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Type: Tese de Doutorado
Title: Projeto e análise de estabilidade de sistemas reais de controle via redes
Authors: Ana Paula Batista
First Advisor: Fabio Goncalves Jota
First Referee: Alexandre Trofino Neto
Second Referee: Valter Junior de Souza Leite
Third Referee: Marcio Fantini Miranda
metadata.dc.contributor.referee4: Fernando de Oliveira Souza
metadata.dc.contributor.referee5: Maria Auxiliadora Muanis Persechini
Abstract: Em um sistema de controle com a malha fechada via uma rede de comunicação de dados mais conhecido pela sigla NCS (acrônimo de Networked Control System) atrasos são introduzidos na transmissão de mensagens e consequentemente na execução dos sinais de controle. Os atrasos em NCSs sob redes de acesso aleatório, como a Internet, são fortemente dependentes das condições de tráfego na rede e apresentam parâmetros estatísticos variantes no tempo, por exemplo, tempo médio e variância. Análises de atrasos medidos em NCSs reais, implementados sob a Internet, revelam que uma única distribuição de probabilidade não é capaz de representar o comportamento que apresentam. A ocorrência de atrasos variantes provoca variações paramétricas e incertezas na representação da dinâmica da malha, o que aumenta a complexidade de análise e síntese dos controladores, bem como a dificuldade de simular as condições reais através de algoritmos computacionais. As ferramentas de análise e simulação em geral apresentam limitações quanto à incorporação dos fenômenos reais presentes em NCSs. Ademais, podem levar a condições de síntese extremamente conservadoras, no sentido de comprometer o desempenho para garantia da estabilidade em qualquer condição supostamente factível considerando os limites de atrasos estabelecidos. Nesta Tese de Doutorado, o efeito da variação da distribuição dos atrasos e as regiões mais prováveis de estabilidade em sistemas de controle em redes, sujeitos a atrasos variantes, são analisados. Foram avaliadas ferramentas de análise e síntese disponíveis na literatura e, devido a algumas limitações encontradas para implementação prática no estudo de caso real, uma nova metodologia de análise é proposta. A metodologia, baseada no método de Monte Carlo e análise de resposta temporal, fornece condições para análise dos efeitos das variações dos atrasos e índices (que podem ser utilizados como parâmetros na síntese dos controladores) como, por exemplo, os limites máximos de atrasos variantes suportados pelo NCS sujeito a determinadas distribuições de atrasos. A metodologia proposta, quando comparada a outras encontradas na literatura (tal como, por exemplo, um método baseado em modelo sobreaproximado e abordagem politópica com limitante em norma), apresenta resultados de simulação que evidenciam limites de estabilidade com menor grau de conservadorismo. A metodologia de análise proposta foi também aplicada em plantas físicas reais. Foram implementados NCSs reais em três plantas físicas distintas com constantes de tempo que variam de milisegundos a horas, incluindo processos com restrições que exigem soluções de controle diferenciadas. Diferentes estratégias de controle foram propostas, implementadas e avaliadas. O estudo revelou que o uso de Preditores de Smith Adaptativos para compensação dos efeitos dos atrasos traz melhorias significativas no desempenho da malha fechada, mas requer que as mensagens da rede possuam estampas de tempo para que os valores efetivos dos atrasos possam ser determinados. O estudo também mostra que a Estratégia de Compensação Explícita do Sinal de Controle é bastante atraente para implementação de NCS em sistemas em que as mensagens não possuem estampas de tempo. Um dos estudos de caso analisados foi o de um equipamento de refrigeração comercial de pequeno porte em que, com a estratégia de controle proposta e implementada via rede denominada de Controle Modulado com Restrição, foi possível alcançar ganhos energéticos expressivos (da ordem de 34%) e também uma redução significativa nas oscilações de temperatura interna. Os diversos resultados experimentais apresentados (centenas de horas de ensaios e um número superior a um milhão de amostras de dados coletadas em NCSs reais) reforçam a tese de que é necessário considerar de alguma forma as estatísticas dos atrasos para análise de sistemas de controle em rede. Este estudo alerta para a necessidade de realizar mais investigações sobre as representações das estatísticas dos atrasos e seus efeitos sobre o projeto do sistema de controle em rede real.
Abstract: In a control system with a loop closed via a data communication network, better known by the acronym NCS (which stands for Networked Control System), delays are introduced in the transmissions of messages and consequently in the execution of the control signals. The delays in NCSs, closed over random access networks, as the Internet, are highly dependent on the network traffic conditions and present time-varying statistical parameters, e.g., average time and variance. Analyses of actual delays measured in real NCSs, implemented over the Internet, reveal that a single probability distribution is not able to represent the observed behavior. The occurrence of variable delays causes parametric variations and uncertainties in the representation of the dynamics of the loop, which increase the complexity of the analysis and synthesis of the controllers, as well as the difficulty of simulating the real conditions by means of computational algorithms. The analysis and simulation tools, in general, have limitations on the incorporation of real phenomena present in the NCS. In addition, they can lead to extremely conservative synthesis conditions, to the point of jeopardizing the performance for ensuring stability guarantee in any supposedly feasible condition given the established limits of delays. In this PhD Dissertation, the effects of the delays distribution and the most likely regions of stability in NCSs, subject to variable delays are analyzed. Some synthesis and analysis tools available in the literature have been evaluated and, due to some limitations for practical implementation to a real case, a new analysis methodology is proposed. Based on the Monte Carlo method and on the analysis of time response, it provides conditions for analysis of the effects of the variable delays and the indices (which can be used as parameters in the controller synthesis), e.g., the maximum variable delay supported by the NCS with certain delay distributions. This methodology, when compared to counterparts found in the literature (such as, for example, the over-approximation method based on polytopic and norm limited approaches), presents results with lesser degrees of conservatism. The proposed method has also been applied for analysis of physical plants. NCSs were implemented in three distinct physical plants with time constants ranging from milliseconds to hours, including processes with restrictions that require more elaborated control solutions. Different control strategies have been proposed, implemented and evaluated. This study revealed that the use of Adaptive Smith Predictors to compensate for the effects of delays brings significant performance improvements, but requires that the network messages have timestamps so that the effective values of the delays can be determined. The study also showed that the strategy referred to as Explicit Compensation of the Control Signal is very attractive for implementation of NCSs in systems where the messages do not have timestamps. A commercial refrigeration equipment has been one of the case studied, in which, by using the proposed control strategy, implemented over the CAN-Internet network, called Modulated Control with Restriction, it has been possible to achieve significant energy savings (around 34%) and also a significant reduction in internal temperature fluctuations. The many experimental results presented (hundreds of execution hours and more than one million of data samples collected in real NCS) confirm the thesis that it is necessary to consider the delay statistics for the analysis of networked control systems. This study emphasizes the need for more research on the representations of the statistics of the delay and its effect on the design of real networked control systems.
Subject: Método de Monte Carlo
Engenharia elétrica
language: Português
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/BUBD-9HCGA4
Issue Date: 19-Feb-2014
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