INFORMAZIONI ESSENZIALI PER IL SITO WEB DEL CIRA

GENERALITA'
Cognome: Angeli
Nome: David
Luogo di nascita: Chianciano Terme (SI)
Data di nascita: 24 Novembre 1971
Residenza: Via Reginaldo Giuliani 106B, 50139 FIRENZE
Email: angeli@dsi.unifi.it

ATTUALE POSIZIONE
Ricercatore del raggruppamento KO4X

POSIZIONI PRECEDENTEMENTE RICOPERTE
Studente di Dottorato in Ingegneria Informatica e dell'Automazione, presso il Dip. Sistemi e Informatica, Firenze, Nov. 1996-Nov. 1999
Visiting Scholar presso il Dep. of Mathematics, Rutgers University (New Jersey) Set. 1998 - Mar. 1999
Assegnista di Ricerca:  Gennaio 2000 - Dicembre 2000
Visiting Researcher presso il Dep. of Electrical and Electronic Engineering, Melbourne University, Nov.-Dic.  2000

FORMAZIONE
Laurea in Ingegneria Informatica conseguita presso l'Universita' di Firenze, (indirizzo Automazione).
Tesi di laurea: "Adaptive control of systems with backlash", discussa anche presso il Lund Institute of Technology (Svezia).

Dottorato in Ingegneria Informatica e dell'Automazione presso il Dip. Sistemi e Informatica dell'Universita' di Firenze.
Tesi di dottorato: "Control strategies for constrained systems"

Scuola dottorato CIRA sui Sistemi Nonlineari, a Bertinoro, Luglio 1998.
Corso di dottorato sulle Lie algebras, Dep. of Mathematics, Rutgers University, 1999-2000.
Corso di dottorato su: Optimal Control, Dep. of Mathematics, Rutgers University, tenuto dal Prof. Hector Sussmann 1999-2000.
Ciclo di lezioni tenute dal Prof. S. Morse su ``Adaptive Switching Control'', presso l'Universita' la Sapienza di Roma, 2000.
Ciclo di lezioni tenute dal Prof. A. Teel sulla ``Input-to-state Stability robustness'', presso  l'Universita' di Tor Vergata, Settembre 2001.
Corso di dottorato sul "Controllo Ottimo di sistemi nonlineari", presso la Facolta' di Matematica dell' Universita' di Firenze, tenuto dalla Prof. Gianna Stefani, Aprile 2002.

ATTIVITA' SVOLTA

a) Attivita' scientifica

In questa sezione verranno descritte le tematiche di ricerca affrontate dal candidato e i suoi interessi principali. In questi 4 anni di permanenza presso il D.S.I. ha completato da solo o in cooperazione circa 40 lavori tra quelli apparsi su rivista o su conferenze internazionali. L'attivita' di ricerca si e' concentrata sulle seguenti tematiche:

Controllo di sistemi soggetti a vincoli


Lo studio di sistemi soggetti a vincoli \'e un argomento di grande interesse sia pratico che teorico all'interno della comunit\'a scientifica dei controlli automatici. Virtualmente ogni sistema fisico e' soggetto a vincoli di una qualche natura che possono potenzialmente alterare il comportamento di un sistema di controllo dando luogo a degradazioni delle prestazioni o addirittura portando a destabilizzare il sistema qualora i vincoli siano stati ignorati durante la fase di progetto. Due linee di ricerca principali sono state seguite in questo ambito:

Il primo ambito si basa sull'idea che i vincoli eventualmente presenti all'interno di un sistema di controllo possono essere soddisfatti a patto di poter garantire che il sistema non si allontani dalla varieta' di equilibrio. In questo senso dunque e' possibile garantirne il soddisfacimento (una volta che l'impianto sia stato pre-compensato anche ignorando completamente la presenza di tali vincoli) mediante una unita' di gestione del riferimento che esegue un filtraggio in linear del set-point avendo cura di non destabilizzare il sistema, garantire la transizione graduale fra i livelli prescritti di set-point e al tempo stesso mantenendo lo stato e gli ingressi all'interno delle regioni consentite. Tali tecniche sono state portate avanti in ambito nonlineare sia mediante metodi diretti, sia mediante immersione all'interno di sistemi lineari incerti.

