Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2036
Main Title: A hierarchical control structure for a class of timed discrete event systems
Translated Title: Eine hierarchische Reglerarchitektur für eine Klasse ereignisdiskreter Systeme
Author(s): Li, Danjing
Advisor(s): Raisch, Jörg
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Viele ereignisdiskrete Systeme (discrete event system, DES) haben eine vorbestimmte Reihenfolge der Aktivitäten. In der Realität treten häufig Störungen auf, so dass die vorbestimmte Reihenfolge ihre Optimalität verliert. Die derzeitigen Herausforderungen bei der Steuerung und Regelung komplexer DES umfassen die Koordination der Teilsysteme und die sachgemäße Behandlung von Störungen. Angeregt durch die Einfachheit und die Wirksamkeit der Methode der Max-Plus-Algebra, wird in dieser Arbeit ein hierarchisches Steuerungs- und Regelungsverfahren für DES mit einem generischen Ansatz vorgeschlagen. Für die Regelung von Max-Plus-Systemen sind hauptsächlich zwei Ansätze von Bedeutung: Der erste Ansatz ist die Methode "model predictive control". Der Hauptvorteil dieses Ansatzes ist die Möglichkeit, eine breite Klasse von Zielfunktionen vorgeben zu können. Allerdings ist der erforderliche Rechenaufwand sehr hoch. Der zweite Ansatz ist die optimale Regelung auf Basis der "residuation theory". Dieser Ansatz findet sich in der Literatur auch unter der Bezeichnung "Just-in-Time control". Mit der besonderen "Just-in-Time"-Anforderung als Zielfunktion kann die optimale Steuerung durch einfache algebraische Berechnungen ermittelt werden. Allerdings ist "Just-in-Time" für viele Anwendungen als Zielsetzung nicht zweckmäßig. In dieser Arbeit wird eine alternative, energieoptimale Zielfunktion für die Regelung spezifiziert. Im Kontext der in dieser Arbeit betrachteten Anwendung ist dieser Ansatz günstiger. Er erlaubt es dennoch, die Vorteile der Max-Plus-Algebra (kompakte Darstellung, schnelle Berechnung) zu nutzen. Es gibt jedoch auch Anwendungen, bei denen Ereigniszeitpunkte von Ereignissen späterer Zyklen abhängen. Diese Situation entspricht Systemmatrizen negativer Ordnung im Max-Plus-Algebra-Modell. Dieses Thema wird deshalb hier diskutiert. In dieser Arbeit wird eine neue hierarchische Reglerarchitektur für eine Klasse ereignisdiskreter Systeme ohne und mit zyklischen Eigenschaften vorgeschlagen. Die obere hierarchische Ebene basiert auf einem Max-Plus-Algebra-Modell und aktualisiert anhand von Information über den Systemzustand in Echtzeit die optimale Reihenfolge der Aktivitäten. Die aktualisierte Reihenfolgeinformation wird in der unteren Ebene in ein Referenzsignal übersetzt, anhand dessen das physikalische System geregelt werden kann. Durch die Ausnutzung der auf der unteren Ebene verbleibenden Freiheitsgrade wird der Gesamtenergieverbrauch verringert. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Anwendung auf Schienenverkehrssysteme. Der vorgeschlagene Regelungsentwurf kann jedoch ebenso auf andere ereignisdiskrete Systeme, wie zum Beispiel "High-Throughput-Systeme", flexible Fertigungssysteme, oder chemische Batchprozesse angewendet werden.
Many discrete event systems (DES) have predefined orders of activities. In reality, disturbances often happen in a way that the predetermined order loses its superiority. For complex DES, challenging control issues include coordination of sub-plants and appropriate handling of unexpected events. Inspired by the simplicity and the effectiveness of max-plus algebra models for DES, a hierarchical planning and control scheme for DES control in a generic setting is proposed in this research. There appear to be two main approaches for solving control problems for max plus systems. The first approach is model predictive control. The main advantage of this approach is that it allows to specify a wide class of performance objectives. However, the required computational load is heavy. The second approach is residuation theory based optimal control. This approach also appears under the other names such as "Just-in-Time control". With the specific "Just-in-Time" performance requirement as the control objective, the optimal control can be derived from simple algebraic calculations. Apparently, "Just-in-Time" is not always the appropriate performance target for many applications. In this thesis, an alternative, Energy Optimal Control requirement will be specified as an objective. This makes more sense in the context of the application studied in this thesis while still taking advantage of the simplicity of max plus algebraic calculations. In many applications, certain events in earlier cycles are desired to depend on events in later cycles, which corresponds to Negative Order system matrices. This topic will therefore be discussed in this thesis. In this work, a novel hierarchical control architecture for a class of discrete-event systems without/with cyclic features has been proposed. Based on online information and a max-plus algebra model, the control system updates the optimal order of activities in real time on the upper level. The updated order information is passed to the lower level where it is translated into a reference signal for the physical system to be controlled. By exploiting the remaining degrees of freedom, overall energy consumption is reduced. In this thesis, we particularly focus on the application of railway transportation systems. It should be noted that the proposed control scheme can also be applied to other discrete event systems such as high throughput systems, flexible manufacturing systems and chemical batch processing.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-20879
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2333
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2036
Exam Date: 28-Nov-2008
Issue Date: 2-Dec-2008
Date Available: 2-Dec-2008
DDC Class: 004 Datenverarbeitung; Informatik
Subject(s): Ereignisdiskrete Systeme
Max-Plus Algebra
Min-Plus Algebra
Schienenverkehrssysteme
Discrete event systems
Max-plus algebra
Min-plus algebra
Rail traffic
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