JP7199565B2 - 制御プラント及び記憶媒体のためのネットワーク制御システム、方法 - Google Patents

Description

本発明は、包括的には、制御システムに関し、より詳細には、無線ネットワークを介して送信された制御コマンドを用いてプラントを制御するように適応されたネットワーク化制御システム（networked control system）に関する。

ネットワーク化制御システム（ＮＣＳ）は、制御ループが無線通信ネットワークを通して閉じている制御システムである。ＮＣＳを定義付ける特徴は、制御信号及びフィードバック信号が、無線ネットワークを通して、情報パケットの形式でシステムの構成要素間で交換される、ということである。

ＮＣＳは、サイバー空間を物理空間に接続し、長距離からのいくつかのタスクの実行を可能にする能力を有する。さらに、ネットワーク化制御システムは、不要な配線をなくし、制御システムを設計及び実施する際の複雑度及び全体コストが削減される。ネットワーク化制御システムは、比較的低コストで、且つ構造を大幅に変更することなくセンサー、アクチュエーター及びコントローラーを追加することによって改変又はアップグレードすることもできる。その上、それらのコントローラー間でのデータの効率的な共有を特徴として有することで、ＮＣＳは、大きい物理空間に対して知的判断を行うために大域的情報を融合することが可能である。

それらの潜在的な応用は、多数に上り、広範な産業、例えば、宇宙及び地上探査（space and terrestrial exploration）、有害環境におけるアクセス、ファクトリーオートメーション、遠隔診断及びトラブルシューティング、実験施設、家庭用ロボット、航空機、自動車、製造プラント監視、ナーシングホーム（nursing homes：福祉施設）並びに遠隔運用を包含する。ＮＣＳの潜在的な応用が多数に上る一方で、実証された応用はほとんどなく、ＮＣＳの分野における現実の機会は、この分野の潜在的可能性を実現する開発途上の実世界の応用におけるものである。

インターネットの出現及び発展と、それに組み合わされたＮＣＳによって提供される利点とは、世界中の研究者の関心を集めた。それらの利点とともに、いくつかの難題も生じ、多くの重要な研究課題が生まれた。フィードバック制御ループ内への通信ネットワークの挿入は、ＮＣＳの解析及び設計を複雑にする。なぜならば、この挿入は、制御ループにおける追加の時間遅延又はパケット喪失の可能性を課すためである。

そのために、実用的なＮＣＳ応用は、リモートコントローラーを慎重に用いる。例えば、非特許文献１によって記述されているシステムは、リモートコントローラーを基準プロバイダーとしてのみ提供する。そのようなリモートコントローラーは、安定した制御ループが最適なプロセス動作のための基準入力を提供するために必要な速度よりもはるかに低速で稼働する。さらに、そのようなリモートコントローラーは、閉ループ制御システムの過渡を成形するために有する権限が不十分であり、それゆえ、性能損失を引き起こす可能性がある。

Y. Tipsuwan及びM.-Y. Chow, 「Control methodologies in networked control systems」

したがって、ＮＣＳとして実行するように適応された制御システムが依然として必要とされている。

いくつかの実施の形態の目的は、ネットワーク化制御システム（ＮＣＳ）を可能にするために無線ネットワークを介して制御コマンドを送信するのに適した制御システムを提供することである。１つの実施の形態の目的は、無線ネットワークを介して送信された制御コマンドのうちのいくつかが喪失した場合であっても、プラントの安定制御を確実にするそのような制御システムを提供することである。

いくつかの実施の形態は、ネットワーク化制御システム（ＮＣＳ）が２つの異なる技術、すなわち、無線通信及び制御システム技術の融合であるという認識に基づく。無線通信、又は時には単に無線は、導電体によって接続されていない２つ以上の点の間での情報の転送である。多くの一般的な無線技術は、電波を使用する。制御システムは、制御ループを用いて他のプラント、デバイス又はシステムの挙動を管理し、命令し、指示し又は調整する。制御システムは、フィードバック信号を用いてプロセス又は動作を自動的に制御することができる。例えば、制御システムは、制御されているプロセス変数（ＰＶ：process variable）の値又はステータスを目標値（desired value）又は設定値（ＳＰ）と比較し、その差を制御信号として適用して、プラントのプロセス変数出力を設定値と同じ値にする。

無線通信及び制御システムは、独立した技術であり、すなわち、一方の技術は他方の技術なしに使用することができ、通常、使用される。そのために、各技術の性能を確保するために、例えば、無線通信に対するパケット配信又は制御システムに対する効率的なフィードバック制御を確実にするために、多くの技法が開発されている。しかしながら、それらの技法の全ては互いに独立しており、これらの技術の独立性及び歴史を考慮すると驚くべきものとはならないはずである。

いくつかの実施の形態は、ＮＣＳがこれらの２つの技術を融合するため、各技術の性能を確保する独立した技法もまた互いに融合されて共通の性能を増大させることができる、という理解に基づく。例えば、無線送信の性能は、送信中の廃棄された、すなわち、配信されなかったパケットの数の関数である。対照的に、コントローラーの性能は、被制御プラントの制御変数のその基準値からの偏差の関数である。いくつかの実施の形態は、これらの性能指数を、被制御プラントの制御変数のその基準値からの偏差の関数として無線送信の性能を判断することにより、融合することができる、という理解に基づく。こうした融合により、制御システムの性能を向上させるために無線送信の性能を向上させる技法を開発することができる。

例えば、無線送信の不十分な性能を改善する１つの技法は、送信パケットの数を増加させることである。廃棄されるパケットが多いほど、配信を確実にするために多くのパケットを送信する必要がある。廃棄されるパケットの数は、様々なネットワーク技法を用いて推定することができ、例えば、受信側によって送信される確認応答受信から推定することができる。いくつかの実施の形態は、ネットワーク技法に対してさらに又は代替的に、制御技法を用いて、すなわちコントローラーの性能に基づいて、送信パケットの数を推定することができ、すなわち、性能が不十分であるほど、より多くのパケットを送信する必要がある、という理解に基づく。これは、コントローラーの不十分な性能に対する１つの理由が、無線送信の不十分な性能であり得るためである。さらに、被制御システムの安定性を確保するために、確実なパケット配信は、基準信号を正確に追跡するように対処するコントローラーよりも、十分に機能していないコントローラーにとってより重要である。

そのために、いくつかの実施の形態は、制御変数の現状態を示すフィードバック信号を受信するように構成された受信機と、制御変数の基準状態と制御変数の現状態との差の関数として決定される制御誤差に基づいて制御コマンドを決定するように構成されたコントローラーと、無線送信に好適なパケットの形式で制御コマンドをラッピングするとともに、パケットの無線送信を実施する必要がある回数を決定するように構成され、制御誤差の関数に基づいてパケットの無線送信の回数を決定するコントローラー状態観測器と、状態観測器によって決定された回数、無線リンクを介してパケットを送信するように構成された送信機とを備えるＮＣＳを開示する。

有利には、コントローラー性能に基づくパケットの送信率の決定により、ネットワーク輻輳を低減させることができる。多くの状況において、無線リンクの品質は、コントローラーの性能の低下に対する主な原因である。しかしながら、無線リンクの品質が不十分であることに起因してパケットが廃棄されるとき、パケット送信は自動的に増加しない。こうした廃棄が制御性能に悪影響を与える場合にのみ、パケットが送信される回数が増加する。

さらに又は代替的に、いくつかの実施の形態は、コントローラーの性能が、コントローラーと被制御プラントとの間の無線リンクの品質の指標であるという認識に基づく。このため、コントローラーの性能に基づく送信率の決定により、ネットワーク輻輳を更に低減させるためにネットワークプロトコルの確認応答受信に対する必要を低減させるか又は更にはなくすことができる。これらの実施の形態では、無線通信とシステム制御技術との融合により、制御のフィードバック信号は、ネットワーク送信のフィードバック信号の指標である。

