Η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει στην μελέτη και ανάλυση μεταβλητών συστημάτων με απώτερο σκοπό την ανάπτυξη αλγορίθμων στο χώρο της αναγνώρισης συστημάτων, πρόβλεψης εξόδου αυτών, και δημιουργίας προσαρμοστικών ελεγκτών που θα επιδεικνύουν σθεναρότητα απέναντι στις μεταβολές των υπό μελέτη συστημάτων. Η μεταβολή στα συστήματα αυτά προκύπτει κυρίως από την εισαγωγή τυχαίων χρονικών καθυστερήσεων στην είσοδο και στην έξοδο αυτών. Οι καθυστερήσεις αυτές, είναι δυνατόν να είναι σταθερές ή μεταβαλλόμενες, γνωστές ή άγνωστες, ντετερμινιστικές ή στοχαστικές. Σαν τελικό αποτέλεσμα οι εισαγόμενες χρονοκαθυστερήσεις είναι δυνατόν να αλλάξουν την συμπεριφορά του συστήματος οδηγώντας αυτό στην αστάθεια. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή προτείνονται μέθοδοι μοντελοποίησης αυτών των χρονοκαθυστερήσεων σε συνδυασμό με τους αλγορίθμους αναγνώρισης και πρόβλεψης εξόδου συστημάτων υποκείμενων σε αυτές τις χρονικές καθυστερήσεις. Επιπροσθέτως παρατίθενται πρότυπες και κατάλληλα διαμορφωμένες δομές προσαρμοστικού ελέγχου και μελέτης της ευστάθειας αυτών των συστημάτων. / The aim of this dissertation is the study and analysis of varying systems, as also the development of algorithms in the field of: a) system identification, b) system prediction, and c) adaptive control that will be able to be robust to the variations of the systems under study. These variations in these systems are induced mainly from the insertion of time delays in the input and output of those systems. These delays can be constant, or varying, known or unknown, deterministic or stochastic. As a final result these time delays can alter the behavior and the performance of the system while driving it to instability. In this dissertation new algorithms are proposed for the modeling of these time delays in conjunction with the algorithms for the identification and output prediction of systems with time delays. Additionally new algorithms of adaptive control and stability analysis of the controlled systems are proposed.

Ο σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι να συζητηθούν και να παρουσιαστούν οι υπάρχουσες τεχνικές που εφαρμόζουν την στρατηγική δειγματοληψίας βασισμένη σε γεγονότα για την εκτίμηση της κατάστασης των γραμμικών συστημάτων και να αξιολογηθεί πώς αυτές οι μέθοδοι επηρεάζουν τη συνολική απόδοση του συστήματος. Όπως ήδη αναφέρθηκε, περιορισμοί στον ρυθμό δειγματοληψίας ανακύπτουν στα NCS λόγω του περιορισμένου διαθέσιμου εύρους ζώνης. Αυτός ο περιορισμός στον αριθμό δειγμάτων επηρεάζει σαφώς το μέσο τετραγωνικό σφάλμα εκτίμησης, και η ερώτηση είναι πώς πρέπει να επιλέξουμε τις χρονικές στιγμές δειγματοληψίας προκειμένου να το ελαχιστοποιήσουμε. / The aim of this diploma thesis is to discuss and present existing techniques that apply event-triggered sampling to linear system state estimation, and to evaluate how these methods affect the overall performance of the system. As already mentioned, sampling rate constraints arise in NCS due to the limited bandwidth available. This restriction on the number of samples clearly affects the mean square estimation distortion error, and the question is how we should choose the sampling instants in order to minimize it.

