Design methods for networked control systems with unreliable channels focusing on packet dropouts

Abstract

Los sistemas de control a través de redes se han convertido en un área importante dentro de la comunidad de control, lo cual es debido a su bajo coste y a la flexibilidad de sus aplicaciones. Los sistemas de control a través de redes (NCSs) se componen de sensores, actuadores y controladores; las operaciones entre ellos se coordinan a través de una red de comunicación. Típicamente, estos sistemas están espacialmente distribuidos, y pueden funcionar de manera asíncrona, pero sus operaciones han de estar coordinadas para conseguir los objetivos deseados.

En este resumen se presenta una perspectiva general de los NCSs, y en particular, los casos específicos en los que se ha basado esta tesis, abordando los temas principales relacionados con NCS, con todos los problemas y ventajas asociados, se describen en este resumen. Por último, se presenta un índice de la tesis con sus contribuciones más relevantes.

- Introducción a los Sistemas de Control a través de Red

Los Sistemas de Control a través de Red (NCSs) son sistemas espacialmente distribuidos donde la comunicación entre plantas, sensores, actuadores y controladores se realiza a través de una red de comunicación.

La complejidad en el diseño y la realización, el coste del cableado, la instalación y el mantenimiento pueden ser reducidos drásticamente incluyendo una red de comunicación. Sin embargo, las redes de comunicación en los sistemas también traen algunos incovenientes como los retrasos y la pérdida de datos, los errores de codificación, etc. Estos incovenientes pueden ser la causa de la de la degradación del comportamiento del sistema e incluso causar su desestabilización.

Hoy en día, hay un gran número de situaciones prácticas en las que el uso de redes de comunicación para el control son necesarias para aplicaciones o procesos de control en ingeniería. Algunos ejemplos son:

Situaciones en las que el espacio y el peso están limitados. Situaciones en las que las distancias a considerar son grandes. Aplicaciones de control donde el cableado no es posible.

El uso de redes de comunicación digitales proporciona también algunas ventajas:

La complejidad en el cableado en conexiones punto a punto se reduce mucho, así como el coste. Además, los costes de instalación pueden reducirse también drásticamente. La reducción en la complejidad del cableado hace mucho más fácil el diagnóstico y el mantenimiento del sistema, dando lugar a un ahorro en el coste debido a que la instalación y el funcionamiento tienen una eficiencia mayor. Los NCSs son flexibles y reconfigurables. Fiabilidad, redundancia y robustez ante los fallos. Los NCSs proporcionan modularidad, control descentralizado y diagnósticos integrados.

Todas estas ventajas sugieren que los NCSs jugarán un papel principal en un futuro cercano, siendo un área de investigación muy prometedora.

- Objetivos de la tesis

La idea general de esta tesis es proponer algunas soluciones novedosas a diferentes problemas relacionados con NCSs. Todos los problemas considerados son típicos dentro del marco del control a través de redes, considerándose principalmente el de las pérdidas de paquetes en la transmisión de datos.

Dentro del contexto de sistemas con pérdida de paquetes, se han estudiado diferentes problemas. Para obtener soluciones diferentes para este tipo de sistemas, se han considerado los siguientes objetivos:

Diseño de controladores.

Controladores Hinf, que consigan la robustificación de sistemas con incertidumbres. Controladores MPC, combinados con estrategias de buffer.

Diseño de filtros.

Filtros Hinf para sistemas con incertidumbres, usando técnicas frecuenciales y cadenas de Markov.

Diseño de algoritmos.

Localización dinámica de un control distribuido en una red formada por una estructura matricial de nodos. Localización dinámica del estimador de la salida del sistema, en una red formada por una estructura lineal de nodos.

Estimación distribuida cooperativa.

Basada en observadores locales de Luenberger.

- Conclusiones

Uno de los objetivos de esta tesis ha sido el análisis de la estabilidad y comportamiento de sistemas bajo control. En algunos casos, el diseño se ha realizado imponiendo restricciones en cuanto a la estabilidad.

La robustificación de sistemas, en particular la de aquellos con incertidumbres, ha sido también tenida en cuenta. Las técnicas de control Hinf se han usado en los casos de análisis y diseño de sistemas de control.

Otro objetivo importante de esta tesis ha sido el diseño de algoritmos para una red dinámica, la cual está compuesta por cierta estructura de nodos. El algoritmo es capaz de decidir qué nodo será el controlador o el estimador de la salida del sistema en la red. La estabilidad y el comportamiento del sistema de control ha sido analizado.

También se ha abordado el diseño de estimación y esquemas distribuidos. Se han considerado redes que introducen retrasos temporales, junto con pérdidas aleatorias. La reducción en el consumo de energía ha sido un objetivo importante en esta parte de la tesis. En este caso, se ha examinado una política de comunicación entre agentes basada en eventos, la cual da lugar a un compromiso entre el comportamiento del sistema y los ahorros en la comunicación.