Το ενεργειακό πρόβλημα αποτελεί ένα από τα πιο πολυσηζητημένα θέματα της ανθρωπότητας που απασχολεί και θα συνεχίσει να απασχολεί τον πλανήτη μας για τις επόμενες δεκαετίες. Μια λύση στο πρόβλημα της ηλεκτρικής ενέργειας είναι η εγκατάσταση και λειτουργία μικροδικτύων είτε σε οικιακή κλίμακα είτε σε επίπεδο εθνικού δικτύου ή ακόμα και σε επίπεδο μιας ολόκληρης ηπείρου. Για την επιτυχή και ευσταθή λειτουργία τέτοιων συστημάτων, κρίνεται απαραίτητος ο έλεγχος των επιμέρους στοιχείων τους ξεχωριστά. Στην παρούσα διπλωματική εργασία μοντελοποιήθηκαν και ελέγθηκαν δύο ηλεκτρονικοί μετατροπείς ισχύος, ο TCSC και ο BOOST, καθώς και η τριφασική ασύγχρονη μηχανή βραχυχκυκλωμένου κλωβού, κυρίαρχα στοιχεία ενός μικροδικτύου. Τα καταστατικά μοντέλα όμως, τόσο των μετατροπέων ισχύος όσο και της μηχανής περιγράφονται από μη γραμμικές διαφορικές εξισώσεις και συνεπώς ο έλεγχος τους δεν είναι καθόλου εύκολη υπόθεση. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκαν μοντέρνες τεχνικές μη γραμμικού και προσαρμοστικού ελέγχου προκειμένου να ελεγχθούν τα συστήματα αυτά και να εξασφαλιστεί κάθε φορά η ευστάθεια του συστήματος στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας. Για τους μετατροπείς TCSC και BOOST σχεδιάστηκαν απευθείας οι μη γραμμικοί - προσαρμοστικοί ελεγκτές ενώ για την τριφασική ασύγχρονη μηχανή εφαρμόστηκε πρώτα έμμεσος διανυσματικός έλεγχος στο στατό πλαίσιο αναφοράς και στη συνέχεια σχεδιάστηκαν οι ελεγκτές και οι εκτιμητές της ροής, της ροπής και της αντίστασης. Τέλος όλα τα συστήματα προσομοιώθηκαν με τη χρήση του εργαλείου Simulink του Matlab και εξήχθησαν τα συμπεράσματα. / The energy problem is one of the most spoken issues of humanity that concerns and will continue to concern our planet for decades to come. One solution to the electrical energy problem is the installation and operation of microgrids either at household level or at the level of a national network or even at the level of an entire continent. For successful and stable operation of such systems, it is necessary to test their components separately. In this Thesis there have been modeled and tested two electronic power converters, the TCSC and BOOST, and the three-phase asynchronous machine of shortcircuited cage, dominant elements of a microgrid. The constitutive models, however, both the power converters and the machine are described by nonlinear differential equations and, therefore, their control is not at all easy. Specifically, modern techniques of nonlinear and adaptive control were used in order to check these systems so that the stability of the system in the steady state be ensured. For the inverters TCSC and BOOST the nonlinear - adaptive controllers were designed directly, while for the three-phase asynchronous machine there was applied firstly the indirect vector control in the stationary frame of reference and then the controllers and the flow, torque and resistance estimators were designed. Finally, all the systems were simulated using the Matlab Simulink tool and conclusions were drawn.

Η διπλωματική εργασία αναπτύσσει έναν προσαρμοστικό έλεγχο για την παρακολούθηση προπορευόμενου οχήματος από το ακόλουθο όχημα στην "κατεύθυνση του μήκους" και κάνει την προσομοίωση σε περιβάλλον Matlab. / This essay devolops with adaptive control a model of automatic vehicle following so that a following vehicle can follow a leading vehicle in the longitudinal direction. And simulates the model with Matlab.

