Resum
Sistemes de Control Basats en Xàrcia és el terme que s'empra per a referir-se a
un tipus especial de sistemes de control, que es caracteritzen per la utilització un mitjà de
comunicació compartit per a la transferència d'informació entre el controlador i la planta
controlada. Açò significa que, a diferència d'un sistema de control discret convencional, en
este tipus de sistemes el mateix mitjà de comunicació és emprat per a establir diversos
bucles de control i inclús per a un altre tipus de tasques no relacionades amb el control. El
fet d'utilitzar un enllaç d'ús no exclusiu per a tancar el bucle de realimentació presenta una
sèrie d'inconvenients que tindran una influència negativa en l'evolució temporal de la
variable d'interés.
Bàsicament, hi ha dos formes d'abordar este problema. D'una banda és possible
actuar per a millorar les prestacions del mitjà de comunicació compartit, augmentant amb
això l'ample de banda disponible i, per tant, reduint el seu impacte en els objectius de
control. Des d'un altre punt de vista, es pot assumir que el mitjà de comunicació existix i
imposa limitacions, i tractar de pal·liar la seua influència per mitjà del disseny d'estructures
de control apropiades. Este segon plantejament, més pròxim a l'àrea de coneixement
dedicada al control automàtic, és el que s'ha utilitzat en el treball que constituïx esta tesi
doctoral.
El primer dels inconvenients característics d'este tipus de sistemes és que el fet de
compartir l'enllaç reduïx l'ample de banda disponible, tant més quant major siga el nombre
de dispositius competint per la utilització del mateix. Esta limitació en la freqüència de
mostratge i control, pot determinar la cota inferior del període de mostratge emprat en
un bucle de control discret convencional i, per tant, suposarà un límit per a les prestacions
que és factible aconseguir per a la variable d'interés. Al no estar sempre disponible el
mitjà de comunicació, pot no ser possible transmetre tota la quantitat d'informació per
unitat de temps que seria desitjable, ja que cal repartir la capacitat de l'enllaç entre tots els
dispositius competint pel seu ús. En un sistema de control convencional esta limitació
obligaria a augmentar el període de mostratge fins que es puga garantir que és possible
transmetre tota la informació, deixant lliure l'enllaç el temps suficient per als altres
dispositius, la qual cosa en la majoria dels casos suposarà situar-se en el cas pitjor. No
obstant, també és possible dissenyar una estructura de control adaptada a esta situació
que tracte d'aprofitar al màxim l'ample de banda disponible i que, encara que no puga
aconseguir les prestacions d'un sistema de control sense limitacions, proporcione una
millora respecte al cas pitjor.
El segon inconvenient que imposa el mitjà de comunicació compartit és la presència
de retards d'accés aleatoris deguts a la naturalesa estocástica del tràfic d'informació en
l'enllaç. No es tracta de retards de transport que provoquen que la informació arribe més o
menys tard, però sense pèrdues. En este cas el retard apareix en l'accés al recurs
compartit i, en funció de la relació entre el retard i la freqüència del senyal discret a
transmetre, és possible que algunes mostres no arriben mai a ser enviades. No es tracta
d'informació que arriba tard i de forma irregular, sinó d'informació que es perd mentres
espera que se li concedisca l'ús de l'enllaç. Lògicament esta pèrdua d'informació tindrà
una influència negativa en les prestacions de control que pot ser reduïda amb un disseny
apropiat del controlador, que tinga en compte que part de la informació es va a perdre i
vaig actuar en conseqüència.
El tercer inconvenient que s'ha considerat és la falta de sincronisme entre les
bases de temps que governeu les tasques que exercixen dispositius situats en estos dos
extrems de l'enllaç compartit. En un sistema de control discret convencional s'assumix que
el mostratge de la variable d'interés, el càlcul de les accions de control i l'aplicació de les
mateixes sobre el procés controlat coincidixen en el temps. Al no existir una forma de
comunicar els dos extrems de manera permanent no és senzill garantir que els
esdeveniments que en ells succeïxen estiguen perfectament sincronitzats. En condicions
normals esta falta de sincronisme no influiria massa en les prestacions del sistema però,
quan es combina amb el retard d'accés aleatori dóna lloc a pèrdua i reutilització de la
informació transmesa que pot ser significativa per als objectius de control. A més si la falta
de sincronisme és conseqüència del retard d'accés al mitjà compartit, donarà lloc a
mostratge i actuació irregulars. Novament esta inconvenient pot ser previst en el disseny
del controlador per a reduir la seua influència en la variable d'interés.
El treball es planteja amb un objectiu fonamental: el desenrotllament d'estructures
de control adaptades a la presència del mitjà de comunicació compartit i als inconvenients
que provoca. Per a aconseguir este objectiu i seguint un procediment clàssic en la teoria
de control, es descriu l'escenari del problema, caracteritzant l'impacte de l'enllaç compartit
per mitjà d'una col·lecció de paràmetres. A continuació es modela el bucle de control,
incloent el mitjà de comunicació, i s'empra este model per a dissenyar l'estructura de
control que intentarà solucionar, almenys en part, els problemes causats per l'enllaç
compartit.
Amb este objectiu el treball s'ha estructurat en dos parts. En la primera es considera
la combinació de l'ample de banda limitat amb la presència de retards d'accés aleatoris,
assumint una perfecta sincronització entre emissors i receptors de la informació
transmesa. En la segona part es considera la combinació de la falta de sincronisme amb
el retard d'accés i les irregularitats que això provoca, assumint que no hi ha limitacions
quant a la freqüència de mostratge i control. En estos dos casos, es desenrotlla un model
del bucle a través del mitjà compartit i es proposen estructures de control adaptades als
inconvenients considerats. Les estructures de control proposades han sigut avaluades
emprant un model de simulació d'este tipus de sistemes, desenrotllat expressament com a
part del treball.
Esta tesi doctoral s'ha plantejat com l'inici d'una línia d'investigació però, per
descomptat, no és el final de la mateixa. Queden encara molts aspectes que considerar i
molts problemes que resoldre entre els quals, a manera d'exemple, es poden citar
l'extensió de les estructures proposades al cas que considera la presència dels tres
inconvenients descrits, la millora de les solucions proposades amb la inclusió d'una
realimentació local a través d'un enllaç d'ús exclusiu i la implementació sobre un sistema
real. Estos aspectes, que es proposen com a treball futur, són una mostra dels molts
problemes oberts per on continuar la línia d'investigació dedicada als Sistemes de Control
Basats en Xàrcia.