Resumen
Sistemas de Control Basados en Red es el término que se emplea para referirse a
un tipo especial de sistemas de control, que se caracterizan por la utilización un medio de
comunicación compartido para la transferencia de información entre el controlador y la
planta controlada. Esto significa que, a diferencia de un sistema de control discreto
convencional, en este tipo de sistemas el mismo medio de comunicación es empleado
para establecer varios bucles de control e incluso para otro tipo de tareas no relacionadas
con el control. El hecho de utilizar un enlace de uso no exclusivo para cerrar el bucle de
realimentación presenta una serie de inconvenientes que tendrán una influencia negativa
en la evolución temporal de la variable de interés.
Básicamente, existen dos formas de abordar este problema. Por un lado es posible
actuar para mejorar las prestaciones del medio de comunicación compartido, aumentando
con ello el ancho de banda disponible y, por lo tanto, reduciendo su impacto en los
objetivos de control. Desde otro punto de vista, se puede asumir que el medio de
comunicación existe e impone limitaciones, y tratar de paliar su influencia mediante el
diseño de estructuras de control apropiadas. Este segundo planteamiento, más cercano al
área de conocimiento dedicada al control automático, es el que se ha utilizado en el
trabajo que constituye esta tesis doctoral.
El primero de los inconvenientes característicos de este tipo de sistemas es que el
hecho de compartir el enlace reduce el ancho de banda disponible, tanto más cuanto
mayor sea el número de dispositivos compitiendo por la utilización del mismo. Esta
limitación en la frecuencia de muestreo y control, puede determinar la cota inferior del
periodo de muestreo empleado en un bucle de control discreto convencional y, por lo
tanto, supondrá un límite para las prestaciones que es factible conseguir para la variable
de interés. Al no estar siempre disponible el medio de comunicación, puede no ser posible
transmitir toda la cantidad de información por unidad de tiempo que sería deseable, ya
que hay que repartir la capacidad del enlace entre todos los dispositivos compitiendo por
su uso. En un sistema de control convencional esta limitación obligaría a aumentar el
periodo de muestreo hasta que se pueda garantizar que es posible transmitir toda la
información, dejando libre el enlace el tiempo suficiente para los demás dispositivos, lo
cual en la mayoría de los casos supondrá situarse en el caso peor. Sin embargo, también
es posible diseñar una estructura de control adaptada a esta situación que trate de
aprovechar al máximo el ancho de banda disponible y que, aunque no pueda conseguir
las prestaciones de un sistema de control sin limitaciones, proporcione una mejora
respecto al caso peor.
El segundo inconveniente que impone el medio de comunicación compartido es la
presencia de retrasos de acceso aleatorios debidos a la naturaleza estocástica del
tráfico de información en el enlace. No se trata de retrasos de transporte que provocan
que la información llegue más o menos tarde, pero sin pérdidas. En este caso el retraso
aparece en el acceso al recurso compartido y, en función de la relación entre el retraso y
la frecuencia de la señal discreta a transmitir, es posible que algunas muestras no lleguen
nunca a ser enviadas. No se trata de información que llega tarde y de forma irregular, sino
de información que se pierde mientras espera que se le conceda el uso del enlace.
Lógicamente esta pérdida de información tendrá una influencia negativa en las
prestaciones de control que puede ser reducida con un diseño apropiado del controlador,
que tenga en cuenta que parte de la información se va a perder y actué en consecuencia.
El tercer inconveniente que se ha considerado es la falta de sincronismo entre las
bases de tiempo que gobiernan las tareas que desempeñan dispositivos situados en
ambos extremos del enlace compartido. En un sistema de control discreto convencional
se asume que el muestreo de la variable de interés, el cálculo de las acciones de control y
la aplicación de las mismas sobre el proceso controlado coinciden en el tiempo. Al no
existir una forma de comunicar los dos extremos de manera permanente no es sencillo
garantizar que los eventos que en ellos suceden estén perfectamente sincronizados. En
condiciones normales esta falta de sincronismo no influiría demasiado en las prestaciones
del sistema pero, cuando se combina con el retraso de acceso aleatorio da lugar a
pérdida y reutilización de la información transmitida que puede ser significativa para los
objetivos de control. Además si la falta de sincronismo es consecuencia del retraso de
acceso al medio compartido, dará lugar a muestreo y actuación irregulares. Nuevamente
esta inconveniente puede ser previsto en el diseño del controlador para reducir su
influencia en la variable de interés.
El trabajo se plantea con un objetivo fundamental: el desarrollo de estructuras de
control adaptadas a la presencia del medio de comunicación compartido y a los
inconvenientes que provoca. Para lograr este objetivo y siguiendo un procedimiento
clásico en la teoría de control, se describe el escenario del problema, caracterizando el
impacto del enlace compartido mediante una colección de parámetros. A continuación se
modela el bucle de control, incluyendo el medio de comunicación, y se emplea este
modelo para diseñar la estructura de control que intentará solucionar, al menos en parte,
los problemas causados por el enlace compartido.
Con este objetivo el trabajo se ha estructurado en dos partes. En la primera se
considera la combinación del ancho de banda limitado con la presencia de retrasos de
acceso aleatorios, asumiendo una perfecta sincronización entre emisores y receptores de
la información transmitida. En la segunda parte se considera la combinación de la falta de
sincronismo con el retraso de acceso y las irregularidades que ello provoca, asumiendo
que no hay limitaciones en cuanto a la frecuencia de muestreo y control. En ambos casos,
se desarrolla un modelo del bucle a través del medio compartido y se proponen
estructuras de control adaptadas a los inconvenientes considerados. Las estructuras de
control propuestas han sido evaluadas empleando un modelo de simulación de este tipo
de sistemas, desarrollado expresamente como parte del trabajo.
Esta tesis doctoral se ha planteado como el inicio de una línea de investigación pero,
por supuesto, no es el final de la misma. Quedan todavía muchos aspectos que
considerar y muchos problemas que resolver entre los cuales, a modo de ejemplo, se
pueden citar la extensión de las estructuras propuestas al caso que considera la
presencia de los tres inconvenientes descritos, la mejora de las soluciones propuestas
con la inclusión de una realimentación local a través de un enlace de uso exclusivo y la
implementación sobre un sistema real. Estos aspectos, que se proponen como trabajo
futuro, son una muestra de los muchos problemas abiertos por donde continuar la línea de
investigación dedicada a los Sistemas de Control Basados en Red.