Η παρούσα διπλωματική εργασία ασχολείται με τη μελέτη των μη γραμμικών συστημάτων και τη σχεδίαση ενός προσαρμοστικού ελεγκτή για συστήματα δεύτερης τάξης με αβεβαιότητα. Αρχικά παρουσιάζονται η μορφή και οι ιδιότητες των μη γραμμικών συστημάτων τονίζοντας την ανάγκη για προσαρμοστικό έλεγχο. Στην συνέχεια προτείνεται ένας προσαρμοστικός ελεγκτής κατάλληλος για μη γραμμικά συστήματα δεύτερης τάξης που εγγυάται πλήρη ασυμπτωτική ευστάθεια για το συστημα κλειστού βρόγχου. Η μορφή του ελεγκτη βελτιώνεται σε περίπτωση που οι συναρτήσεις απόσβεσης και δυσκαμψίας είναι πολυωνυμικές και η αποδοτικότητα του επιβεβαιώνεται σε κάθε περίπτωση με εκτενείς προσομοιώσεις. Τέλος, ο προτεινόμενος ελεγκτής εφαρμόζεται σε δύο πραγματικά συστήματα (μηχανικός ταλαντωτής του duffing, απλό εκκρεμές) και συγκρίνεται με την τεχνική του feedback linearization, δίνοντας καλύτερες αποκρίσεις σε περιπτώσεις ύπαρξης αβεβαιότητας παραμέτρων. / This diploma thesis includes the analysis of non linear systems and the design of an aadaptive controller suitable for second order nonlinear systems. In the beginning we present the structure and the properties of nonlineat systems underlining the need for adaptive control. Futhermore, we propose an adaptive control law suitable for second order nonlinear systems which guarantees asympotic stability for the closed loop system. Finally, the proposed controller is applied in two real systems (Duffing's mechanical oscillator,pendulum) and compared with feedback linearization technique, resulting better responses in cases where the system includes uncertain parameters.

Η παρούσα διπλωματική εργασία ασχολείται με τη μελέτη και τον έλεγχο ενός συστήματος γερανού με προηγμένες τεχνικές. Το σύστημα αποτελείται από έναν κινούμενο φορέα στον οποίο είναι συνδεδεμένο ένα εκκρεμές φορτίο με μεταβαλλόμενο μήκος. Σκοπός είναι η μεταφορά του φορτίου σε μια διαφορετική θέση και ύψος σε ελάχιστο χρόνο με μηδενική υπολειπόμενη ταλάντωση. Αρχικά παρουσιάζεται ο έλεγχος του συστήματος με τη μέθοδο ανατροφοδότησης κατάστασης. Στη συνέχεια αναλύεται η βασική θεωρία του input shaper και προτείνεται μια προσαρμοστική τεχνική για την εφαρμογή του σε σύστημα με μεταβαλλόμενο μήκος σχοινιού. Έπειτα, η τεχνική αυτή βελτιώνεται συνδυάζοντάς την με τον έλεγχο ανατροφοδότησης κατάστασης και τέλος εφαρμόζεται ένας μη γραμμικός ελεγκτής για το πλήρες μη γραμμικό σύστημα. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται με εκτενείς προσομοιώσεις καθώς και με εργαστηριακές μετρήσεις σε κατάλληλη πειραματική διάταξη. / This diploma thesis includes the analysis and control of a crane system using advanced control techniques. The system consists of a carrier mass connected with a playload with a hoisting mechanism. The aim of this work is to transport the payload to a different position and a different level within minimum time period while simutaneously minimizing the residual vibration. At first, a state feedback control is presented. Furthermore, the input shaping technique is analyzed and an adaptive version of the input shaper is proposed including hoisting cases. Moreover, this technique is significally improved when combined with a state feedback control law and finally a nonlinear controller is proposed for the total nonlinear system. The above techniques are justified with both simulation and experimental results from a suitable experimental setup.

Η παρούσα διπλωματική εργασία ασχολείται με τη μελέτη και το σχεδιασμό ενός άμεσου προσαρμοστικού ελεγκτή, για μη γραμμικά συστήματα με αβεβαιότητα και εξωγενείς διαταραχές. Αρχικά παρουσιάζονται οι έννοιες του προσαρμοστικού ελέγχου, των μη γραμμικών συστημάτων και διερευνώνται οι έννοιες της ευστάθειας και των διαταραχών, με ιδιαίτερη έμφαση στην ευστάθεια κατά Lyapunov. Στη συνέχεια προτείνεται ένας προσαρμοστικός ελεγκτής για άμεσο προσαρμοστικό έλεγχο, προσαρμοστική ευστάθεια, απόρριψη διαταραχών και εκτέλεση εντολών, σε μη γραμμικά δυναμικά συστήματα πολλαπλών μεταβλητών, με αβεβαιότητα και εξωγενείς διαταραχές, ο οποίος εγγυάται μερική ασυμπτωτική ευστάθεια του συστήματος κλειστού βρόχου. Το προτεινόμενο πλαίσιο, ειδικεύεται περαιτέρω για τις περιπτώσεις όπου το μη γραμμικό σύστημα παρουσιάζεται σε κανονική μορφή, με ευσταθείς input-to-state internal dynamics, έχει μια είσοδο ή έχει εξωγενείς L2 διαταραχές. Τέλος ο προτεινόμενος ελεγκτής εφαρμόζεται σε αρκετά πειραματικά συστήματα, καθώς και στον έλεγχο της αστάθειας θερμοακουστικής καύσης. / This diploma thesis features the analysis and design of a direct adaptive controller, for nonlinear uncertain systems with exogenous disturbances. At first, we introduce the concept of adaptive control and we underline its’ need in modern applications. Also, we include a brief presentation of nonlinear systems and we inquire into the theory of stabilization and disturbances, with significant emphasis in Lyapunov’s methods. Furthermore we develop a direct adaptive control framework for adaptive stabilization, disturbance rejection, and command following of multivariable nonlinear uncertain dynamical systems with exogenous disturbances, which guarantees partial asymptotic stability of the closed-loop system. The proposed framework is further specialized for the cases where the nonlinear system is represented in normal form with input-to-state stable internal dynamics, has single-input with uncertain dynamics, or exogenous L2 disturbances .Finally we present several illustrative numerical examples and we apply our framework to the control of thermoacoustic combustion instabilities.

