在时间触发控制系统中确定时隙的持续时间的方法和设备与流程

本发明涉及一种用于控制一控制对象的分布式计算机系统。

特别是，本发明涉及一种在时间触发控制器中确定计算操作时隙的最佳持续时间的方法，该时间触发控制器由传感器子系统、计算子系统、致动器子系统和时间触发通信系统构成。

背景技术：

在控制系统中，控制器周期性地与现实世界中的控制对象交互，以使控制对象实现要求的行为。

控制器与控制对象之间的这些周期性交互发生于两个不同的周期性瞬时：(i)观察时点(或抽样瞬时)，在该观察时点(或抽样瞬时)，控制器观察控制对象的状态；以及(ii)致动时点(或致动瞬时)，在该致动时点(或致动瞬时)，控制器设定致动器在现实世界中进行操作从而影响控制对象的未来实际行为的设定值。

在许多情况下，控制器由分布式计算机系统实现，该分布式计算机系统由带传感器的节点计算机、执行控制模型的节点计算机以及控制致动器的节点计算机构成。所述节点计算机利用实时通信系统交换消息。

抽样瞬时与相应的致动瞬时之间的一系列计算操作和通信操作形成帧。在给定的操作模式下，帧的持续时间应当是恒定的。一个帧的结束时点是后续帧的开始时点。

在时间触发(tt)控制器中，如果稀疏时基的优选容错全局概念在所有节点计算机可用，则可在开发阶段指定周期抽样瞬时、周期致动瞬时和时间触发通信系统发送和接收消息的周期瞬时。

稀疏时基支持在时域中进行事件的系统范围一致性排序[1]。

由此可见，在时间触发(tt)控制器中，计算操作的时隙长度，即，对控制模型开始执行与终止执行之间的时间间隔为固定，并且必须事先在开发阶段确定。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种在时间触发控制器中确定计算操作的时隙长度的方法。

利用具有权利要求1所述特征的方法实现该目的。

anytime算法

在控制模型中执行控制算法的最小时隙长度必须长得足以对于输入域的全部数据点，该控制模型能够传递满意结果。

如果在特定境况下其是合格的(adequate)(但是不一定是最佳的)并且满足全部安全要求，则结果是满意结果[2]。

必须利用wcet估算的现有技术方法确定传递满意结果的控制算法的wcet(最坏情况执行时间)分析[3]。

算法的wcet估算的现有技术方法产生过长的时隙长度，因为wcet分析必须击败两个敌人，一个敌人来自下面而一个敌人来自上面。来自下面的敌人指现代硬件架构固有的时间不确定论(temporalindeterminism)。来自上面的敌人指算法问题，例如，使得难以对给定输入域的全部数据点建立受wcet约束的计算花费高的算法的复杂性。

由此可见，对于输入域的大多数数据点，该控制算法会早期传递满意结果并且在终止该控制算法与终止所提供的未用执行时隙的持续时间之间剩下相当长的时间间隔。我们将该未用时间间隔称为执行时隙疏密度(laxityofanexecutionslot)。

为了高效利用该疏密度，建议在控制系统中采用anytime算法[4]。

anytime算法由核芯段和随后的增强段构成。在控制器中执行anytime算法的时隙长度必须至少长达anytime算法的核芯段的wcet。计算控制操作的时隙长度的该最小持续时间被称为最小执行时隙的持续时间。核芯段的执行保证满意结果。

在anytime算法中，该满意结果由增强段迭代地改善，直到到达所提供的执行时隙的端点，即，截止点。通过重复执行增强段，直到到达截止点，对满意结果实现迭代改善。anytime算法的良好示例是求得方程的根的连续更好近似值的newton方法。

执行确保anytime算法的结果的精度优于指定的精确界限(specifiedprecisionbound)的anytime算法的时隙长度被称为最大执行时隙的持续时间。最大执行时隙的持续时间结束时传递的结果被称为anytime算法的精确结果。

如果所提供的执行anytime算法的时隙长度短于最大执行时隙的持续时间，则(在所提供的时隙长度结束时)在其能够传递精确结果之前，中断anytime算法的执行。我们将anytime算法在中断瞬时传递的结果称为anytime算法的不精确结果。

我们将anytime算法的精确结果与anytime算法在中断瞬时的不精确结果之差的绝对值称为anytime算法不精确性。如果anytime算法的执行时隙的持续时间减小，则anytime算法的不精确性升高。

基于模型的控制

在基于模型的控制系统中，在其开放式环境中，控制器含有控制对象的行为的近似模型(控制模型)。该控制模型用于估算在每个帧结束时传递到致动器的设定点。

控制模型的状态空间包括四种变量。

●操作员设定的控制系统的独立变量。这些变量的值规定控制系统的目标和约束，并且因此由控制系统以外的授权确定。

●控制器设定的控制对象的独立变量(即，对于致动器的控制器输出或设定点。控制模型在每个帧估算这些变量的新值。

●可观察状态变量－可观察变量表示观察瞬时的，即，帧开始时的控制对象状态和环境状态。

●隐状态变量，该隐状态变量在控制器中是模型的一部分。该隐状态变量非常重要，因为其将在某一帧获取的知识送到下一帧。

在基于周期性帧的控制器的帧(我们称之为帧k)开始的瞬时，控制器观察可观察状态变量。在帧中，对于帧k结束(也是帧k+1的开始)的瞬时，控制对象的独立变量(设定点)的新值和该可观察量和隐状态变量的预期值由控制模型估算。

