Compensação de perda de pacotes em sistemas de controle via rede

Abstract

Resumo: Sistemas de controle via rede apresentam uma plataforma atraente em comparação com os sistemas de controle digital convencionais, mas inerentemente apresentam problemas adicionais devido a perda de pacotes. Esta dissertação descreve uma análise de soluções para perdas de medições por meio de estratégias de compensação, estimadores e técnicas de controle. Os compensadores analisados foram entrada zero, segurador de ordem zero, segurador ponderada, extrapolação linear/ cúbica e filtro de Kalman. Seis maneiras diferentes de se implementar o filtro de Kalman foram identificadas, quatro das quais foram implementadas. O desempenho das estratégias de compensação foi avaliado em simulações com diferentes taxas de perdas de pacotes para diferentes sistemas e períodos de amostragem. O filtro de Kalman também foi testado com perturbação estocástica no modelo do sistema para quantificar a precisão de identificação necessária para que o uso destes estimadores apresentassem ganho de desempenho em comparação com soluções mais simples como seguradores e extrapoladores. Além disso, um controlador nebuloso é comparado a um PID clássico em situação de perda de amostras. Por último, ambos os sinais, do sensor e do atuador são submetidos a perdas, e um sistema de controle chaveado é proposto com controladores locais e remotos. Palavras-chave: controle por rede, perda de pacotes, filtro de Kalman, controle nebuloso.

Abstract: Networked control systems present an attractive platform compared to conventional digital control systems but inherently have additional problems due to packet dropouts. This paper describes an analysis of solutions to sensor measurements losses, in the form of a compensation strategy implemented in the controller that estimates the lost measurements. The analyzed compensators were zero input, hold input, weighted input, linear/cubic extrapolation and Kalman filter. Six different ways to implement Kalman filter were identified, and four of them were implemented. Performance of compensation strategies was evaluated in simulations of varying packet losses for different systems and sampling periods. Kalman filter was also tested with stochastic perturbation in the system model to quantify the required identification precision needed for estimators to be worth the design effort in comparison with simpler solutions like hold or extrapolators. Also, a fuzzy controller is compared to a classic PID in lossy scenarios. Finally, both sensor and signal are subjected to losses and a switched control system with local and remote controllers is proposed. Key-words: networked control, packet loss, compensation strategy, Kalman filter, fuzzy control.