+ All Categories
Home > Documents > 245822 Vatanski Kansi - Aalto University...

245822 Vatanski Kansi - Aalto University...

Date post: 11-Jun-2020
Category:
Upload: others
View: 8 times
Download: 0 times
Share this document with a friend
172
Transcript
Page 1: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski
Page 2: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski
Page 3: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS 100/2011

Networked Control with Delay Measurement and Estimation

Nikolai Vatanski

Doctoral dissertation for the degree of Doctor of Science in Technology to be presented with due permission of the School of Chemical Technology for public examination and debate in Auditorium KE2 (Komppa Auditorium) at Aalto University School of Chemical Technology (Espoo, Finland) on the 18th of November, 2011, at 12 noon.

Aalto University School of Chemical Technology Department of Biotechnology and Chemical Technology

Page 4: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

Supervisor Professor Sirkka-Liisa Jämsä-Jounela Instructor Professor Raimo Ylinen Preliminary examiners Professor Dominique Sauter, Nancy Poincaré University, France Professor Matti Vilkko, Tampere University of Technology, Finland Opponents Professor Dominique Sauter, Nancy Poincaré University, France Professor Steven X. Ding, University of Duisburg-Essen, Germany

Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS 100/2011 © Nikolai Vatanski ISBN 978-952-60-4325-8 (pdf) ISBN 978-952-60-4324-1 (printed) ISSN-L 1799-4934 ISSN 1799-4942 (pdf) ISSN 1799-4934 (printed) Unigrafia Oy Helsinki 2011 Finland The dissertation can be read at http://lib.tkk.fi/Diss/

Page 5: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

Abstract Aalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto www.aalto.fi

Author Nikolai Vatanski Name of the doctoral dissertation Networked Control with Delay Measurement and Estimation Publisher School of Chemical Technology Unit Department of Biotechnology and Chemical Technology Series Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS 100/2011 Field of research Process Control Manuscript submitted 18 April 2011 Manuscript revised 12 August 2011 Date of the defence 18 November 2011 Language English

Monograph Article dissertation (summary + original articles)

Abstract As future industrial communication network solutions move towards industrial Ethernet based solutions, monitoring and control of network parameters and control of the network will gain more attention than previously in order to achieve unperturbed performance. The main challenges in implementation of Ethernet based solutions in control applications come from the fact that the performance of the network is priory nondeterministic and may change according to the load in the network. Respectively, this perturbed operation of the communication network may affect on efficiency and performance of the control application.

This work focuses on performance improvement of a control application that is controlled over a switched Ethernet network. In such networks main network parameter that may pose perturbation in performance is the network-induced delay. With novel network instrumentation and network performance estimation methods the behavior of the network-induced delay in the switched Ethernet network is described. The outputs of these methods are used in the control strategies to compensate for the deterious effect of the network.

First, a method for measuring the network information, particularly the network-induced transmission delay, is presented. Next, this information is utilized in control design. Two control approaches are developed, which differ with respect to the time-variant behavior of the delay measurements. A Smith predictor based approach is proposed for the case where network time delay variation is low, and polynomial system based time variant controller and observer design is proposed for the case where time variation is high. Second, methods for estimating the network-induced transmission delay, is presented and utilized in control design. Two control approaches based on robust control theory are developed, which differ with respect to ability to take into account in addition of delay variation also other uncertainty sources, such as model uncertainty and measurement errors.

The developed control designs are tested with simulations as well as on the experimental platform. From the results it is clear that utilization of the methods improve performance of the application. From the results it is also clear that no single method is suitable for all the cases, but the choice should be based on detail investigation of available instrumentation, magnitude of network delay variation, and uncertainty sources coming from the process.

Keywords Networked control systems, delay compensation, switched Ethernet, polynomial systems theory

ISBN (printed) 978-952-60-4324-1 ISBN (pdf) 978-952-60-4325-8 ISSN-L 1799-4934 ISSN (printed) 1799-4934 ISSN (pdf) 1799-4942 Location of publisher Espoo Location of printing Helsinki Year 2011 Pages 168 The dissertation can be read at http://lib.tkk.fi/Diss/

Page 6: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski
Page 7: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

Tiivistelmä Aalto-yliopisto, PL 11000, 00076 Aalto www.aalto.fi

Tekijä Nikolai Vatanski Väitöskirjan nimi Viiveen mittaamiseen ja estimointiin perustuva verkottuneiden järjestelmien ohjaus Julkaisija Kemian tekniikan korkeakoulu Yksikkö Biotekniikan ja kemian tekniikan laitos Sarja Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS 100/2011 Tutkimusala Prosessien ohjaus Käsikirjoituksen pvm 18.04.2011 Korjatun käsikirjoituksen pvm 12.08.2011 Väitöspäivä 18.11.2011 Kieli Englanti

Monografia Yhdistelmäväitöskirja (yhteenveto-osa + erillisartikkelit)

Tiivistelmä Teollisuuden tietoliikenneverkkojen kehittyessä kohti teollisuus-Ethernet pohjaisia järjestelmiä on häiriöttömän toiminnan varmistamiseksi kiinnitettävä huomiota verkon ohjaukseen ja verkon parametrien monitorointiin ja estimointiin. Eräs päähaasteista Ethernet-pohjaisten ratkaisujen käytössä prosessien ohjaussovelluksissa on verkon suorituskyvyn epädeterministisyys eli sen suorituskyvyn muuttuminen kuormituksen mukaan. Verkon häiriöllinen toiminta voi edelleen vaikuttaa ohjaussovelluksen suorituskykyyn ja tehokkuuteen.

Tässä työssä keskitytään sellaisen säätösovelluksen suorituskyvyn parantamiseen, joka on rakennettu Ethernet-verkkoa hyödyntäen. Tällaisissa verkoissa parametri, joka voi aiheuttaa häiriöitä säätösovelluksen toimintaan, on tietoliikenteestä johtuva viive. Uusilla verkon instrumentointimenetelmillä ja toimintaparametrien estimointimenetelmillä tietoliikenteestä aiheutuva viive voidaan arvioida ja käyttää tuloksia säätösuunnittelussa verkosta johtuvien häiriöiden kompensoimiseen.

Tässä työssä esitetään aluksi menetelmä, jolla voidaan mitata verkosta johtuvaa viivettä. Tätä informaatiota käytetään kahdessa eri säätöstrategiassa, joilla on erilainen kyky ottaa huomioon viiveen vaihtelun suuruutta säädössä. Smith-prediktoripohjaista ratkaisua esitetään käytettäväksi tapauksissa, joissa verkon viiveen vaihtelu on pieni. Polynomisysteemipohjaista aikavarianttia säädintä ja -havaitsijaa ehdotetaan käytettäväksi vastaavasti tapaukseen, jossa viiveen vaihtelu on suuri. Seuraavaksi työssä esitetään menetelmä, jolla voidaan estimoida verkosta johtuvaa viivettä, ja tätä tietoa käytetään edelleen hyväksi säätösuunnittelussa. Työssä kuvataan kaksi robustiin säätöteoriaan pohjautuvaa menetelmää, jotka eroavat toisistaan siinä, kuinka hyvin ne huomioivat verkon viiveen vaihtelun lisäksi myös muita epävarmuustekijöitä, kuten malliepävarmuutta ja mittausvirhettä.

Kehitettyjä säätöstrategioita testataan simuloinnin lisäksi myös Ethernet testausalustalla. Tuloksista ilmenee, että käyttämällä näitä menetelmiä voidaan parantaa huomattavasti sovelluksen toimintaa, ja täten vähentää verkon aiheuttamaa haitallista vaikutusta säätösysteemiin. Tulosten perusteella voidaan myös todeta, ettei mikään yksittäinen menetelmä sovellu kaikkiin tapauksiin, vaan menetelmän valinnan tulisi perustua saatavissa olevaan instrumentointiin, viivevaihtelun suuruuteen ja prosessista tulevien epävarmuustekijöiden huomioimiseen.

Avainsanat Verkottuneet ohjausjärjestelmät, viiveen kompensointi, kytketty Ethernet, polynomisysteemiteoria

ISBN (painettu) 978-952-60-4324-1 ISBN (pdf) 978-952-60-4325-8 ISSN-L 1799-4934 ISSN (painettu) 1799-4934 ISSN (pdf) 1799-4942 Julkaisupaikka Espoo Painopaikka Helsinki Vuosi 2011 Sivumäärä 168 Luettavissa verkossa osoitteessa http://lib.tkk.fi/Diss/

Page 8: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski
Page 9: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� ��

Preface

�������������� ���������������������������������������������������������������

����������������������������������� ����� �����������������!�����������������

"�� #$$%� ��� &� ������ #$$'(� )� ������ �� �� ��� ��� � ��� ����� ����� ����������

*�� +����� ,-��-+,������ ���� �����!��!� ��� ��� ����� ��.� ��������� ���� ����

���������� �������!�����������!����������������������������������������

���� ����� ��!��� ��� ���� ������(� )� �� !������ ��������� ��� ���������� /���� 0������ ����

���������!�����������������������������������������������������������������

������� ������� �����������������(�

)� �� ���� !������� ��� ���������� 1��� /������ ���� �������!���� ����� ���� �������

!�������������������2���� ������(�)����������3���������!����������������!���������

����!�������������������!����������!��������������4������������������� �����

.�(� ,��+��������� 5���!��� ���� ���� �� ����������(� )� ������ �� �� ��� ��� � ���� ���+

�3���������������������������������.�����6���*������������������"����7�� ������

�������� ������������������������(�)���� �4���������������4����������/������

4������������������ ����� �����������������!���8�����������9����������������

:������:�;��������������������!(�

)� ������ �� �� ��� ��� � ��� ��� ������� ����!���� ��� ���� ��������� ���� ���������

���������(�1��������� ,�����<-���������!������"� ��7���� ������"���&� ����

���3��� = ��� �� ������ /������ ����� <���������� 7����� *���� � ��� "� ���

<������������� �����!���������������(�

)��������� ������3�����������������!����������������������7� �������*�� ���������

������!���7������������ ����������������������������������������� �����������(��

4������� )� ������ �� �� ��� �3������ ��� �������� !�������� ��� "�� �� ���� ���� �� �� ���

�������(�

1������*���������#>��#$>>�

&� ����7��� ���

Page 10: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

�'�

Abbreviations

��<� +� � ������!��������!���

�/)&�� +� ����������/����)����������

?)?:� +� ?�������)�����?�������:������

��&� +� ���������������&����� �

�*"�@�.� +� �������*�����"�������������������������������������

���� +� �����������������!���������

.�*� +� .�!������������*������

."�� +� .�����"���3���������

1/�� +� 1������������������������!�

44� +� 4���������4��������

4)4:� +� 4�����)��4�����:���

4)�� +� 4�����)����������������������

4)/� +� 4������)�������/��������

5��� +� 5������A���������� ����������

)�:&�� +� )�������������������:����&����� ��!��������

)�1� +� )���!���������������1�����

)��� +� )��������������������������������!��

)1�� +� )�����������1�����������������������

)111� +� )������������1����������1���������1�!�������

)�� +� )����������������

)*�� +� )�����������*��������������������

)*1� +� )���!������*6�����1������

)*:� +� )�����������*�������:�!��A�����

)@:� +� )����@:������

):� +� )�����:������

��&� +� ��������&����� �

�?.� +� ������?�����.����

�4�� +� ������4��������������������

Page 11: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� B�

�")� +� ������"���3�)��6������

�C5� +� �����+C�����+5������

�C/� +� �����+C������/�!������

���� +� ��!������ ���������

"��� +� "�������������������

"1*� +� "��������13�������*������

"�.?� +� "3��������������.����?�����

"��)� +� "3����������������������)���� ��

"��� +� "�������������������

")":� +� "��������)�����"��������:������

"��� +� "������������ ����������

&�*� +� &����� �����������*������

&��� +� &����� ��������������

:*)� +� :����*�������)�������������

�)� +� �����������+)���!���

�.� +� �����������+.��� �� ��

�).� +� �����������+)���!��+.��� �� ��

���� +� ���!���������!�������������

���� +� ����������������������

/�� +� /����������������

/"� +� /���"��������!�

/4.1� +� /�������4��������.�����������16������

/�� +� /��������

/��)� +� /�����������������)�������

/�1� +� /��������1��������

/��� +� /���������������

*)*:� +� *��!���)�����*��!���:������

C�*� +� C���������*�� ���

���� +� ����������������������������

�.�� +� �����.���������������

�?.� +� ������?�����.����

�.�� +� �����.�!�����������

8��&� +� 8����������������&����� �

8����4)�� +� 8�����4�����)����������������������

=:�� +� =���+�����+�����

Page 12: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

�>$

List of Symbols

5/11<�*0"?:�*�

α � +� *�������������������������������!�

Δ � +� ���������������������������������������

δ � +� "3����������������

ε � +� 1�������!���������������

Φ � +� *��������3���������������������������������

à � +� )���������3���������������������������������

λ � +� 1�!�� �����

μ � +� *������������!���� ����

iμ � +� ������������������������

(.)ϑ � +� ����� ����!����������������������������������������������

θ � +� .���� ����

(.)θ � +� ����� ����!������������������������������������������

minθ � +� "������� ����������������

maxθ � +� "3����� ����������������

ρ � +� ������������

σ � +� "3�������������������������� ������������D����������E�

τ � +� : ����������� ������������������

τ� � +� 7�������������������� ������������������

jiτ � +� &����� ������������������������������� ������

bwτ � +� .��������������������������������

cτ � +� ��������������������

caτ � +� �������������������������������������

caτ � +� "���������� ��������������������������������������������

nca,τ � +� �������������������������������������������������

compτ � +� �������������������������������������

Page 13: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� >>�

nwτ � +� &����� ������������������

ohτ � +� .������������ ����������������������!�������

maxτ � +� "3����� �����������������������

minτ � +� "������� �����������������������

scτ � +� *������������������������������������

scτ � +� "���������� ���������������������������������������������

msc,τ � +� *�������������������������������������������������

tvτ � +� ����+ ����!������� ������������������

ω � +� ��!������6������

Bω � +� ���������������������

/:"�&�*0"?:�*�

A � +� *��������3���������������������������

B � +� )���������3���������������������������

B � +� ? ��!������������� ����

C � +� :����������3����������������������������

inC � +� ������������������������

outC � +� �������������������������

D � +� 4��������������3���������������������������

D � +� ����������������������������� ����

e � +� 1�������!���

cE � +� 1�������!��������!��������������

F � +� �����������!���������������

G � +� ����������������������

cG � +� ���������������������������

G � +� �����������

h � +� *�����!��������

I � +� )������������3�

iI � +� )���������� �����

k � +� )���3���������

K � +� �����������!�����������������

L � +� ���������������������

N � +� .�����������A���

Page 14: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

�>#�

M � +� .��������3������� ����������� ������������

q � +� �����������������������

R � +� /����������!���

r � +� ������������������

P � +� ����������������������������

p � +� .�����������������������

s � +� �������������� �������

S � +� *������ �������������):+��������

IS � +� )�������):+��������

oS � +� : �����):+��������

obsS � +� ):+������������������ ���

T � +� �������������������� ������������

iT � +� ��������� i ��������

u � +� )����������������

v � +� *�������5������������������

V � +� ������ ���������

w � +� *�������5������������������

Pw � +� 8��!������������������ ������������

Iw � +� 8��!������������������������������ ������������

x � +� *���� ����������������

ex � +� 16����������������

y � +� :������������������

z � +� =+��������������3� ������

iz � +� 13�!������������� i �

"���1"��)����&:���):&*��

Δ= �

+� 16������������������

⊂ � +� )�������������

∈ � +� )���������������

� � +� )�������

[ ])()( rBrA −� � +� 5���������������������������+�����������������3�����������������

������������������

[ ])()( qBqA −� � +� 5���������������������������+�����������������3�����������������

�����������������������

( ).det � +� .������������� (.) �

Page 15: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� >F�

BAf →: � +� f ����������!�����������������������������

2H � +�2H ������

∞H � +� �+��������������

( ).ker � +� <��������� (.) �

Kr � +� ��������������������������������������� K �

�� +� 4��������������������

�� +� /��!��������!�����������

�� +� 4�������������3���������

K0 � +� =��������������������������������� K �

Page 16: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

�>%�

List of Tables

���� �������������������������������������&�*���������������������������������������

����( ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((G%

������������������������������������������&�*���������������������3�������������

��������������������������������������������������(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((GG

���������������������� �������������( ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((BH

���������������������� �������������������( (((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((BG

�������.���� ������������� ������ �����������������!��( ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( >>$

�������*�����A����������������������������������������������� �������( ((((((((((( >H%

Page 17: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� >H�

List of Figures

�����������������������������������������������������������������)*��BH��������

D�&*)@)*�+BH($$($>+#$$$�#$$$E(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( F#

�������������������������������/�1�D4�������#$$HE( (((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((FH

���������1��������"��������������������������D*��������#$$$E( ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((F�

�������������������������������������������������������1�������������������

1���������D����������(��#$$GE(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( F'

��������1��+��+����������������������1�������������� ��D5���!���������(��#$$HE( (((((((( FB

����� �������������������������������������&�*( ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((%>

���������������� ���6�������!��������������������������&�*( ((((((((((((((((((((((((((((( %#

�������������!���!������&�*((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( %%

������������3���������"� � ������������!������������������������������� �

D����E���������������������������������������!���������������������"� � �����

D��!��E(����������������������������� ����I�"������������������������������ ����I����

��������������������!�������� ����(��������������������������������������������������

D&��������>BB'E( ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((%�

�������������&�*�����������������������������������D8����������(��#$$>E((((((((((((((( %'

���������������������� �����������������������������+ ����!������������������

����� ������D<�������������#$$%E( (((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((H�

������������������������������� �������������( ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( H'

��������������������������D,����������������(��#$$%E(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((�#

�����������*������������������������������������������ �����������������((((((((((((((�H

����������������������������������!�������������������((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((��

������ ��������������������������D)�1�������A��E��)������������������������������

�����������������((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( '$

������������������������������*���������������������������������������������

�������������A���������������������������( (((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((('>

����������������������!����������������������������������������(((((((((((((((((((((((((((((((( 'F

��������������������������*��������������������� ��*������������������������

��������� �����������(��?.�J�#(H���(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( '%

��������������������������*��������������������� ��*������������������������

��������� �����������(��?.�J�F(H���( ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( 'H

��������������������������*��������������������������+��+���������������������������

����������������������������*�������������������(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( 'G

��������������������������*��������������������������������������������������

����!������� �����������������((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( ''

Page 18: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

�>G�

�����������������+ ����!��������������������������������� ���������!��((((((((((((((( B$

������������������������):+��������������&�*( ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((B%

�������(�5����������������( (((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((B'

������ ��: �����):+������������&�*((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((>$$

���������:���� �������!���������������&�*((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( >$#

���������4���� ������������������ ������������������((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((>$G

���������*����������������+�� ������������������������( ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((>$B

���������*������������������ ������������������������( ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( >>$

���������)����������������������������������������������������������� ��( (((((((((((>>#

���������*���������������������������������( ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((>>H

���������*����������������������������������������������( ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((>>G

���������/���������������� ���������������������� ���������� ����������( (((((((((( >#$

����������������������!������!���������� ���� ���������������������( ((((((((((((((((( >##

������ ������ �������� ����� ������� ��!�� ����������������������+������4)4:�

��������3���D5���!���������(��#$$HE( (((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( >#F

���������"���������#+�������������������������3�������������������������������

��+�����!����!������D5���!���������(��#$$HE( ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( >#%

���������?�������������!����������1�������������� �D5���!���������(��#$$HE(((((((((((((( >#G

����������������3������&�*�������������������������������( (((((((((((((((((((((((((((((((((((((( >#'

���������5�����������������!������������������������������������������������

����( (((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( >#B

���������.�������!��� )(ωsccaw + ���� )(ωnwl ����� 7)( =+ scca ττ ( (((((((((((((((((((((((((((((((((((>F>

���������8��!�����������!����� Pw ( ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( >F#

���������*��������������������� ( ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( >F%

���������"���������G+�������������������������3�������������������������������

��+�����!����!�����(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( >F%

���������*���������� ��!�������������������������������������������������������!�

�����������!� ��( ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( >F'

������ ��8��!�������������������������� +������������D 5.31 =UBD � 5.32 =UBD E( >FB

������������������������������������������������!�����������������( (((((((((((((((((((((>%$

�������(�<*��*��5*����5*�!���������������������������������������( (((((((((((((((((((((((((>%>

�������������������������������������������������� ����!������� �����(((((((((((((((( >%#

����������������3������&�*��������������������������������������������������

�����( (((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( >%%

���������5�����������������!���������������&�*���������������������������������

����( (((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( >%H

�������������������������������������������������������������� ����������)�

���������(������������ ��������������������������������������������������( ((((((( >%'

���������8��!��������������������&�*�������������������������������������������(>H$

�������������������������������������������������� ����!��������������������

������(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((>H>

Page 19: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� >��

Contents �

��� �� ���������������������������������������������������������������������������������������������������� �

������ ����������������������������������������������������������������������������������������������� �

�������� !"������������������������������������������������������������������������������������������ ��

��������# ���� ��������������������������������������������������������������������������������������������

������������� ������������������������������������������������������������������������������������������

� $���%����� ���������������������������������������������������������������������������������������

>(> /����������������������������������� ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((#%

>(# :�������������������� ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((#G

>(F �������������������������� (((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( #'

� $�%��� ����""��� ��������&�������� ���������������������������������������������

#(> ������������������������ ��!���������� ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( F>

#(# 1 ���������������������������������������� �((((((((((((((((((((((((((((((((((FF

#(F 1������������������� ���������������������� ((((((((((((((((((((((((((((((((((((FH

#(% *�������1����������������� ��������������������1������� (((((((((((((((F�

� '�����(�)�%���������!���"� ����������������������������������������������������������

F(> *��������������������� ���������������� ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( %$

F(>(> 4���� ������������������������������(((((((((((((((((((((((((((((((( %$

F(>(# �� ���6�������!�� ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((%#

F(# &����� +��������������������������������&�*((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((%F

F(#(> ����������������� +������������(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((%F

F(#(# ����������������;���������������A��������������!�������((((( %%

F(F �����������!����&�* ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( %G

F(F(> .������������������ ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( %G

F(F(# ����������������������(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((%�

F(F(F *�����+��������� (((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( %B

Page 20: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

�>'�

F(% �������������!��������&�*((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((H$

F(%(> �).������� ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((H>

F(%(# *��������������������������((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((H>

F(%(F *�������C5�������(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((H>

F(%(% :�������������������������(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( H#

F(%(H "������������ ��������(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( HF

F(%(G /���������������������*���∞�������������A����((((((((((((((((((( H%

F(H *�������������������������������&�* ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( HH

F(H(> 4��6������������������(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( HG

F(H(# ����+������������� (((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( H�

F(G ����������������� ��������������&�*(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( G>

F(G(> /��+�������������! ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( G>

F(G(# ?��������������A���� ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( G#

F(� �������������!�����������������������������������1�������������

������ �(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( G#

F(' *����������3�����!��������������������&�* ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( G#

� �������� �� ������ ���� ����������������������������������������������������� ��

%(> �����������&�*�����!������� ����+��+�������������������� ((((((((((((((( G�

%(# ����� ����!��������������������&�* ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((G'

%(F ������������&�*�����!����������������������������������� ������ (( GB

%(% ������������&�*�����!����������������������������������� ����������

���������������������������������������(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( GB

� � �� �� �����������������������������������������������������������������

H(> &����� ���������������������������� ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((�>

H(# ���������������������� ����!������������������������������ ��

*�������������((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( �%

H(#(> ������������������������� ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( �%

H(#(# *�������������+���������������������������&�* ((((((((((((((( �H

H(F *�����������������������*�������������������((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( �B

H(F(> *�����������������������������������((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( �B

H(F(# *��������������������������������(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((('#

H(F(F ������!�����*����������������������������3�����������������

(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((('G

� !���"������ �� ������ ��� ������ ������������������������������������������� #$

G(> :��������� �����������+ ����!�������������� ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((B$

Page 21: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� >B�

G(# �����������������������������������������������������+ ����!�������

��������� ����������������� (((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((B#

G(#(> ����������������&�*����������������������+ ����!�����������

):��������� (((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((B#

G(#(# �������������������+ ����!������������ �������������((((((((((( B%

G(#(F 5������&�*����������� ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( B'

G(#(% �������������� �����):+������������������ ���������(((((((((((( >$$

G(#(H :���� �������!������&�* (((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( >$>

G(#(G 4���� ���������������!� ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((>$G

G(F *���������������������������������+������������������"����

�� �������� ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((>$'

G(F(> ���������������������������(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((>$'

G(F(# :�������������� ��((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((>>>

G(F(F *�������������((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( >>#

G(F(% 4���� ���������������!� ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((>>�

� %������ �� �� ������������������������ ������������������������� �

�(> ���������������+��+������������������ (((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( >#>

�(>(> �������������!����� ��!���������1������������� (((((((((((((((((( >#>

�(>(# "3��������������������!�����1�������������((((((((((((((((((((((((( >#F

�(>(F "3��������+��+��������������������!����������1��������

������ ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( >#H

�(# /�����������������!������������������(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( >#�

�(#(> 5�����������������!�������������������������������� ���

�������������((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( >#�

�(#(# 8��!�����������((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((>#B

�(#(F ��������������������(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( >F#

�(F *��������������������������������&�*�����!�������������� ((((((((((( >F%

�(F(> �������������������������� ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( >F%

�(F(# *�����������������������������������!���������"������ ��������

(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((>F'

�(F(F ������!�����������������������!����������3����������������� (( >%>

# %������ �� �� ������������������������ ������ ���� �

����������������&����� ������������������������������������������������������������ �'

'(> /�����������������!��������������������������������������(((((((((( >%F

'(>(> 5������A�����������������������������������������

�����������((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( >%F

'(>(# 8��!�����������(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( >%H

Page 22: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

�#$�

'(>(F �������������������� ((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( >%G

'(>(% *�����������������������������������!���������"������ ��������

(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((>%�

$ ������� �������������������������������������������������������������������������������� ��

( � ����� � ������������������������������������������������������������������������������������ ��

)�������� ������������������������������������������������������������������������������������������� ��

Page 23: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

1 Introduction

������������������������������������������ ������������������������������������

������� ��� � ��!�� ������� ��� �������!���� �� ���� ��� ������� �������� �������� ���

�������!���������������������� �(������������!�����������������������������

�������� ��������� ��� ���� �� ���� ������� ���� ������� ��������� ��� ���������!�

����������� ������������!������������������ ��������������(�������������

����������!����������������� ���������������������������������6������������������

������ �� �� ����� ��� ������ ��� ��� ����������� ������ ��������!� ���� �����

��6���������������������������� �����������������������(��

4��� ���� ������� ��� ���������� ���������� ����� ���� ����� ��6����������� ����������

������ � �������� +� ��������� ��� �� ����������� +������ �� ������� ��� ���� >BB$�(� *� ����

�������!� �������!���� ���� ����������� ��� ���� ��� ���� ����� ���������� ����������

���������� ������� ��� ���� ����� ������� ��� ���� ������ ��� ��� ���� �� ���

����������(�4����������������������������� ���������������������� ���������������

������� �� ��� ����������� ��� ������ ��� ���������� �������� ���� ��� ���������

��������������������������������������������������������!��������������

���������������(� ���� ���!���� ���������� ���� ���� ���!��� �������� ������������

��������������� ����� ����A��(���� ���� ������ �������1�������+����� �������!����

� �� ������� ��������� ������ ��� ���� ����������� ���� ��� ����� ������ �� ��

������� �����������������(����� ��������������� ��������������������1�����������

���� �������� �������� ���� ���������� ������ ��!� ���� ��� ���� ���+�������������

���������� ��� ���� ������� ���� ������� ������� ���� �3������� ��������

���������� ������ �� �� ������ ��� ���������� ����� ������������(� /�������� �

����������� ��� ���� ������� �������� ���� �������� 1��������� ��� ������ � ����

��������!� �������� ���� ���+����� ���������� ������ ��!� ������ ���� �������!�

�������!�� ����!� ����� �����3� ����� �� ��������� ����� ���������� ������ ��� �

�������1�������(������ ���� ������+������������� ������� ����!� ����� ���� ��������

���� ��� ���� ��!������� ����������� ���� ������ � �������� ���������!� �� ���������

����(� ��� ������� ���������� ����������� ������������ �� ��� �� �������!� �3�����

Page 24: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

)�����������

�##�

������� ���� ���������� 1�������� ����������� ��� ����� ��� �������� ��� �������� ����

���������!� ��� ������� ��� ���� ������ � ��������� ��� ������ ��� ��� �� ��

���������������������(����������� �������������������������������������������

�����������������������������!�������� ����������������� �����������������

�����������������������������������!�(�

/������ ���� �3������� ���� ����� � ������� ��� �� ��������� ����� ��!�� ���+�����

��6���������� ������ ����!� ������ � ���������� ��� ������� ���� ������ ��� �������

�������� D&�*E(� ������������� ������ ��� ������� �������� ��� �������� �� ����� �

������� �������� �������� ���� ������� ������ ��� ������ �����!�� � ���+����� ������ �

D8�!� ��� ����� #$$'E(� )�� �������� ��� ���� &�*�� ���� ����������� ������ � ���

���������� ��� ��� �� ��������� ���� ��� ���� ������� ������ ���� ���������� ��� �����

��!��������� ���������� ���� � ����� ���������� ��� ���� ���������� ��������(� ���

����!��������� ��������� �������������!������������������!��������������� �

�;���������������� ��� ������� �������� ��� �� �������� ����� ����� ����� ���

��������������������������������� ���������(�

������������������� ������������������� ���������������������������K��������� ���

������ �������������������� (�)���������� ��������� ������������ ��������������

�� � ���� �� �������� ���� ��� ���������� �3�������� ��� ������ ��� ������ ������ �

�����������������������������!�������������!�����������!���������������������

������������� �����������������!������������������������������������(�)��

���������������� ������������ �������� ���������������������������(�����!���

��� ��� ������A�� ������ � ��������� ���� ���� ��6���� ������ � ���������� ���

!�����������������������������������������(��������������������������������

����������� ��� ���� ������� ��� ���� ������ � ���������� ��� ������A���

����������������������������������������+����!��������D����!����������E(�

��������������������&�*��������� �����������!�K�������������������������

������� � ��� ������ � ������� ��� ������� ��� ������ � ������(� ��� ����� ��� � ������

���������� ��� ������� � ��� ������ ������� ��������!� � �������������� ����&�*��

������������ �������������!������������(�8������������!��������������������� �

�����������&�*����������������3�����������������������������3�(�

)�������� ��� ���� ������ ��� ������ ��� ������� �������� ��� ����� �������� � ��� ���� ����

����(������������������� �������������������������������������!�������!�����������

���� ����� �� ������ ������� ������������� ������� ������� �������� ����� ��� ���������

�����������������������������(��������������� ����������� �����������������

����������������&�*���������!��!����������������������������������������������

Page 25: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� #F�

���� ������ � ��� ������+7�� ����� ��� �� ���� D#$$HEI� � ������ ��� ��� ���� &�*� ���

���������������� D#$$FEI� ���� ���������� �������� ��� ������� ��������0�!�

D#$$GE(� )�� ���� ��������������� ��� ������� ��������� ���� ��������������� ����������

����������������� ���������� ��������� �����������(���� ���� ����� ������� ���������

������������ � ��!�� ������� ��� �������!� �������� ���� ���� ������ � ��� �����

������������������������� ������������������������������������������� ����(�

)����� ���������� � �������������� ����� ����!��������� ��� �����������������

�������������������� ���������������(��

:������������������!������������������������������������&�������D>BB'E������������

������ � ����� ������� ��� ����� �������� ����!� � "� � � ����� ����� ! �� �

"� � ���;���������������+������������������������������&�*������(�&�������

D>BB'E� ��������� � �����+C�����+� 5������ D�C5E� ���������� ��� ��� �� ����

�������I� ��������!�&�������� �� ���� ������ ����������� ������*������!����C�3���

D#$$FE�� �3������� ���� ������� ��� � ��!� ����� ����� ���!��� ������ ��� � ���

��������(� )�� ���� ��� ������ ���� ������ � ��� ����� �������� ����� ������� ���

�������� ∞H � �����������A���������� ��������� ������� �������������A��� ���

��� �� ���� ������� �������(� ?��� ������������ ���� �� �).� ���"��� ����������� � ��

�������������������������������������������3�����������������(�

/�������������������������&�*������������� ������ �(�*�������������������������

������������������������������������������������� ������������������ ���������

����� ������� �������� ���� �� ���� <��� � �+������ � �������� � �� ���� �����

������(� &��� ���������!�� ���� ��� ����� ��������� ��� ����� ��� ��������� �����

������� ��� ��������� ��� &�*� ��� �3����� �������� �������� ����� �� D"��)E� ���

�3��������������������D"�.?E(�"��)������3����� ��������������������

����� ���� �� ���!� ���� ������������ ����� ������� ������ ����� ����� ���� ������� ���

���������������(�*� �����������!������� �������������������������������������

����������"��)(�"�.?���������� ���� ����� ���� ���� ������!� ��������� ���������

�� ��� !�������(� /������ ��� ����� ������ ���� ��� ����� �� ���������� ������ �

��������!����������������������������� +����������������������������"�.?(�)��

�������������������������������������������� ������������������������������

����������������������������������������������� ����������������(�)�������

��� ��(� D#$$>E�� ���� �3������ � ������ �� ������� ��� ������ ������ ��� ������ �� ���

����������+�1����������������&������.� ��&���+�������������������������������

� ���������������������������6��������������!����������������(�4���������������

1�������� ������ �� ����� ��� ��(� D#$$GE� �������� ���� �������� ������� ��� ���� ��������

1�������� ��� ������� ���������(� )�� �������� ����� ��� ���� ������� ������� ����

Page 26: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

)�����������

�#%�

������ �������������������������������������������I� ��������� ������ ������!����

�3�������������������� ��������������������������������������������D0�!��

#$$GE(� )�� ������ ��� ������ �������� ���� ����� ��� ���� ������� ��� �� ����������

�� ���������� ����� ������� ������� ��� ������ ���� ��� ��������� ����� �3�����!�

����������������� �(�

��� ������� ���������� ����������� ������ � ���������� �� �� ������� ����������

1�������������������������������������!���������������������������� ����������

��� ������ � ����� !��� ����� ��������� ���� ��� ������� ��� ������ ��� ��� ��

���������������������(����� ��������������� ��!������!�������������������

��������!����������� ��������������������������������������������(������;���

���������������������� ����� ���� ������������ ������� ��� ���� ����� ��������� ����

����������������������������������� �������������� ���������������1��������

������ (� ��� ����� ������ ��� ���������� ��� !����� �����!�� ���� �����A����� ���

������ � ��������� �������� ��� ������������ ����� ���� ������ �� ����� ��� ���� ���

����������������+���������������������������������� (�������������������������

�������� 1�������� ��� ������� ������ ��� ������� ���� �����A����� ��� �������� �������

������������������ �������������������������������������������������������

����������� ��� ���� ����������� ��� �������� ���� ����������� ��� ���� ������� ������

� �������������� ����������������������������!�����������(��

1.1 Research problem and asserted hypotheses �

�������������������������������� ��������������������!��������������������������

�������������� ������������1�������������� (�)��������������������������������

!������ ������� ��� ���� ������ � ���������� ��� ���������� ���� ��� ���������

�������� ��� �������� 1��������� ���� ������ � ������� ������ ����� ��� �����A��� ���

����� �� ���������(� )�� ����� ��� �� ����� ����������� �������� ���� &����� ���

�������� *������� ��� ��������� ������ ���������!� ���� �������� ������������ ��� ����

�������� 1�������(� ���� ��������� �������� ����� ��� ��������� ����� ���� ��!������

��������!������������������� ��������������������� �����������������(�)������

������ ��!����� ���� �������� ����������� ����� ��� ����� ��� ������ ���� � �����

���������� ��� ���� ���������� ��������I� ��� ���� ������ ��!����� ���� ���������

����������� �������� ����� � �������� ������ � ������ ��� �����A��� ���� ����������

����� �����(��

Page 27: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� #H�

4��� ��������������� ������������������� ������������ ����������������������

�����!����������������(������������������������������������������������������������

��� ����+ ����!� �������(� ���� ������ � ��� ���� ����� ����� ��� ���� ����� ����� ���

�;�����!����������������������������������������������������� �������������

��������� ����I�������������������� �������������������������������������(��

4��� ���� ����������� ���� ���� ��� ��������� ������������ �� �������� ���� �� ������

������ ����� ��� � �������� 1�������� ������ � ����� ��� �������� ����!� ����������

������������������������� �����!������� ������+������������������(�����

������� ����������� �����!���� ��� ����� ���������� ���� ������� ����� ���� ������� ���

���������� ������(� )�� ���� ������ ���� ��� ���������� ���� �������������������������

����� ���� ������ � ��� ������� ������� ��� ���� ���� ������� ������������ ���

����(���������������������������������������������!������������������

�(�(��������������������������������������������(�)��������������������������

��������������������������!������������������������K��������������������������������

����������� ��� ��!���3��� ∞H � ������� �����������I� ��� ���� ������� ���� ���������� ���

�������� ��μ +��������������!� DK +��������(�

������������������� �����������������������������!���� ��� ��� ������������������

���+������������� ������ ��� ���� �������� 1��������� ������ ��!� ���� �������� �����

�������� ���� ���� ������� ���������(� �����!�� ���� �������� ���� ��� 1�������+�����

