Hierarkiskt kontrollsystem - Hierarchical control system

Ett hierarkiskt styrsystem (HCS) är en form av styrsystem där en uppsättning enheter och styrande programvara är arrangerade i ett hierarkiskt träd . När länkarna i trädet implementeras av ett datornätverk , är det hierarkiska kontrollsystemet också en form av nätverksstyrsystem .

Översikt

Ett mänskligt byggt system med komplext beteende är ofta organiserat som en hierarki. Till exempel har en kommandohierarki bland dess anmärkningsvärda funktioner organisationsschemat över överordnade, underordnade och linjer för organisationskommunikation . Hierarkiska kontrollsystem är organiserade på samma sätt för att dela beslutsfattandet.

Varje element i hierarkin är en länkad nod i trädet. Kommandon, uppgifter och mål som ska uppnås flyter ner i trädet från överlägsna noder till underordnade noder, medan känslor och kommandoresultat flödar upp i trädet från underordnade till överlägsna noder. Noder kan också utbyta meddelanden med sina syskon. De två särdragen hos ett hierarkiskt styrsystem är relaterade till dess lager.

  • Varje högre lager av trädet arbetar med ett längre planerings- och utförandeintervall än dess omedelbart nedre lager.
  • De nedre skikten har lokala uppgifter, mål och förnimmelser, och deras aktiviteter planeras och samordnas av högre lager som inte i allmänhet åsidosätter deras beslut. Skikten bildar ett hybrid intelligent system där de lägsta, reaktiva skikten är delsymboliska. De högre skikten, med avslappnade tidsbegränsningar, kan resonera utifrån en abstrakt världsmodell och utföra planering. Ett hierarkiskt uppgiftsnätverk passar bra för planering i ett hierarkiskt styrsystem.

Förutom konstgjorda system föreslås ett djurs kontrollsystem organiseras som en hierarki. I perceptuell kontrollteori , som antyder att en organisms beteende är ett sätt att kontrollera dess uppfattningar, föreslås att organismens kontrollsystem är organiserade i ett hierarkiskt mönster när deras uppfattningar är konstruerade så.

Styrsystemets struktur

Funktionella nivåer för en tillverkningskontrolloperation.

Det medföljande diagrammet är en allmän hierarkisk modell som visar funktionella tillverkningsnivåer med hjälp av datoriserad styrning av ett industriellt styrsystem.

Med hänvisning till diagrammet;

  • Nivå 0 innehåller fältanordningar som flödes- och temperaturgivare och slutliga styrelement, till exempel reglerventiler
  • Nivå 1 innehåller de industrialiserade Input/Output (I/O) -modulerna och tillhörande distribuerade elektroniska processorer.
  • Nivå 2 innehåller de övervakande datorerna, som samlar information från processornoder i systemet och tillhandahåller operatörens kontrollskärmar.
  • Nivå 3 är produktionskontrollnivån, som inte direkt styr processen, utan som handlar om att övervaka produktions- och övervakningsmål
  • Nivå 4 är produktionsplaneringsnivån.

Ansökningar

Tillverkning, robotik och fordon

Bland de robotiska paradigmerna finns det hierarkiska paradigmet där en robot arbetar uppifrån och ner, tungt med planering, särskilt rörelseplanering . Datorstödd produktionsteknik har varit ett forskningsfokus på NIST sedan 1980-talet. Dess Automated Manufacturing Research Facility användes för att utveckla en femlagers produktionskontrollmodell. I början av 1990 -talet sponsrade DARPA forskning för att utveckla distribuerade (dvs. nätverksanslutna) intelligenta styrsystem för applikationer som militära lednings- och kontrollsystem. NIST byggde på tidigare forskning för att utveckla sitt Real-Time Control System (RCS) och Real-Time Control System Software som är ett generiskt hierarkiskt styrsystem som har använts för att driva en tillverkningscell , en robotkran och ett automatiserat fordon .

I november 2007 höll DARPA Urban Challenge . Den vinnande posten, Tartan Racing använde ett hierarkiskt styrsystem med planerad uppdragsplanering , rörelseplanering , beteendegenerering, uppfattning, världsmodellering och mekatronik .

