Modelo de sistema multisensor con enfoque de muestreo multifrecuencia

Authors

  • Alfonso Alfonsi Grupo de Investigación Arquitecturas de Sistema de Control, Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas, Universidad de Oriente, Núcleo de Anzoátegui
  • Raiza Yánez Grupo de Investigación Arquitecturas de Sistema de Control, Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas, Universidad de Oriente, Núcleo de Anzoátegui
  • Alfonso R. Alfonsi Grupo de Investigación Arquitecturas de Sistema de Control, Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas, Universidad de Oriente, Núcleo de Anzoátegui

DOI:

https://doi.org/10.32870/recibe.v10i1.163

Keywords:

Esquemas de muestreo, modelo sistemas multifrecuencia, multisensor, simulación.

Abstract

En la fase temprana de diseño de un multisensor están las especificaciones funcionales que establecen el comportamiento sus señales, donde es importante analizar la influencia de los tiempos de muestreo en el despliegue temporal entre los datos de entrada y salida disponibles del multisensor, como del enlace de comunicación que pudieran utilizar. Por tanto, en este trabajo se desarrolla un modelo de sistema multisensor considerando múltiples señales con periodos de muestreo que pueden ser diferentes del proceso y datos de estado, incluyendo la limitación temporal del enlace de comunicación. El sistema consta de los componentes: multisensor y estación base. Además, se desarrolló un modelo de simulación en Scilab/Xcos para ejercitar diferentes escenarios. El modelo ofrece un perfil temporal de la secuencia de datos sensoriales bajo diferentes esquemas de muestreo, permitiendo presentar la evolución de las señales con pérdidas o ausencias de muestras, las cuales al ser tratadas sistemáticamente con operadores multifrecuencia y funciones de interpolación para su reconstrucción, conducen a resultados utilizables para la abstracción del mundo real. Finalmente, la efectividad del modelo se ilustra mediante simulaciones numéricas.

Author Biographies

Alfonso Alfonsi, Grupo de Investigación Arquitecturas de Sistema de Control, Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas, Universidad de Oriente, Núcleo de Anzoátegui

Alfonso Alfonsi es Doctor en Ciencias, MSc. en Instrumentación ambas de la Universidad Central de Venezuela e Ing. Electricista de la Universidad de Oriente (UDO), Venezuela. Profesor Titular de la UDO e Investigador activo y acreditado en el SAI y PEII. Coordinador del Grupo de Investigación Arquitecturas de Sistemas de Control. Miembro de la Sociedad Venezolana de Computación, IEEE en sus sociedades de: Control Systems, Robotics and Automation, Instrumentation and Measurement. Ha publicado artículos en revistas científicas. El Dr. Alfonsi dirige su investigación a los sistemas empotrados con requisitos heterogéneos y complejos para del desarrollo sustentable.

Raiza Yánez, Grupo de Investigación Arquitecturas de Sistema de Control, Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas, Universidad de Oriente, Núcleo de Anzoátegui

Raiza Yánez es Doctora en Gerencia de la Universidad de Yacambú, MSc. en Cs. Administrativas mención Gerencia General e Ing. Industrial de la Universidad de Oriente (UDO), Venezuela. Profesora Titular de la UDO e Investigadora activa y acreditada en el SAI y PEII, miembro del Grupo de Investigación Arquitecturas de Sistemas de Control. Coordina el Programa de Actualización Profesional Sistemas de Gestión de la Calidad. Ha publicado artículos en revistas científicas. La Dra. Yánez dirige su investigación al pensamiento complejo y desarrollo sustentable.

Alfonso R. Alfonsi, Grupo de Investigación Arquitecturas de Sistema de Control, Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas, Universidad de Oriente, Núcleo de Anzoátegui

Alfonso R. Alfonsi es Ingeniero Electricista de la Universidad de Oriente, Barcelona, Venezuela, Mención Honorífica Magna Cum Laude. Miembro del Grupo de Investigación Arquitecturas de Sistemas de Control. Cuenta con más de ocho años de experiencia en la industria petrolera internacional en el área de operaciones de perforación direccional de pozos. Especialista en herramientas de medición y registro mientras se perfora (MWD y LWD, por su siglas en inglés), desde su ensamblaje, programación y operación en campo; solución de problemas, asistencia técnica y análisis de fallas.

