Controle adaptativo multi-rate para eficiência energética em sistemas de controle via redes sem fio
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Data
2016-09-09
Autores
Mansano, Raul Katayama [UNESP]
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Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Resumo
Com os recentes avanços das tecnologias sem fio e a proliferação de sensores sem fio, há um crescente interesse na implementação de Sistemas Controle via Redes Sem Fio (WNCSs), que fornecem vantagens em relação às arquiteturas tradicionais ponto-a-ponto e às arquiteturas de redes cabeadas. Apesar das vantagens, a inserção de redes industriais na malha de controle impõe não-linearidades e restrições que afetam o desempenho e a estabilidade do WNCS. Além disto, uma questão fundamental para aplicações de WNCS é a vida útil da bateria de alimentação dos sensores sem fio, uma vez que é uma fonte limitada de energia. Como a transmissão da informação na rede sem fio requer um alto gasto energético pelo dispositivo, deve-se restringir a quantidade de comunicações para poupar bateria. Esta restrição inviabiliza o uso de sensores sem fio em diversas aplicações de WNCS. Neste contexto, este trabalho apresenta o desenvolvimento de um controlador adaptativo multi-rate para eficiência energética em aplicações industriais de WNCSs, através da diminuição da frequência de transmissão de dados na rede e, portanto, redução do consumo energético dos dispositivos sem fio. Um controlador adaptativo auto-ajustável foi implementado para identificar o modelo do WNCS, simular tal modelo e sintonizar os parâmetros do controlador a cada passo de controle, fornecendo robustez contra distúrbios e não-linearidades inerentes ao WNCS. O diferencial do controlador adaptativo é a incorporação das técnicas de identificação por pacote e de controle multi-rate. A técnica de identificação por pacote consiste em transmitir mensagens com vários dados (não somente o mais atual) coletados durante o período de amostragem do sensor sem fio, melhorando a identificação do modelo do WNCS e, consequentemente, o desempenho do controlador adaptativo. A técnica de controle multi-rate consiste em usar dados virtuais de realimentação, provenientes do modelo simulado do WNCS, para possibilitar uma atuação sobre o processo a uma frequência mais rápida que a amostragem dos sensores sem fio, permitindo a redução das transmissões sem fio do WNCS. Resultados experimentais mostram que o controlador adaptativo multi-rate é robusto e efetivo para aplicações de WNCS, permitindo poupar energia das baterias dos sensores sem fio sem prejudicar significativamente o desempenho de controle do WNCS. As análises do impacto do período de amostragem e do parâmetro Γ do controlador permitiram a obtenção de valores ótimos para a melhoria da eficiência energética do WNCS.
Recent advances in wireless technologies and the proliferation of wireless sensors led to an increasing interest in the implementation of Wireless Networked Control Systems (WNCS), which provide advantages over traditional peer-to-peer and cabled networks architectures. Despite these advantages, inserting a communication network in the control loop impose nonlinearities and constraints which affect stability and performance of the system. Furthermore, a major issue in wireless applications is the lifetime of the sensors batteries, which are a limited source of power. As transmitting data over the network requires high-energy expenditure, it is imperative to reduce the number of communications, in order to save battery. This constraint makes it unfeasible to use wireless sensors in most WNCS applications. In this context, this work aims to develop a multi-rate adaptive controller to enhance energy efficiency in industrial WNCS applications, by reducing frequency of data transmission over the network, thus reducing power expenditure of the wireless devices. A self-tuning adaptive controller is implemented, which can identify the WNCS model, simulate such model and tune the controller parameters at each control step, then providing robustness to disturbance and inherent nonlinearities of the WNCS. The adaptive controller is augmented with a multi-rate control technique and packet-based identification. The packet-based identification consists in transmitting messages with a pack of data (instead of only transmitting the most recent one) sampled during the inter-samples period, thus improving identification of the WNCS model and, consequently, improving control performance. The multi-rate control technique consists in using virtual feedback data, provided by the simulated model of the WNCS, then enabling actuation faster than wireless sampling, allowing the reduction of wireless transmissions in the WNCS. Experimental results show that the implemented multi-rate adaptive controller is robust and effective to WNCS and improve battery lifetime without decreasing control performance of the WNCS significantly. By investigating the impacts of sampling period and of controller parameter Γ determined optimized values to improve energy efficiency of the WNCS.
Recent advances in wireless technologies and the proliferation of wireless sensors led to an increasing interest in the implementation of Wireless Networked Control Systems (WNCS), which provide advantages over traditional peer-to-peer and cabled networks architectures. Despite these advantages, inserting a communication network in the control loop impose nonlinearities and constraints which affect stability and performance of the system. Furthermore, a major issue in wireless applications is the lifetime of the sensors batteries, which are a limited source of power. As transmitting data over the network requires high-energy expenditure, it is imperative to reduce the number of communications, in order to save battery. This constraint makes it unfeasible to use wireless sensors in most WNCS applications. In this context, this work aims to develop a multi-rate adaptive controller to enhance energy efficiency in industrial WNCS applications, by reducing frequency of data transmission over the network, thus reducing power expenditure of the wireless devices. A self-tuning adaptive controller is implemented, which can identify the WNCS model, simulate such model and tune the controller parameters at each control step, then providing robustness to disturbance and inherent nonlinearities of the WNCS. The adaptive controller is augmented with a multi-rate control technique and packet-based identification. The packet-based identification consists in transmitting messages with a pack of data (instead of only transmitting the most recent one) sampled during the inter-samples period, thus improving identification of the WNCS model and, consequently, improving control performance. The multi-rate control technique consists in using virtual feedback data, provided by the simulated model of the WNCS, then enabling actuation faster than wireless sampling, allowing the reduction of wireless transmissions in the WNCS. Experimental results show that the implemented multi-rate adaptive controller is robust and effective to WNCS and improve battery lifetime without decreasing control performance of the WNCS significantly. By investigating the impacts of sampling period and of controller parameter Γ determined optimized values to improve energy efficiency of the WNCS.
Descrição
Palavras-chave
Sistemas de controle via redes sem fio, Eficiência energética, Controle adaptativo auto-ajustável, Controle multi-rate, Wireless networked control systems, Energy efficiency, Self-tuning adaptive control, Multi-rate control