Artificiell intelligens

Subsumtionsarkitektur är en metod för att utveckla artificiell intelligens som är starkt associerad med beteendebaserad robotik . Denna arkitektur är ett sätt att bryta ner komplicerat intelligent beteende i många "enkla" beteendemoduler, som i sin tur är organiserade i lager. Varje lager implementerar ett särskilt mål för mjukvaruagenten (dvs. systemet som helhet), och högre lager blir allt mer abstrakta. Varje lagers mål understiger det för de underliggande skikten, t.ex. beslutet att gå vidare med lagret mat-mat tar hänsyn till beslutet om det lägsta hinder-undvikande skiktet. Beteende behöver inte planeras av ett överlägset lager, snarare kan beteenden utlösas av sensoriska inmatningar och är därför bara aktiva under omständigheter där det kan vara lämpligt.

Förstärkningsinlärning har använts för att förvärva beteende i ett hierarkiskt styrsystem där varje nod kan lära sig att förbättra sitt beteende med erfarenhet.

Beståndsdelar i en nod från James Albus referensmodellarkitektur

James Albus , medan han var på NIST, utvecklade en teori för intelligent systemdesign med namnet Reference Model Architecture (RMA), som är ett hierarkiskt styrsystem inspirerat av RCS. Albus definierar varje nod för att innehålla dessa komponenter.

  • Beteendegenerering är ansvarig för att utföra uppgifter som tas emot från den överordnade, överordnade noden. Den planerar också och utfärdar uppgifter till de underordnade noder.
  • Sensorisk uppfattning är ansvarig för att ta emot förnimmelser från de underordnade noder, sedan gruppera, filtrera och på annat sätt bearbeta dem till högre nivå abstraktioner som uppdaterar det lokala tillståndet och som bildar sensationer som skickas till den överlägsna noden.
  • Värdebedömning ansvarar för att utvärdera den uppdaterade situationen och utvärdera alternativa planer.
  • Världsmodell är den lokala staten som tillhandahåller en modell för det kontrollerade systemet, kontrollerade processen eller miljön på abstraktionsnivån för de underordnade noderna.

På sina lägsta nivåer kan RMA implementeras som en subsumptionsarkitektur, där världsmodellen mappas direkt till den kontrollerade processen eller den verkliga världen, vilket undviker behovet av en matematisk abstraktion och där tidsbegränsad reaktiv planering kan implementeras som en ändlig statsmaskin . Högre nivåer av RMA kan dock ha sofistikerade matematiska världsmodeller och beteende som implementeras genom automatiserad planering och schemaläggning . Planering krävs när vissa beteenden inte kan utlösas av nuvarande förnimmelser, utan snarare av förutspådda eller förväntade förnimmelser, särskilt de som uppstår till följd av nodens handlingar.

Se även

Referenser

  1. ^ Findeisen, sidan 9
  2. ^ [1] Arkiverat 2008-01-19 vid teambeskrivningen för Wayback Machine Tartan Racing
  3. ^ Urmson, C. et al., Tartan Racing: A Multi-Modal Approach to DARPA Urban Challenge Archived 2013-05-20 at Wayback Machine 2007, page 4
  4. ^ Brooks, RA "Planering är bara ett sätt att undvika att räkna ut vad man ska göra nästa" Arkiverad 2007-03-11 på Wayback Machine , teknisk rapport, MIT Artificial Intelligence Laboratory, 1987
  5. ^ Takahashi, Y. och Asada, M., Behavior Acquisition by Multi-Layered Reinforcement Learning. I Proceedings of the IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics 1999, sidorna 716-721
  6. ^ Albus, JS A Referensmodellarkitektur för intelligent systemdesign. Arkiverad 2008-09-16 på Wayback Machine I Antsaklis, PJ, Passino, KM (red.) (1993) En introduktion till intelligent och autonom kontroll. Kluwer Academic Publishers, 1993, kapitel 2, s. 27-56. ISBN  0-7923-9267-1
  7. ^ Meystel, AM, Albus, JS, Intelligent Systems, John Wiley and Sons, New York, 2002, s 30-31

Vidare läsning

  • Albus, JS (1996). "Engineering of Mind" . From Animals to Animats 4: Proceedings of the Fourth International Conference on Simulation of Adaptive Behavior . MIT Press.
  • Albus, JS (2000). "4-D/RCS referensmodellarkitektur för obemannade markfordon". Robotics and Automation, 2000. Proceedings. ICRA'00. IEEE International Conference on . 4 . doi : 10.1109/ROBOT.2000.845165 .
  • Findeisen, W .; Andra (1980). Kontroll och samordning i hierarkiska system . Chichester [Eng.]; New York: J. Wiley.

externa länkar