Game theory based distributed model predictive control: an approach to large-scale systems control

Los sistemas de gran escala son sistemas conformados por diferentes elementos interactuando entre sí. Cada uno de estos elementos tiene asignado un controlador local encargado de de-cidir las acciones de control locales que deben ser aplicadas con el fin de alcanzar un objetivo. Por lo general, esta...

Full description

Autores:
Valencia Arroyave, Felipe
Tipo de recurso:
Doctoral thesis
Fecha de publicación:
2012
Institución:
Universidad Nacional de Colombia
Repositorio:
Universidad Nacional de Colombia
Idioma:
spa
OAI Identifier:
oai:repositorio.unal.edu.co:unal/11043
Acceso en línea:
https://repositorio.unal.edu.co/handle/unal/11043
http://bdigital.unal.edu.co/8401/
Palabra clave:
62 Ingeniería y operaciones afines / Engineering
Control predictivo
Teoría de juegos
Sistemas de gran escala/ Model predictive control
Game theory
Large-scale systems
Rights
openAccess
License
Atribución-NoComercial 4.0 Internacional
id UNACIONAL2_f203790b3acbd7fb177b9d5ef30b1ed3
oai_identifier_str oai:repositorio.unal.edu.co:unal/11043
network_acronym_str UNACIONAL2
network_name_str Universidad Nacional de Colombia
repository_id_str
dc.title.spa.fl_str_mv Game theory based distributed model predictive control: an approach to large-scale systems control
title Game theory based distributed model predictive control: an approach to large-scale systems control
spellingShingle Game theory based distributed model predictive control: an approach to large-scale systems control
62 Ingeniería y operaciones afines / Engineering
Control predictivo
Teoría de juegos
Sistemas de gran escala/ Model predictive control
Game theory
Large-scale systems
title_short Game theory based distributed model predictive control: an approach to large-scale systems control
title_full Game theory based distributed model predictive control: an approach to large-scale systems control
title_fullStr Game theory based distributed model predictive control: an approach to large-scale systems control
title_full_unstemmed Game theory based distributed model predictive control: an approach to large-scale systems control
title_sort Game theory based distributed model predictive control: an approach to large-scale systems control
dc.creator.fl_str_mv Valencia Arroyave, Felipe
dc.contributor.advisor.spa.fl_str_mv Espinosa Oviedo, Jairo José (Thesis advisor)
dc.contributor.author.spa.fl_str_mv Valencia Arroyave, Felipe
dc.subject.ddc.spa.fl_str_mv 62 Ingeniería y operaciones afines / Engineering
topic 62 Ingeniería y operaciones afines / Engineering
Control predictivo
Teoría de juegos
Sistemas de gran escala/ Model predictive control
Game theory
Large-scale systems
dc.subject.proposal.spa.fl_str_mv Control predictivo
Teoría de juegos
Sistemas de gran escala/ Model predictive control
Game theory
Large-scale systems
description Los sistemas de gran escala son sistemas conformados por diferentes elementos interactuando entre sí. Cada uno de estos elementos tiene asignado un controlador local encargado de de-cidir las acciones de control locales que deben ser aplicadas con el fin de alcanzar un objetivo. Por lo general, estas acciones son tomadas sin tener en cuenta su efecto en el comportamiento de los demás elementos ni en el desempeño global del sistema. Este comportamiento puede llevar al sistema a puntos de operación indeseables. Con el ´animo de resolver este problema, el control de sistemas de gran escala se ha venido formulando como un problema de optimización con restricciones, siendo el control predictivo basado en modelos la estrategia de control más promisoria para el control de este tipo de sistemas. Sin embargo, debido a que el control predictivo basado en modelos es una estrategia de control basada en optimización, no es posible su aplicación directa a sistemas de gran escala, ya que típicamente el control predictivo se implementa de forma centralizada y esto requiere la transmisión de grandes volúmenes de información y el uso de un alto poder computacional. Por tales motivos, los métodos de control distribuido basados en controladores predictivos surgen como una alternativa para su implementación en sistemas de gran escala. A pesar de los esfuerzos dedicados al diseño de estrategias de control distribuido basadas en control predictivo, la cooperación entre subsistemas sigue siendo un problema de investigación abierto. Con el fin de superar este problema, la teoría de juegos surge como un marco teórico alternativo para formular y caracterizar el problema de control predictivo distribuido. La teoría de juegos es una rama de las matemáticas aplicadas dedicada a identificar patrones de comportamiento en situaciones estratégicas, donde el beneficio percibido por cada uno de los individuos