网络控制系统、控制设备的方法和存储介质与流程
本发明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。
背景技术：
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。
技术实现要素：
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，ncs包括调度器，该调度器被配置成基于受控设备的对应控制误差来确定受控设备的优先级，并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，使得发射机根据该调度来发送每个分组。
例如，在一个实现方式中，调度器基于排序和分散来调度发送时间，从而通过控制误差来确定优先级，将具有更大控制误差的控制回路调度为更早进行发送，而将具有更小控制误差的控制回路调度为更晚进行发送。此外，为了提高发送可靠性，如果在调度周期中针对一个控制回路调度了多次发送，则分散这些发送，使得发送不在连续的时隙中发生。
在各种实施方式中，调度器灵活地为不同的分组发送分配不同次数。例如，可能存在要发送的分组多于随后的调度周期中的时隙的数量的情况。在这种情况下，调度器可以减少发送到不同设备的分组数量。在一个实施方式中，调度器试图为每个受控设备调度至少一个分组。然而，在另一个实施方式中，调度器没有这个目标。例如，在一些情况下(例如，对于至少一个随后的调度周期)，调度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。然而，调度器可以将针对随后的调度周期的调度确定为包括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零次分组发送。
附加地或另选地，在需要控制一组设备的一些实施方式中，存在形成网络化控制架构的一组ncs。这是有利的，因为不同的设备可以彼此相距一定距离，并且将每个ncs开发为独立的装置以将其放置在对应的设备附近更为方便。在这些实施方式中，调度器可以被实现为与该组ncs通信的单独的装置，或者被实现为一个或多个ncs的一部分。在所有情况下，调度器确定每个ncs的分组的发送时间，并且命令每个ncs的发射机根据调度进行发送。
因此，一个实施方式公开了一种用于控制至少一个设备的网络化控制系统(ncs)，该网络化控制系统(ncs)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；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；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，该发射机被配置成在无线链路上按照发送次数发送分组。
另一个实施方式公开了一种用于在无线链路上控制至少一个设备的方法，其中，该方法使用与存储的实现该方法的指令耦合的处理器，其中，指令在由处理器执行时实施该方法的至少一些步骤。该方法包括以下步骤：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；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；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；以及在无线链路上按照发送次数发送分组。
又一实施方式公开了一种非暂时性计算机可读存储介质，该非暂时性计算机可读存储介质上包含可由处理器执行以执行一种方法的程序，该方法包括以下步骤：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；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；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被上发送的发送次数；以及在无线链路上按照发送次数发送分组。
附图说明
图1a示出了示例性实施方式使用的一些原理的示意图。
图1b示出了根据一些实施方式的用于控制执行操作的设备的控制系统的框图。
图1c示出了根据一些实施方式的将控制误差的值映射到包括被确定为校正该控制误差的控制命令的分组的发送次数的值的曲线图。
图1d示出了根据一个实施方式的控制器的一般结构。
图2a是示出根据一个实施方式的无线网络化控制系统(ncs)的操作原理的示意图。
图2b示出了例示一些实施方式使用的原理的示意图。
图2c示出了例示一些实施方式使用的原理的示意图。
图3示出了由一些实施方式确定的控制误差的值和链路质量之间的关系曲线。
图4示出了根据一个示例性实施方式的在调度周期中的网络控制回路的功能框图。