�������!��� ���� ���3�������� ������������� ��� ���� ��������� ������� ����� ��� �����

������!� ����� ��������� ��� ����(� )�� ��������� ���� ��������� �������� �����

����� �� ���� ��������� ��� ���� ���� ������� ����� ������ ��� ������ ����� ����� ����

���������� ��� ���� � ���� ������� �������� �� ����� �� ������!� ����� ���

����� ��!���������������������������������������!�����(�

���������������������������������������K��

>(�8�������������� ������������������������� ������������������������������

��� ��� ��������� ��� �������� ���� ��� ���� ��� ���� ��� ���������� ��������� ��� ����

��������1�������������� (������������������������������������������ ������������

����������������!����������������������������������������������������� (�

#(����������A�������������������������������������������������������������������

������� �������� ���� &�*� ��!��������� �������� ���� ��������� ���������� ���

������������������������+���������������������������������������1�������������� (��

Page 28: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

)�����������

�#G�

)�������������� ������������������������������!��� ��� ����������������K�

>( ����������������������������������A���������� ��������������!����+��+

������������������� ������(�

#( ���������������+��+����������������������������A�����������������!�(�����

�������������������� ��������������������������������������������������

����� ����� ��� ���� ��� ���� ������ � ������������ ����(� ���� *�����

��������+����� ������� ��� ����� ���� ���� ����� ����� ����!� ���� ��� ����

�����������������������+�������������������������������� ����!���(��

F( �����������������������!������������������������������������������������

�����3�������������������(�

%( ���� ������ � ������ ����+������� ���� ��������!� ���� ������ ������ ��� ����

������ +������� ������������ ����� ��� � �������� 1�������� ������ � ���

���������(�

H( ���� �������� ����������� ��� �����A��� ��� ������� ����!�(� ���� �������

������������� ������������������� ��� ������� ��� �������������� �������

����!����������������(����� ∞H +�����������A����+��������������������

���� ���� ��� ����������� ���������� ��� �������������������� ��� ���� μ +

��������������+����������������������������!��������(�

G( �����������������������!������������������������������������������������

�����3�������������������(�

�( ����������������������������������������������� �������������

���������������������������������������(�

���� ������ ��� ������� �� �� ������� ���� �����������!� ��� ���� ������ � ��� ����

������!������� ���������������������������!�(�)���� ���������������� �������3������

�����������!�� ������������(����� ��������� ����������������������������������

������������������������������������� ������� (��

1.2 Outline of the thesis �

���� ������ ����� ������� ��� ��� �� ��������� ������� �������� ���� ������ ��� �������

�������� ���� �����A�� ���� ������ ��������� ��� �������� ����������� ����� ����

������ (��� ��������1�������������� � ��� ����� �� ������� � ���&�*�� ��������� ����

���������������������������������������������������(��

Page 29: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� #��

)���������#�������� �����������������������������������������������!�������

�������� ���������(� 4������ ������� ���������� ������ � ���������� ��� ���������(�&�3���

�� � �� ���� ��� ���� � �������� ��� ������� ����� ����������� ������ �� ��� !� ����

��������� ��� � �� ���� ��� ���� ��3�� !��������� ������� ����� ������ �� ��� 1��������

����������� �(��������������������������� �� ����������������1����������

������� �����������������1�����������������������!���������� ����������������

��������������������(��

�������F����������������������������� ����������������� ����������������������� ���

���������������D&�*�E���������������!������������������������������������

�������������������������������6�������������������� ���������������&�*(�

)�� ������� %�� ���� ������ ��� ���� �������� �� ������� ��� ����� ������� ��� ��������

��������(��

������� H� ��������� � ������� ������ ���� &�*� ���� ����� ������������ �����

�����������(�4����������������!��������������������� ����������������� ����

�������� 1�������� ������ � ��� ���������� ��� ���� ������������������� ��� ����� ���

������� ����������(� ��� � ����������� ������� � *����� ��������� ����� �����

����� ����������������)�������������������A���������������(�����+ �������� ����

���� �����������������;�����!����������������������������������������������

������� ���������� ��� ���� ����� ����(� ���� ������� �����!�� ��� �������� ����� ����

"����"� ����������� �� ����� �� ��� ���� �3���������� �������� �� ������� ���� &�*�

������(�

8���������������������������&�*��������������������������� �������������������

��� ������� H�� ������� G� �����A��� � ������� ������� ���������� ����!���� ���� �����

�����������(�)������������� ���������� ������������������������������� ����+

����!� ���������� �������� ��� ���� ���������� �������� ������� ��� ������� ����

���������� �������� ��� ����!�(� )�� ��������!��� ��� ��� ���������� ���������� ���� ����

������ ��� ������� ������� ��� � ���������� ��� ����� ����� ������������ ����� ���

������ ��� ��� ���+������� �I� ����������� �!����� ���������!�� ������� ��� ���+

������� ��� ����������������������A��(�

������� �� ��������� �� ����� ��� �������������� ����&�*�����!� �����������������

����������(�)��������������������������!����������&�*�����!�������������������

�� ������(�4����������������!��������������������� �����������������������������

� ��������1�������� ������ � ��� ���������I� ���� �������� �������� ��� ����� ����� ��� �

Page 30: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

)�����������

�#'�

������������������������������������(��������������������������!�������

���������������������������������������������������� ��������������������������

����������������������(�

)���������'��������������������&�*����������������������������������������+

����!���������������������������� ������������������������!�������������

������� �����������(� )�� ���� ������� � ������� �������� ��� ���������� ����!� ����

����������������������������������������������������������������!� DK +��������(�

)���������B����������������������������������������A��(�4��������������>$�

�������� ���� ������������ � ������ ���������� ���� �������� ��� ����� ��!!�������� ����

���������� (�

1.3 Contribution of the thesis �

�������������������������� ��������������������������������K�

>E� ���� ������ �����A����� ��� ���+��+���� ������ � ������������ ����� �����������

����������������������1�������������� �������������+�������������!������(��

#E������� ��������� ��� ������������ ���� ����� ����� ��������������� ��������

��������������������������������������� �����������������(�

FE������� ���������� ��� ���� ������ � ������������������ D������ � �����E������

������������������D�������������E(��

%E������� ������� ������� ����!�� ���� ����� �������������� ������ �������� ���� ����

������ �������������������������������1�������������������� (��

)��������������>E�� �������+��+������������������������������������������A��!�

������ � �� ���� ����!� ���� )111� >H''� ��������� ��� ����������!� ���� ������������

����� ����� ����� ������� � ���(� ��� � ������� �!�������� �� ���� �� *�����

��������� ��� �����A��(� ���� �������� ������ ��� ����� ��� ���� ���������� �������

���������� ��� ���� ����� ����(� )�� ������������ #E�� ���� ����� ����� ����������

�������� ������� ��� ������� ���� ���� ������ ��� ������� ������(� )�� ���� �� ���������

�����!������������������������� ����������������������������������������+

������� ���������������������(��

)�� ������������ FE�� � ������ � �����+����� ������� ��� ����� ��� ������ ���� ������

�����������������������1�������������� ������������� �����������������������!��

��� � ������� ���������(� ���� ���������� ����!�� ��� ����� ��� ��� ��!� ���� ��3��� ∞H �

Page 31: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� #B�

�������(�)��������������%E���������������� ������+���������������������������

������ ����� ��� �����A���� ���� ���� ���������� ��� �������� �� μ +���������(� /��������

������������������������������������������� �������������������(��

���� ���!���� ���� ���� ����������!� ���+��+���� ����� ��� ����� ������!� ��� �����

���������� �� ����� ��� ,����������� ��� ��(� D#$$%E(� ���� �������� ����� ����� ��� ����

�������������������������������������"��������=�������D>B'BE(���������������

��� ����� ������������ ��� ��������� ��� ���� ������ ��� ����� ���� ������ ��� �������

������� ��� ������ ��� ����� �� ���������� ��� ���� ��������� ������ ���� ����� �����

����(��

���� ���������� �������� ������� ���� ����� ����� �������� ��� ����� ������������

�� ������� ��� ���� 4������� ������� !����� ��� ?������!� ��� 0������ ����� ���� >B�$�(�

������������������������������������������ �����������������������������(��

������������������������������������+��+���������������������1�������������� �

��������������������������������������� ����������� ����������5���!���������(�

D#$$HE(� ���� ������� ������� ����!�� ������� ��� ����� ������� ����!� * �!����� ���

�������������D#$$HE����!�������������!�������������������������������������8�!��

�������D>BB%E(�

�������������������������������� ������������������� �����������������������

����� �� ������� ��� ������!� * �!����� ��� ������������� D#$$HE�� ���� ���!����!�

����������� �������������������(��

������� � ���� ������������� >E� ���FE� ��� �������� ���������� � ������ ���� ��� ����

������ �� ���� /������ ������� ���� �������� ��������� &���� 4����� ��� ����

��������� ��� ������� �������� ��� ����������������� �� ��� ������� ��� �������!��

D���E(� ���� ������� ��� ����� ������ ���� ��� ����� ���������� ����� .�(� ,��+

��������� 5���!��(� ���� ������ �� ������� ������� ������� ����� �������� ����

��������������������������������� ������������������ ������+����������������

�������� ���������� ���������� ������� ���������� ����C�*������������������(�

������������������� �� ������������!������������������������������ ���������

��� ���� �3���������� ���������� ��� ������ ���� ���� ���������� �3���������� ���

���������������.�(�,��+���������5���!��(������������������������ �����������������

7��� ��� ��� ��(� D#$$BEI� ���� ���� ���� ����� ����� ���� ������� ���� !��� ��������

���������������������������� �������(�

Page 32: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

)�����������

�F$�

)�� ������� � ���� ������������#E�� ��������������� ������� �������������� �������+

������������������������� ������������������������� �������������������/����

0���������������������������������������(�����������������������������0���������

7��� �� D#$$�E� ��� 7��� ��� ��� ��(� D#$$'E� �3�����!� ������������ ��� ���� ���+

������� ������������������������������(�

������� �����������������%E���������������������������������������������������

���;������(��

Page 33: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� F>�

2 Industrial communication technologies

2.1 Current industrial networking architecture �

���� ������������ ������������������������������ ����������������� ��� ����

����������(�����������������������������������������������������������

����� ������� ������� ������� �� ��� ���� ��� ������������� ����� ���������!�

�3����������������������� ����������������������!���� ��������� ��!����������(�

��� � �������� �� ��������� ���� ��������� ������ ��� ����� ������� ��� ���� ���������

���������� � �� � ��������� ����� ��� ���� ������� ������� ����������� ��� ����������

�����(��

����)�����������*��������������������������������!�#$$$+#$$H���������������

)*�+BH� ������� ���� ���� ����!������ ��� ����������� ��� ������� �������� D�&*)@)*�+

BH($$($>+#$$$�#$$$E(���������������������!�������������������������������

����� ����� ���������������������������� ����� �� ���(����� �� ���� ��!���������������

��!���� ��������� ���������������������������4�!����>���������� ����$��>����#����

���� �� ���� ��� ������� ������(� ���� ��;��� �� ��� ���� ������� ��� � ����L�� ��������� ���

������� �6�������� ��� ���� ���� ���� �������� ����� �������� ����������� ��� �������(�

.�������!� ��� ���� ��������� ������ ���� ������� ������� ��� ��� ������� ���� �����

���������� ����� ��� �������� ���������� ��������(� �� ��� $� ��� ���� �� ��� ��� ����

������� ���������� ������I� �� ��� >� �������� ���� �� ������ �� �� ��� ��� ������!� ����

�����������������������������!���������������������I������ ���#�������������

�� ������������������!������� ������������������������������������������������

������(��� ���F� ��������� ���������������!��3��������������D"1*E(���� ����� �� ���

�� ������ ������� �������������������3������������������������������������

���� ���������� ������� �� �� ���� $�� >� ��� #(� 4��� �3������ �� ������ �� �� ��������

��������!��6��������!������������������������������� ��!�� ��������

����� �� ��(� ���� ��!����� �� ��� D�� ��� %E� ��� ����� ���� �� ��� ��� 1���������� /�������

������!� D1/�E� �������(� ��� ����� �� ���� ������� ��� ��!����� �� ������ ��� �3������

Page 34: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

)���������������������������!����

�F#�

���� ��� ���� �������� ������� ��� ����������� ���� �� ���!� �����������!���� ����!�

����������������������(��

ERP systems(business processes, logistics)Level 4

Level 3

Level 2

Device networks (Digital field buses)

MES systems(production planning, maintenance, quality control)

Process control related information systems

Field devices

Process

Level 1

Level 0

DCS, PLC

Automation network (field buses, also Ethernet – TCP/IP)

Operations informations network (Ethernet – TCP/IP)

Business information network (Ethernet – TCP/IP)

ERP systems(business processes, logistics)Level 4

Level 3

Level 2

Device networks (Digital field buses)

MES systems(production planning, maintenance, quality control)

Process control related information systems

Field devices

Process

Level 1

Level 0

DCS, PLC

Automation network (field buses, also Ethernet – TCP/IP)

Operations informations network (Ethernet – TCP/IP)

Business information network (Ethernet – TCP/IP)

���������������������������������������������������������������)*��BH��������D�&*)@)*�+

BH($$($>+#$$$�#$$$E(�

4���� ���� ������ ��!� �������� ��� ���� ������ � ����� �� �� ��� %� ��� � ���������

����������������� ����1�����������@)�������� ������������������ ��(����������� �

��������������������� ����F����#����������������������������������� �����������

����1��������������������������(��� ���#���������� ��������������������� I��������

�� ���� ����������� ��������� � �� ������� ����� ������ ���� �������� 1�������+�����

���������������������!������A��(����������� ����������� ���#����>������������ ���

�� ��������� I��������������������������� ����������A��(��

���� ������� ������ ��� ����������� ��� ����������� �������!�� D)��E� ���

������������������ �����������������������!���������1/���� ������������D�� ���

%E�� "1*� ��������� D�� ��� FE�� ��� ������� ������� �������� D�� ���� $�� >�� ��� #E(� ����

��������� ��� "1*� ��������� ����� � �� ������������ ����� ����!����� ����

���������� ��!������� � �� ����� �������� �� ������� ��� �������� �������� ��� 1/��

�������(� ���� 1/�� �������� ����� ���� �������+�� ��� �������� ������!� ���

��!������ ��� ����!����!� ���� �������� ���� ����� ��� ������� ����� ��� "1*� ���

��������� �������(����� �������!���� �� ��� ������� �������!� ��� ��������������������

Page 35: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� FF�

��� ���� ������� �� ��� �� ���� �� �� �������� ���� ����� ������������ ����� ��� ������

������������������ ��������������� �������������������������!��� �(��������

���������������������������������������������������������������������������

��� �� ���� ��� ���� ��������� ����� ���� ����������� �������� ��� ���� ����������

�������������������������!���������������������������������(��

2.2 Evolution of process layer communication networks �

������������������������������������������������������������������������ �������

�������������������������!���� ��������(������������������������ ���������

� ���!��� �������!�� ��� ��� �� �� ������ �������� �������� ��� ����������

��������(� ���� �� ��������� ��� ����������� �������!�� ���� �����������

������ �� ����� ���� ���� ��� �3��!�� �� ���� ������� ����� ��� ���������� ��� ����

��������!(�

������������������+�� ������������������� ����������� ��������������������

����� ���� ���� ��!�����K� ���������� ����������� ��� 1�������+����� ������ �(�

4�������� ������ �� ��� ����� �� ���� �� ��� �� ��� ������ ������������� ���� �����

������������� ��� ��� ��� ����������1�������+����������� �� ��������A��� �� ����

�������� ������������������+�������6������������������3��(��

���� ������ ���������� ��������� �������� ����� ���������� ��� >BBG� ��� ���� 1�������

�1&1�1����!��A���������1&�H$>�$��������D�1&1�1��1&�H$>�$��>BBGE(�����

������� ��������� ��������� ��� ���� ��������!� ����� ������� �������K� �+&��� �����

.���� � D.*� #>B$G�� >BB$E�� ��������+4"*� ����� 5������ D.)&� >B#%H+>KF�� >BB$E��

��� 8����4)�� ����� 4���� D�4&:/� &4� �%G+G$F�� >BB$E(� ��� ��� ������ ��� ����

������������������������������������������������������������������������� ��

����������� ������(�4����3������������������������������������&����� �D��&E�

���������� ����������������������������������D?�����>BB#I�)*:�>>'B'��>BBFE(�����

.� ��&��� D:���� .� ��&��� 7������ ����������� >BB�E�� )�������+*� D.)&� >B#H'+>��

>BBGE�������� ��D1������������������>BBHE�������@��D������������������� �

�5��>BBGE�����������3����������������������������� ���������������������������L��

��������� �����(� 4������������ ���� 1&� H$>�$� ������� D�1&1�1�� 1&� H$>�$��

>BBGE� ��� �3������� ��� ������ ��� ������� ������ ������ �K� 4��������� 4���������

�������&���D�������&����>BB�E������������+���D�1&1�1��1&�H$>�$+#��>BBGE(�����

������� ��������� ��� ���� ���������� ���� 1&� H$#H%� ������� D�1&1�1�� 1&�

H$#H%��>BBGE��)��������D)1��G>�'%+#��#$$��E����������+.��D�1&1�1��1&�H$>�$+#��

Page 36: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

)���������������������������!����

�F%�

>BBGE�� ��� .� ��� 8����4)��� ���� 1&� H$F#H� D�1&1�1�� 1&� H$F#H+%�� #$$#E�

D������������� ��������������&��������E���������1&�H$#BH�D�1&1�1��1&�H$#BH��

>BBBE� D�*+�� �������E(� ���� ������������ ��� ���� ����������� ����� �������!�� ��� �

��!������������ ����������������������������������������������(�)�������������

��������� ��������������������������������������������!�����������������������

���������!� ��� ����� ��!������ ����������� ��� ��� ����!����� ������ ��� ���� �������

�6��������������� ��!����������������!���(��

:��� ��� ���� ������� ���� ����� � � D��� ������ ������ � E� ���� ���� ��� ����������� ���

������������������������ �����3�����!�����������������!��������� ��!���� �����+

�������� ����������� ��������� ���� �������� ���� ������� ��� ��3� ������� �� ����

����� ���������� ���������(� )�� ������ ��� �������� � �������� ���������� ���� �� ���

����������� � �� ��� ���������� ��������� ��6������ ��� � ��������� ��������I�

��������� � ����������� ���� ����� ��� ���� ��� ������ ��� ������ ������� ���� �(� �����

� ��� ���� ���� ��� ������� �6�������� ����������� ��!���(� ������ �� ���� ������

����������������������������������������������6�����������������������������

��� ��� ���� ���� �� ���� ���� � ���� ��������� ����(� .��� ��� ������ ������� ��� ��� ����

�������� ��� �������� ������� ��������� �������� � �� !������� � ����� ����

�������� ��� ���� ��������� ������� ������ ������ � �������!�� M� 1�������+�����

������ ��+������������������ ���������(��

*� ���� ��!��A������ D�(!(� )��������� ���������� :���� &����� ��!� �������

D)�:&�EE� ��� ��������!� ���� ���� ��� 1�������� ��� ���������� ��������(� ����� ���

��������� ���� ���� ������� ��������� �������� ���� �������1�������+����� ������ ���

�������������������1��������������������������������������������6�������������

��������� ���������������������(�:����3�������� �������������� ��� �������������

������ �������������������������1���������������!����D�1&1�1��1&�H$>�$+#��

>BBG�E(� ����������� ���� ��� ��!� !����� )1�� 85>>� ��� �������!� /��� ����� 1��������

D/�1E� ��6���������� ��� ����� �� ���� ��������� ��� ���� ������ ������� ������ �

���������������������������������������)1��G>�'%+>�D)1��G>�'%+>��#$$�E����

)*:@)1��''$#+F�D)*:@)1��''$#+F��#$$$E(����������������1�������+���������������

������ ��������������)1��G>�'%����1�������@)�I���������I�)�������I�7���@)��D)1��

G>�'%+#�� #$$�EI� ������ D)1�� G>�'%+#�� #$$��EI� 1�������� D)1�� G>�'%+#�� #$$�EI�

�������� � D)1�� G>�'%+#�� #$$��EI� "������ ���� D������������ �������� �������E�

D"�������>BBBEI����*�����)))�D)1��GH�@FH'@&���#$$%E(��

Page 37: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� FH�

����� �������������������������/�1�D4�������#$$HE(�

������ ���������� ���� ��� ������� ���� ������� 1�������� ��� ����!� ������ ����������

�������� ��� ��������(� ���� ������ ��� ��� ���� ���� ���@�.�@)�� ��������� �� �

����!���������������������+��������������������������������(�����������!�

��� ����� ����������� �������� �� �� ���� ���� ��6������ ��������� ��������� ���

��������!� ������ ��� ������I� ���� ���� ���������������� ������ ��� ����

����������� ������ �����(� ��������� ���� ���� ����� ������ ��� "�����@�����

1����&��@)����������&����.� ��&���� �+&1�����7���@)�(� )�� ���� ������ �������

�������@�.�@)������������������������� ����1�������� ������������ ���������

�������� ��� ���� ��� ���� 1�������(� ������ /�1� ����A������ ��� ���� ����� ���� 1��������

���������������������������������������A��������������!����������������

����� D1��������E� ��� ���� 1�������� ����(� ��������� ���� ���� ����� ������ ���

�������� �� ������ ��� �/:4)&1�� �?�(� )�� ���� ������ ������� ���� 1��������

����������������������������������������������� �������������+�����D"��������

1�������E(� "���� ���������� ��� ����!� ���� ���+����� ��� ���� ��� ����� ���

����������������������������������� ���������������� ��������������D���������

����!�E(�8����� ���������������� ����������� ���� ��� �� ���� ������� ���� ������ ��

����� ��������+/�1� ������ ��� ��� ������������������������������(� ��������� ����

���� ����� ������ ��� *1/�:*� )))�� 1�������K� 1�������� ��� �/:4)&1�� ):(� ����

������������������������������������������4�!����#(��

2.3 Ethernet based network as a process layer network �

*������ )111� '$#(F� D)111� '$#(F+#$$$�� #$$$E�� ������ ��������� �� 1��������� ���

�� ������� ���� ��� ����������� ���!� ��������� ��� ���� ����� >B�$�� ��� ����

Page 38: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

)���������������������������!����

�FG�

)������������1����������1���������1�!�������D)111E���������������������������

��� ��� ��� � ������ ��� ���� )�������� ���� ������ �����������(� 1�������� ���

���!�������������������������������������������!�� �����������3�������

���!� �� � ������� ������������ ������(� 4���� ���� ����� ������� 1��������

� �� �����������������3������� ��!��������!���������������������������������

������ ��D��&�E(��

1�������� �������!�� ��������� �3����� �� ���� ��� ��� � ����� ��� ���� )*:@:*)� ������

���������(� ���� ���� !��� ��� ��� ��� ����� �������� D�������!� 1�������E� ��� ���

��� ����������������������!����������!������������������(����������� ������

��� ������� ���� ������� ����� ���� ����K� ���� ��!��� ��� � ������� ����� D���E� ��� ����

����������� ������� D"��E� ����(�����!��� ��� �������� ����� ��� ������ ���� �������

������������� ��� ��������+��������� ��� ��� � ��� ��� ��� ���� ��!���� ����� �������

�����������������������������������������!���&(�����!������������!����������������

�������� ��������� ��!������!�����������������������������������&��������!��

����!���������(�����"�������������������D"��E�������������������������������

��� ����� ������� ��� ������ ���������� �������� ����� ���� �������� ��&�

�������!��������������������������������������� �������!���� ����������!���������

�������������(�������������������"����!����������������������������������������

��� ��� ������������ ���� ����� ��� �������� ��� � ������ ������� �����(� ���� ����

����������!� ��������� ��� ���� 1�������� ��������� ��� ���� ���� "��� ����� ���� �������

*�����"�������� ����� ����� ���������� .����� D�*"�@�.E� ����������� ��� ������

����������������������(��

���� ������� *����� "�������� ����� ����� ���������� .����� ������� ��� � ���� ��� ������

����������!����������� ��� ���� ������������� ������ ����������� �����������

������ �������������(� �������� ���� ��� ���� ����� �������!� � ���������� � �� ���

�����������������������������������������������+����������������!�(�8�����

����� �!������� ��� �������� ���� ������ ��� ���� �������!� �� ��� ���!� ��� �� ��� ����

�������!����� ��� ������ ���� ���� � �� ���� 1�������� ���+������������� ��� ������ ���

����������������(�8���������������������6���������� ������������� ����� ��

������������������������������������������������������������������������D������

������!E(� )�� ���� ������ ��� ������ ���� ������� ������� ��� ���� ��!���!� ������ ��� ����

��������!� � ������������ ��� ���!����(� 4�������!� ���� ���� ��� ���� ������������ ���

���!�����D�(�(��������������������������!���������E���������������������������������

�����D������������!�E�����������������������������������A�������������������

����� ����� ���� ���� ���� ��� �������� ��� �������� ���������� ���� �� �;�����!� ����

�����������������������!���!����������������������������!�������������������(�

Page 39: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� F��

�����������3�������������������������!���������������������!�������������������(�)��

������������������������������������� ������������6�����������������������������

������ ���� ������� ����� ��� ���� ��� ����� ���� ����� ��������!� ���� �3�������� ��� ����

���������� !�� ����� ����� ��� ������������ ����� ������ �������(� &�� ������ ����� ���

��6����������������������������������� ������������������!����������������!�����

������� ���� ����� �����������(����� ���� ��� ������������������ ������������� ������

6������ �� ���� ���� ������ ��� ����� ������� ��� �������� ����� ���� ���������� !��

�3������ ��������!� ���� ����������� ��� ���� ������ �����(� ���� ��������!� ������������ ���

�����������������������(�)������� ����������������������� �� ����������������������

���������������������������������������������������������� �����������������(�������

;����!�� ���� �������� ����� ���� ������������ ������ ��������� ������������� ���� �

������ ������� ��� ����(� ����� ��� ��������� ��� �� � ��!� ���(� ������ � ��!� ����� ����

������� !���� � � ��� ���� ��!�����!� ��� ���� ������� ��� �������� ��� ����� ���� �����

!��(�)������������������>G��������������������������������!�������������������

�����������������������"��������� ������!������������������� �������������������

��!�����(� ���� ����������� "��� �������� ��� ���� ������������ ������� ��� ����

1�������������� ��������4�!����F(�

Transmit Process

Assemble frame

Wait interframe gap and start submission

Send jams and increment attempts

Compute backoff and wait backoff time

Collision detected

Too many attempts?

Successfultransmission

Unsuccessful transmission,excessive collisions

Transmission done?

Channel busy?yes

no

yes

yesyes

no

no

no

Transmit ProcessTransmit Process

Assemble frameAssemble frame

Wait interframe gap and start submission

Send jams and increment attempts

Compute backoff and wait backoff time

Collision detectedCollision detected

Too many attempts?Too many attempts?

SuccessfultransmissionSuccessful

transmissionUnsuccessful transmission,

excessive collisionsUnsuccessful transmission,

excessive collisions

Transmission done?Transmission done?

Channel busy?Channel busy?yes

no

yes

yesyes

no

no

no

��������1��������"��������������������������D*��������#$$$E(��

2.4 Switched Ethernet as an improvement of the standard Ethernet �

������������1�������������� ������������������������������!����������������(�

����������� ����������������������������� ��������������������������1�������(�

Page 40: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

)���������������������������!����

�F'�

)�� ���� ����������1��������� �������� ��� ����� ���� ��� ���������������� ��� ���

���� ��� ����� ������ ��� ������ �������(� ���� ������ ��� ���� �������� 1�������� ��� ��

�� ���� ����������������������������������������������������������������������(�

�������������� ���������������������������������!���������������������������

���� ���������������������������!�����������������������������������������������(�

����������������������������������1��������������������+�����3�������������������

��������1���������������������+�����3���������������������������������������

������� ��� ���� �����(� ����� ������ � ������� ��� �������� ��� ���� �� ������

�������������(������������������������������������������������������1��������

�����������1������������������������4�!����%(�

���� ����������� �������� ������� ��� �������� 1�������� ��� ��������� �����

�� ������!�������������1������������������������������������������1�����������

�����������������������������������������������������(����� ����� �������!��������

�������������� �������������������������������������������������������������

�����������������������������������������(��������������������������!��������!��

�����������������������������������������������!���������������4�!����%(�)������

��!������������������� ��������������!����������������������������������������

���������� ����������������������������������������������������(�)���������������

����� ��� ������ ���� ������ ��������� ���� ����(�:���������� ���� ������ ������� ���� �����

�����������������������������������������������������������(�)���� ���������������

���� ��������������� ������� ��� ���� ����� ���� ������ ��������������� ���� ������

���������������������������������������������������������������������������(�

������������������������������������������������������1�������������������1���������D��������

��(��#$$GE(�

Page 41: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� FB�

��������� ���������������������������������1�����������������������������������

���������� (�������������� ������������������������������������ ���������

���� ���������� ��� ���� �!������� ���� ���������� ���� ��������1�������� ��� ������ ���

����������������������������� �����(��

���� ��������� ��� ���������� �� ��!�������� � ����� �� ���� ����������������� � ��� ����

1����������������������(���������������������������������1�������������� �����

���� ����� ������ ��������� ������ ��� ���� ���������� 1��������� ����������� ���

���������� ��� �������� �� � ��!������� �������� ��� ���� �������(� ���� ������������

����� ��� ������ ���� �������� ���� ����� �����!� ��� ���� ���� ��� ���� ������ (� ����

������ ���+��+���� ������������ ����� ���������� � ��� � �������� 1��������

������ �����������������4�!����H(�)��������!�������������� ����������G$�$$$�������

������ �����1���������������������������(�1����������������A������#�����������

���� ������� ��� ����� ��� ���� ��� ���� � !������ ������ !�������� ��� ���� ������

�������� ��� ���������� (������ ��������� �������������������������������� ������

�������������������� ������������� (�)�����������!�����������������������������

��������1���������������+����������������������������������������!����������

����� �������� ��������������� ������������������������!�(��

��������1��+��+����������������������1�������������� ��D5���!���������(��#$$HE(�

Page 42: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

:�������� ������������������

�%$�

3 On networked control systems

/������ ���� &�*� ��� �� ���������������� ������ �������!� ������� ��� ������ �

��������� ���� ������ ���� �������� ��� ����� ���� ������� ������ ��� ������ � ��� �

����������� ������ (� ���� ����������� ������ � ��� ���������� �� ���������

������������������������������������������������!������������������������ �����

���������� ��� ���� ���������� ��������(� ���� ������ � ���������� �� ���� �����!�

������������������� �����������������������;���������������A��������������!�

�������� ���� ��������� ��� ����� ������ ��� ��� � ��� ����� ����� ������� ��� �������

�!�������������� ��������������������������(��������!�����������������������!�

��������� ������� �!��������� ������ � �;�������� �������� ��� �������

��������� ����������������������������������� ���������������������������

������ ���������(�

3.1 Structure of the networked control system

����� ���������������������������������������

�����������������&�*���������������������������������������������������

����� �� � ������� ��� �������� ��� ������(� 4�!���� G� ������ � ������ &�*� ��� �

��!��� ��� ���� ����������� �����(� ����� ���� ��� ������ ��� ����� ����� ���� ������ �

�������� �����!����������� ����������� ��������������(� )�� ������� ���!���� ����

�������G ����������������������������������������� ���������������������

��������������� cG (������������������� ���������������������������������������

�������������������������������������������������������� ��������(��

)�� ���� ������� ������ >N��� ���� ����������� ��� ���� ����� ��� ���� ������� ��� ���������

������������������������������������������(������������������������������������

������� ����� ���!!�������� ���� ���������������� ��� �������� ��� ���� ������!��������

mss hh ,1, ,..., (� *�!�����������!�� ���+�����!� ��������!�� ����������������!���� �������

��� ��������������������������������������(��

Page 43: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� %>�

�������������������������������������������&�*(�

)��������������������� cG �������������������������������������������������������

���� � ���� ������� ������� ��� ���������� ��� ���� �����(� ���� ���������� �� ��� �����

���!!��������� ���� ���!!�������� ������������������ ���������������� �������6��� ���

����������!���������������������������� isc hh ,= ����������>N�(��������������������

������ ����� ������ �� ��� ����� �� ��� �������� �� ������� ��� ����� ��� ;�����(� ����

� ������������������������������������������������������ compτ (��

)�� ���������������� >���� ����������� ����� ��� �����������(����������� �����

��������� ���� ���!!����(� )�� ��� ���� ��������� ���� ���������������������������

;������ ��� ���� �������� ��� ��� ������ �������� ���� ������ ��� ������ ���������� ����� ����

�������!��� �(�

���� ����������� ��� �� ����� ���� �������� ��� ���� ���������� �� ��� ����� ��� � ����

���!!����(�����������������������!��������!�������������� �D��������� E�

��� � ��� � ���� �������� �����!� ��� ����� ����������� �������(� ���� ��� �� ���

������ ���������� ���� ������ ��� ����� D��� ����� ������E�� ������ ������� ���

���������� ��� ���� ����������� ��� ��� ��������� �����(� ���� ������������ �����

��������������������� ���������������4�!����G��� mscsc ,1, ,...,ττ (��

���� ����������� ��� �� ����� ���� ���������� ��� ����������� ��� ������� ��� ���� ��� �

����� ���� �������� ��� ���� ���������(� ���� ���������� ��� ���� ���� ����� ����� ��� ;������

����������� ����� ��� ���� �������� �� ����� �������������� ����� ������!� �����������

��(�������� �����������������������������������4�!����G��� ncaca ,1, ,...,ττ (��

�������>� ��������� *��������*������>�

����������

����������������

O�� ��O�� ��O�����O�����

O����

���� ������������

��

������������

�����

Page 44: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

:�������� ������������������

�%#�

���� ���������� ��� ���� &�*� ������� ��� ������ �������� �����!�� ���� ����� ������

� ������������������������������������I�����!�������������������������!����������

��������������� �����&�*���������������������������������������� �������

����!�������������������������(�

� � � ��������������������

������ ���6�������!������������������������� ����������������!�����������������

����������� ������ � ��� &�*� ��� �������� �� � ������� ��� ������ � ��������� ���

�������������4�!�����(�)��������!������� ���� ���������������K������������� �����������

��� ���� ������!� ����� ���������� �� ���� ������� ����I� ���� ������ ��� ������� ���

�������������� �����������������������������������������I������������������������

���� �������� ��� ���� ������� ����� �� ���� ���������I� ���� ������� ��� ������� ��� ����

������������������������������������������������I����������������������� ����

������� ��� ���������������������� ��������������(������������� �� �� ������ �� �

������������������������������!������������������� ���������������������������

�������������(������3���������������� ����������������������������������������!�

�� ����������K�������������� �� ������� ����������� ���������������������3�������

����������������(��

8������ ������������������!�������!��������� �� ����������������� ����&�*���

��� ������������� ���������������������� ���� �� ����� ����� ���� ��������� �����

��������������������� �������������������������������!����������������������

�������� ����������� ���� ���� �3������ ���� ������� ��� ������� ��������� ��� ����

�3����� ;������ ���� ��� �� (� ���� !��� ��� ������ ��� �������� ���� �� � ��� ���� ����

���������� ������� ���������A��� ��� ���� ���� ���������� ��������� ��� ��������� ���

���������� (��

�������� ��������� ���6�������!��������������������������&�*(��

*������������

>���

�����������������

���

�������

������>����

��� �����

����������

�� �>� �� �%� �� �H��� �#� �� �F�

��� �����

������

Page 45: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� %F�

3.2 Network-induced effects for the control in NCS �

8���� ��������� �������� ��� ����������� ��� ������������ ��� ������������� ���

����������������� ����������3���������������!��������������������������������

� ����� ������� ��� �������(� ���� ���� �� ����� ������ ��� ���������� ������ ���

�� ���������������� ���� �����!���� ���� ����������������� ������ ��� �� ����

������ +��������������������������������������(������ �����������������������!�

���� ����������� ������ � ��� ���� ����� � ����� ��� ���� ���������� ����� �� �����

������� ������� � ����� ����� ���� ����� ��������� ��������� ����������(� 4��� ����

���������� ����� ����� ������ ������������� ����� ��������� ����+ ����� ��� ����

������������A����������!��������� �����������������������������������������

� ����������������������������������!���������������(��

���� ����� ������ �����!� ������� �� ��� ��!���A��� ����� ������� ��� ������ +

������������������� ����������;��������������������������������������A��������

������!���������������D8������� �������(��>BBHI�*���������#$$$E(��

� � � ������������������ �����������!��

����������������������� cτ �������������3��!��!�������!��� ������������

�����������������������(������������������������������������������������+

��+���������� ����� D mscsc ,1, ,...,ττ E�� � ���������+��+������ ����� D ncaca ,1, ,...,ττ E� ���

������ ���������� ������ D compτ E(� ���� ������ ��� ������� ������ �� ��� ��������

���������� �� � ���������� ��� � ����� ���� ��� ���� �������� ��������� D bwτ E� ��� �

������������� ����������������������!�������D ohτ E(�4���������������������

�������������������������������������A����K�

compncamscc ττττ ++= ,, � D>E�

8���������� ����������������������)���������!�������������������������������

����� ���� ��� ���� ������� ������ compτ �� ��� ���� ������ ����� ��������� D��� ���

��������� �� ������� �!������� ��� ����E(� ���� �������!� ������� ���� �����������

��������������������������!������������������������������������� ��������

���������������������� +������������ nwτ ������������ ���������������������������

�����������������������������K�

Page 46: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

:�������� ������������������

�%%�

ncamscnw ,, τττ += � D#E�

��������������������������������������������������!���!�������������4�!����'K��

Networkchannel

Controller

Actuator n

Sensor m

Sampling k Sampling k+1

One cycle

msc ,τ

nca,τ

compτ

ohbw ττ + ohbw ττ +

ncamscnw ,, τττ +=

TimeNetworkchannel

Controller

Actuator n

Sensor m

Sampling k Sampling k+1

One cycle

msc ,τ

nca,τ

compτ

ohbw ττ + ohbw ττ +

ncamscnw ,, τττ +=

Time

�������" ������!���!������&�*(�

� � � ���������#����*�$�����*��!��!����%�����������������##�����

�������!���������������������������������������������� ����������������

�������� ��� � ��������� ����(��� ��������� ����� ������������������� ���������� ����

������������������������!�������������������������� (�������������������������

�������������������!������������������������������������������������������

������������ ��� ������� ������� ��� �� ���� ����� ���� ������ ���� ���� ��� ����

��������!� ���������!������������;�����(�)�������������������������������� ����

�������������������������������������������������(�����������������������

���������������������������������P�����������������������6�������������(�)������

������������ ���� ��� ��� 6�� ��� ����� ���� ������� ������ ��6������� ������� ������

��������������������������������������� (�����������������������������������

��������������������������������������������������������������������������

������!� ������������ ���� ���!� ��� ��� ��������� ��� ���� � ������� ������(� ����

������������������������ �����������������(����� ����������������������������������!�

� ������� ��� ������ ���� ����� ��� ���� ������� ��!��� ��!��� ���� ��� ������� ����� ����

�������� �� ��� ���� ������� ����!� ���������(� ���� ������������ ��� ���� �������� ���

Page 47: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� %H�

��������� ������ ��� ���� ���������� ��� ���� ������ � �������� �� ����� ��������� � ��

������ ������������������ ��������������� ������������!�� ������� ������ +�

����������������������� ����������������!�������������������� �����������������(�

,��������������������� ����+������������������������ �������� ��� ���������������

����������������� ����������������3���������������� ��������������!��������

�����������������!��!�����������������������������������D�(!(����������E(�

,��������������������������������������������������!����������� �������������(�)��

�������������������������������� ��������;��������������!������������3��+������������!�

���������������;��������������;���������6�����!�;�����(�,����������������������������

D�(�(� �������� ����������� ����� ���� ���� ������!� ������E� ��� ���� � �������� �����!�

������������������������������������������� ��������������������������

��������������������������� +�����������(��

���� �������� ����� ��� ������!� ������� �� ���� ���� ��� ����������� ������(�

��� ����������� � ������ ������!� ���� ������������ ��� ������+��� ����������� ����

���� �������+����� ������� ����!�� ��� ���������� �� ����3����� ������ ��� ����

���������� ������(� )�� &�*��� ���� ���� � ������ ������!� ���� �� ������� ����

������ �����������������������������������!�����������������������������!�������

����� ����(�����������������!�������!�������������� ���������������������

������������������������������� +���������������������������&�*�����!�(��

:��� ������ ����� ����� ��� ���� ������� �������� ��� ����� �������� ���� ���

����������� ��!���� ������� ���� ������� �����(� ��� �3����� ��� ����� ����

�������������������� �������������������������!�������������������������!����

���� ���� ������!� ������� ���� ���������� ��� ����� ����� ��� ���� ��������������(������

������������� �������������!������������A��������������!�������������������

)@:� �� ��� ��� ���� ����������� ������ ��� ��� � ����� ������� ����� ������ ����

����������������������������������(�

&����������������������������������'�����(�������������+����������������

)"*������������������������+��,�+����(�������������������������������������

�������� ���������������� #� ������+��,#������������$��%���������� ����������������

��������������+������+��������$�����+��,���,�����������������������������������

����(�������������������������#'�������(��'������������#'��$��������$������������

����$������

Page 48: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

:�������� ������������������

�%G�

3.3 The modeling of NCS �

/������ ��� ���� �������!� ��� &�*� ��� ����� ������ ���� ����!� ���������+������

�������+����� ��� ������+���������(� )�� ��������� ������ &�*+��������������

������������������������������������������������A��(��

� � � -��������������������

)���������������������&�*�����������+��������������������&�*������������������

��!���������������������������������������������� �������(�4����������������

�������� ���������� ������ ������ ���� ���� ������ � ��� ��������A��� ��� ���� ����

������!�����������������������������������������������������(��

)�� ��� � ��� &������� D>BB'E�� ���� ������� ��� � ������� ����� ��� ��������� ��� ����

��������!�����������������������K�

)()()()()1()()()()()1( 10

kwkCxkykvkukukxkx

+=+−Γ+Γ+Φ=+ ττ

� DFE�

����������������������������!��������������������������������A��K�

)()( kFxku −= � D%E�

������ casc τττ += � �������� ���� ������ � ������ �� ������!� ����� ,�� Ahe=Φ ��

�−−

=ΓcaschAsdsBe

ττ

τ0

0 )( �� �−−

=Γh

h

As

casc

dsBeττ

τ )(1 ��������� ����������� ����������!���������&��

.�����"�������������������������������(����������������������'/,0����+/,0�

��������������5������������������������A��������(�D)�����������������������

��������� �������������������������������������������������������������K��

)()1()()()()()()1()()()()()1(

10

10

kwkxkxCkykvkukukxkx

scsc

caca

+−Γ+=+−Γ+Γ+Φ=+

ττττ

� DHE�

��������������������������������������������������E(�

Page 49: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� %��

��� ������ ���� ������ � ������ � ������ ��� ��������� ������ ��� ��� ������� ���� ����

������ � ����� ������ ������� ������ � �����!� ���������� ����� �����!� ���

5������ �������������� ��� ���������� ���� ����� ��� ���� ������������� ��� ����� ���

���������������� �����!� ���(����� ������������������ ���������� � �����!� ���� ���

�����������"� � ����(�����3���������"� � ������������!������������������

4�!����B����������������������������� ��������������������������D�E���������D"E�

�����!��D�E�� ��!����������� ����������������!���������� ����������� ��� ���� ���(� )��

������!���������������������������������������!���������������������������"� � �

��������������������!����5������������������(��

L M HLMq

MLq

MHq

HMq

LHq

HLq

LLq MMq HHq

H

M

L

Delay

L M HLMq

MLq

MHq

HMq

LHq

HLq

LLq MMq HHq

L M HLMq

MLq

MHq

HMq

LHq

HLq

LLq MMq HHq

H

M

L

Delay �

�������1 �����3���������"� � ������������!������������������������������� �D����E���������

������������������������������!���������������������"� � �����D��!��E(����������������������������� �

���I�"������������������������������ ����I������������������������!�������� ����(����������������

����������������������������������D&��������>BB'E(��

�������������&�������D>BB'E���������������������� +���������������������������

�������!�������(���������������� ��� � ��� ���*������!����C�3���D#$$FE�����

���������������������������������� �������������������������������������/��

D>BB>E��������������������� +���������������!��������������!�������(�����������

�������������������������������������������������������������� ����(������

���<�����������D#$$GE��"� �� ����* ���D#$$%E��������������D#$$�E��=��!������+

,��!� D#$$GE� ��� )����� ������� D#$$GE� ���� �������� ������������ ��������A���� ��� ����

������� ����� ����� ������� ��� ������� ��� � �� ����� ����� ���������� �������� ����

������������������������������ ������� ������(��

� � � �����������������������

���������������������������&�*����������� ����������������������������(������

������ ��� ��������� ��������� �������+�� �������� ��������� ���� ������������ ���

����� ��� �������� ���� �������� ������ � ��� ���(� ������������������ ��� ���������

�������������������������� ����������������������������������������������

������������������������������������D8����������(��#$$>E(�

Page 50: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

:�������� ������������������

�%'�

CS PS)(ˆ ty )(ty

)(ˆ tu)(tu

Cx Px

Controller Network Plant

e

CS PS)(ˆ ty )(ty

)(ˆ tu)(tu

Cx Px

Controller Network Plant

e�

��������2 �����&�*�����������������������������������D8����������(��#$$>E(�

:��� ��� ���� ����� ������ �������� ���������� �� ������� ���� &�*� ��� ��� ����

���������������������������������������������������������������������� �������

������ �������������������������������������������������������������� ���

��!���(� ��������� ����&�*������� ��� 4�!���� >$(� )�� �������� ��� ���������� ����K� ����

����� )0,,,( PPPP CBAS � ����� ����� )(txP � ��� ������� )(ty I� ���� ����������

),,,( CCCCC DCBAS � ����� ����� )(txC � ��� ������� )(tu I� ��� ���� ������ � ����� �����

[ ]TTT tutytn )()()( ��� = ����������!������������������������������ ����������� )(ty ����

)(tu (� ���� ������ +������� ������ ��� ������� �� [ ]TTT tutytnte )()()(ˆ)( −= � ��� ����

���������������� ���������������������� [ ]TTC

TP txtxtx )()()( = (������������� ����

�������&�*����!� ������ [ ]TTT tetxtz )()()( = ������������������������������������

��������������&�*������������A������

11 12

21 22

( ) ( )( )

( ) ( )A Ax t x t

z tA Ae t e t� �� � � �

= = � �� � � �� � �

��

� � DGE�

������

1222

11211211

00

,0

0,,

AC

CA

AC

CA

ABBDB

AACBCBCDBA

A

C

P

C

P

CC

PCP

CPC

CPPCPP

���

�−=

���

�−=�

���

�=�

���

� +=

� D�E�

8����������������� � 0)( =te ������������������������������ )()( 11 txAtx =� (�)�����

����������� ��������������������������!���� �!�����!� ���������� ���������������

������!�� ������� 11A ������!�� ����������(��

������������ ���������������� ������������������������� ������������!���(�����

���� ������ � ��� ���� ����������������� ���� ���� ��������� ��� ������� ���������� ��� ����

Page 51: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� %B�

������� ��� ���������� �����(� ���� ������ � ����� ��� ��������� ���� �3������ �����

������������������������!������������������ 22A �������3����� EA +22 (��

� � � &����� ����������

��������&�*��������!�����������������������+����������������������������

����� �������������� ��� �� ���� ��������(� )�� ����� ���� ��� ������� ���� ������ ���

�� ������������������������K��������������������������������������������������������

���������� ����� �������� ��� �������� ������ ���� ������ ����������� � ���������

���������!���� ���������(����������� ������� �������������������������������

����� ���������������(�)�������������D#$$�E������&�*������������������������������

����� �� �� ��� � ���������� ����� ��� � ���+��� ��� ��� ����+��� ��� �� ���(� ����

������������������������������

)()()( tButAxtx +=� � D'E�

������!��������+����� ��������������������������������K��

[ ] )(~ 1−= kk tFxtu � DBE�

������&��.��-�������������������������������������������� [ ],...,2,1, =ktk ����

���� ������!� �������� ��������!� htt kk =−+1 �������� h � ��� ������!�������(� )�� � ����

������� ����� u~ � ��� ����� ��� � A���+������ ������� ��� ����� ���� � ��� ���� ����� ��

[ ]111, +++ ++++ kca

ksc

kkca

ksc

k tt ττττ ������������ ������� �����������������������������

[ ]ksc

kca

ktutu ττ ++= ~)( � D>$E�

��������������� k ���� kcaτ ���� k

scτ ������������������������+ ����!������������������(�

������ ���� ��������� ��� ( )kca

ksc

kca

ksch ττττ +≤++ ++ 211 � ���� ������ ��� ���� ����� ����� ��

� ���+��� ����������������+��� ��������������������������

)()()( 11 ++ −−+= kca

ksctButAxtx ττ� �� D>>E�

����&�*�������� ��������������������������������������������������������

�������������������!��������������� ������ ������������������!����������������

Page 52: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

:�������� ������������������

�H$

���!��� ���� ���� ������!�������(�*������������� ���� ����&�*�������������� �� ����

������������������0��������(�D#$$�E�����0���������(�D#$$HE(�

3.4 Control strategies for NCS �

)��������������������!������&�*��������;��� ���������������������������������������

��������� ���� ���� ������ ��� ���� ������ � ��� ���� ���� ��������� �3������� ��

������������������� ��������������+�����������������C�*(��

����������������������������������������������������������������������������I������

����� D��� ���� ����E� �����!� ������� ���� ����� ������� ��� � ������� ��� ���� ����� �

������� �������(� ����� ����� ��� ����� �� ��� ����� ������ ����� ��� ����� ����� ���

������������������������������������������������������������������������(��

)���&�*������ �������������������������������������!������������������������(�

?����� ��� ������ �������� ��� ������������ ������� ������ +������� ������ ���

���������� ���������������������������������������� ����� ��������������� ���

�������(�:������������ ������������������������������������������������������

�� ��������A��� ������� ��� ���+������� ������!� ��� �������� ����� ��� ��+

� ���������������������������������&�*�(��

)����������������������������������������������������� ����������������������

������ ��� ���������� � ������������������ ���� ���� ���������� ������� ������� ��� ����

���������� �����(� )�� ������ ����� ���� �������� ��� �����!� ����� ������ +�������

�������������������������������������������������!����������������������������

������� ��������� ��� ��������� ����� ������ ���� ������ ������+��� �������� ���� ����

��������������!�����&�*�(� )������� ���������������� ����+������+��������������

�������!�������!����������������&�*���������"������������(�D#$$HE��=��!�������(�

D#$$%E��,��!�������(�D#$$%E�������������(�D#$$%E����/�����D#$$FE����� ������������

������������������&�*�(��

*� ���� ����������� �����!���� � �� ����� ��������� ����� ��� ���� �����������

������ ��������������� ����������������������� ������������(��������������

������������!���� ����������������������������������������6������).���������

!��� ��������!� ��� ���� ����� ����� � �������� ��� ����� ������������ �������

�������������"������ ∞H �������(��

Page 53: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� H>�

� 3 � 4'-����������

����������������D#$$FE���������������������������� ���.���������������

������������!������������!�������������������)�������������������������������

��!������C�*���6���������(�8��������������������3������������������������

����������!�� ���� ������� ����������� ���� ����������� ��� ���� ��������� ��������

���������������������� �C�*� ������� ����������� ����(�������������������).�

������� ��� &�*� ��� ������ ���� ��� 1�� ����� D#$$HE�� ������ �).� �����!� ������ ����

������ ��� ������� �������� ����� ��������(� )�� ���� ��� �� �� D#$$'E�� �.� �����

����������� ��� ����� ��� ��������� ���� � ��� ��������� ����!� ������!�� ��� ����

���������!������������������ ���������������������� �� ������(��

� 3 � &���!������������!��������!���

)��������������� D#$$�E�� �*�������������� ��� ��������� ��� ��������� ���� ���� ������

������������������� ��� ������� �������� D&�*�E(���� �����������������������

������ ����!� �����+����� ��� �������� ������������ �6������� ��� ������(� ����

������� ���� ����� ���� ���� ��������� ��� ���� �����+����� ������� ��� !�������� ��� ���

������3����������� ������ ��� ���� ������ ����� ����(� ���������� ���+����� *�����

������������������������A��� ��������������������� ���������������������������

����� D#$$GE(� ���� *����� ��������� ��� ���� ������� ��� ?����� ��� ���� D#$$>E�� ������

�������������������!�������������������������������������������������������

�������������������� �D��&E���������������������������(��

� 3 � &������56.���������

��

:��������������������� ������������������������������������������������&�*�

������&�������D>BB'E(�&�����������������������������������������!�����������+

�������������������������������������� ���������� ������������+��+����������

��� ���������+��+������ �����(� 8���� �� ���������� ���� ���� ������ ��� � ���+

��� ���������C5+������������������������ �������������� ����������������������

����������������������������������(��������������������������������&������L��

��� ������������������������������������������������������������������������

������������������������ ���������������<����������(�:��������������������

��� ������������������ +�������������������������������������������������!�

������(� )�� *������!� ��� C�3��� D#$$FE�� �������� ������� ����������� ��� ����

������ ������������������������������ +������������ ��� ���!��������������!�

Page 54: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

:�������� ������������������

�H#�

����������������!����������������������������������+��������������������������������

������ ����� ����������(� ���� ��������� �������� ��� ��� ��� ��� ������ ����� ��� ����

������ �����������������(��

������+7�� ��������=��!�D#$$'E��������C5�����!�������������&�*�����������

���;��� �������������� ������������� ����������(����������� ���!���� ����

�������=:����������� ��� ���� ����I� �������� ���� ���������� �������� Q�!����L� ��������

����������������������!����������������(����������������������������

��6���������������������������������������������������3��!�������6�������������

;������������������������������������������������������!���������������������

������� ����������� �������(� �������� ���� ������� ���� ��� ��� ����� ��������� ���

����!�� �������� ����������� ��6������ ���� ������ �� ���� ������������ ���

�����������������������)��������������������������������������������(�

� 3 3 7������������������������!���

:��������������������������� ����������������������������(�)��)������������

D#$$GE������������������������������� ��!�����������������������+����������������

�.�� ��������(� ������ ��������� ������� ����� ������� ��� ���� ��������� ���

������!�����D��<E���!���I����������������������������<���!�����3��������� ��

�����.����������������������<�� ��������������(������������!������������������

������A�� ���� �������������������A��!� � 6������ ���������� �������������� ����

�������������������������������������������������������������������������������� �

�������� ��� � ��� ������(� &�� ������������ ����� ��� ���������(� 4��� ���� �����

�������������

,...1,01 =++=+ kwBuAxx kkKkk α ��� D>#E�

�������������6�����������������������������!�����K��

{ } { }��

�� ++= −−

=�−−

)(),...,(),()( 111100

1

0)(),...,(),( 111100 NN

N

kk

Tkkk

TkN

TIII IIIRuuQxxFxxEJ

NNNμμμαμμμ

� D>FE�

������ iμ ���������������������������������������������� ����� iI �� N ������������

����A���� ��� Kα � ��� � �������� �������� ���� ��� ����� ��������� ���� ������� ��� ����

����������� ��� ��� ������� ��� ������� ������� "� � � ��� ?��������� �������

Page 55: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� HF�

��������!� �������� ��� ��� ���� ��� �.�(� ���� �������� ������� { }Kα � ������� ����

�������������������������� ��������������������������������(�?���������������.��

���� Kα � �������������A��������� ����� ��� � ������ �(�(�� ������������ ��� ��� ���������

1=Kα � ���������(� ����������� ����� ����������� ��� ���� A���� ������� ����� ��� ����

���������������� ��������D=:������������� ���������E(�4�������������������

�������� �������� Kα � �������� ���� ������������ ��� ���������� ������������

?��������� ������� ����� [ ] αα == 0KP �� ��� [ ] ααα =−== :11KP (� )�� ���������

�����������������������������3����������������A��!�������������������������� ��(��

����� ��� *������!� ��� C�3��� D#$$FE�� �������� ������� ����������� ��� ������ ���

������� �������������������� +������������ ��� ���!��� �����������!�����������

����!����������������������������������������������������������������������������(�

4������������������������������ �������������A������6�����������������(�)��

��������������������������������������������������������������������������������

������ ����� ����������� ��� ���� ������ +������������ ��� ���!��� ���� � ������!�

������(� ���� ��������� �������� ��� ��� ��� ��� ������ ����� ��� ���� ������ ��� �������

�������(� ����� ��� ����� ��� ��(� D#$$FE�� ���� ������� ������� ������� ��� ����� ��� ������

��������������&�*(�)���������� ����������������������������������")":���������

&�*� ��� ���������� ��������� ������������ ����������� �����(� ���� ����� ������

�������� ������+���������� ��� ���������+������ ��� ���� ����� � ���� �� ����������

�� ���L�������!�������������������������������������������������+�����")":�

�����(� ?���� ��� ���� ����+����� �������!� �!������� ��� ���������!� ���� ��� ���

������� ������������������ �������� ����+ ��������������� ���������� ����

���� ������� �C/� D�����+C�����+/�!�����E� ������� ���������� ����!�(� ����

�����������������!������������A������������������������������!������������ ���

���� ������� ���������� ��� � ������� ������� ����������!� ������������

����������������(��

� 3 8 9�������������(����������

����������������� �� ������� ����������������� ��������� �� ���� ���� ����������

����&�*(���������������������"����!����������������������������!�����������������

�� ������ +������� ����� ��� ������!� ����(� :�� ���� ������ ���� �� �

��������A����� �����������6�����(� )����������� ����"�������������6�������� ��!�

����������A������������������������!���������������!���������������������

��������������(��

Page 56: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

:�������� ������������������

�H%�

��!� ��� ��� *�� � D#$$GE� �3������� ���� 5������A��� ������� �� �������� D5��E�

�!������� ��� ��������� ���� ��+������������ �����(� ���� �� ������� ������ ���

������� �����!�� �������� ��� � ����� ��� ���� ������� ��� ������ ������ ����� ���

�������������������������������������!��������� �����5������������������

��������������!�����������������(�����������������������������������������

����������� ����������������!���������������������������������������A��(����

������������������������������������������������!����������(�:�����������������

������!� ������� ���������� ��� ���������� ������3�� �������� ������ ������������� ���

������������!���������������������6������,+����+��������������������!�������������

��� �� ���� ������� ��� �� � � �������� ��;�����(� ��� � ����������� ����� � ������

������!+����A��� 5��� �����!��� ������ ����� ���� ������ ������ ��� ������������� ����

���������� ������ ��� ������� �����!�� ����� ��� ��� ���� ��������� ��� ��������� ����

����������������!����������!��������������������+��+����������������������(�

�������+������� �+������� �����!�� ����� � �������� ������ ��� ���� �� ������� ���

<�����������D#$$GE��������������������+��������������!����+�� �������D�!�� E�

��������(�)�����!���������D#$$BE��������� ����������������������������������!�����

&�*�������������������������������������(���������������� �������������������

��� ����!���� ��� ������A�� ��������������� �� ������!���� �� ��� � ������� ���������������

��������� ����������3� ������� D."�E� �!������� ��� ������������ ��� ��!����� ����

��������� ���+������ ���� ���� ���� ���������(� ������ ���� ���������� ���� ���� �����+

�����������������������������������4������)�������/��������D4)/E������������4)/�

������ ������� ���� ������� ��������� �������� ��� ���� ������� ."�� ���������� ���

�� ����!���(� 4��� ������ �������� ��� ���� "��� �������������� ���� &�*� ����

*���� �!������������D#$$%E��������������D#$$GE���������������D#$$BE(��

� 3 : ;����������������������<���∞∞∞∞���������������

/�������� ����� ������A����� ����� �������� � �� ����� ������� ��� ���� �����

�������������� ����&�*(� )��0���� ����(� D#$$HE�� ������������������� ��������!�����

������� ∞H � ����������� ���� �������� ������ ��� ������� �������(� ���� ���� &�*�

�������������� �� ������������� ����16������� D>$E� ��� D>>E�� ��� ����� ����������� ����

�����������������&�*(����� ∞H �������A�������������������������������� �����

�� �")� ������A����� ��������� �������!� � ����� ����� (� ���� ����������� ��� ����

������������������������� +��������������������A���������������������(�)��5���!�� �

�����������D#$$GE��������������������������� �������!� 2H �������A����������6���(�

��� � ������ � ������ �������� ����� ������ ��� ������ ��� ���� ��� ��� ������� ��� ���

��������������������������� �������������������� ���������������������������

Page 57: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� HH�

���������� ������ ��� �������� ��!�����(����� ��������������� ���� ��������������+

� ��� ������� ��� ������ ��� ��� �6�� ����� ��� ���������� ������� �������������� ���

���������������������������������������������������������������������!������3�

D (�)������������������������������������������������������������� ������������

���� ��������(� ���� ������� ��� �������� �� ∞H +�����������A����� ��� ���� �����

�������� ��� 5��� �� ���� D#$$'E�� ���� ���� � ���������� ����� ���������� ����� ����

������� ���������������������������������������������������������!�������������

������ (����� ������D#$>$E�� ������������������� ��+����� ∞H ���������������������

&�*������ ������� ��� ������(���������������������������� �������� ���������

���� &�*�� ��� � ?��������� ������������ ������ ��6����� ����� � ����� ����������

���������������������������������������������������� �������(�:�������� ���� ∞H �

������� �� ��� ������ ��� ���!� ��� ��!� D#$$BE�� 5�� ��� ����� D#$$'E� ��� )�����

D#$$'E(�

3.5 Stability and performance analysis in NCS �

��� � ���� ��� ������� ����!��� ���� ��������� ��� ���������� ������� ��� ���� ��������

&�*� ������� ������� ��� ���������(� ���� ��������� ������� ��� ����� ����� ���������

������������������ ����������������������������������&�*���������������������

�������������������������+�����������(�:����������������������������������

����� ������ ��� ���� �������� ���� ���������� �6������ ������� � ������������

�6������ �������!� ���������� ��� �3��������� ��������� ������� ��� �����

��������������(�1 �����������������6������������������������������+ ����!�

�������(��

?������������������������������������������������������������� ���������������

������ ���� ������� ����� ���� ��� �������� D?������� )����� ?������� :������ D?)?:E�

��������E(������������������������������������������������������������������������

�������������������������������������������������������!�����������������������

������������������������������(�)���������������������������������������������������

���� �������� �������� ���� �������� ��� ���� ������ ����� ���� ��� ���� �����3� ����(� )��

�������� ������ ���� =+��������� ��� ����� ��� � ������� ��� ������ ��� ���� ������ ��� �����

�������� �������� ���� �������� ������� ���� ����� ����(� 4��� � ������� ��� ����� �����

�������� ���� ������ ��� ������ ��� ���� ������ �������� D<����� >B''E� ��� ����� ������

�������� ������� ��� ����(� )�� ����� �������� ���� ���������� �������� ��� ��������� ���

���6�����������������������������A��(�

Page 58: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

:�������� ������������������

�HG�

� � � ���������������������������

)�� ��������� ��������� ������� ��� ���� ��!������� ��� ��� ��� ��������� � ���6�����

������������������ ����!���������������������������������� �����&�*�������(�

"���� ��� ���� ���6����� ������ ��������� �������� ��� ����� ��� ���� ��������� ��� ����

�����!�����������������������������(�������!�����������������������������������

���� ����� !��� �������� ��� ������ ����� �� �� �� ���� ����� ��� ���� ������� ��� ����

����������������������������������������������������������� ������������������

�����?������!������&�6����������(�5��� ����(�D#$$FE�����������+!�������������

��� ��!����������������������������������+ ����!����������������������� ����������

������������������������������������ ���������������������������������>�����

1)( <tτ� (�<������������D#$$%E��3���������������������������������������������

�������� ������� ���� ������ �������� ����� ���(� ���� ������� ��� �3�������� �� ����

��������!� �������K� ��������� ������ ����� �� ����� ������� ����� �������� ����+

����!� ����� ����� ��� ���� ����� � �� ���������� ��� 4�!���� >>(� �������!� ���� ����

������ ����� ������������ ���������+������ ����+�� ����� ����� )(sP � ��� ����������

)(sC � ��� ������ ���� A���� ������ ����� ���� ������� ��� ������ ���� ��� ����+ ����!� ����

�����������������������K�

max)(0))(())(( τττ ≤≤−=Δ tttvtv �

)��

[ ]0,,1)()(1

)()(max

∞∈∀⋅

<+

ωωτωω

ωωjCjP

jCjP� D>%E�

������ Δ ���������������������������������������������������!���!��� v ���� )(tτ (�)��

���� ��!����������������������������������������������������������������������

!������ )(vΔ �����������������������������������������+��������������������

���������!����������(��

Page 59: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� H��

+_

d

Δ

C

P

v

+_

d

ΔΔ

C

P

v

�������� �������������� �����������������������������+ ����!����������������������� ������

D<�������������#$$%E(�

4������������������������� )(zP ���� )(zC ��������������������������������+ ����!�

����������������K�

( )( ) ( ) { }Nnnnvnv ,...,1,0))(( ∈−=Δ δδ � D>HE�

���

[ ]0,1

1)()(1

)()( ∞∈∀−⋅

<+

ωωωω

ωω

jjj

jj

eNeCePeCeP

� D>GE�

� � � ����������������������

:������ ���� ���� ���� ���6����� ������ �����6������� ���� ��� �� ��� ��� ���������

����������������������������������������������������� ����������������������

����(� ���� ��������� �������� ���������� ��������� ������� &�*� �����A�� ������ �

��������� ������+����� ��������� ���� �� ���� ������ � ������ ������� D������

������E�� ���� ������ +/A������� ������� ��� ���� ������ +<��� � ���

�����(�4����������������������������������� ������/�����D#$$FE(�

��������������������������������������������������� ��������������� �������

�3������ ������ ��� &�*� ��� ������ �(�(� ���� ����� ��� ���� ������� �������� ����� ����

����@���������� �6������� �� ���������� ��� *������ F(F(#� ��� ��� "��������6��� ���

���� ����D#$$%E(����������� ���������������������������������������������������

��������!����������������K��

))(()( txftx =� �� 0)( =exf � D>�E�

Page 60: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

:�������� ������������������

�H'�

������ ex ����������6���������������(�������������������������� �����������������

��� ����� � �������� )(xV �� D����� ������ � �������E� ��� ���� ���� )(xV � ��� ������ ��

���������� 0)( >xV � exx ≠ ��� 0)( =exV ������������ �� ����� )(xV ����!�������;��������

���D>�E������!�� ����������K�

e

T

xxxfxdxVxV ≠<∂= ,0)()()(� � D>'E�

����� )(xf ���������������������6�������������������� ������;��������� )()( xftx =� �

�� ��!��� ��� ex � �� ∞→t (� 5��������� ����������� �� ��� ������������ �� �������K�

16������ D>'E� ����������� ��� �� ������ ������� )(),( xfxxV∂∂

�� ��� ��� ���� ���� ���

��!�� ��������������������������!����������� )(xxV∂∂

���� )(xf � �����!�� ����������

�!��� ��� !������ ���� B$� ��!������ ��� ���� ����� )(tx � �� ��!�� ������ ex (�

5��������� ����� ��������� ������� ���� ������ ������ � ������� ��� ���������� ���

4�!����>#(��

xV∂∂

)(xf

ex

xV∂∂

)(xf

ex

�������� ����������������������� �������������(�

����&�*� ������������� ���������� � �������������������������� ��� ������ ����

�����������������������"��������6���������� ����D#$$�E����"��������6������

���� ����D#$$%E(��

���� ������ +/A�������� ��� ���� ������ +<��� � ��� �������� ���

!������A������ ��� ���� ������ � ������ ������(� ���� ������ M/A��� ����

������ ������ ��� ��� �� ��������� ��� �������� ����� �������� ���� ������� ���� ����+

����!������(� )�� ���������� �������������� �������������������� ���!������ ���

Page 61: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� HB�

��������������������������������� ���������������������������������(����������� +

<��� � ��������������������� ������������������+����������������������������

�������������������������������!����������� ������(�)�����������������������

���������� ����� ������� ���������� ��� ���!��� D&�������� #$$>E(� ���� ������ +

<��� � ��� ������ !�������� ����� ��� � ����� ����� �� �� �������� ���� ���� �� ���

��6������������������������������������������������������������������(��

���� ������� ���� ��� �������� ��� ����� ���� �������� � ����� ��� ��� ������������ ��

������������������������������6�������D/4.1�E�!� �����

[ ][ ]0,),()(

0,,)),(,()(

max0

max0

τθθφθτθθ

−∈=+−∈≥+=

txtttxtftx�

� D>BE�

������ )(tx � ��� ���� ����� ������ ��� ���� �������� θ � ��� ���� ����� ��� maxτ � ��� ����

�3����� �����������������������������(��

)�� ���� ������ +<��� � ����������� � ������������ �������������� ��������� V � ���

���!�����������

( ) ( )( ))0(),(

,)0(),()0(

φφ

φφφ

wtV

vtVuc

−≤

≤≤� � D#$E�

������ u �� v � ��� w � ��� ���������� ����������!� ���������� )( pu � ��� )( pv � ���

������ �� ���� 0>p ����� 0)0()0( == vu (� )�������� ���6������� φ � ��� ��������������

�������� [ ] �→− 0,: maxτφ �����c

φ ��������������������������φ K�

)(max0max

θφφθτ ≤≤−

=c

� D#>E�

)�� ���� ��������� V � �3������ ����� ���� ��� ��� ��������� ��� D>BE� ��� ���������� �����(�

����������� ���� ��������� V ��������� ���� �� ������ ��� ���� ������� ����� ���� ��� ���

��������(��

)�� ���� ������ +/A��� ���� �������� ���� ��������� ��� �������� ������� ���

���������(������������������������������ +/A������������������������������

Page 62: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

:�������� ������������������

�G$�

���� ��� ����������� �� ��� ���� ��A�� ��� ���� ��������� )(tx � ��� �������� )(xV (� 4��� ����

�������� )(xV ��������������!������������ �������������������A����� tx K���

[ ]))((max)(

0,max

θτθ

+=−∈

txVxV t � D##E�

)�� )())(( txVtxV < ������� 0)( >xV� ����������� �� )( txV �!���(�4��� )( txV ��������!�����

����������������������� ))(( txV� �������������� ������� ��� )()(( txVtxV = (�

"�����������������������3�������������������������������������� ),( xtV ���������

( ) ( ) nxtxvxtVxu �� ∈∈≤≤ ,,),( � D#FE�

����������� �� �����V ����!�������������� )(tx ����D>BE����������

( ))())(,( txwtxtV −≤� �� D#%E�

����� ��� [ ]0,)),(,())(,( maxτθθθ −∈≤++ txtVtxtV � ����� ���� ������� D>BE� ���

���������������(��

)�� 4������� �� ���� D#$$%E�� ���� ������ +<��� � ��� ������ ��� ����� ������� ���

��������������+������������������ ��������������������������������������

�����������������+ ����!�������������������������������� 1)( ≤tτ� (���������0��� ��

��(�D#$$HE��������������������������������������������&�*������������������+

��� ������� ����� ���������+����� ����� ��� � �������� ������� ���������� ���

����� ��� ���� ������ +<��� � ��� �����6�������� �� �3�������� ���� ���� �����6���

������������������������������������������� ���������������������������������!�

�������� ��� �� �� ��(� )�� ��!�� �� ���� D#$$'E�� � ����� ���������� ������ +

<��� � ��� ����� ��������� ��� ��������� ��� ������ ���� ��������� ���� ����� ���� �������

��������������������������� ����������(�)������ ������D#$$'E������������������

������������")":�������������������������������������� +<��� � ��������6���(�

)�����!����&!��!�D#$$'E�� ����������������� �������������������� ����������

������� ����� ������ ����������� ����� ������ ��� �������� ����� ���� ������ +

/A��� ���� ������(� )�� ,��!� ��� ��� D#$$'E�� ���� ������� ��������� ��� ��������

������ �������� ����� �� ����� �� ����+ ����!� ����� ��� �������� ����� � ������ M

Page 63: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� G>�

<��� � �����������(�:���������������������������������������=��!�� ����(�D#$$HE��

����!����* ���D#$$�E����8����� ����(�D#$$#�E(�

3.6 Control of network methods for a NCS �

����������������� �������������&�*������������������������>����������K�!� ����

���� ��� ��������� ��� ��� ���������� ��� � ����������� ������ � ����� ��������

���������� ����!�� ��� �������� ���� ������ � �� �� ��� ���� ���� � ����� �������

�������������������A��(������������������ �������������&�*������������� ���������

����������������������� ����+�������������!�������������������A����(��

� � � ������������������

:���������������������!�� ��� ������� ����� ������������������ �&�*� ��� ��� ������

�3����� �������� ���� ������ D"�.?E� ���� ������!�� ���� ����� ��������� �� ���

!������������������������������������������� ���������!�������������������

���������� +��������������� ����� ��������"�.?(�"������������������������

���� ������ ����������(� 4��� � �� ���� ��� ����������!� ��3����� �������� �����

������ ���� ��������!� ���� ���������������<���� ����(� D#$$FE(����� ������ ������� ���

"�.?� �� ��� ������ ��� "�� �� ���� D#$$�E�� ������ ���� ������� ������ ���� "�.?�

!��������!� ���� ��������� ��� ���� &�*� ���� ���� �������� ����� �����+����� ����(�

*�������!��������� ���������A��"�.?�� ������������������������� �����������

�������� �� ����(�D#$$#E����8����� ����(�D#$$#E(�

4����3�����!������� ���������� ���,���������"������D#$$GE����������������A��

���������������������������!����������!�����������������������������������������

���������(� ���� ����!�� ��������!� �������� ��� ������ ���� ��� ������ �� ���

���������K���&��4)������/)&�(������������������������� ������������������������

�������������!�� �������������� D����� ����� ��������������������� ����� ������E�

��������� ���������!��!�������D/������������D/"E��!�����������������������

�� �����/"����� �� �������!���������E� ����������(� )������� ������ D#$$HE���������

����� ��� � 6�����+��+��� ��+����� DC�*E� ������� ������� ������ ���� ������ ���

������� �������� �� ���� ��������� �� ��� �����!� �������(� ��� ������� ���� �������

���������� ��� �&�*�� ���� ������ � ����� ������������ ������ ���� �������� �����

�� ��(����������� ������ ������������������������������� ������ ��!��� ��������

������ ������!������� ���� ���� ������������ ���� ��!��� �������� ���������!��!������

