1.8 控制系统的分层结构

本书研究的大多数控制系统都是相对简单的反馈环。本节将简单的反馈环结合在一起，形成复杂的系统，这种系统通常采用分层结构，以不同的方式将控制器、逻辑以及优化等组合在一起。图1.17是这种分层结构的一种表示，它展示了控制系统的不同“层”。该分层结构的细节不在本书的介绍范围之内，但下面将用几个有代表性的例子来说明它们的一些基本特征。

1.8.1 货运列车行程优化器

通用电气（GE）公司开发的现代机车控制系统使用了图1.17的分层结构。对货运列车的典型要求是准时到站并尽量少用燃料，达到这个要求的关键则是避免不必要的制动。图1.18展示了GE开发的货运列车行程优化系统。在该系统底层配有速度调节器，并设置了避免进入到另一台列车所在区域的简单逻辑。地面坡度是速度控制的关键干扰。速度控制器由轨道模型、GPS传感器以及估算器组成。速度控制器的设定值由行程优化器提供，该优化器算出一个准时到站油耗最低的驾驶计划。到站时间则由调度中心提供，且调度中心可以使用自己的优化。

柴油-电力货运机车牵引大负载的货车，使用Trip Optimizer自动驾驶仪后，平均可以节省10%的燃料，节约了相当可观的成本、自然资源，降低了环境污染。

1.8.2 过程控制系统

过程控制系统可用于监控和调节各种化学品和材料的生产。图1.19是一个造纸厂的生产流程图。该厂有多条生产线和多台造纸机，采用几十种机械和化学生产工艺。图1.19中最上面一条生产线是经过多个步骤后把原木转化成纤维浆，然后再由造纸机将纤维浆转化成纸张。每个生产单元都采用PI（D）控制器来控制流量、温度及储罐液位等。工艺循环的典型时间周期从几秒到几分钟不等。采用逻辑控制来确保过程的安全，并采用顺序控制来控制启动、停止和变更生产。低液位控制回路的设定值由生产率和配方确定，有时还使用优化。该系统的运行由监控系统控制，以测量储罐液位并设置不同生产单元的生产率。该系统根据产品需求、储罐液位的测量值及流量来进行优化。优化的时间范围从数分钟到数小时不等，并受不同生产单元生产率的约束。化学和制药工业的连续生产过程与造纸厂类似，但各个生产单元可能有很大的差别。

现代过程控制系统的特点之一是系统运行所跨越的时间尺度和空间尺度都很大。现代控制系统又是与供应链和产品分销链集成在一起的，需要使用生产计划系统、企业资源管理系统等。图1.20给出了基于分布式控制系统（DCS）的过程控制系统功能架构，这是复杂制造系统控制中的典型示例。

1.8.3 自动驾驶

图1.10中的反馈系统可维持车速恒定，为驾驶人省了很大的事，但驾驶人仍有许多任务，包括：规划路线、避免碰撞、确定合适的速度、变道、转弯、与前车保持适当的距离等。汽车制造商正在不断努力使汽车越来越多的功能实现自动化，终极目标就是自动驾驶。自动驾驶的反馈系统将融合来自道路传感器和交通传感器（摄像机、激光测距仪和雷达等）的数据，以创建车辆周围环境的多层“地图”。该地图被用来决定车辆该采取何种行动（继续行驶、停车、或变道等），并为车辆规划具体路线。基于优化的规划器被用于计算车辆需要遵循的路线，并将其传递给轨迹跟踪（或称路径跟踪）模块。监控模块则执行更高级的任务，如任务规划、应急管理（管理传感器和执行器的故障等）。

图1.21是自动驾驶汽车控制系统的一个例子，它是为在城市环境中驾驶设计的。图1.21所示的网络控制构架具有图1.17所示控制系统分层结构的基本特征。控制层包括规划模块和控制模块。规划模块包括任务规划器和交通规划器（代表了两个层次的离散决策逻辑），还有路径规划器（代表了轨迹优化功能）。规划模块下面是较低层的控制模块和感测模块。感测模块中的信息，如车辆在车道上的速度和位置等，被送往路径跟踪器，道路上其他车辆及其运动的预测信息等则被送往路径规划器，再到交通规划器。