例えば、いくつかの実施の形態では、状態観測器は、制御誤差に基づいてコントローラーとプラントとの間の無線リンクの品質を判断し、無線リンクの品質に基づいてパケットの無線送信の回数を決定する。実際には、この実施の形態は、無線通信の性能を、その性能を推定する必要なしに向上させるように開発された様々な技法を用いることができる。

さらに又は代替的に、いくつかの実施の形態では、ＮＣＳは、被制御プラントの組の全体的な制御誤差を最小化することを目標とする最適化問題を解くことにより、種々の被制御プラントに対してパケットの無線送信の回数を決定するように構成されたスケジューラーを含む。これらの実施の形態は、各個々の制御ではなく種々のプラントの全体的な制御の利点を認識することに基づく。

例えば、１つの実施態様では、スケジューラーは、大きい制御誤差がある被制御プラントに対するパケットほど、より早期の送信の時間が割り当てられるように、被制御プラントの制御誤差の順序に対応する順序で種々の被制御プラントに対するパケットの送信の時間を選択する。この実施態様は、発見的であり、所望の結果を達成するように実施するのが比較的単純である。

さらに又は代替的に、いくつかの実施の形態は、パケット送信をスケジューリングするようにコントローラーの性能の使用を拡張する。これらの実施の形態は、制御のレイテンシーを改善するためにパケットの送信の時間も重要であるという認識に基づく。例えば、いくつかの実施の形態では、ＮＣＳは、一組のプラントを一組の対応する制御誤差に基づいて制御する。このため、ＮＣＳは、被制御プラントの優先度をそれらの対応する制御誤差に基づいて決定し、決定した優先度に従って種々の被制御プラントに対してパケットの送信のスケジュールを決定して、送信機がこのスケジュールに従って各パケットを送信するようにするように構成された、スケジューラーを含む。

例えば、１つの実施態様では、スケジューラーは、優先度が制御誤差によって決定されるようにソート及び拡散に基づいて送信時間をスケジューリングし、大きい制御誤差を有する制御ループほど早期に送信するようにスケジューリングされ、小さい制御誤差を有する制御ループほど後に送信するようにスケジューリングされるようにする。さらに、送信信頼度を上昇させるために、スケジューリング期間において制御ループに対して複数回の送信がスケジューリングされる場合、これらの送信は、連続的なタイムスロットで発生しないように拡散する。

様々な実施態様において、スケジューラーは、異なるパケット送信に対して異なる回数を割り当てるのに柔軟である。例えば、次のスケジューリング期間におけるタイムスロットの数よりも送信すべきパケットが多いという状況があり得る。この状況では、スケジューラーは、種々のプラントに送信されるパケットの数を減少させることができる。１つの実施の形態では、スケジューラーは、各被制御プラントに対して少なくとも１つのパケットをスケジューリングしようと試みる。しかしながら、別の実施の形態では、スケジューラーは、この目標を有していない。例えば、状況によっては、例えば、少なくとも１つの次のスケジューリング期間に対して、スケジューラーは、第１の被制御プラントに対して複数回のパケット送信を決定し、第２の被制御プラントに対して少なくとも１回のパケット送信を決定する。しかしながら、スケジューラーは、次のスケジューリング期間に対して、第１の被制御プラントに対する複数回のパケット送信と第２の被制御プラントに対するゼロ回のパケット送信とを含むようにスケジュールを決定することができる。

さらに又は代替的に、一組のプラントを制御する必要があるいくつかの実施の形態において、ネットワーク化制御アーキテクチャを形成する一組のＮＣＳがある。これは、種々のプラントが互いに距離をおいて配置されている可能性があり、各ＮＣＳを、対応するプラントに近接して配置するようにスタンドアロンデバイスとして展開することがより好都合であるため、有利である。それらの実施の形態では、スケジューラーは、一組のＮＣＳと通信する分離されたデバイスとして、又は１つ若しくは複数のＮＣＳの一部として実装することができる。全ての状況において、スケジューラーは、各ＮＣＳのパケットに対する送信の時間を決定し、スケジュールに従って送信するように各ＮＣＳの送信機に命令する。

したがって、１つの実施の形態は、無線リンクを介してプラントの制御変数の現状態を示すフィードバック信号を受信するように構成された受信機と、制御変数の基準状態と制御変数の現状態との制御誤差に基づいて制御コマンドを決定するように構成されたコントローラーと、制御誤差の関数に基づき、無線リンクを介して制御コマンドを含むパケットを送信する必要がある送信回数を決定するように構成されたプロセッサと、上記送信回数、無線リンクを介してパケットを送信するように構成された送信機とを備える、少なくとも１つのプラントを制御するネットワーク化制御システム（ＮＣＳ）を開示する。

別の実施の形態は、無線リンクを介して少なくとも１つのプラントを制御する方法を開示し、本方法は、本方法を実施する記憶された命令と結合されるプロセッサを使用し、上記命令は、上記プロセッサによって実行されると、上記方法の少なくともいくつかのステップを実行する。上記方法は、無線リンクを介してプラントの制御変数の現状態を示すフィードバック信号を受信することと、制御変数の基準状態と制御変数の現状態との制御誤差に基づいて制御コマンドを決定することと、制御誤差の関数に基づき、無線リンクを介して制御コマンドを含むパケットを送信する必要がある送信回数を決定することと、上記送信回数、無線リンクを介してパケットを送信することとを含む。

更に別の実施の形態は、方法を実施するプロセッサによって実行可能なプログラムが具現化された非一時的コンピューター可読記憶媒体を開示し、上記方法は、無線リンクを介してプラントの制御変数の現状態を示すフィードバック信号を受信することと、制御変数の基準状態と制御変数の現状態との制御誤差に基づいて制御コマンドを決定することと、制御誤差の関数に基づき、無線リンクを介して制御コマンドを含むパケットを送信する必要がある送信回数を決定することと、上記送信回数、無線リンクを介してパケットを送信することとを含む。

例示的な実施形態によって用いられるいくつかの原理の概略図である。 いくつかの実施形態による、動作を実行するプラントを制御する制御システムのブロック図である。 いくつかの実施形態による、制御誤差の値を、その制御誤差を補正するために決定される制御コマンドを含むパケットの送信の回数の値にマッピングするプロットである。 １つの実施形態によるコントローラーの全体的な構造を示す図である。 １つの実施形態による、無線ネットワーク化制御システム（ＮＣＳ）の動作の原理を示す概略図である。 いくつかの実施形態によって用いられる原理を示す概略図である。 いくつかの実施形態によって用いられる原理を示す概略図である。 いくつかの実施形態によって決定される制御誤差の値とリンク品質との関係曲線を示す図である。 例示的な実施形態によるスケジューリング期間におけるネットワーク制御ループの機能ブロック図である。 ８つの制御ループと同様に８つのタイムスロットを含むスケジューリング期間とを含む１つの実施形態の無線ネットワーク化制御システムの一例を示す図である。 １つの実施形態によるソートベースのタイムスロット割当の一例を示す図である。

図１Ａは、例示的な実施形態によって用いられるいくつかの原理の概略図を示す。いくつかの実施形態は、ネットワーク化制御システム（ＮＣＳ）が２つの異なる技術、すなわち、無線通信と制御システム技術との融合である、という認識に基づく。無線通信及び制御システムは、独立した技術であり、すなわち、一方の技術は他方の技術なしに使用することができ、通常、使用される。そのために、各技術の性能を確保するために、例えば、無線通信に対するパケット配信又は制御システムに対する効率的なフィードバック制御を確実にするために、種々の技法が開発されている。しかしながら、それらの技法の全ては互いに独立しており、これらの技術の独立性及び歴史を考慮すると驚くべきものとはならないはずである。

