用于分布式网络‑物理系统的弹性控制设计

摘要

一种分布式网络‑物理系统包括设置在物理空间（11）中的物理元件（15‑1、15‑2、……、15‑n）。控制器（13‑1、13‑2、……、13‑n）被设置在网络空间（10）中。物理元件（15‑1、15‑2、……、15‑n）中的每个对应于对应控制器（13‑1、13‑2、……、13‑n）。网络基础设施（12）被设置在网络空间（10）中。网络基础设施（12）管理控制器（13‑1、13‑2、……、13‑n）与物理元件（15‑1、15‑2、……、15‑n）之间的连接。经由网络基础设施（12）建立控制回路（14）。控制回路（14）中的每个包括物理元件和对应控制器。弹性控制代理（31）被配置成：监视控制回路（14）中的每个；确定控制回路（14）中的一个何时正在经历不利状况；降低未正在经历不利状况的控制回路（14）的采样频率；以及提高正在经历不利状况的控制回路（14）的采样频率。

说明书

背景技术

网络-物理系统（CPS, cyber-physical systems）是其中经由联网计算机化部件远程控制和监视物理机器的系统。CPS可以很好地适合于下述技术领域：其中，人类操作者相对于他们所控制或指示的物理机器而远程定位。例如，CPS可以很好地适合于在下述各项中使用：空间探索、无人飞行器（无人机）、远程医疗、显微外科、以及受控环境中（诸如，净室中或者高/低压或高/低温下）的制造。

CPS可能被认为存在于两个不同的域中。物理元件（其可以包括能够操纵环境或工件的机器）可以被称为存在于物理域或空间内。除物理元件外，致动器和传感器可以被包括在物理空间内以提供与物理元件交互的手段。相反，涉及联网和/或控制（例如决策制定）的计算机化元件可以位于网络域或空间内。

CPS正在变得越来越复杂并且物理元件可能并未全部被通常地定位。物理空间可能被分布在多个区域上。例如，在物理空间包括一组无人飞行器（无人机）的情况下，即使在通常地提供这些无人机的控制时，每个无人机也可能位于不同的区域中。

类似地，计算机化部件可以是分布式的。使用分布式计算和云计算的原理，可以由许多不同组的计算硬件提供计算机化控制。通过分布计算机化控制，计算资源可以被更高效地利用且可能能够提供更大的冗余度和能力。

其中分布有物理元件和计算机化元件中的任一个或全部两个的CPS在本文中可以被称作分布式CPS。

虽然分布式CPS可以提供许多有趣且强大的特征，但除了易受到物理部件故障或失灵的影响外，分布式CPS可能易受网络攻击和其他网络威胁的侵害。

发明内容

一种用于控制分布式网络-物理系统的方法包括监视多个控制回路，每个控制回路控制分布式网络-物理系统内的对应物理元件。确定所述多个控制回路中的一个或多个何时经历不利状况。所述多个控制回路中未正在经历不利状况的那些控制回路的采样频率被降低。所述多个控制回路中正在经历不利状况的那些控制回路的采样频率被提高。

每个控制回路可以包括设置在物理空间内的对应物理元件和设置在网络空间中的控制器。

所述多个控制回路中的每个可以包括：接收设定点；接收来自设置在物理空间中的传感器的传感器信号；确定接收到的设定点与接收到的传感器信号对准的程度；基于所确定的差别程度来生成致动器信号；以及基于所生成的致动器信号来驱动设置在物理空间中的致动器。

可以基于与网络空间或物理空间有关的预兆信息来提供确定所述多个控制回路中的一个或多个何时经历不利状况。

降低采样频率可以包括减少每单位时间将传感器数据从分布式网络-物理系统内的物理元件传输到设置在网络空间中的对应控制器的次数，并且提高采样频率包括增加每单位时间将传感器数据从分布式网络-物理系统内的物理元件传输到设置在网络空间中的对应控制器的次数。

