Active Queue Management (AQM) aims to achieve high link utilization, low queuing delay and low loss rate in routers. However, it is difficult to adapt AQM parameters to constantly provide desirable transient and steady-state performance under highly dynamic network scenarios. They need to be a trade-off made between queuing delay and utilization. The queue size would become unstable when round-trip time or link capacity increases, or would be unnecessarily large when round-trip time or link capacity decreases. Effective ways of adapting AQM parameters to obtain good performance have remained a critical unsolved problem during the last fifteen years. This thesis firstly investigates existing AQM algorithms and their performance. Based on a previously developed dynamic model of TCP behaviour and a linear feedback model of TCP/RED, Auto-Parameterization RED (AP-RED) is proposed which unveils the mechanism of adapting RED parameters according to measurable network conditions. Another algorithm of Statistical Tuning RED (ST-RED) is developed for systematically tuning four key RED parameters to control the local stability in response to the detected change in the variance of the queue size. Under variable network scenarios like round-trip time, link capacity and traffic load, no manual parameter configuration is needed. The proposed ST-RED can adjust corresponding parameters rapidly to maintain stable performance and keep queuing delay as low as possible. Thus the sensitivity of RED's performance to different network scenarios is removed. This Statistical Tuning algorithm can be applied to a PI controller for AQM and a Statistical Tuning PI (ST-PI) controller is also developed. The implementation of ST-RED and ST-PI is relatively straightforward. Simulation results demonstrate the feasibility of ST-RED and ST-PI and their capabilities to provide desirable transient and steady-state performance under extensively varying network conditions.

Tesis por compendio / [ES] Con esta tesis se pretende dar solución a algunos de los problemas más habituales que aparecen en los Sistemas de control basados en red (NCS) como son los retardos variables en el tiempo, las pérdidas y el desorden de paquetes, y la restricción de ancho de banda y de recursos computacionales y energéticos de los dispositivos que forman parte del sistema de control. Para ello se ha planteado la integración de técnicas de control multifrecuencial, de control basado en paquetes, de control basado en predictor y de control basado en eventos. Los diseños de control realizados se han simulado utilizando Matlab-Simulink y Truetime, se ha analizado su estabilidad mediante LMIs y QFT, y se han validado experimentalmente en un péndulo invertido, un robot cartesiano 3D y en robots móviles de bajo coste. El artículo 1 aborda el control basado en eventos, el cual minimiza el ancho de banda consumido en el NCS mediante un control basado en eventos periódicos y presenta un método para obtener sus parámetros óptimos para el sistema específico en que se utilice. Los artículos 2, 4 y 6 añaden el control basado en paquetes, así como el control multifrecuencia, que aborda problemas de falta de datos por bajo uso del sensor y los retardos, pérdidas y desórdenes de paquetes en la red. También afrontan, mediante tecnicas de predicción basadas en un filtro de Kalman multifrecuencia variable en el tiempo, los problemas de ruido y perturbaciones, así como la observación de los estados completos del sistema. El artículo 7 hace frente a un modelo no lineal que utiliza las anteriores soluciones junto con un filtro de Kalman extendido para presentar otro tipo de estructura para un vehículo autónomo que, gracias a la información futura obtenida mediante estas técnicas, puede realizar de forma remota tareas de alto nivel como es la toma de decisiones y la monitorización de variables. Los artículos 3 y 5, presentan una forma de obtener y analizar la respuesta en frecuencia de sistemas SISO multifrecuencia y estudian su comportamiento ante ciertas incertidumbres o problemas en la red haciendo uso de procedimientos QFT. / [CA] Amb aquesta tesi es pretén donar solució a alguns dels problemes més habituals que apareixen als Sistemes de Control Basats en xarxa (NCS) com son els retards d'accés i transferència variables en el temps, les pèrdues y desordenament de paquets, i la restricció d'ampli de banda així com de recursos computacionals i energètics dels dispositius que foment part del sistema de control. Per tal de resoldre'ls s'ha plantejat la integració de tècniques de control multifreqüencial, de control basat en paquets, de control basat en predictor i de control basat en events. Els dissenys de control realitzats s'han simulat fent ús de Matlab-Simulink i de TrueTime, s'ha analitzat la seua estabilitat mitjançant LMIs i QFT, i s'han validat experimentalment en un pèndul invertit, un robot cartesià 3D i en robots mòbils de baix cost. L'article 1 aborda el control basat en events, el qual minimitza l'ampli de banda consumit a l'NCS mitjançant un control basat en events periòdics i presenta un mètode per a obtindré els seus paràmetres òptims per al sistema específic en el qual s'utilitza. Els articles 2, 4 i 6 afegeixen