Το ερευνητικό αντικείμενο της Διατριβής είναι τα θέματα σθεναρότητας του προκύπτουν στα Δικτυωμένα Συστήματα Ελέγχου (Νetworked Cοntrοlled Systems - εφεξής "ΝCS"), όπου η βασική πηγή αβεβαιότητας είναι οι καθυστερήσεις λόγω δικτύου. Στο πλαίσιο αυτό παρουσιάζονται απότελέσματα του αφορούν στην ανάλυση σθεναρής ευστάθειας και στην σύνθεση σθεναρών ελεγκτών. Να επισημανθεί ότι στην Διατριβή, ο προσδιορισμός "σθεναρός" αφορά απόκλειστικά σθεναρότητα (ευστάθειας και επιδόσεων) ως προς τις αβέβαιες, χρονικά μεταβαλλόμενες, φραγμένες καθυστερήσεις. Τα μελετώμενα ΝCS απαρτίζονται από την διασύνδεση γραμμικών χρονικά αμετάβλητων συστημάτων συνεχούς χρόνου με ελεγκτές διακριτού χρόνου. Η βασική διάρθρωση των συστημάτων αυτών απαρτίζεται από έναν "οδηγούμενο από χρόνο" (time driven) αισθητήρα / δειγματολήπτη (με σταθερή περίοδο δειγματοληψίας h) που μεταδίδει μέσω του δικτύου τα δείγματα που λαμβάνει από το σύστημα στον "οδηγούμενο από γεγονότα" (event–driven) ελεγκτή. Ακολούθως ο ελεγκτής υπολογίζει την δράση ελέγχου και την μεταδίδει μέσω του δικτύου στον "οδηγούμενο από γεγονότα" (eveτιt–driven) ενεργοποιητή. Οι διαδικασίες της μοντελοποίησης, της ανάλυσης ευστάθειας και της σύνθεσης σθεναρών ελεγκτών (στατικών αλλά και κατά τμήματα γραμμικών) στην εργασία αυτή λαμβάνουν χώρα στο πεδίο του διακριτού χρόνου μετά από διακριτοποίηση του συνολικού συστήματος. Όσον αφορά στην ανάλυση σθεναρής ευστάθειας προτείνονται δύο προσεγγίσεις: • η πρώτη, βασιζόμενη σε ανάλυση ιδιαζουσών τιμών, είναι υπολογιστικά ελκυστική αλλά συνήθως δίδει συντηρητικά αποτελέσματα, • ενώ η δεύτερη, διατυπωμένη σαν ανισότητα πινάκων (LMI), είναι απαιτητική ως προς τον χρόνο υπολογισμού αλλά δίδει αποτελέσματα με μειωμένο συντηρητισμό. Όσον αφορά στην σύνθεση σθεναρών ελεγκτών ανατροφοδότησης κατάστασης μελετώνται οι εξής προσεγγίσεις: • Σύνθεση σθεναρής ευσταθειοποιούσας ανατροφοδότησης κατάστασης • Σύνθεση σθεναρής ευσταθειοποιούσας ανατροφοδότησης κατάστασης "εγγυημένου κόστους" που απαντάει στην συνδυασμένη απαίτηση ευστάθειας και επίδοσης • Σύνθεση σθεναρής ευσταθειοποιούσας ανατροφοδότησης κατάστασης με περιορισμό (Cοnstrained Controller) για ΝCS με "μικρή καθυστέρηση". Επέκταση των αποτελεσμάτων για ΝCS με "μεγάλη καθυστέρηση". Εφαρμογή των παραπάνω αποτελεσμάτων σε προβλήματα παρακολούθησης σταθερής εντολής (set point tracking). • Σύνθεση σθεναρής ευσταθειοποιούσας ανατροφοδότησης κατάστασης με περιορισμό (Constrained Controller), για ΝCS με μικρή και διακοπτική καθυστέρηση. / This research work is concerned with robustness issues arising in Νetworked Cοntrοlled Systems - ("ΝCS"), where the main sources of uncertainty are the time-varying network-induced delays. In this framework the presented results concern robust stability analysis and synthesis of robust controllers. The NCS studied consist of a Linear Time Invariant continuous time plant and a discrete time controller. This configuration includes a time driven (periodic) sampler (taking samples from the sensors with constant sampling period h) and an event–driven controller which transmits the control command via the network to the event–driven actuator. Two modeling approaches