Stability and implementation of model based predictive networked control system

Abstract

Veri kaybı ve rastgele gecikmelerin bulunduğu bir haberleşme ağı üzerinden, dağıtık bir sistem ile kontrol uygulayan dijital kontrol sistemlerine ağ bağlantılı kontrol sistemleri denir. Tipik bir ağ bağlantılı kontrol sistemi farklı bilgisayarlara yerleştirilmiş ve ağ üzerinden haberleşen algılayıcı, kontrol ve eyleyici düğümünden oluşur. Tipik bir ağ bağlantılı kontrol sistemi, veri kaybı ve rastgele gecikmeleri verileri tekrar gönderme yaparak düzeltmeye çalışır. Ama tekrar gönderim, sistemdeki gecikmeyi artırır ve bu sistemin kararlığını tehlikeye attığı için kontrol uygulamaları için elverişli değildir.Bu araştırmada Modele Dayalı Öngörülü Ağ Baglantılı Kontrol Sistemi (MODOAKOS) adı altında bir ağ bağlantılı kontrol sisteminin bir gözleyici ile çalışabileceği ve açık döngüde kararsız bir sistemde kararlı olduğu gösterilmiştir. MODOAKOS sistemdeki veri kaybı ve rastgele gecikmeleri, tesisin modelini kullanarak hesapladığı tahmini tesis durumları sayesinde telafi eder. MODOAKOS veri tekrar gönderimi yapmaz ve verinin zamanında düğümlere ulaşmasını beklemez çünkü bu çözüm endüstride kullanılan her haberleşme ağı için elverişli olmaz. Bunun yerine MODOAKOS veri kaybı ve rastgele gecikmenin olabileceği her haberleşme ağı üzerinden çalışabilen bir çözüm sunar ve bunu akıllı öngörü algoritması sayesinde başarır.Bu tezde öncelikle MODOAKOS tanımlanmıştır ve teorik bir kararlılık kriteri sunulmuştur. Bu sunuştan sonra MODOAKOS farklı tesisler kullanılarak uygulanmıştır. İlk olarak bir gözleyici kullanılarak DC motor üzerinden hız kontrolü yapılmıştır ve gözleyici kullanıldığı zaman sistemin verimliliği test edilmiştir. Ardından, MODOAKOS bir ters sarkaç tesisi üzerinde uygulanmıştır ve sistemin verimliliği açık döngüde kararsız bir tesis ile test edilmiştir. Son olarak iki ayrı MODOAKOS sistemi aynı ağ bağlantısı üzerinde uygulanmıştır ve sistemin endüstriyel uygulamalardaki elverişliliği test edilmiştir. Yapılan deneyler sonucu sistemimizin diğer basit öngörüsüz ağ bağlantılı kontrol sistemlerine oranla daha yüksek bir performans ve kararlılıkla çalıştığı görülmüştür.

Digital control systems that have computer nodes which communicate over a data loss and random delay prone common network are called Networked Control System (NCS). In a typical NCS, the sensor, controller and the actuator nodes reside in different computers and communicate with each other over a network. Random delays and data loss of the communication network can endanger the stability of the NCS and retransmission of data is not feasible in control applications since it adds delay to the system.The aim of this thesis is to verify that the distributed NCS method called Model Based Predictive Networked Control System (MBPNCS) can be implemented using an observer and that it can control an open loop unstable plant. MBPNCS compensates for missed and late data by implementing an intelligent predictive control scheme based on a model of the plant. MBPNCS does not use retransmission and does not guarantee timely delivery of data packets to each computer node since this solution is not feasible on every control application and every communication medium. Instead, MBPNCS offers a control solution that can work under random network delay and data loss by the use of a predictive architecture that predicts plant state estimates and respective control signals from actual plant states.In this thesis, MBPNCS is described along with an introduction to a theoretical stability criterion. This is followed by an implementation of MBPNCS with two different plants. First, MBPNCS is implemented with an observer based DC motor plant to demonstrate the system?s efficiency with an observer. Next, MBPNCS is implemented with an inverted pendulum to demonstrate the system?s efficiency with an open loop unstable plant. Finally, two separate MBPNCS?s are implemented over a common network to demonstrate the systems efficiency and feasibility in industrial applications. The results show that considerable improvement over performance is achieved with respect to an event based networked control system.