Active fault-tolerance in wireless networked control systems [Elektronische Ressource] / von Cristian Ionuţ Chihaia

Cristian I. Chihaia

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• Publié par: universitat_duisburg-essen
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 11
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 11 Mo

Extrait

Active Fault-Tolerance in Wireless Networked
Control Systems
Cristian I. ChihaiaActive Fault-Tolerance in Wireless
Networked Control Systems
Von der Fakultät für Ingenieurwissenschaften
der Universität Duisburg-Essen
zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)
genehmigte Dissertation
von
Dipl.-Ing. Cristian Ionuţ Chihaia
aus
Iaşi, Rumänien
Referent: Prof. Dr.-Ing. Steven X. Ding
Korreferent: Prof. Andreas Czylwik
Tag der mündlichen Prüfung: 24.06.2010This page intentionally left blank,
and it could be used for writing notes.Acknowledgements
Ich danke Ihnen aus vollem Herzen!
Thank you from all my heart!
!
Muchas gracias!

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ขอบค ณมากคร บ
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Vă mulţumesc din toată inima!
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and it could be used for writing notes.Contents
List of acronyms xi
Abstract xv
1 Introduction 1
1.1 Faults and failures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Fault-tolerance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.1 Model-based fault diagnosis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.2 Fault-tolerant control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 Real-time control systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4 Quality of service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4.1 Stability and control performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4.2 Performance measures in FDI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.5 Integration of control, communication and computing . . . . . . . . . . . . 14
2 State of the art in Wireless Networked Control Systems 17
2.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2 Standards and their organizations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3 Bene ts and requirements of wireless communication . . . . . . . . . . . . . 22
2.4 Wireless communication issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5 Channel access mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.6 Modeling of faults induced by the communication network . . . . . . . . . . 27
2.7 Cross-layer design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.8 Determinism in industrial communication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
iiiContents
2.8.1 Common constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.9 Real-time classes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.10 Hybrid wired/wireless networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.11 Multi-layer communication structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.12 Diversity schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.13 General-purpose control systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3 Communication protocol for Wireless Networked Control Systems 39
3.1 De nitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2 Preemptive versus non-preemptive scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.3 Types of task constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.4 Analogy between task and communication scheduling . . . . . . . . . . . . . 42
3.5 Modeling of the scheduling system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.6 Description of the implemented protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.7 Addressing scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.8 Reliability and safety model construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.9 Schedule for the benchmark system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4 Resource and recon guration management 55
4.1 De nitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.2 Hierarchy of functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.3 Communication mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.4 Global and local fault tolerance { Tolerance layers . . . . . . . . . . . . . . 61
4.5 Actual implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.5.1 Hierarchical control pattern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.6 Classes hierarchy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.7 Decision algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5 WiNC Platform 69
5.1 Benchmarks description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.2 Platform description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
iv