for Networked Controlled Systems (NCS) with uncertainly varying bounded transmission delays and static discrete--time control laws are presented. Different models are offered for each case, all linked to the objective of designing robust discrete-time controllers. It is analytically shown how the careful mixing of asynchronous (event--driven) and synchronized (clocked) signals can lead to discrete time uncertain (possibly switched) systems, where results form robust control analysis and synthesis can be applied. After showing the implications of these modelling results for control synthesis purposes, sufficient conditions for the robust stability are given for each approach and a comparison of the conservatism of results is discussed The first group of robust stability results (one for each of the two discrete-time NCS models) is based on a singular value formulation, which although conservative, is extremely simple and has low computational cost The second one is derived and expressed via Linear Matrix Inequalities (LMI) and yields less conservative results at the expense of higher computational cost. Regarding the synthesis of Robust controllers, the following four methodologies were developed: 1. Synthesis of Robust Static State feedback 2. Synthesis of Robust Static State feedback via the “Guaranteed Cost Formulation” which combines stability and performance design objectives 3. Synthesis of Constrained Robust feedback controller (with a Piecewise Affine Structure) which respects the constraints on the control effort and the state (or output). 4. The previous result (Constrained Robust feedback controller) is then generalized for set-point tracking and for various types of network-induced delays (small, large and switching delays)

Η παρούσα διατριβή κινείται στο χώρο των Ασύρματα Δικτυωμένων Συστημάτων και έχει ως αντικείμενο τη μελέτη και τη σύνθεση μηχανισμών που βελτιώνουν τη λειτουργία τους. Ο όρος Ασύρματα Δικτυωμένα Συστήματα αναφέρεται στα συστήματα των οποίων τα δομικά στοιχεία συνδέονται μέσω ασύρματων δικτύων, με την έμφαση να δίνεται στα αυτό-οργανωμένα δίκτυα και στα δίκτυα αισθητήρων. Η βελτιστοποίηση και ο έλεγχος ενός Ασύρματα Δικτυωμένου Συστήματος γίνεται με γνώμονα την Ποιότητα των παρεχόμενων Υπηρεσιών του δικτύου, η οποία χρησιμοποιείται ως μέτρο αξιολόγησης και επαναπροσδιορισμού των παραμέτρων λειτουργίας αυτού. Προσεγγίζοντας το θέμα από την οπτική γωνία του δικτύου, οι μηχανισμοί που είναι υπεύθυνοι για τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας των Ασύρματα Δικτυωμένων Συστημάτων, αποστασιοποιούνται από την ανάπτυξη νέων πρωτοκόλλων για τα διάφορα επίπεδα του μοντέλου αναφοράς Ανοιχτής Διασύνδεσης Συστημάτων. Για τον λόγο αυτό, αναφορικά με το μοντέλο αναφοράς Ανοιχτής Διασύνδεσης Συστημάτων, το ζήτημα της βελτιστοποίησης της λειτουργίας των Ασύρματα Δικτυωμένων Συστημάτων προσεγγίζεται από τα ακραία επίπεδα της στοίβας πρωτοκόλλων, και συγκεκριμένα από την οπτική γωνία του Επιπέδου Εφαρμογής και του Φυσικού Επιπέδου. Στο Επίπεδο Εφαρμογής το ενδιαφέρον επικεντρώνεται στην διασφάλιση των περιθωρίων ευστάθειας για τα Ασύρματα Δικτυωμένα Συστήματα Ελέγχου. Η