Altre tecniche di controllo Predittivo, mirate in particolar modo al soddisfacimento di vincoli di ingresso per sistemi lineari, sono state sviluppate. Sebbene applicabili in ambiti piu' circoscritti, la specificita' del problema considerato consente di avere garanzie di globalita' dei bacini di attrazione qualora il sistema in considerazione sia ANCBI (cioe' controllabile asintoticamente all'origine mediante ingressi limitati).

Stabilita' esterna di sistemi Nonlineari



In questo ambito si e' svolta una indagine sulle proprieta' di stabilità Ingresso-Stato di sistemi non lineari. Questo tipo di approccio e' emerso come un interessante strumento per trattare in modo organico le relazioni tra stabilita' interna ed esterna di sistemi nonlineari finito dimensionali. In particolare, l'analisi si e' rivolta verso: Controllo a commutazione supervisionata

Accanto agli schemi tradizionali per il controllo adattativo si e' affermato in anni recenti il cosiddetto controllo a commutazione supervisionata. In pratica, questi schemi si basano sulla possibilita' di selezionare in linea una legge di controllo all'interno di un blocco di controllori prefissati sulla base di misurazioni di dati ingresso/uscita. Gli schemi descritti in letteratura spesso utilizzano allo scopo, quali segnali di prestazione, errori di predizione opportunamente integrati e filtrati; si e' invece cercato in questo ambito di proporre delle strategie per il controllo basate sulla conoscenza di opportune funzioni di Lyapunov relative ai sistemi operanti in condizioni nominali. Gli algoritmi proposti consentono un'analisi di stabilita' efficace e sono applicabili a sistemi nonlineari incerti di dimensione finita. Un nodo centrale e' stato quello di mantenere separati i problemi di falsificazione del controllore operativo nell'anello dai problemi relativi all'inferenza del miglior candidato a disposizione all'interno del banco di controllori a disposizione. Questo tipo di approccio consente una modularita' dell'analisi e della sintesi nel senso che diversi criteri di selezione (pre-routed, basato su segnali di performance, etc. ) possono essere combinati con il criterio di falsificazione proposto (basato sulla decrescenza di funzioni di Lyapunov), dando luogo ad una analisi unificata degli algoritmi.

b) Attivita' didattica istituzionale

c) Altre attivita' didattiche

Minicorso (10 ore) di aggiornamento sulle tecniche di controllo sliding mode per sistemi nonlineari presso la ditta Magnetek di San Giovanni Valdarno.

SEMINARI:

d) Collaborazioni scientifiche
Il candidato ha svolto parte importante della propria attivita' di ricerca in collaborazione con il Prof. Eduardo Sontag (Rutgers University) e con la Prof. Yuan Wang (Florida Atlantic University). Ha collaborato occasionalmente con: Prof. Dragan Nesic (Melbourne University), Prof. Murat Arcak (UCSB) e Prof. Daniel Liberzon (Urbana Champaign). All'interno del Dip. di Sistemi e Informatica dell'Universita' di Firenze collabora
con i Prof. Edoardo Mosca e Alessandro Casavola.

e) Attivita' editoriale
Ha prestato opera di recensione per vari congressi internazionali e per la commissione valutatrice del Best student paper award del CDC. Presta abitualmente opera di recensione per riviste internazionali di settore quali: Automatica, IEEE Trans. of Automatic Control, IEEE Trans. of Circuits and Systems, Systems and Control Letters, Int. Journal of Nonlinear and Robust Control, SIAM Journ. of Control and Optimization.

ELENCO DEI 10 LAVORI SCIENTIFICI PIU' SIGNIFICATIVI

1. D. Angeli, "A Lyapunov Approach to Incremental Stability Properties", IEEE Trans. on Automatic Control, Vol. 47, pp. 410-421,  2002.

2. D. Angeli, E.D. Sontag, Y. Wang, "A Characterization of Integral Input-to-State Stability'', IEEE Trans. on Automatic Control, Vol. 45, pp. 1082-1097,  2000.

3. M. Arcak, D. Angeli, E.D. Sontag, "A Unifying Integral ISS Framework for Stability of Nonlinear Cascades", SIAM Journ. on Control and Optimization, Vol. 40, N. 6, pp. 1888-1904, 2002.