不利状况可以是恶意计算机攻击或者物理元件的失灵或故障。

分布式网络-物理系统包括设置在物理空间中的多个物理元件。多个控制器被设置在网络空间中。所述多个物理元件中的每个对应于所述多个控制器中的对应控制器。网络基础设施被设置在网络空间中。网络基础设施管理所述多个控制器与所述多个物理元件之间的连接。经由网络基础设施建立多个控制回路。该控制回路中的每个包括所述多个物理元件中的物理元件和所述多个控制器中的对应控制器。弹性控制代理被配置成：监视所述多个控制回路中的每个；确定控制回路中的一个何时正在经历不利状况；降低未正在经历不利状况的控制回路的采样频率；以及提高正在经历不利状况的控制回路的采样频率。

弹性控制代理可以包括：观察代理，被配置成获得网络空间的预兆信息；检测和诊断代理，被配置成确定不利状况的存在；弹性决策制定模块，被配置成确定何时提高和降低采样频率以及提高和降低采样频率多少；以及执行代理，被配置成根据弹性决策制定模块的确定来提高和降低控制回路中的采样频率。

所述多个控制器中的每个可以被配置成：接收设定点；接收来自设置在物理空间中的传感器的传感器信号；确定接收到的设定点与接收到的传感器信号对准的程度；基于所确定的差别程度来生成致动器信号；以及基于所生成的致动器信号来驱动设置在物理空间中的致动器。

弹性控制代理可以被配置成基于关于网络空间或物理空间的预兆信息来确定控制回路中的一个何时正在经历不利状况。

弹性控制代理可以被配置成：通过减少每单位时间将传感器数据从分布式网络-物理系统内的物理元件传输到设置在网络空间中的对应控制器的次数来降低采样频率；以及通过增加每单位时间将传感器数据从分布式网络-物理系统内的物理元件传输到设置在网络空间中的对应控制器的次数来提高采样频率。

不利状况可以是恶意计算机攻击或者物理元件的失灵或故障。

一种计算机系统包括处理器和可由计算机系统读取的非临时性有形程序存储介质，其体现可由处理器执行以执行用于控制分布式网络-物理系统的方法步骤的指令的程序。该方法包括监视多个控制回路，每个控制回路控制分布式网络-物理系统内的对应物理元件。确定所述多个控制回路中的一个或多个何时经历不利状况。所述多个控制回路中未正在经历不利状况的那些控制回路的采样频率被降低。所述多个控制回路中正在经历不利状况的那些控制回路的采样频率被提高。

每个控制回路可以包括设置在物理空间内的对应物理元件和设置在网络空间中的控制器。

所述多个控制回路中的每个可以接收设定点，接收来自设置在物理空间中的传感器的传感器信号，确定接收到的设定点与接收到的传感器信号对准的程度，基于所确定的差别程度来生成致动器信号，以及基于所生成的致动器信号来驱动设置在物理空间中的致动器。

可以基于与网络空间或物理空间有关的预兆信息来提供确定所述多个控制回路中的一个或多个何时经历不利状况。

降低采样频率可以包括减少每单位时间将传感器数据从分布式网络-物理系统内的物理元件传输到设置在网络空间中的对应控制器的次数，并且提高采样频率可以包括增加每单位时间将传感器数据从分布式网络-物理系统内的物理元件传输到设置在网络空间中的对应控制器的次数。

不利状况可以是恶意计算机攻击或者物理元件的失灵或故障。

附图说明

随着本公开和其许多伴随方面的更完整领会在结合附图而考虑时通过参考下面的详细描述而变得更好理解，该更完整领会将被容易地获得，在附图中：

图1是图示了根据本发明示例性实施例的网络-物理系统的示意图；

图2是图示了根据本发明示例性实施例的分布式网络-物理系统的示意图；

图3是图示了根据本发明示例性实施例的用于实现用于分布式CPS的弹性控制的方法的示意图；

图4是图示了根据本发明示例性实施例的用于CPS的反馈控制回路14的示图；

图5是图示了根据本发明示例性实施例的具有集成的RCA反馈控制回路的CPS框架的示意图；

图6是图示了根据本发明示例性实施例的用于CACPO的方法的流程图；以及

图7示出了能够实现根据本公开实施例的方法和装置的计算机系统的示例。

具体实施方式

在描述在附图中所图示的本公开的示例性实施例时，为了清楚起见，采用具体术语。然而，本公开不意图被限于如此选择的具体术语，并且要理解的是，每个具体元件包括以类似方式操作的所有技术上的等同物。