διασφάλιση της ομαλής λειτουργίας του συστήματος κλειστού βρόχου βασίζεται σε διακοπτικές δομές ελέγχου, των οποίων οι παράμετροι λειτουργίας καθορίζονται από την Ποιότητα Υπηρεσίας του δικτύου, και συγκεκριμένα από το ποσοστό των επιτυχώς ληφθέντων πακέτων. Στο Φυσικό Επίπεδο εξετάζεται αρχικά το πρόβλημα αποκατάστασης της συνδεσιμότητας μεταξύ των μελών ενός Ασύρματα Δικτυωμένου Συστήματος και στην συνέχεια το πρόβλημα επαναπροσδιορισμού της ποιότητας των ασύρματων ζεύξεων. Οι κεντρικοποιημένοι και κατανεμημένοι μηχανισμοί που αναπτύσσονται για τη βελτιστοποίηση των παραμέτρων της Ποιότητας Υπηρεσίας των Ασύρματα Δικτυωμένων Συστημάτων στο Φυσικό Επίπεδο βασίζονται σε εργαλεία της Υπολογιστικής Γεωμετρίας, συνδυάζοντας τα χωρικά χαρακτηριστικά ενός Ασύρματα Δικτυωμένου Συστήματος με δημοφιλή μοντέλα διάδοσης μεγάλης κλίμακας. Τέλος, η αξιολόγηση των μεθόδων ελέγχου και βελτιστοποίησης της λειτουργίας των Ασύρματα Δικτυωμένων Συστημάτων πραγματοποιείται με την εφαρμογή τους σε κατάλληλες πειραματικές διατάξεις και σε ένα καθορισμένο σύνολο σεναρίων εξομοίωσης. / The primary objective of the present PhD thesis is the analysis and the synthesis of mechanisms and algorithms that optimize the operation of Wireless Networked Systems. The term Wireless Networked Systems is used to describe the distributed systems, whose components are interconnected over wireless networks. Referring to wireless networking, the emphasis is given at the self-organized Ad-hoc and Sensor Networks. The effort made is focused on the reconfiguration of the Quality of Service of the underlying network. From such a perspective, the mechanisms responsible for improving the Quality of Service differentiate from the design of novel, specialized communication protocols. More specifically, with respect to the Open Systems Interconnection Reference Model (OSI-RM), the optimization issues of the Wireless Networked Systems’ operation are examined at the Application and Physical Layer. At the Application Layer, problems related to the guarantee of the stability margins for Wireless Networked Controlled Systems are studied. More precisely, the assurance of the desired performance for the closed-loop controlled system is based on switching control techniques. The optimization decision variables are determined by the network’s Quality of Service parameters. At the Physical Layer the objective is twofold: (a) to establish the physical connectivity among the members of the Wireless Networked System and (b) to optimize of the wireless link’s quality. Based on the combination of the spatial characteristics of the Wireless Networked Systems with large-scale radio propagation models, the centralized and distributed mechanisms, synthesized for the optimization of the network’s Quality of Service at the Physical Layer, exploit effectively concepts adopted by the Computational Geometry. Finally, properly developed experimental testbeds and network simulation scenaria are utilized to examine the efficiency of the synthesized mechanisms for the control and optimization of the operation of Wireless Networked Systems at the Application and Physical Layer.