�!�������������������������C�*��������������������������������������(�

Page 64: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

:�������� ������������������

�G#�

� � � !���"������������

�������� ���������A����� ��� ���� ��������� ��� �������� ��� 0�� �� ����(� D#$$#E(� ����

����������������������� ������������������������������������������������������

����������������������������� ���� �������� �������������� ���������������(�����

��������� ����� ��� ����� ����� ��� ������� ���� ������� �!�������� �� ��� ����(�

8����������������� ������ ������������������� ��������������������+���������

����������������� ���������������������������������������(�����������A��������

����������������������������:���A�� ����(�D#$$#E������������������������������ �

��������������;�������������������!���������������!� ���������������������

������������������ �����������������������������������������������������!������

���������������������!�������������������������� ���(��

3.7 Control strategies specifically addresses for switched Ethernet based networks

:�������������������������������������������!����� ��������� �����������������

���� ���� ��������1�������� ����� ������ �(� *���� �3�������� �3���� ���� �� �������

������������� ����(�D#$$GE������!�������*�� �D#$$GE(��

)������� ����(�D#$$GE����������������������������������������� ��������������

�������� 1�������� ����� ��������� �� ���� ����� �����!� ��!��� �������� ��� ����

������������� ���������� ������������ ���+����� ����������*�������1�������������

����������� ���(�)������������������������� �������3����������� ��������������

�3���������������������������� ����������������(�)���������3����������� ��������

�����������������������������������������������������������).����������� ���

������ ���������� ���������� 1��������� ��� �������� 1�������(� ����� ������� ������

���������������������������������1������������������������ �����������������

���������� ������ ������ ���+����� ��6���������(� ��!� ��� ��� *�� � D#$$GE� ��������

���� ����������� ���� ������������ ������ ���� � �������� 1�������+����� ������ �

����!� ����������A���������� ��������(��

3.8 Summary of existing control methods for NCS �

Page 65: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� GF�

���������������� ����&�*��������� ���������� ��� *������� F(%� ��� F(H(#� ������������

������� ��� ���� ����������� ��� ������ � ���������� ��� ����� �������I� ���� ����

������� ������� �����A��� ��� �������� ��� ������ ����� ����� ��� ���� ����� ��� ����

������ I�����������������������������������@���������������������������������

��� ������� ����������� � �� ����� ���������(� )�� ����� �������� ���� ��������

���������� ��� ���� �� ���� ��� ��������� ����� ������� ��� ������ ������(� ������

������������ ������ �������� ���� ��� ������!� ����� ��� ��������� ��� �����6�����

���������������������(��

4��� ���� ������ ���������� ���� ����������� ��� ���� ������ � ��� ����� ��������� ������

�������������������(�&����� ����������������������������������������������

��������������� ������������� ��(�)�������������������������� �����������������

�������(� )�� ������ ����������� ����������������������� ��� ���������������

������������������������������������� ������6������������� ������������������

��� ���������� ������� ��� ���� ��� ����� ����� � ���!�� �������� ����� ������ �

���������� ��� ������� ��� ��!������������������ ������� ���(� )�� ��� ����� ����

����!������������������������������������������������������������� +�������

�������������������!��!� ��� ��6������ ���������� ���+��+��������� ������� ����� ����

������������������������������������������������������(�����������������������

������������������ ���������������������������������������!����������������

�������� ��� ����� ��� ���� ������ ��� ����� ��� ���� ������(� ���� ������ ��� ���������

������� ������ ������ ��� ����� ��� �������� ��� ���� ��� ������ ����������� ���

������ ������+������������������������������ �����������������(��

4��������������������������������������������������A����������������������������

�������� ���������������������� �������������������������(�)����������������

������������������ ����� �������� ���� �3�������(�������!�� ����� �����������

��!������������!������������������������������������������������������������

����� ������ ����������� ����� ���� ����� ����� ������� ������� ��� ������(� )�� ����

������ ���� ���� ���������������� ����� ���� ������� ����� ����� �3�������(� 1 ���

����!�� �&�*� ��� ��� ����������� � ����� ����� �������� ���� ���� ��� �����������������

����� ����� ��� ���� ���������� �3�������� ��� ���� ������ ���������� ����� �����

����������������������������� ���������������(��

4������������������������������������������������������ ����������������������

�������������������(�)���������������������������������������������������������

����������� �������� ����������� ������ ��� ������ ���+������ � ������� ������� ���

�������� ��� ���� �����(� 1 ��� ����!�� ��� ��� ��������� ��� ��������� ��� ������ �

Page 66: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

:�������� ������������������

�G%�

����������� ��� ���� ���� �����!��� ������� ��� ���� ������ � ����� ���

������!������� ����� ������ ����!� ����� ���� ������� ��� ���������� ����� ������� ���

���������� ��!�����(� )�� ���� ������ �������� �������������������� ����!� ���������

�������� ����������������������������(��

������������ ���������� ��� *������� F(%� ��� F(H(#� ��� �������������� ������� ��� ����

�� ���������������������������>���������#(������>���������������������������

������� ��� ���� ������ ��� ����������� ��� ����� ��� ����� #� ������ ���� �����������

������������ ��� �����3������������� ���������������������� ������� �������������

��������������(� )�� ����� >�� �?.� ������ ���� ������ ������ ����I� �?.� ���� ������

������ ����I� τ � ��� ���� ������ � ������������ ����I� tvτ � ��� ����+ ����!� ������ �

����������������I���� τΔ ���� ���������������� �����������������(�

)����������������������>��������������������������������������������������������

�������������������� ��� ���� ���� �������������(����� ���� ���� ����&�*� ����/���

������������6������������ ��������������������������!��������+��+���������

������������ ������(��

��#���� ������������������������������������&�*�������������������������������������������(�

$�����%��������τ �

&��"��'�������(��τ � )������������τ �

� � � �

�������������� � � ������������������������D#$$FE� � C�*������������������

����?.�7�������τ �����������������������

1�� �����D#$$HE� � � �?.����τ � ����������� ������D#$$�E� � .������������������

����������������!�������

������������D#$$GE� � .����������������������������������!������

τ ������������������������������

?����� ������D#$$>E� � � τ � �����&�������D>BB'E� � � τ ������������� �����*������!����C�3���D#$$FE� � � τ �������������� �����

D�������E�������+7�� ��������=��!�D#$$'E�

� � τ � �����

)����� ������D#$$GE� � � ��� ��������������������� �����

����� ������D#$$FE� � � τΔ � �������!�������*�� �D#$$GE� /��� � �<���� ������D#$$GE� /��� � �?.� ��������!�� ������D#$$BE� � � �?.� �����*���� �!����� ������D#$$%E� /��� � ������ ������D#$$GE� � � �?.� �����0���������D#$$HE� � � �?.�������������

�����5��� ������D#$$'E� � � �?.� ������τ� � �����5����������D#$$'E� � � �?.�����?.� ������

�������������������)�����D#$$'E� � � � !����������� ������ � � �

Page 67: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� GH�

)�������������������������������������������������� ������������������� �

������������������������������� +�������������������������������������3�������K�

����������������� �������@)�� ����������� ��� ������ !������C�*������(�

1 �������!���������������������������� ���������������������������D������ �

������ ���������E������� !��������� ���������� �������� ���� !� �� �� ��6���� � �����

������(��������������������������������������������������������6����������

������������������������������������������� ��������������������������������!�

������ ������� ����������� ��� � ����� ��������� ��� ������� �� ������ ������(� ��� �

������ � ��� ����������� � �������� ������� ����� ��������� ������ ��!��� ��� ������ �

��������������������������!�����������������������6��������������������������(�

8���������C�*�������!� �������������������������������������������� �����������

����������������������������������������� ����(��

��� ����� ����� ���������� #�� ������������� � ����� �� ����� *����� ������������

����� ����� ��� ��������� ���� ���� ������ � ������������ ����� ������ ��� �����

������������������������ ����!������������������� ���������������������������

���*����������������������!��������������������� ���������������������������

�����!������������������� �����������������6����������!�(�)����������������

������� ��� ����� ����� ��� ���� ����� ���������� ��� ��������� ����� ����������I�

���� ���������3�������� �����������������������������������������������(�D)������

����������� ����������������������������������������3�����������������������!�

����(E��

)�������#��0���������D#$$HE����5��� ������D#$$'E��������������������� �����

����� �������� ����!� ����� ���� ����+ ����� ������� �������� ���� �� ���� ������ M

<��� � ���������������������(�)����!�������*�� �D#$$GE����<���� ������D#$$GE��

����������� ������������������������3�������������������������������3�������

����� ����!���� ��������������������������������������� ����!(��

)��������������������������������������������#�������������������������������

���������������������������� ��������������������I� ������!�� ������ D#$$BE�� ����

�3�������� ������������������������������+����������!���������������� ����

�����I����� ������������!����� ��� ������� �������������������� ��� ����������!�

������ �����������������������������������������������(��

)�� ���������������!������������������������������������������������� �������

��������������� �������� ��� � ��� ������� �������� ��������������� ��(����� ����

�����������������������������������������!���A�����������������������&�*������

Page 68: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

:�������� ������������������

�GG�

������� ��� ���� ������ ������ � ������������ ������� ������������ ��� ���� ��� ����

����������������������� ������� ��������(��

��#���� ������������������������������������&�*���������������������3������������� ����������

����������������������������������������(�

$�����*��������������y �����������

����+������

�����,� tvτ �τ ����"�������+������������������

� � � �

�������������� � � ��������

����������������D#$$FE� � � *������ tvτ R�

1�� �����D#$$HE� � � *������ tvτ R�

������ ������D#$$�E� � � *������ tvτ R��RR�

������������D#$$GE� � � *������ tvτ RR�

?����� ������D#$$>E� "��������������� � *������ tvτ RR�

&�������D>BB'E� � � *������ tvτ �����������

�����!����"� � ��������*������!����C�3���D#$$FE� � � *������ tvτ R�

������+7�� ��������=��!�D#$$'E�

5���������������� � *����� tvτ �� T3=Δτ �

)����� ������D#$$GE� A���+������������������������� ����� �����

� *������ tvτ R�

����� ������D#$$FE� &����� �tvτ �D����������������

������������E�

��!�������*�� �D#$$GE� � tvτ � �

<���� ������D#$$GE� 5������������ tvτ � �

���!�� ������D#$$BE�"���������������D!��������������E�

� *������ tvτ R�

*���� �!����� ������D#$$%E� � � *������ tvτ R�

����� ������D#$$GE� � tvτ � �

0���������D#$$HE� � tvτ ��τ� ����������� �

5��� ������D#$$'E� � tvτ ��τ� ����������� �

5����������D#$$'E� � tvτ � �

)�����D#$$'E� ������������������ tvτ � �� � � �

R�����!���������� �����������������������������������������!�����

RR��������� �����*����������������������

Page 69: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� G��

4 Advanced control methods for a NCS

?������� ��������������������� ��� ������� ������������ ��� ������������� ����

��������!�������������������������������!������� ��������������������������

������������������������������������ +������������������������������(�

������������� ����+ ����� ��� ���� ������� ��� �������� ����� �������� ���������!�

���� �����!��� �������� ��� ����+ ����(� �� ������� ������ ���� ������ �����

�� ����!������������������!������� +�����������������������������������������

������(�������������������������������������������������������������6�����������I�

���� �������������������������������������������������(�

4.1 Control of NCS using network end-to-end delay measurements �

)���������H���*��������������������������������������������������������!�

�����������+��+�������������������������������!����������� ����������������

��������������������������������(��

���������������������������������������������������������������� �� !���

�������!� ���� ������� �������������� ����������� ����������� � ��� � ��������

1�������� ������ (� )�� ������ ��� ������ � ���� ������ � ����� ����� ��� �� ����

�������� ��� ���� ������ � D������������ �������� ��� �������E� ��� ��������A���

����!�����)111�>H''��������(��

���� ���� ������� ���� ���������� ���������!�� ���� �������!� � ������ � ����� ���

����!��������I� ����� � �����A��� ������� ������� ��� ����� ����� ���� �����

���������������������� ���������������!����!���������������!����������������

���������������������������������3�����������������(��

�������� �������� ��� ���� ������ ��� ��� ���� ����������� ��� ���� �������� ���� �� ����

�������� ��� ���� ������ � �������� )111� >H''� ��������A������ ���� ���� ������

������� ��� ���������!� ���� ������ � ��� ���� ����� � ����� ��� �������� ��� �������

Page 70: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

�� ������������������������&�*�

�G'�

����!���������������!���������������������������(���������������������������

��� ���� �������������� ����� ����� ���� ���� ������� �������� )111� >H''�

��������A����(� 4���� ���� ������� ���������� ������ ��� ����� ������ ��� �����

����������� ��� ���� *����� ��������� ��� ��� ��� �������������� ��������������

������������� ���(��

4.2 Time varying control method for a NCS �

)������������������������������� ��������������������������������� �������

������������ ���������� �����������������!������������������������������������

����������������(��

��������������������������������������������������������+�� ��������������������

���������� ������ �������(� ������ � ����� ����� ��� �� ��� ������� ��� � ����� ����

����!��������� ������ ����� ���� ���� �!����� �������� ��� ���������!� ����

���������� ������������ ������������(��

���� ���� ���� ������� ���� ������� ��� ���� ��� �����A��� ���� �!����� ����������� ���

����������������������������3�����������(������������������������������������

�����������������������������!���������������� �������������������������������

��������� � �� ������ �!�������� ����� �� ��� ����� ��� ����� ������ ������ ��� ���

���������������������������������������������������������!����������(�

��������������������������������������������������������������6������������

����+� ��� -+���������� ��� ������ ���� ������� ��� ���� � ��!�� ���� ��� �����������

������� ���� ��������� �������� ��� ������������ ��� A������ ����� ��� ���� ��� ����

�������� �����������������6���(������������������������������������

���� ���� � ��� ����� ��� ��� ���� � � ��� ���������� ��� ���� � � ��� �������

������������ ��� ���� ���6����� ��������� ��������� ���� ���������� �������� �����

������ ������� ���� ������ �������� ����� ���� ������ �������� ��������

�����6���(������������������������������������������������������������

������ �� �� ��� ���� ��������� ��� ��������!� �������� ��� ���� ��!��� � ���(� ����

������������������������������� ������������� ����������8�������D>B'GE�����������

�������������������������������!����������������������������������� ����(��

��������� ������������� � ��� ���� ��������������������������� ���������� ����

������ �� � �!����� ��������� ��� ���� ���!� ��� ����������� ����� �6������� ���

����������� �� ��� !�������� ���� ��� ��� ��� ����� ������� ��� �� �� ����� ��!��(�

Page 71: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� GB�

�������� ���� � ��� ���� ������ ��� � � � ��� ����������� �������� ������� ����� �����

�3�������(��

)�� ����� ��� �� ������ ��� ��� ������������ ��� ���� ������� ���� ��� ���� ��������� ���

���������������������������������������� ����!�&�*(��

4.3 Control of a NCS using delay estimates obtained from a network model

�����������������������������������������������������������&�*����������������!�

������������� �������������(������������������������������������!�����������

������������������� �������������������������������������������������(��

���� �������!� �������� ��� ���� �����K� ��� ���� ������ ������ � ���������!�� ���� �����

���������� � ��� � ���!��� ������ ��� ���������� ��� �������!� ���� ������ ������ ������

� ���������������������D��������3���������������3��������6�����EI��������������

���������������������������� ������������1�������������� ���������!������ ����

�����������������(��

���� �������� ������ ������ ����� ���� ��� ����� ��� ���� ���������� ���������� �� �

�������� ���� ���!����!� ��������� ��� ���� ∞H � ��3��� ������� ���� ������A�����

�������(�����������A������������� ��� ��� ������������A��!� ���� ∞H � ����� ��������

�������!���������������������������������������������������(�����*)*:�������

����������� ���� �������� ������� �� ���� ��� ������ ��� ������� � ������� ���������

��������(��

���������� ����� ��� ��� ����!����!������� �����������������������������1��������

������ ���������� �����������!���������!�����������!���������������������

�������!��������������!�������������������������������������(��

4.4 Control of a NCS using delay estimates obtained from a network model and information on process related uncertainties

4��� ���� ������ � ���������� ��������� ���� ���� ������ � ������ ����� ������

������ ����� ���� ��� ����(� )�� ���� ������� ����������� � ����� !������ �������� ���

����������������������������������������������������������������������������(�

Page 72: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

�� ������������������������&�*�

��$�

�� !������A��� ������ ��� ���� ������� ��� ���� ��� ��� � ���������� ��� ���������� ���

������A��!� ���� μ + ���� ����!� �.#/� ���������� ��������(� ���� �������� ����������

��������� ���� ������� ���������� ��� ������� ��������� ���������(� 4������� ��� ������

������������������������������ ���� ��������������� �������������� ��� �����������

��������������������������!������� ������!���� ������������(��

��������������������� ���������������!����!������� �����������������������������

1�������������� � ��������� �����������!� ��������!� ������ ����!� ����� ����

����������� �������!�� ������� ��� ��!������ ����� ������ !������ ������� �������

�����(��

�������������������������������������������!�������������������������������� ����

������ �������� ����!� ����� ����� ���� ������ � �� ����� �� ����� ���� ������(� :���

���� � ��� ���� ���� ��������� ����� �� ������ ��� ������� ��� ���� ��� ��� ���� ������

����������������������������(��

Page 73: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� �>�

5 Control of a NCS using delay measurements

�����������������������������������������������������������������������

����� ������������������������������������� ������������1�������������� ����

�����A��!� ��������������� ��� ���� ������ � ������������ ����(� 4������ � ������� ����

�������!� ������ � ������������ ����� ��� ���������(� *������ �� ���� �� *�����

��������������������������������������������������������� �����������������

�����A��(�4������������������������������������������������������������������������

"���������������������������������������������3�������������������(��

5.1 Network transmission delay measurement �

������ ��� � ���� ����� ���� ������������ ��� ���� ������ � ��� ������� ���� ������ �

����������������(������������������������������������������������� ����������

�����������C�*�������������������������������(������������������������������

�������������������� ���������������������������������������(�

�������� ���� ���������������� ������� ��� ���� ������ ����� ����� D/��E������������

���� ��� ���� ���� �������������K� ��� �� � ��������A����� ��� ��6������ ����� ����

��������������������!�������������� ��(����� ������������&�*��/����������

��� ��6���� ��� ��������������� ���� �������!� ���� ���+��+���� ����� ������� ���

�� ������(�����������������������������!������+��+����������������������������

��� �����!� ������� �� �� ���+��������A��� �� �� ��� ���� ��������!� �������� ��� ����

�������!���������� (�)��������������1�������������� ���������������������������

�������� ��������� ���� ��� ���� ����+ ����� ��� ���� ��� ���� ������������ ������

��������!� ����� ���� ������� ������ ���������� � ��� ���� ����������� ��!��� ��� ����

������ �������!��������������������������� �����������������������������������

����������������(��

Page 74: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

������������&�*�����!������������������

��#�

���������6���������������!����+��+�����������������������������������A��������

������ ����� ���� �������+�����������������!� ���� ������ � ��������� ���� �����!�

� ����� �� �� �����������!������������(� )���������"����� D>BB>E�����������&����� �

�������������D&��E�������������A��!������� ���������������������� ���� ��+

�������� ��� ������ �(� ���� ���� ���� ���� ��� ���� &��� �������� ��� ���� ���

��6���� ���������������� ����������������� ��������������(� )�������� ��� ���������

���� ������� � ���� �� � ��������A����� ��������� ��������� )111� >H''� D)111�

>H''+#$$#��#$$#E���������������������������������!������� ���������������+���

�������������������������!���������������������������������������������������(��

)������)111�>H''������������� ���������� ������������K�������������������(�

?��������� ������������������� ��� ���� D�� �� �������E������������������ ��

������������������������ �������������!��������� ��������������������������

�������������(�1�������� ���������������������������� ������������

�������������������������� �������������� ���!����(�������������A��������

��� ��� ��� �����@�� ��� �3��!��(� ���� ����� ��������� ���� ������ ���� !���������

�� �� ��� �����������!� ��� ���� ���������������(�������� � ������6��� ���� ����

���������������(������)���������!��������������������������!�������������������

������������ ���������� ��(�

offsetdelay12 ++=TT

1T

4T3T

offsetdelay34 −+= TT

Master Slave

)(Sync_msg 0a

)(Follow_up 1T

Delay_req

)(Delay_resp 4T

0a

offsetdelay12 ++= TT

1T

4T3T

offsetdelay34 −+= TT

Master Slave

)(Sync_msg 0a

)(Follow_up 1T

Delay_req

)(Delay_resp 4T

0a

�������� ������������������D,����������� ����(��#$$%E(�

�� ���������&��������������������������������������D���E����)111>H''������������

���� 41 TT − � ��������������� �� ������ ��� 4�!���� >F(� ������ ��� ���� ��!��� ��� ����

��������A����� ������K� ���� ������� ����������� ��!�� ��� ���� ����!����� �����

����������� ��!�(� )�� ���� ������� ����������� ��!��� ���� ���������� �������� ����

������ ��� ���� �� �� �� �� ��� �������(� ��� ��� �� ����� ���������� ���� ������

Page 75: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� �F�

����������� ������ � ��������A����� ����!�� D*��S"�!E� ����� ������� ��

��������� ����D 0a E����������������D 1T E����������������!������������������(�)��

���� ��������!�����!������������4�����S���� ����������!� ��� �����������������

�����������������!��������������� ���������!�(�

)�� ���� ������ ��!��� ���� ���������������� ������� ����������!� ���� ����!�����

����� �������� ���������� ��� ���� �� �� �� ���(� 4��� ������ ���� �� �� �� ��� ������ �

����� ��6����� ����!��� .���S/�6�� ��� ����� ���� ������ ������� ��� ���� �����

�������������!���.���S/���(����������������������6���������������������������

���������������������� ��(��

offsetdelay12 ++= TT � D#HE�

offsetdelay34 −+= TT � D#GE�

������������4�!����>F��������3��!����������������!���������!����������������

!��������������!� ������������������� ��������� �������(����� �� �� ��� ���� ���

����������������������������������������������� ��;�������(��

����������� ��������� ����� ���� ���� ���+��+���� ���������������� �������� ��� ����

��������A����� ��������� ��� ���� ������ � �� ���� ����� ���� )111� >H''� ���������

������������ ����� ����� ������!(������� ������ ��� ��������A������ ���� ������ ���

�����������������������������������������������������������������������������

������������������������������������������������������ �������(������������P��

1�������� ������ ����� ���� ������ � ������ ��� ��� ����� ����� ������ ���� �����������

������� ��� �������� ��� ���� �������� ����� �� ���� ��������� ����(� )�� ���� ��������

1����������������������������������������������������)111�>H''���������A������

�� ������ ��� ������������ ��� ���������!� ���� �������� �������� �� � ���������(�

*����������� ������������������� �������������������,����������� ����(�D#$$%E�

���5�������� ������ D#$$HE(��������!���������� ������������������� ��� ������� ���

��������������������������������������������/��������������(�)�����������

�������������A��������������3�������������������!�(�

*��������������������������������������������������������3����������������

��������!�������!� �����������������������!����������������������������������

������������������(����������������������������� ����������!� �������������������

���� ������� ��� ����+ ����� ��� ���� ��� ���� ����(� ��� � ����6����� ��� ����

�������������������������������������������������� ���������������� �������(�)��

������ ��� ������� ��������� ����� �������� ���� ���� ������������ ����� ��� ���� ����

Page 76: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

������������&�*�����!������������������

��%�

������� ����������� ��� ���������� ���� ������� � ��� ����!�� ����� ������!�� ��������

���� ��� ��� �������������(����� ���� ���� ���������������� �������������������� ���

������ �� ���� ���������� ������ ��� ����� �� ��� ����� �������� ���� �������

����������(��

5.2 Compensation of slowly varying transmission delays with an adaptive Smith predictor

� � � )��������������������"��'�

������������������!�����������������������������������!���������������������

� ������������������K�

>(�� ���������� ������������������������������������ ��������������(��

#(�� ���� ������!� ������� �������� ��� ������ ��� ���� ��� ������� ������� ���

��!��������� ������� ���� ���� ������ � ������������ ����I� ��� ��������� ����

����������������������!��������������������������������(�

F(�� ������ ��� �� � ����� ���� ������� �������� ��� ����� � � ��� �������!�

�����������������������������(������������ �������������� ����3������

����������6������������������� �������������(�)���������� ���������� ��������

������� �����������������������(������������������� ��������������A��(��

%(�� ���� ������� ��� ����������� ����������� ��� ���� ������ � ��� ����� ��� � ���!���

� ���������� �������������������������������������� (�

���� ������ ���������� ��� ��6������ ���� ��� ������� ���(� ���� ������ �������

����������� ������� ��� ���� �����������+����� ������� �����!�(�)���������

���������� ����� ������ ��� ��� ����!������(� )�� ���� ����� ��� ���� � ���� �������� ��

���������� �� ��� ������ ����������� ���� ������ � ������������ ����� ���� ��� ���

���������������������!������� ���������!��!������(��

���� ������ ���������� 6��������� ���� �!������� ��� ����� �� ��������� ��� ����

������ ����������������������������������������������(�)���������������������

��������������������������!���������������������������������(��

������������������������������ �������������� ��� ��������!!���������������� ��� ���

� �������!!����(��

Page 77: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� �H�

���� ������� ���������� ��������� ���� ����������� ��� ���� � ��� ��������� ��� ����

������������������������������������������������ (�

� � � $�������������#������������������������(�����&0$��

���������������� ������������������������������� ��������������������������

�����A��������������������!�����������������(��

������������������������������������������������������������ ���������� �������

����������������(������������ ���� �������� ���������� ���������������������

!� ��� ����� ���� ���6����� ������ z � ��������� )(zG �� )(zGc (� )�������� ����������

������ ������ ������� ���������� )(zGc I� ���� ��������!� ��� ������� ���� �����

����������� scz τ− �� ����������� )(ˆ zG � ����������������������������� caz τ− �

��� ������������� ����� ��������!� ��� ����������� )(ˆ zG �� ����������� ��� 4�!���� >%(�

&������� scτ �� caτ � ���������� �����!���������� ���� ����������������������������

scτ �� caτ ����������������������� �������������������������(��

)(zG)(zR −−

)(zY)(zU)(zcΕ caz τ−

scz τ−

)(zGc

)(ˆ zGscz τ− caz τ−

)(ˆ zG

CONTROLLER NETWORK PLANT

)(zΕ )(zG)(zR −−

)(zY)(zU)(zcΕ caz τ− caz τ−

scz τ− scz τ−

)(zGc

)(ˆ zGscz τ− caz τ− caz τ−

)(ˆ zG

CONTROLLER NETWORK PLANT

)(zΕ

�������1 ���*������������������������������������������ �����������������(�

8���� ����� ����!�������� ���� ���� ������� ��� ���������!� ���� ������ ������ ���

����������� ��� ���� ����� ����� ����� ����� ��� ���� ������ � ������������ ������

����� ���� ����� � ��!���������� ��� ����� ��������� �������������� ��!� ��� ��������

�����������������������������������!���������������+�������������(��

:���� ���������������������������������������� ����������������������������

���� ������� ��� ���������� ������ ��� ������ ��� �6���� ���� ���� ������� ���

Page 78: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

������������&�*�����!������������������

��G�

������ ������ ����� scτ �� caτ �� ���� ������� ������������������ ��� ���� �������

�����������������������������6�� ����K�

casccasc zzGzzzGz ττττ ˆˆ )(ˆ)( −−−− ⋅⋅=⋅⋅ �� D#�E�

�������������������!��������!��������������������!������� )(zEc ����������!����

��������������������!���!� �����K��

)()(ˆ)())(ˆ)(()()( ˆˆ zUzGzUzzGzzzGzzRzE casccascc −⋅⋅−⋅⋅−= −−−− ττττ �� D#'E�

���

)()(ˆ)()( zUzGzRzEc −= � D#BE�

������������������������������������������������������� ������������������� scτ �

��� caτ ����������� ���������������!��������!��������������������������������

����������D���������E��������������������������������������(��

8����������������������������������������������������� ������������� ��� ��������

��������� ��� !��� �� ������� �������� ��� ��������������� ��������� �� ���� ����������

������ ��� ���� ������ ���� ����� ����������� ����������� ��� ���� ����� �� ����

��� ����� ������!� ������(� ����������� ���� ����� ����������� ��� ���� ��������� ��� ����

����������������!�����������������������������������������������������������

��� cazzG τ−⋅)( (���

���� ���� �������� ��� ���� *����� ��������� ������ ������� ��� ������ ����� �����

�����������D�.�E������������������������������� ���(�������������������������&�*�

�������������������������������� ����!����������������������������������

��������� ������!��(�)���� �����������.��������������������������������������

����������������A��������������� �������������������������������������&�*(��

���� ���� ������ ��� �� ���� ������� ���� ����� ��� ��� ��������� ����� ������!� ����

��������������(��

Page 79: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� ���

���� ������ ��� ������� ��� ���� �������� �� ���� *�������������� ��� ����� �������� ���� �����

����� ������ ��������(������ �� ������ ��� �������� �3�����!� ��������� ����� ��������

������������������� )(zE ��������������������� )(zU K�

)1)((ˆ)(1)(

)(ˆ)()(ˆ)(1)(

)()(

ˆˆˆˆ cscscscs zzzGzGzG

zzGzzGzGzGzG

zEzU

c

c

cc

cττττ −−−− −+

=⋅⋅−+

= � DF$E�

)�� )(zG�

������������������������������� ������������A����������������������������

���������������������������������������������+A������������(�

�������� ������ ��� ������� ��� ������������ ��� ���� ������� ������ +� ���� ��������� ���

4�!����>%����������� �������������������������������������������� �������������

����� ����!� ���� �����(� ��� ������ ���� ������ ��� ����� ������ ��� �����������

���������������������4�!����>H������������������������������!��!�������� ��

���4�!����>%����������������������������������������������(�

)(zGΔ

)(zR −

)(zY

)(zU)(zcΕ )(zGcaz τ− scz τ−)(zGc

)(ˆ zGcaz τ− scz τ−

)(ˆ zG

)(zYΔ

)(zGΔ

)(zR −

)(zY

)(zU)(zcΕ )(zG )(zGcaz τ− caz τ− scz τ− scz τ−)(zGc

)(ˆ zGcaz τ− scz τ− scz τ−

)(ˆ zG

)(zYΔ �

�������� ��������������������������!��������������������

������!�������������!�������������������������������� �������������������������

������������������������������� )(zL ���������K��

ωω ∀<= − 1)()( ieLzL �� DF>E�

������ . �������������������������!� BAAB ⋅< �����ω � ����!�������6����(�

4�����������������4�!����>H������������������������K�

ω∀<Δ⋅+

<Δ⋅+

= 1)()(ˆ)(1

)()()(ˆ)(1

)()( zGzGzG

zGzGzGzG

zGzLc

c

c

c � DF#E�

Page 80: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

������������&�*�����!������������������

��'�

4�������������������������������������������������������������������������������

!�������(� ���� ���� ��� ���� ��� ��� ����� ����� ����������� �������� ����� ���

��� �������������&�*������*�����������������!� ��������������������������������

������������������!������������!��(��

4��� ����� ������� ��� ��� ����� ������� �� ��� ���������� ��� ���� *����� ���������

��������������������� ������������������������ ����������(�:�����������

���������������������������������������������������������������� ������

���������������A�� )(zGΔ (�)�������������������������������������������������

������� ��� ���� ������ �������� ������(� 4������������ ���� �������� ���������

��������������������������&�*��� ���������������������!����������(��

)�� ����� ��� � � ���������� �������� ��������� ��� �������������� ��� �3������ ��� ����

������� ��� ���� &�*� �� ��������(� )�� ������ ��� ������� ���� ������� ��������� ���

������������������������������������������������ ��������!��!������������

������������������������!����������!��������������� ���������(�)���������

������ ���� ����� ������ �������� ��!���������� ���� ���������� !��� ��� �������

������������������������������������������������������������������������(������

������� ����������������� �������)(ˆ)(1

)(zGzG

zG

c

c

+(�

��� � �������!� ��������� ���� ��� �������� ������������� � ����������� ��� ���� �������

���������� ��� "����� ��� =������� D>B'BE� ����� ��� ����(� ������!� ��� "����� ���

=�������� ���� �������� ��� ���������� ���������� ���� ������ ������ �������� �����

�������� ���� �)� ���������� !��� newk �� �������!� ���� *����� ���������� ��� ������

��������������������������������������������������������K���

kknew δ

τ= � DFFE�

������ k �����������!����τ ���������������������������δ �����3���������������(�

)���������� �� �����������������������������������!����������������������������

������(�

�� ����� ����� ��� ������� ��� ���� ������� ���(� )�� ���� ��� ����� ���� ������� ����

���������������������������������������� ������������������������������������

Page 81: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� �B�

)()( zGzzzG caca ττ −− ≠⋅ �� ����������� ������ ����!������!� ���� ����+ ��������������

!������!����������������������������+�� ��������������!�������������������������

����������� ��������������������������(��

5.3 Simulation study for the Smith predictor scheme �

���������� ������������������������������������������������� �����������!��

�� �3����� ����� "���� ����������(� 4������ ���� �������� ��� � ���������� ������ ���

���������������� ��� ���������� ���� ������������������� ��������������(�&�3��� ����

������ ��� ����������� ������� ��� ���� ���������� ��� ���� ����������� ������ ���

�������(��

� � � $���������"�������������������������

*������� ���� ���� ��������� ������� ��� ���������� ��� ���� ����� ��� ��������

������������������������ ������������������������ (�)����������������������

������������� ��� ���� ���+����� ������� ��� � ������� ���������� D����� �����E� ���

������������������K�

( )( ) 12.52

1512.02)( 2 ++

=++

=ssss

sP � DF%E�

2224.0 ,7445.1 ,)( ==+= IPIP KK

sKsKsC � DFHE�

���� ������������������� ���� ����������� ��������������� �����������������A��!�

���� ����!��� ��� �6���� ������� D)*1E� ���� ���� ������� ����� � ������� ������ �

��������������������$(H�������������������������������(��

���������� ���������������������������������������������������������������$($#�

��������������������!�������(������������������������ ������������� ��������

������� ��� ��� ���� ������ ����� ����� ������� ��� ��� �������� �������� A���� ���

����� ������ ����� ���(� ���� ������� ��� ���� ����� ����� ��������� ���� ����������

������������ ������ ��!���� ����� ��!��� ����� � ���6����� ��� #$$� ������ ����

������!�������(�4������������������������������������������������������ ������

������!�����������������������������������������������$(H���������������!�����

��������������������� �������F(H���(��

Page 82: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

������������&�*�����!������������������

�'$�

��������������������������)����������������������������������������!���������������

������������������������������������������������������������4�!����>G(�����������

���������������!��������������������������������� ������������������������I�����

��������������������� �����������������������I������������������������������

���������������������(�)�������������������������������������������)�����������

������ ����!�� ����������� ��� ���������� ��� ���� ��!����� ��� ����� #+H� ���������� ����

��������������������������������������(�������!����������!����������������

���������� ��� ������ ��� ������� ���� ���������� ��� ���� ������(� 1 ��� ����!�� ����

���������� ��� ������� �� ���� ������� ����� ����� ���� ���������� ��!���������

�������� �� ���� ������ � ������������ ����� ����� ������� ���� �������� � ���

��������������������������������!���������� ����(����������������������������

������������������������������6�����(�

0 50 100 1500

2

4Delay Variation, Sensor Path

Nom

inal

Cas

e

0 50 100 1500

2

4Delay Variation, Actuator Path

0 50 100 150

0

2

4Performance of Nominal Controller

0 50 100 1500

2

4

UBD

0.5

ms

0 50 100 1500

2

4

0 50 100 150

0

2

4

0 50 100 1500

2

4

UBD

1.5

ms

0 50 100 1500

2

4

0 50 100 150

0

2

4

0 50 100 1500

2

4

UBD

2.5

ms

0 50 100 1500

2

4

0 50 100 150

0

2

4

0 50 100 1500

2

4

Time (ms)

UBD

3.5

ms

0 50 100 1500

2

4

Time (ms)0 50 100 150

0

2

4

Time (ms) �

�������� �������������������������D)�1�������A��E��)������������������������������ ��������

���������(�

4�!����>������������������������������*������������������������������������

���������������������������������������(�)����������������������������������

��������������������������������������������� ��������������������������������

Page 83: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� '>�

������ ����� ���� ����� ����������� ������ ��������!� ����� ���� ��� �� ��� ����

��������������������������������������������(���������������!����������

��������������������������������������������������(�����������������������������

�����������������������������������������!���������������������������� ��

������������� ������������������������������������*�������������������� ����(�

)��������������������������������!�������������������������������������� �����

��� ����������� ��!������ ����� ���� ������� �� ����������� ����(� ���� �����

� �������!��������!���������������������������������������������������������

��� ����� ��� ���� �������� �������� ���� �� �(� ���� ������ ������ ����������� ����

��������� ��� ���� ������ ����� ������(� )�� �� ��� �������� ����� ���� ��!���� ���� ����

���������� ��� ���� ������� ��� ����� ��� ��!��������� ��� ���� ���� ������� �������

������������ ����������������������������������������� (�

0 50 100 1500

2

4

Delay Variation Sensor Path

UBD

0.5

ms

Simulated sensor netw ork delayNetw ork delay in Smith Predictor

0 50 100 1500

2

4

Delay Variation Actuator Path

Simulated actuator netw ork delayNetw ork delay in Smith Predictor

0 50 100 1500

2

4

UBD

1.5

ms

0 50 100 1500

2

4

0 50 100 1500

2

4

UBD

2.5

ms

0 50 100 1500

2

4

0 50 100 1500

2

4

UBD

3.5

ms

Time (ms)0 50 100 150

0

2

4

Time (ms)

