Benchmarking of event triggered control algorithms

Nowadays, a consistent amount of sensing and actuating devices for control systems exploit wireless communication mechanisms and use accumulators as their primary energy source, bringing battery lifetime among the relevant aspects to be considered. One possible technique to reduce battery consumption is making these devices execute their task – that is, transmitting samples of the process’ output or performing a control action – “only when necessary” and remaining in a low-power state for the remaining time. Event-based or event-triggered control techniques exploit this principle: in these control methods, differently from the “classical” ones, a new control action is computed and applied to the process only when its output varies from the set point for more than a given threshold. It is apparent, then, that the sensing device monitoring the process’ output has to transmit its measurement to the control system only when certain conditions are met. Additionally, these control techniques bring in advantages also in terms of actuator’s wear: as said before, the control action is applied to the process only when there is the necessity to steer the controlled variable back to its nominal state, keeping the actuator in its previous state otherwise. This treatise firstly introduces event-based control and its background theory, complemented with some related topics both about event triggering mechanisms and PID control, to allow the reader to have a good overview of this technique. Then, general information about the used programing language and software are given to provide the necessary background for the subsequent chapters. Finally, the treatise presents the implementation of an event-based PID controller and a benchmarking of some event triggering mechanisms in various closed-loop systems, each of which composed by a specific PID controller and process structure.

Attualmente, una consistente quantità di dispositivi di misura e attuazione impiegati nei sistemi di controllo si basa meccanismi di comunicazione wireless e utilizza batterie come fonte di energia primaria accumulatori, il cui tempo di vita diventa un parametro da tenere in considerazione. Una possibile tecnica per ridurre il consumo della batteria è fare in modo che tali dispositivi eseguano il loro compito – ovvero trasmettere campioni dell'uscita del processo o compiere un'azione di controllo - "solo quando necessario", rimanendo in uno stato di basso consumo per il resto del tempo. Le tecniche di controllo di tipo event-based o event-triggered sfruttano questo principio: esse, diversamente da quelle "classiche", calcolano una nuova azione di controllo solo quando l’uscita del processo varia rispetto al valore nominale per più di una certa soglia. È quindi evidente che il dispositivo di misura collegato all’uscita del processo deve trasmettere la sua misurazione al sistema di controllo solo in determinate condizioni. Inoltre, vengono apportati dei vantaggi anche in termini di usura dei sistemi di attuazione: anche in questo caso, l'azione di controllo viene calcolata e applicata al processo solo quando è necessario riportare la variabile controllata al suo stato nominale, mantenendo l'attuatore nel suo stato precedente in tutti gli altri casi. In questa trattazione viene dapprima introdotto il controllo di tipo event-based e la sua teoria di base, integrata con alcuni argomenti correlati inerenti sia i meccanismi di generazione degli eventi che il controllo PID, in modo da consentire al lettore di avere una buona panoramica di questa tecnica. Quindi, vengono fornite informazioni generali sul linguaggio di programmazione e sul software utilizzato per dare al lettore tutte le conoscenze necessarie alla comprensione dei capitoli successivi. Infine, il resto della trattazione presenta l'implementazione di un regolatore PID event-based e l’analisi del comportamento di alcuni meccanismi di generazione degli eventi in diversi sistemi in anello chiuso, ognuno dei quali composto da un regolatore PID specifico e un processo avente una ben determinata struttura.