Stabilité et performance des systèmes distribués de contrôle-commande, Stability and performance of distributed computer control systems

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Sous la direction de Françoise Simonot-Lion
Thèse soutenue le 10 mars 2011: Université nationale de Rosario - Argentine, INPL
L’objectif principal de cette thèse est l’étude de propriétés dynamiques et de méthodes de conception et synthèse des algorithmes de contrôle-commande des systèmes dans le cas où les fonctions de mesures, actionnements et contrôles sont distribuées sur des organes de calcul pouvant être partagés avec d’autres applications et connectés sur un réseau de communication numérique. En conséquence, les boucles de contrôle sont en compétition avec d’autres applications pour accéder aux ressources de calcul et de communication de capacité limitée et gérées par des politiques spécifiques. Ceci provoque l’apparition de délais et de perte d’informations transmises entre les différents nœuds qui peuvent dégrader les performances des systèmes et conduire à leur instabilité.Dans une première partie de la thèse, nous avons étudié l’analyse des performances de certains systèmes ainsi que la conception de contrôleurs robustes en fonction de la qualité de service fournie par le réseau. Cette étude a permis de spécifier les règles de conception de contrôleurs.Dans la deuxième partie, nous avons présenté une approche de conception conjointe intégrant les résultats obtenus dans les deux domaines: la synthèse et la conception des algorithmes de contrôle et l’ordonnancement de tâches temps réel qui partagent des ressources limitées. La technique proposée repose sur le changement de la période d’activation de l’algorithme de contrôle, et en conséquence le modèle du système devient un modèle échantillonné à taux variable. Les résultats proposés, en considérant l’algèbre de Lie des matrices d’évolution, permettent de calculer des contrôleurs adaptifs aux périodes qui stabilisent tous le système
-Contrôle-commande de systèmes
-Contrôle sur des réseaux
-Conception conjointe
-Stabilité des systèmes discrets à commutation
-Algèbre de Lie
-Ordonnancement de tâches
The main contributions of this thesis are related to the analysis, synthesis and design of control systems sharing communication and computational resources. The research focuses on control systems where the feedback loops are closed over communication networks which transmit the information provided to its nodes by sensors, actuators and controllers. The shared resource in this scenario is the network. Some of the results are valid when the resource is a processor locally placed respect to several controller executing their algorithms on it. In any of the preceding scenarios, the control loops must contend for the shared resource. The limited capacity of the resource can cause delays and packet losses when information is transmitted. These effects can degrade the control system performance and even destabilize it.The first part of this thesis contributes to the performance analysis of specific classes of systems and to the design of robust controllers for network characteristics modeled by Quality of Service parameters. A series of methods to assist the control systems engineer are provided.In the second part, a contribution to the CoDesign approach is made via the integration of control system synthesis and design techniques with rules allowing to define the communication policy to manage real-time tasks sharing a limited resource. Putting in correspondence a scheduling of instances of the controller tasks with their sampling periods, the proposed policy results in discrete-time varying systems. The stabilization problem of these systems is solved with methods based on the solvability of Lie-algebras. Specifically, the proposed methodology provides adaptive controllers
-Control Systems
-Networked Control Systems
-Co-design
-Stability of Discrete Time Switched Systems
-Lie’s Algebra
-Tasks scheduling
Source: http://www.theses.fr/2011INPL013N/document
Publicado el : sábado, 29 de octubre de 2011
Lectura(s) : 52
Número de páginas: 315
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Département de formation doctorale en informatique
 
 
Ecole doctorale IAEM Lorraine
Institut National  
Polytechnique de Lorraine
 
Stabilité et performance des systèmes
distribués de contrôle-commande


THESE
 
présentée et soutenue publiquement le 10 mars 2011

pour l'obtention du

Doctorat de l'Institut National Polytechnique de Lorraine

(spécialité informatique)

par

Flavia FELICIONI
 


Composition du jury
Rapporteurs : GOMEZ-ESTERN AGUILAR Fabio
ZANINI Anibal
KOFMAN Ernesto

Examinateurs : SIMON Daniel
SIMONOT-LION Françoise

Membrés invités : SANCHEZ PEÑA Ricardo
JUNCO Sergio


Laboratoire Lorrain de Recherche en Informatique et ses Applications | UMR 7503





  


Certifico que el trabajo incluido en esta tesis es el resultado de tareas de
investigación originales y que ha sido presentado para optar a un título de
“Doctor en Ingeniería” de la Universidad Nacional de Rosario y “Docteur” de l'
Institut National Polytechnique de Lorraine de Nancy, Francia, en un todo de
acuerdo con el acuerdo de Co-Tutorado celebrado entre la Universidad
Nacional de Rosario y el Institut National Polytechnique de Lorraine Francia,
aprobado por la Resolución N° 3011/2006 de esta Universidad. Además,
certifico que no ha sido presentado para optar a un título de postgrado en
ninguna otra universidad o Institución.




Flavia Eleonora Felicioni




























 RESUMEN

Esta tesis tiene por objetivo principal contribuir al estudio de propiedades dinámicas y al
desarrollo de métodos de diseño y síntesis de algoritmos de control de sistemas cuyos sensores,
actuadores y controladores se encuentran distribuidos en nodos de una red de comunicación
digital y cuyos algoritmos de control se ejecutan en dispositivos de cálculo no dedicados.
Con el uso de esta tecnología, los lazos de control deben competir por los recursos de cálculo y
comunicación, los que al ser de capacidad limitada provocan la aparición de retardos y/o pérdida
de paquetes de la información transmitida entre distintos nodos. Estos problemas pueden
degradar sensiblemente los índices de performance del sistema e incluso desestabilizarlo.
Para evitar estas consecuencias se propone trabajar conjuntamente en los dos dominios teóricos
principales: la Teoría de Control, en el nivel funcional más abstracto de su tratamiento, y la
Informática Aplicada en el nivel relacionado con su implementación tecnológica.

