Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4906
Main Title: Building bridges in abstraction-based controller synthesis
Subtitle: advancing, combining, and comparing methods from computer and control
Translated Title: Zusammenführung verschiedener Methoden im abstraktionsbasierten Reglerentwurf
Translated Subtitle: die Weiterentwicklung von Methoden aus dem Bereich der Informatik und der Regelungstechnik, und deren Vergleich
Author(s): Schmuck, Anne-Kathrin
Advisor(s): Raisch, Jörg
Referee(s): Raisch, Jörg
Tabuada, Paulo
Moor, Thomas
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Abstraction based controller synthesis is a well established two-step procedure to solve complex control problems involving discrete valued quantities. First, a symbolic abstraction of the system to be controlled is generated providing a discrete time model with a finite, discrete valued signal space and finitely many states. Second, a symbolic controller for a desired symbolic specification is constructed using the previously generated symbolic model. This controller synthesis approach is usually used in two different settings. Either (i) the specification is naturally given by a Linear Temporal Logic (LTL) or a Computation Tree Logic (CTL) formula over a finite set of symbols, which can only be encountered by symbolic controller synthesis techniques. Or (ii) the system to be controlled is naturally equipped with a finite set of external symbols through which it interacts with its environment, e.g., the controller. For each of the two settings specific approaches to solve the synthesis problem have been proposed independently. In Part I of this thesis we will investigate the abstraction step of two different approaches, namely quotient based abstractions (QBA) and strongest asynchronous l-complete approximations (SAlCA), tailored to setting (i) and (ii), respectively. It will be shown that the resulting abstractions are generally incomparable. We will therefore derive necessary and sufficient conditions on the original system which allow for a detailed comparison. This builds our first bridge between the computer science community, which inspired the construction of QBA and the control systems community, where SAlCA were developed. When the second setting is considered where the use of abstraction based controller synthesis is motivated by the symbolic input-output structure of the system, the desired specification might not naturally be symbolic. However, to apply supervisory control theory (SCT), a framework for symbolic controller synthesis commonly used in combination with SAlCA, the specification is required to be modelled by a deterministic finite automaton (DFA). This motivates the investigation of larger specification classes to enrich the applicability of abstraction based controller synthesis in setting (ii). In Part II of this thesis we show that SCT can be extended to handle specifications realized by deterministic pushdown automata (DPDA). This builds our second bridge between the computer science community, where different automata models, such as DFA and DPDA, are formalized and the control systems community, where SCT was developed.
Der abstraktionsbasierte Reglerentwurf ist eine bekannte, zweistufige Entwurfsmethode, bei welcher zuerst eine Abstraktion des zu regelnden Systems konstruiert wird, welche diskretwertige externe Signale und eine endliche Zustandsmenge besitzt. Danach wird mit Hilfe dieser Abstraktion für eine gewünschte Spezifikation ein ereignisdiskreter Regler entworfen. Diese Reglersynthese wird üblicherweise in zwei verschiedenen Szenarien angewendet. Entweder ist die Spezifikation durch einen Logik-Ausdruck über einer endlichen Menge von Symbolen gegeben, welche nur durch symbolische (d.h. ereignisdiskrete) Reglersyntheseverfahren behandelt werden kann. Oder das zu regelnde System besitzt nur diskretwertige Mess- und Stellsignale, die nur die Interaktion mit einem ereignisdiskreten Regler erlauben. Für jedes dieser beiden Szenarien wurden unabhängig voneinander verschiedene Ansätze für die abstraktionsbasierte Reglersynthese entwickelt. Im ersten Teil dieser Arbeit vergleichen wir den Abstraktionsschritt zweier Ansätze, nämlich die quotientenbasierte Abstraktion (QBA) und die strengste asynchrone l-vollständige Approximation (engl. strongest asynchronous l-complete approximations (SAlCA)). Es wird sich zeigen, dass die resultierenden Abstraktionen generell nicht vergleichbar sind. Wir geben deshalb notwendige und hinreichende Bedingungen für das Originalsystem an, welche einen direkten Vergleich ermöglichen. Damit bauen wir die erste Brücke zwischen dem Gebiet der Informatik, durch welche die Konstruktion der QBA beeinflusst wurde, und dem Gebiet der Regelungstechnik, in dem SAlCA entwickelt wurden. Wenn im abstraktionsbasierten Reglerentwurf das zweite Szenario vorliegt, d.h., das zu regelnde System nur diskretwertige Mess- und Stellsignale besitzt, ist die Spezifikation meist nicht in einer einheitlichen Form gegeben. In Verbindung mit SAlCA wird der Reglerentwurf meist unter Verwendung der Supervisory Control Theory (SCT) durchgeführt. Allerdings kann die SCT nur angewendet werden, wenn die Spezifikation als deterministischer endlicher Automat (engl. deterministic finite automaton (DFA)) modelliert werden kann. Um die Anwendbarkeit dieser Entwurfsmethode zu verbessern, wird die SCT im zweiten Teil dieser Arbeit erweitert, um auch Spezifikationen in Form von deterministischen Kellerautomaten (engl. deterministic pushdown automata (DPDA)) behandeln zu können. Damit bauen wir die zweite Brücke zwischen dem Gebiet der Informatik, in dem verschiedene Automatenmodelle, wie DFA und DPDA, formalisiert wurden, und dem Gebiet der Regelungstechnik, in dem SCT entwickelt wurde.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5209
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4906
Exam Date: 18-Sep-2015
Issue Date: 2015
Date Available: 16-Dec-2015
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::600 Technik::600 Technik, Technologie
Subject(s): abstraction based controller synthesis
supervisory control theory
behavioral systems theory
abstraktionsbasierter Reglerentwurf
ereignisdiskrete Regelungstheorie
verhaltensbasierte Systemtheorie
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/de
ISBN: 978-3-7375-7174-6
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