帧k结束时的可观察状态的预期值与帧k结束时观察到的该状态变量的值之差，即，模型误差是模型在下一帧估算控制器的输出的重要输入。每个帧之后，预测范围(predictionhorizon)向未来移位一个帧。因为这原因，有时将基于模型的控制称为后退范围控制(recedinghorizoncontrol)。

模型误差

下面的简单示例说明一种用于将水库中要净化的液体进行温度控制的开放式系统。通过设定用于控制流经包含于水库中的管道系统的热水的流动的致动阀能够使水库中的液体的温度升高。环境动态，例如，刮风或下雨会降低液体的温度。该控制系统的目标是使水库中的液体的变量温度保持在预设值。

因此，在该控制系统的模型中，用3个不同的变量表示液体的单个物理量温度：

tsk：操作员对帧k开始的瞬时提交的独立变量温度的要求值(但是在某些工作境况下不能实现)。

tok：在帧k开始的瞬时观察到的变量温度的值。

tpk：模型对帧k开始(也是帧k-1结束)的瞬时预测的控制变量温度的预期值。

我们将差：

mek＝/tpk-tok/

称为帧k开始的瞬时的模型误差mek。

模型误差由两种不同现象引起：

(i)现实自最后观察瞬时已发生变化。环境中的未识别或非预期进展在开放式系统的环境(环境动态)中的影响是随着帧(和对计算操作分配的时隙)的长度而增加的。

(ii)模型的缺陷：该模型不是现实行为的真实写照。例如，尚未对现实中存在的非线性正确建模。

如果我们进一步远离已经观察到系统的可观察状态变量的瞬时，即，如果anytime算法的执行时隙的持续时间增加，则模型误差将增大。

不可能设计出没有模型误差的开放式系统的模型，这是因为不可能考虑到开放式系统的环境中存在的无数现象[5]。

概括地说，如果执行时隙的持续时间增加，则anytime算法的不精确性降低，而如果anytime算法的执行时隙的持续时间减小，则模型误差降低。

附图说明

图1示出预想到的控制系统的结构。

具体实施方式

该控制系统由控制器100和控制对象190构成。该控制器100含有：传感器子系统101，该传感器子系统101带传感器120，该传感器120能够观察控制对象190的可观察状态变量；计算子系统102，该计算子系统102对anytime控制算法提供执行环境；致动器子系统103，该致动器子系统103对致动器130提供影响控制对象190中的物理量的值的设定点；监视器系统104，该监视器系统104接受来自传感器子系统和计算子系统的消息；以及时间触发通信系统110，该时间触发通信系统110在上述子系统之间传送消息。

在控制器100的开发阶段，探测anytime算法的多个执行时隙的持续时间，从最小执行时隙的持续时间(miesl)开始，执行时隙粒度(esg)以增加该时隙的持续时间，直到达到最大执行时隙的持续时间(maesl)为止。下面给出执行时隙粒度(esg)：

esg＝(maesl-miesl)/n

其中n表示被探测的时隙的持续时间的数目。为了在时域中实现适当的执行时隙粒度，数目n优选地大于10。

在每段执行时隙的持续时间中，在目标应用环境中执行多个帧。该多个帧对于控制器预想到的使用环境是特有的，因为给定的应用上下文会确定开放式控制系统中的环境动态。由此可见，在开发阶段，确定最佳时隙的持续时间的数据采集是在目标作业环境中执行。

在每个帧中，通过在提供的执行时隙的持续时间结束时，利用在该帧开始时从传感器子系统收到的数据中断anytime算法的执行，计算子系统102估算可观察状态变量的不精确预期值。时间触发通信系统110将这些可观察状态变量的不精确预期值从计算子系统102发送到监视器子系统104。

对于每个帧，通过利用在该帧开始时从传感器子系统101收到的数据执行anytime算法，直到完成为止，监视器子系统104估算可观察状态变量的精确预期值。

对于每个帧，通过估算可观察状态变量的精确预期值与包含于在该帧结束时从计算子系统102传递到监视器子系统104的消息中的可观察状态变量的不精确预期值之各自之差的绝对值，监视器子系统104计算anytime算法的不精确性。

对于每个帧，通过估算可观察状态变量的精确预期值与包含于在该帧结束时从传感器子系统101传递到监视器子系统104的消息中的可观察状态变量的各自的获取值之差的绝对值，监视器子系统104可计算模型误差。

在探测新时隙的持续时间之前，通过均化该时隙的多个探测过的帧的结果，监视器子系统104估算上个时隙的持续时间的平均anytime算法不精确性和平均模型误差。

在开发阶段结束时，可得到所有探测过的执行时隙的持续时间的平均anytime算法不精确性的一组值和平均模型误差的一组值。从这些组中选择平均anytime算法不精确性和平均模型误差之和为最小的执行时隙，用于计算子系统102的作业中。

参考资料:

1.h.kopetz.real-timesystems—designprinciplesfordistributedembeddedapplications.springer2011.

2.h.asimon.thearchitectureofcomplexity.proc.oftheamericanphilosophicalsociety.卷106.号.6.pp.467-482.1962.

3.r.wilhelmetal.theworst-caseexecutiontimeproblem—onoverviewofmethodsandasurveyoftools.acmtransactiononembeddedcomputingsystems(tecs).卷7.号.3.p.36.2008.

4.t.deanandm.boddy.ananalysisoftime-dependentplanning.proc.ofaaai卷88.pp.49-54.1988

5.lee,e.,fundamentallimitsofcyber-physicalsystemsmodeling.acmtransactionsofcyber-physicalsystems.卷1.,号.1.p.3.2016