高军伟[1]2003年在《切换系统建模、控制理论与应用研究》文中指出本文重点研究了一类重要的混杂系统—切换系统的建模与控制理论，并将研究结果应用到焦炉加热自动控制系统中，实现了对复杂工业过程系统的控制。 论文提出了智能切换控制的概念，智能切换控制将智能控制理论与切换系统理论有机结合起来，以切换控制为主体，将智能控制的理论与方法应用到切换系统的建模、分析与控制中。智能切换控制是切换系统发展的高级阶段，是解决复杂系统控制问题的重要方法。 文章提出了切换系统中被控对象动态区间软划分的方法，降低了系统分析与建模的复杂性。动态区间软划分后得到的每一个动态子区间都是一个既包含连续变量和离散变量又具有两种变量相互作用的复杂集合体，同时每一个动态子区间又都是具有其动态特性和变化规律的独立整体。分析了动态子区间的区间重迭、区间漂移和区间缩放特性，其中区间重迭是子区间的外部特征，而区间漂移和区间缩放则是子区间的内部特征。基于T-S模型的模糊神经网络被用作子区间的参数辩识工具。 在复杂系统动态区间软划分的基础上提出了柔性切换控制。柔性切换是针对复杂系统控制问题的一种控制策略，柔性切换可以同时包含硬切换和软切换，其切换策略是既受连续变量驱动，又受离散事件驱动，而且切换具有多样性和层次性。针对时变滞后大惯性系统提出了半闭环控制，基于有界控制的半闭环控制的控制目标首先是要满足输出的有界稳定，其次才是满足输出的无差性，是对人类控制器控制复杂系统的有效模拟。而由于采样周期过大产生的半闭环控制则是要尽量避免的。 提出了柔性切换系统稳定性监控的概念，实现系统稳定性的监督与控制。稳定性监控器存在两个功能：首先是监督，即监测与判断系统的稳定或不稳定状态与趋势；其次是控制，使系统保持或恢复稳定状态，从而保证系统的全局有界稳定，稳定性监控器是控制器的控制器。 焦炉是具有大时滞、强非线性、多变量耦合、变参数的复杂对象，直行温度受多种因素的影响，焦炉生产过程既受连续时间信号驱动，又受离散事件信号驱动，采用常规的控制方法难以将直行温度控制到要求的精度范围内。本文结合焦炉加热控制这样一个复杂的工业过程控制系统，首次分析了焦炉生产过程中的混杂特性，并将智能切换系统理论应用到焦炉加热自动控制中。控制系统能够适应焦炉运行过程中工况的频繁变化，保证了直行温度的稳定性和合理的燃烧状况，提高了焦炭质量，同时对降低能耗、减少环境污染和延长炉体使用寿命都具有重要意义。
汪少华[2]2013年在《半主动空气悬架混杂系统的多模式切换控制研究》文中研究表明与传统悬架相比,半主动空气悬架能够实现车身高度的主动控制和阻尼的自适应调节,对于改善车辆在行驶过程中的乘坐舒适性、行驶安全性以及燃油经济性有着重要作用,已成为汽车工程界的研究热点。随着空气弹簧和可调阻尼减振器研究的日益成熟,控制系统的设计已经成为实现半主动空气悬架控制功能要求、提高半主动空气悬架自适应能力的瓶颈和关键。本文以变阻尼与变车身高度集成的某空气悬架轿车为研究对象,通过分析系统的工作原理和运行状态,将非线性的半主动空气悬架综合为包含悬架系统自身物理特性所约束的连续动态过程行为和多工况使能／失能切换输入、多工况控制输出等离散动态行为的集合。根据这两类不同性质行为之间的相互混合和相互影响,本文的主要内容将围绕半主动空气悬架控制策略的设计、半主动空气悬架混杂系统动态行为分析及其控制等工作进一步展开。构建半主动空气悬架混杂系统。分析了半主动空气悬架的控制模式和性能特点,进行了半主动空气悬架混杂特性的解析和研究,将半主动空气悬架的阻尼控制过程描述为一类混杂系统,引入混杂系统理论,构建了半主动空气悬架混杂系统功能模型结构和实现模型结构,为半主动空气悬架混杂系统的控制奠定基础。