いくつかの実施形態は、ＮＣＳがこれらの２つの技術を融合するため、ネットワーク性能１０１及び制御性能１０２を確保する独立した技法もまた互いに融合されて結合した性能１０３を増大させることができる、という理解に基づく。例えば、無線送信の性能１０１は、無線リンクの品質、例えば、送信中の廃棄された、すなわち、配信されなかったパケットの数の関数である。対照的に、コントローラーの性能は、被制御プラントの制御変数のその基準値からの偏差の関数である。いくつかの実施形態は、これらの性能指数を、被制御プラントの制御変数のその基準値からの偏差の関数として無線送信の性能を判断することにより、融合することができる、という理解に基づく。こうした融合により、制御システムの性能を向上させるために無線送信の性能を向上させる技法を開発することができる。

例えば、無線送信の不十分な性能を改善する１つの技法は、送信パケットの数を増加させることである（１０４）。廃棄されるパケットが多いほど、配信を確実にするために多くのパケットを送信する必要がある。廃棄されるパケットの数は、様々なネットワーク技法を用いて推定することができ、例えば、受信側によって送信される確認応答受信から推定することができる。いくつかの実施形態は、ネットワーク技法に対してさらに又は代替的に、制御技法１０５を用いて、すなわち、制御の誤差によって示されるコントローラーの性能に基づいて、送信パケットの数を推定することができる、という理解に基づく。例えば、制御誤差が大きいほど、より多くのパケットが送信される。これは、コントローラーの不十分な性能に対する１つの理由が、無線送信の不十分な性能であり得るためである。さらに、被制御システムの安定性を確保するために、確実なパケット配信は、基準信号を正確に追跡するように対処するコントローラーよりも、十分に機能していないコントローラーにとってより重要である。そのために、いくつかの実施形態のＮＣＳは、プラントの制御誤差の関数に基づいて決定される回数、制御コマンドをリモートプラントに送信する。例えば、制御誤差は、プラントの現状態とプラントの目標状態との差として、及び／又は制御変数の現在値と制御変数の基準値との差として表すことができる。実際には、制御誤差に基づいて決定される回数、制御コマンドを送信することにより、必要なネットワークオーバーヘッドの増大のみでコントローラーの性能が増大する。

図１Ｂは、いくつかの実施形態による、動作を実行するプラントを制御する制御システム１００のブロック図を示す。システム１００の構成要素は、システム１００の種々の構成について変動し得る。構成要素は、プロセッサによって実行されるソフトウェア構成要素、ハードウェア構成要素、又はこれらの組み合わせとして実施することができる。制御システム１００は、システム１００を他のシステム及びデバイスに接続する複数のインターフェースを有することができる。ネットワークインターフェースコントローラー１５０が、バス１０６を通じて、制御システム１００を、１つ又は複数の被制御プラント１９５に接続するネットワーク１９０にシステム１００を接続するように適応される。いくつかの実施態様では、システム１００内のヒューマンマシンインターフェース１１３が、システムをキーボード１１１及び／又はポインティングデバイス１１２に接続し、ポインティングデバイス１１２は、とりわけ、マウス、トラックボール、タッチパッド、ジョイスティック、ポインティングスティック、スタイラス、又はタッチスクリーンを含むことができる。

システム１００は、制御変数の基準状態と制御変数の現状態との制御誤差に基づいてプラント１９５を制御する制御コマンドを決定するように構成されたコントローラー１７０を備える。インターフェース１１３又はＮＩＣ１５０を通じて、システム１００は、コントローラー１７０に対する構成値を受信することができる。構成値の例としては、プラント１９５に対する制御ポリシー、プラントを制御する制御目的、プラントを制御する基準軌跡が挙げられる。

システム１００は、有線又は無線リンク、例えばネットワーク１９０を介して、プラントの制御変数の現状態を示すフィードバック信号を受信するように構成された受信機１６０を備えることができる。システム１００は、制御コマンドをプラントに送信するように構成された送信機１８０を備えることができる。通常、送信機は、制御コマンドを含むパケットを送信する。パケットは、様々な無線ネットワーク送信標準規格に従って編成される。送信機は、必要な場合にパケットを複数回送信することができる。

システム１００は、記憶された命令を実行するように構成されたプロセッサ１２０とともに、プロセッサによって実行可能である命令を記憶するメモリ１４０を備える。プロセッサ１２０は、シングルコアプロセッサ、マルチコアプロセッサ、コンピューティングクラスター又は任意の数の他の構成とすることができる。メモリ１４０は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ又は他の任意の好適なメモリシステムを含むことができる。プロセッサ１２０は、バス１０６を通じて、１つ以上の入力デバイス及び出力デバイスに接続されている。これらの命令は、プラントを制御するネットワーク化制御システム（ＮＣＳ）方法の少なくともいくつかの構成要素及び／又はステップを実施する。

そのために、制御システム１００は、プロセッサを用いて実施される１つ又はいくつかの以下のモジュールを含む。モジュールは、制御変数の基準状態と制御変数の現状態との制御誤差を求める制御誤差推定器１３１を含む。いくつかの実施形態では、制御誤差は、プラントの状態を変更する制御コマンドを決定するためのみではなく、制御コマンドのネットワーク送信のパラメーターを決定するためにも用いられる。制御誤差推定器は、コントローラー１７０の一部として実装することができ、コントローラー１７０から独立して制御誤差を推定するスタンドアロンブロックとして用いることができ、及び／又はコントローラー１７０から制御誤差を受信する入力インターフェースを含むことができる。

モジュールは、無線リンクを介して制御コマンドを含むパケットを送信する必要がある送信回数を決定するように構成された状態観測器１３３を含む。状態観測器１３３は、制御誤差の関数に基づいて送信の回数を決定した。実際には、これにより、ネットワーク性能技法と制御性能技法とを融合してＮＣＳの全体的な性能を向上させることができる。

いくつかの実施形態では、状態観測器は、マッパー１３５に基づいて送信回数を決定する。マッパー１３５は、送信回数と制御誤差との様々な形式の関係を含むことができる。例えば、パケットの送信の回数は、制御誤差に比例する可能性がある。さらに又は代替的に、回帰関数を介して、種々の制御誤差の値を、その誤差を補正するために決定された制御コマンドを含むパケットの送信の回数にマッピングすることができる。

図１Ｃは、いくつかの実施形態による、制御誤差の値を、その制御誤差を補正するために決定された制御コマンドを含むパケットの送信の回数の値にマッピングする（１４５）プロットを示す。例えば、制御誤差推定器１３１が制御誤差を決定すると（１４６）、状態観測器１３３は、マッピング１４５を有するマッパー１３５を用いて、送信の回数を決定する（１４７）。

ネットワークアダプター１３６は、無線送信に対して好適なパケットの形式で制御コマンドをラッピングし、送信機１８０は、上記送信回数、無線リンクを介してパケットを送信する。例えば、いくつかの実施形態では、ネットワーク１９０は、ＷｉＦｉ、ＩＳＡ１００、ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ及びＺｉｇＢｅｅ等の種々の標準規格を用いて実装される無線ネットワークである。それらの実施形態では、ネットワークアダプター１３６は、対応する標準規格によるパケットの形式で制御コマンドをラッピングする。

コントローラー１７０は、様々な制御技法を用いて実装することができる。例えば、１つの実施形態では、コントローラー１７０は、制御ループフィードバック制御を実施する比例積分微分コントローラー（ＰＩＤコントローラー）である。ＰＩＤコントローラーは、連続的に、目標設定値（ＳＰ）と測定されたプロセス変数（ＰＶ）との差として制御誤差ｅ（ｔ）を計算し、比例項、積分項及び微分項に基づいて補正を適用する。

