Entwurf von Networked Control Systems für funkbasierte Ambient Intelligence Netzwerke
Final Report Abstract
Das Ergebnis der Forschungstätigkeit im Rahmen dieses Projekts ist ein neues modellbasiertes Regelungsverfahren für AmI-Netzwerke. Es zeichnet sich durch eine deutliche Energieerspamis bei der Funkübertragung bei gleichzeitig hoher Regelgüte aus. Dies gelingt durch Trennung der Abtastzeit des internen Modells und dem Übertragungsintervall der Funkstrecke. Bei gleich bleibender Abtastzeit wird letzteres nach Gesichtspunkten von Energieeinsparung und Regelungsperformanz adaptiert. Im Rahmen des Forschungsschwerpunkts „ambiente Systeme", vormals „Ambient Intelligence" (AmI) haben mehrere Untersuchungen gezeigt, dass die Rechenkapazität selbst kostengünstigster AmI-Funkknoten durch Fortschritte in der Mikrosystemtechnik für viele Regelungsalgorithmen ausreichend ist. Vielmehr hat sich der Energieverbrauch der Knoten als die entscheidende Randbedingung beim Entwurf von Regelungssystemen für ambiente Systeme herausgestellt. Energiemessungen im Rahmen dieses Projekts, aber auch weitere Arbeiten im Forschungsschwerpunkt haben gezeigt, dass die Kommunikationsmodule (Transceiver) die größten Energieverbraucher der Knoten darstellen. Dies gilt auch für neuartige AmICA Funkknoten, die im Rahmen des Forschungsschwerpunkts ambiente Systeme im Hinblick auf die AmI-spezifischen Anforderungen entwickelt wurden. Ein geeignetes Regelungskonzept sollte deshalb folgende Maxime verfolgen: • Der Sleeping-Mode des AmI-Knotens muss möglichst oft verwendet werden. • Der Funk-Transceiver des AmI-Knotens sollte möglichst selten verwendet werden. Aus regelungstechnischer Sicht bedeutet dies, dass die Übertragungsabstände der Prozess-Messwerte möglichst und lang planbar sein müssen. Modellbasierte Verfahren erscheinen hier besonders vorteilhaft, da sie Systemwissen in den Regelungsalgorithmus einbringen und so die benötige Häufigkeit der Informationsrückkopplung reduzieren. Ereignisbasierte Regelungen sind zwar theoretisch geeignet die Übertragungsintervalle weiter zu verlängern, jedoch sind die Übertragungszeitpunkte nicht mehr vorhersehbar. Praktisch bedeutet dies, dass der Sensor die Prozessgrößen permanent erfassen muss um entscheiden zu können, ob das Ereignis das die Messwertübertragung auslöst eingetreten ist. Der Vorteil seltenerer Transceivernutzung wird durch die permanente Messaktivität (kein Sleeping-Mode des Knotens) zunichte gemacht. Der im Rahmen dieses Projekts erarbeitete Ansatz kombiniert die Vorteile der modellbasierten Regelung mit denen der ereignisbasierten Regelung, indem die Übertragungsintervalle durch heuristische Adaptionsregeln situationsbezogen, aber planbar verändert werden. Er stellt einer Erweiterung der so genannten „Model-Based Networked Control Systems'' dar. Regler und Aktuator sind zum so genannten Smart Aktuator zusammengefasst. Damit ist die Struktur auch für dezentrale Regelungssysteme geeignet und umgeht die Problematik von Kommunikationsimperfektionen zwischen Regler und Aktuator. Da Aktuatoren praktisch immer eine Hilfsenergie benötigen stellt sich die Energieproblematik nur beim Sensor. Dieser muss lediglich einen Timer implementieren und kann zwischen den Messwertübertragungen den Sleeping-Mode nutzen. Während dieser Zeit wird die Regelstrecke modellbasiert gesteuert. Zum Übertragungszeitpunkt wird das Modell des Smart Aktuators mit dem Streckenzustand aktualisiert (xs ← x). Das Übertragungsintervall wird deshalb auch Updateintervall genannt. Die Adaptionseinheit kann dieses Updateintervall verändern indem sie zum Übertragungszeitpunkt ein Telegramm an den Sensor schickt. Die Adaption geschieht energieverbrauchsneutral, da der Transceiver des Sensors zu diesem Zeitpunkt ohnehin aktiv ist. Zwei heuristische Adaptionsregeln haben sich als sinnvoll herausgestellt: • Referenzwertregel; • Modellfehlerregel. Die Referenzweriregel verkürzt das Updateintervall sobald sich der Referenzwert ändert, da eine Informationsrückkopplung während transienten Phasen besonders sinnvoll ist. Sie ist damit implizit nur für stückweise konstante Referenztrajektorien geeignet. Eine ähnliche Regel hat sich bereits bewährt. Die Modellfehlerregel betrachtet die Differenz zwischen Streckenzustand x und dem Modellzustand xs. In Abhängigkeit dieser Differenz wird das Updateintervall geändert. Sie orientiert sich damit an einem Kriterium das sich bei ereignisbasierter Regelung als zielführend erwiesen hat. Zur Ausgangsrückführung wurden ein beobachterbasierter Ansatz und ein Ansatz auf Basis eines Modells reduzierter Ordnung entwickelt und vergleichen. Es wurden darüber hinaus Strukturen mit integraler Erweiterung eingeführt, die die stationäre Genauigkeit des Regelkreises gewährleisten. Im Rahmen der Arbeit wurden zwei Demonstrator-Systeme des Lehrstuhls (Durchflussregelstrecke und Verladebrücke) in Hinblick auf AmI-Funkregelungen weiterentwickelt bzw. neu konzipiert und zum Test des beschriebenen Verfahrens herangezogen. Derzeit wird die Adaption in Hinblick auf typische NCS-Effekte, wie Verzögerungen, Paketausfällen und Quantisierung erweitert. Bereits durchgeführt wurden Arbeiten zur stationären Genauigkeit beschriebenen Verfahrens.