确定半主动空气悬架的控制模式与切换参数。根据半主动空气悬架混杂系统的控制特点,对其进行了多模式切换控制研究。将车身高度分为“高位、中位和低位”叁种控制模式,并根据车辆的行驶路面与车速变化确定各个模式之间的切换参数。考虑车身高度控制与阻尼自适应调节之间的耦合关系,提出以车身高度切换优先为原则,将车身高度控制与阻尼控制解耦,并采用模糊控制算法实现叁种车身高度间的稳定性调节。针对转向工况下不进行车身高度调节的特点,增加了转向工况控制模式。设计半主动空气悬架混杂系统局部控制器。根据悬架的偏频特性确定空气弹簧的可调高度,并在此基础上建立包含空气弹簧非线性的半主动空气悬架整车动力学模型,针对直线行驶工况下不同车身高度所反映的阻尼控制目标不同,分别设计了相应的阻尼力模糊PID控制算法,同时进行了转向工况下的基于模糊神经网络的阻尼力控制研究,对局部控制器的性能进行仿真分析,验证了控制算法的有效性。提出了半主动空气悬架混杂系统切换监督控制方法。建立了半主动空气悬架多工况性能评价指标体系,分析了系统无监督切换控制性能。针对系统在切换过程由于局部控制器输出跃变引起的失稳和振荡,基于模糊理论设计了混杂系统切换过程监督控制器,通过对局部控制器的输出进行加权和得到系统的最终控制输入,从而实现半主动空气悬架混杂系统的平滑切换,通过仿真验证了所设计的监督器的有效性。开发了基于MC9S08单片机的半主动空气悬架混杂系统多模式切换控制器,并进行了控制系统的软硬件设计。针对车辆的行驶平顺性和操纵稳定性分别进行了局部工况的实车道路性能验证,对试验结果进行了分析研究。研究结果表明,通过建立半主动空气悬架混杂系统,并对其进行多模式切换监督控制,既满足了悬架在不同行驶工况下的控制要求,同时改善了系统在控制模式切换过程中的振荡和冲击,悬架性能指标在模式切换过程中的超调幅度最高可降低19.4%。在局部工况随机路面试验中,半主动空气悬架混杂系统控制可使车辆的行驶平顺性平均提高11.15%;在蛇形试验中,车辆的车身侧倾角均值平均降低了6.18%、横摆角速度均值平均降低了7.24%、侧向加速度均值平均降低了5.43%,车辆的操纵稳定性达到并超越了原车的控制水平。
文小强[3]2012年在《基于CAN总线的网络控制研究》文中研究表明网络控制系统作为多学科交叉融合的产物，以其良好的开放性、灵活性和可靠性在工业现场得到了广泛的应用。网络的引入在为控制系统带来便利的同时也为控制系统带来了时延、丢包、信息乱序等问题。这些问题的存在会对系统的控制性能带来极大影响，甚至会在一定条件下造成系统的不稳定。本文在分析几种主要影响网络控制系统性能的因素和网络控制系统研究现状的基础上，从时延补偿、综合建模、调度算法改进叁个角度对网络控制系统进行研究。针对无法获得被控对象全状态信息且具有随机时延的网络化控制系统，设计了预测控制器，提出了基于灰色预测的网络控制系统时延补偿方案；针对一类带有参数不确定性的网络控制系统，将丢包视为一种特殊的长时延过程，将时延问题和丢包问题综合考虑，提出了基于离散脉冲切换的网络控制系统建模方法，采用多李雅普诺夫函数和线性矩阵不等式分析的方法，研究了系统渐进稳定的充分条件，给出了针对各模态切换的鲁棒控制器设计方法；针对基于CAN总线的网络控制系统中调度问题对系统性能的影响，总结了现有网络控制系统中调度算法的研究方向，针对传统MTS调度算法的缺陷，提出了一种改进的MTS调度算法。在MATLAB环境下利用TRUETIME工具箱搭建了网络控制系统仿真模型，对本文所提出的各个方案进行了仿真验证，实验结果证明了本文提出的解决方案的有效性。