さらに又は代替的に、１つの実施形態では、コントローラー１７０は、モデル予測制御（ＭＰＣ）等の最適化ベース制御及び推定技法を用いる。ＭＰＣは、システムのモデルの実時間有限ホライズン最適化に基づく。ＭＰＣは、将来の事象を予測し、適切な制御措置を講じることができる。これは、制約を条件とする将来の有限時間ホライズンにわたってシステムの動作を最適化し、現時間ステップにわたって制御を実施することのみによって達成される。

図１Ｄは、１つの実施形態によるコントローラー１７０の全体的な構造を示す。この実施形態では、コントローラー１７０は、スタンドアロンデバイスとして実装されている。さらに又は代替的に、コントローラー１７０は、プロセッサ１２０を用いて実装することができる。コントローラー１７０は、コントトーラーのモジュールを実行する少なくとも１つのプロセッサ１７３を含む。プロセッサ１７３は、プラント１１８のモデル１８２と、制御ポリシーを定義するコスト関数１８５と、任意選択的に、プラントの動作に対する制約１８４とを記憶するメモリ１７２に作動的に接続されている。コントローラー１７０は、モデル１８２とプラントの状態１６５とを用いて制約１８４を条件とするコスト関数１８５を最適化する制御ポリシーを用いて、制御コマンド１７５を決定する。例えば、制御コマンド１７５は、基準軌跡１９３を追跡するようにプラント１１８に命令するように決定することができる。コントローラーは、送信機１８０を介して制御コマンド１７５をプラント１９５に送信し、受信機１６０を用いて、プラント１９５のセンサーによって測定され且つプラント１９５の状態を示すフィードバック信号１６５を受信する。

図２Ａは、１つの実施形態による無線ネットワーク化制御システム（ＮＣＳ）２００の動作の原理を示す概略図である。この実施形態では、ＮＣＳ２００の動作は、１つ又は複数のコントローラー２１０と、コントローラーの１つ又は複数の状態観測器２２０と、ネットワークスケジューラー２３０と、アクチュエーター２４０と、１つ又は複数の物理的プラント２５０と、プラントの１つ又は複数のセンサー２６０と、無線通信ネットワーク２７０とによって可能となる。

この実施形態では、状態観測器は、コントローラーの機能ブロックであり、コントローラーに組み込むことができる。状態観測器は、制御システムにおけるその動作を強調するために別個に示されている。コントローラー側では、コントローラーの状態観測器２２０は、受信フィードバック信号

２１６に基づいて、現状態変数

２１８を計算又は観測する。現状態変数

２１８及び他の情報を用いて、コントローラー２１０は、新たな制御コマンドｕ２０５を生成する。スケジューリングされた送信時間において、コントローラー２１０は、無線通信ネットワーク２７０を介して制御コマンドｕを物理的プラント２５０のアクチュエーター２４０に送信する。物理的プラント側では、無線通信ネットワーク２７０のリンク品質に応じて、受信制御コマンド

２０６は、元の制御コマンドｕとは異なり得る。受信コマンド

を用いて、アクチュエーター２４０は、物理的プラント２５０の動作を指示する。物理的プラント２５０の動作中、センサー２６０は、プラント２５０のステータスを測定する。センサーは、無線通信ネットワーク２７０を介して、測定ステータスデータｙ２１５をコントローラー２１０に送信する。測定データｙ２１５は、制御システムにおいてフィードバック信号と呼ぶこともできる。送信フィードバック信号ｙ２１５もまた、受信フィードバック信号

２１６とは異なり得ることに留意されたい。

いくつかの実施態様では、無線通信ネットワーク２７０は、無線ネットワークコーディネーター２７２、アクチュエーターノード２７４及びセンサーノード２７６を含む。ネットワークコーディネーター２７２は、制御コマンドｕ２０５をアクチュエーターノード２７４に送信する。センサーノード２７６は、フィードバック信号ｙ２１５をネットワークコーディネーター２７２に送信する。破線矢印は、双方向であり得る無線リンクの方向ではなく、データトラフィックの流れ方向を示すものである。

全ての変数

、ｕ、

、ｙ及び

は、異なる次元及び異なるタイプの要素を有するベクトルであり得る。プロセス変数（ＰＶ）、制御変数及び状態変数は、同じであるとみなされ、状態変数

によって表すことができる。設定値、目標値及び基準値は、同じであるとみなされ、基準値によって表すことができる。

無線リンク品質変化は、典型的にランダムなプロセスである。その結果、無線通信ネットワークの性能指数もまたランダムなプロセスである。無線通信ネットワークの性能を測定するための種々の指数、例えば、パケット受信率（ＰＲＲ：packet receiving rate）、パケット廃棄率（packet drop rate）、ネットワークスループット等がある。無線通信ネットワークの異なる性能指数を向上させるための異なる技法がある。しかしながら、無線通信ネットワークの特定の性能指数を単に向上させることによって、必ずしも、対応するネットワーク化制御システム（ＮＣＳ）の性能が向上しない。

図２Ｂ及び図２Ｃは、いくつかの実施形態によって用いられる原理を示す概略図を示す。図２Ｂは、ネットワーク性能指数ＰＲＲを向上させることで制御性能が向上しない一例を示す。２リンクのスター型無線ネットワーク２９８において、一方のリンク２８１は９５％のＰＲＲを有し、他方のリンク２８２は５０％のＰＲＲを有する。無線ネットワークコーディネーター２８０は、２つのリンクを介してパケットを送信することができる。最高のネットワークＰＲＲを達成するために、ネットワークコーディネーター２８０は、９５％のネットワークＰＲＲを与える第１のリンク２８１のみを用いて、パケット２８３を送信することになる。しかしながら、この手法は、無線ネットワーク化制御システム（ＮＣＳ）では機能することができない。

図２Ｃは、２つの制御ループを有する、すなわち、２つの物理的プラントを制御する制御システム２９９の一例を示す。一方のプラントは、第１のリンク２８１を介して制御され、他方のプラントは、第２のリンク２８２を介して制御される。第１の制御ループは、第２の制御ループよりも良好に実施する。この場合、コントローラー２１０は、第２の制御ループの性能を向上させる必要がある。したがって、第２の制御ループに対してより多くのパケットを送信する必要がある。その結果、コントローラー２１０は、リンク２８１を介してより少ないパケット２８４を送信し、リンク２８２を用いてより多いパケット２８５を送信する。制御システムにおいて、ネットワークＰＲＲが高いほど必ずしも制御システム全体のより優れた性能をもたらすとは限らないため。

制御システムでは、制御ループは、プロセス変数（ＰＶ）を目標設定値（ＳＰ）で維持するように設計されたプロセス管理システムである。プロセス変数の値と目標設定値との偏差は、制御誤差とみなすことができる。無線ＮＣＳにおいて、制御誤差及び無線リンク品質は、反比例の関係にあり、すなわち、リンク品質が向上すると制御誤差が低減し、リンク品質が低下すると制御誤差が増大する。言い換えれば、大きい制御誤差ほど不十分なリンク品質を示し、小さい制御誤差ほど良好なリンク品質を示す。

図３は、いくつかの実施形態によって決定されるような、制御誤差の値とコントローラーをプラントと接続するリンクの品質との関係曲線３１０を示す。例えば、曲線３１０は、制御誤差及びリンク品質のプロセス変数に基づいてオフライン又はオンラインで求めることができる。無線通信ネットワークにおけるリンク品質を判断する種々の方法、例えば、送信中にリンク品質を測定するか又はリンク品質を予測する方法がある。特定の被制御プラントに対して、実験又はシミュレーションを介して、対応する関係曲線を得ることができる。