Ο σκοπός αυτής της διπλωματικής είναι η ανάπτυξη ενός προσαρμοστικού ελεγκτή για έναν εύκαμπτο ρομποτικό βραχίονα. Οι μετρήσεις του συστήματος θεωρούνται πως παρεμβάλλονται από θόρυβο, του οποίου τα όρια είναι γνωστά εξ’αρχής. Ένας Set Memebership εκτιμητής υπολογίζει το δυνατό set (ορθότοπο) μέσα στο οποίο βρίσκονται οι τιμές του διανύσματος των παραμέτρων. Από τις ακμές του ορθοτόπου αυτού προκύπτουν τα όρια μέσα στα οποία βρίσκονται οι παράμετροι του συστήματος, τα οποία χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό της αβεβαιότητας της εκτίμησης της εξόδου του συστήματος. Ο ελεγκτής καθορίζει τα κέρδη του μέσα σε μια online βελτιστοποίηση ενός κόστους, το οποίο βάζει κάποια βάρη στην προσπάθεια του ελέγχου (control effort), στην προκλημένη αβεβαιότητα στην έξοδο του συστήματος αλλά και στο σφάλμα παρακολούθησης της εξόδου με ένα σήμα αναφοράς. Μετά την εφαρμογή του ελεγκτή, ελέγχεται η ευστάθεια των οριακών κλειστών συστημάτων που προκύπτουν από την εφαρμογή κάθε πιθανού νόμου ελέγχου. Εξετάζεται επίσης η συμπεριφορά του Set Memebership εκτιμητή σε περίπτωση σφάλματος, δηλαδή στην περίπτωση που το σύστημά μας αλλάζει καθώς δουλεύει ο έλεγχος. / The development of an adaptive controller for a flexible link manipulator is the subject of this diploma thesis. The system’s measurements are assumed to be corrupted with noise of a priori known bounds. A Set Membership Identifier computes the feasible set (orthotope) within which the parameter vector resides. The orthotope’s vertices provide the parameter-vector’s bounds, which are used to compute the predicted system-output uncertainty. The controller tunes its gains through an on-line minimization of a cost that penalizes the control effort, the induced uncertainty on the system output, and the tracking error. After the application of the controller, the stability of the ‘extreme’ closed loop systems, derived from every possible control law, is checked. The behavior of the Set Membership Identifier is checked in the case where a fault occurs, which means that there is a change in our system’s structure while the controller is functioning.