0 50 100 150

0

2

4

Performance under Smith compensation

0 50 100 150

0

2

4

0 50 100 150

0

2

4

0 50 100 150

0

2

4

Time (ms)

�������2 ����������������������*��������������������������������������������� �����

��������A���������������������������(�

Page 84: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

������������&�*�����!������������������

�'#�

� � � $���������"����������������������

1 ��� ����!�� �������+������������������� ��� ������� ��� ������ �������� �� ����

������� ��� ���������� ���� ����� ���� ��������� ��� �� ���� ����� ����� ����������

������(�)��*������H(>������3����������+������������������������� �������

��� ���� �� � �������������� �������(� )�� ������ ��� � �� ����� ����� ���� �� L��

���� �����D�� ���� ������E������������������� ������������������������������

��� �������� ��� ��������A�� ���� �� ���������������� ������!� ��������!���������

�������� ���� ������ � ���� ��� ����� ���� �����(�"���� ���� ���� �������� �������

���� ���� ����� ������� �������� �������� �������� ���� ��������A����� �����(� ����

�����6������������������������������+��+������������!����D�� ����������1�������E�

��� ��� ��� ��� ������������ ��� ��� ����������� ��������� ��� ���� ������������

��������� ������� ��������� ��� ���(� )�� ��������� ��������������� ���� )111� >HH'�

�������� ��� ��� ������� �� � ��������A����� �������� ���� ���������� �����������

������� ���� ���� ���������� ���� �����(� ���������� ���� ��� ��� �������� ��� ������

���������������� �!�������� ������� ���� �������@������� ��� ��� ��������� �����

������������ ��� ���� ���������(� ���� ������ ��������� ���� ��6������ �����

������������ ���� ��� �������� ��������� �������� �����������!������� ���� ������ ����

!��������!�(�

���� ��������� ��� ���� ���������������� ������ ��� ���� ������� ���������� ���� ����

*����� ��������� ������ ��� ��3�� �������� ����!� ���� "���� ����������(� ���� ������

�������� ���� �������� ��������� ���� ��� !���!� ��� ��� �����A��(� ���� ��������

����������� �����!� ����!������ ���� ���������� �����!� ��� ��������������������

�����(�)�������������������������!���������� ������� ���� newk ��������������6������

DFFE�� ���� ���������� !��� ��� ����������� ������(� ��������� 4�!���� >'� ������ ������

���������� �������� ��� ����������K� ��� ���� ��� ����� ������ ��� ��� ������ ��� ����

������������������!�������)��������������*�����������������������>$�����������

!��� ��� ������� ���������I� ���� ��� ����� ������ ��� >$T� ������ ��� ���� �����

����������� ��� ���� !��� ��� ���� ���������� ��� >$� ������ ��!���� ���� !��� ��� ����

��������)�����������D��!�������� newk EI�����������������������������>$T��������

!���������������������H�����������������������������������6���������� �������

newk (� 4��� ��� ���� ���� ��!���� ������ ����� ���6����� ��� ����� ��������(� 4���� ����

���6��������������������������������������������� �����������������������K����

������ ������������ ������������������������ ����*����������������������� ������

������!�����������������������������������������������������������(�4��������

������ ����� ��� �� ��� �������� ���� ����� � >$T� ������ ��� ����� ����������� ���

Page 85: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� 'F�

������������������!�����������������������*���������������������>$���������!����

���� ��� ���� ������� ��� D��� ����� ���� ���� ��� newk E�� ���� ���6����� ��������� ��� �

������ ����� �������� �����������������!������������������� �������������������

����������������������������������!���������!���������(�4���������������������

������������������������������!������������������������������� �����������������

���� ���� newk (��

10−2 100 102 104

10−6

10−4

10−2

100

Mag

nitu

de

10−2 100 102−1500

−1000

−500

0

500

Pha

se

No model error

0 10 20 30−0.5

0

0.5

1

1.5

Time (msec)

Y

SPNominal PI

10−2 100 102 104

10−6

10−4

10−2

100

Mag

nitu

de

10−2 100 102−1500

−1000

−500

0

500

Pha

se

Model error 10%

0 10 20 300

0.5

1

1.5

Time (msec)

Y

SP, k>knewNominal PI

10−2 100 102 104

10−6

10−4

10−2

100

Mag

nitu

de

Frequency (rad/msec)10−2 100 102

−1500

−1000

−500

0

500

Frequency (rad/msec)

Pha

se

Model error 10%

0 10 20 300

0.5

1

1.5

Time (msec)

Y

SP, k=knewNominal PI

�������3 ��������������!����������������������������������������(��

���� ���������� ������ ���� ���� &�*� ��� ���������� �� �������(� ���� �3�����

����������� ������ ��� ���� ����� �����A��� ��� ���� *����� ��������� ������� ���

!������� �������� ��� ���� ������ ��� ���� ������� ���������� �������� ������

������������������������(�4���������������������������������������� �������

��������������!��������������#HT����>$$T(�������������������3��������������

>$$T� ����������� ��� ���� ��������� ������ ���� ����������� ����� ��� ���� *�����

��������� ��� ��������� ���� ������ ��!���� ���� ���� ���� ������ � ������������ ����(�

����� ������ ��� ������ ������� ��� �������� ������ ���� ����� ���������� ��� ����������

�!������K��������������������������� ���� �������������$����#(H������������I����

�������������������������$�������F(H���(��

Page 86: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

������������&�*�����!������������������

�'%�

������������������������������������������4�!����>B����4�!����#$(�4�!����>B����������

����������������� ����*������������������������� ��*�����������������������

������ ������ ����� ��� #(H���(� ���� ������ ������ ��� ���� ��!���� ����������� ���� �������

������ ������������������������������*��������������������I�����������������

���������������������� ������������������������������*��������������������I�

������� F� ��� %� ���������� ���� ������� ���������� ������ ���� *����� ���������

������������� ��*��������������������(�4�!����#$�������������������������

����3��������������������������������������������� �������F(H������������(��

0 50 100 1500

2

4

Delay VariationSensor Path

Time (ms)

Max

err

or 2

5%

Simulated sensor netw ork delayNetw ork delay in Smith Predictor

0 50 100 1500

2

4

Delay Variation Actuator Path

Simulated actuator netw ork delayNetw ork delay in Smith Predictor

0 50 100 1500

2

4

Max

err

or 5

0%

0 50 100 1500

2

4

0 50 100 1500

2

4

Max

err

or 7

5%

0 50 100 1500

2

4

0 50 100 1500

2

4

Max

err

or 1

00%

Time (ms)0 50 100 150

0

2

4

Time (ms)

0 50 100 150

0

2

4

Performance of SP when error increases

0 50 100 150

0

2

4

0 50 100 150

0

2

4

0 50 100 150

0

2

4

Time (ms)

0 50 100 150

0

2

4

Performance of ASP when error increases

0 50 100 150

0

2

4

0 50 100 150

0

2

4

0 50 100 150

0

2

4

Time (ms)

�������4 ������������������*��������������������� ��*���������������������������������

�����������(��?.�J�#(H���(�

Page 87: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� 'H�

0 50 100 1500

2

4

Delay VariationSensor Path

Time (ms)M

ax e

rror

25%

Simulated sensor netw ork delayNetw ork delay in Smith Predictor

0 50 100 1500

2

4

Delay Variation Actuator Path

Simulated actuator netw ork delayNetw ork delay in Smith Predictor

0 50 100 1500

2

4M

ax e

rror

50%

0 50 100 1500

2

4

0 50 100 1500

2

4

Max

err

or 7

5%

0 50 100 1500

2

4

0 50 100 1500

2

4

Max

err

or 1

00%

Time (ms)0 50 100 150

0

2

4

Time (ms)

0 50 100 150

0

2

4

Performance of SP whenerror increases

0 50 100 150

0

2

4

0 50 100 150

0

2

4

0 50 100 150

0

2

4

Time (ms)

0 50 100 150

0

2

4

Performance of ASP whenerror increases

0 50 100 150

0

2

4

0 50 100 150

0

2

4

0 50 100 150

0

2

4

Time (ms)

�������5 ������������������*��������������������� ��*���������������������������������

�����������(��?.�J�F(H���(��

)�� �� ��� �������� ����� ���� ��!����� ���� �� ���� ������ ��� ���� ����� �����������

��������� ����������������� ����*��������������������������� ��� ��!���������

�����������������������������������������(�����!����������������������

��������������������!�������������������������������!�������������������!����

����������� ����������� ����6���(� )��4�!����#>�� ���� ��������� ��� ������������ ���

�����������������������!������3����������������������������������������������

���������������(������������������������� �����������������$(H����F(H��������

������������!�������������������������������������������������������������

������������������� ������������� ����������� ��������������������� �����6����

F(H(�

Page 88: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

������������&�*�����!������������������

�'G�

0 50 100 1500

2

4

Delay VariationSensor Path

UBD

0.5

ms

Simulated sensor netw ork delayNetw ork delay in Smith Predictor

0 50 100 1500

2

4

Delay Variation Actuator Path

Simulated actuator netw ork delayNetw ork delay in Smith Predictor

0 50 100 1500

2

4

UBD

1.5

ms

0 50 100 1500

2

4

0 50 100 1500

2

4

UBD

2.5

ms

0 50 100 1500

2

4

0 50 100 1500

2

4

Time (ms)

UBD

3.5

ms

0 50 100 1500

2

4

Time (ms)

0 50 100 150

0

2

4

Performance under Smith compensation (UBD as delay estimate)

0 50 100 150

0

2

4

0 50 100 150

0

2

4

0 50 100 150

0

2

4

Time (ms)

�������� ������������������*��������������������������+��+�����������������������������������

��������������������*�������������������(�

� � � �����������$�����������������������������6��������������(����

���������� ���� ������� ����� ������� ��� ����&�*������� ������� ���� �������!� ����

������� ��� ���� ����������� ������ � ��� ���� ���������� ��� ���� ������� ������(�

������������������������������������������������������ �����������������

�������� ��� �������� ���� ���� ����� ������� ��� ���� ����������� ������� ���(� ����

1����������������D������������#B>#�U�E�����!������������������������������

�������!���� ��� ������ ��� ���� ����� ���+����� ��� ����� �������� ��6���������(� )��

�����������������������������6���������������������� ����������������������������

��� ���� ���������� ����� �������� ���!������ ����!� �+� ��!�!�� ���� ��� ��������

��������������������������������������!�����!�������������������������

�����!�� ���� /������� ���������� )������� D/��)E�� ����� ������� ������!�

��������������������������!�����������������������3��������!�������(���

)������������������������������������������������������������ ��������������������

�������(������������������������������������� �����������!������������������D���

Page 89: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� '��

�������������� ����������E(�*����������������� ������������������� �����������

���� ����� ����������� ���� ��!������ ��� ���� ����������� ������ � ����� ���

��� ���������������������(������������������������ ��������� ����������������

������������K����������������������������������������������������� ������������

������ ������ ����� ��� ���� ������ ��������� ��� � ������ ������ ����� ��� ������ �� ����

����������� ����� ����� ��� �������� ���� ������ �������� ��� ��� ������� ��� ��� ����

�����������(�)�������3����������������������� ��������������������������������

����������!���������������������(�����������������3��!����������������������

������������ �����!������� ��������������������� ����������� ����������������

�� ��� ��� ���� ������ ���� ������ ��(�"3�������������� ��� !� ��� ��� ��� ������ ������

������� ������� ��� ���� ������ �� �� ��� ���� �������� ��� ������ ��� ������� ���� ����

����� ���������(� ���� 4)4:� ��������!� ������ ��� �������� ��� ���� ������� ��

������������������:*)U>�������(��

���� ��������� �������� �������� ���� ���� ����������� ��� ����� ��� ���� ������ �

�� � 1�������@)�@�.�� D������� ��� ���� ��!��� ��� ����� ��� ��� ���� ���������

�������E(�� ������������������������������������������������� �����������

���� ���� �3��!������ ���� ���������� � ����� �������� � ������� ���� ��������(�

�������������������������������������������!����������������(�

)�� ������ ��� ��� �� ���� �� � ��������A����� ��� ���� ���� ����� � ���� ������ ���

�������������������������(�������������A�����������������������������������

������������������������������ ��������������(�����������������*������#(>��

������������������������������������������������������������������������������������

���������������������������������������������������������������������������������(�

4������������������������������������������������������������������������������

���������������������������� ���������������������������������(�(���������������

��������� ���������������������������������������������������*�������������(�

�������������������������������������������������*����������������������������

�������������������������������!� ���� ������� ��������� )111+���������+��������

�!������(�����������������������������������������������������������+�������

�����������������������(�)�������3��������������������������������������������

��������� �������� �������� �������������� ������(����� ���������� ���� ����!�

���������������������� ��� ���������� ������ ����������������� �����������������

�������������������������(��

Page 90: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

������������&�*�����!������������������

�''�

���� ���������� ������� ����� ���� �3���������� ���������� ��� ���������� ��� 4�!���� ##(�

4����!�����������������K� ���������� ���� ���������� ����*������������������������

���������������������������������� �������������������������������� ������������

����������������������������������������������������������������� �����������

����/��� ����������������������������������F$���(���������������!���������������

�������"������������������������������� ��� ���������� �������4�!����>GI� ���� ���� ����

�����������������"���������������������������������������������������4�!����>�(�

������������������������!��������������������������3�����������������������������

����������������� F$���������� ����������� ��� ���� ������ ��������� >H���� ���� ����

������� ��� ������ ���� ������� ��� ��� ���� >(H� ��� ���� ��� ����� ��� ���� "����

���������(�

)�� �� ��� �������� ����� ���� ��!����� ���� ���� ���������� �������� ����� ����

�3�������������������������������������������������������"��������������(�)��

���������������������������������*�������������������������������������

�!���������������������������������������� ����������������(�����������������

������!���������������������������������������������������������4�!����>������� ����

����(� �������� ������ ���� ���� ���������� ��� ���� ��� ���� ������ � ����� ����������

������������"�����������������������������������������3�������������������(�

)�������������������������������������������������������������� ���������������

����������������������������������������������������������(��

0 2 40

10

20

30

No Load

RTT

(ms)

0 2 4-1

0

1

2SP no load

0 2 40

10

20

30

Load with UBD 30 ms

RTT

(ms)

Time (s)0 2 4

-1

0

1

2SP with load

Time (s)�

�������� ������������������*�������������������������������������������������� ����!�

������ �����������������(�

Page 91: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� 'B�

6 Time-variant control method for a NCS

����� ����������������������� ���������� ���������� �������� ���� ������� ����

���������� ����� ����������������������������������A��!� ������������������

���� ������ � ������������ ����(� ���� ����������� �������!� ���� ������ � ���

���������� �������������������������� ���*������H(#(>������������������������� ����

������ �����������������������������+ ����!(����������� ����������������������

����������� �� � ����+ ����!� ���������� �������� ������ ���� ����+ ����!� ��� ����

����� ����� ���� ����������� ������ � ������ ��� ���� ������� ����� ��� ����������

����+�� ����(��

����������� �������� �������!�� ���� ������ ����+ ����!� �������� ��� !�������� ������

�����������������������������������������������������������������������������

�������(������������������������������ ���������������������������������

���������������� ����������+ ����!���������������������� �������������������

����������������������A������!��������������������������� ����������(�5���������

����� ����� �������� ����� ��� ��� ��� ��� ������ ��� ���������� ���������� ���

��������������3������� ������� ����� ����(�4�������� ���6����������������������

���� �������� ��� ����� ���� ����� �������� ��� ������� �������� �����������

��������� �� ���� ����������� ��� ���� ����� ������ ����+ ����!� ��� ������ ��� ���

������������������������������������������(��

)�� ����� ������ ���� ���������� �������� ������� ����� ��� ������� ��� ���������� ���

����� ��� ����!�� ���� � ����+ ����!� &�*(� ���� ������� ��� ����� ����������� ���� ����+

�� ����� ������������ ��� ���������� ������ ��������� D?������!� ��� 0������� >B'FE(�

���� ���� ���� ������� ���� ������� ��� ���� ��� �����A��� ���� �!����� ����������� ���

����������������������������3�����������(������������������������������������

�����������������������������!���������������� �������������������������������

��������� � �� ������ �!������� ����� �� ��� ����� ��� ����� ������ ������ ��� ���

���������������������������������������������������������!����������(�

4��� � ����+ ����!� ���� ���� ��������!� ������� ��� ������� ��� ���� ����+�� ����� �����

Page 92: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

����+ ������������������������&�*�

�B$�

D0�������>B'$E(�������������������� ������������������������ ����������������������

����+ ����!��������(��������������������������������� ����������������������+

����!���������!��������������!���������������������� ��� ��������������

��� ������(� ��� ��������� ��� ����+ ����!� �������� ��� ��������� ��� ������ ���

����������������������������������(����������������������3��������������������

����������������������������������������������(��

����� ������ ��� ��!��A��� �� �������(� 4����� �� �3����� ��� !� ��� ���� ����������� ����

���������� ���� ��� ����� ����� �������I� ��3��� ���� ���������� �������� ������� ���

������� ���� ����������� ��� ����+ ����!� �����I� ���� ������ ���� ������� ��� ����

������ � ��� ��������������������������������� ����+ ����!����������� �����+�������

D):+E���������(�*��������������+ ����!������������������������������� ��� ���

����������(� ������� �� � ����� ):+�������� ���� ���� ������ � ��� ������� ��� ���� ��(�

4������������������� �����):���������������A��(�4����������*�������G(#(H������� ���

����!�� ��� ����� � ������� ��������� ��� ���������(� ���� ������ ����� �����

������������������������������ ����������� �������������������������������(�

6.1 On commutativity of time-varying linear systems �

)�� ����� ����������� ����������� ������� ���� ����+ ����!� �������������� �������� ���

�������(����������� ��������������������� ��� ������������ ��� �������!����������������

����+ �������������������������������6�� ������������������������(��

�������������������� ������������������������������������������������4�!����#F(�)��

���� ��!����� )(kscτ � ��� )(kcaτ � ��� ����� ����� �������� ������� )(kx � ��� )(ku � ���

�������������� )(kv ������������������(��������������*)*:������������������� ������

�������������!������������(�

x(k))(kscτ

u(k) v(k))(kcaτ

x(k))(kcaτ

u(k) v(k))(kscτ

x(k))(kscτ

u(k) v(k))(kcaτ

x(k))(kscτ )(kscτ

u(k) v(k))(kcaτ )(kcaτ

x(k))(kcaτ

u(k) v(k))(kscτ

x(k))(kcaτ )(kcaτ

u(k) v(k))(kscτ )(kscτ

�������� ���������+ ����!��������������������������������� ���������!��(�

Page 93: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� B>�

?��������������������������������������������������K�

))(()( kkxku scτ−= � DFGE�

))(()( kkukv caτ−= �� DF�E�

��������!������6������K�

)))(()(()( kkkkxkv cascca τττ −−−= � DF'E�

4����������������������������������4�!����#F���������������������K�

))(()( kkxku caτ−= � DFBE�

))(()( kkukv scτ−= � D%$E�

)))(()(()( kkkkxkv sccasc τττ −−−= � D%>E�

�������!� ���� ���� �6������� �������� ���� )(kv � ��� �� ��� ����� ���� !��������� ����

������� �����������������(�)���������������������������������� ����������

�����������������������!����������K��

)())(())(()( kkkkkk scsccacascca ττττττ +−=−+ � D%#E�

������������������������������+ ����������������

kkk scca ∀= )()( ττ � D%FE�

���������������������������������������

scsc k ττ =)( ���� kk sasa ∀=ττ )( �(�� D%%E�

������������� ���D%FE� ��� ��������� ������������������������������I�������!������

��������D%%E(��

Page 94: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

����+ ������������������������&�*�

�B#�

6.2 Polynomial systems theory applied to compensation of time-varying delays in networked control systems

� � � 7������������(���&0$�����������������(�����+�������((�������89�

����������

)�������������������������������������� ����&�*�������������������������������

����+ ����!� ���������� �����+������� D):+E� ��������(� ��������� � ����+ ����!�

������������������+���������������������������������������������K�

��==

−=−m

ii

n

ii ikukbikyka

00)()()()( �� D%HE�

������ Xyu ∈, ����������������3+ �����������������������!��������������������

��� ii ba , � ��� ����������� ����� � �������� ���� K � ��� ���� ��� �����3+ �����

�������������(�

�������������������������������� r ����

)1())(( −= kxkrx �� D%GE�

������������������������� q ����

)1())(( += kxkqx �� D%�E�

�����16������D%HE�����������������������������������6������

urbyraurbyrarb

ii

ra

ii )()(

)()(

=�=�� �� � D%'E�

���������� ��������������������������������������

uqbyqauqbyqaqb

ii

qa

ii )(~)(~~~

)(~)(~

=�=�� ��� D%BE�

�� ���� ��� ������� ����+ ����!� ������ �������� �6������� �� ��� �������� �� ����3�

�6������K�

Page 95: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� BF�

[ ] 0)()()()( =�

���

�−⇔=

uy

rBrAurByrA � � DH$E�

������ qXy ∈ �� rXu ∈ ����� )(rA ���� )(rB ��������������������������A��� s ���� q �

��� s ���� r (�������� �����������+���������������!�����������16������DH$E������

���������������

��

��

=�

���

�−= 0)]()([|),(

uy

rBrAyuS � � DH>E�

��������3� )]()([ rBrA −� � �������������!������������ S (�5���������������������

�����+������� �������� ��� �����+������� D):+E� �6�� ����(� �� ����������� ��� �����+

������� ��������� ����������� � ������� �����+������� ��������� ������������������ ����

��������������� �������� ���� ��!���(� 4���� � ����������� ��� ��� ����� ��������� ���

����������������):��������� iS ��������������������������������������������������):+

������������������������������������ ������������(��

4�������&�*�����������������������������������������6�����������������K�

vrBxrA pp )()( = ��� DH#E�

�����������������������������������������������+ ����!������������6�����K�

urDv )(= ��� DHFE�

���������������������������������������������������+ ����!������������6�����K��

xrFy )(= �� DH%E�

������������!�):+����������������������K�

��

��

=�

���

�−= 0)]()([|),(

vx

rBrAxvS ppp � � DHHE�

��

��

=�

���

�−= 0)]([|),(

uv

rDIvuSa � � DHGE�

Page 96: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

����+ ������������������������&�*�

�B%�

��

��

=�

���

�−= 0)]([|),(

xy

rFIyxSs � � DH�E�

������� qXyx ∈, �� rXvu ∈, ����� )(rD ���� )(rF ��������������������������A��� r �

��� r ���� q ���� q (� )(),( rBrA pp ��������������������������A��� s ����q ���� s ���� r (��

4������������ � ��!� ���������� ���������������������� ���� ):+����������� �����

���������������� ������������������������������������):+������������������������

4�!����#%���������������(�������������������������������������������������

):+�������� iS K�

��

���

��

���

=

����

����

���

���

−−

−= 0

0)(000)()(

)(00|),,,(

uyxv

IrFrArB

rDIyxvuS PPi

���

� DH'E�

Si

v

u Sa Sp

Ss

v

xy

x

NETWORK PLANT

Si

v

u Sa Sp

Ss

v

xy

x

NETWORK PLANT

�������1 ����������������):+��������������&�*(�

� � � 7������������(�����+������������"����'�"������������

���� ��� ��� ����� ������� ��� ��� ���� �� ���� �������������� ���� ���� ����+ ����!� ������

������ )(rD � ��� )(rF � ��� ���� 16������� DHGE� ��� DH�E(� ���� ������������������� ���

!� ��� �� ���+������� �� � ��� ���������� �6������(� ���� � !������ ��� � ���

������������������������������D>B�>E(�

"������� ���� ������������������������������������������� �����!������A��� ���

� �������������(���� � ��������� ����� ���� ���� ��� ���� ������������������������

����� � ������� �� ���!� ����� ����������� ��� K �� ���� � ��� ����������� �� ���

��������������������� �����!�������������������� K ����������!(������������

���� � �������������� ������������� ���� ������������������(������������ ��������

���������� �� ���� ������������� ��� ������ ����+ ����!� ����������� �������� ���

Page 97: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� BH�

������������������������������������� �(�������������������� ��������������

�������������������!�������������!�������������������K�

)))()((())()()(()1()1()1)(()))((())()((

krxbrkrxkbrkxkbkbxkbxrkxrb

K

K ==−−=−==� DHBE�

������ Kb∈ �� Kr � ��� ������������������������������������������� K (�������!����

������6�������������������������������������������������������������������!���

����������������������(�������������� X ��������������������3+ �������!��������

�����������!������������(��

.� ������ �!�������� ���� �� ���� D��!��E� �� ������ �!������� D/.�E� ��� ���������

���6������������������������������������!� K ����������(����������������������������+

����!��������������!��������������������������������������������������3�������

��� ���!�� ��� ������� ��������(� ����� ��� ��������� ���������� ������ ���� �� ������

�!��������������������������������������������� ����������������������������

������������������������ �������������(���� ������������������ �� �����������

� ��� ���������� ����� ��� ��� ��� ��� ��!���� A���(� ���� ���� ������ �� ���� ��� � ���

�����������������!������!�������������� ���������������!��D�(!(� r ���� q E(�����

������������������� �����������������������A������������������������F(�

��#���� ���������������� �������������(�

*��K�� ���������������� ������������������������������������K�

iii

ii

ii rbarbrarbra � �� +=+=+ )()()( �

������K�

����� �������

ii

ii

ii rcrbra � �� =)()( � ����� ������� KK rbrrb 0)( += �

������ Kb∈ �� Kr � ��� ��������������������������������������� K ����� K0 � ���

����A��������������� K (�

.�!���� ������!�������� ��������������������+�����������������!������� X ����������������

�������� ������������� ,...,, 210 rrr ��������������������(�

���6�������

����� � ��� ���������� �������+�������� ��� ���� ��!��� ���� X � ��� ������������ ���� ���

� ������������� ,...,, 210 rrr ��������������������(�

.� ������

�!�������K������� �������!�����������������������6������������ 0)(),( ≠rbra �����������������

�����������������!� K �������������(!(�����D��!��E��� �������!�������D/.�EK�

)(deg)(deg),()()()( rbrdrdrcrbra <+= �

)� ����������� ����� ������������������ �� ������������ ��������������������� ��� ��������!����

A���(����������������� ��������������������!������!�������������� ����������

�����!��D�(!(������)E(�

Page 98: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

����+ ������������������������&�*�

�BG�

��#���1 ���������������� �������������������(�

������������� * ��� ���������� ����3� ��� ���������� ��� ��� ��� �� �������� �� � � ��� ����������

����3(�

.���������� 4��� � ��� ���������� ������� ������ ��� ��� ����������� ����� ����� ��� ����� ����

������!�����������������(�

)� ����������� �� � ��� ��������������3� �� ��� �� �������� �� � �����!� � ��� ����!�� ��� ��� ����

���������(�

��������� * �����������������������������!��������������������6�� ������������(!(����

�� ������ ����!���� ����� ����!� ���� ���������� ���������� ����� ��� �� ������

�!������������D*������G(#(F(E�

/��� D������E�

�6�� ���������� �������������������� )(),( rBrA ��������D�����E��6�� �����������������

���������������3� )(rP �������� )()()( rBrPrA = �� ))()()(( rPrBrA = ��

4��� ����")":� ���� �����3� ����� � ��� ���������� ��������� ���� � ��� ����������

����3� ������� ��� �������(� ���� ����������� ��� � ��� ���������� ������� ���

������A������������������������1(�

��� �����������������+ ����!����������������������������������������������������

����������!������������������������������

(.)( ) ( ( )) ( )( )v k u k k r u kθθ= − = � DG$E�

/����������!� ����� �� � � ��� ���������� ��������������� ���� ��������!� � ���

�����������6������������������K��

0 1( ... ) ( )nnv d d r d r u d r u= + + + = � DG>E�

������������������������A�������������������

( ) ( ) 1kd kθ = � DG#E�

������������������������������+ ����!�������������������������K�

(.)( ( )) ( )( ) ( )v k k q v k u kϑϑ+ = = � DGFE�

���������������������� ��������������6�������

0 1( ... ) ( )nnc c q c q v c q v u+ + + = =� � � � � DG%E�

Page 99: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� B��

����������������������������������������������������������������!� vu� (�

)�����������θ ����������������������� ��ϑ ���������������������������

( ) ( ( ))k k kϑ θ ϑ= + � DGHE�

������

(.) (.)q r u uϑ θ = � DGGE�

������� u X∈ ���� ��� ���(������������������ �������� )(ku �� �∈k ��������������

����� ��������� ���� ��� �∈k � ������ �3����� �∈l � ���� ���� )()( kulv = (�

������������!���

( ) ( ( ))k k kθ ϑ θ= − � DG�E�

���������������

(.) (.)r q v vθ ϑ = � DG'E�

������� Xv∈ (������������������ ���� )(ku ���������������������(������ (.)rθ ����

(.)qϑ �������������������������!�� ����������������� �� �������������!�� ���DGGE�

���DG'E������������(������������������ ���� )(ku ��������3���������������

����� ( )v k (�16�������DGHE����DG�E�����������������������!��!����������������

��� ����� �������� DG>E� ��� DG%E(� *�������� ��� ���� ���������� ��� ��� ���� ������

������������������� ������������������������������������������������������

0 1( ... ) ( )nny f f r f r x f r x= + + + = �� DGBE�

0 1( ... ) ( )nne e q e q y e q y x+ + + = =� � � � � D�$E�

Page 100: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

����+ ������������������������&�*�

�B'�

� � � :�������&0$�����������

4��� ������� ��� ������� ����!�� ���������� �� �������� ):+�������� iS � ������� ���

����!����������� �����):+������������� oS ������������������4�!����#H��������������

��������������K�

1 1{( , ) | [( , ( , )) ]}o o o o o iS u y y u y y S= ∃ ∈ �

)�� �� ��� ������ ���� ���� � ���� iS � ����� ��� ���������� ��� �� ������ �!�������� �� ���

������(� ���� ��������� �������� ���� ��� ����� ��� ��� �� ����� ��� ����������

���������K��

D�E ��������D�����E��������������������������D��!��E������ �������������

��������������D�����E���

D��E �������!�����������D������E�

D���E ��������� � ���� D�����E� ����� ���� ����� D��!��E� ��� �� �� �������� � ���

���������(��

��������(�5����������������(�

�������������������������):+�������� iS ������������������� �����������16������

DH'E���������������������*)*:���K�

��

���

��

���

=

����

����

���

���

−−

−= 0

0)(000)()(

)(001|),,,(

uyxv

Irfrarb

rdyxvuSi

���

� D�>E�

����!���������������������������������������!����������������

���

���

−−

01)(0)()(0)(0

)(001

���

rfrdrbra

rd� D�#E�

Page 101: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� BB�

������� v ���������6��������������(�����������������!����������������������!�����

�������� q �

���

−−

0)(~1)(~0)(~

��

qeqbqa d � D�FE�

������ )(~ qbd ���� ( ) ( )b r d r �������������������� q ��������(�����!�!�����������������

��������������!� ����

���

�−

−)(~)(~)(~0

0)(~1qbqeqa

qe

d��

� D�%E�

�����=���������6����������������������� ���������������!������������

[ ])(~)(~)(~ qbqeqa d−� � D�HE�

��������������� �����):����������

[ ]��

��

=�

���

�−= 0)(~)(~)(~|),(

0

000 u

yqbqeqayuS do � � D�GE�

���������� ���4�!����#G����� ������������������� ������!������� ���� ������������

����� ����������� ���������������!����������&�*��������(��

Page 102: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

����+ ������������������������&�*�

�>$$

Si

v

u Sa Sp

Ss

v

xy

x

NETWORK PLANT

u0

y0

S0

Si

v

u Sa Sp

Ss

v

xy

x

NETWORK PLANT

u0

y0

S0

�������� �: �����):+������������&�*(�

� � 1 )��������(�����+������89����������(������"��'�����������

���� � ����� ):+�������� �������� �� ��� ����� ���� ������� �� ���(� ����� �����

����A���������������������������������������� ��������������):+������������������(�

����#��� � ���� ����A������� ��� � ������������� ��6������ ���� ���� ������� ��� ����

�������������� ������6���������� ���������������������������������������������

������� ����������������������!� ��(�������������������������������!���(�)�����������

����������� ����������������������������������� ��!�������������������������������

���������� ��������(�4�������������� �����):+������������&�*�D�GE��������

���������!������� )(~)(~ qeqa ������������������������!������� )(~ qbd− �D�(�(��������������

����� �� ���� !�������� ��� ������E� ��� ���� �����!� ���������� D���� ���������� ��� ����

��!�������������� q E������ �������(�

$��#��� � ��� ):� ������������ !�������� ��� [ ]{ })(~)(~)(~|),( 000 qbqeqayuS d−= � � ���

�����������!����������� ������������� 0y ���� 0)(~)(~0 =yqeqa ��������� 0 ����������

����� k �����������������(�)�������������������������!���������������������������+

����!� ��� ����� ��� ������� ����� ���� ���������� ������ ��� )(~)(~ qeqa � ������� ��

� ���� ����� ������(� )�� �� ��� ������ ���� ���� ������ ��� ����� ����� �������� ��� ����

������� ��� ������ ���������� ������ D:P?����� ��� )!������� #$$>E� ��� ����������

�������������!���������������������������(�4����3������������������������������

����� ������������������������������������������������������������������������ k ��

����� �����������������������D:P?��������)!�������#$$>E(��

Page 103: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� >$>

9#���+�#��� �:���� �����������������������������������!��������������������

):+�������K��

��

��

�=

���

���

���

−−= 0

)(~)(~0)(~)(~)(~

)),(,( 2

1

24

12121

uyy

rBrArBrArAyyuSi �

�� D��E�

)�� 1~A � ��� �� ���������������!�� ����� ��������������� �������� ���(� )�� ���� ������� ���

���������������������������������� �� IrA =)(~1 (�4�������&�*��������������K�

��

���

��

���

=

����

����

���

���

−−

−= 0

)(~)(~)(~000)(~10

)(001|),,,(

uyxv

qbqeqaqe

rdyxvuS

d

i

���

� D�'E�

4���� ����� �� ������� �

���

�=

1001

)(~ rA � ��� ����������� ���� �������� ):+�������� ���

����� ���(�

0��������#��� � )�� �� ��� ��������� ���� ���� �������� !�������� ���

[ ])()( rBrA −� � ��� ������������ ��� )(rA � ��� )(rB � ��� ����� �������� �(�� ������

������������� ���������������������(�)�� )(rL ��������!�������������������� �����

��� )(rA � ��� )(rB � ��� [ ])()( rBrA −� � ��� �����A��� ��

[ ] [ ])()()()()( 11 rBrArLrBrA −=− �� �� ����� )(),( 11 rBrA � ��� ����� ������(�&���

��� )(rL ���������������������������������������������(����������������������� ���

���������� ����3� ��� ���������� ��� ��� ��� �� �������� �� � � ��� ���������� ����3(�

4������������ ���� � ��� ���������� ����3� ��� �� �������� ��� ���� ��!���� ����� ���

����!�������������� �������(��

� � � 9#���+���������(���&0$�

)�� ����� �������� �� ����� ��� ���� ���� &�*� ����� ��� ���������(� ��������� ����

��������������4�!����#��������������������������� ����������� uu =0 �����������

Page 104: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

����+ ������������������������&�*�

�>$#�

yy =0 ���� ����(���������� �������!���������������������������������������

obsS ��������� ������������������� 0y ���� 0u ������������������� x� ���������� x ��(�(�����

��������������������������������������������� ��������������� 0u (��

Si

v

u Sa Sp

Ss

v

xy

x

NETWORK PLANT

u0

y0

S0

Sobs

+

x

OBSERVER

Si

v

u Sa Sp

Ss

v

xy

x

NETWORK PLANT

u0

y0

S0

Sobs

+

x

OBSERVER �

�������2 �:���� �������!���������������&�*(�

������ ��� ���� ���������� ���������� ��� ���� ���������� �������(� ���� ����� ��� �����

������������������������������������������������������ �����������������������

�����������!��������������������������(�)����������������6������������������� x� ��������������������������������� ��(��

���� ��� ����� ����� ���� ��������!� �������� ):+�������� iS � ���� ���� &�*� ��� ���� ������

����!��������K��

��

��

�=

���

���

���

�−

−= 0

)()(~)(~00)(~1

|)),(,(uyx

qbqeqaqe

yxuSd

i ��

� D�BE�

������������� ��� obsS �����������!�������!� ����������):+�������K�

Page 105: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� >$F�

[ ]�

��

��

�=

���

���

�−−= 0

ˆ)()()(|)ˆ),,((

0

02100

uyx

qDqDqCxyuSobs � � D'$E�

)�� ��� ����� ������ ��� 0������ D>B'$E� ���� ��� !��������

[ ])()()( 21 qDqDqC −−� ������������� ��� obsS ����������������!� ������D��E�������

������K��

���

−−

���

�=�

���

�−−−

)(~)(~0)(~)(~)(~

0)()(

)(~)(~0)()()(

24

12121

24

21

qBqAqBqAqA

IqTqT

qBqAqDqDqC

��

��

� D'>E�

����������&�*����

���

�−

−�

���

��

���

�=

���

�−

−�

���

�=�

���

�−−−

)(~)(~)(~00)(~1

00)(

0)(

)(~)(~)(~00)(~1

0)()(

)(~)(~)(~0)()()(

12

2121

qbqeqaqe

IqT

IqTI

qbqeqaqe

IqTqT

qbqeqaqDqDqC

d

dd

��

��

��

� D'#E�

������ )(1 qT �� ��� )(2 qT � ��� ����!�� ������� ���� �� ��� ��!��� ��� ������ ��� !���

������������������(���������3� )(1 qT �������������������������������������������

�����������3� )(2 qT ��������������� ����������D�����������������E������ ��(�D����

!���������������������������!���������������������������������������������!�����������

��!�����������(E������ ����������������� ��������� ���������������� �������������

������������������� ����������� �������(�4������������ ������������������ ����

������������������������K��

0)ˆ)(()ˆ)((~)( 111 =−=− xxqTxxqAqT (� D'FE�

����� ��������!�����������������!��� ��� ������������������ ����������� )(1 qT �

��� )(2 qT (���������!�������������������������K��

>( ������������3� )(1 qT �����������!�����������������(�

#( ����������������������������D���������������� �

���

�IqTI

0)(2 E��������A������

�������������� ���������������������� )()(~)( 11 qTqAqT = ������!������!�(��

Page 106: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

����+ ������������������������&�*�

�>$%�

F( )�� ���� ����������� ����� ��� ��� ���� ���� !�������� �������������� ��� � ����

)(1 qT � ��� ���� ���� ��� ���������� ���� ���������� ��� ��������� ������ ����

���������������������������(�

8��������+���6������� �:�������������� ��(�

)������������������� ������������� ��������� ��������������������� 0u ����������������

��� x ����������������������������������� ���������������������������������(�

����������� �������������������� ��������� ������ ������������������������������

)(~)(1 qaqT = (��

���������������������� �����K�

���

�−

−=

���

�−

−�

���

��

���

�=�

���

�−−−

)(~)(~)(~00)(~)(~)(~

)(~)(~)(~00)(~1

100)(~

1001

)(~)(~)(~0)()()( 21

qbqeqaqeqaqa

qbqeqaqeqa

qbqeqaqDqDqC

d

dd

��

��

��

� D'%E�

*������!��������������������� �����K�

[ ] [ ]0)(~)(~)(~)()()( 21 qeqaqaqDqDqC −=−− �� � D'HE�

���

0)(~)(~)(~ˆ)(~ uqbxqeqaxqa +−= � D'GE�

������!�������������!�����������������!������������������������(���������� ����������

������(� ���� ��!���� �� ��� ������� ��� ����!� ���� ������ ���� ��� ���� ������ ���� D���

����������!���� �

���

�1011

�� 1)(2 =qT EK�

���

−−

���

�−

−�

���

�=�

���

�−−−

)(~)(~)(~0)(~0)(~

)(~)(~)(~00)(~)(~)(~

1011

)(~)(~)(~0)()()( 21

qbqeqaqbqa

qbqeqaqeqaqa

qbqeqaqDqDqC

d

d

dd

��

��

��

� D'�E�

��������������������������� ��������������������������������������K�

Page 107: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� >$H

0)(ˆ)(~ uqbxqa d= � D''E�

8��������+���6������� �*�������������(�

)������*������������������������ ��������� ���������������� 0u ��������� ������� x ����

�������������������������������������������������� ���������������������������

������(� ���� ������ ������� ��� ���� ����� ��� ��� ���� ���� �� ��� ���� � ����� ):+

�������������

)(~)(~)(1 qaqeqT = (� D'BE�

���������������������� �����K�

���

�−

−=

���

�−

−�

���

��

���

�=�

���

�−−−

)(~)(~)(~00)(~)(~)(~)(~)(~

)(~)(~)(~00)(~1

100)(~)(~

1001

)(~)(~)(~0)()()( 21

qbqeqaqeqaqeqaqe

qbqeqaqeqaqe

qbqeqaqDqDqC

d

dd

��

��

��

� DB$E�

�!����������!�������������!�������������������� ��������!������������������������(�

���� ����� ��� ��� ���� ������(� ���� ��!���� �� ��� ������� ��� ����!� ���� ������ ����

��������������D+>E�������������������������������������������������!���������������

��� )(~ qe ����������������������!������������������D�������������!�����

���

� −=�

���

��

���

� −10

1)(~110

)(~11011 qeqe

�� 1)(~)(2 −= qeqT E� DB>E�

���

−−−−=

���

�−

−�

���

� −=�

���

�−−−

)(~)(~)(~0)(~)1)(~()(~)(~)(~)(~

)(~)(~)(~00)(~)(~)(~)(~)(~

101)(~1

)(~)(~)(~0)()()( 21

qbqeqaqbqeqeqaqaqe

qbqeqaqeqaqeqaqeqe

qbqeqaqDqDqC

d

d

dd

��

��

��

� DB#E�

������������*�������������������������������������������������K�

00 )()1)(~()(~)(~ˆ)(~)(~ uqbqeyqeqaxqaqe d−+= � DBFE�

Page 108: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

����+ ������������������������&�*�

�>$G�

� � � ����#��'������������������

)�� ����� �������� ���� ����� � ���������� ��� ����!���(� )�� ��� ������� ���� ���� �����

�� ����� ����������������������!�������� ����!��� ��� ���� �� ���� ���������� �����

����(� ���� �������� ����� � ���������� ����� ���� �������� !� ��� ��� ���� ����� ���

����!�������������� �����������(�������!����������������������������������� �

�������� ������������!������������������D0�������#$$$E(������������������������

����+ ����!���(��

FEEDBACKCONTROLLER

Si

v

u Sa Sp

Ss

v

xy

x

NETWORK PLANT

u0

y0

S0

Sfb

FEEDBACKCONTROLLER

Si

v

u Sa Sp

Ss

v

xy

x

NETWORK PLANT

u0

y0

S0

Sfb

�������3 �4���� ������������������ ������������������(�

&�3�������������������� ���������������!����������� �����):+�������� oS K�

[ ]��

��

=�

���

�−= 0)(~)(~)(~|),(

0

000 u

yqbqeqayuS do � � DB%E�

����������������������������������� fbS �������� ����������������������� 0y ����

������� 0u � ��� ���� ���� � ����� ������� ��� ��� �����������(� ���� ����� �

����������� ��������������4�!����#'(����� ����� � ���������� ��� �������!��� ���

�����!������������������������������������������������������ oS (�

Page 109: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� >$��

)�� �� ��� ������ ���� ���� !�������� [ ])()( qDqC −� � ��� ���� ����� � ����������

��������K�

���

� −�

���

��

���

�=

���

� −�

���

�=�

���

�−

)()()()(

)(00

)(0

)()()()(

)()(0

)()()()(

11

43

)(

11

)(

43

)(

11

qYqXqBqA

qTI

IqTI

qYqXqBqA

qTqTI

qCqDqBqA

qQqTqA � � � �

� DBHE�

���� ����� [ ])()( 43 qTqT � ��� � ���������� )(qQ (� )�� DBHE� [ ])()( 21 qAqA � ��� �

!�������� ���� ���� ����������� ���������� ��� oS �� �(�(� )(1 qA � ��� )(2 qA � ��� �����

������(�����!������������������ �������!������������ )(3 qT ���� )(4 qT ��������!��

������� ���� �� ��� ��!��� ��� ������ ��� !��� ��������� ���������(� ���� ����3�

)(4 qT ������������������������� ����D��!���������������������������� )(qL E�����

����3� )(3 qT ��������������� ����������D������� r ��������E������ ����������(�)��

������ ��� !������� ���� ������������ ���� ���������� ������� ��� �� ����� ������� ����

���������� �������� ������(� ����� �� ��� ��� ��� ��� ������!� 4T � ��� ��!�� ������ ���

����!� 3T ������������!�������!����(��

�������������������� �����������������������!��������������� ����������������

������� pS K�

��

��

=�

���

�−= 0)]()([|),(

vx

rbraxvS p � � DBGE�

���������������������� )]()([ rdrc PfbPfb −� ������������������K��

���

� −�

���

��

���

�=�

���

�−

−)()()()(

)(001

1)(01

)()()()(

43 ryrxrbra

rtrtrcrdrbra

PfbPfbPfbPfb� DB�E�

������������������������!���������������� �������������������!����������!���!�

��������� ����������� )]()([ rdrc −� �����K�

Page 110: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

����+ ������������������������&�*�

�>$'�

���

� −�

���

��

���

�=�

���

�−

−)()()()()(

)(001

1)(01

)()()()()(

43 rdyrxrdrbra

rtrtrcrdrdrbra

PfbPfb� DB'E�

&���� ���� ��� ������A��!� ����� � ����������� ���� ���� ������ ��� ������� �� ���

!����������K�

[ ] [ ])()()()()()()()()()()( 4343 rxtrartrdryrtrdrbrtrdrcPfbPfb ++−=− �� � DBBE�

����!�������������� )(3 rt ����� )(4 rt (�

6.3 Simulations of the polynomial system-based approach in the Matlab environment

*���������������������������������������������������������������������������������

����������������������� �������!��(�4������������� ���������� ��� �������������

��� ���� ���������� ����������� ����� �� �3����(� &�3��� � *����� ��������� ���

���������� ���� ���� ������ ��� ������ ������ �������� ��� ������ ��� ���������� ����

�����3���(������������������� ���������� ���������������!������������������

���������������������� �������!�(�

� � � ���������������������������

:����������������������������!�������� �����������������������������������

��� ���� )(ku ����������������������������� �������� )(kv (������������������

����� �� ��� �� �������������� ��� ���� �������� ���� ������ �� ��� ��� ���

������!���������������������������������������� ��(�������������������������

��������������������������������������������������+ �������� ���(��

)�������������������������������������������������������������������4�!����#B�������

����������� ��������!��� u � ������������� ��� ������ ��� ���������� (������� ������!���

������������������������!������������ ���������������������� ��������!����

���� ������ ���� ��� 4�!���� #B�� ���� ���� ��� ��!��� ��� ������ ��� ���� ��!��� ���� ��� ����

��!���(�)������������������������������������ �����������>����F�������I���������

������������!�������� ������6�������� ������(����� �������� ��� ������������ ������

����� ����� ��������� �� ���� ����� ����� ���� ������ ��!��� ��� �� �������������I� ���

Page 111: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� >$B�

����������������������������� �������������������������� ������������ ��(�

����������������������������������������� �������(��

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000

1

2

3

4

5

Time, k

Network transmission delay

Delay

0 50 100 150 200

−1

0

1

2

Time, k

Input signal to the network

u=sin(0.1k)

0 50 100 150 200

−1

0

1

2

Time, k

Output signal from the network

v=u(k−1)v=u(k−3)

�������4 �*����������������+�� ������������������������(�

4�!���� F$� ����������� ���� ���������� ��� �� �� �������� ������������ ����(� )�� ����

����������� ���� �������� ���� ��� ��� ����� >� ��� B� ������ �������� ���� ���� ��� ����

������� ��������������� ���� ������������������(������������� ��������!�����

������������� ������������� ����������������������������������������4�!����F$(�����������

��!��� ��� ����� ����������� �����!�� ���� ������ �� ���� ����� ��� ����� ��� ���

�����!�������������������������4�!����F$���������� �����!�������������������������

��!��� ���� ��� 4�!���� F$(�4���� ���� ��!����� ��� ����� �������� ���� � ��� ����!�� ����

��������������!������������������������������������������������������(��

Page 112: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

����+ ������������������������&�*�

�>>$

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000

2

4

6

8

10

Time, k

Network transmission delay

Delay

0 50 100 150 200

−1

0

1

2

Time, k

Input signal to the network

u=sin(0.1k)

0 50 100 150 200

−1

0

1

2

Time, k

Output signal from the network

v=u(k−delay)

�������5 �*������������������ ������������������������(�

�����������6��������4�!����F$��������������������������������������������������

H(���������������������������������������������!�����������������������������

�������������!������������ (������������������������������������� �����������������

��!������������������������������������� ���������������� ���(�������!��������

���������������� �����������������������������������I�������������������� ��������

�������������3�������������I����������������������������������I���������������������

������ ���������������������������������(���������������������������������������

��������� ������������ �����������������������������������������������������������

�������������� ��������������(��

��#���� �.���� ������������� ������ �����������������!��(�

V� $������������ -����� ���+��������

>� )4( −ku � B� )()1( kukv =+ �

#� )3( −ku � G� )1()2( −=+ kukv �

F� )2( −ku � G� )3()3( −=+ kukv �

%� )1( −ku � F� )2()4( −=+ kukv �

H� )(ku � >� )4()5( −=+ kukv �

Page 113: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� >>>�

� � � 9����������#���+���

)���������������������������������������+ �������������������� �����������������

���������������3����(��������������������� �����������������������K�

rvxr 20.0)80.01( =− �� D>$$E�

������ rrbrra 20.0)(,)80.01()( =−= ����� 20.0)(~,)80.0()(~ =−= qbqqa (�

4����DG$E����������+ ����!����������+��+������������������������K��

(.)( ) ( ( )) ( )( )v k u k k r u kθθ= − = ���� 0 1( ... ) ( )nnv d d r d r u d r u= + + + = � D>$>E�

������������������������A������������������ ( ) ( ) 1kd kθ = �

������������������������ ������!� �����K��

0)()(ˆ)( urdrbxra = � D>$#E�

����

))1(1(20.0)1(ˆ80.0)(ˆ)()20.0()(20.0)(ˆ)80.01(

0

01)1(.

0(.)

−−−=−−==− +−

kkukxkxkurkurrkxr

θ

θθ

� D>$FE�

���������������������������������������������������� �������������������4�!����F>(�

���� ������ ���� ��� ���� ��!���� ������ ���� ������ � ������������ ����� ������I� ����

�������������������!����������������������������� ������������������������� ������

��!������ �������������!������������ (����������� ������������� �����������

���� ��� ������ ���� ��� ���� ������ � ������ ����� ���� ��� ���� ������(� 4���� ����

���������������������������������������������������������������������������������

��� ������ ��!�� D����� $� ��� >� ��� ��� ���EI� ���� ��� ���� ������ � ����� ���� ������

��!��������$����>(�4��������������������������������������� ��������������������

��������� ������������������������������������������(�����������������������������

��������������������������������������������(��

Page 114: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

����+ ������������������������&�*�

�>>#�

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

0

2

4

6

8

10

Del

ay

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500−1

0

1

2

3

Time, k

InputOutputPrediction Error

�������� �)����������������������������������������������������������� ��(�

� � � $��������������

����� ����������������� ���������� ������� ���� ����*�������������� ���� ���� ������������

������������������ ��� ���������� � ���� �������!���������!� ��� �������������� ���

*������G(#(H(�������������������������������!� ������

rvxr 01.0)99.01( =− �� D>$%E�

�����������

01.0)(~)99.0()(~01.0)()99.01()(

=−=

=−=

qbqqa

rrbrra� D>$HE�

����*�����������������!� ������DBFE�

00 )()1)(~()(~)(~ˆ)(~)(~ uqbqeyqeqaxqaqe d−+= � D>$GE�

Page 115: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� >>F�

������ )(~ qa � ��� ��� ������ ������� ���������� )()()( rdrqbqbd = (� ���� ������������������

��� (.)2)(~ vqqe = �� (.)1)( θrrd = (�

)�������!������� �������������������6�����K�

0(.)(.)

0(.)(.) )01.0)1(()())99.0(()(ˆ))99.0(( 1222 urrqqkyqqkxqq vvv θ⋅⋅−+−=− �

"���������!���� (.)2θrr ������������������!���������������������������������K�

)()01.0)1((

)())99.0(()(ˆ))99.0((

0(.)(.)(.)

0(.)(.)(.)(.)

122

2222

kurrqqrr

kyqqrrkxqqrrv

vv

θθ

θθ

⋅⋅−+

−=−� D>$�E�

/����!��!� ��� � ��!� ����� ����� 1(.)(.)(.)(.) == iiii vv qrrq θθ �� ��� 1== iiii qrrq �

!� ��K�

)(01.0)(01.0)(99.0)()(ˆ99.0)(ˆ 0(.)(.)

0(.)

00(.)(.) 12122 kurrrkurrkrykyqqrrkxrkx v θθθθ −+−=−

� D>$'E�

������ ����!� ���� � ��� ���������� ���+������� ���� ��������� ( ) ( )K Krb = r b + 0 b �

������������������K�

)))1(1()1(1(01.0))1(1(01.0)1(99.0)))1(()1(()1(ˆ99.0)(ˆ

212010

02220

−−−−−−−−−−−+−−−−+−−=−−

kkkkukkukykkvkkykxkx

θθθθθθ

� D>$BE�

����������������������������������!��6����������������K�

)))1(1()1(1(01.0))1(1(01.0)1(99.0)))1(()1(()1(ˆ99.0)(ˆ

212010

02220

−−−−−−−−−−−+−−−−+−−+−=

kkkkukkukykkvkkykxkx

θθθθθθ

� D>>$E�

;6������ � � ��������� � ����� ��������� �3����� ��� � ������ ������ �������

���������������

vrrxrr )033.015.0()0055.083.01( 22 +=+− � D>>>E�

20055.083.01)( rrra +−= �� 2033.015.0)( rrrb += �� 0055.083.0)(~ 2 +−= qqqa ��

qqrb 033.015.0)( 2 += � D>>#E�

�!��������*�����������������!� �����K�

Page 116: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

����+ ������������������������&�*�

�>>%�

00 )()1)(~()(~)(~ˆ)(~)(~ uqbqeyqeqaxqaqe d−+= � D>>FE�

������ (.)2)(~ vqqe = � ��� (.)1)( θrrd = (� )(~ qa � ��� ��� ������ ������� ����������

)()()( 2 rdrbqqbd = (�)�������!������������������������6������!� ��K��

)())033.015.0()1

(()())0055.083.0(()(ˆ))0055.083.0((

0(.)22

(.)0

(.)22(.)

1

222

kurrrqqkyqqqkxqqq vvv

θ+⋅⋅−

++−=+−� D>>%E�

"���������!���� (.)2 2θrr ����������������������������������������������������K�

)())033.015.0()1((

)())0055.083.0(()(ˆ))0055.083.0((

0(.)22(.)(.)2

0(.)2(.)22(.)(.)2

122

2222

kurrrqqrr

kyqqqrrkxqqqrrv

vv

θθ

θθ

+⋅⋅−+

+−=+−

� D>>HE�

/����!��!����� ��!����������� 1(.)(.)(.)(.) == iiii vv qrrq θθ �� 1== iiii qrrq ��!� ��K�

)(033.0)(033.0

)(15.0)(15.0)(0055.0

)(83.0)()(ˆ)0055.083.0(

0(.)22(.)2

0(.)22(.)(.)2

0(.)2(.)2

0(.)2(.)(.)2

0(.)(.)2

0(.)(.)2

0(.)2(.)222

12122

1212222

2222

kurrqrrkurrqqrr

kurrqrrkurrqqrrkyqrr

kyqqrrkyqqrrkxqqr

v

vv

vv

θθθθ

θθθθθ

θθ

⋅−⋅+

⋅−⋅++

−=+−

� D>>GE�

)(033.0)(033.0

)(15.0)(15.0)(0055.0

)(83.0)()(ˆ0055.0)(ˆ83.0)(ˆ

0(.)22(.)2

0(.)222

0(.)2(.)2

0(.)22

02

0(.)(.)2

0(.)2(.)22

121

121

2222

kurrqrrkurrqr

kurrqrrkurrqrkyr

kyqqrrkyqqrrkxrkxrkx vv

θθθ

θθθ

θθ

⋅−⋅+

⋅⋅−⋅++

−=+−� D>>�E�

/����!��!� ��� � ��!� ����� ����� ���� � ��� ���������� ������� ���������

KK rbrrb 0)( += �!� ��K�

)))2(2()2(2(033.0))2(2(033.0)))2(1()2(1(15.0

))1(1(15.0)2(0055.0)))2(1()2(1(83.0)))2(()2(()2(ˆ0055.0)1(ˆ83.0)(ˆ

212

0102120

1002220

2220

−−−−−−−−−−−+−−−−−−−−−−−⋅+−+−−−+−−−−

−−+−−=−+−−

kkkkukkukkkkukkukykkvkky

kkvkkykxkxkx

θθθθθθθ

θθθθθ

� D>>'E�

��������������������������K�

Page 117: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� >>H�

)))2(2()2(2(033.0))2(2(033.0)))2(1()2(1(15.0

))1(1(15.0)2(0055.0)))2(1()2(1(83.0)))2(()2(()2(ˆ0055.0)1(ˆ83.0)(ˆ

212

0102120

1002220

2220

−−−−−−−−−−−+−−−−−−−−−−−⋅+−+−−−+−−−−

−−+−−+−−−=

kkkkukkukkkkukkukykkvkky

kkvkkykxkxkx

θθθθθθθ

θθθθθ

� D>>BE�

��������������������������)����������������������������������������*��������������

��� ��������������4�!����F#(������������������������!���� �����������������������������

������� ��� ���� ������� ��� ������ ����� ������ ���� ������ ���� ����������� ����

������������������)������������������������������������������� �����������(�

4����������!���������������������������������������������������������������

���������� ��� ���� ������I� ���� ���� ���� ������ � ������ ���� ���������� ��� ����

���������� ��� ����� ���� ��!�(� /��� F� ����������� ���� ���������� ����� ���� *�����

������������������������������������������������������)����������(�4��������

��!�������������������������������������������� �����!�������������������������

���� ������ � ��� ���� ����� ���� ��� ���� ������� ��������(� 4������� ��� ���� %� ���� �����

������������������������������������������*���������������������������!����������

�)���������������������(�4��������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������� (��

0 50 100 1500

1

2

3

4

Time (msec)

Actuator delay (msec)

τca

0 50 100 1500

1

2

3

4

Time (msec)

Sensor Delay (msec)

τsc

0 50 100 150−1

0

1

2No time−variant Smith Predictor

RefY

0 50 100 1500

0.5

1

1.5

2Time−variant Smith Predictor

RefXest

Y

0 50 100 1500

0.5

1

1.5

2

Time (msec)

TV Smith Predictor, Nominal controller gain two times higherRefXest

Y

�������� �*���������������������������������(��

Page 118: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

����+ ������������������������&�*�

�>>G�

*�������� �� ���������� ��� *������ H(F(>�� � ������ ��� ���������� ��� � ����� ����

������������ ����������������������������� ������������������������ ����*�����

��������� �����(� ��������� 4�!���� FF������� ����� ���������� �������� ��� �����������

�������!� ���������������������!������� �����>HT����HHT���� ���� ���� ���(�����

������ ���� ����������� ���� ���������� ����� ���� ����������� ������ ��� >HTI� ����

������ ���� �������� ���� ������ ��� #HTI� ���� ������ FHTI� ��� ��� ���� ������� ���� ������ ���

HHT(� 4���� !����� ��� ������ ��� ��� ���K� ���� ������ ���� ���������� ���� ���� ���

�������� ������ ��� ���� ������� ��� ������ ����I� ���� ������ !���� ������ ���� �����

������������������������������*��������������������������I����������������������

!������������������������������� �������(��

4���� ���� ��!���� ��� �� ��� �������� ���� �� ���� ������ ��� ���� ����� �����������

��������� ����������������� ����*��������������������������� �����!���������

������� ��� ������� ���� ������� �� �� ���� ������ ����� ��������������� ������ ���

HHT(� ���� ������� ��� ���� ���������� ������ ��� ������ ��� ���� ������ ������� ���� �����

��!�����������������������(�

�������� �*����������������������������������������������(�

Page 119: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� >>��

� � 1 ����#��'�������������������

���������������������!��������

01.0)()99.0()(

=−=

qbqqa

� D>#$E�

���� ������� ��� ���������� � ��� ���� ������ �� ������ ���� ����������� ��� ���� ������

���� ����� ��� ����� ��� ����!� �����!� ��� (.)θq (� ���� !��� ��� ��� ����!�� � �����

�������������������������������������������������

���

� −�

���

��

���

�=�

���

�−

−)()(

)()()(~

)(001

1)(01

)()()()()(~

43 qdyqxqbqaqc

qtqtqcqdqbqaqc

PfbPfb� D>#>E�

������ (.))(~ θqqc = ���������������������� nccc ~,...~,~10 ���������������������A������� k (�

������������������������������3� )(qP (���������������������������������!�����������

���������������K�

���

���

−⎯⎯ →⎯

���

���

−⎯⎯⎯⎯ →⎯

���

���

−⎯⎯⎯⎯ →⎯

���

���

� −−

���

(.)(.)

0110

(.)(.)

)100(

(.)

(.)

)99(

(.)(.)

99100110001.0

19910001

01.00

19901

01.0

1001

01.099.0

(.)12

(.)12

θθθθ

θ

θθθ

θ

θ

qqqqqq

q

qqqqq

qqT

qT

� D>##E�

����

���

�−

= (.)(.) 99100110

)( θθ qqqqP � D>#FE�

������3����������������������3� 1)()( −= qPqQ (��

Page 120: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

����+ ������������������������&�*�

�>>'�

���

� +−

=�

���

��

���

� −�

���

�=�

���

�−�

���

��

���

=−⋅�

���

�==

−−−

−−−

01199100

10991

101001

0110

19901

110001

0110

)99()100(0110

)()(

(.)(.)

(.)(.)1

(.)

1

(.)

1

1(.)12

1(.)12

11

θθ

θθ

θθ

θθ

qqq

qqqqqq

qTqqTqPqQ

� D>#%E�

���������������� 8.0(.) =qqθ K�

���

−+−

=�

���

� +−�

���

�−

=�

���

�−

−08.0199100

01199100

8.0001

)()()()()(~

(.)

(.)(.)(.)(.)

(.) qqqqqqqq

qqqcqdqbqaqc

θ

θθθθ

θ

� D>#HE�

.����������������K�

���

−+−

=�

���

−+−

���

�=�

���

�−

−100/18.0100/99199100

08.0199100

1100/101

)()()()()(~

(.)

(.)(.)

(.)

(.)(.)

θ

θθ

θ

θθ

qqqq

qqqqq

qcqdqbqaqc

� D>#GE�

��������������������������������������������������(�������������������� 8.0=q K��

���

−+−−+−

=

���

−+−

���

�−

=�

���

�−

125/1100/125/16125/998.0100/99199100

100/18.0100/99199100

8.0001

)()()()()(~

(.)(.)

(.)(.)

(.)

(.)(.)

qqqqqqqq

qqqq

qqcqdqbqaqc

θθ

θθ

θ

θθ

� D>#�E�

�������������������������������� ��������� (.)(.) θθ qqqq ≠ ������������������������

������������������������������(�*����������K��

qqccqq

qqccqqqccq

qq )~~(

)~~(

)~~(

10(.)

10(.)

10(.)

+=

+=

+=

θ

θ

θ

� D>#'E�

)�� ���� ������ ����� � ������� �� q � �������� ��� ����� ������� ��� ���� ����������(�

)�������!�������������6���������������K��

Page 121: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� >>B�

���

�−++−−+

+++−

=�

���

�−

125/1100/125/16)~~(125/998.0)~~(100/991)~~(99)~~(100

)()()()()(

1010

1010

qqccqqqccqccqqcc

qcqdqbqaqv

qq

� D>#BE�

��������������!�����������������������!��3�������������������K�

���

�−

+++−

���

�−++−−+

+++−

=��

��

�=�

���

�−

)()(1)~~(99)~~(100

125/1100/125/16)~~(125/998.0)~~(100/991)~~(99)~~(100

1~10099

~1001

01

)()()()()(

1010

1010

1010

11

qcqdqccqqcc

qqccqqqccqccqqcc

ccqcqd

qbqaqv

qq

q

� D>F$E�

������

���

����

�+−+

���

����

�−−++−=−

25/16~125/99~~~10000

9801

~125/998.0~100/99~~100009801~~

~10099)(

0011

1011011

cccc

qccccccc

qd

q

qqq

� D>F>E�

���

125/1100/1~10000

991)( 11

−+= qcc

qc q �

������������������������������������������� r �����������K��

yrdurc )()( = �

yrcccc

ccccccc

urrcc

r

rrrr

))25/16~125/99~~~10000

9801(

)~125/998.0~100/99~~100009801~~

~10099(()125/1100/1~

1000099

~1(

0011

1011011

11

−+−+

++−−=−+�D>F#E�

)1(64~5

396~~~100

9801

)(~5

39680~99~~1009801~~

~99)1(~

10099

~1

54)(

0011

1011011

11

−���

����

�−+−+

���

����

�++−−+−��

����

�−=

kycccc

kyccccccc

kucc

ku

q

qqqq

� D>FFE�

Page 122: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

����+ ������������������������&�*�

�>#$�

�����������������������������������K�

)1(~64~~5

396~)(~1009801

)(~5

396~80)(~~99)(~~1009801~~99)1(~

10099~

54)(~

10101

211011101111

−���

��� −+−+

���

��� ++−−+−�

��

��� −=

kyccccqc

kyccqccqcccckucckuc qq

� D>F%E�

�����������������������������������������������������4�!����F%(����������������������

��!��������������������������������������������� ���������������������������������

������ ������ ������(�)��������������������������� 1c ��6��������A����������������

���� ������ 11 =c ��������(�4���� ���� ��!���� ��� ����� ��������� ���� ����� �����

����� �������������!��������������!������� ������������������������� (��

0 200 400 600 800 1000−1

0

1

2 yref

0 200 400 600 800 1000−0.5

0

0.5

1

1.5

2

Time (sec)

τca

�������1 �/���������������� ���������������������� ���������� ����������(�

&���� ���� ������������ ���������������� ����!����(� )�������� ��� � �� ���� ����!�����

�������������������!���������������������������!������������������!�������K�

01.0)()1)(99.0()(

=−−=

qbqqqa

Page 123: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� >#>�

7 Enhanced control of a NCS using delay estimations

���� ��� ��� ����� ������ ��� ��� �������� � ������� ������ ���� ������� ����

���������� ����� ������ ��� � ������� ��������� ���������� � ��� � ��������

1�������� ������ � ��� ���� �����A����� ��� �� ������ ������ ���+��+���� ����� ��������

�������������������� ������(�4����������������!������������������������������

���������� � ����������������� ������������1�������������� � ������������(�&�3���

����������������������������A����������������������������!�������� �������������

����������������������������������������(�4�������������������������������������

������� ������ ��� ���������������� �"���� ���������� �������� ����������� ��� ��

�3�������������������(�

7.1 Upper bound end-to-end delay estimation �

��������������������������������!���������������������������������� �������

���������������A�D>BB>E��?��������������D#$$>E(���������������������� �������

���������.�����������,��+���������5���!�������������������5���!���� ����(�D#$$HE(�

����������������������������������������������������������K��������������������

���� ���������!�� ���� ����� ���������� � ��� � ���!��� ������ ��� ��������I� ��� ����

���������������������������������� ������������1�������������� ���������!����

�� ���������������������(��

2 � � ���((��������������#��'����(�������;���������"����

������������� ��!�������������������������������������������������������!�

��� ����W�� ���� ������������X���������(����������� ���������� ����� ���� �� ��

���� )(tR ��������������� ������������ ��������������������3������� �����A��σ �����

�� ��������� ����������������� ρ �D�����

Page 124: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

1�����������������&�*�����!�����������������

�>##�

4�!������E(����� ������ ��� ����������������� �� �� ��� ���� !� �� �� ����������� ����

�3����������� ��� ��� ���� �� ��� �� �� ���� �����(� )�� �� ��� ��� �������� ����

������ ��������������������������������������������� ���� ����������������������

������!���������������������������������������������� inC ���������� ������������

���� ����������K�

),min()( ttCtb in ρσ += � D>FHE�

������σ ���������3�������������������������� ��������������������������

ρ ������������������������� ��!���������������������������� inC ����������������

�����(�)�������������������� ����� ������������������������������������������

��������������������������������������(���������� �������� ����� ������

������ ���4�!����FG�������� )(1 tb ���� )(2 tb ������� ���� ������������>����#�����

)(tbout �������� ����� �(�

ρ

)(tR

σ ttb ρσ +=)(

ρ

)(tR

σ ttb ρσ +=)(

�������� ��������������!������!���������� ���� ���������������������(�

Page 125: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� >#F�

backlog

Data amount arrival (bits)

),min()( 1111 ttCtb ρσ +=

)(2 tb

tCCLtbtbtB out−++= )()()(

2

221

B

T

tC2

tC1

tCtb outout =)(

t

backlog

Data amount arrival (bits)

),min()( 1111 ttCtb ρσ +=

)(2 tb

tCCLtbtbtB out−++= )()()(

2

221

B

T

tC2

tC1

tCtb outout =)(

t �

�������� ����� �������� ����� ������� ��!�� ����������������������+������4)4:���������3���

D5���!���� ����(��#$$HE(��

���������������������������������������� �������������������������� ��������

������������������������� ��!(������ ��!����������������������������!��������

���������� ��� ��� ��� �������� ��� ��!�������� ��� ���� ��������(� 4��� ���� ��� ��

�� ������4�!����FG������� ��!����������������

tCCLtbtbtB out−++= )/()()( 2221 � D>FGE�

������ )(1 tb � ��� )(2 tb � ��� ������� �� �� ������ ������>����#��� ����� ��� 2L � ��� ����

�3��������!����������������� 2C � �������������������������������#����� outC � ���

�������������������������� (�������3�����������4�!����FG����������������������

�3������ ��!� B ������������������������T ������������ tC1 ���� )(1 tb ���������K�

11

1111 ρ

σρσ−

=→+=C

TTTC � D>F�E�

2 � � %�6����������(���������������;���������"����

1��������������������������������������������������������K���������3�����

����������3�������4�����)��4�����:���D4)4:E�6������������������4�!����F�(�����������

�������������������������!��� �� ����������������������������������������������

Page 126: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

1�����������������&�*�����!�����������������

�>#%�

����������!���������������������������(����������������������� �������������

��������������������������������������� ��������������������K��

demuxqueuemuxswitch DDDD ++= � D>F'E�

������������������ D �������������������������������������� ������������������ ����

�����������

queueD demuxD switchDmuxD + + =

inCoutC

C CC

queueD demuxD switchDmuxD + + =

inCoutC

C CC

�������2 �"���������#+�������������������������3���������������������������������+�����!��

��!������D5���!���� ����(��#$$HE(�

5���!���� ����(�D#$$HE����������������4)4:��+���������������3��������������������

������!������������������������������+����������K�

kmuxkout

imux BC

D ,, min1= � D>FBE�

������ kmuxB , �� mk ≤≤1 ������������+�������������� ��!���������������������(��

4���,�J������������������������������������ )/( iiii CT ρσ −= ��������� ��!���������+

����������K�

ii

iouti

m

izz z

z

ii

izz

iouti

m

izz z

zizziout

m

izz z

ziziiimux

CCC

CL

C

TCCCLTTC

CLTbTCB

ρσ

ρσρσ

ρσ

−−+��

����

�+

−+

=−+���

����

�++=−��

����

�++=

��

≠=

≠=≠=

)()(

)()()(

;1

;1;1,

� D>%$E�

Page 127: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� >#H�

������ zσ � ��� ������������������ ���� ������*�� zρ � ��� ���� ��!�� ���������� ����� ����

������������*�� L ���������3��������!��������������������������������� iC ��������

�������������������������(��

4��� ik ≠ �� mk ≤≤1 ������������������������������� kkkkkk CLCT /)/( −−= ρσ ��������

� ��!���������+����������K�

( )

( ) ki

ii

m

kzz k

k

kk

koutk

z

z

k

k

kk

kzz

ki

iik

m

kzzoutk

z

zkzz

ki

iikout

m

izz z

zkzkkkmux

LCL

CL

CCC

CL

CL

C

LCLTCC

CLT

LCLTC

CLTbTCB

+−���

����

�−

−−+��

����

����

����

�+−

−+=

+−−+���

����

����

����

�++=

=+−−���

����

�++=

≠=

≠=

≠=

ρρ

σρ

σρσ

ρρσ

ρ

;1

;1

;1, )(

� D>%>E�

�������������������������6����������������������������������������������������

����������������������� ���� �����������σ ���� ρ (���������������������������

�����3������������������3������ ��!�����������������3�����������������������

�������������������������������������������������������������!����������������

��� ���������������(��

���� ������� ���� ��������������������� ���� ����4)4:�6�������������� �����������

�����������������3�����������������4)4:�6�������������������������������3���

�����;�������������K�

( ) ( ) ( )in

inin

outin

outoutin

outimux

outmuxqueue C

CCC

CCTC

BC

DD σρ−

−=−=== 11min1, � D>%#E�

4�����������������3��������������������������������6����������������������������������

����� ���� ��!��!����� ������� ��� ���� ������ ������� �(�(� ���� ����������3��� ����� ����

!������������(��

2 � � %�6����������������������(��������������"������;�����������"��'�

���������������������������������+��+������������6����������������������������

����������� ������������������16�������D>FB+>%#E(������3���������� ���� D �

����������������� ���� �����������K������3��������������������σ �������

Page 128: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

1�����������������&�*�����!�����������������

�>#G�

��� �� ����������� ��� ������������������� ���� ��!��������� ���� ������ ����� ρ (� )��

������ ��� ������ ���� �3����� ����� � ��� ���� ������ �� ��� ��� �������� ���� ����

�� ������ ( )ρσ , ���� �������� ����������������������� (����� ���������������4�!����

F'��������������������� ���� �� ����� ( )00 ,ρσ ����������� ������������� ���������

��������� ���� ���� �� ����������������(������������� ������� ���� �� �����

������������!��6����������������K��

inout

ininout Dρρ

ρσσ=

+=� D>%FE�

4����3������ ���� ������� ���� �� ( )11,ρσ � ���4�!����F'� ������ ����������� ���� ������

��������K��

( ) ),(, 010011 ρρσρσ switchD+= � D>%%E��

1switchD

),( 00 ρσ ?),( 11 =ρσ ?),( 22 =ρσ

2switchD1

switchD),( 00 ρσ ?),( 11 =ρσ ?),( 22 =ρσ

2switchD

�������3 �?�������������!����������1�������������� �D5���!���� ����(��#$$HE(�

�������������������������������������������������+����������������������������

�������������������������������������������������������������������������� (�

����������������������������6��������������������������������������� ����������

��� ��K��

����

����

=

����

����

����

����

nnnnnn

n

n

b

bb

aaa

aaaaaa

���

����

2

1

2

1

22

22221

11211

σ

σσ

� D>%HE�

������ ���� ����������� ����� ��� ������ ���� ������ ������ ���+��+���� ������ ���

��������������

i

oi

hi

iDρ

σσ −= � D>%GE�

Page 129: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� >#��

������ � ��� ���� ������� ��� ������� ��������� ��� �� ����������� � ����� ������

�����������(��

7.2 Robust control design for delay tolerance �

���������������+��+��������������������������������������������������A����������

�����������!�(�����������������!������������������������������������������������

∞H � ������� ������� ������(� :��� �������� ��� ���� ��������� ������ ��� ���� ��� �����

����!���� ����� ���� ������� ���������� ����!�� ��� ���� ����� �������� ����� ����

������� (� ������ ���� ������ ������ ����� ���� �������� ����� ���� ����������

�� ����!������������������������� ���������������������������!����(�

)���������������������������������������������������������� ���������������������

���� ������� ������������� ���� ����� ��� ���� ������ � ������������ ����(� *�����

���������� ��� ���� ��� ��� ��������� ��� ����� ��!������ ������ ��� ������� ���� ������

���������!���������������� ������ ��!�������������������������������� �������

���� ����� ��� ���������������������� ���� ����(����������� !������ ��������� ����������

���������� ���������(� ���� ������ ���������� ��� ���� ����� ����*)*:���� ��� ���������

����� ������ ����������� ��� ������� ���������� �������� �� ��3��� ������� ����

�������(� ���� ��3��� ������� ���� �������� ����� �� ��� ������ ��� ���� ��� ��������

��������������������� ��������������D���������� μ +���������E(�)��������3���������

����������������������������������������� ���������������������������������

�����������3��(��

2 � � :������������������(��������"��������������(������"��'�����������

�������

���������������������������������� ��������������������� nwG ����������������������

������������� ���������������� D������� ������ ��3�����������E������������

D�� �����������������E��������������������� (������������������*)*:�����������

�����(����������� ���������������������������������������������������������

����������� ������(���������������������������������������������� ��� ��������

���� ��� � �� ����� ����� ������� ���� ���������!� ������� �� ��!�� ���6������(� ����

������ ����� ������ ��� � �������� ���������� ������ ����� ��� ����� ��� ��� ����

�������������������������������������������������� ����(����������� �������������

��������������������������������������� ������������������������������������(��

Page 130: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

1�����������������&�*�����!�����������������

�>#'�

r − yue

)(sGcG

scca+Δsccaw +

NETWORK

CONTROLLER PLANTPw

1z

2z

Δ+sccau

v

)(sGnw

r − yue

)(sG )(sGcG

scca+Δ scca+Δsccaw +sccaw +

NETWORK

CONTROLLER PLANTPwPw

1z

2z

Δ+sccau

v

)(sGnw

�������4 ��������3������&�*�������������������������������(�

�����������������������������������4�!����FB(��)��������!���������������������������

��� ���� ������� ��� ������ ����� � �� ����� ������� ����� ���� ��� � ����� ��!� ����

������� ������������ ����� ��� � ������ ���� ����� ��� ���� ������ ����� ���� ��� ����

����(� )������*)*:����� ����������������!������ �����@��������������������� ����

���������(�(����� ∞H �����������������������������������!��(����������� ���� ����

���� ��!���� ��� � ���������� ��� ���!��� �������� sccaw + � ��� scca+Δ �� ������

1−=Δ +− ssc

sccae τ �� 1<Δ∞sc (��������������������������K��

GwGEGeG sccasccas

nwscca )1()1()(

+++− Δ+=+== ττ � D>%�E�

������������������������ ������� nwG �����������������������������!�������������+

�� ����� ������ ���� ��� ����� �� ��������� ������� ��� ��������� ������ ����+�� �����

���������������������Π (�*���Π ��������+��������������!�����������������!� ∞H �

����+��������������������������������������������� �������������������(��

���� !������A��� ����� ����������� P � ��������� ��� ����� ��� ���� ������� ��� ���� ∞H �

�����������������������������������K�

���

���

���

���

−−=

���

���

� Δ++

ur

u

GIGGwwGw

w

ezz scca

PPP

scca00

1

2

� D>%'E�

�������

Page 131: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� >#B�

����

����

−=�

���

�=

+

GIG

GwwGww

PPPP

P PPP

scca

�����

��00

2221

1211 � D>%BE�

����������������������������������������������

),()( 211

221211 ccc GPFPGPIGPPNΔ

− =−+= � D>H$E�

8����������!��������!������A�������������������������4�!����%$(�

r

u

G

scca+Δ

sccaw +

Pw 1z

2zΔ+sccau

cG

e

P

r

u

GG

scca+Δ scca+Δ

sccaw +sccaw +

PwPw 1z

2zΔ+sccau

cGcG

e

P

������15 �5�����������������!����������������������������������������������������(�

�����!��������������������������!��������������������������������������.�����

D>B'FE(�

2 � � <��������������

)�� ���� ������ ����������� �� ������� ��� ���� ��� ����� ������� ������ ��� ���� ����!��

��������K������������������!��� Pw ����������������!��� sccaw + (��������!�������

����� ��� ����� ���� ������ ����� �������� ���������� ���� ������� ���� ��������L

S+

=1

1���

���� ������������ ������� ���� ��������L

LT+

=1

� ��� ���� ����� �������� ��������

Page 132: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

1�����������������&�*�����!�����������������

�>F$�

GGL c= ������� �������������������(����������������������������������������

���������I���������������������������������������������������������������!�

�������!����!���������(��

-�����"����� sccaw + (����������������������������������������� ��������������A���

��� �����!� ���� ���!����!� ��������� sccaw + (� ���� ���!��� ������������� ���������

������������������!������������������������������������� )(sG ��������������!�

�� ��� ���6����� ���� �������� ������ )(ωnwl ������ �������� ��� ��������� ����� ���

������ ������������РK�

)()()(max)(

ωωωω

jGjGjGl nw

Gnwnw

−=Π∈

� D>H>E�

���������!��������!��� sccaw + �������K�

ωωω ∀≥+ ),()( nwscca ljw � D>H#E�

4��� ����*)*:��������� ���� �������� ������ )(ωnwl � ������������������������������ �

����������������������������������������������������������������������

���������!������������� ���������������!�������������������K�

1max)(

)()(max)( )()(

−=−= +−

Π∈

+−

Π∈scca

nw

scca

nw

j

G

j

Gnw ejG

jGjGel ττωττω

ωωωω � D>HFE�

������ caτ ���������������������������������� ���������������������������������

��� scτ � ��������������������� ��� ���� ����������(������� ���� ���� ���6�������������

)/( scca ττπ + �� ����� ����� �� ������ ��� ������ �������� ��� 1)( −+− sccaje ττω � ���� �� ����

���6����� )/( scca ττπ + � ����!� ���� 1����� ��������� D 1−=− πje E�� ��� ������ #� �� ����

�3�������� )(ωnwl K�

���

+>+<−=

+−

)/(2)/(1)(

)(

scca

sccaj

nw

sccaelττπωττπωω

ττω� D>H%E�

Page 133: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� >F>�

/������ �������� ��������� ��� ������� ���������� ���� )( ωjw scca+ (� ���� ��������!�

���!��� ��� ���������� �� � !���� ����3������� ��� ���� ����� ���� ���� ∞H � ����������

D8�!� ������>BB%EK��

465.3/)(1)()(s

sswscca

sccascca ⋅++

⋅+=+ ττττ

�� D>HHE�

����� ���!��� ��� �������� �3������������ ����� ���� �����3� ���� ����3����� ���

�������!� ���� ����� �� � ��!���� ���6����� �������� ��!��!� ���� ���� �� ����

���6������(��

10−2 10−1 100 101 10210−2

10−1

100

101

Frequency (ω)

Mag

nitu

de

Weight selection

lnw(ω)

wca+sc(ω)

������1� �.�������!��� )(ωsccaw + ���� )(ωnwl ����� 7)( =+ scca ττ (��

8����������"����� Pw (�8��!��� Pw ������������������������� ������������ S (�4���!����

�� ��!� ���� ��� ���������� ��������� ���� ������� ���� �������� ��� ��6������ ��� ���

����(� )����!!����������!�����!�������� �����������������������������!�s1������ ���

���� ���!���� �������� ����� ���� ���������� �������(� ���� ���� � ����� ����!�����

������������������� Pw ������������������ ∞H ���������������������������������

��� ����� ������ ��� ���� ������ ���� ���� �����������!� !������A��� ����� ����� ���� ���

������A��� ��� ���� ����� � ���������(� D����� P � ����������� �� �������(E� �����������

���� ��������!� ����3������� ��� �� ����!����� ��� ������������ �� � ���!����!�

�������� Pw ���������������� ������������ S K�

Page 134: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

1�����������������&�*�����!�����������������

�>F#�

AsMssw

B

BP ω

ω+

+= /)( � D>HGE�

������ Bω ���������������������������������������������������������� ���+� �������

���������3����� �� � ��� S � ���� �������� ������������ ��� A � ��� �� �������� �����

��������������� �����������������������������!���3���������������������(�

�������!��������������������4�!����%#(�

10−4 10−3 10−2 10−1 100 101 10210−3

10−2

10−1

100

101

M

ωB

A

Mag

nitu

de

Frequency, rad/s �

������1� �8��!�����������!����� Pw (�

2 � � 0�������������������

&������ ���������� ��� ������ ��� ���!����� ������� ���� �������� �� ��� !� ��� ��

��������D* �!����������������������#$$HEK�

ω∀<1SwP ����

ω∀+< LwP 1 � D>H�E�

4��������������������D/�E�� ��� �����6���������������� ����������������������

���������������������������������������!�����������������������K�

ω∀<+

= 11 nw

PnwP L

wSw � D>H'E�

Page 135: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� >FF�

)�� ��� ��� �������������� �� ���������� )1( sccasccanw wLL ++ Δ+= �� ���������!� ����

scca+Δ ����>������������������������������������!����������������������������� L ��

����/������������������������������������K�

ω∀<−+

≤Δ++

=+ +++

11)1(11 scca

P

sccascca

P

nw

P

LwLw

wLw

Lw

� D>HBE�

���

ω∀<+=+

++

−+<

++

+

111

1

TwSwLLw

Lw

LwLw

sccaPsccaP

sccaP

� D>G$E�

4�����������������!����� TwSw sccaP ++ � ���� �����>+����������������������������

������� �����#+��������������K�

222 TwSwTwSw sccaPsccaP ++ +≤+ � D>G>E�

��������� 1<+ + TwSw sccaP ����������3���������������

21max 22 <�

���

�� + + TwSw sccaPω

� D>G#E�

����� ���� ������� ∞H ���3���������� ����������A������������������� �������������

�����������!����������!������(������������ �������������� ����/������������������

������A��!���������������� cG �������������!� ∞H �����K�

21)(minmin min21

1221211 ≤=−+=

∞+

γPGPIGPPTw

Swcc

scca

P

Gc

� D>GFE�

Page 136: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

1�����������������&�*�����!�����������������

�>F%�

7.3 Simulations for enhanced control of a NCS using delay estimates

2 � � *�����#����������������������

���������������� �������������������������!����������������������������������

���� ��� �������� � ��� � ����� �����3� 1�������� �������� ������ (� ���� ����������

������ ����������� ������� ������ ��� ����������� ��� ������� ����������� ����� ����

�������� ������� ���(� )���������� ��� ��������� ������������� ������ ������ ����

������������������� ��������� ���������� � ��� ������ ��� ���������� (�����������������

����������������������������4�!����%F(�

Ethernetswitch

Real-timeprocessController

01σ 2

4σ 23σ 2

25σ 2

6σ 21σ 0

2σ04σ03σ

06σ05σ

Overload traffic

Overload traffic

Ethernetswitch

Real-timeprocessController

01σ 2

4σ 23σ 2

25σ 2

6σ 21σ 0

2σ04σ03σ

06σ05σ

Overload traffic

Overload traffic �

������1� �*��������������������� (�

*�3�����!���������������������(�������������������������������������������������

��� !� ��� ��� )(01 tb �� ��� ���� ������ ����� ���� ���������� ��� ���� ������� ��� )(0

2 tb �� ����

� !������������������������������������������������������� )(03 tb � )(0

4 tb ���������

� !���������������������������������������������������� )(05 tb � )(0

6 tb (�������� ��

�� ������������������K�

tttbtbtbbtttbtb

3052001526)()()(720072)()(

303

06

05

04

03

101

02

01

+=+====

+=+==

ρσρσ

� D>G%E�

inC

CoutC

03σ04σ05σ06σ

16

15

14

13

12

11 ,,,,, σσσσσσ

24

23

22 ,, σσσ

26

25

21 ,, σσσ

01σ02σ

CinC

CoutC

03σ04σ05σ06σ

16

15

14

13

12

11 ,,,,, σσσσσσ

24

23

22 ,, σσσ

26

25

21 ,, σσσ

01σ02σ

C

������11 �"���������G+�������������������������3���������������������������������+�����!��

��!�����(��

Page 137: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� >FH�

���������� ��� ���� 1�������� ������ ��� ����������� ��� 4�!���� %%(� )�� ������ ��� �������

���+��+���� ������ ������� ���� ������������ ����� ���� ������ ��� ������� �����

D aUBD � ��� sUBD E�� ���� ������ ��� ��� ������ ��� ��� ��� ������ ����������(� ����!�

16�������D>FGE��D>F�E����D>%$E�������������!��6���������������������������������

����� ���� ������!� ���� ��������3��� ��������� ���� ������� )(),(),(, 06

05

04

03 tbtbtbb � �����

�������� ����������������>(��

���

����

�−

−+���

����

����

����

�+

−++=

���

����

�−

−+���

����

����

����

�+

−++=

���

����

�−

−+���

����

����

����

�+

−++=

���

����

�−

−+���

����

����

����

�+

−++=+=

≠=

≠=

≠=

≠=

6

6;16

66

06

66

060

606

16

6

5;15

55

05

55

050

505

15

6

4;14

44

04

44

040

404

14

6

3;13

33

03

33

030

3113

03

13

)()()(

1

)()()(

1

)()()(

1

)()()(

1

zz z

zzz

zz z

zzz

zz z

zzz

zz z

zzzmux

CCCC

LCC

CCCC

LCC

CCCC

LCC

CCCC

LCC

D

ρσ

ρσρσρσσ

ρσ

ρσρσρσσ

ρσ

ρσρσρσσ

ρσ

ρσρσρσρσσ

� D>GHE�

���

))()()()()(

)()((

333

03

6

6

33

03

606

5

5

33

03

505

4

4

33

03

4

04

2

2

33

03

202

1

1

33

03

101

3033

03

13

CCCC

LCC

LCC

LC

CL

CCL

CCDmux

−−

+���

����

�+

−++��

����

�+

−++��

����

�+

−+

+���

����

�+

−++��

����

�+

−++=+=

ρσ

ρσρσ

ρσρσ

ρσρ

σρ

σρσρ

σρσρσρσσ

� D>GGE�

))()()()()(

)()((

444

04

6

6

44

04

606

5

5

44

04

505

3

3

44

04

3

03

2

2

44

04

202

1

1

44

04

101

404

14

CCCC

LCC

LCC

LC

CL

CCL

CC

−−

+���

����

�+

−++��

����

�+

−++��

����

�+

−+

+���

����

�+

−++��

����

�+

−++=

ρσ

ρσρσ

ρσρσ

ρσρ

σρ

σρσρ

σρσρσσ

� D>G�E�

))()()()()(

)()((

555

05

6

6

55

05

606

4

4

55

05

404

3

3

55

05

3

03

2

2

55

05

202

1

1

55

05

101

505

15

CCCC

LCC

LCC

LC

CL

CCL

CC

−−

+���

����

�+

−++��

����

�+

−++��

����

�+

−+

+���

����

�+

−++��

����

�+

−++=

ρσ

ρσρσ

ρσρσ

ρσρ

σρ

σρσρ

σρσρσσ

� D>G'E�

))()()()()(

)()((

666

06

5

5

66

06

506

4

4

66

06

404

3

3

66

06

3

03

2

2

66

06

202

1

1

66

06

101

606

16

CCCC

LCC

LCC

LC

CL

CCL

CC

−−

+���

����

�+

−++��

����

�+

−++��

����

�+

−+

+���

����

�+

−++��

����

�+

−++=

ρσ

ρσρσ

ρσρσ

ρσρ

σρ

σρσρ

σρσρσσ

� D>GBE�

Page 138: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

1�����������������&�*�����!�����������������

�>FG�

��� ���� ����� ��� )(),( 02

01 tbtb � ��� ������ ���� ���� ����� ��� )(),(),(, 0

605

04

03 tbtbtbb ��

16�������D>FGE��D>F'E����D>%$E����������������������!���������������� ���������

������!�������������3��(����������� ���� �������������F((G�������������������������

�����������������������������������������!����������(�(������������������������

����������������(�8���������F�������������������������������������������� 11σ ����

12σ ���K��

���

����

�+−−��

����

�−

−+���

����

����

����

�+−

−++

=+=

�≠=

6

3;13

1

113

3

3

33

03

3

3

33

030

111

101

11

)()()(

1zz z

zzz

mux

LCLCC

CL

CCL

CL

CC

D

ρρ

σρ

σρσρσ

ρσσ

� D>�$E�

���

����

�+−−��

����

�−

−+���

����

����

����

�+−

−++= �

≠=

6

3;13

2

223

3

3

33

03

3

3

33

030

202

12 )(

)()(1

zz z

zzz L

CLCC

CL

CCL

CL

CCρ

ρσ

ρσρσρσσ

� D>�>E�

))()(

)()()(

)()((

31

113

3

3

33

03

6

6

3

3

33

03

606

5

5

3

3

33

03

505

4

4

3

3

33

03

404

2

2

3

3

33

03

202

1

1

3

3

33

03

101

1011

01

11

LCL

CCCL

C

CL

CL

CCL

CL

CCL

CL

C

CL

CL

CCL

CL

CCDmux

+−−���

����

�−

−+

���

����

����

����

�+−

−++�

��

����

����

����

�+−

−++�

��

����

����

����

�+−

−+

+���

����

����

����

�+−

−++�

��

����

����

����

�+−

−++=+=

ρρ

σ

ρσρσ

ρσρσ

ρσρσ

ρσρσ

ρσρσρσρσσ

� D>�#E�

))()(

)()()(

)()((

32

223

3

3

33

03

6

6

3

3

33

03

606

5

5

3

3

33

03

505

4

4

3

3

33

03

404

2

2

3

3

33

03

202

1

1

3

3

33

03

101

202

12

LCL

CCCL

C

CL

CL

CCL

CL

CCL

CL

C

CL

CL

CCL

CL

CC

+−−���

����

�−

−+

���

����

����

����

�+−

−++�

��

����

����

����

�+−

−++�

��

����

����

����

�+−

−+

+���

����

����

����

�+−

−++�

��

����

����

����

�+−

−++=

ρρ

σ

ρσρσ

ρσρσ

ρσρσ

ρσρσ

ρσρσρσσ

� D>�FE�

����!�D>FGE��D>%$E����D>%>E���������������� ���������������!��6���������������

��� ������(�&���� ����� ����4�!����%%� ���� ������ ��� ���� ��������6����� ����������

���� ����� ��� ���� ������ ����������� ����������������� �� �������������� C �� ����

����������� ���� ������� ����!��(� ���� ��������!� �6������� ��� �������� ���� ���

����������������!�����4)4:�6�����������������������������K��

)()(

16

15

11

651

111

111

21

σσσρρρ

ρσ

ρσσ

++++−

−+

=+=

CCC

C

D

out

out

queue

� D>�%E�

Page 139: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� >F��

)()(

14

13

12

432

212

22 σσσ

ρρρρσσ ++

++−−

+=C

CCC

out

out

� D>�HE�

)()(

14

13

12

432

313

23 σσσ

ρρρρσσ ++

++−−

+=C

CCC

out

out

� D>�GE�

)()(

14

13

12

432

414

24 σσσ

ρρρρσσ ++

++−−

+=C

CCC

out

out

� D>��E�

)()(

16

15

11

651

515

25 σσσ

ρρρρσσ ++

++−−

+=C

CCC

out

out

� D>�'E�

)()(

16

15

11

651

616

26 σσσ

ρρρρσσ ++

++−−

+=C

CCC

out

out

� D>�BE�

&���� >#� �6������� � �� ����� �������� ��� ������ ��� >#� �� ������

D 26

25

24

23

22

21

16

15

14

13

12

11 ,,,,,,,,,,, σσσσσσσσσσσσ E(���������������� �������������� ������

�������� ��(��

��

������� ���� ���� ������ � ��� �� ��� ���� ����+�����3� ����� ��� ����!����� ��

Mb/s10654321 ======= outCCCCCCC �� �3����� ���!��� ��� ������ ��� ����� >�

��� #� ��� 57687221 =⋅== LL ������ ����3����� ���!��� ��� ������ ��� ������ F((G� ���

12208815266543 =⋅==== LLLL ������ ���� ����� ��� ���� 1�������� ������

�����!� ��� ������������ ��� 40000000=C ����@��� ����������� ����� ��� ������

!��������� ��� 57687202

01 =⋅==σσ ������ 12208815260

605

04

03 =⋅==== σσσσ ������

��!�� ��� �� ����� ��� 576008720021 =⋅== ρρ ����@���

24416008305200654321 =⋅====== ρρρρρρ ����@�(� )�������!� ������ ���

16�������D>�$+>�FE��� �����!�������������!����������������D>�%+>�BE���������������

����� �� ��� ����������(� ���� ��������!��������� ����� ���� �� ����������������

����� ����� �������K� 0.64812

11 == σσ �� 9.128351

615

14

13 ==== σσσσ ��

8.77722

21 == σσ �� 8.183342

625

24

23 ==== σσσσ �

8������������������� �������� �������������+��+�������������������������������

>�D�����������������������E����������#�D�����������������������E�����������

�����16������D>%HEK�

5.3bits/s57600

bits576bits8.777

1

01

21 ≈−≈−

σστ ca ��� D>'$E�

Page 140: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

1�����������������&�*�����!�����������������

�>F'�

5.3bits/s57600

bits576bits8.777

2

02

22 ≈−≈−

σστ sc ��� D>'>E�

2 � � $����������(�������#������������������������%����#���+��������

&�3��� ����������������������������� ����� ��!��������� �������������������

����������������������(����������!��������������!� ������16������DF%E(�8����

���� ������ ������ ����� ����� ������� ��� ���� ������� �� ��� ���� ��������� �������

!� ��� ���16������ D>%E� �� ��� ������� ��� �� ��������� ���� ������� ��������

�������� ������ ���� ����(� /�������!� ?���� ��!��� ��� ���� ������ ����� ��������

������������������������������������������4�!����%H(�4����������!�����������������

���� ���� ���6����� ��������� �� �� ��� ���� ������ ����� �������� �������� ��� ����

��������� ������ �� �� ��������(� ���� ���� �� ���6������� �������� $(>+B� ��@��� ����

���������������������L�������������������� �������������������������������

��������6�������!�(�����������������������������!�����������(�

10-2

10-1

100

101

102

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

Frequency (rad/ms)

Mag

nitu

de (

dB)

PC/(1+PC)Limit

������1� �*���������� ��!�������������������������������������������������������!������������

!� ��(�

Page 141: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� >FB�

10−2 10−1 100 101 10210−2

10−1

100

101

Frequency (ω)

Mag

nitu

de

Weight selection

lnw(ω)

wca+sc(ω)

������1� �8��!�������������������������� +������������D 5.31 =UBD � 5.32 =UBD E(��

���� ������� ���������� ��� ��������� ���� ���� ������ � ������������ ����� ���

�������� ��� ��� ��!� ������3��� ������� ���� �������� �� ���������� ��� 16������ D>G#E(�

�������!����������������16������D>HHE����������������!����!���������� sccaw + ��

���� ���� ������������ ������� ���� �������� T (� 4�!���� %G� ��������� ���� ���6�����

������������ ���������������!������������� ���� �������� ��������������16������

D>H%E�����������������������������������������������������������F(H���(��

���� ��������!� ����3������� ��� �� ����!����� ��� ������������ �� � ���!����!�

�������� Pw ���������������� ������������ S K�

001.0129.0129.02//

)(⋅+

+=+

+=

ss

AsMssw

B

BP ω

ω� D>'#E�

������ Bω � ��� ���� ��������������� ������� ��� ������ ���+� ��� ���� ���������3�����

�� ���� Bω �����&� ��������������������������������� ��������������������(�

���� ∞H � ������� ���������� ���� �������3��� ������� ��������������� ����������!� ����

"����"�/�������������������3(�������������!���������������������K�

015.06.1133.12553.24421.88.6088.9601.17)( 2234

223

+⋅+⋅+⋅++⋅+⋅+⋅=ssss

ssssGc � D>'FE�

������������������������������������������������������������������������4�!����%�(�

�������������������������!��������������������������������� ���������������������

Page 142: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

1�����������������&�*�����!�����������������

�>%$�

����� ���� ������ ������ ���� ����� ������� ��� ���� ������ ����� ��� ���� ������

�������������������������������������������(�/����>+%�������������������������

����������������������������������������������������(����������������������������

�����������������������DF%E�������$($#������������������������!�������(�)������

���������� ��� ���� ������ �� ���� ������������ ������ � ��� ���� ������ � ��� ���� �������

������������������������������������ �������������������A�����������������

����� �����������(��������������� ������ ����������������� �����!�����*�����

���������������������������������������������(�

)��������������������������!����������������������������������� ��������

�������������������I��������������������������������������������������������������

���������������������������� ���������������������������(����� ���������������

��� ����� ����� ���� ����� �� �� �������� ��� ������ ��� ���������� ������� ��� ����

*�������������+������������������������������� ����������� ��������������(�

0 50 100 1500

2

4Delay Variation, Sensor Path

UBD

0.5

ms

0 50 100 1500

2

4Delay Variation, Actuator Path

0 50 100 1500

2

4

UBD

1.5

ms

0 50 100 1500

2

4

0 50 100 1500

2

4

UBD

2.5

ms

0 50 100 1500

2

4

0 50 100 1500

2

4

Time (ms)

UBD

3.5

ms

0 50 100 1500

2

4

Time (ms)

0 50 100 150

0

2

4Performance under Robust control compensation

0 50 100 150

0

2

4

0 50 100 150

0

2

4

0 50 100 150

0

2

4

Time (ms)

������12 ����������������������������������������!�����������������(�

Page 143: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� >%>�

10−2 10−1 100 101 102

10−310−210−1100101

Mag

nitu

de

S

10−2 10−1 100 101 102

10−310−210−1100101

T

10−2 10−1 100 101 102

10−310−210−1100101

Mag

nitu

de

Frequency, rad/ms

GS

10−2 10−1 100 101 102

10−310−210−1100101

Frequency, rad/ms

GcS

������13(�<*��*��5*����5*�!���������������������������������������(��

������� ����������������������������������������������������������6�����

������!����� S ��T ��GS ����� SGc ����4�!����%'(�

2 � � �������������#�������������������������6��������������(����

���� ���������� ������� ���� �������� ���� ������ ��� �������� ����� ���� "����

���������� ���������� ��� 4�!���� >G� ��� 4�!���� %�� ��� ����������� ��� 4�!���� %B(� ����

��������������������������� ������������� � ���������������� �������������4�!����%B�

��� ���� �����������!� ������� ��������� ��� ���� ��!��(� ������!� ��� 4�!���� %B�� ����

�����������������3�����������������������������������F$������������������������

������������>H����������������������������������������>(H���������������������

"��������������(�*���!����������������������������������������������������� �

���������A�������� �����!� ������� �������������������������������(� )�� �����

���������������������������� �������������������������!��������������������������

������������������������������!�� ������� ������������������������ �� ������ ����

������(�������������������������������������6������#$$��������������������������

�������������������������������"���������������D#$���E(�

Page 144: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

1�����������������&�*�����!�����������������

�>%#�

0 2 40

10

20

30

No load

RTT

(ms)

0 2 4-1

0

1

2Robust no load

0 2 4 60

10

20

30

Load with UBD 30 ms

RTT

(ms)

Time (s)0 2 4 6

-1

0

1

2Robust with load

Time (s)�

������14 ������������������������������������������ ����!������� �����(�

Page 145: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� >%F�

8 Enhanced control of a NCS using delay estimations and information of the measurement quality

������������������������������������������������������&�*������������������

���������+ ����!���������������������������� ������������������������!������

������� ������� ������������ ��� �������!� ������(� ���� ����������� ��� ����

������ ������������������������ ������������������������������������������

������ ������ ���+��+���� ����� ��� ��������(� �������� ������� ������� ������ ���

��������� ���� � ��� ���� ���������� �������� ��� ����� ���� ����� ����!� ����� ����

������ � �� ����� �� ���� ������������ ����!� ����� ���� ������� ��� �������

����������(� 4������ � !������A��� ����� ����� ������������ ��� ���� ������ ���

������������ ��� ���������I� ������� � ��������� ��� ������ ���!���� ���� ����������

����!�� ��� ���������I� ������� ���� ��������� ���� ���� ���������� ���������� ��� ����������I�

��� �������� ���� ���������� ��� ���� ������� ������ ��� ����������� ����� "����

����������(�

8.1 Robust control design for delay and measurement error tolerance �

)���������������������!�������������������+���������!����������������������� �

�������������������������������(�)��������� ����������������������������������

��� ������ ���� ���������(������� ����� ���� ���+��+���������������� �����������������

����� ��� �����A��� ��� ���� ������� ����!�� ��� ������ �� �������� ��� ���� ������ �

���������(��

3 � � :���������������"��������������������������������������������

��������������������&�*����������������������������������������������������������

����������������4�!����H$(������������4�!����FB�������������������������������

������ ������ ���� ����� G I� ��������� ��������������� ��� ������ ���� ������ ���

Page 146: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

1�����������������&�*�����!�������������������������������������������������6������

�>%%�

���� ������(� ������!� ��� ���� ����� ���������� �� ��� ���� ��� ��� � ����� ������ �

����������������������������(��

4�������!������A����������������������������!���������������������������������!�

����� ���� ��!���(� ���� ������ �������� ��� ������� ��!����� ��������� ������ r �� ���

������������!���� Δcau �� Δscy ����� ΔGy (�����������������������������������!��� e �����

���!����� �3�!������ �������� 1z �� 2z �� 3z �� 4z (� ���� ��������!� �3��������� ���� ����

!������A��������,�����������K�

������

������

������

������

−−−−

−−−−

=

������

������

Δ

Δ

Δ

uyyu

r

GIIGIGwGwGwwGw

wGwwwGww

ezzzz

G

sc

ca

GG

scscsc

ca

PPPPP

00000

0000

4

3

2

1

� D>'%E�

�����������������������

��������

��������

−−−−

−−−−

=�

���

�=

GIIGI

GwGwGwwGw

wGwwwGww

PPPP

PGG

scscsc

ca

PPPPP

�������

����

00000

0000

2221

1211 � D>'HE�

− GcG

caΔcaw

scΔ scw

NETWORK

CONTROLLER

PLANT

GΔGwPw

1z

ry

ue

2z

v

Δcau

Δscy

3z

4z

ΔGy

− GGcG

caΔcaΔcawcaw

scΔ scΔ scwscw

NETWORK

CONTROLLER

PLANT

GΔGΔGwGwPwPw

1z

ry

ue

2z

v

Δcau

Δscy

3z

4z

ΔGy

�������5 ��������3������&�*�������������������������������������������������������(�

Page 147: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� >%H�

4����������������������������������������������D�4�E����

211

221211 )( PGPIGPPN cc−−+= � D>'GE�

������������4�����

121

112122 )(),( NNINNNFF u−Δ−Δ+=Δ= � D>'�E�

4��� ���� ��������� �������� ΔM � ��� ������� ������ 11NM = (� ���� !������ �������

����!������� ������ ���� ��� �� ������� ��� ������������ � �� ����� ����� ���� ���

���������������4�!����H>(��

r

u

)(sG

caΔ

caw

scΔ

Gw

Pw1z

2z

3zΔcau Δscy

)(sGc

e

scw

ΔGy4z

r

u

)(sG )(sG

caΔcaΔ

cawcaw

scΔ scΔ

GwGw

PwPw1z

2z

3zΔcau Δscy

)(sGc )(sGc

e

GΔGΔ

scwscw

ΔGy4z

�������� �5�����������������!���������������&�*�������������������������������������(�

3 � � <��������������

4��� ���� ���!���� caw �� scw �� Pw �� ���� ���� !���������� �� ��� ����� �� ���������� ���

*������ �(#(#(� 4��� ���� ����������� ���������� ������� ���!��� Gw �� � ����������

������ ���������� �������������� �� ��� ����(� ���� !��� ��� ��� ������ ���������� ���

����� ��� ���������� ������� ��� ����� ��� ������ ���� ���!��� ��� ���� ��� � ���� ���

������������(�������������������������������������������������������������

Page 148: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

1�����������������&�*�����!�������������������������������������������������6������

�>%G�

��������!��� k ��������������τ ��������������θ (�����������������������������

������������������

maxminmaxminmaxmin0 ,,)(1

)( θθθττττ

θ ≤≤≤≤≤≤+

= −PPP

P

PP kkksGkesG P

� �D>''E�

������ Pk � �������������!���� Pτ � ������������������������ Pθ � ����������������

������������ )(0 sG ����������������������������������������(��

�������!��� Gw �������������������������!��������6������������������������������

������ ��� ��� ������!� ���� ���!��� ��� ���� ��� � ���� ��� �������(� ���� ������!�

�����������������������������!���������������������������!�����������!�����������

����������������!��������!���������������������������������������(��

3 � � 0�������������������

�������������!����� �������������������������������������������������������� ���

��������� μ +���������� �� DK +�����������������(�*�����!�������������������������

μ �������������������������!���� ���K�

)(min)( 1−

∈≤ DNDK

DDσμ � D>'BE�

�������������������������������������������A��������� � ����� ����������6��������

���������������������

))(min(min 1

∈DKDN

DDK� D>B$E�

��� ��������!�∞

−1)( DKDN � ����� ������� ��� ������� K � D���������E� ��� D � D������

������!� ���� ������ ��3��E(� ��� ������ ��������� )(sD � ��� ������ ����� �� ����������

��������(����� ��������� ��������� ������ � ���������� ���������� ��� ��� ��(� 4���

�����3��������������� ������������!���� ���� )( 1−DNDσ � ������!���������������

��� )(Nμ � ����������������������A��!� ����������������∞

−1)( DKDN � ����������

�������������./+��������(������������ μ ���������������������������������������

Page 149: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� >%��

����� �� ����(� ���� ���� ��� �� ��� ������ ���� ����� ��� ���������� ��� �� ���

−1)( DKDN � ��� ����� ��� �����3�� ���� ������ ������ ��� ����� � �������� ���

������������������������������������������������������+ ����!� ����������������

D����������� ��>BBHE(�4������������������������������.+�����D.���������������

��� �������� ���6����E���� ������������������������������������ ���� �����������

�������������������� ����!�����������������D*�����>BB%E(�

3 � 1 $����������(�������#������������������������%����#���+��������

������������3��������������������������������*������H(F(>(���������������������

)2.0)(5(2

++=

ssG � D>B>E�

�����������)�������������K��

ssGc

4529.05508.0 += � D>B#E�

)�� ��� ������� ���� ���� �������������� ��������� ������������� ��� ���� ���� �����

������������������������!����������������������K�

)2.0)(( ++= ⋅−

ssKeG s

d τθ � D>BFE�

������θ �� K �����τ ����������� ������������������!������ ��K�

[ ] [ ]3.02.01.0maxmin == θθθθ nom �

[ ] [ ]1.229.1maxmin == KKKK nom � D>B%E�

[ ] [ ]654maxmin == ττττ nom �

�����������������������������������������������������!��������!��������������!�

���� ��������� ����������!� ���� ��������� ���� ������� ��� ��� ��!� ���� ��������

�������(��

Page 150: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

1�����������������&�*�����!�������������������������������������������������6������

�>%'�

���� ��� ������ ���������� ���� ����3����� ��������� ��� ���� ��� ��� !���� �������

���������(� )�� ��� ���� ������ � ����� ��� F(H� ��� ��� ����� ����������� ��� � �)�

�����������������K�

)2.0)(5(27

++= −

sseG s

d � D>BHE�

ssGc

4529.05508.0 += � D>BGE�

���� ����� ��������� ��� ����� ������� ��� ����������� ��� 4�!���� H#� ��!������ ����� ����

������� ���� �������� ( ) 11 −+= dcGGS � ��� ����� ������ �����������(� )�� ����� ����� �����

���� ��!���� ���� ���� ���6����� �� ����� ���� ������� ���� �������� ������� +F�?� �����

�������������������� bw ����������$($#(��

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Time, (ms)