el control basat en paquets, així com el control multifreqüència, que aborda problemes de falta de dades per el baix us del sensor i els retards, pèrdues i desordre de paquets en la xarxa. També afronten, mitjançant tècniques de predicció basades en un filtre de Kalman multifreqüència variable en el temps. Els problemes de soroll i pertorbacions, així com la observació dels estats complets del sistema. L'article 7 fa referència a un model no lineal que utilitza les anteriors solucions junt a un filtre de Kalman estès per a presentar altre tipus d'estructura per a un vehicle autònom que, gracies a la informació futura obtinguda mitjançant aquestes tècniques, pot realitzar de manera remota tasques d'alt nivell com son la presa de decisions i la monitorització de variables. Els articles 3 y 5 presenten la manera d'obtindre i analitzar la resposta en frequencia de sistemes SISO multifreqüència i estudien el seu comportament front a certes incerteses o problemes en la xarxa fent us de procediments QFT. / [EN] This thesis attempts to solve some of the most frequent issues that appear in Networked Control Systems (NCS), such as time-varying delays, packet losses and packet disorders and the bandwidth limitation. Other frequent problems are scarce computational and energy resources of the local system devices. Thus, it is proposed to integrate multirate control, packet-based control, predictor-based control and event-based control techniques. The control designs have been simulated using Matlab-Simulink and Truetime, the stability has been analysed by LMIs and QFT, and the experimental validation has been done on an inverted pendulum, a 3D cartesian robot and in low-cost mobile robots. Paper 1 addresses event-based control, which minimizes the bandwidth consumed in NCS through a periodic event-triggered control and presents a method to obtain the optimal parameters for the specific system used. Papers 2, 4 and 6 include packet-based control and multirate control, addressing problems such as network delays, packet dropouts and packet disorders, and the scarce data due to low sensor usage in order to save battery in sensing tasks and transmissions of the sensed data. Also addressed, is how despite the existence of measurement noise and disturbances, time-varying dual-rate Kalman filter based prediction techniques observe the complete state of the system. Paper 7 tackles a non-linear model that uses all the previous solutions together with an extended Kalman filter to present another type of structure for an autonomous vehicle that, due to future information obtained through these techniques, can remotely carry out high level tasks, such as decision making and monitoring of variables. Papers 3 and 5, present a method for obtaining and analyzing the SISO dual-rate frequency response and using QFT procedures to study its behavior when faced with specific uncertainties or network problems. / This work was supported by the Spanish Ministerio de Economía y Competitividad under Grant referenced TEC2012-31506. / Alcaina Acosta, JJ. (2020). Design and implementation of event-based multi-rate controllers for networked control systems [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/159884 / Compendio

La tesis se enmarca en el estudio de las arquitecturas inteligentes de control distribuido y de los sistemas de comunicaciones empleados, más concretamente el trabajo se centra en la optimización del sistema de control por medio de la evaluación del rendimiento en el middleware a través de los parámetros de calidad de servicio y de la optimización del control empleando políticas de calidad de servicio. El principal objetivo de este trabajo ha sido estudiar, diseñar, desarrollar y evaluar una arquitectura de control distribuido, basándose en el estándar de comunicaciones Data-Distribution Service for Real-Time Systems (DDS) propuesto por la organización Object Management Group (OMG). Como aportación principal de la tesis se propone el diseño de una arquitectura distribuida de control inteligente que de soporte a la QoS, tanto en la medición por medio de los parámetros, como en la gestión por medio de las políticas de QoS. Las políticas deben permitir la variación de las características de la comunicación en función de los requisitos de control, expresados estos últimos por medio de los parámetros de QoC. A la arquitectura desarrollada se le ha llamado FSACtrl. Para determinar los requisitos de la arquitectura FSACtrl, se han estudiado las revisiones de los autores más relevantes acerca de las características más destacadas de las arquitecturas distribuidas de sistemas de control. A partir de estas características se han diseñado los elementos de la arquitectura FSACtrl. Los elementos que dan soporte a las comunicaciones se han basado en los del estándar DDS de la OMG, mientras que los elementos de control se han basado en el estándar Sensor Web Enablement (SWE) del Open Geospatial Consortium (OGC). Para la validación de la arquitectura se ha implementado un entorno de diseño y simulación del control. / Poza Luján, JL. (2012). Propuesta de arquitectura distribuida de control inteligente basada en políticas de calidad de servicio [Tesis doctoral]. Editorial Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/14674

