网络控制系统、控制设备的方法和存储介质技术方案

一种用于控制至少一个设备的网络化控制系统包括：接收机，该接收机被配置成在无线链路上接收指示设备的受控变量的当前状态的反馈信号；以及控制器，该控制器被配置成基于受控变量的参考状态和受控变量的当前状态之间的控制误差来确定控制命令。该系统还包括：处理器，该处理器被配置成基于控制误差的函数来确定具有控制命令的分组需要在无线链路上被发送的发送次数；以及发射机，发射机被配置成在无线链路上按照发送次数发送分组。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】网络控制系统、控制设备的方法和存储介质
本专利技术总体涉及一种控制系统，更具体地，涉及一种适于利用在无线网络上发送的控制命令来控制设备(plant)的网络化控制系统。
技术介绍
网络化控制系统(NCS)是其中控制回路通过无线通信网络闭合的控制系统。NCS的定义特征是通过无线网络以信息分组的形式在系统的组件之间交换控制信号和反馈信号。NCS具有将网络空间(cyberspace)连接到物理空间的能力，从而能够从远距离执行数项任务。此外，网络化控制系统消除了不必要的布线，从而降低了设计和实现控制系统的复杂性和总成本。还可以以相对较低的成本并且在其结构上没有重大变化的情况下通过增加传感器、致动器和控制器对网络化控制系统进行修改或升级。此外，以在网络化控制系统的控制器之间的高效的数据共享为特征，NCS能够融合(fuse)全局信息以在大的物理空间中做出智能决策。网络化控制系统的潜在应用众多，并且涵盖例如空间和陆地探测、危险环境中的访问、设备自动化、远程诊断和故障排除、实验设施、家用机器人、飞机、汽车、制造厂监控、疗养院和遥操作的广泛的行业。虽然NCS的潜在应用众多，但已证实的应用很少，并且NCS领域的真正机会在于开发实现该领域的潜力的真实世界应用。互联网的出现和发展结合NCS提供的优点吸引了全球研究者的兴趣。伴随这些优势，也出现了一些挑战，引发了许多重要的研究课题。在反馈控制回路中插入通信网络使得NCS的分析和设计变得复杂，这是因为这在控制回路中增加了额外的时间延迟或者可能造成分组丢失。为此，实际的NCS应用谨慎地使用远程控制器。例如，由Y.Tipsuwan和M.-Y.Chow(《网络化控制系统中的控制方法(Controlmethodologiesinnetworkedcontrolsystems)》)描述的系统提供仅作为参考提供者(referenceprovider)的远程控制器。这种远程控制器运行的速度比稳定的控制回路所需的速度慢得多，以提供针对最佳过程操作(optimalprocessoperation)的参考输入。此外，这种远程控制器没有足够的权限来形成(shape)闭环控制系统的瞬态(transient)，因此可能导致性能损失。因此，仍然需要一种适于作为NCS执行的控制系统。
技术实现思路
一些实施方式的目的是提供一种适于在无线网络上发送控制命令的控制系统，以实现网络化控制系统(NCS)。一个实施方式的目的是提供这样一种控制系统：即使当在无线网络上发送的一些控制命令丢失时，该控制系统也能确保设备的稳定控制。一些实施方式基于这样的认识，即网络化控制系统(NCS)是两种不同技术的结合：无线通信和控制系统技术。无线通信，或者有时简称为无线，是在没有通过电导体连接的两个或更多个点之间的信息传输。许多流行的无线技术使用无线电波。控制系统使用控制回路来管理、命令、引导或调节其它设备、装置或系统的行为。控制系统可以使用反馈信号来自动控制过程或操作。例如，控制系统将被控制的过程变量(PV)的值或状态与期望值或设定点(SP)进行比较，并且将差值施加为控制信号，以使设备的过程变量输出达到与设定点相同的值。无线通信和控制系统是独立的技术，即，可以并且通常在没有另一种技术的情况下使用一种技术。为此，开发了许多技术来确保每种技术的性能，例如，以确保无线通信的分组传送或控制系统的有效反馈控制。然而，所有这些技术都是彼此独立的(考虑到这些技术的独立性和历史，这并不奇怪)。一些实施方式基于这样的认识，即因为NCS结合了这两种技术，所以确保每种技术的性能的独立技术也可以结合在一起以提高共同的性能。例如，无线发送的性能是发送期间丢弃(即，传送失败)的分组的数量的函数。相反，控制器的性能是受控设备的受控变量与其参考值的偏差的函数。一些实施方式基于这样的认识，即这些性能度量可以通过将无线发送的性能确定为受控设备的受控变量与其参考值的偏差的函数而进行结合。这种结合允许开发用于提高无线发送的性能以提高控制系统的性能的技术。例如，一种补救无线发送性能不佳的技术是增加发送的分组的数量。丢弃的分组越多，需要发送的分组就越多，以确保传送。可以使用各种网络技术来估计丢弃分组的数量，例如，可以从由接收机发送的确认回执来估计丢弃分组的数量。一些实施方式基于这样的认识，即除了网络技术之外或作为网络技术的替代，可以使用控制技术(即，基于控制器的性能)来估计发送的分组的数量：性能越差，需要发送的分组越多。这是因为控制器性能不佳的一个原因可能是无线发送的性能不佳。此外，为了确保受控系统的稳定性，可靠的分组传送对性能不佳的控制器而言比对于能够精确跟踪参考信号的控制器而言更为关键。为此，一些实施方式公开了一种NCS，该NCS包括：接收机，该接收机被配置成接收指示受控变量的当前状态的反馈信号；控制器，该控制器被配置成基于被确定为受控变量的参考状态和受控变量的当前状态之差的函数的控制误差来确定控制命令；控制器状态观测器，该控制器状态观测器被配置成以适于无线发送的分组的形式封装控制命令，并且确定分组的无线发送需要执行的次数，其中，状态观测器基于控制误差的函数来确定分组的无线发送的次数；以及发射机，该发射机被配置成在无线链路上按照由状态观测器确定的次数发送分组。有利地，基于控制器性能来确定分组发送率可以减少网络拥塞。在许多情况下，无线链路的质量是控制器性能下降的主要原因。然而，当由于无线链路质量不佳而导致分组被丢弃时，分组发送不会自动增加。只有当这种丢弃对控制性能产生负面影响时，分组发送的次数才会增加。附加地或另选地，一些实施方式基于这样的认识，即控制器的性能是控制器和受控设备之间的无线链路的质量的指示。因此，基于控制器性能来确定发送率可以减少或者甚至可以消除对网络协议的确认回执的需要，从而进一步减少网络拥塞。在这些实施方式中，由于无线通信和系统控制技术的结合，控制的反馈信号是网络发送的反馈信号的指示。例如，在一些实施方式中，状态观测器基于控制误差来确定控制器和设备之间的无线链路的质量，并且基于无线链路的质量来确定分组的无线发送的次数。实际上，该实施方式可以使用为提高无线通信的性能而开发的各种技术，而无需估计该性能。附加地或另选地，在一些实施方式中，NCS包括调度器，该调度器被配置成通过求解旨在最小化一组受控设备的总体控制误差的优化问题来确定不同受控设备的分组的无线发送的次数。这些实施方式基于对以下优点的认识，即对不同设备的总体控制而不是分别单独控制。例如，在一个实现方式中，调度器按照与受控设备的控制误差的顺序相对应的顺序为不同受控设备选择分组的发送时间，从而对具有更大控制误差的受控设备的分组分配更早的发送时间。这种实现方式是探索性的，并且实现为达到期望的结果也相对简单。附加地或另选地，一些实施方式扩展了控制器的性能的使用以用于调度分组发送。这些实施方式基于这样的认识，即分组的发送的时间对于改善控制的时延也很重要。例如，在一些实施方式中，NCS基于一组对应的控制误差来控制一组设备。因此本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于控制至少一个设备的网络化控制系统NCS，所述NCS包括：/n接收机，所述接收机被配置成在无线链路上接收指示设备的受控变量的当前状态的反馈信号；/n控制器，所述控制器被配置成基于所述受控变量的参考状态和所述受控变量的当前状态之间的控制误差来确定控制命令；/n处理器，所述处理器被配置成基于所述控制误差的函数来确定具有所述控制命令的分组需要在所述无线链路上被发送的发送次数；以及/n发射机，所述发射机被配置成在所述无线链路上按照所述发送次数发送所述分组。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20190104 US 16/239,5741.一种用于控制至少一个设备的网络化控制系统NCS，所述NCS包括：
接收机，所述接收机被配置成在无线链路上接收指示设备的受控变量的当前状态的反馈信号；
控制器，所述控制器被配置成基于所述受控变量的参考状态和所述受控变量的当前状态之间的控制误差来确定控制命令；
处理器，所述处理器被配置成基于所述控制误差的函数来确定具有所述控制命令的分组需要在所述无线链路上被发送的发送次数；以及
发射机，所述发射机被配置成在所述无线链路上按照所述发送次数发送所述分组。