4. D. Angeli, E. Mosca, "Command Governors for Constrained Nonlinear Systems'', IEEE Trans. on Automatic Control, Vol. 44, pp. 816-820, 1999.

5. D. Angeli, A. Casavola, E. Mosca, "Command Governors for Constrained Nonlinear Systems: direct nonlinear vs. linearization based strategies", Int. Journ. of Robust and Nonlinear Control, Vol. 9, pp. 677-699, 1999.

6. D. Angeli, "Input-to-State Stability of PD-controlled Robotic Systems", Automatica, Vol. 35, pp 1285-1290,  1999.

7. D. Angeli, "Intrinsic Robustness of Global Asymptotic Stability", Systems and Control Letters, Vol. 38, pp. 297-307, 1999.

8. D. Angeli, E.D. Sontag, "Forward Completeness, Unboundedness observability, and their Lyapunov characterizations", Systems and Control Letters, pp. 209-217, 1999.

9. D. Angeli, "Almost global stabilization of the inverted pendulum via continuous state feedback", Automatica, Vol. 37, pp. 1103-1108,  2001.

10. D. Angeli, A. Casavola, E. Mosca, "Predictive PI-control of linear plants under positional and incremental input saturations", Automatica, Vol. 36,   pp. 1505-1516, 2000.

Descrizione dei Lavori

Lavoro 1: In questo articolo si propongono tecniche di analisi basate su funzioni di Lyapunov per lo studio delle proprieta' di stabilita' incrementale di sistemi dinamici nonlineari. Tali nozioni di stabilita' esprimono la vicinanza asintotica delle traiettorie di un sistema le une rispetto alle altre ed in questo senso si distinguono dalle nozioni classiche di stabilita' generalmente riferite a punti di equilibrio o piuttosto ad attrattori del sistema. In particolare si sono studiate queste proprieta' in un contesto pienamente compatibile con la cosiddetta Input-to-State Stability; si e' in questa direzione definita una nozione di stabilita' Inpu-to-State incrementale, che quantifica lo scostamento di 2 soluzioni arbitrarie, l'una  rispetto all'altra, in presenza di variazioni sulle condizioni iniziali e sugli ingressi. In particolare un sistema e' stabile in questo senso qualora le variazioni di condizioni iniziali vengano ``scordate'' asintoticamente e le variazioni
di ingresso si traducano in variazioni di traiettoria ad esse proporzionali (mediante un opportuno guadagno nonlineare).
La proprieta' di stabilita' Input-to-State incrementale si configura dunque a tutti gli effetti come una nozione di osservabilita' ad anello aperto per sistemi nonlineari. Nel caso di sistemi lineari questa, come  noto,  equivale alla stabilita' asintotica. Per sistemi non-lineari si configura invece come una proprieta' notevolmente piu' forte anche della stessa stabilita' globale asintotica. Applicazioni allo studio
di sincronizzazione del chaos e sintesi di osservatori per sistemi nonlineari sono anche proposte.

Lavoro 2,3: Nel lavoro 2 si dimostra una caratterizzazione mediante disuguaglianze alla Lyapunov per la cosiddetta Integral Input-to-State Stability. Questa proprieta' generalizza per sistemi nonlineari la nozione di un sistema avente norma H2 limitata. Informalmente si puo' pensare alla Stabilita' Integral Input-to-State come alla proprieta' delle traiettorie di un sistema nonlineare globalmente asintoticamente
stabile di rimanere limitate ogni qualvolta l'ingresso ha energia limitata. Questa proprieta' si e' rivelata (Lavoro 3) un utile strumento nell'analisi e nella sintesi di controllori nonlineari, in particolar modo per lo studio di sistemi in cascata. Sebbene in generale la connessione di sistemi Integral Input-to-State stabili non dia luogo necessariamente ad un sistema globalmente asintoticamente stabile, si e' verificato che il risultato e' valido sotto alcune ipotesi tecniche  relativamente deboli (per esempio sempre verificate nel caso di sistemi affini).
Questo risultato ha unificato ed esteso tutta una serie di lavori precedentemente svolti sull'argomento
confermando la validita' dell'approccio adottato.

