[論文レビュー] Symbolic Control Design of Nonlinear Networked Control Systems

Alessandro Borri, Giordano Pola+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2014

Formal Methods in Verification参考文献 59被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、可変遅延、パケット損失、量子化、ジタといったすべての主要なネットワーク非理想性を統合した包括的モデルに、非線形ネットワーキング制御システム（NCS）のための記号的制御設計手法を提案する。非決定的遷移系を用いることで、複雑な制御目的の形式的検証と合成が可能となり、リモートロボットの運動計画に関する事例研究で効果的に実証されている。

ABSTRACT

Networked Control Systems (NCS) are distributed systems where plants, sensors, actuators and controllers communicate over shared networks. Non-ideal behaviors of the communication network include variable sampling/transmission intervals and communication delays, packet losses, communication constraints and quantization errors. NCS have been the object of intensive study in the last few years. However, due to the inherent complexity of NCS, current literature focuses on only a subset of these non-idealities and mostly considers stability and stabilizability problems. Recent technology advances indeed demand that different and more complex control objectives are considered. In this paper we present first a general model of NCS, including all the non-idealities of the communication network; then, we propose a symbolic model approach to the control design with objectives expressed in terms of non-deterministic transition systems. The presented results are based on recent advances in symbolic control design of hybrid and continuous control systems. An example in the context of robot motion planning with remote control is included, showing the effectiveness of the approach taken.

研究の動機と目的

• 既存のNCS研究が安定性に限定的であるというギャップに対処し、現実世界の複雑な制御目的を無視していること。
• 変動するサンプリング、遅延、パケット損失、量子化、制約を含む、ネットワーク起因の非理想性の全範囲を統一的なフレームワークでモデル化すること。
• 時間論理や遷移系仕様で表現された目的を満たす、非線形NCSの形式的制御設計を可能にすること。
• もともとハイブリッド系および連続系のために開発された記号的制御技術を、ネットワーキング制御の挑戦的状況に拡張すること。
• 実際のリモートロボットの運動計画シナリオを用いて、本手法の実用的有効性を検証すること。

提案手法

• すべての主要なネットワーク非理想性を時間変動する有界な摂動として捉える、一般化されたNCSの数学的モデルを構築する。
• 有限抽象化技術を用いて、NCSの記号的モデルを構築し、本質的な動的特性とネットワーク効果を保持する。
• 不確実性を許容するための堅牢な合成を可能にするために、制御目的を非決定的遷移系として表現する。
• 抽象化に基づく制御合成を用いて、ネットワークの不完全性に対しても指定された目的を満たす制御器を生成する。
• ハイブリッド系における記号的制御の最新の進展を活用し、設計プロセスの正しさとスケーラビリティを保証する。
• 記号的制御器を物理的プラントおよびネットワークモデルと統合し、閉ループ動作の検証を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非線形NCSにおいて、すべての主要なネットワーク非理想性を1つの統一フレームワーク内で形式的にモデル化する方法は何か？
• RQ2 記号的制御技術は、ネットワーキング制御システムのハイブリッド的かつ確率的性質に対応して、どの程度適応可能か？
• RQ3 形式的合成手法は、現実的なネットワーク制約下でも、複雑な制御目的を満たす制御器を生成できるか？
• RQ4 本手法は、リモートロボットの運動計画といった実用的で非線形な制御シナリオにおいて、どの程度スケーリングされ、性能を発揮するか？

主な発見

• 提案された記号的制御フレームワークは、遅延、ジタ、パケット損失、量子化といったすべての主要なネットワーク非理想性を、1つの形式的モデルに統合することに成功した。
• 非決定的遷移系の使用により、不確実で時間変動するネットワーク状態下でも、堅牢な制御器の合成が可能となった。
• 本手法により、単なる安定性を越えた複雑な制御目的の形式的検証と合成が可能になった。
• ロボットの運動計画に関する事例研究から、ネットワーク起因の摂動に対しても制御器が望ましい動作を達成することが示された。
• 記号的抽象化により、正しさを設計段階で保証（correctness-by-construction）でき、安全が求められるアプリケーションにおけるランタイム障害のリスクが低減された。
• 本手法により、記号的制御が非線形NCSに拡張され、ネットワーキングシステムにおける形式的手法の主要なギャップが埋められた。