Microcontroller implementation of event-based controllers

Feedback control algorithms are essential for the proper functioning of many industrial systems. A lot of research in the digital feedback control field is devoted to periodic and event-based control systems. Moreover, in a considerable number of applications, these control algorithms are implemented in an embedded and real-time software environment, namely on microcontrollers. These control systems, due to their periodic nature, pose strong, non-negotiable requirements on the implementations of their algorithms as the only way to guarantee the required control performance. This, however, might lead to a non-optimal utilisation of the hardware resources: for example, in a periodic digital controller a new value for the control variable is computed in every cycle, also when the process reached steady state. This clearly results in an unnecessary resource usage, like processor time and communication bandwidth. This thesis analyses control algorithms applicable to embedded control systems, allowing for a more balanced resource usage and dropping the strict requirement in terms of periodic execution. This results also in a reduced power consumption and cost. A possible way to obtain this, can be varying the sample frequency over time and dynamically schedule the control algorithms to optimize over processor load. Another possibility is performing a control update only when the controlled variable goes beyond a defined threshold The second technique outlined, also allows to reduce the resources' utilisation in terms of communication bandwidth. The main idea is to only execute the control algorithm when it is necessary from a control performance point of view. In summary, two types of control methods are analyzed experimentally. The results clearly indicate the potential benefits of the second control method, with respect to the overall system performance and in making trade-offs between control performance, software performance and power efficiency.

Gli algoritmi di controllo in anello chiuso sono essenziali per il corretto funzionamento di molti sistemi industriali. Molta della ricerca nel campo del controllo digitale in anello chiuso è dedicata ai sistemi di controllo periodici ed event-based. Inoltre, in un numero considerevole di applicazioni, questi algoritmi di controllo sono implementati in un ambiente software di tipo embedded e in tempo reale, in particolare su microcontrollori. Le tecniche di controllo a passo fisso, a causa della loro natura, pongono requisiti stringenti per quanto riguarda l'implementazioni dei loro algoritmi come unica modalità in grado di garantire le prestazioni di controllo richieste. Ciò, tuttavia, potrebbe portare a un utilizzo non ottimale delle risorse hardware: ad esempio, in un sistema di controllo digitale a passo fisso, viene calcolato un nuovo valore per la variabile di controllo in ogni ciclo, anche quando il processo ha raggiunto il punto di lavoro richiesto. Ciò comporta chiaramente un impiego di risorse non più necessarie, come il tempo di processore e la banda di trasmissione dati. Questa tesi analizza gli algoritmi di controllo applicabili a sistemi di controllo embedded, consentendo un utilizzo più equilibrato delle risorse ed eliminando i severi requisiti in termini di esecuzione periodica. Ciò comporta anche un consumo di energia ridotto. Un possibile modo per ottenere questo può essere la variazione della frequenza di campionamento nel tempo e la pianificazione dinamica degli algoritmi di controllo al fine di ottimizzare il carico del processore. Un'altra possibilità è eseguire un aggiornamento del controllo solo quando la variabile controllata supera una soglia ben definita. La seconda tecnica delineata consente inoltre di ridurre l'utilizzo delle risorse di trasmissione dati. L'idea principale è quella di eseguire l'algoritmo di controllo solo quando è necessario dal punto di vista delle prestazioni di controllo. In sintesi, vengono analizzati sperimentalmente due tipi di metodi di controllo. I risultati indicano chiaramente i potenziali vantaggi del secondo metodo di controllo, rispetto alle prestazioni complessive del sistema e nel bilanciamento tra prestazioni di controllo, prestazioni del software ed efficienza energetica.