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【IJAC推文】网络控制系统稳定域分析及其基于事件的控制器设计

已有 946 次阅读 2018-2-6 11:11 |个人分类:好文推荐|系统分类:论文交流

IJAC导读】

网络控制系统(Networked Control Systems,简称NCS)是指通过带宽受限的网络连接分布在不同地理位置的网络设备而组成的闭环控制系统,与传统的点对点控制系统相比,具有信息资源共享、系统连线少、易于扩展和维护等优点,是当前的一个重要研究领域。

20182月第一期,IJAC发表了来自巴西米纳斯吉拉斯联邦大学Ana Paula Batista博士的研究文章:Analysis of the Most Likely Regions of Stability of an NCS and Design of the Corresponding Event-driven Controller。本文针对时滞网络控制系统稳定性分析及控制设计展开了实验研究,同时借助蒙特卡罗方法(Monte-Carlo method)和时程反应分析(time response analysis),有效识别出最可能的稳定区域。此外,基于PI控制策略在系统中加入了时滞补偿(time delay compensation),并设计出事件驱动的控制器。结果表明:时滞数据参数将对确定NCS可能的稳定区域产生影响,这一点可应用于评估或重新设计控制系统。


图片来自SpringerLink


文中展示了一些实验结果,试图:1)帮助更好地理解具有变时滞(variable delays)的实时网络控制系统(real NCSs)2)探索将破坏稳定性的风险降到最低的前提下,控制策略能在多大程度上提升系统性能


图片来自文章

文章主要研究变时滞(variable delays)网络控制系统稳定域(stability region)的控制设计及分析。在当前NCS领域范式的引导下,多数的分析和设计基于最大时滞界(maximum delay limit)借助确定性方法(deterministic  approaches)开展。不同的是,本文采用了概率分析法(probabilistic analysis approach),从更实用的角度来设计分析网络控制系统,以期将来可以应用于实际中。

本研究的主要贡献在于:1)提出以下假设(proposition):事件驱动的控制器(event-driven controller)基于带有明确补偿(explicit compensation)的时间驱动的控制器(time driven-controller)2)实验结果表明:时滞的数据参数将对确定NCS稳定域产生影响。因此,在评估(assessment)或重新设计(redesign)控制系统时,可直接使用上述结论,用以进一步提升系统性能。


图片来自文章

特别值得一提的是,传统的分析和设计方法有可能得出极端的保守系统(extremely conservative systems),性能十分低下。但本文提出的方法有效地解决了这一问题,即使是在不利条件下(adverse conditions)也能够保证系统的性能。对于可能出现数十个时滞采样周期的系统而言,这一方法的优势会更加明显。此外,即使是可能大幅减小稳定裕度(stability margins)的小概率事件,本文所提出的统计方法也将它们发生的可能性考虑在内。闭环设计(closed loop design)中可以忽略这类小概率事件,但如果系统处于有可能变成保守控制(conservative control)、甚至手工控制模式(manual mode)的报警状态(alarm status)时,则必须将其考虑在内。


结 论

本文试图找到一种可以更真实评估NCSs性能的方法。通过实验结果可以看出:采用恰当方式(proper tools)对网络闭环控制进行分析和设计的重要性,尤其应该重视时滞数据(delay statistics)在其中发挥的作用。设计控制器时,只要使用了最大时滞界(maximum delay limit),就会产生保守结果(conservative results),从而降低系统性能。此外,本文所提出的控制方法在实际操作中也是有效的,NCSs可支持一个远长于采样周期的时滞,即使最初设定的时滞相比于实际而言更短。如若想设计出可应对较大时滞变化的控制方法,还需找出可准确、实时确定NCS环中实际时滞的各种可能的情况,本文只列举出部分情况,由于这项工作非常重要,因此,将来还还需做更深入的研究。

全文信息

Analysis of the Most Likely Regions of Stability of an NCS and Design of the Corresponding Event-driven Controller

Ana Paula Batista, Fábio Gonçalves Jota

Abstract:

In this paper, some issues related to design and analysis of real networked control systems (NCS) under the focus of the most likely region of stability are addressed. Such a system is cumbersome due to its inherent variable time delays, ranging from microseconds to hours. To show the influence of such huge variations in the control performance, a laboratory-scale luminosity system has been setup using the Internet as part of the control loop with dominant time constant in the order of milliseconds. Proportional and integral (PI) control strategies with and without explicit compensation for the time-delay variations were implemented using an event-driven controller. Using the well-known Monte Carlo method and subsequent analyses of time responses, it has been possible to identify the most likely region of stability. Some experimental results show the influence of the statistical parameters of the delays on the determination of the most likely regions of stability of the NCS and how these can be used in assessment and redesign of the control system. The experiments show that much larger delays than one sample period can be supported by real NCSs without becoming

unstable.

Keywords:

Networked control systems, real NCS, delay compensation, most likely regions of stability, delay statistics.

Full Text:

1) SpringerLink:

https://link.springer.com/article/10.1007/s11633-017-1099-2

2) IJAC Website:

http://www.ijac.net/EN/abstract/abstract1961.shtml


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本文编辑:欧梨成



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