involucrados está determinado tanto por sus decisiones como por las decisiones que toman los demás individuos. En esta tesis, se propone una estrategia de control predictivo distribuida basada en juegos de negociación. Sin entrar en detalles, un juego de negociación es una situación en la que varios individuos deciden, conjuntamente, que estrategia es la mejor para alcanzar un beneficio mutuo. El uso de este tipo de juegos como marco de referencia permite tratar el problema de cooperación entre subsistemas usando control predictivo distribuido. Adicionalmente, este marco de referencia permite formular soluciones para el problema de control distribuido en las que los subsistemas no tienen que resolver más de un problema de optimización, facilitando la reducción de la carga computacional asociada a cada problema de optimización local. En el caso particular de esta tesis, tal solución fue propuesta a partir de una caracterización axiomática. Para esta solución, las condiciones para la estabilidad en lazo cerrado también se discuten./Abstarct. Large-scale systems are systems composed of several interacting components. Each component has a local controller with a local control objective, designed to take local decisions without considering the effect of their local control actions into the whole system performance. This issue may drive the system to undesirable closed-loop performance due to the "competition"\ among controllers. In order to overcome this issue, the control of large-scale systems has been formulated as a constrained optimization problem. In this way, model predictive control schemes have been arising as a promising alternative for controlling large-scale systems. Since model predictive control is an optimization based control scheme its centralized application in large-scale systems may become impractical because it may require the exchange of large amounts of information and the usage of high computational power. Therefore, distributed model predictive control schemes arise as an alternative for the implementation of model predictive control schemes in large-scale systems. Despite of the efforts dedicated to design methods for distributed model predictive control, the cooperation among subsystems still remains as an open research problem. In order to overcome this issue, game theory arises as an alternative to formulate and characterize the distributed model predictive problem. Game theory is a branch of applied mathematics used to capture behaviors in strategic situations where the outcome of a player is function not only of his choices but also depends on the choices of others. In this thesis, a bargaining game based distributed model predictive control scheme is proposed. Roughly speaking, a bargaining game is a situation where several players jointly decide which strategy is best with respect to their mutual benefit. This allows to deal with the cooperation issues of the distributed model predictive control problem. Additionally, the bargaining game framework allows to formulate solutions for the distributed model predictive control problem where the subsystems do not have to solve more than one optimization problem at each time step. This, also allows to reduce the computational burden of the local optimization problems. In the particular case of this thesis, such solution is proposed based on an axiomatic characterization. For the proposed solution, the conditions for the closed-loop stability are also discussed.
publishDate 2012
dc.date.issued.spa.fl_str_mv 2012-09-22
dc.date.accessioned.spa.fl_str_mv 2019-06-24T23:50:55Z
dc.date.available.spa.fl_str_mv 2019-06-24T23:50:55Z
dc.type.spa.fl_str_mv Trabajo de grado - Doctorado
dc.type.driver.spa.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
dc.type.version.spa.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/acceptedVersion
dc.type.coar.spa.fl_str_mv http://purl.org/coar/resource_type/c_db06
dc.type.content.spa.fl_str_mv Text
dc.type.redcol.spa.fl_str_mv http://purl.org/redcol/resource_type/TD
format http://purl.org/coar/resource_type/c_db06
status_str acceptedVersion
dc.identifier.uri.none.fl_str_mv https://repositorio.unal.edu.co/handle/unal/11043
dc.identifier.eprints.spa.fl_str_mv http://bdigital.unal.edu.co/8401/
url https://repositorio.unal.edu.co/handle/unal/11043
http://bdigital.unal.edu.co/8401/
dc.language.iso.spa.fl_str_mv spa
language spa
dc.relation.ispartof.spa.fl_str_mv Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín Facultad de Minas Escuela de Mecatrónica
Escuela de Mecatrónica
dc.relation.references.spa.fl_str_mv Valencia Arroyave, Felipe (2012) Game theory based distributed model predictive control: an approach to large-scale systems control. Doctorado thesis, Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín.