関係曲線３１０は、マッパー１３３が、状態観測器がパケット送信の回数を決定するのを支援するために使用することができる。例えば、いくつかの実施形態では、状態観測器は、制御誤差に基づいてコントローラーとプラントとの間の無線リンクの品質を判断し、無線リンクの品質に基づいて、パケットの無線送信の回数を決定する。実際には、この実施形態は、無線通信の性能をその性能を推定する必要なしに増大させるように開発された様々な技法を用いることができる。

単一制御ループの場合
無線ＮＣＳにおいて、コントローラーと物理的プラントとの間で、複数の制御ループを形成することができる。本発明の実施形態では、制御ループは、コントローラーと物理的プラントとの間の制御プロセスを指すように用いる。これは、制限でも仮定でもなく、単に説明の便宜上のものであることを理解されたい。

無線ＮＣＳにおいて、時間は、通常、スケジューリング期間又はスケジューリング間隔と称される周期的制御期間に分割され、それは更にタイムスロットに分割される。各制御期間において、コントローラー及びセンサーは、パケット衝突を回避するために専用の送信タイムスロットで送信を行う。したがって、タイムスロット割当が重要となる。制御ループの数、すなわち、物理的プラントの数に応じて、タイムスロット割当手法は異なる。

１つの制御ループのみを有する無線ＮＣＳでは、制御ループ間で共有する無線通信ネットワークはない。したがって、コントローラーの状態観測器は、制御誤差及びリンク品質関係曲線に基づいて、制御期間において制御コマンド又はセンサーデータを送信すべき回数を決定することができる。例えば、現制御誤差が０．５のパケット受信率（ＰＲＲ）を示す場合、制御コマンド及びセンサーデータは、制御コマンド及びセンサーデータがアクチュエーター及びコントローラーによってそれぞれ受信されるのを確率論的に確実にするように、２回送信される。送信回数が決定されると、コントローラーの状態観測器は、各送信に対してタイムスロットを割り当てることができる。具体的には、無線通信ネットワークコーディネーターの送信機は、割り当てられた送信タイムスロットで制御コマンドを２回送信するように構成される。そして、アクチュエーターは、制御コマンドを受信した後、プラントに指示する。センサーは、プラントステータスを測定し、割り当てられたタイムスロットでフィードバック信号を２回送信する。

複数制御ループの場合
しかしながら、無線ＮＣＳに２つ以上の制御ループがある場合、無線通信ネットワーク２７０は、複数の制御ループによって共有される。１つの制御ループのコントローラー状態観測器は、他の制御ループの制御誤差を知ることができない。言い換えれば、１つの制御ループのコントローラー状態観測器は、他の制御ループによって必要とされる送信回数を知ることができない。制御期間又はスケジューリング期間において、スロットの総数は一定である。全ての制御ループに対する送信回数の和は、制御期間において割り当てられたタイムスロットを超過し得る可能性がある。同時の送信により、パケット衝突がもたらされる可能性がある。

したがって、いくつかの実施形態は、最適な全体的な制御システム性能を達成するために、ネットワークスケジューラー２３０を用いて、割り当てられたタイムスロットを複数の制御ループ間でスケジューリングする。この場合、タイムスロットスケジューリングの決定は、単一制御ループの場合よりも複雑である。いくつかの実施形態は、タイムスロットが、全体的な制御システム性能を向上させるとともに全体的な制御誤差を低減させるようにスケジューリングされる、スケジューリング方法を提供する。

図４は、例示的な実施形態による、スケジューリング期間ｋにおけるネットワーク制御ループの機能ブロック図を示す。この例では、無線ネットワーク化制御システム（ＮＣＳ）において、制御ループ１、制御ループ２、．．．、制御ループＮとして示すＮ個の制御ループ（番号１、２、．．．、Ｎは制御ループＩＤを指す）、すなわち、Ｎ個のプラントがある。無線ＮＣＳの機能は、３つの構成要素、すなわち、制御ループ４００、無線通信ネットワーク２７０及びネットワークスケジューラー２３０に振り分けられる。

制御ループ４００は、コントローラー、アクチュエーター、プラント及びセンサーを含む。無線通信ネットワーク２７０は、無線ネットワークコーディネーターノード、アクチュエーターノード及びセンサーノードを含む。ネットワークスケジューラー２３０は、無線ＮＣＳの機能構成要素である。制御ループ４００は、制御コマンド及び検知データを生成し（４１０）、制御コマンド及びセンサーデータを受信し（４２０）、状態ベクトル

を観測し（４３０）、制御誤差を計算し（４４０）、制御誤差４４０及び測定されたリンク品質４６５を用いることによって、制御誤差対リンク品質マップ４５０を決定する責務を有する。制御誤差対リンク品質マップ４５０は、制御誤差対リンク品質曲線３１０の離散化表現である。したがって、制御誤差対リンク品質マップ４５０の決定は、制御誤差及びリンク品質の関係曲線３１０を決定する実施態様である。

制御ループに対して制御誤差対リンク品質マップ４５０又は関係曲線３１０を構築するために、コントローラー状態観測器は、あり得る制御誤差値を複数、例えばＭ個のレベルに分割する。コントローラー状態観測器は、各スケジューリング期間に対して制御誤差を計算して記憶する。その間、無線通信ネットワーク２７０は、各スケジューリング期間に対して、リンク品質を測定し、測定したリンク品質を記憶する。各制御誤差レベルｊ（ｊ＝１，２，．．．，Ｍ）に対して、コントローラー状態観測器は、対応するリンク品質履歴を調べる。対応するリンク品質履歴に基づいて、コントローラー状態観測器は、制御誤差レベルｊに対するリンク品質値、例えば、対応するリンク品質履歴の平均又は対応するリンク品質履歴の予測値を計算することができる。

無線通信ネットワーク２７０は、制御コマンド及びセンサーデータの転送４６０の責務を有し、この転送は、スケジューリング期間ｋに対してネットワークスケジューラー２３０によってスケジューリングされた時間割当４７０に従って行われる。制御コマンド及びセンサーデータ転送４６０プロセス中、無線通信ネットワーク２７０はまた、無線リンク品質測定４６５の責務も有する。

スケジューリング期間ｋにおいて、ネットワークスケジューラー２３０は、観測された状態ベクトル

４３０及びリンク品質マップ４５０を用いることにより、状態ベクトル

を予測する。次いで、予測された状態ベクトル

及びリンク品質マップ４５０を用いて、ネットワークスケジューラー２３０は、次のスケジューリング期間ｋ＋１に対し各制御ループｉ（ｉ＝１，２，．．．，Ｎ）に対して最適な送信回数η_ｉを決定し（４８０）、ここで、η_１，η_２，．．．，η_Ｎは、制御ループ１、制御ループ２、．．．、制御ループＮそれぞれに割り当てるべきタイムスロットの数を示す。さらに、或る期間における送信回数は、送信率も示す。最適な送信回数を決定する方法について、次のセクションで説明する。各制御ループに対して送信回数が決定されると、ネットワークスケジューラー２３０は、次のスケジュール期間ｋ＋１に対して、制御ループにタイムスロットを割り当てることができる（４９０）。ネットワークスケジューラー２３０は、制御ループＩＤの昇順に従って制御ループにタイムスロットを割り当てることができ、例えば、η_１＝２である場合、制御ループ１に最初の２つのスロットが割り当てられる。代替的な制御性能によるタイムスロット割当方法については後述する。

最適な送信回数η_ｉの決定
図２Ａに示すような無線通信ネットワーク２７０を共有するＮ個の制御ループからなる無線ネットワーク制御システム（ＮＣＳ）を検討する。制御ループｉ（ｉ＝１，２，．．．，Ｎ）の物理的プラントは、以下の形式の非線形離散系としてモデル化され

