[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出了一种用于非线性网络控制系统的符号控制设计方法，将所有主要的网络非理想特性——可变延迟、分组丢失、量化和抖动——统一建模。通过非确定性转移系统，实现了对复杂控制目标的正式验证与综合，已在远程机器人运动规划案例研究中得到有效验证。

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.

研究动机与目标

• 填补现有NCS研究中仅关注稳定性而忽略复杂现实控制目标的空白。
• 在统一框架中对所有网络引入的非理想特性——可变采样、延迟、分组丢失、量化和约束——进行建模。
• 实现对非线性NCS的正式控制设计，其控制目标以时序逻辑或转移系统规范形式表达。
• 将原本为混合系统和连续系统开发的符号控制技术，拓展至网络控制这一更具挑战性的场景。
• 在真实的远程机器人运动规划场景中验证该方法，以证明其实际有效性。

提出的方法

• 建立一个通用的NCS数学模型，将所有关键网络非理想特性作为时变且有界的扰动进行捕捉。
• 利用有限抽象技术构建NCS的符号模型，保留关键动态特性与网络效应。
• 将控制目标表示为非确定性转移系统，以支持在不确定性条件下的鲁棒综合。
• 采用基于抽象的控制综合方法，生成在存在网络缺陷时仍能满足指定目标的控制器。
• 利用符号控制在混合系统中最近的进展，确保设计过程的正确性与可扩展性。
• 将符号控制器与物理对象及网络模型集成，以验证闭环行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在单一统一框架中，对非线性NCS的所有主要网络非理想特性进行正式建模？
• RQ2 符号控制技术在多大程度上可被适配以处理网络控制系统的混合与随机特性？
• RQ3 形式化综合方法能否在真实网络约束下生成满足复杂控制目标的控制器？
• RQ4 在如远程机器人运动规划等实际非线性控制场景中，该方法的可扩展性与性能如何？

主要发现

• 所提出的符号控制框架成功地将所有主要网络非理想特性——延迟、抖动、分组丢失和量化——统一整合到一个正式模型中。
• 使用非确定性转移系统使得在不确定且时变的网络条件下也能实现鲁棒的控制器综合。
• 该方法支持对复杂控制目标的正式验证与综合，超越了简单的稳定性目标。
• 机器人运动规划案例研究表明，即使存在网络引起的扰动，控制器仍能实现期望行为。
• 符号抽象确保了“构造即正确”的特性，显著降低了在安全关键应用中运行时故障的风险。
• 该方法将符号控制扩展至非线性NCS，弥合了形式化方法在联网系统领域的一个关键空白。