References

Akyildiz, I. F. y Kasimoglu, I. H. (2004). Wireless Sensor and Actor Networks: Research Challenges. Ad Hoc Networks Journal, 2(4), 351-367. https://doi.org/10.1016/j.adhoc.2004.04.003

Albertos, P. y Salt, J. (2011). Non-Uniform Sampled-Data Control of Mimo Systems. Annual Reviews in Control, 35(1), 65–76. https://doi.org/10.1016/j.arcontrol.2011.03.004

Aranda-Escolástico, E., Salt, J., Guinaldo, M., Chacón, J. y Dormido, S. (2018). Optimal Control for Aperiodic Dual-Rate Systems With Time-Varying Delays. Sensors (Basel, Switzerland), 18(5), 1-19. Article 1491. https://dx.doi.org/10.3390/s18051491

Bamieh, B. y Pearson, J.B. (1991). A lifting technique for linear periodic systems with applications to sampled-data control. Systems & Control Letters, 17(2), 79–88. https://doi.org/10.1016/0167-6911(91)90033-B

Chapra, S. y Canale, R. (2015). Métodos Numéricos para Ingenieros (7ª ed.). Mcgraw-Hill/Interamericana Editores, S.A. de C.V.

Cimino, M. y Pagilla, P. R. (2010). Design of linear time-invariant controllers for multirate systems. Automatica, 46, 1315-1319.

Coffey, T. C. y Williams, I. J. (1966). Stability Analysis of Multiloop, Multirate Sampled Systems. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 4(12), 2178–2190. https://doi.org/10.2514/3.3874

Crochiere, R. E. y Rabiner, L. R. (1981). Interpolation and decimation of digital signals—A tutorial review. Proceedings of the IEEE, 69(3), 300-331. https://doi.org/10.1109/PROC.1981.11969

Deb Majumder, B., Roy, J. K. y Padhee, S. (2019). Recent Advances in Multifunctional Sensing Technology on a Perspective of Multi-Sensor System: A Review. IEEE Sensors Journal, 19(4), 1204-1214. https://doi.org/10.1109/JSEN.2018.2882239

Ding, F., Qiu, L. y Chen, T. (2009). Reconstruction of continuous-time systems from their non-uniformly sampled discrete-time systems. Automatica, 45(2), 324 – 332.

https://doi.org/10.1016/j.automatica.2008.08.007

Dorf, R. C. y Bishop, R. H. (2016). Modern Control Systems (13th ed.). Pearson Education Limited.

Ghosal, M. y Rao, V. (2019). Fusion of Multirate Measurements for Nonlinear Dynamic State Estimation of the Power Systems. IEEE Transactions on Smart Grid, 10(1), 216-226.

https://doi.org/10.1109/TSG.2017.2737359

Glasson, D. P. (1983). Development and Applications of Multirate Digital Control. IEEE Control Systems Magazine, 3(4), 2-8. https://doi.org/10.1109/MCS.1983.1104772

Godbout, L. F., Jordan, D. y Apostolakis, I. S. (1990) Closed-loop model for general multirate digital control systems. IEE Proceedings D - Control Theory and Applications, 137(5), 329-336. https://doi.org/10.1049/ip-d.1990.0043

Goyal, R. y Dhingra, M. (2019). Programming in Scilab. Alpha Science.

Ha, S. y Teich, J. (Ed). (2017). Handbook of Hardware/Software Codesign. Springer Science+Business Media. https://doi.org/10.1007/978-94-017-7267-9

ISO/IEC/IEEE. (2010a). ISO/IEC/IEEE 21451-1: 2010. Information technology -- Smart transducer interface for sensors and actuators -- Part 1: Network Capable Application Processor (NCAP) information model. http://doi.org/10.1109/IEEESTD.2010.5668469

ISO/IEC/IEEE. (2010b). ISO/IEC/IEEE 21450: 2010. Information technology -- Smart transducer interface for sensors and actuators. Common functions, communication protocols, and Transducer Electronic Data Sheet (TEDS) formats. https://doi.org/10.1109/IEEESTD.2010.5668466

Jia, X., Ma, W., Yang, F. y Zhang, D. (2017). Matching mechanism for networked control systems with multirate sampling. Institution of Engineering & Technology Control Theory & Applications, 11(16), 2848-2857. https://doi.org/10.1049/iet-cta.2017.0039

Kakarla J., Majhi, B. y Battula, R. B. (2015). "Comparative Analysis of Routing Protocols in Wireless Sensor–Actor Networks: A Review". International Journal of Wireless Information Networks, 22, 220–239. https://doi.org/10.1007/s10776-015-0271-2

Kordestani, M., Dehghani, M., Moshiri, B. y Saif, M. (2020). A New Fusion Estimation Method for Multi-Rate Multi-Sensor Systems With Missing Measurements. IEEE Access, 8, 47522-47532. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.2979222

Kranc, G. (1957). Input-output Analysis of Multirate Feedback Systems. Institute of Radio Engineers Transactions Automatic Control, 3(1), 21–28. https://doi.org/10.1109/TAC.1957.1104783

Laszlo, C. y Zhexembayeva, N. (2011). Embedded Sustainability. The Next Big Competitive Advantage. Stanford University Press. https://doi.org/10.4324/9781351278324

Lathi, B. P. y Green, R. A. (2019). Essentials of Digital Signal Processing. Cambridge University Press.