dc.rights.spa.fl_str_mv Derechos reservados - Universidad Nacional de Colombia
dc.rights.coar.fl_str_mv http://purl.org/coar/access_right/c_abf2
dc.rights.license.spa.fl_str_mv Atribución-NoComercial 4.0 Internacional
dc.rights.uri.spa.fl_str_mv http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/
dc.rights.accessrights.spa.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
rights_invalid_str_mv Atribución-NoComercial 4.0 Internacional
Derechos reservados - Universidad Nacional de Colombia
http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/
http://purl.org/coar/access_right/c_abf2
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.mimetype.spa.fl_str_mv application/pdf
institution Universidad Nacional de Colombia
bitstream.url.fl_str_mv https://repositorio.unal.edu.co/bitstream/unal/11043/1/71367264.2012.pdf
https://repositorio.unal.edu.co/bitstream/unal/11043/2/71367264.2012.pdf.jpg
bitstream.checksum.fl_str_mv 3f085307c2b49054742ffaa824a6bb26
6a82336fcbf7557d94fcf3b48980ea53
bitstream.checksumAlgorithm.fl_str_mv MD5
MD5
repository.name.fl_str_mv Repositorio Institucional Universidad Nacional de Colombia
repository.mail.fl_str_mv repositorio_nal@unal.edu.co
_version_ 1814089273287114752
spelling Atribución-NoComercial 4.0 InternacionalDerechos reservados - Universidad Nacional de Colombiahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Espinosa Oviedo, Jairo José (Thesis advisor)905dd741-096e-48c3-a0a3-ad2ee1301760-1Valencia Arroyave, Felipeea88ad32-1e02-4362-9d44-ef0a503782d53002019-06-24T23:50:55Z2019-06-24T23:50:55Z2012-09-22https://repositorio.unal.edu.co/handle/unal/11043http://bdigital.unal.edu.co/8401/Los sistemas de gran escala son sistemas conformados por diferentes elementos interactuando entre sí. Cada uno de estos elementos tiene asignado un controlador local encargado de de-cidir las acciones de control locales que deben ser aplicadas con el fin de alcanzar un objetivo. Por lo general, estas acciones son tomadas sin tener en cuenta su efecto en el comportamiento de los demás elementos ni en el desempeño global del sistema. Este comportamiento puede llevar al sistema a puntos de operación indeseables. Con el ´animo de resolver este problema, el control de sistemas de gran escala se ha venido formulando como un problema de optimización con restricciones, siendo el control predictivo basado en modelos la estrategia de control más promisoria para el control de este tipo de sistemas. Sin embargo, debido a que el control predictivo basado en modelos es una estrategia de control basada en optimización, no es posible su aplicación directa a sistemas de gran escala, ya que típicamente el control predictivo se implementa de forma centralizada y esto requiere la transmisión de grandes volúmenes de información y el uso de un alto poder computacional. Por tales motivos, los métodos de control distribuido basados en controladores predictivos surgen como una alternativa para su implementación en sistemas de gran escala. A pesar de los esfuerzos dedicados al diseño de estrategias de control distribuido basadas en control predictivo, la cooperación entre subsistemas sigue siendo un problema de investigación abierto. Con el fin de superar este problema, la teoría de juegos surge como un marco teórico alternativo para formular y caracterizar el problema de control predictivo distribuido. La teoría de juegos es una rama de las matemáticas aplicadas dedicada a identificar patrones de comportamiento en situaciones estratégicas, donde el beneficio percibido por cada uno de los individuos involucrados está determinado tanto por sus decisiones como por las decisiones que toman los demás individuos. En esta tesis, se propone una estrategia de control predictivo distribuida basada en juegos de negociación. Sin entrar en detalles, un juego de negociación es una situación en la que varios individuos deciden, conjuntamente, que estrategia es la mejor para alcanzar un beneficio mutuo. El uso de este tipo de juegos como marco de referencia permite tratar el problema de cooperación entre subsistemas usando control predictivo distribuido. Adicionalmente, este marco de referencia permite formular soluciones para el problema de control distribuido en