Lavoro 4: In questo articolo si introduce un gestore di riferimento per sistemi nonlineari soggetti a vincoli. L'idea di fondo e' che sia possibile risolvere il problema dell'inseguimento per sistemi nonlineari soggetti a vincoli andando prima di tutto a sintetizzare un controllore che  (ignorando i vincoli) sia in grado di garantire un inseguimento off-set free di set-point e di dotare questo primo anello di controllo con un dispositivo ausiliario, il Gestore di Riferimento, che mediante un opportuno filtraggio del set-point garantisca il soddisfacimento dei
vincoli. Le idee utilizzate in questo ambito si rifanno al controllo predittivo e gli algoritmi individuati si configurano dunque come una valida alternativa (a complessita' computazionale ridotta) rispetto ad un controllo predittivo piu' generale in cui si va a pianificare la traiettoria in avanti avendo a disposizione un numero elevato di mosse di controllo. L'unico grado di liberta' a disposizione del Gestore di Riferimento e' infatti il valore del set-point.

Lavoro 5: In questo lavoro si mettono a confronto le tecniche di gestione del riferimento nonlineari (presentate in [4]) con quelle lineari politopiche incerte. In pratica, si fa un confronto fra una tecnica di ottimizzazione diretta (che fa predizioni nonlineari e dunque richiede la risoluzione di problemi non-convessi) e il metodo subottimale mediante immersione del sistema nonlineare in un lineare incerto tempo-variante. Quest'ultima strategia, sebbene piu' onerosa dal punto di vista computazionale per la crescita esponenziale del numero dei vincoli in funzione degli orizzonti di predizione, si e' dimostrata invece non particolarmente conservativa nonostante
calcolata mediante un approccio di tipo worst-case in cui anche traiettorie "non fisicamente possibili" del sistema reale sono prese in considerazione e mantenute sotto controllo a causa dell'immersione delle equazioni in una inclusione alle differenze lineare.

Lavoro 6: In questo lavoro si sono studiate le proprieta' di robustezza rispetto a disturbi esterni del controllo PD per manipolatori robotici. In particolare si e' visto come il controllo PD classico non sia in grado di assicurare stabilita' Input-to-State nel caso di manipolatori con momento di inerzia potenzialmente illimitato in seguito ad allungamento o scorrimento di alcune componenti meccaniche. Viceversa, se un bound apriori sul momento di inerzia e' disponibile i controllori PD classici si rivelano anche Input-to-State Stabili rispetto a disturbi di
attuatore. Un possibile rimedio per il caso piu' generale preso in esame e' quello di introdurre un termine di richiamo elastico nonlineare (per esempio cubico).

Lavoro 7: A differenza del caso tempo continuo, si dimostra come un sistema nonlineare tempo discreto (continuo) che sia globalmente asintoticamente stabile in assenza di disturbi, mantenga un certo grado di stabilita' anche qualora i disturbi che intervengono abbiano energia limitata. Piu' specificamente si fa vedere come la stabilita' globale asintotica equivalga (in tempo discreto) alla Integral Input-to-State Stability.

Lavoro 8: Condizioni necessarie e sufficienti per la esistenza globale di soluzioni (cioe' sull'intervallo [0,infinito ) per equazioni differenziali nonlineari del tipo x'=f(x,u). La caratterizzazione principale e' data in termini di una dissipazione alla Lyapunov; in particolare (per esempio per sistemi con u = 0) si ha esistenza globale di soluzioni se e solo se esiste una funzione V(x) differenziabile e radialmente illimitata tale che V' <= V(x).

Lavoro 9: In questo lavoro si sintetizza una legge di controllo smooth, basata su metodi di sagomazione dell'energia potenziale, per il piu' semplice e classico sistema meccanico sotto-attuato: il pendolo inverso. Si dimostra che questa legge da' luogo a stabilita' quasi globale (a parte un insieme di misura 0 che non e' attratto all'origine). Questo e' in un certo senso il massimo che si possa ottenere mediante controllori continui poiche' lo spazio degli stati del pendolo (un cilindro) non e' diffeomorfo allo spazio euclideo e dunque l'attrattivita' globale del punto di equilibrio e' preclusa.

Lavoro 10: In questo lavoro si combinano tecniche proprie del Reference Governor con metodi di sintesi di controllori lineari a basso guadagno per la sintesi di controllori in grado di operare inseguimento di set-point in presenza di saturazioni di ingresso e sul suo tasso di variazione. Lo schema ottenuto da' garanzie globali di funzionamento sotto condizioni che essenzialmente corrispondono alle condizioni necessarie di ammissibilita' del problema stesso.

