Performance-oriented communication concepts for networked control systems

Abstract

Networked control systems (NCS) integrate sensors, actuators, and digital controllers using a communication network in order to control physical processes. They can be found in diverse application areas, including automotive and aircraft systems, smart homes, and smart manufacturing systems in the context of Industry 4.0. Because control systems have demanding Quality of Service (QoS) requirements, the provisioning of appropriate communication services for NCS is a challenge. Moreover, the trend of steadily increasing digitization in many fields will likely lead to control applications with more complex system integration, especially in large-scale systems such as smart grids and smart cities. The proliferation of NCS in such an environment clearly depends on strong methods for integrating communication and control. However, there currently remains a gap between these two domains. On the one hand, the control-theoretic design and analysis methods for NCS have been based on simplistic and abstract network connection models. On the other hand, communication networks are optimized for conventional performance metrics such as throughput and latency, which do not readily translate into application specific Quality of Control (QoC) metrics. The goal of this thesis is to provide performance-oriented concepts for the design of communication services for NCS. In particular, methods for scheduling and routing the traffic of NCS and increasing their reliability through replication are developed on the basis of integrated models that capture the relationship between control-relevant characteristics of communication services and the methods that are used to provide those communication services in the network. This thesis makes the following contributions. First, we address the problem of optimally arbitrating limited communication bandwidth for a group of NCS in a shared network by designing a performance-aware dynamic priority scheduler. The resulting first scheduling policy provides asymptotic stability guarantees for each NCS and performance bounds on the joint QoC. While it is efficient to implement on the data link layer with stateless priority queueing, it requires a large optimization problem comprising all NCS to be solved initially for determining scheduler parameters. To increase the scalability, we therefore relax the scheduling problem by separating the NCS traffic into deterministic transmissions with real-time guarantees and opportunistic traffic used for QoC optimization. The resulting second scheduling policy imposes no QoS constraints on opportunistic traffic, yields less conservative stability guarantees, and allows scheduler parameters to be calculated for each NCS separately and thus much more efficiently. Second, we address the problem of optimally routing NCS traffic in networks with random latency distributions by designing a cross-layer communication service for stochastic NCS. The routing algorithm exploits trade-offs between delay and in-time arrival probabilities to find a route that provides a predefined level of QoC while minimizing network load. Third, we address the problem of active replication for controllers in order to increase the reliability of NCS subject to crash failures and message loss. While existing replication schemes for real-time systems focus only on ensuring that no conflicting values are sent to actuators, we develop stronger consistency concepts that provide replication transparency for control systems. We present a corresponding replication management protocol that achieves high availability and low latency at low message cost, and evaluate it using physical experiments.

Vernetzte Regelungssysteme (engl. Networked Control Systems, NCS) verbinden Sensoren, Aktoren und digitale Regler über ein Kommunikationsnetzwerk, um physikalische Prozesse zu optimieren. Sie sind in verschiedenen Anwendungsbereichen zu finden, wie z.B., im Automobil, in Luft- und Raumfahrtsystemen, Smart Homes und vernetzte Fertigungssysteme im Rahmen der Industrie 4.0. Wegen ihrer hohen Anforderungen an die Dienstgüte (engl. Quality of Service, QoS), ist die Bereitstellung geeigneter Kommunikationsdienste für NCS eine Herausforderung. Darüber hinaus wird der Trend der stetig zunehmenden Digitalisierung in vielen Bereichen voraussichtlich zu integrierten Regelungsanwendungen von steigender Systemkomplexität führen, insbesondere in weitläufigen Systemen wie Smart Grids und Smart Cities. Die Verbreitung von NCS in einem solchen Umfeld hängt entscheidend von der Verfügbarkeit leistungsfähiger Methoden zur Integration von Kommunikation und Regelung ab. Derzeit besteht jedoch noch eine Lücke zwischen diesen beiden Bereichen. Einerseits basieren gängige regelungstechnische Entwurfs- und Analysemethoden für NCS auf vereinfachten Netzwerkmodellen. Andererseits sind Kommunikationsnetze für konventionelle Leistungsmetriken wie Durchsatz und Latenz optimiert, die sich nicht ohne weiteres in anwendungsspezifische Regelgütemetriken (engl. Quality of Control, QoC) übersetzen lassen. Das Ziel dieser Dissertation ist es, regelgüteorientierte Konzepte für den Entwurf von Kommunikationsdiensten für NCS zu entwickeln. Insbesondere werden Methoden zum Scheduling und Routing des Verkehrs von NCS und zur Erhöhung ihrer Zuverlässigkeit durch Replikation entwickelt, die auf integrierten Modellen basieren, welche den Zusammenhang zwischen regelungsrelevanten Eigenschaften von Kommunikationsdiensten und den Methoden für deren Bereitstellung im Netz abbilden. Im Einzelnen dokumentiert diese Dissertation die folgenden Beiträge. Erstens widmen wir uns dem Problem der optimalen Zuteilung begrenzter Kommunikationsbandbreite für eine Gruppe von NCS in einem gemeinsamen Netzwerk, indem wir einen regelgüteorientierten, dynamischen Prioritäts-Scheduler entwerfen. Dieser bietet asymptotische Stabilitätsgarantien für jedes NCS und Schranken für die gemeinsame Regelgüte. Während dieser erste Scheduler auf der Sicherungsschicht (engl. Data Link Layer) durch eine Prioritätswarteschlange effizient zu implementieren ist, erfordert sie zur Bestimmung der Scheduler-Parameter zunächst die Lösung eines großen Optimierungsproblems, das alle NCS umfasst. Um die Skalierbarkeit zu erhöhen, relaxieren wir daher das Scheduling-Problem, indem wir den NCS-Verkehr aufteilen in deterministische Übertragungen mit Echtzeit-Garantien und opportunistischen Verkehr, der zur Regelgüteoptimierung verwendet wird. Der resultierende zweite Scheduler benötigt keine QoS-Garantien für den opportunistischen Verkehr, gibt weniger konservative Stabilitätsgarantien und ermöglicht es, Scheduler-Parameter für jedes NCS separat und damit wesentlich effizienter zu berechnen. Zweitens widmen wir uns dem Problem des optimalen Routings von NCS-Verkehr in Netzwerken mit zufälligen Latenzverteilungen, indem wir einen schichtenübergreifenden Kommunikationsdienst für stochastische NCS entwerfen. Der Routing-Algorithmus nutzt wechselseitige Abhängigkeiten zwischen Latenz und Ankunftswahrscheinlichkeit, um Routen ermitteln, die ein vordefiniertes Regelgüteniveau erreichen und gleichzeitig die Netzauslastung minimieren. Drittens befassen wir uns mit dem Problem der aktiven Replikation von Reglern, um die Zuverlässigkeit von NCS angesichts Absturzfehlern und Nachrichtenverlusten zu erhöhen. Während bestehende Replikationsverfahren für Echtzeitsysteme lediglich sicherstellen, dass keine widersprüchlichen Werte an Aktoren gesendet werden, entwickeln wir stärkere Konsistenzkonzepte, die eine echte Replikationstransparenz für Regelsysteme bieten. Wir entwickeln ein entsprechendes Replikationsprotokoll, das eine hohe Verfügbarkeit und geringe Latenz bei niedrigen Nachrichtenkosten erreicht, und evaluieren es mit Hilfe physischer Experimente.