图5示出了具有八个控制回路的一个实施方式的无线网络化控制系统以及同样包括八个时隙的调度周期的示例。
图6示出了根据一个实施方式的基于排序的时隙分配的示例。
具体实施方式
图1a示出了示例性实施方式使用的一些原理的示意图。一些实施方式基于这样的认识，即网络化控制系统(ncs)是以下两种不同技术的结合：无线通信和控制系统技术。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，开发了不同的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(packetdelivery)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，所以确保网络性能101和控制性能102的独立技术也可以结合在一起以提高联合性能103。例如，无线发送的性能101是无线链路质量(例如，在发送期间丢弃(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(controlledplant)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来结合这些性能度量。这种结合允许开发用于提高无线发送的性能以便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104发送的分组的数量。丢弃的分组越多，需要发送以确保传送的分组就越多。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105(即，基于由控制误差(errorofthecontrol)指示的控制器的性能)来估计发送的分组的数量。例如，控制误差越大，发送的分组数量就越多。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，一些实施方式的ncs以基于设备的控制误差的函数而确定的次数向远程设备发送控制命令。例如，控制误差可以表示为设备的当前状态和设备的期望状态之差和/或受控变量的当前值和受控变量的参考值之差。实际上，以基于控制误差而确定的次数发送控制命令仅以所需的网络开销的增加而增加了控制器的性能。
图1b示出了根据一些实施方式的用于控制执行操作的设备的控制系统100的框图。系统100的组件可以针对系统100的不同配置而变化。这些组件可以被实现为由处理器执行的软件组件、硬件组件或其组合。控制系统100可以具有将系统100与其它系统和装置连接的多个接口。网络接口控制器150适于通过总线106将系统100连接到网络190，网络190将控制系统100与一个或多个受控设备195连接。在一些实现方式中，系统100内的人机接口113将系统连接到键盘111和/或指点装置112，其中，指点装置112尤其可以包括鼠标、轨迹球、触摸板、操纵杆、指点杆、手写笔或触摸屏等。
系统100包括控制器170，控制器170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(controlerror)来确定用于控制设备195的控制命令。通过接口113或nic150，系统100可以接收针对控制器170的配置值。配置值的示例包括针对设备195的控制策略、用于控制设备的控制目标、用于控制设备的参考轨迹。
系统100可以包括接收机160，接收机160被配置成在有线或无线链路上(例如，通过网络190)接收指示设备的受控变量的当前状态的反馈信号。系统100可以包括被配置成向设备发送控制命令的发射机180。通常，发射机发送包括控制命令的分组。根据各种无线网络发送标准来组织分组。如有必要，发射机可以多次发送分组。
系统100包括被配置成执行存储的指令的处理器120，以及存储可由处理器执行的指令的存储器140。处理器120可以是单核处理器、多核处理器、计算集群或任何数量的其它配置。存储器140可以包括随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、闪存存储器或任何其它合适的存储器系统。处理器120通过总线106连接到一个或更多个输入和输出装置。这些指令实现了用于控制设备的网络化控制系统(ncs)方法的至少一些组件和/或步骤。
为此，控制系统100包括使用处理器实现的一个或数个以下模块。这些模块包括控制误差估计器131以确定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。在一些实施方式中，控制误差不仅用于确定用于改变设备状态的控制命令，而且还用于确定控制命令的网络发送的参数。控制误差估计器可以被实现为控制器170的一部分，可以用作独立于控制器170而估计控制误差的独立模块，并且/或者可以包括从控制器170接收控制误差的输入接口。
