CN102176122A - 一种基于有限自动机的自动控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自动控制领域，公开了一种基于有限自动机的自动控制系统，包括控制单元、配置工具和数据库，控制单元包括事件队列、任务线程池、自动机引擎和脚本解释器；本发明还提供了一种基于有限自动机的自动控制系统的控制方法，从有限自动机的生成到对事件的处理进行完整地介绍，本发明以有限自动机为系统的基本控制模型，并以脚本为载体来记录控制规则，提供了一种由事件触发并考虑系统状态因素的控制系统与方法，解决了一类离散事件系统的控制问题，能够保证控制规则与系统状态相适应。

Description

一种基于有限自动机的自动控制系统及其控制方法

技术领域

本发明自动控制领域，尤其涉及到系统控制模型对系统事件的处理系统与方法。

背景技术

最近几十年里，信息技术高速发展，信息技术的进步与应用也使得新的动态系统规模空前，往往呈现出高度复杂的特点，如电力系统、数据库并发控制、通信网络等，这些复杂系统很难建立系统内部的详细模型，因此难以用传统的控制方法对此类系统进行控制，如何对这类系统进行控制是一个很实际的问题。

注意到，这些系统在一些条件下通常表现出状态的显著变化，系统状态的改变受到离散事件的驱动，因此在宏观上通常可用有限自动机作为对系统的描述模型。此外，在现实控制环境中，系统在不同状态下对同样的事件有不同的反应动作。智能控制是对此类系统进行控制一种解决方法，其主要的工作原理是基于if-then语句的判断，但目前智能控制领域尚无统一的设计与执行标准。

另外随着SCADA、智能化仪表等信息技术的使用，对系统各个数据点的采集与监测变得可行，同时，对于这些数据的使用方法一般只有基本的数据计算，包括加、减、乘、除，高级应用比较少。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于有限自动机的自动控制系统，它具有提供一种由事件触发并考虑系统状态因素的控制系统与方法，解决一类离散事件系统的控制问题，可以保证控制规则与系统状态相适应的特点。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于有限自动机的自动控制系统，包括控制单元，所述控制单元包括事件队列和任务线程池，其特征在于，还包括配置工具和数据库，所述控制单元还包括自动机引擎和脚本解释器，

所述自动机引擎为系统抽象控制模型的表示点和作用点；

所述数据库中包括事件信息表和状态信息表，所述事件信息表中预先设置系统各个数据点的表示和类型，所述状态信息表中预先试着自动机模型的建模数据；

控制单元分别与数据库、配置工具，以及被控系统连接；

所述配置工具为配置模块、输入模块与显示模块的集中体，配置工具还与数据库连接。

对上述基础方案进一步优选的为，事件定义保存在所述数据库中，所述事件信息表的记录格式包含以下字段：事件ID、数据点ID、事件触发方式；状态定义保存在所述数据库中，所述状态信息表的记录格式包含以下字段：状态ID、事件ID、下一状态标识。

对上述技术方案进一步改进的为，还包括脚本管理器，所述脚本管理器分别与所述配置工具及所述控制单元连接。

本发明还提供了一种基于有限自动机的自动控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，生成有限自动机：首先，在数据库中建立事件信息表：给系统内的数据点配置该点上的事件触发条件，并指定事件ID，事件ID为全局唯一的，接下来，建立状态信息表：给控制模型定义状态并指定各个状态的标识，状态ID全局唯一，指定各个状态下应当处理的事件，指定控制模型状态间的转移触发事件，控制模型的定义和系统宏观自动机模型在语义上保持一致，然后，以脚本的形式定义各个控制模型状态下事件的响应控制规则，以及控制模型状态间的转移动作，最后，根据定义好的事件和状态信息生成可运行的自动机代码；

第二步，对事件进行处理：当任意数据点数据发生异常触发了事件，控制系统捕获事件，根据模型当前所处的状态找到事件对应的控制脚本，按照控制脚本的内容执行相应的控制动作；若该事件引起状态切换，执行相应的转移动作并将状态切换至下一状态。