Tesis por compendio / [ES] La tesis doctoral se centra en el diseño eficiente de sistemas de control en red NCS aplicados a Vehículos Autónomos No Tripulados (UxVs), empleando técnicas de muestreo no convencional y control basado en eventos. La investigación aborda desafíos inherentes a los NCS, como el desorden y la pérdida de datos en la comunicación, limitaciones en el ancho de banda de la red, recursos computacionales y energéticos limitados, así como retrasos temporales variables. Se presentan cuatro artículos que contribuyen al tema. El primer y el segundo proponen un control de seguimiento de trayectoria Pure Pursuit para un vehículo terrestre no tripulado (UGV) de tracción en dos ruedas y a cuatro ruedas omnidireccionales, respectivamente, abordando la discrepancia en las frecuencias de muestreo uniforme y no uniforme, respectivamente. El uso de un filtro de Kalman extendido bifrecuencia (DREKF) y no uniforme (NUDREKF), respectivamente, permite estimar las mediciones no disponibles a frecuencia rápida y diseñar un controlador dinámico eficiente con la muestras compensadas por el filtro, logrando hacer un seguimiento efectivo de la trayectoria. Ambos artículos presentan el uso de herramientas de simulación avanzadas como Simscape Multibody que presentan una mayor fidelidad con la realidad. Este tipo de modelado presenta la problemática de la caracterización de parámetros, la cual se resuelve utilizando técnicas que emplean datos de experimentación reales, como se describe en el primer artículo. El tercer artículo presenta una metodología de síntesis de control para robots móviles con configuración diferencial bajo retrasos temporales variables y restricciones de saturación de entrada. Se propone un método de control basado en funciones no lineales estáticas suaves, demostrando convergencia garantizada hacia una posición objetivo con una tasa de decaimiento exponencial. En este artículo empleamos el simulador de Simscape del primer artículo para la simulación realista junto a las técnicas de estimación no uniforme del segundo artículo para la experimentación. El cuarto artículo introduce una estructura de control eficiente en el uso de recursos para el control remoto de seguimiento de trayectorias de vehículos autónomos basada en una combinación integral de filtrado de Kalman, muestreo de bifrecuencia no uniforme, comunicación activada por eventos periódicos y técnicas de control basadas en predicciones de h-pasos adelante, junto a una simulación que permite retardos y pérdidas de paquetes simulando una red inalámbrica. Este enfoque, validado mediante simulación y experimentación en una plataforma robótica holonómica de ruedas omnidireccionales, que ha sido mejorada a partir de la desarrollada en el artículo 2, demuestra una reducción significativa en el uso de recursos computacionales en la parte local en comparación con soluciones de control convencionales junto a un seguimiento de trayectoria satisfactorio. Adicionalmente, destacar que la estabilidad de media cuadrática es asegurada para el NUDREKF. En conjunto, estos artículos contribuyen al diseño eficiente de sistemas de control en red aplicados a UxVs, superando desafíos como retrasos temporales, variabilidad en las frecuencias de muestreo y limitaciones de recursos, y demostrando su efectividad a través de simulaciones realistas y experimentos prácticos. / [CA] La tesi doctoral es centra en el disseny eficient de Sistemes de Control en Xarxa (NCS) aplicats a Vehicles Autònoms No Tripulats (UxVs), emprant tècniques de mostreig no convencional i control basat en esdeveniments. La investigació aborda desafiaments inherents als NCS, com el desorde i la pèrdua de dades en la comunicació, limitacions en l'amplada de banda de la xarxa, recursos computacionals i energètics limitats, així com retards temporals variables. Es presenten quatre articles que contribuïxen al tema. El primer i el segon proposen un control de seguiment de trajectòria Pure Pursuit per a un vehicle terrestre no tripulat (UGV) de tracció en dos rodes i a quatre rodes omnidireccionals, respectivament, abordant la discrepància en les taxes de mostreig uniforme i no uniforme, respectivament. L'ús d'un filtre de Kalman estés bifreqüència (DREKF) i no uniforme (NUDREKF), respectivament, permet estimar els mesuraments no disponibles a freqüència ràpida i dissenyar un controlador dinàmic eficient amb la mostres compensades pel filtre, aconseguint fer un seguiment efectiu de la trajectòria. Tots dos articles presenten l'ús de ferramentes de simulació avançades com Simscape Multibody que presenten una major fidelitat amb la realitat. Este tipus de modelatge presenta la problemàtica de la caracterització de paràmetres, la qual es resol utilitzant tècniques que empren dades d'experimentació reals, com es descriu en el primer article. El tercer article presenta una metodologia de síntesi de control per a robots mòbils amb configuració diferencial sota retards temporals variables i restriccions de saturació d'entrada. Es proposa un mètode de control basat en funcions no lineals estàtiques suaus, demostrant convergència garantida cap a una posició objectiu amb una