这些模块包括状态观测器(stateobserver)133，其被配置成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。状态观测器133基于控制误差的函数来确定发送次数。实际上，这允许结合网络和控制性能技术，以提高ncs的整体性能。
在一些实施方式中，状态观测器基于映射器135确定发送次数。映射器135可以包括发送次数和控制误差之间的各种形式的关系。例如，分组的发送次数可以与控制误差成比例(proportionalto)。附加地或另选地，不同控制误差的值可以经由回归函数映射到包括被确定为校正该误差的控制命令的分组的发送次数。
图1c示出了根据一些实施方式的将控制误差的值映射145到包括被确定为校正该控制误差的控制命令的分组的发送次数的值的曲线图。例如，如果控制误差估计器131确定控制误差146，则状态观测器133使用具有映射145的映射器135来确定发送次数147。
网络适配器136以适于无线发送的分组的形式封装(wrap)控制命令，并且发射机180在无线链路上以发送次数来发送分组。例如，在一些实施方式中，网络190是使用不同标准(例如，wifi、isa100、wirelesshart和zigbee)实现的无线网络。在这些实施方式中，网络适配器136根据对应的标准以分组的形式封装控制命令。
可以使用各种控制技术来实现控制器170。例如，在一个实施方式中，控制器170是比例-积分-微分控制器(pid控制器)，以实现控制回路反馈控制。pid控制器连续计算作为期望的设定点(sp)和测得的过程变量(pv)之间的差值的控制误差e(t)，并基于比例项、积分项和微分项应用校正。
附加地或另选地，在一个实施方式中，控制器170使用基于优化的控制和估计技术，例如模型预测控制(mpc)。mpc基于系统模型的实时有限滚动优化(finitehorizonoptimization)。mpc有能力预测未来事件，并采取适当的控制措施。这是通过优化在受约束的未来的有限时间范围内的系统的操作并且仅在当前时间步上实现控制来实现的。
图1d示出了根据一个实施方式的控制器170的一般结构。在该实施方式中，控制器170被实现为独立装置。附加地或另选地，控制器170可以使用处理器120来实现。控制器170包括用于执行控制器的模块的至少一个处理器173。处理器173可操作地连接到存储器172，存储器172用于存储设备118的模型182、定义控制策略的成本函数185并且可选地存储对设备操作的约束184。控制器170使用受到约束184的成本函数185的使用模型182和设备的状态165的控制策略优化来确定控制命令175。例如，控制命令175可以被确定为命令设备118跟踪参考轨迹193。控制器经由发射机180将控制命令175发送到设备195，并且使用接收机160接收由设备195的传感器测量并且指示其状态的反馈信号165。
图2a是示出根据一个实施方式的无线网络化控制系统(ncs)200的操作原理的示意图。在该实施方式中，ncs200的操作由一个或多个控制器210、控制器的一个或多个状态观测器220、网络调度器230、致动器240、一个或多个物理设备250、设备的一个或多个传感器260和无线通信网络270来实现。
在该实施方式中，状态观测器是控制器的功能块，并且可以集成到控制器中。单独示出状态观测器以强调其在控制系统中的操作。在控制器侧，基于接收的反馈信号
在一些实现方式中，无线通信网络270包括无线网络协调器272，致动器节点274和传感器节点276。网络协调器272将控制命令u205发送到致动器节点274。传感器节点276向网络协调器272发送反馈信号y215。虚线箭头表示数据流量的流向，而不是可以为双向的无线链路的方向。
所有变量
无线链路质量变化是典型的随机过程。因此，无线通信网络的性能度量也是随机过程。存在不同的度量来测量无线通信网络的性能，例如，分组接收率(prr)、分组丢弃率、网络吞吐量等。存在不同的技术来提高无线通信网络的不同性能度量。然而，简单地提高无线通信网络的特定性能度量并不一定提高对应的网络化控制系统(ncs)的性能。
图2b和图2c示出了例示一些实施方式使用的原理的示意图。图2b示出了提高网络性能度量prr不会提高控制性能的示例。在双链路星形无线网络298中，一条链路281具有95％的prr，并且另一条链路282具有50％的prr。无线网络协调器280可以经由两条链路发送分组。为了实现最高的网络prr，网络协调器280将仅使用第一链路281发送分组283，从而给出95％的网络prr。然而，这种方法对于无线网络化控制系统(ncs)可能不起作用。