对于该控制方法，优选的技术方案为，第一步，生成有限自动机的过程包括如下步骤：

步骤201，新建状态机对象，状态机对象内包含一个用于保存状态机的状态对象的容器；

步骤202，顺序查询所述数据库中状态信息表中的状态ID，从前往后依次对各个状态进行处理，且不重复处理；

步骤203，新建状态对象，与状态信息表中的一个状态相对应，状态对象包含状态下事件的处理信息；

步骤204，以状态ID为查询条件，用基本的数据库操作语言顺序查询当前状态ID包含的事件ID；

步骤205，根据状态ID和事件ID生成对应的控制脚本名称，采用脚本名称作为ID，ID的生产算法需要满足两个条件：同样的输入产生同样的输出，不同的输入产生不同的输出；

步骤206，构造一个<事件ID，控制脚本，转换状态>的描述符，并将该描述符添加到状态对象，其中，控制脚本即为控制脚本ID，转换状态为转换后的状态ID，若不发生状态转换，则该字段为空；

步骤207，判断当前状态下是否还有其它事件，是，则返回步骤204；否，则执行步骤208；

步骤208，将当前状态对象添加到状态机对象，表示状态机内新增了一个状态，同时该状态已经包含了基本的事件处理信息；

步骤209，判断状态信息表中是否还有其它状态，是，则返回步骤202；否，则执行步骤210；

步骤210，启动生成的状态机，此时表明全部状态都已添加到状态机对象中，另外状态信息表内有一条记录专门指明控制模型的初始状态，即将当前状态指向该初始状态，控制中心开始接收数据和事件。

更进一步优选的技术方案为，第二步，对事件进行处理的过程包括如下步骤：

步骤301，接收数据点上报的数据，若接收方式是阻塞式的，数据点上报数据时同时包含该数据点的标识；

步骤302，查找事件信息表是否对该点定义了事件触发：通过基本的数据库查询语言，根据数据点标识来查询事件信息表中是否有该点的记录，若有记录，则执行步骤303；若没有，则返回步骤301；

步骤303，判断是否触发了事件：根据事件信息表中的触发方式字段来判断是否触发了指定的事件，若是，则执行步骤304；若否，则返回步骤301；

步骤304，将事件上报控制单元，存入控制单元的事件队列中对事件进行缓冲；

步骤305，控制单元从事件缓冲队列取出事件，事件缓冲队列采用FIFO的工作方式；

步骤306，判断当前控制状态下是否包含了当前事件的处理，是，则执行步骤307，否，则返回步骤301；

步骤307，判断当前事件是否引起状态的转移，是，则执行步骤308，否，则执行步骤309；

步骤308，等待当前所有控制任务执行完毕，并执行状态转移动作；

步骤309，控制单元分配一个任务执行当前事件对应的控制脚本，脚本的标识采用脚本名，利用状态ID和事件ID 生成。

再进一步优选的技术方案为，当对设置了脚本管理器的基于有限自动机的自动控制系统进行控制时，若有控制规则需要修改，则在不停止控制系统工作的情况下，通过所述脚本管理器修改相应的控制脚本内容。

对于控制脚本的修改方法，优选的技术方案为，控制脚本能够通过如下步骤进行在线修改：

步骤401，在配置工具上指定状态与事件，获取对应的控制脚本内容，配置工具与脚本管理器的连接通过B/S方式，或在本地采用C/S方式，配置工具端的控制脚本标识的生成算法与事件处理流程中的生产算法采用同一算法；

步骤402，通过配置工具在线修改脚本内容并提交给脚本管理器；

步骤403，脚本管理判断该控制脚本是否正在运行，是，则执行步骤404，否，则执行步骤405；

步骤404，等待ts秒，ts是脚本的运行的预留时间，设置为2~5秒；

步骤405，覆盖原脚本内容。

本发明的有益效果在于：

1.本发明通过引入自动机作为控制模型，可使控制系统对同一事件有不同的响应控制规则，扩展了系统的管理与控制能力，适用于宏观系统模型为有限自动机的控制系统。

2.本发明采用任务线程池实现多任务并发处理，使之能够并发处理不引起状态切换的并发事件，避免了自动机事件串行处理带来的问题，提高了处理效率，降低了控制响应时间。

3.本发明利用脚本管理器管理脚本，使系统管理员能够在不停止控制系统的情况下在线修改事件的响应控制规则。

本发明以有限自动机为系统的基本控制模型，并以脚本为载体来记录控制规则，提供了一种由事件触发并考虑系统状态因素的控制系统与方法，解决了一类离散事件系统的控制问题，能够保证控制规则与系统状态相适应。

附图说明

图1为本发明实施例的控制系统基本结构示意图。

图2为本发明实施例的有限自动机生成流程示意图。

图3为本发明实施例的事件处理流程示意图。

图4为本发明实施例的脚本修改控制示意图。

具体实施方式

为进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的基于有限自动机的自动控制系统及其控制方法的具体实施方式、结构、特征及其功效进行详细说明。

首先，对本发明提供的基于有限自动机的自动控制系统的结构进行说明：图1是本发明所涉及的控制系统的基本结构示意图，它包括：数据库102、控制单元103和配置工具101。另外，图中，被控系统105的内部包含有多个数据传感器，以及相应的控制动作执行器。当需要修改控制规则时，增设脚本管理器104，用以实现在不停止控制系统的情况下，通过脚本进行在线修改来修改控制规则。

配置工具101，配置工具是事件信息维护、状态信息维护、控制脚本编辑的统一入口，它通过对数据库中事件信息表和状态信息表的操作来对自动机模型进行建模；另外，它通过脚本管理器的脚本管理接口可以获取、提交控制脚本的内容。

数据库102，数据库内预先保留了系统各个数据点的标识和类型；另外还保留了自动机模型的建模数据，主体为事件信息表与状态信息表。

控制单元103，控制单元是接收数据和发起控制动作的主体。其中事件队列子模块1031起事件缓冲的作用；自动机引擎子模块1032为系统抽象控制模型的表示点和作用点；脚本解释器子模块1033负责解释并执行控制脚本；任务线程池子模块1034具有起到多任务并发控制的功能。

脚本管理模器104，脚本管理模器的作用是维护控制脚本的在线编辑和修改。

被控系统105，被控系统为抽象的控制客体，至少具有数据上报和控制事件接收的功能。

接下来，对本发明提供的基于有限自动机的自动控制系统的控制方法进行说明，该控制方法包括下述步骤：

第一步，建立事件信息表：给系统内的数据点配置该点上的事件触发条件，并指定事件ID，事件ID为全局唯一的。

第二步，建立状态信息表：给控制模型定义状态并指定各个状态的标识，状态ID全局唯一；指定各个状态下应当处理的事件；指定控制模型状态间的转移触发事件。控制模型的定义和系统宏观自动机模型在语义上保持一致。

第三步，根据受控系统的功能需求得出受控系统的控制规则，以脚本的形式定义各个控制模型状态下事件的响应控制规则，以及控制模型状态间的转移动作。

第四步，根据定义好的事件和状态信息生成可运行的自动机代码。

第五步，对事件进行处理：当任意数据点数据发生异常触发了事件，控制系统捕获事件，根据模型当前所处的状态找到事件对应的控制脚本，按照控制脚本的内容执行相应的控制动作；若该事件引起状态切换，执行相应的转移动作并将状态切换至下一状态。

第六步，若有控制规则需要修改，则在不停止控制系统工作的情况下，通过脚本管理器修改相应的控制脚本内容。

上述步骤中，第一步至第四步描述的为，通过本实施例所提供的基于有限自动机的自动控制系统生成有限自动机的过程；第五步描述的为本控制方法对事件进行处理的工作流程。

对于有限自动机的生成流程，更加详细的描述如图2所示，图2给出的是本实施例有限自动机的生成流程示意图，该流程具体包括的如下步骤：

步骤201，新建状态机对象。状态机对象内包含一个容器用于保存状态机的状态对象。

步骤202，顺序查询状态信息表中的状态ID。从前往后依次对各个状态进行处理，且不重复处理。

步骤203，新建状态对象。与状态信息表中的一个状态相对应。状态对象包含状态下事件的处理信息。

步骤204，顺序查询当前状态ID包含的事件ID。以状态ID为查询条件，用基本的数据库操作语言即可。

步骤205，根据状态ID和事件ID生成对应的控制脚本名称。这里的控制脚本ID与图4中的控制脚本ID概念一致，一般采用脚本名称作为ID。ID的生产算法需要满足两个条件：同样的输入产生同样的输出，不同的输入产生不同的输出。

步骤206，构造一个<事件ID，控制脚本，转换状态>的描述符，并将该描述符添加到状态对象。控制脚本即为控制脚本ID，转换状态为转换后的状态ID，若不发生状态转换，则该字段为空。

步骤207，判断当前状态下是否还有其它事件。若否，则返回步骤204；若否，则执行步骤208。

步骤208 ，将当前状态对象添加到状态机对象。表示状态机内新增了一个状态，同时该状态已经包含了基本的事件处理信息。

步骤209，判断状态信息表中是否还有其它状态。若是，则返回步骤202；若否，则执行步骤210。

步骤210，启动生成的状态机。此时表明全部状态都已添加到状态机对象中，另外状态信息表内有一条记录专门指明控制模型的初始状态，即将当前状态指向该初始状态，控制中心开始接收数据和事件。

对事件进行处理的工作流程，更加详细的描述如图3所示，图3给出了本实施例事件处理流程图，单独使用了一个线程来进行事件的处理，该流程具体包括的如下步骤：

步骤301，接收数据点上报的数据。接收方式是阻塞式的，数据点上报数据时同时包含该数据点的标识。

步骤302，查找事件信息表是否对该点定义了事件触发。通过基本的数据库查询语言，根据数据点标识来查询事件信息表中是否有该点的记录。若有记录，则执行步骤303；若没有，则返回步骤301。

步骤303，判断是否触发了事件。事件触发方式可以有多种，对于模拟量一般有超上限触发、超下限触发，数字量有1值触发、0值触发、变化触发。但只需根据事件信息表中的触发方式字段来判断是否触发了指定的事件，若是，则执行步骤304；若否，则返回步骤301。

步骤304，将事件上报控制中心。为了在前一事件尚未处理的情况下新的事件到来被丢失，控制中心具有事件缓冲的功能。

步骤305，控制中心从事件缓冲队列取出事件。事件缓冲队列采用FIFO的工作方式。

步骤306，判断当前控制状态下是否包含了当前事件的处理。若是，则执行步骤307，若否，则返回步骤301。

步骤307，判断当前事件是否引起状态的转移。若是，则执行步骤308；若否，则执行步骤309。

步骤308，等待当前所有控制任务执行完毕，并执行状态转移动作。控制中心内部包含脚本的解释器，还包含一个任务池，用于控制脚本的并发运行。

步骤309，控制中心分配一个任务执行当前事件对应的控制脚本。脚本的标识一般采用脚本名，利用状态ID和事件ID 生成。

附图4给出了控制脚本的在线修改流程，该流程具体包括的如下步骤：

步骤401，在配置工具上指定状态与事件，获取对应的控制脚本内容。为了方便，配置工具与脚本管理器的连接可以通过B/S的方式，也可以在本地采用C/S方式。另外配置工具端的控制脚本标识的生成算法必须与图3中的生产算法采用同一算法。