高谦[4]2008年在《具有时延和丢包的网络控制系统的分析与控制》文中指出随着控制任务和结构的日益复杂化、系统各部件之间共享和交换信息的急剧膨胀,以及计算机、通信、传感器和网络技术的发展与广泛应用,一种新型的分布式、智能化、网络化的控制系统应运而生——网络控制系统,它是利用专用或通用的通信网络连接构成闭环的控制系统。网络构成反馈通道,信息通过网络进行传输和交换,摆脱了传统点对点连接的束缚,打破了系统在空间位置上的限制,拓宽了控制活动的场所,降低了系统连接的复杂性、运行成本和维护费用。远程遥操作、遥医学、远程教学、无线网络机器人、某些兵器系统以及新兴的以现场总线及工业以太网为基础的控制系统均属于网络控制系统的范畴,此外,网络控制系统在航空航天领域以及复杂、危险的工业控制领域也具有广阔的应用前景。在网络控制系统带来诸多优点的同时,也给控制学科带来了新的挑战。网络控制系统中的各类信息以分时复用的方式共享有限的网络资源,网络中数据包的传输速率、数据包长度以及所采用的介质访问控制方式均影响着网络控制系统的性能。因此,网络的介入不可避免地在控制回路中引入了网络诱导时延、数据包丢失、数据包时序错乱等问题,使得传统控制系统的研究方法难以直接应用于网络控制系统,迫切需要研究新的控制理论与方法。本论文首先对网络控制系统的研究现状进行了总结,并分别对网络控制系统中由于网络的介入而引发的一些基本问题:节点的驱动方式、数据采样、网络诱导时延、单包传输与多包传输、数据包的丢失及时序错乱和网络调度等问题进行了总结与阐述。对网络控制系统中普遍存在的网络诱导时延的特性进行了分析,阐述了网络控制系统中网络诱导时延的组成、产生的原因以及不同控制网络所具有的时延的特性。针对网络控制系统中叁种不同类型的时延——确定性时延、随机时延和时变时延,对闭环网络控制系统进行了建模。特别地,将随机时延和时变时延归入系统的不确定部分,从而将闭环网络控制系统建模为离散不确定系统。对网络控制系统中存在的数据包传输丢失的现象,分析其产生的原因和数据丢包的特性。针对网络控制系统中两种类型的数据包丢失过程——确定性丢包过程和随机丢包过程,对闭环网络控制系统进行了建模。将确定性丢包过程建模为以一定的速率闭合的开关,从而将闭环系统建模为受结构事件率约束的异步动态系统;考虑两种情况的随机丢包过程:一是任意丢包过程,另一个是Markove丢包过程,得到更具有普遍性的随机丢包网络控制系统模型。对于同时存在网络诱导时延和数据包丢失的网络控制系统进行了建模、稳定性分析和控制器的设计。对于存在确定性时延和确定性丢包过程的网络控制系统,分别建立了状态反馈和动态输出反馈控制下的闭环系统模型,给出了保持系统指数稳定的充分条件和控制器的设计;对于存在时变时延和确定性丢包过程的网络控制系统,将其建模为离散不确定系统,利用不确定性理论得到了保持系统稳定的充分条件和控制器的设计;建立含有时延(确定的和时变的)和随机丢包过程的网络控制系统的模型,并给出了保持系统渐进稳定的充分条件和控制器的设计,所得的结果具有更普遍的意义。对于对象状态不完全可测的网络控制系统,基于远程估计器估计系统的状态,构成状态反馈,建立了具有时延和数据包丢失的网络控制系统的模型。