En una primera parte se realizan aportes al análisis de la performance de ciertas clases de
sistemas y al diseño robusto de los controladores cuando las características de la red son
modeladas con parámetros de calidad de servicio, considerándola como un elemento pasivo. Este
enfoque se enmarca dentro de la línea clasificada en la literatura como “Control sobre Redes”.
Como resultado de la aplicación de este enfoque se formula una serie de reglas para asistir a los
ingenieros especialistas en las etapas de diseño de los controladores.

En una segunda parte se hace una contribución a la línea denominada de “Co-Diseño” vía la
articulación de resultados obtenidos en ambos dominios en el área de síntesis y diseño de
algoritmos de control y en el área de administración de las tareas de tiempo real que comparten
recursos limitados. La técnica propuesta resulta en el cambio forzado del período del algoritmo
de control, lo que da lugar a un modelo discreto del sistema variante en el tiempo. Tratando este
tipo de modelos como sistemas conmutados, se resuelve el problema de su estabilización con
métodos asociados a las álgebras de Lie de sus matrices de evolución. Específicamente, los
resultados obtenidos permiten calcular familias adaptables de controladores estabilizantes.  RESUME

L’objectif principal de cette thèse est l’étude de propriétés dynamiques et de méthodes de
conception et synthèse des algorithmes de contrôle-commande des systèmes dans le cas où les
fonctions de mesures, actionnements, et contrôles sont distribuées sur des organes de calcul
pouvant être partagés avec d’autres applications et connectés sur un réseau de communication
numérique. En conséquence, les boucles de contrôle sont en compétition avec d’autres
applications pour accéder aux ressources de calcul et de communication de capacité limitée et
gérées par des politiques (ordonnanceurs locaux, protocoles) spécifiques. Ceci provoque
l’apparition de délais et de perte d’informations transmises entre les différents nœuds qui peuvent
dégrader les performances du système et, le cas échéant, conduire à leur instabilité.
Nous avons proposé d’attaquer ce problème en étudiant les systèmes conjointement selon deux
points de vue : la théorie du contrôle, sur le plan fonctionnel et l’ordonnancement, sur le plan du
déploiement sur une plate-forme d’exécution distribuée.
Dans une première partie de la thèse, nous avons considéré que le réseau était un élément passif
non contrôlé et nous avons étudié l’analyse des performances de certains systèmes ainsi que la
conception de contrôleurs robustes en fonction de la qualité de service fournie par le réseau. Cette
étude a permis de spécifier les règles de conception de contrôleurs.
Dans la deuxième partie de la thèse, les principales contributions du travail sont présentés, à
savoir une approche de conception conjointe intégrant les résultats obtenus dans les deux
domaines : la synthèse et la conception des algorithmes de contrôle, d’une part et
l’ordonnancement et la gestion de tâches temps réel qui partagent des ressources limitées. La
technique proposée repose sur le changement de la période d’activation de l’algorithme de
contrôle, et en conséquence le modèle du système devient un modèle échantillonné à taux
variable. Ce modèle devient un système discret à commutation, et nous avons résolu le problème
de stabilité en considérant l’algèbre de Lie des matrices d’évolution. Spécifiquement, les résultats
proposés permettent de calculer des familles de contrôleurs adaptifs aux périodes
d’échantillonnage induites par la qualité de service courante du réseau et qui stabilisent tous le
système.  ABSTRACT
The main contributions of this thesis are related to the analysis, synthesis and design of control
systems sharing communication and computational resources. The research focuses mainly on
networked control systems or NCS, i.e., control systems where the feedback loops are closed
over digital communication networks which transmit the information provided to its nodes by
sensors, actuators and controllers. The shared resource in this spatially distributed scenario is the
communication network. Nevertheless, some of the results are also valid when the shared resource
is a processor locally placed respect to several controller executing their algorithms on it.
In any of the preceding scenarios, the control loops must contend for the shared computation
and communication resources. The limited capacity of these resources can cause delays and
packet losses when information is transmitted among the network nodes. These effects can
significantly degrade the control system performance and even destabilize it. Precisely these
issues define the subject of this thesis which consists in providing techniques to analyze these
problems and design methods assuring stability and improving performance of the closed-loop
systems. A twofold approach is followed along the thesis. At the abstract level the problems are
analyzed and solved with a control-theoretical methodology, while at the practical
implementation level real-time computer-science tools are invoked. This results in the so-called
“CoDesign” approach when the control system designer has the freedom to specify not only the
controller, but also some features of the shared resource (network/processor) in correspondence
with the controller, as both approaches are linked in this practice.
The first part of this thesis contributes to the performance analysis of specific classes of systems
and to the design of robust controllers for fixed network characteristics modeled by Quality of
Service (QoS) parameters. Here, the network is considered a passive resource providing
constraints expressed in terms of QoS. These contributions correspond to the approach usually
called “control over networks”. A series of methods to assist the control systems engineer at the
controller design stage are provided.
In the second part of this thesis a relevant contribution to the Co-Design methodology is made
via the integration of control system synthesis and design techniques with rules allowing to
define the communication policy to manage real-time tasks sharing a limited resource. Putting in correspondance a dynamical scheduling of instances of the controller tasks with their
sampling periods, the proposed methodology results in discrete-time varying systems. Modeling
them as families of discrete-time switched systems, the stabilization problem is solved with novel
methods based on the solvability of Lie-algebras generated by the set of the evolution matrices
defining each family. In terms of the standard control system classification, the proposed
methodology provides stabilizing adaptive controller families.

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