本发明的示例性实施例力求提供针对分布式网络-物理系统（CPS）的有效控制，该分布式网络-物理系统（CPS）对于物理域中的失灵来说以及对于网络域中对性能质量（QoP）的恶意威胁和其他挑战来说是弹性的。

本发明的示例性实施例力求实现经受网络不确定性（诸如网络攻击）和物理部件的不期望行为（诸如故障的或有错误的传感器）的分布式CPS的弹性且鲁棒的控制。对网络数据和物理数据两者的预兆分析可以被用来理解行为中的异常并支持适当的控制动作以减轻系统性能退化。

分布式CPS可能遭受两种类型的弱点。第一类型的弱点处于物理空间中。这里，弱点可能由有错误的或故障的物理部件导致。第二类型的弱点处于网络空间中。这样的弱点可以包括网络入侵和网络资源限制。分布式CPS的QoP可能受这两种类型的弱点显著影响。

CPS控制设计可以专门集中于提供网络空间或物理空间中的弹性，且可能不考虑不同子系统之间的性能相互依赖。此外，CPS控制设计可以依赖于分离的离线个体控制回路设计，其可能不能够将在整个系统运行时操作期间可出现的所有不利状况都覆盖，且因此可能提供较差的容错性和较差的网络安全性能。

然而，本发明的示例性实施例可以利用跨层耦合系统模型且可以考虑分布式CPS的物理空间弱点和网络空间弱点的性能相互依赖，因此，本发明的示例性实施例可以对于网络攻击和物理部件的不利行为两者来说都是弹性的。通过利用这些跨层耦合系统模型，本发明的示例性实施例可以允许个体子系统在其影响范围内行动以在不对其他子系统造成负面影响的情况下对来自网络方面和物理方面两者的不利状况正确地作出反应。可以通过由网络数据和物理数据的实时预兆分析启用的“闭合回路控制”思想体系来实现整个系统的弹性。

图1是图示了网络-物理系统的示意图。如可从该图看到的那样，存在所描绘的两个空间：网络空间10和物理空间11。在网络空间中，存在网络基础设施12，其可以包括用于控制物理空间11的方面的控制器13。控制器13可以负责制定或执行关于在物理空间11内可发生什么的决策。控制器13可以基于预定的编程来控制人工智能和/或人类提供的命令。

网络空间10可以另外包括网络基础设施12，其用于经由可包括例如互联网的计算机网络来促进控制器13与物理空间11之间的连接。网络基础设施12可以包括各种联网硬件和编程。由于网络基础设施12可以在公共可访问的计算机网络（诸如互联网）上操作，因此网络基础设施12以及因而控制器13可能易受到恶意攻击和对网络空间10而言典型的其他此类问题的侵害。

可以在控制器13与网络基础设施12之间实现控制回路14。控制回路可以包括：经由网络基础设施12从位于物理空间11内的传感器16传输数据到控制器13；以及经由网络基础设施12从控制器13传输控制数据到致动器17和用于更改物理空间的其他设备。

在物理空间11中，致动器17和其他此类设备可以影响物理元件15，而传感器16可以监视物理元件15的状况。

如上文所讨论，CPS也可以是分布式的。图2是图示了分布式网络-物理系统的示意图。如可以从该图看到的那样，网络空间10可以包括多个控制器，诸如C1 (13-1)、C2 (13-2)、……、Cn (13-n)（其中n是大于或等于二的正整数）。这些控制器13-1至13-n可以经由网络基础设施12来控制一组物理元件，诸如P1 (15-1)、P2 (15-2)、……、Pn (15-n)。虽然该图图示了每个物理元件具有对应的控制器，但情况并不一定是这样。每个控制器可能控制多个物理元件，而多个控制器可能控制单个物理元件。例如，控制器可以被布置成使得各种控制器控制物理元件的某些方面。

