[论文解读] 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 4

一句话总结

该论文提出了一种用于无线传感器/执行器网络（WSANs）的去中心化事件触发控制策略，使无需集中协调即可实现集中式非线性控制器。通过使用本地状态测量值和基于本地误差估计的自适应触发规则，该方法在保持渐近稳定性的同时，减少了通信和能耗，仅在资源受限节点上引入极小的计算开销，即可实现接近集中式控制的性能。

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.

研究动机与目标

• 解决在物理上分布的传感器无法访问全局状态信息的去中心化无线传感器/执行器网络（WSANs）中实现集中式非线性控制器的挑战。
• 克服基于观测器或一致性算法的方法所存在的高通信和计算负载问题，这些方法不适用于低功耗传感器节点。
• 开发一种仅依赖于本地测量量的去中心化事件触发机制，避免对全状态估计或全局可观测性的需求。
• 在最小化控制器更新和通信事件以减少电池供电节点能耗的同时，确保闭环系统的渐近稳定性。
• 证明所提方法即使在无弱耦合假设或集中协调的情况下，也能实现接近集中式事件触发控制的性能。

提出的方法

• 通过仅使用每个传感器节点的本地状态测量值重新表述触发条件，将[18]中提出的集中式事件触发框架适配到去中心化环境。
• 引入一种自适应触发规则，根据本地误差估计动态调整控制器更新的阈值，从而在不损害稳定性的前提下延长更新间隔。
• 使用一个本地误差变量 $ \varepsilon(t) $，定义为实际状态与上次传输的状态估计之间的差值，以判断何时重新计算控制输入。
• 应用形式为 $ |\varepsilon(t)|^2 \leq \sigma |\xi(t) - x^*|^2 $ 的触发条件，其中 $ \sigma $ 是由系统参数和稳定性裕度推导出的可调参数。
• 通过算法1（$ q = 1 $）实现自适应机制，使阈值 $ \theta(k) $ 随时间演化，从而延长更新间隔。
• 通过有界李雅普诺夫函数的梯度并利用紧集假设来保证梯度大小的下界，从而推导出最小更新间隔 $ \tau_{\text{min}} = 0.1\,\text{ms} $ 的正下界，确保稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在通信和计算资源有限的无线传感器/执行器网络中，有效实现集中式非线性控制器的去中心化？
• RQ2 事件触发控制能否在不依赖全局状态信息、观测器或一致性算法的前提下，适配于去中心化的WSANs？
• RQ3 维持稳定性和降低通信频率所需的最小本地信息集是什么？
• RQ4 与非自适应的去中心化实现相比，所提出的自适应触发规则在多大程度上提升了更新间隔？
• RQ5 在更新频率和稳定性方面，去中心化事件触发控制在多大程度上能逼近集中式事件触发控制的性能？

主要发现

• 具有自适应机制的去中心化事件触发控制器实现了与集中式实现非常接近的更新间隔，显著优于非自适应的去中心化版本。
• 控制器更新之间的最小时间被下界限定为 $ \tau_{\text{min}} = 0.1\,\text{ms} $，确保了在实时系统中的实际可行性。
• 自适应机制成功延长了更新间隔而未损害稳定性，如图3所示的自适应向量 $ \theta $ 的演化过程所证实。
• 尽管缺乏全局状态访问，去中心化实现所产生的状态轨迹几乎与集中式情况无法区分，证实了性能的有效恢复。
• 在所提出的触发条件 $ |\varepsilon(t)|^2 \leq \sigma |\xi(t) - x^*|^2 $（其中 $ \sigma = 0.0054^2 $）下，系统保持渐近稳定性，该参数由系统参数和稳定性边界推导得出。
• 计算和通信开销保持在较低水平，使该方法适用于在WSANs中部署于低功耗、资源受限的传感器节点。