Liu, Y., Peng, Y., Wang, B. L., Yao, S. R. y Liu, Z. H. (2017). Review on Cyber-physical Systems. IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica, 4(1), 27-40. https://doi.org/10.1109/JAS.2017.7510349

Meinsma, G. y Mirkin, L. (2010a). Sampling from a system-theoretic viewpoint: part I concepts and tools. IEEE Transactions on Signal Processing, 58(7), 3578–359. https://doi.org/10.1109/TSP.2010.2047641

Meinsma, G. y Mirkin, L. (2010b). Sampling from a system-theoretic viewpoint: Part II - Noncausal solutions. IEEE transactions on signal processing, 58(7), 3591-3606.

https://doi.org/10.1109/TSP.2010.2047642

Muangprathuba, J., Boonnam, N., Kajornkasirata, S., Lekbangpong, N., Wanichsombata, A. y Nillaor, P. (2019). IoT and Agriculture Data Analysis for Smart Farm. Computers and Electronics in Agriculture, 156, 467-474. https://doi.org/10.1016/j.compag.2018.12.011

Nwe, M. S. y Tun, H. M. (2017). Implementation of Multisensor Data Fusion Algorithm. International Journal of Sensors and Sensor Networks, 5(4), 48–53. https://doi.org/10.11648/j.ijssn.20170504.11

Oppenheim, A. V., Willsky, A. S. y Hamid Nawab, S. (2013). Signals and Systems: Pearson New International Edition (2nd ed.). Pearson Education Limited.

Pradilla J., Esteve, M. y Palau, C. (2018). SOSFul: Sensor Observation Service (SOS) for Internet of Things (IoT). IEEE Latin American Transactions, 16(4), 1276-1283. https://doi.org/10.1109/TLA.2018.8362168

Roehm, H., Oehlerking, J., Woehrle, M. y Althoff, M. (2019). Model Conformance for Cyber-physical Systems: A Survey. ACM Transactions on Cyber-Physical Systems, 3(3), Article 30, 26p. https://doi.org/10.1145/3306157

Salt J. y Albertos P. (2005). Model-based Multirate Controllers Desing. IEEE Transactions on Control Systems Tecnology, 13(6), 988-997. https://doi.org/10.1109/TCST.2005.857410

Salt, J., Casanova, V., Cuenca, A. y Pizá, R. (2008). Sistemas de Control Basados en Red. Modelado y Diseño de Estructuras de Control. Revista Iberoamericana de Automática e Informática Industrial, 5(3), 5-20. https://polipapers.upv.es/index.php/RIAI/article/view/8290

Salt, J., Cuenca, A., Palau, F. y Dormido, S. (2014). Multirate Control Strategy to the Slow Sensors Problem: An Interactive Simulation Tool for Controller Assisted Design. Sensors, 3, 4086-4110. https://doi.org/10.3390/s140304086

Scilab. (2020). Scilab (Versión 6.1.0) [Software de Análisis Numérico Computacional, Código Abierto en Línea]. Engineering System International Group. https://www.scilab.org/

Tan, L. y Jiang, J. (2018). Digital Signal Processing: Fundamentals and Applications (3rd ed.). Elsevier Science Publishing.

Teich, J. (2012). Hardware/Software Codesign: The Past, the Present, and Predicting the Future. Proceeding of the IEEE, 100, 1411-1430. https://doi.org/10.1109/JPROC.2011.2182009

Thompson, P. M. (1985). Gain and Phase Margins of Multirate Sampled-Data Feedback Systems. International Journal of Control. 44(3), 833-846. https://doi.org/10.1080/00207178608933635

Yan, L., Li, X. R., Xia Y. y Fu M. (2015). Modeling and estimation of asynchronous multirate multisensor system with unreliable measurements. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 51(3), 2012-2026. https://doi.org/10.1109/TAES.2015.140462.

Zhang, D., Bai, W. y Jia, X. (2015). Periodic Switched Control of Dual-Rate Sampled-Data Systems. Mathematical Problems in Engineering, 2015, Article ID 515232.

http://dx.doi.org/10.1155/2015/515232

Zhu, Q., Lu, K. Zhu, Y. y Xie, G. (2016). Modelling and State Feedback Control of Multi-Rate Networked Control Systems with Both Short Time Delay and Packet Dropout. International Journal of Innovative Computing, Information and Control, 12(3), 779-793. https://doi.org/10.24507/ijicic.12.03.779

Published

2021-05-13

How to Cite

Alfonsi, A., Yánez, R., & Alfonsi, A. R. (2021). Modelo de sistema multisensor con enfoque de muestreo multifrecuencia. ReCIBE, Electronic Journal of Computing, Informatics, Biomedical and Electronics, 10(1), E1–25. https://doi.org/10.32870/recibe.v10i1.163