[論文レビュー] Decentralized event-triggered control over wireless sensor/actuator networks

Manuel Mazo, Paulo Tabuada|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2010

Network Time Synchronization Technologies参考文献 4被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、集中型非線形コントローラーを中央集権的な調整なしに実装可能にする、無線センサ/アクチュエータネットワーク（WSANs）における分散型イベントトリガー制御戦略を提案する。局所的な状態測定値と局所誤差推定に基づく適応型トリガー規則を用いることで、通信量とエネルギー消費を削減しつつ漸近安定性を維持し、リソース制限のあるノードにおける計算オーバーヘッドを最小限に抑えながら、集中型制御に近い性能を達成する。

ABSTRACT

In recent years we have witnessed a move of the major industrial automation providers into the wireless domain. While most of these companies already offer wireless products for measurement and monitoring purposes, the ultimate goal is to be able to close feedback loops over wireless networks interconnecting sensors, computation devices, and actuators. In this paper we present a decentralized event-triggered implementation, over sensor/actuator networks, of centralized nonlinear controllers. Event-triggered control has been recently proposed as an alternative to the more traditional periodic execution of control tasks. In a typical event-triggered implementation, the control signals are kept constant until the violation of a condition on the state of the plant triggers the re-computation of the control signals. The possibility of reducing the number of re-computations, and thus of transmissions, while guaranteeing desired levels of performance makes event-triggered control very appealing in the context of sensor/actuator networks. In these systems the communication network is a shared resource and event-triggered implementations of control laws offer a flexible way to reduce network utilization. Moreover reducing the number of times that a feedback control law is executed implies a reduction in transmissions and thus a reduction in energy expenditures of battery powered wireless sensor nodes.

研究の動機と目的

• センサが物理的に分散しているがゆえにグローバルな状態情報にアクセスできない分散型無線センサ/アクチュエータネットワーク（WSANs）において、集中型非線形コントローラーを実装する課題に対処すること。
• 低消費電力センサノードに不適切な高い通信量と計算負荷を要する、観測者ベースまたは一貫性ベースのアプローチの限界を克服すること。
• 完全な状態推定やグローバル可観測性を必要としない、局所的に測定可能な量にのみ依存する分散型イベントトリガー機構を開発すること。
• 制御入力の更新頻度と通信イベントの頻度を最小限に抑えることで、バッテリ駆動ノードにおけるエネルギー消費を低減しつつ、閉ループ系の漸近安定性を保証すること。
• 弱結合仮定や中央集権的調整なしに、提案手法が集中型イベントトリガー制御に近い性能を達成できることを実証すること。

提案手法

• 各センサノードにおける局所的状態測定値のみを用いて、再定式化されたトリガー条件により、[18]の集中型イベントトリガー枠組みを分散型環境に適応させる。
• 局所誤差推定に基づいて動的にしきい値を調整する適応型トリガー規則を導入し、安定性を損なわずに更新間隔を延長する。
• 実際の状態と最後に送信された状態推定値の差として定義される局所誤差変数 $ \varepsilon(t) $ を用い、制御入力を再計算するタイミングを決定する。
• トリガー条件として $ |\varepsilon(t)|^2 \leq \sigma |\xi(t) - x^*|^2 $ の形を採用し、$ \sigma $ はシステムパラメータと安定性マージンから導出される調整可能なパラメータである。
• アルゴリズム1（$ q = 1 $）を用いて適応メカニズムを実装し、時間経過に伴いしきい値 $ \theta(k) $ が変化するようにし、更新間隔を延長する。
• リャプノフ関数の勾配をバインドし、コン pact 集合の仮定を用いて勾配の大きさに下限を保証することで、最小更新間隔 $ \tau_{\text{min}} = 0.1\,\text{ms} $ に正の下限を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 集中型非線形コントローラーを、通信および計算リソースが限られた無線センサ/アクチュエータネットワーク上に効果的に分散化するにはどうすればよいか？
• RQ2 グローバル状態情報、観測者、または一貫性アルゴリズムに依存せずに、イベントトリガー制御を分散型WSANsに適応可能か？
• RQ3 分散型イベントトリガー制御において安定性を維持し、通信頻度を低減するために必要な最小限の局所情報は何か？
• RQ4 提案された適応型トリガー規則は、非適応型分散実装と比較して、更新間隔をどのように改善するか？
• RQ5 更新頻度と安定性の観点から、分散型イベントトリガー制御は集中型イベントトリガー制御にどの程度近づけるか？

主な発見

• 適応機能付きの分散型イベントトリガー制御は、集中型実装とほぼ同等の更新間隔を達成しており、非適応型分散バージョンを著しく上回る性能を示している。
• 制御入力の最小更新間隔は $ \tau_{\text{min}} = 0.1\,\text{ms} $ で下限が保証されており、リアルタイムシステムにおける実用的妥当性が裏付けられている。
• 適応メカニズムにより、安定性を損なわず更新間隔が延長されたことが、図3における適応ベクトル $ \theta $ の変化から裏付けられている。
• グローバル状態へのアクセスが欠如しているにもかかわらず、分散実装は集中型ケースとほとんど区別できない状態軌道を生成しており、効果的な性能回復が確認された。
• システムパラメータと安定性境界から導出された $ \sigma = 0.0054^2 $ を用いた、提示されたトリガー条件 $ |\varepsilon(t)|^2 \leq \sigma |\xi(t) - x^*|^2 $ の下で、漸近安定性が維持されている。
• 計算および通信のオーバーヘッドは低く抑えられており、WSANsにおける低消費電力・リソース制限のあるセンサノードへの展開に適している。