图2c示出了具有两个控制回路(即，控制两个物理设备)的控制系统299的示例。一个设备经由第一链路281受到控制，并且另一个设备经由第二链路282受到控制。第一控制回路的性能优于第二控制回路。在这种情况下，控制器210需要提高第二控制回路的性能。因此，需要为第二控制回路发送更多的分组。结果，控制器210经由链路281发送更少的分组284，并且使用链路282发送更多的分组285。因为在控制系统中，越高的网络prr并不一定获得越好的整体控制系统的性能。
在控制系统中，控制回路是被设计成将过程变量(pv)维持在期望的设定点(sp)的过程管理系统。过程变量的值和期望的设定点之间的偏差可以被认为是控制误差。在无线ncs中，控制误差和无线链路质量逆相关：控制误差随着链路质量的升高而减少，并且控制误差随着链路质量的降低而增加。换句话说，控制误差越大表示链路质量越差，并且控制误差越小表示链路质量越好。
图3示出了由一些实施方式确定的控制误差的值和将控制器与设备连接的链路的质量之间的关系曲线310。例如，可以基于控制误差和链路质量的测量来离线(offline)或在线(online)地确定曲线310。存在不同的方法来确定无线通信网络中的链路质量，例如，测量发送期间的链路质量或预测链路质量。对于特定的受控设备，可以经由实验或仿真得到对应的关系曲线。
映射器133可以使用关系曲线310来帮助状态观测器确定分组发送的次数。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。
(单个控制回路的情况)
在无线ncs中，可以在控制器和物理设备之间形成多个控制回路。在本发明的实施方式中，控制回路用于表示控制器和物理设备之间的控制过程。应当理解，这不是限制或假设，而只是为了描述的方便。
在无线ncs中，通常将时间划分为被称为调度周期或调度间隔的周期性控制周期，其进而被划分为时隙。在每个控制周期中，控制器和传感器在专用发送时隙中进行发送，以避免分组冲突。因此，时隙分配变得至关重要。时隙分配方法根据控制回路的数量(即，物理设备的数量)而不同。
在只有一个控制回路的无线ncs中，没有无线通信网络在控制回路之间共享。因此，控制器的状态观测器可以基于控制误差和链路质量关系曲线来确定控制命令或传感器数据在控制周期中要发送的次数。例如，如果当前控制误差指示0.5的分组接收率(prr)，则控制命令和传感器数据将被发送两次，以随机地(stochastically)确保控制命令和传感器数据分别由致动器和控制器接收。一旦确定了发送次数，控制器的状态观测器可以为每次发送分配时隙。具体地，无线通信网络协调器的发射机被配置成在分配的发送时隙两次发送控制命令。在接收到控制命令之后，致动器随即引导设备。传感器测量设备状态，并且在分配的时隙两次发送反馈信号。
(多重控制的情况)
然而，如果在无线ncs中存在多于一个的控制回路，则无线通信网络270由多个控制回路共享。一个控制回路的控制器状态观测器可能不知道其它控制回路的控制误差。换句话说，一个控制回路的控制器状态观测器可能不知道其它控制回路所需的发送次数。在控制周期或调度周期内，时隙总数是固定的。所有控制回路的发送次数总和可能超过控制周期内分配的时隙。同时发送可能会导致分组冲突。
因此，一些实施方式使用网络调度器230在多个控制回路之间调度分配的时隙，以实现最佳的整体控制系统性能。在这种情况下，时隙调度决策比单个控制回路的情况更加复杂。一些实施方式提供了一种调度方法，其中调度时隙以提高整体控制系统性能并且减少整体控制误差。
图4示出了根据示例性实施方式的在调度周期k中的网络控制回路的功能框图。在该示例中，在无线网络化控制系统(ncs)中存在n个控制回路(即，n个设备)，各表示为控制回路1、控制回路2、……、控制回路n，其中，数字1、2、……、n表示控制回路id。将无线ncs的功能分配给三个组件：控制回路400、无线通信网络270和网络调度器230。
控制回路400包括控制器、致动器、设备和传感器。无线通信网络270包括无线网络协调器节点、致动器节点和传感器节点。网络调度器230是无线ncs的功能组件。控制回路400负责产生控制命令和传感器数据410、接收控制命令和传感器数据420、观测状态矢量
为了建立控制回路的控制误差-链路质量映射450或关系曲线310，控制器状态观测器将可能的控制误差值划分成多个(例如，m个)等级。控制器状态观测器计算并存储针对每个调度周期的控制误差。同时，无线通信网络270测量链路质量并存储针对每个调度周期所测得的链路质量。控制器状态观测器针对每个控制误差等级j(j＝1，2，……，m)查找对应的链路质量历史。基于对应的链路质量历史，控制器状态观测器可以计算针对控制误差等级j的链路质量值，例如，对应链路质量历史的平均值或对应链路质量历史的期望值。
无线通信网络270负责传送控制命令和传感器数据460，其中根据由网络调度器230针对调度周期k调度的时间分配470进行传送。在控制命令和传感器数据传送460过程期间，无线通信网络270还负责无线链路质量测量465。
在调度周期k中，网络调度器230通过使用观测的状态矢量