由于多层系统集成以及子系统之间的分布式交互，分布式CPS（诸如，图2中所图示的分布式CPS）因此可以是相对复杂的。

由于物理空间和网络空间两者中的弱点可能例如通过降低稳定性、效率和网络安全来影响系统性能、性能质量（QoP），因此本发明的示例性实施例可以提供能够尽可能维持系统QoP的弹性控制系统，并可以提供用于可靠且高效的操作的系统的网络方面和物理方面两者处的防护方案。

图3是图示了根据本发明示例性实施例的用于实现用于分布式CPS的弹性控制的方法的示意图。如这里可以看到的那样，弹性控制反馈回路32可以被用于在不利状况期间维持QoP。除了存在于控制器13或每个控制器13-1、13-2、……、13-n与网络基础设施之间的反馈回路14以外，该回路32存在。弹性控制代理（RCA）31可以被用于建立和维护该第二反馈回路32。

根据本发明的示例性实施例，RCA 31可以为每个个体CPS回路（例如，如图2中所示的C1+P1）提供控制系统部件的状况的局部优化以满足其目标，可以通过监视和操纵相邻环境以获得当前CPS回路的状态意识来提供关于网络空间和物理空间两者的预兆，可以检测和诊断潜在错误和故障（诸如网络入侵、传感器故障、由于网络链路损害所致的数据包丢弃和延迟等），以及可以通过调整基于控制器的控制回路1的工作状况和参数来执行校正动作/策略和/或将具体警报提供给人类操作者。

RCA 31可以包括用于弹性控制设计的网络方面和物理方面之间的相关性的机制，其提高了检测在多个级别处影响系统性能的复杂威胁且对该复杂威胁准确地作出响应的能力。本发明的示例性实施例可以在RCA 31中利用网络自适应控制参数优化（CACPO）方法以在运行时期间递送最优控制性能并在不利的网络状况出现时减轻性能退化。

在正常状况期间，网络空间和物理空间的服务质量（QoS）对于每个控制回路来说可以是良好的。RCA 31可以作为控制系统QoP优化器进行工作以向控制器分派最优控制参数来保证最优控制性能。

在不利状况期间，RCA 31可以检测可能影响具体与校正动作相联系的系统性能的异常事件（诸如传感器损害和网络攻击）。

图4是图示了根据本发明示例性实施例的用于CPS的反馈控制回路14的示图。控制器13可以被离线设计且在运行时期间不需改变。相应地，采样频率和其他控制参数可以被静态地设定且可能在运行时期间不可调整。如该图中所示，设定点R可以由人类用户或自动化控制算法供给。该设定点可以表示期望的操作值。比较器40可以比较所供给的设定点R与从位于物理空间内的工厂或处理室41供给的一个或多个传感器信号Y。传感器信号Y与设定点R之间的任何感知到的差别E被发送到控制器13。该控制器使用该差别E来构造用于工厂或处理室41内的机器的命令，该命令被设计成影响物理环境以使得传感器信号Y将更紧密地与设定点R对准并且在此是控制反馈回路被建立。

图5是图示了根据本发明示例性实施例的具有集成的RCA反馈控制回路的CPS框架的示意图。这里，弹性控制代理（RCA）由观察代理51、检测和诊断代理52、弹性决策制定单元53、执行代理54和控制器集成单元59构成。这里所示出的自适应控制器58可以大体上像上文所描述的控制器13，然而自适应控制器58包括控制器集成单元59。

这些RCA部件形成用于CPS框架的RCA回路。观察代理51作为用于网络空间的“传感器”进行工作以获得网络空间的预兆信息。该网络感测信息Pc可以被馈送到检测和诊断代理52中以用于异常检测。该信息也可以被用来启用网络自适应控制参数优化（CACPO）。观察代理51也可以实现主动网络安全技术（诸如入侵检测和入侵防御）。

检测和诊断代理52可以定量地测量系统性能退化并可以基于来自网络系统的感测数据（Pc）和来自物理系统的感测数据（Pp）两者来检测突然的系统失灵。检测和诊断代理52也可以定位某个故障或异常的（一个或多个）贡献源并通过解译输入-输出模式的特性来识别错误的类型。

弹性决策制定模块53模块可以基于由检测和诊断代理52提供的诊断结果来制定弹性决策。弹性决策制定模块53可以指代网络-物理相关性信息，其是来自网络或物理空间的异常与减轻该异常的影响并维持系统常态所需的校正动作之间的连接/映射。

执行代理模块54可以执行响应动作来减轻所检测到的异常的影响。这些动作可以包括：通过RCA中的控制器集成方法来调整自适应控制器；执行主动网络动作来挫败网络攻击；和/或提供传感器错误或故障和所需的替换的通知。

执行代理模块54可以利用用于修改控制参数组K的调谐控制器模块55。重配置模块56可以改变控制器采样周期h。通知模块57可以负责提供用于传感器错误、传感器故障和一般需要服务、修理或替换的项目的通知。

网络自适应控制参数优化（CACPO）可以作为运行时带宽调度器进行工作，并可以基于CPS回路的优先级和网络空间资源（诸如网络带宽）的可用性来动态地分配网络带宽和控制参数以维持控制回路常态和QoP。

在考虑到随时间变化的采样频率的情况下，如图3和图5中所示的闭合回路中的每个CPS可以通过下面的系统模型加以描述。

其中x_i(k)∈Rⁿ是物理工厂/过程i的状态，u_i(k)∈R^m是用于控制回路i的控制输入，h_i,k表示在时刻k处控制回路i的采样周期，以及A(h_i,k)和B(h_i,k)是适当维度的h_i,k的实矩阵函数。根据下面的等式，可以从在时刻k处要被分派给控制回路i的带宽利用率b_i,k获得采样周期h_i,k。

这里，符号τ_i表示在最佳情况下完成用于控制回路i的控制动作所需要的操作时间，其可能被限于用于数据处理（诸如对传感器进行采样、计算控制输出、开动致动器、模数和数模转换）的时间以及用于将数据分组从传感器节点传输到控制器节点和从控制器节点传输到致动器节点的时间。可以假定：来自传感器节点的周期性传感器数据和来自控制器节点的控制数据被分组化到相同的比特长度L_i。如果网络介质的数据速率是R，则最佳情况单向数据传输时间是：

。

这里，T_i,p可以是用于控制回路i的数据处理所需的时间。操作时间τ_i因此可以被表达为：

。

对于每个已知的控制回路i，可以测量和计算最佳情况下的T_i,p和T_i,t。因此，根据等式（4），可以假定：对于每个控制回路，τ_i是常量。

带宽利用率/分配b_i,k可以是指示在时刻k处被分派给控制回路i的网络带宽的部分的参数。如果总的网络利用率接近一，则网络变得饱和，并且难以提高控制回路的采样速率。那么，如果某些控制回路要求更多带宽来维持系统常态，则需要网络带宽重新分配以重新布置业务量负载。

根据等式（2），由于τ_i是常量，因此更小的h_i,k指示更大的b_i,k。因此，等式（2）遵循下述事实：具有更高采样频率的控制回路要求更多带宽分配来传递更多数据。可以存在若干特殊情况，例如，一般地h_i,k＞=τ_i，即b_i,k＜=>i,k>i，即b_i,k=>

例如，当h_i,k=MD_i、其中MD_i是用于控制回路i的最大可允许回路延迟（MALP）时，控制回路i的最小网络带宽利用率是：

。

这里，反馈控制性能可以直接取决于回路延迟，其被定义为传感器节点对数据进行采样时的时刻与致动器开动控制命令时的时刻之间的时间间隔。为了保证系统稳定性和足够的控制性能，可以使用两个控制措施来确定最大可允许回路延迟MD_i：相位余量φ和闭合回路带宽ω_bw。为了确保稳定且可接受的控制性能，合理的采样速率应当为闭合回路带宽ω_bw[2]的至少20到40倍高，即20≤ω_s/ω_bw≤40，其中ω_s是采样频率。因此，可以通过等式（6）估计用于控制回路i的最大可允许回路延迟MD_i：

其中T_i,bw>i,bw以及ω_i,bw是控制回路i的闭合回路带宽。

可替代地，采样周期可以为上升时间t_r的4到10倍快，例如4≤t_r/h≤10，其中h是采样周期。因此，用于控制回路i的最大可允许回路延迟MD_i也可以通过等式（7）而估计：

其中t_i,r是根据阶跃响应的闭合回路系统i的上升时间。

当控制回路i处于平衡中（例如，）时，根据等式（5）、（6）和（7），可以存在用于控制回路i的最小带宽分配，其为：

。

对应的最大采样周期可以是：

或

。

当存在N个控制回路时，可以根据等式（12）来计算可被分派给控制回路i的最可用带宽，而其他控制回路可以被假定为使用它们的最小带宽：

。

对应的最小采样周期可以是：

。

在一些情况下，由于网络带宽限制，并非所有系统都可能能够同时获得足够带宽分配来传递数据和以其最高可能的采样频率来执行。尤其是当由于不利的网络状况（诸如数据丢弃掉和时间延迟）而出现时，甚至更少网络带宽可用。根据本发明的示例性实施例，CACPO力求执行最优带宽分配以获得针对每个闭合回路系统的最优控制性能并保证网络干扰期间的控制常态。本发明的示例性实施例也可以提供关联的弹性控制策略。

可以假定：当受控工厂处于平衡中时，预分派的执行速率（或采样周期）可能不是必需的。例如，为了尤其是当不利的网络状况出现时节约总体带宽使用率和增强其他控制回路的带宽利用率，可以减小所分派的带宽。另一方面，当受控工厂被扰乱时，通过从处于平衡中的其他控制回路拿走未充分利用的带宽来增大其分派的带宽可以加速系统从扰乱中的恢复并提高其系统性能。在当不利的网络状况出现时减轻控制性能的情况下，具有最高优先级的控制回路可以具有可用于保证系统控制常态的最大带宽。

因此，本发明的示例性实施例可以控制系统性能并优化带宽的分配。这里，E_i,k表示控制回路i在时刻k处的误差。涉及控制性能的性能准则（例如误差E）可以如等式（14）中那样利用带宽利用率加以定义：

其中参数β_i专用于每个控制回路，且可以通过针对大范围的采样速率或带宽分配评估每个控制回路的控制性能而在CPS的实现之前确定。一般地，带宽分配越少，则控制性能越差（例如，误差越大）。

根据本发明的示例性实施例，CACPO可以被设计成根据控制性能和网络带宽可用性将带宽利用率b_i分派给每个控制回路，使得CPS的总体QoP被优化。带宽分配的约束可以是，也就是说，总带宽利用率必须不超过整个网络容量。那么，当前附加地可用的带宽利用率可以被表征为：

。

在任何时间k处，下面的成本函数可以被公式化以便最小化：

其中a_i,1和a_i,2是加权系数，其是基于等式（14）在用于本地控制性能与带宽利用率之间的折衷的工程时间期间选择的。带宽分配的优化目的可以是：找到合适的带宽利用率b_i,k，其可以最小化总体网络带宽使用率并最大化系统性能（例如，以便最小化误差）。考虑到所有控制回路，用于整个系统的优化函数J_k可以变成：

其中约束为。如果第i个控制回路的每个J_i,k被最小化，则J_k被最小化。将等式（12）代入到等式（14）中并且关于b_i,k对J_i,k求微分，可以获得最优值(b_i,k)_opt为：

。

对应的最优采样周期可以是：

。

当检测到不利的网络状况时，最优网络分配可能未被保证，弹性控制策略因此可以被用于增加控制器对抗这些不利网络状况（诸如数据丢弃掉和时间延迟）的弹性。根据不同网络状况的最优控制参数可以被离线设计且基于如图5中所示的预兆信息反馈P_c和P_p在运行时中开启。

对于时间延迟，通过在出现时间期间离线的仿真，可以找到根据网络/链路中的l组不同时间延迟的、最大化QoP的n个最优控制参数。然后，可以找到l组控制参数并将其定义为：

。

这里，每个表示根据具体常量延迟τ_l的就QoP而言的n个控制参数的最优组。该l组参数然后可以被存储在执行代理模块54中的查找表中。默认控制参数组是K_0,i。控制策略调谐控制器55可以由决策制定单元53触发以根据不同网络时间延迟情形T_i,k来在不同控制参数组之间进行自适应控制器切换。在运行时期间，如果该时间延迟大于预定义阈值，则控制器调谐被触发以应用最优控制器参数组，其与查找表中的实时延迟最匹配。

对于数据分组丢弃掉，根据数据分组丢弃率，不同采样周期可以被用于自适应控制器。这里，i_k可以是分组号码，并且在弹性控制算法中使用的变化的采样周期可以由下式给出：

其中h_i,k+1是采样周期，将在控制器i的第（k+l）个计算中使用，i_k和i_k-1分别是当前和上次接收到的数据分组的分组号码。如果不存在分组丢失，则h_i,k+1等于h_i,k。

图6是图示了根据本发明示例性实施例的用于CACPO的方法的流程图。在每个控制回路中，该CACPO可以被实现为弹性控制算法的一部分。

在工程时间处，对于具有N个控制回路的给定物理系统，可以基于每个回路的控制目的来选择、设计或测量每个闭合回路系统的物理参数（像闭合回路带宽、阶跃响应的上升时间和其他常量参数）（S601）。然后，可以选择适当的网络结构（步骤S602至S604）。可以选择具有参数L_i、R和T_ip的网络（步骤S602）。然后，可以计算各种参数（诸如T_i,t、T_i、MD_i、以及B_i的范围）（步骤S603）。然后可以基于网络带宽约束来确定是否可以使用所选择的网络（步骤S604）。如果不可以（否，步骤S604），则该过程可以返回到步骤S602并且可以选择另一个网络结构。如果可以（是，步骤S604），则可以在系统上进行更多仿真和测试以获得用于控制回路的最优控制参数组，如等式20中所示（步骤S605）。例如，对于每个控制回路，在系统实现之前设计具有三个不同采样周期的控制器。

在运行时处，对于每个控制回路i，首先，可以应用如等式18中所示的最优带宽分配、如等式19中所示的最优采样周期、和默认控制参数组（步骤S606）。然后，在系统运行时期间，每个控制回路保持监视系统误差和网络情形以检查系统误差和网络时间延迟是否在预设阈值内（步骤S607和步骤S609）。如果网络时间延迟大于阈值（是，步骤S607），则可以应用如等式20中所示的不同控制参数组K_i（步骤S608）。此后，或者在网络时间延迟不大于阈值的情况下（否，步骤S607），则可以检查系统误差是否由于扰乱而大于阈值（步骤S609）。如果不是这样（否，步骤S609），则可以应用等式8或9中所示的最小带宽分配和等式10中所示的最大采样周期（步骤S611）。如果是这样（是，步骤S610），则可以进一步检查该控制回路是否具有最高优先级（步骤S610）。如果不是这样（否，步骤S610），则应用（步骤S606）中的原始参数组。如果是这样（是，步骤S610），则可以应用等式12中所示的最大带宽和等式13中所示的最小采样周期，例如，所有当前可用的带宽可以被分派给该控制回路以确保其最佳QoP（步骤S612）。此后，可以检查存在任何网络数据丢弃掉（步骤S613）。如果存在（是，步骤S613），则可以应用如等式21中所示的不同采样周期（步骤S615）。否则（否，步骤S613），该系统可以去往下一个循环并重复（步骤S614）。

图7示出了可实现本公开的方法和系统的计算机系统的示例。本公开的方法和系统可以以运行在计算机系统（例如大型机、个人计算机（PC）、手持式计算机、服务器等）上的软件应用的形式实现。软件应用可以被存储在可被计算机系统本地访问且可经由到网络（例如，局域网或互联网）的硬线或无线连接访问的记录介质上。

一般称为系统1000的计算机系统可以包括例如中央处理单元（CPU）1001、随机存取存储器（RAM）1004、打印机接口1010、显示器单元1011、局域网（LAN）数据传输控制器1005、LAN接口1006、网络控制器1003、内部总线1002以及一个或多个输入设备1009（例如键盘、鼠标等）。如所示，系统1000可以经由链路1007连接到数据存储设备（例如硬盘1008）。

本文所描述的示例性实施例是说明性的，并且在不脱离本公开的精神或所附权利要求的范围的情况下可以引入许多变型。例如，在本公开和所附权利要求的范围内，不同示例性实施例的元件和/或特征可以彼此组合和/或替代彼此。