A demonstrator for networked control systems

Abstract

A rising number of feedback control systems replace their hardwired connections with intermediate networks. These types of control systems are called Networked Control Systems (NCSs) and are often very sensitive to delays in the network, i.e. on their feedback loop. Especially non-uniform delays pose a problem for most controller implementations. In light of this, research yielded different approaches to stabilize such systems and make them robust. Some of these solutions approach the problem at the controller itself, while others try to mitigate delays and disturbances within the intermediate network. These approaches have one thing in common: Their results are difficult to verify and hardly comparable. This thesis presents and explains the setup of a demonstrator which can be used to test and compare solutions acting in different intermediate networks using the same, predictable control system. To achieve this, the required theoretical background of control systems is revised and the setup of a inverted pendulum as a NCS demonstrator is explained in detail. Furthermore, different networking setups and their properties are described and documented.

Bei einer wachsenden Zahl von Regelkreisen werden festverdrahtete Verbindungen durch zwischengeschaltete Netzwerke ersetzt. Diese Regelkreise werden als Networked Control Systems (NCSs), also als vernetzte Regelkreise, bezeichnet und sind oftmals sehr empfindlich gegenüber Latenzzeiten in diesen Netzwerken, insbesondere bei der Rückführung der Regelgröße. Vor allem ungleichmäßige Verzögerungen stellen die meisten Regelkreise vor Probleme. Angesichts dieser Schwachstellen existieren verschiedene Ansätze um solche Systeme zu stabilisieren und robuster zu machen. Manche dieser Lösungen versuchen, das Problem mit Hilfe geeigneterer Implementierungen des Regelkreises selbst zu lösen. Andere setzen in den zwischengeschalteten Netzwerken an, sodass diese Verzögerungen und Störungen kompensieren können. Vertreter dieser beiden Ansätze sind jeweils schwer anhand der wissenschaftlichen Arbeiten reproduzierbar und entsprechend kaum miteinander vergleichbar. Diese Arbeit stellt den Aufbau eines Demonstrators vor, mit dem Lösungen, die in den Netzwerken ansetzen, reproduziert und verglichen werden können. Dementsprechend wird der benötigte theoretische Hintergrund zusammengefasst und der Aufbau eines invertierten Pendels als NCS im Detail erklärt. Desweiteren werden verschiedene Optionen der Vernetzung beleuchtet und deren Eigenschaften dokumentiert.