Fault Tolerant Control Schemes for Wireless Networked Control Systems with an Integrated Scheduler

Xu, Dongmei

In recent years, the wireless networked control systems (W-NCSs) has gained increasing popularity in industrial processes. To guarantee the system control performance, fault tolerant control (FTC) strategies have been proposed especially to deal with the malfunction in sensors, actuators or other system components. For the real-time requirement in industrial systems, the FTC performances of W-NCSs not only depend on the developed control algorithms but also on the network protocols at the medium access control (MAC) layer. These protocols, in form of schedulers, determine the transmission orders of messages and play significant roles in the control performances of W-NCSs. Under these circumstances, it is challenging but promising to investigate FTC schemes for W-NCSs with an integrated scheduler. This thesis is devoted to the development of FTC strategies for W-NCSs with an integrated scheduler. In the first part of this thesis, the procedures of integrating a scheduler into W-NCSs are introduced. Due to the requirement for deterministic transmission behaviors via the wireless network, the time division multiple access (TDMA) mechanism is adopted in W-NCSs. The TDMA-based scheduler is taken as a dynamic system and formulated into a periodic system. After that, with the integration of the scheduler, the W-NCSs are modeled as discrete linear time periodic (LTP) systems. The second part of this thesis focuses on the developments of FTC schemes for the integrated LTP systems. Two types of faults, i.e., additive faults (AFs) and multiplicative faults (MFs), are considered in our work. Specifically, a group of fault tolerant controllers are constructed for the AFs case, and seek to ensure that the outputs of LTP systems satisfy a set of H_infty performance indices. On the other hand, a lifting technology and an adaptive observer are applied to handle the situation of MFs. Due to the distribution of W-NCSs and the limitation of communication bandwidth, theorems are presented to solve the structure-restriction problem in the gains of observers and controllers. Finally, the derived FTC approaches are verified on an advanced experimental WiNC (wireless networked control) platform. Following the structure-restricted gains, the FTC strategies are realized with shared and unshared information (i.e., residual signals and state estimates), respectively. The results indicate that the system with shared information has achieved better FTC performances.

In den letzten Jahren, haben die drahtlos vernetzten Steuerungssystemen (W-NCSs) sich zunehmender Beliebtheit in industriellen Prozessen gewonnen. Um die Systemsteuerleistung zu gewährleisten, sind die fehlertoleranten Regelung (FTC) Strategien vorgeschlagen worden, um vor allem mit der Fehlfunktion in Sensoren, Aktoren oder andere Systemkomponenten umzugehen. Für die Echtzeitanforderung in industriellen Systemen, hängen die FTC-Leistungen der W-NCSs nicht nur von den entwickelten Regleralgorithmen sondern auch von den Netzwerkprotokollen auf dem Medium Access Control (MAC)-Layer ab. Diese Protokolle, in Form von Schedulers, bestimmen die Reihenfolge der Übertragung der Nachrichten und spielen eine bedeutende Rolle in den Steuerleistungen von W-NCSs. Unter diesen Umständen ist es herausfordernd aber vielversprechend um FTC Regelungen für W-NCSs mit einem integrierten Scheduler zu untersuchen. Diese Arbeit widmet sich auf die Entwicklung von FTC Strategien für W-NCSs mit einem integrierten Scheduler. Im ersten Teil der Arbeit werden die Verfahren der Integration einen Scheduler in W-NCSs eingeführt. Aufgrund der Anforderung deterministisches Übertragungsverhalten über das drahtlose Netzwerk zu gewährleisten, wird der Time-Division-Multiple-Access (TDMA) Mechanismus gewählt. Der TDMA-basierte Scheduler ist als ein dynamisches System betrachtet und als ein Periodisches system formuliert. Danach, mit der Integration des Schedulers, werden die W-NCSs als diskrete Linear Time Periodic (LTP)-Systeme modelliert. Der zweite Teil der Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung der FTC Regelungen für die integrierten LTP-Systeme. Zwei Arten von Fehlern, d.h., additive Fehlern (AFs) und multiplikativen Fehlern (MFs), sind in unserer Arbeit berücksichtigt. Für LTP-Systeme mit AFs wird ein Satz von fehlertoleranten Reglern entworfen, dass die Ausganggröße eine Reihe von H_infty-Leistungsindizes erfüllen werden. Auf der anderen Seite, werden ein Hebetechnik und eine adaptive Beobachter angewendet, um den Fall von MFs zu behandeln. Aufgrund der Verbreitung der W-NCSs und gleichzeitiger Begrenzung der Kommunikationsbandbreite werden Theoreme vorgestellt, um das Problem der Strukturbeschränkung in den Beobachter- bzw. Reglermatrizen zu lösen. Abschließend werden die hergeleiteten FTC-Ansätze auf einem fortgeschrittenen WiNC (drahtlos vernetzten Regelung) Plattform überprüft. Nach den Beobachter- bzw. Reglermatrizen sind die FTC-strategien mit vollständig geteilter oder nicht geteilter Informationen (d.h., Residuum Signale und Schätzungen der Zustandsgrößen) realisiert worden. Die Ergebnisse zeigen, dass das System mit vollständig geteilten Informationen bessere FTC-Leistungen erzielt hat.

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Xu, Dongmei: Fault Tolerant Control Schemes for Wireless Networked Control Systems with an Integrated Scheduler. 2014.

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