步骤402，通过配置工具在线修改脚本内容并提交给脚本管理器。在配置工具端可以任意修改脚本的内容，只需要符合脚本语法和控制语义即可。

步骤403，脚本管理判断该控制脚本是否正在运行。若是，则执行步骤404；若否，则执行步骤405。

步骤404，等待ts秒。脚本正在运行，不能直接修改，否则会引起不安全的行为。ts是脚本的运行的预留时间，一般设置为2~5秒。

步骤405，覆盖原脚本内容。此时脚本没有运行，可以进行安全的修改操作。

事件定义保存在数据库中，事件信息表的记录格式包含以下字段：事件ID、数据点ID、事件触发方式；所述状态定义保存在数据库中，状态信息表的记录格式包含以下字段：状态ID、事件ID、下一状态标识。

控制规则的载体为控制脚本，控制脚本的内容可以通过一个编辑工具在线修改，首先判断被修改的控制脚本是否正在被使用，若没有则直接覆盖；若原控制脚本正在运行，则等待运行完毕后再覆盖。

对于事件的处理，若当前事件不引起状态切换，采用多任务并发的方式对事件并发处理；若当前事件引起状态切换，则等待控制任务全部执行完毕再处理当前事件。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于有限自动机的自动控制系统，包括控制单元，所述控制单元包括事件队列和任务线程池，其特征在于，还包括配置工具和数据库，所述控制单元还包括自动机引擎和脚本解释器，所述自动机引擎为系统抽象控制模型的表示点和作用点；

所述数据库中包括事件信息表和状态信息表，所述事件信息表中预先设置系统各个数据点的表示和类型，所述状态信息表中预先设置自动机模型的建模数据；

控制单元分别与数据库、配置工具，以及被控系统连接；

所述配置工具为配置模块、输入模块与显示模块的集中体，配置工具还与数据库连接。

2.如权利要求1所述的基于有限自动机的自动控制系统，其特征在于，事件定义保存在所述数据库中，所述事件信息表的记录格式包含以下字段：事件ID、数据点ID、事件触发方式；状态定义保存在所述数据库中，所述状态信息表的记录格式包含以下字段：状态ID、事件ID、下一状态标识。

3.如权利要求1或2所述的基于有限自动机的自动控制系统，其特征在于，还包括脚本管理器，所述脚本管理器分别与所述配置工具及所述控制单元连接。

4.一种基于有限自动机的自动控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，生成有限自动机：首先，在数据库中建立事件信息表：给系统内的数据点配置该点上的事件触发条件，并指定事件ID，事件ID为全局唯一的，接下来，建立状态信息表：给控制模型定义状态并指定各个状态的标识，状态ID全局唯一，指定各个状态下应当处理的事件，指定控制模型状态间的转移触发事件，控制模型的定义和系统宏观自动机模型在语义上保持一致，然后，以脚本的形式定义各个控制模型状态下事件的响应控制规则，以及控制模型状态间的转移动作，最后，根据定义好的事件和状态信息生成可运行的自动机代码；

第二步，对事件进行处理：当任意数据点数据发生异常触发了事件，控制系统捕获事件，根据模型当前所处的状态找到事件对应的控制脚本，按照控制脚本的内容执行相应的控制动作；若该事件引起状态切换，执行相应的转移动作并将状态切换至下一状态。

5.如权利要求4所述的基于有限自动机的自动控制系统的控制方法，其特征在于，第一步，生成有限自动机的过程包括如下步骤：

步骤201，新建状态机对象，状态机对象内包含一个用于保存状态机的状态对象的容器；

步骤202，顺序查询所述数据库中状态信息表中的状态ID，从前往后依次对各个状态进行处理，且不重复处理；

步骤203，新建状态对象，与状态信息表中的一个状态相对应，状态对象包含状态下事件的处理信息；

步骤204，以状态ID为查询条件，用基本的数据库操作语言顺序查询当前状态ID包含的事件ID；

步骤205，根据状态ID和事件ID生成对应的控制脚本名称，采用脚本名称作为ID，ID的生产算法需要满足两个条件：同样的输入产生同样的输出，不同的输入产生不同的输出；

步骤206，构造一个<事件ID，控制脚本，转换状态>的描述符，并将该描述符添加到状态对象，其中，控制脚本即为控制脚本ID，转换状态为转换后的状态ID，若不发生状态转换，则该字段为空；

