基于混杂系统理论的工业过程实时控制研究

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1、摘要随着控制理论应用研究的深入，实际生产过程中经常会遇到离散决策变量与连续变量共存的情况，混杂系统的研究应运而生。常见的化工间歇生产过程．、食品加工过程、计算机辅助制造过程都属于典型的混杂系统。而一般连续生产过程中也包含诸如生产方案的切换、调度指令的实施、随机事件的引入、故障的发生等离散变量，它们对于整个过程都有着不可忽视的影响。本文对基于混杂系统理论的工业过程实时控制进行深入的探讨，提出工业生产过程的实时控制框架，并给出一些系统优化方法。根据工程实际，可以把混杂系统分为切换型、水箱型、集中控制型、旅

2、行商型、递阶型、交互型、仿真语言型等。在工业过程的混杂系统层次模型中，连续部分通常由微分方程组或状态方程来描述，离散事件部分可以采用极大代数法、Petri网和自动机等来建模。极大代数方法的优势在于通过空间映射，将非线性系统变为线性系统，从而可以使用现代控制理论中的一些方法。Petri网和自动机是基于图论的，描述能力较为强大的建模工具，在混杂系统中有非常广泛的应用。本文还提出混杂系统的一般建模方法和仿真算法，并结合离散事件与连续状态变量之间的作用关系特点，研究监控型混杂系统和交互型混杂系统的模型特点和仿

3、真算法。本文从分析工业过程的混杂结构和控制算法出发，在混杂系统的一般开环模型基础上，提出三种设计混杂系统闭环控制器模型的综合方法，闭环控制器模型是开环模型以及控制器的有机结合，控制器依据被控对象连续和离散的反馈信息，发出离散控制命令，这种模型结构可以广泛应用于工业应用。如何根据系统特性设计控制器是研究的重点，在第三种模型中，类似经典控制具有最优控制性能，还融合了时间最优化的特性。此外，还提出混杂监督控制器的综合方法，通过分析递阶型和交互型HDS各自的特点、适用范围和分析方法，借鉴和应用监督控制理论，来

4、设计开环或闭环系统的控制器，并根据系统的约束条件实现对递阶型和交互型HDS的优化控制。对于混杂系统稳定性的分析，公共李亚普诺夫函数方法和LMI方法在工程应用中是比较简单而且实用的。本文用某车辆的定速巡航功能进行设计验证，利用LMI方法对系统做稳定性判断，得到的仿真结果与实验数据具有较好的一摘要致性，从而也验证了判定定理的适用性。本文将极大代数法用于制造系统，Petri网模型用于仓储过程，以及基于监督控制和递阶型HDS的理论用于仿生机器人混杂控制器，得到较好的效果，从而说明混杂系统理论在工业过程中具有重

5、要的指导意义。本文阐述了应用混杂系统理论建立起来的工业生产过程实时控制模型，包括工厂计划、调度、底层过程控制。模型应用基于递阶型分层监督控制的混杂系统分析方法，其中工厂计划模块完全可以应用极大代数理论、Petri网或自动机理论；调度模块可以视为一个接口，它将计划模块的命令传输到过程控制模块，并从控制模块采集实时数据反馈给计划模块。文章还介绍制造执行系统(MES)的基本框架和应用，同时以Festo气动伺服生产系统模拟简单的工业生产过程，结合基于监督控制理论的混杂系统分析与综合以及ToC、SPC理论，利用

6、本文提出的混杂系统实时控制模型，说明如何实现实时控制。同时，由于系统中的不确定因素，经常会有突发的零星事件干扰系统的运行，本文还提出基于POSIX规范的零星事件调度策略，并以“磁滞陀螺电机高频电源的研制”项目为背景介绍其应用。并证明引入零星事件调度策略后，可以大大提高系统的实时响应能力。综上所述，混杂系统理论对工业过程的实时控制起到了指导性作用，由此发展而来的制造执行系统(MES)t在制造工业中发挥着举足轻重的作用，并为人类社会的快速发展贡献巨大的力量。混杂系统的研究经过多年的发展，逐渐形成较为成熟的

7、工程应用，但是还需要在理论研究方面继续深入和完善，并且着眼于实际应用开发，展开系统的全方面研究。关键词：混杂系统，工业过程，分层监督控制，实时控制UAbstractABSTRACTHybridsystemscombinetime·-drivencontinuousandevent··drivendiscretedynamics．Thisisanaturalframeworkformanufacturingprocesses：thephysicalcharacteristicsofproductionp

8、artsundergochangesatvariousoperationsdescribedbytime-drivenmodels，whiletimingcontrolofoperationsisdescribedbyevent．drivenmodels(productionplanswitching，schedulingimplementation，ad-hoeeventinterruption，machinefault)．Suchprocessesc