[논문 리뷰] Control compensation based on upper bound delay in networked control systems

Nikolai Vatanski, Jean‐Philippe Georges외 3명|arXiv (Cornell University)|2006. 09. 27.

Stability and Control of Uncertain Systems참고 문헌 13인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 스위치형 이더넷 네트워크에서 네트워크 계산 이론을 활용해 도출한 지연 상한값을 이용하여 네트워크 제어 시스템(NCS)의 제어 보정 프레임워크를 제안한다. 이 지연 상한값을 스미스 예측기 및 강건 제어 기반의 보정 전략에 적용함으로써 제어 성능 향상(QoP)을 달성하였으며, 실험 결과는 가변적인 네트워크 지연 조건 하에서 제어 루프의 안정성 향상과 지연 변동 감소를 입증한다.

ABSTRACT

Recent interest in networked control systems (NCS) has instigated research in both communication networks and control. Analysis of NCSs has usually been performed from either the network or the control point of view, but not many papers exist where the analysis of both is done in the same context. In this paper an overall analysis of the networked control system is presented. First, the procedure of obtaining the upper bound delay value for packet transmission in the switched Ethernet network is presented. Next, the obtained delay estimate is utilised in delay compensation for improving the Quality of Performance (QoP) of the control systems. The presented upper bound delay algorithm applies ideas from network calculus theory. For the improvement of QoP, two delay compensation strategies, the Smith predictor based and the robust control based delay compensation strategies, are presented and compared.

연구 동기 및 목표

• 네트워크 제어 시스템(NCS)에서 네트워크 분석과 제어 시스템 분석 간 격차를 메우기 위해.
• 네트워크 계산 이론을 활용해 스위치형 이더넷 네트워크에서의 종단 간 지연에 대한 날카로운 상한값을 유도하기 위해.
• 네트워크 유도 지연을 보완함으로써 NCS의 품질 성능(QoP)을 향상시키기 위해.
• 유도된 지연 상한값을 기반으로 스미스 예측기 기반 및 강건 제어 기반의 두 가지 지연 보정 전략의 효과성을 비교하기 위해.

제안 방법

• 스위치형 이더넷 네트워크에서 종단 간 지연의 상한값을 모델링하고 계산하기 위해 네트워크 계산 이론을 적용한다.
• 계산된 지연 상한값을 제어 설계에서 알려진 매개변수로 사용하여 네트워크 유도 지연 시간을 사전 예측하고 보정한다.
• 지연 상한값을 활용해 제어 루프 내의 지연 시간을 예측하고 보완하는 스미스 예측기 기반 보정 전략을 구현한다.
• 지연 상한값을 통합하여 불확실한 지연 조건 하에서도 안정성을 확보하는 강건 제어 기반 보정 전략을 설계한다.
• 모의실험 또는 실험적 검증을 통해 다양한 네트워크 조건 하에서 두 보정 전략의 성능을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제어에 사용되는 스위치형 이더넷 네트워크에서 종단 간 지연에 대한 정확한 상한값은 어떻게 추정할 수 있는가?
• RQ2 지연 상한값을 보정 설계의 알려진 매개변수로 사용할 경우, 제어 성능은 어느 정도 향상될 수 있는가?
• RQ3 제한된 네트워크 지연 조건 하에서 스미스 예측기 기반 및 강건 제어 기반의 지연 보정 전략은 QoP 향상 측면에서 어떻게 비교될 수 있는가?
• RQ4 보수적인 지연 상한값을 사용할 경우 제어 시스템의 안정성과 강건성에는 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 네트워크 계산 기반 방법은 스위치형 이더넷 네트워크에서 종단 간 지연에 대해 날카로운 상한값을 성공적으로 계산하였으며, 제어 시스템 설계에 적합하다.
• 스미스 예측기 기반 및 강건 제어 기반의 두 보정 전략 모두 네트워크 유도 지연이 시스템 성능에 미치는 영향을 효과적으로 감소시킨다.
• 지연 상한값이 알려진 조건 하에서는 스미스 예측기 기반 전략이 더 뛰어난 일시적 응답 특성과 더 빠른 수렴 속도를 보인다.
• 실제 지연이 상한값 근처에서 변동할 경우, 강건 제어 기반 전략이 더 우수한 안정성 여유를 제공한다.
• 계산된 상한값 기반의 지연 보정 기법을 적용할 경우, QoP로 측정된 전체 시스템 성능은 상당히 향상된다.