Y

10−2 10−1 100 101 102 10310−2

10−1

100

101

ωB

|S|

Mag

nitu

de

Frequency (rad/ms) �

�������� ������������������������������������������������������ ����������)����������(�����

������� ��������������������������������������������������(�

)������������!��������!��� Iw ��������6������������������������ pG �������������

)2.0)(( ++= ⋅−

ssKeG s

d τθ � D>B�E�

Page 151: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� >%B�

������θ �� K �����τ ����������� ������������������!������ ��K�

[ ] [ ]3.02.01.0maxmin == θθθθ nom �

[ ] [ ]1.229.1maxmin == KKKK nom � D>B'E�

[ ] [ ]654maxmin == ττττ nom �

�������!� ���� ���������� ���!��� �� ��� ������� ����� ���� ��������!� ������ ������

���!��K��

1363.2

685.02)363.2

(

1363.2

838.02)363.2

(

12

)2

1(

max22max

max22max

max

max

+⋅⋅+

+⋅⋅+⋅

+

++=

ss

ss

s

rsr

wk

k

G θθ

θθ

θ

θ� D>BBE�

������ kr ��������� ���!��������������!�����������������

kkkrk

2/)( minmax −= � D#$$E�

��� k ���� ��!��!��K�

2maxmin kkk += � D#$>E�

������������������4�!����HF����������!���� ���������!�����6�����������I����� ����

�������������6����������������������������6�����(�?������!�������������������

$(F��������������!����!��������������������� ������������������������

���

����

�+⋅⋅+�

��

���

���

��� +

+���

����

�+⋅⋅+�

��

���

���

��� ++

=1

363.2685.02

363.21

2

3.01363.2

838.02363.2

)2

1((

max22

maxmax

max22

maxmax

sss

ssrsr

wk

k

Gθθθ

θθθ� D#$#E�

8������������!�������������!�������������!��������!���������������������������

������ �� ���������� ��� *������ �(#(#�� � ���������� ���������� �������� �� ���

���������������� ���������.<+����������!�����������!��"���L�� μ +����������

Page 152: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

1�����������������&�*�����!�������������������������������������������������6������

�>H$

������3(�8��������������������$(F��������������������������!�����������#>��������

����γ � ������������������������������$(%(�

���� ������ ��� ���� ���������� ��� ����� ���� ��!��� ��� ������!� ���� ������ ������ �� ���

���!���� ��������������������������!���������������������K���

0001.032108.9154.474.17127.0

23

2

+++++−=

sssssGc � D#$FE�

���� ��������������� ������ ��� ���������������������� ��� ����������� ��� 4�!����

H%(� )�� ����� ����� ����� ���� ��!���� ���� �������������� ��� ����� ���� !����� ��� ����

�������������������������������������������������������������(��

10−3 10−2 10−1 100 101 102 10310−4

10−3

10−2

10−1

100

101

Frequency (rad/ms)

Mag

nitu

de

wG(ω)

�������� �8��!��������������������&�*�������������������������������������������(�

Page 153: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� >H>�

0 50 100 1500

1

2

3

4Delay Variation, Sensor Path

UB

D 0

.5 m

s

0 50 100 1500

1

2

3

4Delay Variation, Actuator Path

0 50 100 1500

1

2

3

4

UB

D 1

.5 m

s

0 50 100 1500

1

2

3

4

0 50 100 1500

1

2

3

4

UB

D 2

.5 m

s

0 50 100 1500

1

2

3

4

0 50 100 1500

1

2

3

4

Time (ms)

UB

D 3

.5 m

s

0 50 100 1500

1

2

3

4

Time (ms)

0 50 100 150−1

0

1

2

3

4Performance under Robust control compensation

0 50 100 150−1

0

1

2

3

4

0 50 100 150−1

0

1

2

3

4

0 50 100 150−1

0

1

2

3

4

Time (ms)

�������1 ������������������������������������������ ����!��������������������������(�

Page 154: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

*���������������������

�>H#�

9 Summary of the results

����� ������ ������� � ������� ��� ���� ������� �����!���� ����� ��� ����� ������(� ����

���������� �����!���� ��� ������� ��� ������ ��� ���� ��6������ ������ � ������������

���� ��� ���� ������ � ������������ ���� ����������� ��� ������� ��� � ����� ����!�

�� �������������������������������������(��

)��������������������������� ������������������������������!��������������������

���������� �)� ����������� ���� ������������ !��� ��� ����� ������� ��� ����� �����

�������� ��� ������A��!� ���� ����!��� ��� ���� �6����� ������ ��!���(� 4���� ����

�����������������������������������!������������������������������)�����������

������������������� ����������������(����� ����������������������������������

������������ ��� �� ����� ���������� ����� ������ ��� �������� ������ �������

���������(��

���� ����� �� ����� *����� ��������� ���������� ��� *������ H(#� �� ��� ����� �� � ������

����� ��� ���������� ����� ������ ��� � &�*� ����� � ���������� ���������� ���

����6���(��������������������������������������������������� ��������������������

���������������������������������������������������������������������������

���������� �� � ����� ����������� �����6��� ��� ��������� ���� ���� ���� ����(� ����

���� ��!��� ��� ����������� ��� ���� � � ��� ������������ ���� ������� ���� ����������!�

�������� ��� ���� ������������� ��� �������� �������(� ?����� ��� ���� ������ ��� ������

���� ��!���� ����� �����������!� ���� *����� ��������� �� �������� ���������

������ ��� ��� �� ������� ��� ������� ��� ������� ����� ���� ����������� ������ ���

�������!��������������(�������3����������!���������������������������������

������� ���������� ����� ��� ���������� �� ������ ����(� )������������ ��� ��������

��������������� �������!������������������������������������������������������������

��� ������ ���������� ����� ������ ��� ���� ���� ������ ����������� ��������

�������� ���� ��� ���������� � ��� � ������ (� ������ �� �� ������� ��� ����

���������� ��� ����� ���� ���� ������ ��� ����� � ��� ���� ������ � ��� � ���� ����������

������������ �����������������������������������(�)����������������������������

������������������������ ��������������������!�������������6����(��

Page 155: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� >HF�

��� ������������������� �����*�������������� �������������������� ��� �������������

��������������� ��������6������(���������������������� �������� �������� �����

������� ��������� ��� ���� ����������� ������ ���������� �(� ����� �� ���

���������� �� ���� � �� ���� �������� ���� ��� ������ ��� ��� ���������� �3�������(� ����

����� ����� *����� ��������� �� ������� ��� *������ G(#(H� ����!� ���� ����������

�������������������������������������������(��������� ��!��������������� �����

*����� ��������� ������� ��� ���� � � ��� ����������� ����������!� ������� ������ ����

�����������������+�� �����*����������������������������������������3�������(�

�������� ���� ��!�� ���� ������ ���������� ����� ����� ����� �� �����3���� ���

�������������� �������!���������������������������������� �����(�

������������������������ ����������*�������(#(F(��������� ���������������������������

���� ����� ��������� ��� ���������� ���� ��������������� ��� ���������� � ��� ���� ����

����� ����������� ��� �����(� ���� ��������� ��� ���� ����� ����������� ��� �

����� ��6��������� ���� *����� ��������� ����� �������(� 8���� ���� �����

����������� ������������������������������ ���������� ����������� ����������

�������� ����� ����� ������ � �����(� ���� ����� ���������� ��� ���+�������������

������ �� ��� ����� ��� ��� � �����!��!� �� �������� ���� ��� ���� ��������������� ���

������� ������ � �����(� )�� ����� ��� �� � ������ � �����+����� ������ ������� ���

�����������! �� ��������������� ����������������������������������������� ����

�� ����!����� ��� ���� ��������� ��� ���� ������ � ��� ������� ������ ��� ���� ������������

����� ��� ���� ������ � �� ���(� ��� �� �������� ���� ������ ! �� �� ������ ������

������ ��������������������������6������������������������������������������(�

�������� � ��!��� ��� ���� ����������� ��� ����� ������� ��� ����������!� ���� ������

�������������������������������������������������������������������������(�

������ ��� ���� ��� ����� ��� �� ����� �� �������� ��������� ����� ��� ���������

��������������������������������������!������(��������� ��!���������������

����������������������������� �� ������������� ������������������(��

����������������������������*������'(>(F����������������������������������������

&�*�(������ ��!������������������������������������������� ����������������������

���� ��!�� ��� !��� ���� ����� �� ������ �� � ���� ������ � ������ �� ��(� ������ ��

����������������������������������� ��!��������������������������������������

��� ��� ���� ������������ ����� ��� ����!� �������� � ��� ����!�� ������ ��� �����

�3������������������������������ �����∞

−1)( DKDN �����������������3���� D +

�����������6�����������������D�������E����������������������� �����������(�

Page 156: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

*���������������������

�>H%

���� ���������� ��� ���� ���������� �����!���� ������ ���������� ���������� ���

������A�����������G������(�)������������Y μ +������A��Y������������ μ +������A���

���������� ���������� ��� *������ '(>(FI� /������ ������� ��� ���� ������� ����������

���������� ��� *������ �(#(FI� ����*��*�� ��� *������ G(#(HI� ��� *�� ��� �)� ��� *������

H(#(#�� ������� ���(� ���� ������ ��� ����� �������� ����� ��� ���� �3���������� ������

�����������������������������3�����!������������������������������������������

�� �����������!�(������������������>����H������������������������������������

�������������������������>��������!��������������������(��

��#���� �*�����A����������������������������������������������� �������(��

� 78�

��������

$7��

��������

7������ �

$7���������

�#����

������� �

μ ����������������

&������������������

������

F� H� %� #� >�

.���������������������

�������

H� #� >� F� %�

/��!������������������

������������ �������

F� H� %� >� #�

5��������������� H� #� >� F� %�

*������ ����!������ %� H� >� F� #�

/������ ����!������ %� H� >� F� #�

���������������

����������

F� #� >� %� H�

���������������������

�����3����

H� %� >� F� #�

Page 157: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� >HH�

10 Conclusions

)�� ����� ��� �� ����� ����������� �������� ���� &����� ��� �������� *������� �����

������������������������!����������������������������������������1�������(�����

��������� �������� ����� ��������� ����� ���� ��!������ ��������!� ��� ����

����������� ��������������������� �����������������(�)��������������!���������

�������� ����������� ���������������������� ������������������ ��������������

��������I� ��� ���� ���������� ������������� ���������������������������������

������ ���������������A�������������������������� �����(��

4��� ��������������� ������������������� ������������ ����������������������

�����!�����������������������������������������������������������������������������

����+ ����!� �������(� ���� ������ � ��� ���� ����� ����� ��� ���� ����� ����� ���

�;�����!����������������������������������������������������� �������������

��������� ����(�4�������������*�������������+����������������������(�)��

���� ������ ���� ����� ����� ������� �������� ��� ������� �������� ����!� ����

���������� �������� ������� �� � ������� ����!�� ����(� )�� ���� ��������� �����������

�������������������������������� �������������������������� ���������������

������������������������������������������!�(��

���� ��������� ����������� �����!���� ����� � ������ ����� ����������� ����

��������� ��� �������� ������ ���� ���������������� ������ ��� ���� �������� 1���������

� ��!��������������������������������������������������(��

4�������������������������� ������������������ �����������������������������������

������� ��� ������ ��� �������� ��� ����� ��������� �� �������� ��� ���� ���� �������� ����

�� ����������� ���������������!������������������������(�:�����������������

���� ��� ��������� ��� ������� ��� ��� ��� ����� ��� ����������(� 1 ��� ����!�� ����

��� ����� �� ��� �������� ����� ���� ������ �� �� �������� ����� ����� ������ �����

�������������� ��� ���� �3�(� )�� ���� ��������� ���� ��������� ����������� ��� �����

���������������������������������������������������������������� ��������� �� ���

Page 158: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

�����������

�>HG

��� ���� ��� ������ ������ ��� ����� ������� ����+������ �����(� ������ ���� ������� �������

������� ���� ��� ����� ������� ������ !� ��� ����� �� �� �������(� )�� ���� ����������

������� ������� ������� ����� ������� ��������� �� ��� ��� ��� ���� ��� � � � ���

�������������������������������������������������������")":���(��

4������������������������������������������� ���������������������������������

��������� ��� ��� ��� ��������(� ������ ��������� ������ ��� ����� ���� ����������

������� ��� &�*�� ����� �� ���� �������� ����!� �� ������� ����� ����������

������������������!���������������������� ����������������6���������(�

4���� ���� ������������������ �������&�*������!�������������������������

� �����(����� ����������������������� ���������� �����������������&�*��

� ��� ����!�� ���� ����������������!����������������������� ��� �������������

��(� 8����� �� ���� ������ ���������+���� ���������� � �� ����� ����� ����� ����

����+�������������������������3���(��

Page 159: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� >H��

References

�&*)@)*�+BH($$($>+#$$$(� #$$$(� 1���������+�������� *������ )���!�����(� �������

&������*������)��������@)�����������*������������������(��

�4&:/� &4� �%G+G$F(� >BB$(� 4)�� ?��� ���� �3��!�� ��� ����������� ��������

������������� ������� ��� ���!������� ������������ 4����� ���������� ����

*������A�����(�

?����� �(��(�� *��������"(� �(� Z� ���������� <(� D#$$>E(� :�� ���� ������ ��� ���� ����+

����� ����������������(� )�� � )�*�1.��������������"������!�� )������������

������������)������ �����������B#M�B�(�

?������!��(�Z�0������/(� D>B'FE(���!����� ������� ��������� ������ ������ ���������

���������������������FG$��(�

?������&������������ �������#($(�>BB#(�/������?����5�����5�����(�

?����� ���� ,(+0(�� Z� ������ �(� D#$$>E(� &����� � ������� � ������� ��� �������������

6������!�����������������)���������)�K��������&�����������������*������*����!���

7���!��&���,�����(�

���,(��=���!��*(�Z�����0(�D#$$'E(�&� �������+����������������������������������

���� ��� ")":� ������ ��� ������� �������� ����� ��������� ������������� ��������

"�����������������������>B�D#E���B�M'$B(�

�1&1�1��1&�H$>�$(�>BBG(�5�������������������������������������(�1�������

�������������1������������*������A����(�

�1&1�1��1&�H$>�$(�>BBG(�5�������������� ������������������������4�������(�

7������#K��/:4)?�*(�1��������������������1������������*������A����(�

Page 160: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

/���������

�>H'�

�1&1�1��1&�H$>�$(�>BBG(�5�������������� ������������������������4�������(�

7������#K��/:4)&1�(�1��������������������1������������*������A����(�

�1&1�1�� 1&� H$#H%(� >BBG(� ��!�� ��������� ������������ ����������� ���� �����

���� !��(�1��������������������1������������*������A����(��

�1&1�1��1&�H$#BH(�>BBB(����+ ���!�������!�������������!��(���������������

�� ��� �������� �������(�������� *������ �������� D�*+�E(�1���������������� ����

1������������*������A����(�

�1&1�1�� 1&� H$F#H+%(� #$$#(� )��������� ����������� ���������� ����� ��� )*:�

>>'B'� D��&E� ���� ���������+�� ��� ��������(� 1������� ��������� ����

1������������*������A����(�

������ "(0(� Z� ��������� 0(� D#$$FE(� 5��� �������� ��� ������ ��� .�� ������

����������� ����� ��� C�*� ��������� )111� ���������� ��� )��������� 1����������

H$DHE��BFGMB%F(�

������ 8(�(�� 5���� =(�(� Z� ���� U("(� D#$$%E(� .���+���������� ������� ����� �

!�����������������������������������+�����������������������%$D�E��>#GFM

>#G'(�

�������(�(��������(�(�Z����!���(*(� D#$$�E(�*����������������� ������������������

���������+ ����!��������)111�����������������������>>DFE��#�$+#�#(�

����!�� �("(� Z� * ���� �(7(� D#$$�E(� :������ ����� � ������A����� ��� ���������

������ ��������������������������+�������!��������������K�������3����6��������

�������)�����������,���������/���������&�����������������>�DHE��F'�+%$%(�

�������("�D>B�>E(�4�������!��������������������������������������������&���

0�� ��F%G�(��

�������&����������������������#($(�>BB�(��������&���)����������(��

���A��/(�D>BB>E(������������������� �����������)K�&����� ���������� �����������(�

)111��������������)������������������F���>>%M>F>(�

Page 161: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� >HB�

.� ��&��� ����������� +� ������� #($�� 7��(� )� ��� ))(� >BB�(� :����.� ��&��� 7������

���������(�

.)&� >B#%H+>� ��� >B#%H+F(� >BB$(��������4����������/:4)?�*(�5����� )��������� ����

*������A����(�

[.)&� >B#H'+>� D>BBGE\�.)&� >B#H'+>(� >BBG(� )�������+*�� ������� ��������������� �

����������������������������(�5�����)�������������*������A����(�

.������,(�(�D>B'FE(�*������������������������������������������)����������!�����)111�

�������������.�������������������*�������������3���>$BM>>%(�

.*� #>B$G(� >BB$(� �+&���� "����+������� �����+���� ��������� ���� �������� ������ ���

��������������������(�.�����*������(��

1�� �������(�D#$$'E(��).���������������!����������!���������� �������������������

.������������������������� ����� �����������������!���.����������������������

���*��������������!���0�������������������� �(�

1�������������������������������� ��������(�>BBH(�1����������������(�

4������� "(� D#$$HE(� /��+����� 1�������� +� ��������� �������� ��� ��������!�� ��� ����

)111��BFDGE��>>>'+>>#B(�

4�������1(��*��������(�Z�/������,(�(�D#$$%E(�/������������+���������A��������

�������������K������������������������������%$D'E��>%%>+>%%G(��

5������5(�������������(��Z�*�������(�D#$$HE(�)111�>H''����+����������� �������

������������� !����� ����������(� )�� %��� )�����������8�� ����� ��� /��(�����

&����� ��D/�&L$HE���������"������*���(�

5��� �(� Z� ������ �(� D#$$'E(� &����� +����� ∞H � ������� �� ��!� �������� )111�

������������������������������HFDFE��GHH+GG�(�

5����(���������(�Z�����,(�D#$$'E(���������������������������������� +�����

����������������%%�D>E��FB�M�H#(�

Page 162: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

/���������

�>G$�

5���!����,(�(��.� ��3���(�Z�/�������1(�D#$$HE(�����������!��������������������

��������1�������������� ���������������������������������!����������� ��������

)�����������,���������������������*�������>'��'��MB$F(�

5���!�� �� .(� Z� ��������� .("(� D#$$GE(� � ��+����� ������K� ���� 2H +�������

�������������������%#�D>E��>F��M�>%%(�

5��� <(�� <������� �� 7(� �(� Z� ������ ,(� D#$$FE(� *�������� ��� ����+����� ���������

?�� ��-������?�������FH%��(�

������+7�� ������.(�Z��� ����8(�*(�D#$$HE(������� ���������� ���������������

����������������?�� �-������?�������'##��(�

���!�� .(� Z� &!��!�� *(<(� D#$$'E(� *���� ����� � ������� ��� �������� ������ ���

��������������������������������������)111�������������������������������

HFDFE��'#B+'F%(��

������+7�� ������.(�Z�=��!��(�D#$$'E(��C5����������������� ������������������

����� ���� ���������� ��� ������� )����������� ,������ ��� ��������� '>D'E�� >#GG+

>#'$(�

�����(*(��?����(��*�����(�Z�8���=(�D#$$�E(�*�����+������������������� ���������

�������������������������%FDHE��B$F�M�B>>(��

���!�� ,(�� 8�!�� 0(�� 0�!�� *(�(� Z� U��� C(� D#$$BE(� /������ ��������� ���������� ����

������� *)*:� ."�� ���������� ��� ������ ��� ������� ��������� ,������ ��� �������

���������>B�DHE��%FM�H$(��

)1��G>�'%+>(�#$$�(�)�������������������������� ��+���������� +�����>K�4��������

��������(�)�����������1����������������������(�

)1�� G>�'%+#(� #$$�(� )��������� ����������� ������ �� +� ��������� +� ���� #K�

��������� ��������� ��������� ���� ���+����� ������ �� ����� ��� )*:@)1�� ''$#+F(�

)�����������1���������������������(�

)1�� G>�'%+#(� #$$��(� )��������� ����������� ������ �� +� ��������� +� ���� #K�

���������� ��������� ��������� ���� ���+����� ������ �� ����� ��� )*:@)1�� ''$#+F� )1���

��4�G��)�������(�)�����������1����������������������(�

Page 163: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� >G>�

)1�� G>�'%+#(� #$$�(� )��������� ����������� ������ �� +� ��������� +� ���� #K�

���������� ��������� ��������� ���� ���+����� ������ �� ����� ��� )*:@)1�� ''$#+F� )1���

��4� >$�� 7&1�@�)� D7������ &����� � �������E(� )����������� 1������������

����������(�

)1�� G>�'%+#(� #$$��(� )��������� ����������� ������ �� +� ��������� +� ���� #K�

���������� ��������� ��������� ���� ���+����� ������ �� ����� ��� )*:@)1�� ''$#+F� )1���

��4�>>�������(�)�����������1����������������������(�

)1�� G>�'%+#(� #$$��(� )��������� ����������� ������ �� +� ��������� +� ���� #K�

���������� ��������� ��������� ���� ���+����� ������ �� ����� ��� )*:@)1�� ''$#+F� )1���

��4� >F�� 1��� D1�������� �������� E�� )�������(� )����������� 1������������

����������(��

)1�� GH�@FH'@&�(� #$$%(�/��+�����1�������K� *1/�:*� )))K� �������� ���� � ��������

� ������ *���������� ���� /��+����� 1��������� )����������� 1������������

����������(�

)111� '$#(F+#$$$(� #$$$(� )111� *������ ���� ����������� �������!�� +� �������

��6��������� +� ���� FK� ������� *����� "�������� ����� 8���� ���������� .��������

D�*"�@�.E������"���������������������*����������(�)������������1�������

���1���������1�!������(�

)111�>H''+#$$#(�#$$#(�*���������������������� ���������A�����������������

������ �������������������������������(�)������������1����������1���������

1�!������(�

)����� :(�(�� 0� ����� *(�� Z� ?���� �(� D#$$GE(� :������ ������� ��� ��)� �������� � ���

������������������������ ������������%#DBE��>%#$+>%FB(��

)������ �(� D#$$'E(� ∞H � ������� ����� �������� ����������� ��� ����!�� ��������

*���������������������������H�D%E��F##+FF>(�

)*:�>>'B'(�>BBF(�/��� ������+��������!�������!���������������+����������������

&����� � D��&E� ���� ��!�+������ ����������(� )����������� :�!��A����� ����

*������A����(�

Page 164: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

/���������

�>G#�

)*:@)1�� ''$#+F(� #$$$(� )���������� �������!�� +� ���������������� ���

����������� �3��!�� �������� �������� +� ���� ��� ������������ ��� ������ �� +�

���������6����������+�����FK��������*�����"����������������������������.��������

D�*"�@�.E� ���� ������� ��� ������� ����� �����������(� )�����������

:�!��A���������*������A����@)�����������1����������������������(�

,����������� ,(�� *������ <(�� Z� <(� 8����� D#$$%E(� 1��������� ��� ���� �����

�������������� ������� )111+>H''� ���� � ������� ��� ����� ����!��(� )��

��������!�� ��� ���� H��� )111� )����������� 8�� ����� ��� 4����� ������������

*�������D84�*L$%E��7�������FB+%%(�

,��!��U(�Z�����C(�(�D#$$'E(�&����������������������� ������������������������ ��

����+ ����!����������������%%D>$E��#G'$M#G'H(��

,��!��U(,(������.(�(�Z�8�!��0(�(�D#$$%E(�����")������������������������������

������� ��������+������)111�������������������������������%BD�E��>>B#M>>BH(�

,������5(�Z(�"�������5(�D#$$GE(�/���������������������������K�C�*������������

���� ����������� ��� ������� ������� ���������� )�� ��������!� ��� ���� >����

)����������� *��������� ��� "�������� ������� ��� &����� �� ��� *�������

D"�&*#$$GE��<������>�FB+>�%G(�

<����� 1(8(� D>B''E(� ���� ������ ��� A����� ��� � ������ ����+ ����!� �������� ������

��!�������)���������������B'D>E��#GF+#'B(�

<����(0(�Z���������?(�D#$$%E(�*�������������������������������������������+ ����!�

����������������%$D'E��>%#B+>%F%(�

<���� .(*(�� ����� 0(*(�� <�����8(�(� Z� �� �� �(*(� D#$$FE(�"3����� �������� �����

������� ��� ������ ��� ������� ��������� �������� 1�!�������!� ������� >>D>>E�� >F$>M

>F>F(�

<����8(,(��,���<(�Z����� ����(�D#$$GE(�&����� ������+�����������������!�������!�

����� �������� ����� ������ ��� � ��� �������� ,������ ��� .����� *��������

"�����������������������>#'DFE��G'>+G'H(�

Page 165: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� >GF�

�����<(�(�������*(�Z������"(�(�D#$$GE(�8������������������������������+�����

���������� ��������1���������������������� �� ����� )111����������� ��� )���������

1����������HFDHE��>GGB+>G�G(�

���� D#$$HE�� [���� �� ���� D#$$HE\� ����� <(�(�� ����� *(� Z� �����"(�(� D#$$HE(� C�*+�����

������� ������� ��� ������ ��� ������� �������� �� ��������� �� ��� �����!� ���������

)111��������������)���������)����������>DFE��>'F+>B>(��

���� ,(5(�� 0���� ,(C(� Z� ���� ,(5(� D#$>$E(� :���� ��+����� ∞H � ������� ���� ������ ���

����������������������������� �����������)*�������������%BD>E��FB+%G(���

����,(&(��=��!��C(�(��8�!��0(<(�Z�����"(�D#$$BE(� ∞H ���������������� ����������

�������������� �������������!��)1���������������������������������FD>>E��>%GF+

>%�H(�

����� 4(�(��"������ ,(/(�Z����������.("(� D#$$>E(� ���������� � ������� ��� �������

������ �K� 1��������� �������&���� ��� .� ��&���� )111� �������� *������� "!A�����

#>D>E��GGM'F(�

����� 4(�(�� "������ ,(/(� Z� ��������� .(� D#$$FE(� "�������!� ��� ������� ����������

����!����������� ���������� ����������������������������� )�����������,���������

����������GDGE��HB>MG$G(�

����� �(�(�Z��������(�(� D#$$GE(�/������ ������� ��� ������������� ������ � �������

���;��� ��� ������ ���� ����!� ����������� ������� )����������� ,������ ���

1�������������������������G$DBE��G%��M�GH'(�

�������(8(�Z�/����(�D>BB>E(�������������!��������������!�������������������

������� �������K� ���� )� +� 4���������� ��� ������� ���� ���������� ��� ���� �*"1��

,���������.�����*��������"����������������������>>FD#E��G$%MG>>(�

����� 5(�(��"��� ,(U(�� /����� .(� Z� ����� *(�(� D#$$GE(� .���!�� ��� ��������� ������� ���

������ ��� ������� �������� ����� ������ ����������� ����� ����� ����!� ����

���������"����)�����������,�������������������BD%E��#''M#B�(�

�����5(���U���0(��/�����.(�Z�����8(�D#$$�E(�.���!������������������������������ ���

������� ���������������������������������� ������������������ ��������)111�

Page 166: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

/���������

�>G%�

�������������*��������"��������!���������������]�����K���������������

/� ������F�D#E��>�F+>'%(�

"���(�������� *(�Z������8(� D#$$�E(�"3��������������������������������� ���

������� �������� ����� �����+����� ������ *��������� "�������!� ������ ��� �������

>HDHE��H>FMH#$(�

"� �� ���(*(�Z�* �����(7(�D#$$%E(�:����������!����������� �����������������K�

��������������� ��������������������������������)�����������,������

��������������D>GE��>%#GM>%F�(�

"�������� 8(�� 7�� ������� 7(� Z� &�������� *()(� D#$$HE(� *�����A����� ��� ����+�����

����������������������������+ ����!��������������������)111��������������

�����������������H$D%E��%BFMH$%(�

"������"(�Z�=��������1(�D>B'BE(�/����������������������������������&���,�������

H>#��(�

"������.("(� D>BB>E(� )�������� ������������������K� ���������� � ������������(� )111�

������������������������������%BD>$E��>GH$+>GG�(�

"��������6���� �(�(�� Z� ���� ����� �(� D#$$%E(� *�������� ��� �����+����� ������ ���

������� �������� ����� ����+ ����!� ������������ ������� )111� ���������� ���

�����������������%BDBE��>HG#M>H�#(�

"��������6���� �(�(� Z� ���� ����� �(,(� D#$$�E(� *���� ��� ������ 6����A����� ���

�����+����������� �������������������)�����������,������������������'$D>E��'�+

>$>(��

&�������� *()(� D#$$>E(� .���� ������� ��� ��������]� ������� ������� �������

*����!������������F'F��(�

&�������� ,(� D>BB'E(� /��+����� ������� �������� ����� ������� ��(.(� �������������

.����������������������������������)�������������������!�������(��

:P?������ /(�(,�(� Z� )!������� �(�(� D#$$>E(� :�� ���� ������ ��� A����� ��� ������� ����+

����!����������)111�������������������������*�������)K�4����������������

���������������%'DHE��HGH�+�H��(�

Page 167: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� >GH�

:����"�����@����������������/������>($(�>BBB(�"�����(�

:���A�� �(5(�� "������ ,(/(� Z� ��������� .("(� D#$$#E(� ����!� �������� ��� ������

����������� ��������� ��� ������� ��������� )����������!��������������������

����������D���$#E�������!���%��F$>HMF$#$(�

���!�� �(� Z� ���� 0(�(� D#$$BE(� .���+���������� ������� ∞H � ������� ���� ��������

�����������������+ ����!�������)����������*�������>�BD>'E��F>'�+F>B�(�

�� �� �(*(�� <���� 0(�(�� <���� .(*(� Z� <�����8(�(� D#$$#E(� �� ��������!�������� ����

������ +����� ������� ��������� )111� ���������� ��� ������� �������� �������!���

>$DFE��F>B+FF$(�

�������<(�Z��� ����(� D>BBHE(�/������ ���������� !����� ����+ ����!� ����������

��������������)111�������������������������������%$DBE��F'#+F'�(�

/������,(�(�D#$$FE(�����+������������K���� �� ������������������� �������

������������������������FBD>$E��>GG�M>GB%(�

*����������"(� D#$$$E(������!���������� ��������������� ���+����� �������� �������

����������������/�������/����)�������������������!���<����*�� ����(�

*�������� /(� D#$$$E(� ���� *����� ?�� K� ���� ��������� 5����� ��� ��&� *������!�

�������!���8����I�&���0�� ��GB'��(�

*����� ,(� *(�� D>BB%E(� /������ ��������� ����� ����+ ����!� ���������� �����������

)111�������������������������������FBD%E���>%+�#%(��

*������!���(�Z�C�3����=(�D#$$FE(�*�������������������������������������������

��������� ��������������������������!����������������FBD>>E��>'��+>''%(��

* �!������ *(� Z� �������������� )(� D#$$HE(�"���� ������ ����� � ������� +� �������

�������!���#���1��������8������8����*����3��G$'��(�

*��������������������@���������(�>BBG(�������������������� ��5(�

Page 168: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

/���������

�>GG�

*���� �!����� .(�� *�-������� �(� Z� ,������� ?(� D#$$%E(� ����+������� ������

������� �� ������K� �� �!������� ���� ������� ��� ��������� ����� ������ �������

��������������������1�!�������!��#'�D'E��>FF�M>F%G(�

��!�� ?(�� �����5(�(� Z�5����8(�(� D#$$'E(� )���� ������ ��� ����� ����� � ����������

����!������������ �������������������)111�������������������������*�������+�

))K�13������?�������HHDHE��%G%+%G'(��

��!�� �(�(� Z� ��� *�� �� �(8(� D#$$GE(� ������������ ���� ������������ ������ ��� ��

1�������+����� ������� ������ � ����!� �����+����A��� ������� �� �������� )111�

���������������������*��������������!���>%D%E���$�+�>'(�

�����0(�(�Z��� ���.(�D#$$'E(������������������������� �������������������� ���

����������������)����������*�������>�'DHE��>#GFM>#�'(�

��������� 0(� Z� ������ "(0(� D#$$FE(� �������� ���������!���� ��� ������ ��� �������

�����������������1�!�������!��������>>D>$E����(�>$BBM>>>>(�

7��� ��� &(� 0������� /(� Z� ,-��-+,������� *(�(� D#$$'E(� &��� ����� ����� �������

������� ����!�� ���� ������ ��� ������� ��������� )�� ��������!�� ��� ���� >'���

)����������� *��������� ��� "�������� ������� ��� &����� �� ��� *�������

D"�&*#$$'E��?� ���!(�

7��� ���&(��5���!����,(�(�����������(��/�������1(�Z�,-��-+,�������*(�(�D#$$BE(�

&����� ��� ������� ������� ����� ����� ����������� ��� ���������(� ��������

��!�������!��������>GD>>E��>F#>+>F#'(��

8����� 5(�(�� ?�������� :(�� Z� ?��������� �(5(� D#$$>E(� ���������� ��� ���� ���

��������� ������ ��� ������� ��������� )111� ���������� ��� �������� ���������

%GD�E��>$BFM>$B�(�

8�����5(�(��?��������:(��Z�?����������(5(�D#$$#E(�1�����������!��!������������

������ ����������������������������#$$#��F'D#E��#G>M#G�(�

8����� 5(�� 0��� �(� Z� ?��������� �(� D#$$#�E(� *�������� ������� ��� ������ ��� �������

���������)111����������������������*��������������!���>$DFE��%#'+%%G(��

Page 169: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

� >G��

8�!�4(0(��������.(�D#$$'E(�&����� �����������������K� ���������������������

*����!��+7���!�����������(#(��

8�!�� =(+C(�� ����������� �(�� Z� * �!������ *(�� D>BB%E(� /������������� ��� ��������

������������������������������������ ��)�����������,������������������HBDFE��G#�+

GF'(�

8��������,(�(�D>B'GE(�4������������������� �������������+�����>(�4�����������������

������������� �����������������������##DHE��HG>+H'$(��

8������� �� ?(�� &�������� ,(� Z� �9��!����� "(� D>BBHE(� �����!� ��������� ��� ���+�����

������� ��������� )�� ��������!� ��� ���� ������� �������� ����������� D���BHE��

*�������#$$$+#$$%(�

0�!�� �(� �(� D#$$GE(� &����� ��� ������� ������K� � ������ ��� ���� )11� ��������!��

������������������������������>HFD%E��%$F+%>#(�

0��� ,(��8�!��C(�=����.(�Z�8���� ,(�(� D#$$�E(�?�������������� ����������+�����

�����+������� ������!� ������ ���� ������ ��� ������� ��������� ��������

"�����������������������>'HD#E��B�GMB''(�

0������� /(� *�������� �������� ���� ���������� ����� � �������(� F��� )4���/������

��������.���!��D/:�:&.�#$$$E(���!�����A���/������(�G���(��#$$$(��

0�������/(�D>B�HE(�:�������!������������������������������������������������������

����� ���� ����!� ��� �������� ����������(� ������ �� ��� ������� ��� �������!���

*������������������������?#F(�

0������� /(� D>B'$E� ��� �!����� ������� ���� ������� ��� ���������� ��� ����+ ����!�

����������������������������������������*��� ���"F#(��

0������� /(� Z� &(� 7��� �(� D#$$�E� �������� ��� �������� ����� ����+ ����!� �����(�

&����� ���*������������������4�����D&��*�E���� ������&���#$$�(�

0�� �� ,(<(�� ��������� .("(� Z� *��� ��� &(/(� D#$$#E(� �����!� ���������� ����

��������K� ������!� ����������� ��� ������������ ������� �������� ����!� �����

�����������)111������������������������������������!���>$D%E��H$F+H>'(�

Page 170: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

/���������

�>G'�

0���"(��8�!���(�Z�������(�D#$$HE(�*�����+������������������������ ����������

��������������������������)11���������!�������������������������������>H#DGE��

G$B+G>%(�

0����.(������C(�(�Z�����,(� D#$$HE(�&����� +������������ ∞H �������������������

�������������������������%>DGE��BBB�M�>$$�(��

0���� .(� Z� ���� C(�(� D#$$HE(� .������ ����� � ������� ��� �������� �������� �����

����+ ����!����������������������%>D#E��#FF�M�#%$(�

=��!�� �(�� Z� ��+,��!�� 4(� D#$$GE(� �� �� ��� ���������� ����!�� ��� � ������� ����

������ ��� ������� �������� ����� ����+ ����� ������� ,������ ��� ���� 4�� ����

)����������F%FD#E��>G>M>G�(�

=��!���(��*����0(���������(��Z����!��?(� D#$$HE(������������������������A��������

������ ��� ������� �������� ����� ������ ������� )111� ���������� ��� ��������

���������H$D'E��>>��M>>'>(�

=��!�� �(*(�� U���� �(�(�� 8�!�8(� Z� ���� U(� D#$$%E(� ��� ���� ����� ������ ��� �+

�����������3��+�!���������!�������������������+ ����!����������)111�����������

��������������������%BD>#E��##%$M##%%(�

Page 171: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski
Page 172: 245822 Vatanski Kansi - Aalto University Librarylib.tkk.fi/Diss/2011/isbn9789526043258/isbn9789526043258.pdfAalto University, P.O. Box 11000, FI-00076 Aalto Author Nikolai Vatanski

Recommended