche introdotte dai ritardi e disturbi che contraddistinguono il setup realizzato. Queste non idealità verranno caratterizzate analizzando nel dettaglio i dispositivi utilizzati, in particolare i robot E-PUCK e il sistema di posizionamento Decawave basato su tecnologia a banda ultra-larga (UWB). Inoltre verrà presentata una strategia di calibrazione del sistema di posizionamento in grado di migliorare notevolmente le misure di posizione fornite, rimuovendo gli errori di localizzazione. Il setup sperimentale così caratterizzato, potrà essere utilizzato come una versatile piattaforma di riferimento su cui sviluppare e testare strategie di controllo per sistemi multi agente. Infine, la nuova variante robusta per sistemi su rete dell'algoritmo distribuito basato su controllo predittivo verrà testata, e la sua efficacia verrà analizzata.