Сетевая система управления

Сетевая система управления ( NCS ) — это система управления , в которой контуры управления замкнуты через коммуникационную сеть . Определяющей особенностью NCS является то, что сигналы управления и обратной связи передаются между компонентами системы в виде информационных пакетов через сеть.

Функциональность типичной NCS определяется использованием четырех основных элементов:

1. Датчики , для получения информации,
2. Контроллеры , обеспечивающие принятие решений и команд,
3. Исполнительные механизмы , для выполнения команд управления и
4. Коммуникационная сеть , обеспечивающая обмен информацией.

Самая важная особенность NCS заключается в том, что она соединяет киберпространство с физическим пространством, позволяя выполнять несколько задач на большом расстоянии. Кроме того, NCS устраняют ненужную проводку, снижая сложность и общую стоимость проектирования и внедрения систем управления. Их также можно легко модифицировать или модернизировать, добавляя к ним датчики, исполнительные механизмы и контроллеры с относительно низкой стоимостью и без серьезных изменений в их структуре. Кроме того, демонстрируя эффективный обмен данными между своими контроллерами, NCS способны легко объединять глобальную информацию для принятия разумных решений в больших физических пространствах.

Их потенциальные применения многочисленны и охватывают широкий спектр отраслей, таких как исследование космоса и земли, доступ в опасных средах, автоматизация производства, удаленная диагностика и устранение неисправностей, экспериментальные установки, домашние роботы, самолеты, автомобили, мониторинг производственных предприятий, дома престарелых и телеоперации. Хотя потенциальные применения NCS многочисленны, проверенных применений мало, и реальная возможность в области NCS заключается в разработке реальных приложений, которые реализуют потенциал этой области.

• Полевые шины , например CAN, LON и т. д.
• IP/ Ethernet
• Беспроводные сети, например Bluetooth , Zigbee и Z-Wave . В этой связи часто используется термин беспроводная сетевая система управления (WNCS).

Появление и развитие Интернета в сочетании с преимуществами, предоставляемыми NCS, привлекли интерес исследователей по всему миру. Наряду с преимуществами возникло несколько проблем, породивших множество важных тем для исследований. Новые стратегии управления, кинематика исполнительных механизмов в системах, надежность и безопасность связи, распределение полосы пропускания, разработка протоколов передачи данных, соответствующие стратегии обнаружения неисправностей и отказоустойчивого управления, сбор информации в реальном времени и эффективная обработка данных датчиков — вот некоторые из соответствующих тем, которые были изучены подробно.

Введение сети связи в контур управления с обратной связью делает анализ и проектирование NCS сложным, поскольку это налагает дополнительные временные задержки в контурах управления или вероятность потери пакетов. В зависимости от приложения временные задержки могут привести к серьезному ухудшению производительности системы.

Чтобы смягчить эффект задержки времени, Y. Tipsuwan и MY. Chow из ADAC Lab в Университете штата Северная Каролина предложили методологию промежуточного программного обеспечения планировщика усиления (GSM) и применили ее в iSpace. S. Munir и WJ Book (Технологический институт Джорджии) использовали предиктор Смита , фильтр Калмана и регулятор энергии для выполнения телеуправления через Интернет. ^{[1] [2]}

KC Lee, S. Lee и HH Lee использовали генетический алгоритм для разработки контроллера, используемого в NCS. Многие другие исследователи предоставили решения, используя концепции из нескольких областей управления, таких как надежное управление, оптимальное стохастическое управление , управление с прогнозированием модели, нечеткая логика и т. д.

Наиболее критическим и важным вопросом, связанным с проектированием распределенных NCS с последовательно увеличивающейся сложностью, является удовлетворение требований к надежности и безотказности системы, при этом гарантируя высокую производительность системы в широком рабочем диапазоне. Это заставляет сетевые методы обнаружения и диагностики неисправностей, которые необходимы для мониторинга производительности системы, получать все больше внимания.

• Д. Христу-Варсакелис и В. С. Левин (ред.): Справочник по сетевым и встроенным системам управления, 2005. ISBN  0-8176-3239-5 .
• Хеспанха, Дж. П.; Нагштабризи, П.; Сюй, И. (2007). «Обзор последних результатов в сетевых системах управления». Труды IEEE . 95 (1): 138– 162. CiteSeerX  10.1.1.112.3798 . doi :10.1109/JPROC.2006.887288. S2CID  5660618.
• Quevedo, DE; Nesic, D. (2012). "Надежная устойчивость пакетного предсказательного управления нелинейными системами с возмущениями и марковскими потерями пакетов" (PDF) . Automatica . 48 (8): 1803– 1811. doi :10.1016/j.automatica.2012.05.046. hdl : 1959.13/933538 .
• Pin, G.; Parisini, T. (2011). «Сетевое предиктивное управление неопределенными ограниченными нелинейными системами: рекурсивная осуществимость и анализ устойчивости входного сигнала к состоянию». IEEE Transactions on Automatic Control . 56 (1): 72– 87. doi : 10.1109/TAC.2010.2051091. hdl : 10044/1/15547 . S2CID  14365396.
• С. Татиконда, Управление в условиях ограничений связи, докторская диссертация Массачусетского технологического института, 2000. http://dspace.mit.edu/bitstream/1721.1/16755/1/48245028.pdf
• О. Имер, Оптимальная оценка и управление в условиях ограничений сети связи, докторская диссертация UIUC, 2005. http://decision.csl.uiuc.edu/~imer/phdsmallfont.pdf ^{[ постоянная неработающая ссылка ‍ ]}
• YQ Wang, H. Ye и GZ Wang. Обнаружение неисправностей NCS на основе собственного разложения, адаптивной оценки и адаптивного порога. International Journal of Control , т. 80, № 12, стр. 1903–1911, 2007.
• М. Месбахи и М. Эгерстедт. Графовые теоретические методы в многоагентных сетях, Princeton University Press, 2010. ISBN 978-1-4008-3535-5 . https://sites.google.com/site/mesbahiegerstedt/home 
• Мартинс, NC; Далех, MA; Элиа, N. (2006). «Стабилизация обратной связи неопределенных систем при наличии прямой связи». IEEE Transactions on Automatic Control . 51 (3): 438– 447. doi :10.1109/tac.2006.871940. S2CID  620399.
• Махаджан, А.; Мартинс, Н. К.; Ротковиц, М. К.; Юксель, С. «Информационные структуры в оптимальном децентрализованном управлении». Труды конференции IEEE по принятию решений и управлению . 2012 : 1291–1306 .
• Dong, J.; Kim, J. (2012). «Метод обратной связи на основе цепи Маркова для стабилизации сетевых систем управления со случайными задержками и потерями пакетов». Международный журнал управления, автоматизации и систем . 10 (5): 1013– 1022. doi :10.1007/s12555-012-0519-x. S2CID  16994214.

• Лаборатория расширенной диагностики, автоматизации и управления (NCSU)
• Совместная разработка фреймворка для интеграции коммуникации, управления, вычислений и управления энергопотреблением в сетевых системах управления (проект FeedNetback)