[论文解读] Distributed Event-based State Estimation

Sebastian Trimpe|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2015

Fault Detection and Control Systems参考文献 43被引用 5

一句话总结

本文提出了一种用于网络化控制系统的分布式事件触发状态估计框架，通过仅在必要时传输数据来减少通信量，使用本地事件触发机制。该方法在任意代理间耦合条件下证明了有界估计误差的稳定性，并可扩展至分布式控制，在减少网络流量方面优于周期性方案，同时以保证误差界限的方式模拟集中式观测器性能。

ABSTRACT

An event-based state estimation approach for reducing communication in a networked control system is proposed. Multiple distributed sensor-actuator-agents observe a dynamic process and sporadically exchange their measurements and inputs over a bus network. Based on these data, each agent estimates the full state of the dynamic system, which may exhibit arbitrary inter-agent couplings. Local event-based protocols ensure that data is transmitted only when necessary to meet a desired estimation accuracy. This event-based scheme is shown to mimic a centralized Luenberger observer design up to guaranteed bounds, and stability is proven in the sense of bounded estimation errors for bounded disturbances. The stability result extends to the distributed control system that results when the local state estimates are used for distributed feedback control. Simulation results highlight the benefit of the event-based approach over classical periodic ones in reducing communication requirements.

研究动机与目标

• 减少网络化控制系统中由于周期性数据传输而造成的资源浪费通信开销。
• 使分布式代理能够仅通过间歇性、事件触发的数据交换来估计完整系统状态。
• 在异步、非周期性通信及任意代理间耦合条件下，确保估计的稳定性和有界误差。
• 将该框架扩展至包含事件触发的控制输入传输，进一步降低网络负载。
• 证明在有界扰动下，所得到的切换分布式观测器系统的稳定性。

提出的方法

• 每个代理使用本地事件触发机制，根据预设阈值决定何时通过共享总线传输其测量值和输入信号。
• 事件触发机制的设计确保估计误差始终处于保证的界限内，从而模拟集中式Luenberger观测器的行为。
• 利用切换观测器结构，根据从其他代理接收到的数据选择增益，对本地状态估计进行更新。
• 引入同步平均机制，以在代理间动力学不稳定时稳定估计，但若代理间动力学本身稳定，则可省略该机制。
• 该方法保持了集中式观测器设计的结构，无需重新调整增益或重新设计。
• 该方法同时支持基于相同事件触发数据的状态估计与分布式反馈控制。

实验结果

研究问题

• RQ1 事件触发通信是否能在不牺牲估计精度的前提下减少分布式状态估计中的网络流量？
• RQ2 如何设计本地事件触发机制，以确保在具有任意代理间耦合的分布式网络化系统中实现有界估计误差？
• RQ3 在非周期性数据传输条件下，什么条件能确保分布式切换观测器系统的稳定性？
• RQ4 所提出的方案是否可扩展以包含事件触发的控制输入传输，从而进一步降低通信量？
• RQ5 在何种条件下可避免在估计架构中使用同步平均机制？

主要发现

• 事件触发状态估计方案在有界扰动下实现了有界估计误差，且误差界限可通过触发阈值选择进行调节。
• 在系统活动水平较低的时段，通信速率显著下降，仅在扰动出现时才上升，仿真结果已验证此现象。
• 由于代理间动力学具有指数稳定性，数据包丢失后代理间估计误差会衰减，因此在稳定情况下无需进行同步重置。
• 该方法成功模拟了集中式Luenberger观测器设计，通过降低触发阈值可恢复性能。
• 该框架已在热流体系统模型上得到验证，并先前应用于平衡立方体测试平台，证明其在具有不稳定动力学的系统中具有有效性。
• 仿真结果表明，与周期性方案相比，该方法在保持估计精度的同时显著降低了网络流量，时间跨度达2000秒。