[논문 리뷰] Symbolic Control Design of Nonlinear Networked Control Systems

Alessandro Borri, Giordano Pola외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 01.

Formal Methods in Verification참고 문헌 59인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 비선형 네트워크 제어 시스템(NCS)에 대한 기호적 제어 설계 방법을 제안하며, 가변 지연, 패킷 손실,量子화, 잡음 등 모든 주요 네트워크 비이상적 요소를 통합된 모델로 통합한다. 비결정성 전이 시스템을 사용하여 복잡한 제어 목표에 대한 형식적 검증 및 합성을 가능하게 하였으며, 원격 로봇 운동 계획 사례 연구를 통해 효과적으로 검증되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존 NCS 연구가 안정성에만 집중하여 실제 복잡한 제어 목표를 忽시하는 격차를 보완한다.
• 변동하는 샘플링 주기, 지연, 패킷 손실, 양자화, 제약 조건을 포함한 네트워크 유도 비이상적 요소의 전반적인 스펙트럼을 통합된 프레임워크로 모델링한다.
• 시간 이론 또는 전이 시스템 사양으로 표현된 목표를 갖는 비선형 NCS에 대한 형식적 제어 설계를 가능하게 한다.
• 기존 하이브리드 및 연속 시스템에 대해 개발된 기호적 제어 기법을 네트워크 제어의 도전적인 맥락으로 확장한다.
• 실제 원격 로봇 운동 계획 시나리오에 대해 본 방법을 적용하여 실용적 효과성을 검증한다.

제안 방법

• 모든 핵심 네트워크 비이상적 요소를 시간에 따라 변하는 유한한 외란으로 포괄하는 일반적인 NCS 수학적 모델을 개발한다.
• 유한 추상화 기법을 사용하여 NCS의 기호적 모델을 구축하며, 본질적인 동역학과 네트워크 영향을 유지한다.
• 불확실성 하에서 강건한 합성을 가능하게 하기 위해 제어 목표를 비결정성 전이 시스템으로 표현한다.
• 추상화 기반 제어 합성을 사용하여 네트워크의 비이성적 요소에도 불구하고 지정된 목표를 만족하는 제어기를 생성한다.
• 최근 하이브리드 시스템에 대한 기호적 제어 기법의 발전을 활용하여 설계 과정의 정확성과 확장성을 보장한다.
• 기호적 제어기와 물리적 플랜트 및 네트워크 모델을 통합하여 폐루프 동작을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비선형 NCS에서 모든 주요 네트워크 비이상적 요소를 단일 통합 프레임워크 내에서 형식적으로 모델링할 수 있는가?
• RQ2 기호적 제어 기법이 네트워크 제어 시스템의 하이브리드적 및 확률적 성격을 다룰 수 있도록 얼마나 잘 적응될 수 있는가?
• RQ3 형식적 합성 방법이 현실적인 네트워크 제약 조건 하에서도 복잡한 제어 목표를 만족하는 제어기를 생성할 수 있는가?
• RQ4 제안된 방법은 원격 로봇 운동 계획과 같은 실용적 비선형 제어 시나리오에서 어떻게 확장성과 성능을 발휘하는가?

주요 결과

• 제안된 기호적 제어 프레임워크는 지연, 잡음, 패킷 손실, 양자화를 포함한 모든 주요 네트워크 비이상적 요소를 단일 형식 모델로 성공적으로 통합하였다.
• 비결정성 전이 시스템의 사용은 불확실하고 시간에 따라 변하는 네트워크 조건 하에서도 강건한 제어기 합성을 가능하게 하였다.
• 본 방법은 단순한 안정성 초과하는 복잡한 제어 목표의 형식적 검증 및 합성을 가능하게 하였다.
• 로봇 운동 계획 사례 연구는 네트워크 유도 외란에도 불구하고 제어기가 원하는 행동을 달성함을 보여주었다.
• 기호 추상화 덕분에 정확성에 기반한 설계가 가능해져 안전 임계 응용 분야에서 런타임 실패의 위험을 감소시켰다.
• 본 방법은 기호적 제어를 비선형 NCS로 확장하여 네트워크 시스템에 대한 형식 방법 분야에서 핵심 격차를 메웠다.