步骤207，判断当前状态下是否还有其它事件，是，则返回步骤204；否，则执行步骤208；

步骤208，将当前状态对象添加到状态机对象，表示状态机内新增了一个状态，同时该状态已经包含了基本的事件处理信息；

步骤209，判断状态信息表中是否还有其它状态，是，则返回步骤202；否，则执行步骤210；

步骤210，启动生成的状态机，此时表明全部状态都已添加到状态机对象中，另外状态信息表内有一条记录专门指明控制模型的初始状态，即将当前状态指向该初始状态，控制中心开始接收数据和事件。

6.如权利要求4或5所述的基于有限自动机的自动控制系统的控制方法，其特征在于，第二步，对事件进行处理的过程包括如下步骤：

步骤301，接收数据点上报的数据，若接收方式是阻塞式的，数据点上报数据时同时包含该数据点的标识；

步骤302，查找事件信息表是否对该点定义了事件触发：通过基本的数据库查询语言，根据数据点标识来查询事件信息表中是否有该点的记录，若有记录，则执行步骤303；若没有，则返回步骤301；

步骤303，判断是否触发了事件：根据事件信息表中的触发方式字段来判断是否触发了指定的事件，若是，则执行步骤304；若否，则返回步骤301；

步骤304，将事件上报控制单元，存入控制单元的事件队列中对事件进行缓冲；

步骤305，控制单元从事件缓冲队列取出事件，事件缓冲队列采用FIFO的工作方式；

步骤306，判断当前控制状态下是否包含了当前事件的处理，是，则执行步骤307，否，则返回步骤301；

步骤307，判断当前事件是否引起状态的转移，是，则执行步骤308，否，则执行步骤309；

步骤308，等待当前所有控制任务执行完毕，并执行状态转移动作；

步骤309，控制单元分配一个任务执行当前事件对应的控制脚本，脚本的标识采用脚本名，利用状态ID和事件ID 生成。

7.如权利要求4或5所述的基于有限自动机的自动控制系统的控制方法，其特征在于，当对权利要求3所提供的基于有限自动机的自动控制系统进行控制时，若有控制规则需要修改，则在不停止控制系统工作的情况下，通过所述脚本管理器修改相应的控制脚本内容。

8.如权利要求6所述的基于有限自动机的自动控制系统的控制方法，其特征在于，当对权利要求3所提供的基于有限自动机的自动控制系统进行控制时，若有控制规则需要修改，则在不停止控制系统工作的情况下，通过所述脚本管理器修改相应的控制脚本内容。

9.如权利要求7所述的基于有限自动机的自动控制系统的控制方法，其特征在于，控制脚本能够通过如下步骤进行在线修改：

步骤401，在配置工具上指定状态与事件，获取对应的控制脚本内容，配置工具与脚本管理器的连接通过B/S方式，或在本地采用C/S方式，配置工具端的控制脚本标识的生成算法与事件处理流程中的生产算法采用同一算法；

步骤402，通过配置工具在线修改脚本内容并提交给脚本管理器；

步骤403，脚本管理判断该控制脚本是否正在运行，是，则执行步骤404，否，则执行步骤405；

步骤404，等待ts秒，ts是脚本的运行的预留时间，设置为2~5秒；

步骤405，覆盖原脚本内容。

10.如权利要求8所述的基于有限自动机的自动控制系统的控制方法，其特征在于，控制脚本能够通过如下步骤进行在线修改：

步骤401，在配置工具上指定状态与事件，获取对应的控制脚本内容，配置工具与脚本管理器的连接通过B/S方式，或在本地采用C/S方式，配置工具端的控制脚本标识的生成算法与事件处理流程中的生产算法采用同一算法；

步骤402，通过配置工具在线修改脚本内容并提交给脚本管理器；

步骤403，脚本管理判断该控制脚本是否正在运行，是，则执行步骤404，否，则执行步骤405；

步骤404，等待ts秒，ts是脚本的运行的预留时间，设置为2~5秒；

步骤405，覆盖原脚本内容。

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