式中、ｋは時間インデックスであり、ｉ∈｛１，２，．．．，Ｎ｝は制御ループインデックスであり、ｘ_ｉ（ｋ）∈Ｒ^ｎｉは状態ベクトルであり、ｕ_ｉ（ｋ）∈Ｒ^ｍｉは制御コマンドベクトルである。

を、制御ループｉ（ｉ＝１，２，．．．，Ｎ）の基準状態ベクトル又は目標状態ベクトルとする。時点ｔ＝ｋにおいて、制御誤差

は、制御ループｉの現状態ベクトルと目標状態ベクトルとの偏差であり、式中、

は、ベクトルａのノルムを表す。制御誤差が小さいほど、現状態ベクトルが目標状態ベクトルに近いことが分かる。ｘ_ｉ（ｋ）が目標状態ベクトル

に近づくほど、ｅ_ｉは０に近づく。ｘ_ｉ（ｋ）が目標状態ベクトル

から離れるように逸脱するほど、ｅ_ｉは大きくなる。

無線ＮＣＳでは、パケット損失が０に近づくと、ｘ_ｉ（ｋ）は漸近的に

に近づく。したがって、図３に示すように、リンク品質は制御誤差に密に関連している。コントローラーは、上述したように、制御誤差に基づいてリンク品質を推定することができる。

リンク品質は、パケット受信率（ＰＲＲ）、パケット廃棄率、受信信号強度インジケーター（ＲＳＳI：received signal strength indicator）、信号対雑音比（ＳＮＲ）及び予想送信数（ＥＴＸ：expected transmission count）等の指数によって測定することができる。例えば、リンク品質指数としてＰＲＲを用いて、制御ループｉに対して、リンク失敗率は、以下のようにリンク品質ＰＲＲ_ｉに基づいて求めることができる。

リンク品質失敗率β_ｉ、現状態ベクトルｘ_ｉ（ｋ）及び制御コマンドベクトルｕ_ｉ（ｋ）を用いて、以下のように、時間ｔ＝ｋ＋１に対して、予測状態ベクトル

を計算することができ、

式中、

は、制御コマンドベクトルｕ_ｉ（ｋ）が受信されたときの閉ループを表し、

は、制御コマンドベクトルｕ_ｉ（ｋ）が喪失されたときの開ループを表し、η_ｉは、最適化によって求められる制御ループｉに対する送信回数である。

制御ループｉに対して、制御誤差に対して最適化するために、以下のように２次コスト関数が定義され

式中、Ｗ_ｉ＞０は正定値重み行列である。Ｊ_ｉ（ｘ_ｉ（ｋ＋１））は、時点ｔ＝ｋ＋１における制御ループｉの離散制御誤差の形式であることが分かる。

無線ネットワーク化制御システム（ＮＣＳ）に対して、全体的なコスト関数は、以下のように定義され

式中、Ｗ＝ｂｌｋｄｉａｇ（Ｗ_１，Ｗ_２，．．．Ｗ_Ｎ）は、ブロック対角行列であり、

及びｘ^ｒは、以下のように表される。

Ｊ（ｘ（ｋ＋１））は、Ｎ個全ての制御ループの全体的な制御誤差であることが分かる。したがって、最適なスケジューリング問題は、

として定式化することができ、ただし、

を条件とし、式中、Ｅは期待値演算子を表し、Ｌは、スケジューリング期間におけるタイムスロットの総数である。

最適化問題（７）は、無線ネットワーク化制御システム（ＮＣＳ）の全体的な制御誤差を最小化すること、すなわち、全体的な制御誤差が最小化されるような、制御ループｉ（ｉ＝１，２，．．．，Ｎ）に対する送信回数η_ｉを見つけることである。制約（７ｂ）は、スケジュール可能性の要件、すなわち、割り当てられたタイムスロットの総数が、スケジューリング期間におけるタイムスロットの総数を超えることができないことを示し、制約（７ｃ）は、状態ベクトルｘ_ｉ（ｋ＋１）の範囲を示し、制約（７ｄ）は、制御コマンドベクトルｕ_ｉ（ｋ＋１）の範囲を示し、制約（７ｅ）は、コスト関数Ｊ_ｉ（ｘ_ｉ（ｋ＋１））が適切な制御誤差ｅ_ｉを定義するように重み行列Ｗ_ｉが正定値であることを示し、制約（７ｆ）は、送信回数η_ｉが各制御ループｉ（ｉ＝１，２，．．．，Ｎ）に対して非負の整数であることを意味する。

問題（７）は、決定変数η_ｉ（ｉ＝１，２，．．．，Ｎ）に関して整数計画問題である。さらに、式（３）は、問題（７）が、η_ｉ（ｉ＝１，２，．．．，Ｎ）に関して非線形であることを示す。したがって、問題（７）は、適切な非線形最適化ソルバーを用いることによって解くことができるか、又は、Ｇｕｒｏｂｉ、ＣＰＬＥＸ及びＭＡＴＬＡＢ（登録商標）等の整数線形計画ソルバーによって解くことができる、整数線形計画問題に緩和することができる、非線形性整数計画である。

最適化問題（７）を解くことにより、送信回数η_ｉ（ｉ＝１，２，．．．，Ｎ）が得られる。η_ｉがゼロであり得ることが分かる。η_ｉ＝０である場合、制御ループｉは、対応するスケジューリング期間に送信しない。この場合は、制御ループｉよりも大きい制御誤差を有する少なくとも１つの他の制御ループがあることを示す。η_ｉ＞１である場合、制御ループｉは、対応するスケジューリング期間に複数回送信する。この場合は、制御ループｉよりも小さい制御誤差を有する少なくとも１つの他の制御ループがあることを示す。

制約（７ｂ）はまた、制御ループが十分に機能する場合、ネットワークスケジューラー２３０が、全てのタイムスロットでは送信をスケジューリングすることができないことも示す。代わりに、スケジューラーは、タイムスロットのサブセットにおいてのみ送信をスケジューリングする。言い換えれば、η_ｉ＞０であっても、スケジューラーは、その制御誤差ｅ_ｉが非常に小さい場合、制御ループｉに対してタイムスロットをスケジューリングすることができない。この手法により、無線通信ネットワーク２７０の作業負荷が低減し、したがって、ネットワーク輻輳が低減する。さらに、制御ループが送信するようにスケジューリングされている場合であっても、制御誤差が小さい場合、リンク層確認応答をなくすことができる。これにより、通信輻輳が更に低減する。

無線ネットワーク化制御システム（ＮＣＳ）では、制御誤差ｅ_ｉ（ｉ＝１，２，．．．，Ｎ）は、時間によって変化する。したがって、問題（７）を解くことによって決定される送信回数η_ｉ（ｉ＝１，２，．．．，Ｎ）もまた、スケジューリング期間によって変化する。

図５は、８つの制御ループを含む１つの実施形態の無線ネットワーク化制御システムの一例を示し、スケジューリング期間もまた８つのタイムスロットを含む。スケジューリング期間ｋ５１０において、８つ全ての制御ループに対してη_ｉ＝１であり、すなわち、各制御ループは厳密に１回送信する。スケジューリング期間ｋ＋１ ５３０に対して問題（７）を解く（５２０）ことにより、η_１＝２、η_２＝０、η_３＝１、η_４＝１、η_５＝２、η_６＝０、η_７＝１及びη_８＝１が得られる。その結果、スケジューリング期間ｋ＋１において、制御ループ１及び５は２回送信することができるが、制御ループ２及び６は送信せず、制御ループの残りは１回送信する。

