A Hierarchical Control Architecture for ω-Languages

Eine hierarchische Reglerarchitektur für ω-Sprachen

  • In the Supervisory Control Theory according to P.J. Ramadge und W.M. Wonham, the behaviour of a dynamical system is described by sequences of discrete events. Typical applications are production and transportation systems that are operated by programmable logic controllers. A challenge in this area is the controller design for systems consisting of a large number of components and requiring the coordination of various synchronous processes. The size of a model that describes their synchronous behaviour grows exponentially in the number of components. Hence, monolithic supervisor design using the Supervisory Control Theory in the context of large-scale systems requires a prohibitive amount ofIn the Supervisory Control Theory according to P.J. Ramadge und W.M. Wonham, the behaviour of a dynamical system is described by sequences of discrete events. Typical applications are production and transportation systems that are operated by programmable logic controllers. A challenge in this area is the controller design for systems consisting of a large number of components and requiring the coordination of various synchronous processes. The size of a model that describes their synchronous behaviour grows exponentially in the number of components. Hence, monolithic supervisor design using the Supervisory Control Theory in the context of large-scale systems requires a prohibitive amount of computational effort. In order to avoid large monolithic models, several hierarchical and modular procedures have been presented that structure the monolithic control problem vertically and horizontally into manageable synthesis sub-tasks. However, existing approaches are limited to modelling behaviours on a finite-time horizon, using *-languages. Whereas synthesis procedures of the monolithic controller design also include the controller design for behaviours that evolve on an infinite-time axis, so called ω-languages, offering thereby a more general field of application. In this thesis, a hierarchical and modular control approach for ω-languages is developed that is based on the use of abstractions. Therefore, known methods regarding the monolithic controller design for ω-languages are adopted to the hierarchical and modular control context. In addition, dynamical systems are modelled as input/output systems, following the Behavioural Systems Theory of J.C. Willems. For a practical perspective, algorithms to solve the presented hierarchical control problem on the basis of finite-state automata are elaborated and an example from the area of transportation systems is discussed. It demonstrates that the presented approach enables efficient controller design for large-scale systems modelled by ω-languages and reduces the respective computational effort. show moreshow less
  • In der Supervisory Control Theory nach (Ramadge and Wonham, 1987a) wird das dynamische Verhalten des zu regelnde Systems mittels der Abfolge von diskreten Ereignissen beschrieben. Typische Anwendungsgebiete hierfür sind Transport- und Produktionssysteme, die mit Hilfe von speicherprogrammierbaren Steuerungen betrieben werden. Eine große Herausforderung in diesem Bereich ist der Reglerentwurf für Systeme, die aus vielen Komponenten bestehen und verschiedene Prozesse aufweisen. Die Größe des Modells zur Beschreibung des synchronen Verhaltens steigt exponentiell mit der Zahl der Komponenten an. Der Entwurf mittels der Supervisory Control Theory erfordert daher einen hohen Rechenaufwand, sodass In der Supervisory Control Theory nach (Ramadge and Wonham, 1987a) wird das dynamische Verhalten des zu regelnde Systems mittels der Abfolge von diskreten Ereignissen beschrieben. Typische Anwendungsgebiete hierfür sind Transport- und Produktionssysteme, die mit Hilfe von speicherprogrammierbaren Steuerungen betrieben werden. Eine große Herausforderung in diesem Bereich ist der Reglerentwurf für Systeme, die aus vielen Komponenten bestehen und verschiedene Prozesse aufweisen. Die Größe des Modells zur Beschreibung des synchronen Verhaltens steigt exponentiell mit der Zahl der Komponenten an. Der Entwurf mittels der Supervisory Control Theory erfordert daher einen hohen Rechenaufwand, sodass dieses Vorgehen im Vergleich zu herkömmlichen Methoden in diesem Fall nicht von Vorteil ist. Um große monolithische Modelle zu vermeiden, wurden diverse modulare und hierarchische Vorgehensweisen vorgestellt, die den Gesamtentwurf in handhabbare Teilentwürfe horizontal und vertikal zerlegen. Diese Ansätze beschränken sich jedoch auf eine Modellbildung des gegebenen Prozesses mittels endlicher Verhalten, siehe z.B. (Schmidt et al., 2008), (Feng and Wonham, 2008) oder (Leduc et al., 2005). Die klassische Supervisory Control Theory umfasst hingegen auch den Reglerentwurf für unendlich fortlaufende Verhalten, die sog. ω-Sprachen, und bietet somit ein allgemeineres Anwendungsgebiet. In der vorliegenden Arbeit werden bestehende Methoden des Reglerentwurfs für unendliche Verhalten aufgegriffen und hinsichtlich eines sowohl modularen, als auch hierarchischen abstraktionsbasierten Reglerentwurfsvorgehens erweitert. Dabei wird auf die besondere Modellierungsart mittels Ein-/Ausgangssysteme der Behavioural System Theory nach (Willems, 1991) zurückgegriffen, die auch bereits in (Perk et al., 2008) eingesetzt wurde. Als weitere Besonderheit ist das Verfahren im Gegensatz zum Vorgehen in (Perk et al., 2008) nicht auf topologisch abgeschlossene Verhalten beschränkt. Es eröffnet damit die Möglichkeit neben Sicherheitseigenschaften auch Lebendigkeitseigenschaften zu modellieren. Besonders im Kontext großer Systeme ist die Möglichkeit unendlich fortlaufende Prozesse zu spezifizieren essentiell. Für die praktische Anwendung des Verfahrens werden Lösungsalgorithmen auf Basis von endlichen Zustandsautomaten entwickelt und ein Anwendungsbeispiel aus dem Bereich der Transportsysteme herangezogen. Es wird dabei gezeigt, dass es mit der vorgestellten Methode möglich ist, einen effizienten Reglerentwurf für große Systeme, die mittels ω-Sprachen modelliert wurden, durchzuführen und den Rechenaufwand dadurch zu verringern. show moreshow less

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Metadaten
Author:Christine Agethen
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-83412
ISBN:978-3-96147-029-7
Series (Volume number):FAU Forschungen, Reihe B, Medizin, Naturwissenschaft, Technik (16)
Publisher:FAU University Press
Place of publication:Erlangen
Advisor:Thomas Moor, Jörg Raisch
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2017
Embargo Date:2017/04/11
Publishing Institution:FAU University Press
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2016/07/21
Release Date:2017/04/12
Tag:Abstraktionsbasierter Entwurf; Ereignisdiskrete Systeme; Modulare Regelung; Omega-Sprachen; Regelung ereignisdiskreter Systeme; Sequentielle Verhalten
Omega-languages; Supervisory Control Theory; abstraction-based design; discrete-event systems; hierarchical control; modular control; sequential behaviours
SWD-Keyword:Formale Sprache; Hierarchische Regelung
Pagenumber:ii, 119 S.
Note:
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN: 978-3-96147-028-0
Institutes:Technische Fakultät / Department Elektrotechnik-Elektronik-Informationstechnik
Dewey Decimal Classification:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
open_access (DINI-Set):open_access
Collections:Universität Erlangen-Nürnberg / FAU University Press
Licence (German):Creative Commons - Namensnennung-NichtKommerziell-KeineBearbeitung

$Rev: 13581 $