las que los subsistemas no tienen que resolver más de un problema de optimización, facilitando la reducción de la carga computacional asociada a cada problema de optimización local. En el caso particular de esta tesis, tal solución fue propuesta a partir de una caracterización axiomática. Para esta solución, las condiciones para la estabilidad en lazo cerrado también se discuten./Abstarct. Large-scale systems are systems composed of several interacting components. Each component has a local controller with a local control objective, designed to take local decisions without considering the effect of their local control actions into the whole system performance. This issue may drive the system to undesirable closed-loop performance due to the "competition"\ among controllers. In order to overcome this issue, the control of large-scale systems has been formulated as a constrained optimization problem. In this way, model predictive control schemes have been arising as a promising alternative for controlling large-scale systems. Since model predictive control is an optimization based control scheme its centralized application in large-scale systems may become impractical because it may require the exchange of large amounts of information and the usage of high computational power. Therefore, distributed model predictive control schemes arise as an alternative for the implementation of model predictive control schemes in large-scale systems. Despite of the efforts dedicated to design methods for distributed model predictive control, the cooperation among subsystems still remains as an open research problem. In order to overcome this issue, game theory arises as an alternative to formulate and characterize the distributed model predictive problem. Game theory is a branch of applied mathematics used to capture behaviors in strategic situations where the outcome of a player is function not only of his choices but also depends on the choices of others. In this thesis, a bargaining game based distributed model predictive control scheme is proposed. Roughly speaking, a bargaining game is a situation where several players jointly decide which strategy is best with respect to their mutual benefit. This allows to deal with the cooperation issues of the distributed model predictive control problem. Additionally, the bargaining game framework allows to formulate solutions for the distributed model predictive control problem where the subsystems do not have to solve more than one optimization problem at each time step. This, also allows to reduce the computational burden of the local optimization problems. In the particular case of this thesis, such solution is proposed based on an axiomatic characterization. For the proposed solution, the conditions for the closed-loop stability are also discussed.Doctoradoapplication/pdfspaUniversidad Nacional de Colombia Sede Medellín Facultad de Minas Escuela de MecatrónicaEscuela de MecatrónicaValencia Arroyave, Felipe (2012) Game theory based distributed model predictive control: an approach to large-scale systems control. Doctorado thesis, Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín.62 Ingeniería y operaciones afines / EngineeringControl predictivoTeoría de juegosSistemas de gran escala/ Model predictive controlGame theoryLarge-scale systemsGame theory based distributed model predictive control: an approach to large-scale systems controlTrabajo de grado - Doctoradoinfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisinfo:eu-repo/semantics/acceptedVersionhttp://purl.org/coar/resource_type/c_db06Texthttp://purl.org/redcol/resource_type/TDORIGINAL71367264.2012.pdfTesis de Doctorado en Ingeniería - Ingeniería Mecánica y Mecatrónicaapplication/pdf1436166https://repositorio.unal.edu.co/bitstream/unal/11043/1/71367264.2012.pdf3f085307c2b49054742ffaa824a6bb26MD51THUMBNAIL71367264.2012.pdf.jpg71367264.2012.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg4588https://repositorio.unal.edu.co/bitstream/unal/11043/2/71367264.2012.pdf.jpg6a82336fcbf7557d94fcf3b48980ea53MD52unal/11043oai:repositorio.unal.edu.co:unal/110432023-09-14 23:05:51.887Repositorio Institucional Universidad Nacional de Colombiarepositorio_nal@unal.edu.co