Το αντικείμενο της διατριβής αφορά την ανάλυση και τον έλεγχο δυναμικών συστημάτων με περιορισμούς στο διάνυσμα της εισόδου ή/ και στις μεταβλητές κατάστασης. Τα θεωρητικά εργαλεία που χρησιμοποιήθηκαν για την εξαγωγή των αποτελεσμάτων προέρχονται από τη θεωρία ευστάθειας Lyapunov, την αρχή σύγκρισης συστημάτων και τη θεωρία συνόλων, και οδήγησαν στην εδραίωση συνθηκών ευστάθειας και την ανάπτυξη συστηματικών μεθόδων εύρεσης λύσης στο πρόβλημα ελέγχου συγκεκριμένων κατηγοριών δυναμικών συστημάτων με περιορισμούς. Πιο συγκεκριμένα, για την κατηγορία των γραμμικών συστημάτων συνεχούς και διακριτού χρόνου, προτάθηκε μια νέα μέθοδος επίλυσης του προβλήματος ευσταθειοποίησης συνόλου αρχικών συνθηκών και του υπολογισμού του μέγιστου θετικά αμετάβλητου ή αμετάβλητου με έλεγχο συνόλου παρουσία περιορισμών στις εισόδους ή/και στις καταστάσεις. Τα αποτελέσματα επεκτάθηκαν και στην κατηγορία των γραμμικών συστημάτων με πολυτοπικη αβεβαιότητα. Επίσης, μελετήθηκε η κατηγορία των αυτοανάδρομων μοντέλων κινούμενου μέσου όρου (ARMA models). Αρχικά εδραιώθηκαν συνθήκες που εγγυώνται ευστάθεια για ένα συγκεκριμένο σύνολο αρχικών συνθηκών παρουσία περιορισμών. Τα αποτελέσματα αυτά εφαρμόστηκαν στην κατηγορία των δικτυωμένων συστημάτων ελέγχου (NCS), όπου υπολογίστηκε ένας κοινός γραμμικός νόμος ελέγχου ανατροφοδότησης κατάστασης για όλο το εύρος της καθυστέρησης της εισόδου. Τέλος, μελετήθηκε η κατηγορία των διγραμμικών συστημάτων συνεχούς και διακριτού χρόνου. Αρχικά διατυπώθηκαν ικανές συνθήκες ύπαρξης πολυεδρικών συναρτήσεων Lyapunov για αυτήν την κατηγορία συστημάτων. Το πρόβλημα που μελετήθηκε είναι η ευσταθειοποίηση μιας συγκεκριμένης περιοχής του χώρου κατάστασης παρουσία περιορισμών στις εισόδους και τις καταστάσεις και προτάθηκε μια υποβέλτιστη λύση που οδηγεί στον υπολογισμό γραμμικού νόμου ελέγχου ανατροφοδότησης κατάστασης. Όλα τα αποτελέσματα προκύπτουν από την επιλογή πολυεδρικών συναρτήσεων Lyapunov οι οποίες οδηγούν στο χαρακτηρισμό πολυεδρικών εκτιμήσεων της περιοχής ελκτικότητας και θετικά αμετάβλητων συνόλων. Τα κυριότερα οφέλη της επιλογής τέτοιων συναρτήσεων είναι η μη συντηρητική εκτίμησης της περιοχή ευστάθειας και η εδράιωση συνθηκών που οδηγούν σε συστηματικές μεθόδους επίλυσης των προβλημάτων ανάλυσης και ελέγχου, η λύση των οποίων προκύπτει από τη λύση γραμμικών προβλημάτων βελτιστοποίησης. / This dissertation considers the problem of stability analysis and control of dynamical systems under constraints in the input and/or state vector. The theoretical tools used arise from Lyapunov stability theory, comparison systems theory and set theoretic methods and lead to the determination of stability conditions and development of systematic methods that solve the control problem of constrained systems of particular type. In specific, for linear discrete or continuous time systems, a novel method that leads to the solution of the initial condition set stabilization problem as well as the maximal controlled invariant set computation problem is presented. These results have been extended for the case of linear systems with polytopic uncertainty. Also, the category of auto regressive moving average (ARMA) models is investigated. First, conditions that guarantee stability for a preassigned initial conditions set for constrained ARMA models are established. These results are applied to the category of networked control systems (NCS), were a single linear state feedback control law is computed for the whole range of the input delay. Finally, the category of bilinear discrete-time or continuous-time systems is investigated. Initially, sufficient conditions which guarantee existence of polyhedral Lyapunov functions are presented. The problem studied here is the stabilization of an initial condition set in the presence of input and state constraints. The solution proposed is suboptimal and leads to the determination of a linear state feedback control law. The choice of Lyapunov functions leads to the determination of a polyhedral approximation of the domain of attraction as well as polyhedral positively invariant sets. The main benefits of choosing this type of functions is the nonconservative estimation of the domain of attraction and the establishment of stability conditions that lead to systematic control design methods through the solution of linear programming problems.