Automatisierte Synthese Vernetzte Regelungssysteme
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Vernetzte Steuerungssysteme (NCS) sind rückgekoppelte Steuerungssysteme, bei denen die Kommunikation zwischen Sensoren, Steuerungen und Aktoren durch einen gemeinsamen Kommunikationskanal unterstützt wird, der zahlreichen Nicht-Idealitäten unterliegt, wie z. B. variablen Kommunikationsverzögerungen, variablen Abtast- und Übertragungsintervallen, Quantisierungsfehlern, Paketverlusten, begrenzter Bandbreite und anderen Kommunikationsbeschränkungen. NCS haben in den letzten zwei Jahrzehnten aufgrund ihrer hohen architektonischen Flexibilität und ihrer geringen Installations- und Wartungskosten in Wissenschaft und Industrie große Beachtung gefunden. Beispielsweise bestehen Automobilarchitekturen in High-End-Fahrzeugen heute aus fast 100 elektronischen Steuergeräten (ECUs), die über eine Vielzahl von Kommunikationskanälen wie CAN, FlexRay und Ethernet verbunden sind. Bei einer solchen verteilten und heterogenen Architektur können die durch die Kommunikationskanäle verursachten Nicht-Idealitäten Kommunikationskanäle verursacht werden, zu einer erheblichen Abweichung der Steuerungsleistung in solchen Anwendungen führen. Ziel dieses Forschungsprojekts war die Entwicklung eines innovativen Design Prozess zu entwickeln, bei dem die eingebettete Steuerungssoftware für Anlagen in NCSs auf Knopfdruck und auf formale Weise aus hochrangigen Korrektheitsanforderungen synthetisiert wird. Die Anforderungen für moderne NCS-Anwendungen gehen über die konventionellen Eigenschaften der Kontrolltheorie (z.B. Stabilität) hinaus und umfassen auch zeitlogische Spezifikationen, wie z.B. Eigenschaften, die als Formeln der linearen temporalen Logik (LTL) oder als Automaten auf unendlichen Strings ausgedrückt werden. Insbesondere untersuchten wir die konstruktionsrichtige Steuerungssynthese von zeitlogischen Spezifikationen für NCSs, indem wir symbolische Abstraktionen von NCSs konstruktiv ableiteten und gleichzeitig die Nicht-Idealitäten des Netzwerks berücksichtigten. Schließlich haben wir eine Front-End-Toolbox entwickelt, die ein Modell der Anlage, das durch eine gewöhnliche Differentialgleichung ( oder Differenzgleichung) beschrieben wird, oder ein entsprechendes symbolisches Modell, die Netzeigenschaften und eine logische Spezifikation als Eingaben annimmt und automatisch einen nachweislich korrekten Regler als ausführbaren C/C++-Code als Ausgabe liefert, der die gegebene Spezifikation für die Anlage im NCS durchsetzt. Darüber hinaus haben wir eine Schnittstelle zwischen unserer Toolbox und Matlab für realistische Simulationen der Anlagen und der Netzunvollkommenheiten bereitgestellt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Finite abstractions of networked control systems. 53rd IEEE Conference on Decision and Control, 95-100.
Zamani, Majid; Mazo, Manuel & Abate, Alessandro
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Symbolic models of networked control systems: A feedback refinement relation approach. 2016 54th Annual Allerton Conference on Communication, Control, and Computing (Allerton), 187-193.
Khaled, Mahmoud; Rungger, Matthias & Zamani, Majid
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SENSE: Abstraction-Based Synthesis of Networked Control Systems. Electronic Proceedings in Theoretical Computer Science, 272, 65-78.
Khaled, Mahmoud; Rungger, Matthias & Zamani, Majid
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Symbolic Abstractions of Networked Control Systems. IEEE Transactions on Control of Network Systems, 5(4), 1622-1634.
Zamani, Majid; Mazo, Manuel; Khaled, Mahmoud & Abate, Alessandro
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Cloud-Ready Acceleration of Formal Method Techniques for Cyber–Physical Systems. IEEE Design & Test, 38(5), 25-34.
Khaled, Mahmoud & Zamani, Majid
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A Framework for Output-Feedback Symbolic Control. IEEE Transactions on Automatic Control, 68(9), 5600-5607.
Khaled, Mahmoud; Zhang, Kuize & Zamani, Majid