PUBBLICAZIONI

Articoli su riviste internazionali:

1. "Command Governors for Constrained Nonlinear Systems'', D. Angeli e E. Mosca, IEEE Transactions on Automatic Control, Vol. 44, Aprile 1999, pp. 816-820
2. "Input-to-state stability of PD-controlled robotic systems'', D. Angeli, Automatica, Vol. 35, Luglio 1999, pp. 1285-1290
3. "Command Governors for Constrained Nonlinear Systems: Direct Nonlinear vs. Linearization-based Strategies'', D. Angeli, A. Casavola e E. Mosca, International Journal of Robust and Nonlinear Control, Vol. 9,  pp. 677-699
4. "Intrinsic Robustness of Global Asymptotic Stability'', D. Angeli, Systems and Control Letters, Vol. 38, Novembre 1999, Vol. 38, pp. 297-307
5. "Forward completeness, unboundedness observability, and their Lyapunov characterizations'', D. Angeli e E. D. Sontag, Systems and Control Letters, Vol. 38, Novembre 1999, pp. 209-217
6. "A predictive command governor for nonlinear systems under constraints'', D. Angeli, A. Casavola e E. Mosca, Progress in Systems and Control Theory, Vol. 26, Birkhauser Verlag, Basilea/Svizzera, 2000
7. "A characterization of integral input-to-state stability'', D. Angeli, E. D. Sontag e Y. Wang, IEEE Transactions on Automatic Control,  Vol. 45, pp. 1082-1097, 2000.
8. "Predictive PI-control under positional and incremental input saturations'', D. Angeli, A. Casavola and E. Mosca, Automatica, Vol. 36 (10), pp. 1505-1516, 2000.
9. "Further equivalences and semiglobal versions of input-to-state stability'', D. Angeli, E. D. Sontag and Y. Wang, Dynamics and Control Journal, Vol. 10 (2), pp. 127-149, 2000.
10. "Robust Command Governors for Constrained Uncertain Linear Systems'', D. Angeli, A. Casavola e E. Mosca, IEEE Transactions on Automatic Control, Vol. 45, pp. 2071-2077, 2000.
11. "On Feasible Set-Membership State Estimators in Constrained Command Governor Control'', D. Angeli, A. Casavola e E. Mosca, Automatica, Vol. 37, pp. 151-156, 2001.
12 "Almost global stabilization of the inverted pendulum via continuous state feedback", D. Angeli, Automatica, Vol. 37, pp. 1103-1108, 2001.
13. "Constrained Predictive Control of Nonlinear Plants Via Polytopic Linear System Embedding'', D. Angeli, A. Casavola e E. Mosca, International Journal of Robust and Nonlinear Control, numero speciale ``Robust Predictive Control'', Vol. 10, pp. 1091-1103, 2001.
14. "Power characterizations of ISS and integral ISS'', D. Angeli e D. Nesic, IEEE Transactions on Automatic Control, Vol. 46, pp. 1298-1303, 2001.
15. "A Lyapunov approach to incremental stability properties'', D. Angeli, IEEE Transactions on Automatic Control, Vol. 47, pp. 410-421,  2002.
16. "Lyapunov-based supervisory control for nonlinear uncertain systems'', D. Angeli e E. Mosca, IEEE Transactions on Automatic Control, Vol. 47, 2002.
17. "A Unifying Integral ISS Framework for Stability of Nonlinear Cascades'', M. Arcak, D. Angeli e E.D. Sontag, SIAM Journ. on Control and Optimization,  Vol. 40, N. 6, pp. 1888-1904, 2002.

