Cooperative fault-tolerant control of networked systems
Final Report Abstract
Das Ziel des Projekts war die Entwicklung von Methoden zur fehlertoleranten Steuerung vernetzter Systeme. Die Fehlertoleranz wird dadurch erreicht, dass die Regelungsaufgaben der defekten Teilsysteme auf die gesunden Teilsysteme umverteilt werden. Diese Lösungsstrategie nutzt aus, dass vernetzte Systeme häufig eine kooperative Aufgabe gemeinsam erfüllen müssen, bei der es nicht auf das Verhalten eines speziellen Teilsystems ankommt. Durch die Aufgabenumverteilung im Fehlerfall wird nicht, wie üblich, die Funktionsfähigkeit der defekten Teilsysteme wiederhergestellt, sondern die Erfüllung der kooperativen Aufgabe gesichert. Dies unterscheidet die Herangehensweise in diesem Projekt grundlegend von den in der Literatur beschriebenen Lösungen. Die Aufgabenverteilung im fehlerfreien Fall und die Umverteilung im Fehlerfall erfordern stets eine Dekomposition der kooperativen Aufgabe, bei der die Fähigkeiten der Teilsysteme berücksichtigt werden. Hierzu wurde ein globaler Koordinator eingeführt, der eine solche Dekomposition vornimmt und die errechneten Regelungsaufgaben an die Teilsysteme sendet. Die Teilsysteme sind dann in der Lage, ihre Aufgaben selbstständig anzupassen, ohne die Gültigkeit der Dekomposition zu gefährden. Hierdurch wird der gewünschten Autonomie der Teilsysteme Rechnung getragen. Um im Fehlerfall die Aufgabenumverteilung auszulösen, müssen die Teilsysteme in der Lage sein, den Fehlereintritt zu detektieren, die defekten Teilsysteme zu isolieren und die Fehlerauswirkung zu identifizieren. Hierzu wurden die Teilsysteme mit Diagnoseeinheiten ausgestattet, die lokale Residuensignale erzeugen. Durch eine lokale Auswertung dieser Signale werden Fehler diagnostiziert. Die Diagnoseeinheiten tauschen dazu Informationen aus, um Fehler von Einflüssen benachbarter Teilsysteme unterscheiden zu können. Die Regelungsaufgaben der Teilsysteme erfordern, dass ein Teilsystemausgang entlang einer zeitlich-veränderbaren Trajektorie verfahren werden kann. Hierzu wird jedes Teilsystem mit einem Zwei-Freiheitsgrade-Regler ausgestattet. Um die strenge Anforderung nach Trajektorienfolge zu gewährleisten, tauschen die Regler untereinander Daten aus, wodurch die gegenseitigen Beeinflussungen der Teilsysteme berücksichtigt werden können. Im Rahmen dieses Projekts ist zudem ein neuer Versuchsstand - genannt COCO - konzipiert, aufgebaut und in Betrieb genommen worden. COCO ist ein Transportsystem, bestehend aus 50 Linearantrieben, mit dessen Hilfe die praktische Anwendbarkeit der entwickelten Methoden bestätigt werden kann.
Publications
- (2019): Fault tolerance in networked systems through flexible task assignment, Proc. of 4th Conference on Control and Fault Tolerant Systems (SysTol’19), Casablanca, pp. 257-263
K. Schenk and J. Lunze
- (2020): Fault-tolerant task allocation in networked control systems, Proc. of 28th Mediterranean Conference on Control and Automation (MED), Saint-Raphaël/Online, pp. 313-318
K. Schenk and J. Lunze
- (2021): COCO – Ein Versuchsaufbau zur Erprobung von Methoden der vernetzten Regelung, at – Automatisierungstechnik, Vol. 69(2), pp. 131-141
K. Schenk and J. Lunze
(See online at https://doi.org/10.1515/auto-2020-0062) - (2021): Fault tolerance in networked control systems by flexible task assignment, in R.M.G. Ferrari, A. Teixeira (eds.): Safety, Security and Privacy for Cyber-Physical Systems, Springer
K. Schenk and J. Lunze
(See online at https://doi.org/10.1007/978-3-030-65048-3_2) - (2021): Fehlertoleranz in kooperierenden Regelungssystemen durch Umverteilung der Regelungsaufgaben, at – Automatisierungstechnik, Vol. 69(6), pp. 442-456
K. Schenk and J. Lunze
(See online at https://doi.org/10.1515/auto-2020-0147) - (2021): Trajectory tracking in networks of linear systems, Automatica, Vol. 123, pp. 109326
K. Schenk, M. Wissing, and J. Lunze
(See online at https://doi.org/10.1016/j.automatica.2020.109326)