2.根据权利要求1所述的NCS，其中，所述处理器使用所述控制误差的值和所述发送次数的值之间的预定关系来确定所述发送次数。


3.根据权利要求1所述的NCS，其中，状态观测器基于所述控制误差确定所述控制器和所述设备之间的所述无线链路的质量，并且基于所述无线链路的质量确定所述分组的无线发送的发送次数。


4.根据权利要求1所述的NCS，其中，所述处理器针对调度周期确定所述发送次数。


5.根据权利要求4所述的NCS，其中，所述NCS基于一组对应的控制误差来控制一组设备，所述NCS还包括：
调度器，所述调度器被配置成基于受控设备的对应控制误差来确定所述受控设备的优先级，并且根据所确定的优先级来确定不同受控设备的分组发送的调度，使得所述发射机根据该调度来发送每个分组。


6.根据权利要求5所述的NCS，其中，所述调度器按照与所述受控设备的所述控制误差的顺序相对应的顺序选择不同受控设备的分组的发送时间，从而对具有更大的控制误差的受控设备的分组分配更早的发送时间。


7.根据权利要求5所述的NCS，其中，所述调度器通过求解旨在最小化一组受控设备的总体控制误差的优化问题并且然后进行排序和分散，来确定不同受控设备的分组的发送时间。


8.根据权利要求5所述的NCS，其中，针对至少一个随后的调度周期，状态观测器确定针对第一受控设备的多次分组发送和针对第二受控设备的至少一次分组发送，并且其中，所述调度器将针对所述随后的调度周期的调度确定为包括针对所述第一受控设备的多次分组发送和针对所述第二受控设备的零次分组发送。


9.根据权利要求5所述的NCS，其中，在所述调度周期期间，所述调度器基于所述受控设备的对应控制误差来确定与所述受控设备的未来的无线链路的质量，并且使用所述无线链路的质量来执行调度。


10.一种网络化控制架构，所述网络化控制架构包括一组根据权利要求1所述的NCS，以用于在一组无线链路上控制一组设备，所述网络化控制架构包括：
调度器，所述调度器被配置成基于受控设备的对应控制误差来确定所述受控设备的优先级，并且根据所确定的优先级来确定不同受控设备的分组发送的调度，使得所述发射机根据该调度来发送每个分组。


11.一种用于在无...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭建林，马叶涵，王烨宾，A·查克拉巴尔蒂，安希振，菲利普·奥尔利克，
申请(专利权)人：三菱电机株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP