Safety Verification of Real-Time Control Systems with Flexible Timing

dc.contributorRoppenecker, Günter
dc.contributorUlbrich, Peter
dc.contributorKonigorski, Ulrich
dc.contributor.advisorRoppenecker, Günter
dc.contributor.authorGaukler, Maximilian
dc.date.accessioned2023-04-24
dc.date.available2023-04-23
dc.date.created2023
dc.date.issued2023-04-24
dc.description.abstractThe topic of this work is the analysis of control loops under the influence of input/output timing deviations. Such deviations from the ideal periodic timing can lead to increased control error or even to instability. To address this issue, methods are presented to determine a safe tolerance band for the timing deviation. Two alternatives are addressed: stability analysis at design time and timing adaptation at run time. In both cases, the methods support multiple inputs and outputs with individual timing uncertainties. For the analysis at design time, the work presents methods to determine stability and maximal control error at design time for a given input/output time window. The linear case is analyzed using linear impulsive systems. Progress towards solving the nonlinear case is made by reachability analysis of hybrid automata in connection with the Continuization method. For a flexible adaptation at run time, the framework of convergence rate abstractions is developed. By this, the decision about the permissible input/output timing can be made according to the current situation and with little computational overhead. Hence, larger temporal deviations can be permitted for a short time as long as the timing remains good enough in the long-term average to preserve stability.en
dc.description.abstractDie Arbeit befasst sich mit dem Verhalten von Regelkreisen unter dem Einfluss von zeitlichen Abweichungen der Ein- und Ausgabe. Solche Abweichungen von einem idealen periodischen Zeitraster können zu größerer Regelabweichung und bis hin zu Instabilität führen. Die Arbeit stellt Methoden vor, um ein erlaubtes Toleranzband für die zeitliche Abweichung zu bestimmen. Dies umfasst zum einen die Stabilitätsanalyse zum Entwurfszeitpunkt und zum anderen die Adaption zur Laufzeit. Insbesondere wird der Mehrgrößenfall betrachtet, in dem mehrere Sensoren und Aktoren jeweils eigene zeitliche Unsicherheiten aufweisen. Für die Analyse zum Entwurfszeitpunkt werden Methoden zur die Analyse der Stabilität und maximalen Regelabweichung für ein gegebenes Ein-/Ausgabe-Zeitfenster vorgestellt. Für den linearen Fall wird dies anhand eines linear impulsives Systemmodells umgesetzt. Als Lösungsweg für den nichtlinearen Fall wird die Erreichbarkeitsanalyse hybrider Automaten in Verbindung mit der Continuization-Transformation untersucht. Zum anderen wird eine Methode zur flexiblen Anpassung der Ein-/Ausgabe-Zeitfenster an die aktuelle Situation entwickelt. Hierzu wird das Konzept der Konvergenzraten-Abstraktion entwickelt, um zur Laufzeit mit geringem Rechenaufwand eine Entscheidung über das zulässige Zeitfenster zu treffen. Somit kann kurzzeitig eine größere zeitliche Abweichung zugelassen werden, solange das durchschnittliche Timing hinreichend gut bleibt um die Stabilität zu erhalten.de
dc.format.extentxxv, 268 Seiten
dc.identifier.doihttps://doi.org/10.25593/978-3-96147-638-1
dc.identifier.isbn978-3-96147-638-1
dc.identifier.opus-id22768
dc.identifier.urihttps://open.fau.de/handle/openfau/22768
dc.identifier.urnurn:nbn:de:bvb:29-opus4-227680
dc.language.isoen
dc.publisherFAU University Press
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.de
dc.subjectTiming
dc.subjectReal-Time Control
dc.subjectMultiple-Input-Multiple-Output Systems (MIMO)
dc.subjectStability Analysis
dc.subjectLinear Impulsive Systems
dc.subjectHybrid Automata
dc.subjectReachability Analysis
dc.subjectDynamic Resource Management
dc.subjectConvergence Rate Abstractions
dc.subjectUncertain Timing
dc.subject.ddcDDC Classification::0 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke :: 00 Informatik, Wissen, Systeme :: 004 Datenverarbeitung; Informatik
dc.subject.ddcDDC Classification::6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften :: 62 Ingenieurwissenschaften :: 629 Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften
dc.titleSafety Verification of Real-Time Control Systems with Flexible Timingen
dc.titleSicherheitsverifikation von Echtzeitregelungssystemen mit flexiblem Timingde
dc.typedoctoralthesis
dcterms.publisherFAU University Press
local.date.accepted2022-11-17
local.notesOpusParallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN: 978-3-96147-637-4
local.publisherplaceErlangen
local.sendToDnbfree*
local.series.id25
local.series.nameFAU Studien aus der Elektrotechnik
local.series.number20
local.subject.fakultaetTechnische Fakultät
local.subject.gndRegelung
local.subject.gndRegelungstechnik
local.subject.gndRegelungstheorie
local.subject.sammlungUniversität Erlangen-Nürnberg / FAU University Press
local.thesis.grantorFriedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) Technische Fakultät
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