abstract: Behavioral health problems such as physical inactivity are among the main causes of mortality around the world. Mobile and wireless health (mHealth) interventions offer the opportunity for applying control engineering concepts in behavioral change settings. Social Cognitive Theory (SCT) is among the most influential theories of health behavior and has been used as the conceptual basis of many behavioral interventions. This dissertation examines adaptive behavioral interventions for physical inactivity problems based on SCT using system identification and control engineering principles. First, a dynamical model of SCT using fluid analogies is developed. The model is used throughout the dissertation to evaluate system identification approaches and to develop control strategies based on Hybrid Model Predictive Control (HMPC). An initial system identification informative experiment is designed to obtain basic insights about the system. Based on the informative experimental results, a second optimized experiment is developed as the solution of a formal constrained optimization problem. The concept of Identification Test Monitoring (ITM) is developed for determining experimental duration and adjustments to the input signals in real time. ITM relies on deterministic signals, such as multisines, and uncertainty regions resulting from frequency domain transfer function estimation that is performed during experimental execution. ITM is motivated by practical considerations in behavioral interventions; however, a generalized approach is presented for broad-based multivariable application settings such as process control. Stopping criteria for the experimental test utilizing ITM are developed using both open-loop and robust control considerations. A closed-loop intensively adaptive intervention for physical activity is proposed relying on a controller formulation based on HMPC. The discrete and logical features of HMPC naturally address the categorical nature of the intervention components that include behavioral goals and reward points. The intervention incorporates online controller reconfiguration to manage the transition between the behavioral initiation and maintenance training stages. Simulation results are presented to illustrate the performance of the system using a model for a hypothetical participant under realistic conditions that include uncertainty. The contributions of this dissertation can ultimately impact novel applications of cyberphysical system in medical applications. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Electrical Engineering 2016

[ES] La presente Tesis emplea técnicas de programación dinámica y aprendizaje por refuerzo para el control de sistemas no lineales en espacios discretos y continuos. Inicialmente se realiza una revisión de los conceptos básicos de programación dinámica y aprendizaje por refuerzo para sistemas con un número finito de estados. Se analiza la extensión de estas técnicas mediante el uso de funciones de aproximación que permiten ampliar su aplicabilidad a sistemas con un gran número de estados o sistemas continuos. Las contribuciones de la Tesis son: -Se presenta una metodología que combina identificación y ajuste de la función Q, que incluye la identificación de un modelo Takagi-Sugeno, el cálculo de controladores subóptimos a partir de desigualdades matriciales lineales y el consiguiente ajuste basado en datos de la función Q a través de una optimización monotónica. -Se propone una metodología para el aprendizaje de controladores utilizando programación dinámica aproximada a través de programación lineal. La metodología hace que ADP-LP funcione en aplicaciones prácticas de control con estados y acciones continuos. La metodología propuesta estima una cota inferior y superior de la función de valor óptima a través de aproximadores funcionales. Se establecen pautas para los datos y la regularización de regresores con el fin de obtener resultados satisfactorios evitando soluciones no acotadas o mal condicionadas. -Se plantea una metodología bajo el enfoque de programación lineal aplicada a programación dinámica aproximada para obtener una mejor aproximación de la función de valor óptima en una determinada región del espacio de estados. La metodología propone aprender gradualmente una política utilizando datos disponibles sólo en la región de exploración. La exploración incrementa progresivamente la región de aprendizaje hasta obtener una política convergida. / [CA] La present Tesi empra tècniques de programació dinàmica i aprenentatge per reforç per al control de sistemes no lineals en espais discrets i continus. Inicialment es realitza una revisió dels conceptes bàsics de programació dinàmica i aprenentatge per reforç per a sistemes amb un nombre finit d'estats. S'analitza l'extensió d'aquestes tècniques mitjançant l'ús de funcions d'aproximació que permeten ampliar la seua aplicabilitat a sistemes amb un gran nombre d'estats o sistemes continus. Les contribucions de la Tesi són: -Es presenta una metodologia que combina identificació i ajust de la funció Q, que inclou la identificació d'un model Takagi-Sugeno, el càlcul de controladors subòptims a partir de desigualtats matricials lineals i el consegüent ajust basat en dades de la funció Q a través d'una optimització monotónica. -Es proposa una metodologia per a l'aprenentatge de controladors utilitzant programació dinàmica aproximada a través de programació lineal. La metodologia fa que ADP-LP funcione en aplicacions pràctiques de control amb estats i accions continus. La metodologia proposada estima una cota inferior i superior de la funció de valor òptima a través de aproximadores funcionals. S'estableixen pautes per a les dades i la regularització de regresores amb la finalitat d'obtenir resultats satisfactoris evitant solucions no fitades o mal condicionades. -Es planteja una metodologia sota l'enfocament de programació lineal aplicada a programació dinàmica aproximada per a obtenir una millor aproximació de la funció de valor òptima en una determinada regió de l'espai d'estats. La metodologia proposa aprendre gradualment una política utilitzant dades disponibles només a la regió d'exploració. L'exploració incrementa progressivament la regió d'aprenentatge fins a obtenir una política convergida. / [EN] The present Thesis employs dynamic programming and reinforcement learning techniques in order to obtain optimal policies for controlling nonlinear systems with discrete and continuous states and actions. Initially, a review of the basic concepts of dynamic programming and reinforcement learning is carried out for systems with a finite number of states. After that, the extension of these techniques to systems with a large number of states or continuous state systems is analysed using approximation functions. The contributions of the Thesis are: -A combined identification/Q-function fitting methodology, which involves identification of a Takagi-Sugeno model, computation of (sub)optimal controllers from Linear Matrix Inequalities, and the subsequent data-based fitting of Q-function via monotonic optimisation. -A methodology for learning controllers using approximate dynamic programming via linear programming is presented. The methodology makes that ADP-LP approach can work in practical control applications with continuous state and input spaces. The proposed methodology estimates a lower bound and upper bound of the optimal value function through functional approximators. Guidelines are provided for data and regressor regularisation in order to obtain satisfactory results avoiding unbounded or ill-conditioned solutions. -A methodology of approximate dynamic programming via linear programming in order to obtain a better approximation of the optimal value function in a specific region of state space. The methodology proposes to gradually learn a policy using data available only in the exploration region. The exploration progressively increases the learning region until a converged policy is obtained. / This work was supported by the National Department of Higher Education, Science, Technology and Innovation of Ecuador (SENESCYT), and the Spanish ministry of Economy and European Union, grant DPI2016-81002-R (AEI/FEDER,UE). The author also received the grant for a predoctoral stay, Programa de Becas Iberoamérica- Santander Investigación 2018, of the Santander Bank. / Díaz Iza, HP. (2020). Value Function Estimation in Optimal Control via Takagi-Sugeno Models and Linear Programming [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/139135 / TESIS