Η χωροχρονική μπλοκ κωδικοποίηση (STBC) αποτελεί μία αποδοτική και ευρέως διαδεδομένη τεχνική διαφορετικότητας μετάδοσης για την αντιμετώπιση του φαινομένου της εξασθένησης στις ασύρματες επικοινωνίες. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι ο ορθογώνιος κώδικας του σχήματος Alamouti, ο οποίος με δύο κεραίες μετάδοσης επιτυγχάνει τη μέγιστη χωρική διαφορετικότητα στο μέγιστο δυνατό ρυθμό μετάδοσης, για οποιονδήποτε (πραγματικό ή μιγαδικό) αστερισμό συμβόλων. Ωστόσο, το σχήμα Alamouti έχει σχεδιαστεί για συχνοτικά επίπεδα κανάλια. Στην παρούσα εργασία μελετούμε την εφαρμογή STBC σε κανάλια συχνοτικά επιλεκτικής εξασθένησης. Εστιάζουμε κυρίως στο συνδυασμό του σχήματος Alamouti με τεχνικές εξάλειψης της διασυμβολικής παρεμβολής, εξετάζοντας τα σχήματα OFDM-STBC, FDE-STBC και TR-STBC, που έχουν προταθεί στη βιβλιογραφία. Επιπρόσθετα των συμβατικών δεκτών, για τα δύο τελευταία σχήματα περιγράφουμε και προσαρμοστικούς δέκτες, οι οποίοι παρακολουθούν τις μεταβολές του καναλιού, χωρίς να απαιτούν την ακριβή εκτίμησή του. Η έρευνα πάνω στα προηγούμενα σχήματα οδήγησε σε ορισμένα αξιόλογα αποτελέσματα. Κατ’ αρχήν, αποδεικνύουμε ότι τα σχήματα FDE-STBC και TR-STBC είναι ισοδύναμα, μολονότι καθένα εφαρμόζει διαφορετική κωδικοποίηση στα μεταδιδόμενα δεδομένα. Επίσης, σχεδιάζουμε έναν νέο δέκτη για το σχήμα TR-STBC, τον οποίο αναπτύσσουμε και σε προσαρμοστική μορφή. Βασικό πλεονέκτημα του προτεινόμενου δέκτη είναι ότι εκμεταλλεύεται τους κυκλικούς πίνακες συνέλιξης για τη μείωση της πολυπλοκότητας αποκωδικοποίησης. Τέλος, η απόδοση κάθε σχήματος και δέκτη αξιολογείται σε διάφορες συνθήκες εξασθένησης μέσω προσομοιώσεων σε υπολογιστικό περιβάλλον. / Space-time block coding (STBC) is an effective and widely used transmit diversity technique to combat multipath fading in wireless communication systems. A prominent example of STBC is the orthogonal code of Alamouti scheme, which achieves full spatial diversity at full transmission rate for two transmit antennas and any (real or complex) signal constellation. However, Alamouti scheme has been designed only for frequency-flat channels. In this thesis we study the application of STBC in frequency-selective channels. We mainly focus on combining Alamouti scheme with techniques for mitigating intersymbol interference, by studying several schemes (OFDM-STBC, FDE-STBC and TR-STBC) that have been proposed in literature. In addition to the conventional receivers, for FDE-STBC and TR-STBC we describe adaptive receivers too, which have the ability of tracking channel variations, without requiring explicit channel estimation. Research made upon the above schemes has come to some remarkable results. First, we prove that TR-STBC and FDE-STBC are equivalent, although each one encodes differently the transmitted data. Then, we design a new receiver for TR-STBC, which exploits the circulant convolution matrices, in order to reduce decoding complexity and we, also, develop an adaptive structure for the proposed receiver. At last, we evaluate the performance of all the described schemes and receivers in different fading conditions, by using computer simulations.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει ως κύριο αντικείμενο μελέτης την μοντελοποίηση και έλεγχο ενός μικρορομποτικού βραχίονα αναλυόμενου σε σφαιρικά πεπερασμένα στοιχεία σε περιβάλλον με εξωτερικές δυνάμεις Van Der Waals και συνυπολογίζοντας την τριβή. Τα κύρια σημεία είναι η εισαγωγή των εξωτερικών δυνάμεων στο μοντέλο του μικρορομπότ, η δημιουργία προσαρμοστικού ελέγχου για την επίτευξη ακολουθίας τροχιάς με αναγνώριση και ακύρωση των ισχυρών μεταβαλλόμενων εξωτερικών δυνάμεων, η αναγνώριση της θέσης και η αποφυγή εμποδίων σε άγνωστο περιβάλλον κλίμακας μικρομέτρων και ο καθορισμός τροχιάς για προσέγγιση σημείων στον χώρο εργασίας του μικρορομπότ. Προτείνεται επίσης ένα σύστημα επενέργησης σε διάταξη τένοντα με νανοκαλώδια και γίνεται μελέτη της αντοχής του σε σχέση με τις μέγιστες δυνάμεις-ροπές που παρουσιάζονται κατά τον έλεγχο. Για την αναγνώριση των εξωτερικών δυνάμεων δοκιμάζονται διαφορετικά είδη εκτιμητών και εξετάζεται η απόδοσή τους στο συνολικό σύστημα. / The present PhD thesis has a key object the modeling and control of a micro robotic manipulator, represented by spherical particles in an environment with external Van Der Waals forces and taking friction into account. The main points are a) the insertion of the external forces in the micro robot model, b) the adaptive control used in order to follow a desired trajectory, with identification and cancellation of the external forces, the position identification and avoidance of obstacles in an unstructured micrometer scale environment and the trajectory planning towards a target point in the task space of the microrobot. Also a tendon like actuation system is proposed, using nanowires and its mechanical properties are studied in order to determine the viability of its use in relation to the required torques during the control process. For the external force identification scheme, various types of estimators are proposed and their efficiency in the system is studied.