性能によるタイムスロット割当
最適化問題（７）を解くことにより、各制御ループｉ（ｉ＝１，２，．．．，Ｎ）に対して送信回数η_ｉが得られる。スケジューリング期間は、通常、複数のタイムスロットを含む。タイムスロット割当の順序、例えば、最初のタイムスロットでいずれの制御ループが送信すべきか及び最後のタイムスロットでいずれの制御ループが送信すべきかは、重要である。したがって、タイムスロット割当は、ネットワークスケジューラーによって次に完了すべきタスクである。

１つの方法は、制御ループＩＤの昇順に従って制御ループにタイムスロットを割り当てることであり、すなわち、第１のη_１タイムスロットは制御ループ１に割り当てられ、次のη_２タイムスロットは制御ループ２に割り当てられ、以下続く。

しかしながら、いくつかの実施形態は、タイムスロット割当の順序を用いて、ネットワーク送信における遅延によってもたらされる全体的な制御誤差を低減させることができるという認識に基づく。例えば、第１のタイムスロットで送信する制御ループは、制御コマンド及びセンサーデータに対して最も短い時間遅延を有する。そのため、その制御ループは、制御ループがより良好に実施するように、プラントに対し指示するとともに制御誤差を低減させる早期の措置を講じることができる。最後のタイムスロットで送信する制御ループは、制御コマンド及びセンサーデータに対して最も長い時間遅延を有する。そのため、制御ループが制御コマンド受信の後に措置を講じるとき、制御誤差は既により大きくなっている可能性がある。

したがって、いくつかの実施形態は、制御誤差に基づいてタイムスロットを割り当てるソート及び／又は拡散方法を用い、すなわち、大きい制御誤差を有する制御ループほど早期に送信するようにスケジューリングされ、それにより、それらの制御ループに対するパケット遅延が短くなり、小さい制御誤差を有する制御ループほど、パケット遅延に耐えることができるため、後に送信するようにスケジューリングされる。

さらに又は代替的に、制御ループに２回以上の送信回数が与えられる、すなわち、η＞１である場合、制御ループが連続的なη個のタイムスロットで送信しないように、η個のタイムスロットが拡散する。このタイムスロット拡散には以下のいくつかの利点があり、すなわち、１）無線リンク品質が時間によって変化し、拡散送信により、タイムスロットで少なくとも１回の送信が良好なリンク品質で発生する確率が上昇するため、制御ループのパケット配信確率が向上し、２）パケット遅延を低減させるとともに制御性能を向上させるように、他の制御ループに早期の送信機会が与えられ、３）最初の送信が成功した場合、残りの送信をスキップすることができる場合に、パケット送信回数が減少する。これにより、無線通信ネットワーク作業負荷も低減する。

ソート及び拡散は、以下のように記述される：
入力：送信回数η_ｉ、制御誤差ｅ_ｉ及びタイムスロットの総数Ｌ
出力：次のスケジュール期間におけるタイムスロット割当：Ａｓｓｉｇｎｍｅｎｔ
Ａｓｓｉｇｎｍｅｎｔ←ｚｅｒｏｓ（Ｌ）；
Ｓｌｏｔ←１；
ｆｏｒ ａｌｌ ｉ ｄｏ
η_ｉ＿ｌｅｆｔ←ηｉ；
／／η_ｉ＿ｌｅｆｔはスケジューリングされていない送信を表す；
ｅｎｄ
ｅｒｒｏｒ＿ｍａｔｒｉｘ←

／／ソート
Ｓｏｒｔｅｄ＿ｃｏｎｔｒｏｌ＿ｌｏｏｐ＿ｎｕｍｂｅｒ←ｅ_ｉ（ｅｒｒｏｒ＿ｍａｔｒｉｘの第２行）の降順でループをソートする（ｅｒｒｏｒ＿ｍａｔｒｉｘの第１行）；
ｗｈｉｌｅ ｓｌｏｔ≦Ｌ且つ

ｄｏ
ｆｏｒ ｉ ｉｎ Ｓｏｒｔｅｄ＿ｃｏｎｔｒｏｌ＿ｌｏｏｐ＿ｎｕｍｂｅｒ ｄｏ
ｉｆ η_ｉ＿ｌｅｆｔ＞０ ｔｈｅｎ
Ａｓｓｉｇｎｍｅｎｔ（Ｓｌｏｔ）←ｉ；
Ｓｌｏｔ←Ｓｌｏｔ＋１；
η_ｉ＿ｌｅｆｔ←η_ｉ＿ｌｅｆｔ－１；
ｅｎｄ
ｅｎｄ
ｅｎｄ
／／拡散
ｗｈｉｌｅ Ａｓｓｉｇｎｍｅｎｔ（ｊ）＝Ａｓｓｉｇｎｍｅｎｔ（ｊ＋１） ／／２つの連続スロットが同じ制御ループに割り当てられ、そのため、拡散させる
ｊ＋１＜ｋ≦Ｌであるようにｋをランダムに選択する；
Ａｓｓｉｇｎｍｅｎｔ（ｊ＋１）及びＡｓｓｉｇｎｍｅｎｔ（ｋ）をスワップする；
ｅｎｄ
ｒｅｔｕｒｎ Ａｓｓｉｇｎｍｅｎｔ

図６は、１つの実施形態によるソートベースのタイムスロット割当の一例を示す。この例では、無線ネットワーク化制御システムはＮ個の制御ループを有し、スケジューリング期間はＮ個のタイムスロットからなる。問題（７）を解くことにより、η_ｉ＝１（ｉ＝１，２，．．．，Ｎ）、すなわち、各制御ループに対して１つのタイムスロットが得られる。制御ループＩＤの昇順に基づくタイムスロット割当を６１０に示す。降順に従って制御誤差ｅ_ｉ（ｉ＝１，２，．．．，Ｎ）をソートした（６２０）後に、ネットワークスケジューラーは、制御誤差の降順に従ってタイムスロットを割り当てる（６３０）。その結果、制御ループ３に第１のスロットが割り当てられ、制御ループＮに第２のスロットが割り当てられ、制御ループ２に最後のスロットが割り当てられる。ソート法により、相対的に不十分な制御性能の制御ループに対するパケットレイテンシーが低減する。問題（７）が安定した解を提供することを証明することができる。

本発明の上記の実施形態は数多くの方法のいずれかにおいて実現することができる。例えば、それらの実施形態は、ハードウェア、ソフトウェア又はその組み合わせを用いて実現することができる。ソフトウェアにおいて実現されるとき、そのソフトウェアコードは、単一のコンピューター内に設けられるにしても、複数のコンピューター間に分散されるにしても、任意の適切なプロセッサ、又はプロセッサの集合体において実行することができる。そのようなプロセッサは集積回路として実現することができ、集積回路構成要素内に１つ以上のプロセッサが含まれる。しかしながら、プロセッサは、任意の適切な構成の回路構成を用いて実現することができる。

また、本発明の実施形態は方法として具現することができ、その一例が提供されてきた。その方法の一部として実行される動作は、任意の適切な方法において順序化することができる。したがって、例示的な実施形態において順次の動作として示される場合であっても、例示されるのとは異なる順序において動作が実行される実施形態を構成することもでき、異なる順序は、いくつかの動作を同時に実行することを含むことができる。

請求項要素を変更するために特許請求の範囲において「第１の」、「第２の」のような序数の用語を使用することは、それだけで、或る請求項要素が別の請求項要素よりも優先度が高いこと、優位であること、若しくは上位にあることを、又は方法の動作が実行される時間的な順序を暗示するのではなく、請求項要素を区別するために、或る特定の名称を有する１つの請求項要素を（序数用語を使用しなければ）同じ名称を有する別の要素から区別するラベルとして単に使用される。

