19th International Symposium of Electrical Engineering

SIE 2021

Software for the design of event-based PID controllers by crossing fixed thresholds.

Abstract

Event-based PID control algorithms try to take advantage of the well-known benefits of PID control while reducing traffic through the communication networks that connect the different hardware units that make up distributed control systems: sensors, controllers, actuators. The motivations to reduce the sending of data are, on the one hand, to avoid network congestion and with it the introduction of communication delays and data loss in highly interconnected systems, and on the other hand, to increase the useful life of remote sensor batteries, since according to some studies most of the energy is consumed during data transmission.

The event generation strategies are of special importance in these control systems, since they are in charge of generating the events to indicate the transmission of data between the devices. In recent years, strategies have been developed to generate events for sending data based on crossing fixed thresholds. This type of strategy includes the following: "symmetric send on delta" (SSOD), "regular quantization" (RQ) and "regular quantization with hysteresis "(RQH), the latter being a generalization of the previous two.

The use of fixed threshold crossing strategies for sending data has allowed the development of a theoretical framework for the analysis and design of this type of control systems. This framework is based on frequency response methods, extending some concepts from classical continuous system control theory, such as phase and gain margin, to the case of event-based controllers. In this work recent results are shown in this regard and a software tool that allows analysis, design and simulation of this type of control systems is presented. The tool is programmed in Python, is open source and can be used for both research and teaching purposes.

Resumen

Los algoritmos de control PID basados en eventos tratan de aprovechar las conocidas ventajas del control PID a la vez que reducen el tráfico por las redes de comunicaciones que conectan las distintas unidades de hardware que forman los sistemas de control distribuidos: sensores, controladores, actuadores. Las motivaciones para reducir el envío de datos son, por un lado, evitar la congestión de las redes y con ello la introducción de retardos en las comunicaciones y la pérdida de datos en sistemas altamente interconectados, y por otro lado, aumentar la vida útil de las baterías de los sensores remotos, ya que según algunos estudios la mayor parte de la energía se consume durante el envío de datos.

Las estrategias de generación de eventos tienen una importancia especial en estos sistemas de control, ya que son las encargadas de generar los eventos para indicar la transmisión de datos entre los dispositivos. Durante los últimos años se han desarrollado estrategias de generación de eventos para el envío de datos basadas en el cruce de umbrales fijos. A este tipo de estrategia pertenece la conocida como "envío por cruce de niveles simétricos" (SSOD por sus siglas en inglés: symmetric send on delta), la "cuantificación regular" (RQ por sus siglas en inglés: regular quantization) y la "cuantificación regular con histéresis" (RQH por sus siglas en inglés: regular quantization with hysteresis), siendo esta última una generalización de las dos anteriores.

El uso de las estrategias de cruce de umbrales fijos para el envío de datos ha permitido el desarrollo de un marco teórico para el análisis y diseño de este tipo de sistemas de control. Dicho marco se basa en los métodos de respuesta de frecuencia, extendiendo algunos conceptos de la teoría clásica de control de sistemas continuos, como el margen de fase y de ganancia, al caso de los controladores basados en eventos. En este trabajo se muestran resultados recientes en este sentido y se presenta una herramienta de software que permite en análisis, diseño y simulación de este tipo de sistemas de control. La herramienta está programada en Python, es de código abierto y puede ser usada tanto con fines de investigación como docentes.