Articoli in conferenze internazionali:

1. "Adaptive Control of Systems with Backlash Acting on the Input'', M. Grundelius e D. Angeli, Proc. of the 35th IEEE Conference on
Decision and Control CDC'96, Kobe, Giappone, Dicembre 1996
2. "A Remark on Integral Input to State Stability'', D. Angeli, E. D. Sontag e Y. Wang, Proc. of the 37th IEEE Conference on Decision
and Control CDC'98, Tampa, Florida, Dicembre 1998
3. "Globally Stable Control of Linear Plants under Positional and Incremental Actutor Saturations'', D. Angeli, A. Casavola, M. Giannelli e E. Mosca, Proc. of the 37th IEEE Conference on Decision and Control CDC'98, Tampa, Florida, Dicembre 1998
4. "Characterizations of forward completeness'', D. Angeli e E. D. Sontag, Proc. of  the 38th IEEE Conference on Decision and Control CDC'99, Phoenix, Arizona, Dicembre 1999
5. "Global Predictive PI-control of ANCBI Plants under Posistional and Rate Actuator Saturations'', D. Angeli, A. Casavola e E. Mosca, Proc. of the 14th IFAC World Congress, Pechino, Cina, Luglio 1999
6. "A la Lasalle Criteria for Input-to-State Stability'', D. Angeli, Proc. of the MTNS98, Padova, Italia, Luglio 1998
7. "Set-Point Tracking in Constrained Nonlinear Systems: a Command Governor Approach'', D. Angeli e E. Mosca, Proc. of the MTNS98, Padova, Italia, Luglio 1998
8. "Enforcing Constraints in Industrial Control Systems: Command Governor Tools", D. Angeli, A. Casavola e E. Mosca, Proc. of the 1998 IEEE Int. Conference on Control Applications, Trieste, Italia, Settembre 1998
9. "Switching Supervisory Predictive Control of Input Saturated Plants'', D. Angeli, A. Casavola, M. Giannelli e E. Mosca, Proc. of the 1998 IEEE Int. Conference on Control Applications, Trieste, Italia, Settembre 1998
10. "Command Governors for Constrained Nonlinear Systems: Linearization based Strategies'', D. Angeli, A. Casavola e E. Mosca, Proc. of
CONTROLO'98 Conf., Coimbra, Portogallo, Settembre 1998
11. "Set-point Output Tracking under Positional and Rate Actuator Saturations'', D. Angeli, A. Casavola e E. Mosca, Proc. of the
ECC'99, Karlsruhe, Germania, Settembre 1999
12. "Command Governors for Constrained Linear Systems under Partial State Information'', D. Angeli, A. Casavola e E. Mosca, Proc. of the European Control Conference '99, Karlsruhe, Germania, Settembre 1999
13. "A note on uniform global stability of nonlinear switched systems in triangular form'', D. Angeli e D. Liberzon, Proc. of the MTNS2000 Conference, Perpignan, Francia, Giugno 2000
14. "Global regulation of input-saturated ANCBI linear systems subject to persistent disturbances'', D. Angeli, A. Casavola and E. Mosca, Proc. of the MTNS2000, Perpignan, Francia, Giugno 2000
15. "PH control with saturated and rate-limited actuators'', D. Angeli, A. Casavola e E. Mosca, Proc. of ADCHEM2000, Pisa, Italia, Giugno 2000
16. "Output predictive control of linear plants with saturated and rate limited actuators'', D. Angeli, A. Casavola e E. Mosca, Proc. of the
American Control Conference 2000, Chicago (IL), Giugno 2000
17. "A Lyapunov approach to incremental stability'', D. Angeli, Proc. of the Control and Decision Conference 2000, Sydney, 2000
18. "A note on Input-to-State stability with input derivatives'', D. Angeli, E.D.Sontag, e Y. Wang, Proc. of NOLCOS2001, S. Petersburg, Luglio 2001
19. "Constrained predictive control of nonlinear plants via LMI techniques'', D. Angeli, A. Casavola e E. Mosca, Proc. of NOLCOS2001, S.
Petersburg, Luglio 2001
20. "Asymptotic characterizations of IOSS'', D. Angeli, B. Ingalls,  E. Sontag, e Y. Wang, Proc. Of the CDC2001, Orlando, Dicembre 2001
21. "A trajectory-based result for stability robustness of systems with inputs'', D. Angeli, D. Nesic, Proc. Of the Control and Decision Conference 2001, Orlando, Dicembre 2001
22. "Power versions of ISS stability notions'', D. Angeli, e D. Nesic, Proc. of the Control and Decision Conference 2001, Orlando, Dicembre 2001
23. "Stabilization of cascades using integral input-to-state stability'', D. Angeli, M. Arcak e E. Sontag, Proc. Of the Control and Decision Conference 2001, Orlando, Dicembre 2001