本発明について、好ましい実施形態の例を用いて説明したが、本発明の趣旨及び範囲内で他の様々な適合及び変更を行うことができることが理解されるべきである。

したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、本発明の真の趣旨及び範囲内にあるこうした変形及び変更の全てを包含することである。

Claims (19)

1. 少なくとも１つの被制御プラントを制御するネットワーク化制御システム（ＮＣＳ）であって、
   無線リンクを介して前記被制御プラントの制御変数の現状態を示すフィードバック信号を受信するように構成された受信機と、
   前記制御変数の基準状態と前記制御変数の前記現状態との制御誤差に基づいて制御コマンドを決定するように構成されたコントローラーと、
   前記制御誤差の関数に基づき、前記無線リンクを介して前記制御コマンドを含むパケットを送信する必要がある送信回数を決定するように構成されたプロセッサと、
   前記送信回数、前記無線リンクを介して前記パケットを送信するように構成された送信機と、
   を備え、前記プロセッサは、前記制御誤差の値と送信回数の値との比例関係を用いて前記送信回数を決定する、ＮＣＳ。
2. 前記プロセッサを用いて実施されるモジュールに含まれる状態観測器が、前記制御誤差に基づき前記コントローラーと前記被制御プラントとの間の無線リンクの品質を判断し、前記無線リンクの前記品質に基づいて前記パケットの無線送信の前記送信回数を決定する、請求項１に記載のＮＣＳ。
3. 前記プロセッサは、スケジューリング期間に対して前記送信回数を決定する、請求項１に記載のＮＣＳ。
4. 前記ＮＣＳは、一組のプラントを一組の対応する制御誤差に基づいて制御し、
   前記被制御プラントの優先度をそれらの対応する制御誤差に基づいて決定するとともに、前記決定された優先度に従って種々の前記被制御プラントに対する前記パケットの送信のスケジュールを決定して、前記送信機が前記スケジュールに従って各パケットを送信するようにするように構成されたスケジューラー、
   を更に備える、請求項３に記載のＮＣＳ。
5. 前記スケジューラーは、種々の前記被制御プラントに対するパケットの送信の時間を、前記被制御プラントの前記制御誤差の順序に対応する順序で選択し、大きい制御誤差を有する前記被制御プラントに対する前記パケットほど早期の送信時間が割り当てられるようにする、請求項４に記載のＮＣＳ。
6. 前記スケジューラーは、前記一組の前記被制御プラントの全体的な制御誤差を最小化することを目標とする最適化問題を解き、その後、ソート及び拡散を適用することにより、種々の前記被制御プラントに対するパケットの送信回数を決定する、請求項４に記載のＮＣＳ。
7. 少なくとも１つの次のスケジューリング期間に対して、前記プロセッサを用いて実施されるモジュールに含まれる状態観測器は、第１の前記被制御プラントに対する複数回のパケット送信と第２の前記被制御プラントに対する少なくとも１回のパケット送信とを決定し、前記スケジューラーは、前記第１の前記被制御プラントに対する複数回のパケット送信と前記第２の前記被制御プラントに対するゼロ回のパケット送信とを含むように、前記次のスケジューリング期間に対してスケジュールを決定する、請求項４に記載のＮＣＳ。
8. 前記スケジューラーは、前記スケジューリング期間中に、前記被制御プラントの対応する制御誤差に基づいて前記被制御プラントとの無線リンクの将来の品質を判断し、前記無線リンクの前記品質を用いて前記スケジューリングを実施する、請求項４に記載のＮＣＳ。
9. 一組の無線リンクを介して一組の被制御プラントを制御する請求項１に記載の一組のＮＣＳを含むネットワーク化制御アーキテクチャであって、
   前記被制御プラントの優先度をそれらの対応する制御誤差に基づいて決定するとともに、前記決定された優先度に従って種々の前記被制御プラントに対する前記パケットの送信のスケジュールを決定して、前記送信機が前記スケジュールに従って各パケットを送信するようにするように構成されたスケジューラー、
   を備える、ネットワーク化制御アーキテクチャ。
10. 無線リンクを介して少なくとも１つの被制御プラントを制御する方法であって、前記方法は、前記方法を実施する記憶された命令と結合されるプロセッサを使用し、前記命令は、前記プロセッサによって実行されると、前記方法の少なくともいくつかのステップを実行し、前記方法は、
    無線リンクを介してプラントの制御変数の現状態を示すフィードバック信号を受信することと、
    前記制御変数の基準状態と前記制御変数の前記現状態との制御誤差に基づいて制御コマンドを決定することと、
    前記制御誤差の関数に基づき、前記無線リンクを介して前記制御コマンドを含むパケットを送信する必要がある送信回数を決定することと、
    前記送信回数、前記無線リンクを介して前記パケットを送信することと、
    を含み、前記送信回数は、前記制御誤差の値と前記送信回数の値との比例関係を用いて決定される、方法。
11. 前記送信回数は、前記制御誤差の値とリンク品質の値との所定関係を用いて決定される、請求項１０に記載の方法。
12. 前記制御誤差に基づき前記無線リンクの前記品質を判断することであって、前記パケットの無線送信の前記送信回数は前記無線リンクの前記品質に基づいて決定されること、
    を更に含む、請求項１０に記載の方法。
13. 前記送信回数はスケジューリング期間に対して決定される、請求項１０に記載の方法。
14. 一組のプラントを一組の対応する制御誤差に基づいて制御するために、
    前記被制御プラントの優先度をそれらの対応する制御誤差に基づいて決定するとともに、前記決定された優先度に従って種々の前記被制御プラントに対する前記パケットの送信のスケジュールを決定して、前記スケジュールに従って各パケットを送信するようにすること、
    を更に含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記スケジューリング期間内の種々の前記被制御プラントに対するパケットの送信のタイムスロットを、前記被制御プラントの前記制御誤差の順序に対応する順序で選択し、大きい制御誤差を有する前記被制御プラントに対する前記パケットほど早期の送信の時間が割り当てられるようにすること、
    を更に含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記スケジューリング期間内の種々の前記被制御プラントに対するパケットの送信のタイムスロットは、前記一組の被制御プラントの全体的な制御誤差を最小化することを目標とする最適化問題を解き、その後、ソート及び拡散を適用することによって決定される、請求項１４に記載の方法。
17. 方法を実施するプロセッサによって実行可能なプログラムが具現化された非一時的コンピューター可読記憶媒体であって、前記方法は、
    無線リンクを介して被制御プラントの制御変数の現状態を示すフィードバック信号を受信することと、
    前記制御変数の基準状態と前記制御変数の前記現状態との制御誤差に基づいて制御コマンドを決定することと、
    前記制御誤差の関数に基づき、前記無線リンクを介して前記制御コマンドを含むパケットを送信する必要がある送信回数を決定することと、
    前記送信回数、前記無線リンクを介して前記パケットを送信することと、
    を含み、前記送信回数は、前記制御誤差の値と前記送信回数の値との比例関係を用いて決定される、媒体。
18. 一組の前記被制御プラントを一組の対応する制御誤差に基づいて制御するために、前記方法は、
    前記被制御プラントの優先度をそれらの対応する制御誤差に基づいて決定するとともに、前記決定された優先度に従って種々の前記被制御プラントに対する前記パケットの送信のスケジュールを決定して、前記スケジュールに従って各パケットを送信するようにすること、
    を更に含む、請求項１７に記載の媒体。
19. 前記方法は、
    スケジューリング期間内の種々の前記被制御プラントに対するパケットの送信のタイムスロットを、前記被制御プラントの前記制御誤差の順序に対応する順序で選択し、大きい制御誤差を有する前記被制御プラントに対する前記パケットほど早期の送信の時間が割り当てられるようにすること、
    を更に含む、請求項１８に記載の媒体。

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