(最佳发送次数ηi的确定)
考虑由共享如图2a所示的无线通信网络270的n个控制回路组成的无线网络化控制系统(ncs)。将控制回路i(i＝1，2，……，n)的物理设备建模为以下形式的非线性离散系统：
xi(k+1)＝fi(xi(k)，ui(k))，(1)
其中，k是时间索引，i∈{1，2，……，n}是控制回路索引，xi(k)∈rni是状态矢量，并且ui(k)∈rmi是控制命令矢量。
设xir是控制回路i(i＝1，2，……，n)的参考状态矢量或期望状态矢量。在时间t＝k，控制误差ei＝||xi(k)-xir||是控制回路i的当前状态矢量和期望状态矢量之间的偏差，其中，||a||表示矢量a的范数(norm)。可以看出，控制误差越小，当前状态矢量越接近期望状态矢量。随着xi(k)接近期望状态矢量xir(k)，ei接近0。随着xi(k)远离期望状态矢量xir，ei变大。
在无线ncs中，当分组丢失接近0时，xi(k)渐近地(asymptotically)接近xir。因此，如图3所示，链路质量与控制误差密切相关。控制器可以如上所述基于控制误差来估计链路质量。
可以通过诸如分组接收率(prr)、分组丢弃率、接收信号强度指示符(rssi)、信噪比(snr)和期望发送计数(etx)的度量来测量链路质量。例如，使用prr作为链路质量度量，对于控制回路i，可以基于链路质量prri将链路故障率确定为：
βi＝1-prri.(2)
使用链路质量故障率βi，当前状态矢量xi(k)和控制命令矢量ui(k)，可以将针对时间t＝k+1的期望状态矢量
其中，
对于控制回路i，为了优化控制误差，将二次成本函数(quadraticcostfunction)定义为
其中，wi>0是正定(positivedefinite)权重矩阵。可以看出，ji(xi(k+1))是在时间t＝k+1的控制回路i的离散化控制误差的形式。
对于无线网络化控制系统(ncs)，将总成本函数定义为
其中，w＝blkdiag(w1，w2，……，wn)是块对角矩阵，将
可以看出，j(x(k+1))是所有n个控制回路的总体控制误差。因此，可以将最佳调度问题公式化为
遵从
wi>0(7e)
其中，e表示期望算子(expectationoperator)，l是调度周期中的时隙总数。
优化问题(7)是最小化无线网络化控制系统(ncs)的总体控制误差，即找出针对控制回路i(i＝1，2，……，n)的发送次数ηi，使得总体控制误差最小化。约束(7b)指示可调度性(schedulability)的要求，即分配的时隙总数不能超过调度周期中的时隙总数，约束(7c)指示状态矢量xi(k+1)的范围，约束(7d)指示控制命令矢量ui(k+1)的范围，约束(7e)指示权重矩阵wi为正定，使得成本函数ji(xi(k+1))定义适当的控制误差ei，并且约束(7f)表示对于每个控制回路i(i＝1，2，……，n)，发送次数ηi是非负整数。
问题(7)是关于决策变量ηi(i＝1，2，……，n)的整数规划问题。此外，等式(3)示出了问题(7)关于ηi(i＝1，2，……，n)是非线性的。因此，问题(7)是非线性整数规划，其可以通过使用适当的非线性优化求解器来解决，或者可以放宽到能够由诸如gurobi、cplex和matlab的整数线性规划求解器来解决的整数线性规划问题。
求解优化问题(7)给出了发送次数ηi(i＝1，2，……，n)。可以看出，ηi可能为零。如果ηi＝0，则控制回路i在对应的调度周期中不进行发送。这种情况表明存在至少一个比控制回路i具有更大控制误差的其它控制回路。如果ηi>1，则控制回路i在对应的调度周期中进行多次发送。这种情况表明存在至少一个比控制回路i具有更小的控制误差的其它控制回路。
约束(7b)还指示如果所有控制回路都运行良好，则网络调度器230可以不在所有时隙中调度发送。相反，调度器仅在时隙的子集内调度发送。换句话说，即使ηi>0，如果控制回路i的控制误差ei非常小，则调度器也可以不将时隙调度到控制回路i。该方法减少了无线通信网络270的工作负载，因此减少了网络拥塞。此外，即使调度了控制回路进行发送，如果控制误差小，也可以消除链路层确认。这进一步减少了通信拥塞。
在无线网络化控制系统(ncs)中，控制误差ei(i＝1，2，……，n)随时间(fromtimetotime)改变。因此，通过求解问题(7)而确定的发送次数ηi(i＝1，2，……，n)也在不同调度周期之间改变。
图5示出了具有八个控制回路的一个实施方式的无线网络化控制系统的示例，并且调度周期也包括八个时隙。在调度周期k510中，对于所有八个控制回路，ηi＝1，即，每个控制回路恰好进行一次发送。对于调度周期k+1530，求解问题(7)520给出η1＝2，η2＝0、η3＝1、η4＝1、η5＝2、η6＝0、η7＝1和η8＝1。结果，在调度周期k+1中，控制回路1和5可以进行两次发送，但控制回路2和6不进行发送，并且其余的控制回路进行一次发送。
