Sieciowy system sterowania - Networked control system

Sieciowy system sterowania ( NCS ), to układ sterowania , przy czym obwody regulacyjne są zamknięte przez komunikacyjną sieć . Cechą definiującą NCS jest to, że sygnały sterujące i zwrotne są wymieniane między komponentami systemu w postaci pakietów informacji za pośrednictwem sieci.

Przegląd

Funkcjonalność typowego NCS ustalana jest przez zastosowanie czterech podstawowych elementów:

  1. Czujniki do pozyskiwania informacji,
  2. Kontrolerzy , do podejmowania decyzji i poleceń,
  3. Siłowniki , do wykonywania poleceń sterujących i
  4. Sieć komunikacyjna umożliwiająca wymianę informacji.

Najważniejszą cechą NCS jest to, że łączy cyberprzestrzeń z przestrzenią fizyczną, umożliwiając realizację kilku zadań z dużej odległości. Ponadto systemy NCS eliminują niepotrzebne okablowanie, zmniejszając złożoność i całkowity koszt projektowania i wdrażania systemów sterowania. Można je również łatwo modyfikować lub ulepszać, dodając do nich czujniki, siłowniki i sterowniki przy stosunkowo niskich kosztach i bez większych zmian w ich konstrukcji. Co więcej, dzięki wydajnemu udostępnianiu danych między ich kontrolerami, NCS są w stanie łatwo łączyć globalne informacje w celu podejmowania inteligentnych decyzji dotyczących dużych przestrzeni fizycznych.

Ich potencjalne zastosowania są liczne i obejmują szeroki zakres branż, takich jak eksploracja przestrzeni kosmicznej i naziemnej, dostęp w niebezpiecznych środowiskach, automatyzacja fabryk, zdalna diagnostyka i rozwiązywanie problemów, obiekty eksperymentalne, roboty domowe, samoloty, samochody, monitorowanie zakładów produkcyjnych, domy opieki i teleoperacje. Chociaż potencjalne zastosowania NCS są liczne, sprawdzonych zastosowań jest niewiele, a prawdziwą szansą w obszarze NCS jest opracowanie rzeczywistych aplikacji, które realizują potencjał tego obszaru.

Rodzaje sieci komunikacyjnych

Problemy i rozwiązania

koncepcja iSpace

Pojawienie się i rozwój Internetu w połączeniu z zaletami NCS przyciągnęły zainteresowanie badaczy na całym świecie. Wraz z zaletami pojawiło się również kilka wyzwań, które dały początek wielu ważnym tematom badawczym. Nowe strategie sterowania, kinematyka elementów wykonawczych w systemach, niezawodność i bezpieczeństwo komunikacji, alokacja przepustowości, rozwój protokołów transmisji danych, odpowiednie strategie wykrywania usterek i odporne na uszkodzenia strategie sterowania, zbieranie informacji w czasie rzeczywistym i wydajne przetwarzanie danych z czujników to tylko niektóre z dogłębnie zbadane względne tematy.

Umieszczenie sieci komunikacyjnej w sprzężenia zwrotnego pętli sterowania umożliwia analizę i projektowanie kompleksu NCS, ponieważ narzuca dodatkowe opóźnienia czasowe w pętlach sterowania lub możliwość utraty pakietów. W zależności od aplikacji opóźnienia czasowe mogą spowodować poważne pogorszenie wydajności systemu.

Aby złagodzić efekt opóźnienia czasowego, Y. Tipsuwan i MY. Chow z ADAC Lab na North Carolina State University zaproponował metodologię Gain Scheduler Middleware (GSM) i zastosował ją w iSpace. S. Munir i WJ Book (Georgia Institute of Technology) wykorzystali predyktor Smitha , filtr Kalmana i regulator energii do przeprowadzenia teleoperacji przez Internet.

KC Lee, S. Lee i HH Lee użyli algorytmu genetycznego do zaprojektowania kontrolera używanego w NCS. Wielu innych badaczy dostarczyło rozwiązania wykorzystujące koncepcje z kilku obszarów sterowania, takich jak sterowanie odporne, sterowanie optymalne stochastyczne, sterowanie predykcyjne modelu, logika rozmyta itp.

Co więcej, najbardziej krytycznym i ważnym zagadnieniem związanym z projektowaniem rozproszonych NCS o stopniowo rosnącej złożoności jest spełnienie wymagań dotyczących niezawodności i niezawodności systemu, przy jednoczesnym zagwarantowaniu wysokiej wydajności systemu w szerokim zakresie roboczym. Dzięki temu coraz większą uwagę poświęca się technikom wykrywania i diagnozowania usterek w sieci, które są niezbędne do monitorowania wydajności systemu.

Bibliografia

Dalsza lektura

  • D. Hristu-Varsakelis i WS Levine (red.): Handbook of Networked and Embedded Control Systems, 2005. ISBN  0-8176-3239-5 .
  • Hespanha, JP; Naghsztabrizi, P.; Xu, Y. (2007). „Ankieta najnowszych wyników w sieciowych systemach sterowania”. Postępowanie IEEE . 95 (1): 138–162. CiteSeerX  10.1.1.112.3798 . doi : 10.1109/JPROC.2006.887288 . S2CID  5660618 .
  • Quewedo, Niemcy; Nesic, D. (2012). „Solidna stabilność pakietowej kontroli predykcyjnej systemów nieliniowych z zakłóceniami i stratami pakietów Markowa” (PDF) . Automatyczne . 48 (8): 1803–1811. doi : 10.1016/j.automatica.2012.05.046 . hdl : 1959.13/933538 .
  • Szpilka, G.; Parisini, T. (2011). „Sieciowa kontrola predykcyjna niepewnych ograniczonych systemów nieliniowych: rekurencyjna analiza wykonalności i wejścia do stanu”. Transakcje IEEE dotyczące automatycznej kontroli . 56 (1): 72–87. doi : 10.1109/TAC.2010.2051091 . hdl : 10044/1/15547 . S2CID  14365396 .
  • S. Tatikonda, Kontrola w warunkach ograniczeń komunikacyjnych, rozprawa doktorska MIT, 2000. http://dspace.mit.edu/bitstream/1721.1/16755/1/48245028.pdf
  • O. Imer, Optymalna estymacja i kontrola w warunkach ograniczeń sieci komunikacyjnej, dr UIUC rozprawa, 2005. http://decision.csl.uiuc.edu/~imer/phdsmallfont.pdf
  • YQ Wang, H. Ye i GZ Wang. Wykrywanie usterek NCS na podstawie rozkładu własnego, oceny adaptacyjnej i progu adaptacyjnego. Międzynarodowy Dziennik Kontroli , obj. 80, nie. 12, s. 1903–1911, 2007.
  • M. Mesbahi i M. Egerstedt. Graficzne metody teoretyczne w sieciach wieloagentowych, Princeton University Press, 2010. ISBN  978-1-4008-3535-5 . https://sites.google.com/site/mesbahiegerstedt/home
  • Martins, Karolina Północna; Dahleh, MA; Elia, N. (2006). „Stabilizacja sprzężenia zwrotnego niepewnych systemów w obecności bezpośredniego linku”. Transakcje IEEE dotyczące automatycznej kontroli . 51 (3): 438–447. doi : 10.1109/tac.2006.871940 . S2CID  620399 .
  • Mahajan, A.; Martins, Karolina Północna; Rotkowitz, MC; Yuksel, S. „Struktury informacyjne w optymalnej zdecentralizowanej kontroli”. Materiały Konferencji IEEE w sprawie Decyzji i Kontroli . 2012 : 1291-1306.
  • Dong, J.; Kim, J. (2012). „Metoda sprzężenia zwrotnego opartego na łańcuchu Markowa do stabilizacji sieciowych systemów sterowania z losowymi opóźnieniami czasowymi i stratami pakietów”. Międzynarodowy Dziennik Sterowania, Automatyki i Systemów . 10 (5): 1013–1022. doi : 10.1007/s12555-012-0519-x . S2CID  16994214 .

Zewnętrzne linki