Design and analysis of time-delay compensators for linear stochastic networked control systems

Abstract

Sistemas de Controle via Rede, caracterizados por ter seus componentes distribuídos espacialmente e conectados por meio de redes de comunicação, são capazes de fornecer maior interoperabilidade entre componentes produzidos por diferentes fornecedores e de lidar com a crescente demanda por maior desempenho computacional em sistemas de controle. Por outro lado, o uso de unidades de processamento com arquiteturas de computadores modernas e redes com meios de comunicação compartilhados pode introduzir intervalos de amostragem e atrasos temporais variáveis, muitas vezes aleatórios. A natureza estocástica dos atrasos temporais e dos intervalos de amostragem em Sistemas de Controle via Rede cria vários desafios no que diz respeito ao projeto e análise de controladores, frequentemente exigindo projetos conservadores e introduzindo limitações de desempenho. Este trabalho propõe um procedimento de modelagem e um esquema de compensação de atraso temporal baseado no Preditor de Smith Filtrado capaz de capturar o comportamento estocástico de Sistemas de Controle via Rede Lineares e lidar com os efeitos indesejados dos atrasos temporais estocásticos. O processo de modelagem é baseado em uma abordagem de dados amostrados, permitindo a avaliação da evolução temporal de um sistema de controle linear com períodos de amostragem e atrasos temporais estocásticos, levando em conta o caso em que os atrasos temporais não são múltiplos dos períodos de amostragem. O procedimento de projeto apresentado para o compensador de atraso temporal consiste em uma extensão do Preditor de Smith Filtrado por meio de uma formulação no espaço de estados, na qual o modelo do preditor é projetado considerando a natureza estocástica da planta e seus atrasos temporais associados. A abordagem proposta é avaliada em múltiplos cenários de simulação que atestam as melhorias de desempenho resultantes do uso do compensador de atraso temporal estocástico, demonstrando a eficácia da abordagem proposta quando se trata de atenuar os efeitos indesejados dos atrasos temporais estocásticos em Sistemas de Controle via Rede.

Abstract: Networked Control Systems, characterized by having its components spatially distributed and connected through communication networks, are known to provide greater interoperability between components produced by different suppliers and the capacity to handle the increasing demand for greater computational performance in control systems. On the other hand, the employment of processing units with modern processor architectures and communication networks with shared communication media may introduce variable, possibly random, sampling intervals and time-delays. The stochastic nature of time-delays and sampling intervals in Networked Control Systems create several challenges regarding controller design and analysis, often requiring conservative designs and leading to performance limitations. This work proposes a modeling procedure and time-delay compensation scheme based on the Filtered Smith Predictor that can capture the stochastic behavior of Linear Networked Control Systems and handle the undesired effects of stochastic time-delays. The modeling process is based on a sampled-data approach, allowing for the evaluation of the temporal evolution of a linear control system considering the effects of stochastic sampling periods and time-delays, considering the case in which time-delays are not multiples of sampling periods. The presented design procedure for the time-delay compensator consists in an extension of the Filtered Smith Predictor through a state-space formulation in which the prediction model is designed considering the stochastic nature of the plant and its associated time-delays. The proposed approach is evaluated on multiple simulation scenarios that attest the performance improvements incurred by the usage of the stochastic time-delay compensator, demonstrating the effectiveness of the proposed approach when it comes to attenuating the undesired effects of stochastic time-delays in Networked Control Systems.