taxa de decaïment exponencial. En este article emprem el simulador de Simscape Multibody del primer article per a la simulació realista junt a les tècniques d'estimació no uniforme del segon article per a l'experimentació. El quart article introduïx una estructura de control eficient en l'ús de recursos per al control remot de seguiment de trajectòries de vehicles autònoms basada en una combinació integral de filtrat de Kalman, mostreig de bifreqüència no uniforme, comunicació activada per esdeveniments periòdics i tècniques de control basades en prediccions d'h-passos avant, al costat d'una simulació que permet retards i pèrdues de paquets simulant una xarxa sense fil. Este enfocament, validat mitjançant simulació i experimentació en una plataforma robòtica holonómica de rodes omnidireccionals, que ha sigut millorada a partir de la desenvolupada en l'article 2, demostra una reducció significativa en l'ús de recursos computacionals en la part local en comparació amb solucions de control convencionals al costat d'un seguiment de trajectòria satisfactori. Addicionalment, cal destacar que l'estabilitat mitjana quadràtica és assegurada per al NUDREKF. En conjunt, estos articles contribuïxen al disseny eficient de sistemes de control en xarxa aplicats a UxVs, superant desafiaments com a retards temporals, variabilitat en les freqüències de mostreig i limitacions de recursos, i demostrant la seua efectivitat a través de simulacions realistes i experiments pràctics. / [EN] The doctoral thesis focuses on the efficient design of Networked Control Systems (NCS) applied to Unmanned Autonomous Vehicles (UxVs), employing non-conventional sampling techniques and event-based control. The research addresses inherent challenges in NCS, such as packet disorder and data loss in communication, network bandwidth limitations, limited computational and energy resources, as well as variable time delays. Four articles are presented, contributing to the topic. The first and second articles propose a Pure Pursuit trajectory tracking control for a two-wheel drive Unmanned Ground Vehicle (UGV) and a four-wheel omnidirectional vehicle, respectively, addressing the discrepancy in uniform and non-uniform sampling rates, respectively. The use of uniform Dual-Rate Extended Kalman Filter (DREKF) and non-uniform Dual-Rate Extended Kalman Filter (NUDREKF) enables estimation of high-rate unavailable measurements and design of efficient dynamic controllers with filter-compensated samples, achieving effective trajectory tracking. Both articles employ advanced simulation tools such as Simscape Multibody, which provide higher fidelity to reality. This type of modeling addresses the problem of parameter characterization, which is resolved using techniques employing real-world experimental data, as described in the first article. {The third article presents a control synthesis methodology for mobile robots with differential configuration under variable time delays and input saturation constraints. A control method based on smooth static nonlinear functions is proposed, demonstrating guaranteed convergence to a target position with an exponential decay rate. In this article, we use the Simscape Multibody simulator for realistic simulation as in the first article, along with the non-uniform estimation techniques from the second article for experimentation. The fourth article introduces a resource-efficient control structure for remote trajectory tracking control of autonomous vehicles, based on a comprehensive combination of Kalman filtering, non-uniform dual-rate sampling, periodic event-triggered communication, and h-steps ahead prediction-based control techniques, alongside a simulation that incorporates delays and packet losses to simulate a wireless network. This approach, validated through simulation and experimentation on a holonomic omnidirectional-wheeled robotic platform modeled in the second article, demonstrates significant reduction in computational resource usage on the local side compared to conventional control solutions, along with satisfactory trajectory tracking. Additionally, it is worth highlighting that the stability of the NUDREKF is guaranteed through stability conditions. Together, these articles contribute to the efficient design of NCS applied to UxVs, overcoming challenges such as time delays, variability in sampling rates, and resource limitations, and demonstrating their effectiveness through realistic simulations and practical experiments. / This PhD research was part of the R+D+i Project, Grant RTI2018-096590-B- I00 (Research, Development and Innovation projects - "Research Challengues"), funded by MCIN/AEI/ 10.13039/501100011033 (Ministry of Science, Innova- tion and Universities - Spanish government) and by Europe "ERDF A way of making Europe". And grant for predoctoral contracts for the training of doc- tors, Grant PRE2019-088467 funded by MCIN/AEI/10.13039 /501100011033 and by Europe "ESF Investing in your future". / Carbonell Lázaro, R. (2024). Efficient Design of Wireless Networked Control Systems Applied to UxVs using Non-Conventional Sampling and Event-Based Control Techniques [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/213211 / Compendio