(性能相关的时隙分配)
求解优化问题(7)给出了针对每个控制回路i(i＝1，2，……，n)的发送次数ηi。调度周期通常包括多个时隙。时隙分配的顺序很重要，例如，哪个控制回路应该在第一时隙进行发送，哪个控制回路应该在最后一个时隙发送。因此，时隙分配是接下来要由网络调度器完成的任务。
一种方式是根据控制回路id的升序将时隙分配给控制回路，即，将开始的η1个时隙分配给控制回路1，将之后的η2个时隙分配给控制回路2，依此类推。
然而，一些实施方式基于这样的认识，即时隙分配的顺序可用于减少由网络发送中的延迟引起的总体控制误差。例如，在第一时隙中发送的控制回路对于控制命令和传感器数据具有最短的时间延迟。因此，控制回路可以采取早期措施来引导设备并且减少控制误差，使得控制回路运行更好。在最后一个时隙中进行发送的控制回路对于控制命令和传感器数据具有最长的时间延迟。因此，当控制回路在控制命令接收之后采取措施时，控制误差可能已经变得更大。
因此，一些实施方式使用排序和/或扩展方法而基于控制误差来分配时隙，即，将具有更大控制误差的控制回路调度为更早地进行发送，使得这些控制回路的分组延迟更短，而将具有更小控制误差的控制回路调度为更晚地进行发送，因为这些控制回路可以容忍分组延迟。
附加地或另选地，如果给予控制回路的发送次数多于一次，即η>1，则η个时隙分散(spread)，使得控制回路不在连续的η个时隙中进行发送。该时隙分散具有数个优点：(1)提高了控制回路的分组传送概率，这是因为无线链路质量随时间改变，而分散发送增加了在具有良好链路质量的时隙中进行至少一次发送的概率，(2)给予其它控制回路更早的发送机会以减少分组延迟并且提高控制性能，以及(3)在第一次发送成功的情况下，减少了分组发送的次数，可以跳过剩余的发送。这也减少了无线通信网络的工作负载。
排序和分散描述如下：
输入：发送次数ηi、控制误差ei和时隙的总数l
输出：下一个调度周期的时隙分配：分配
assignment←zeros(l)；
slot←1；
forallido
ηi_left←ηi；
//ηi_left表示未调度的发送；
end
//排序
sorted_control_loop_number←sortloops(firstrowoferror_matrix)indescendingorderofei(secondrowoferror_matrix)；
foriinsorted_control_loop_numberdo
ifηi_left>0then
assignment(slot)←i；
slot←slot+1；
ηi_left←ηi_left-1；
end
end
end
//分散
whileassignment(j)＝assignment(j+1)//两个连续时隙分配给同一控制循环，则分散
randomlyselectaksuchthatj+1<k≤l；
swapassignment(j+1)andassignment(k)；
end
returnassignment
图6示出了根据一个实施方式的基于排序的时隙分配的示例。在该示例中，无线网络化控制系统具有n个控制回路，并且调度周期由n个时隙组成。求解问题(7)给出了ηi＝1(i＝1，2，……，n)，即，每个控制回路一个时隙。基于控制回路id的升序的时隙分配如610所示。在按照降序来对控制误差ei(i＝1，2，……，n)排序620之后，网络调度器按照控制误差的降序分配630时隙。结果，对控制回路3分配第一时隙，对控制回路n分配第二时隙，并且对控制回路2分配最后一个时隙。排序方法降低了具有更差控制性能的控制回路的分组延迟。可以证明，问题(7)提供了稳定的解决方案。
可以以多种方式中的任何一种来实现本发明的上述实施方式。例如，可以使用硬件、软件或其组合来实现实施方式。当以软件实现时，软件代码可以在任何合适的处理器或处理器集合上执行(无论是设置在单个计算机中还是分布在多个计算机中)。这种处理器可以被实现为集成电路，其中一个或更多个处理器位于集成电路组件中。然而，可以使用任何适当格式的电路来实现处理器。
此外，本发明的实施方式可以实现为一种方法，并且已经提供了该方法的示例。作为该方法的一部分而执行的动作可以以任何适当的方式排序。因此，可以构建这样的实施方式，其中，以不同于所示的顺序(可以包括同时执行一些动作)来执行动作，即使这些动作在所说明的实施方式中被示出为顺序的动作。
在权利要求中使用诸如“第一”，“第二”等序数术语来修饰权利要求要素本身并不意味着一个权利要求要素相对于另一个权利要求要素的任何优先级、先后顺序或次序或执行方法的动作的时间次序，而是仅用作标签，以将具有特定名称的一个权利要求要素与具有相同名称(但用于使用序数术语)的另一要素区分开，以区分权利要求要素。
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