张悦[5]2008年在《混杂系统建模与控制方法研究》文中研究说明随着工业控制对象的规模日益复杂以及对控制精度的要求日益提高,工业控制过程中的连续过程动态系统(CVDS)和离散事件动态系统(DEDS)的耦合关系越来越明显,着眼于连续和离散过程之间的耦合作用及其所表现出来的特殊动力学特性,混杂系统(Hybrid System)理论的研究引起了国际控制界的广泛关注。所谓混杂系统,是指系统内存在相互作用的连续时间动态子系统和离散事件动态子系统,其中离散部分在控制中常以调度程序或监控管理者的形式出现,譬如ON/OFF切换开关、阀门、传动装置、限幅器或者选择器,而连续部分则随着时间的发展不断演化,二者相互作用,使系统的运动轨迹在整体上呈现出离散位置的迁移,局部上呈现连续状态的渐进演化。混杂系统狭义上是指一个既包含离散变量,又包含连续变量的系统;广义上是指一个包括相互作用的连续过程和离散过程的系统。本文围绕混杂系统的建模和控制器优化设计展开研究,从混杂系统本身的特点出发,以混杂系统分类模型的建立和相应模型控制方法的实现为研究目标,综合运用自动机、Petri网、并行投影结构(Projection Construct)等离散事件系统分析方法以及广义预测控制算法(GPC)、多模型控制、模糊监督等连续时间系统分析方法,从系统模型的建立、控制器的优化设计和简化方面进行了深入探讨和分析,在混杂系统的离散建模方面、混合逻辑动态(MLD)模型的控制、切换模型混杂系统控制、混杂系统控制方法的推广方面提出了一些新的思路和方法。1.针对一类从整体上更能体现出离散事件系统特点的混杂系统,以混杂系统自动机建模理论为基础,结合一种特殊的并行投影结构,提出了针对这类混杂系统的推广自动机模型。该模型着眼于连续状态空间的划分。并行投影结构有效的处理了离散事件动态子系统和连续变量动态子系统之间的接口问题。该方法获得的混杂系统模型用图形的方式表示,简单直观,容易理解。并借助于Matlab环境中的Stateflow,给出了该类模型的仿真方法。2.针对混合逻辑动态模型的特点,将经典广义预测控制算法的被控对象进行了扩展,引入了代表离散事件行为的开关量,用混合整数二次规划算法对该控制方法进行求解,并且在此基础上,对于带约束条件的混杂系统的控制问题也进行了研究。3.根据混杂系统的切换系统模型,提出了应用多模型控制的方法实现混杂系统控制的思想,借助于基于隶属度加权的模糊监督控制思想,设计了适用于混杂系统的监督控制器,在该监督器的作用下,实现了控制系统中局部控制器之间的切换,并且使扰动达到最小,之后采用Lyapunov稳定性定理及推论,求解矩阵不等式组,对其全局稳定性提出了判定方法。4.将前面提到的MLD模型和GPC相结合的控制方法,应用到多模型系统的控制当中,将多模型控制系统等效为混杂系统的切换模型,根据工况点引入相应的逻辑量,用带有线性不等式约束的统一表达式代替多模型系统中的典型工况点模型。这样做的最大好处是降低了模型切换时的扰动,减少了控制器的数量。通过对典型多模型对象的仿真验证了该方法控制效果很好。5.结合风力发电系统中风力机的特点,针对其混杂特性,将前面提到的控制方法应用到风力机的全工况控制当中。
张丹[6]2012年在《复杂切换系统分析及其在网络化系统中的应用研究》文中研究说明切换系统是一类重要的混杂系统,有着广阔的物理背景和极高的应用价值。其研究成果与控制工程中的许多实际问题密切相关,如移动机器人控制、机械设备的隔振控制等。因此,切换系统的分析与研究具有十分重要的科学价值和应用意义。切换系统中连续动态与离散切换信号之间的相互作用使得切换系统具有非常复杂的动态行为,这为控制及相关领域提出了不少具有挑战性的研究课题。另一方面,实际系统中存在着的非线性扰动、随机摄动、时滞等因素与切换信号相互作用,使得对这样一类复杂切换系统的分析变得更加困难,大量的分析与综合问题亟待解决。本文针对一类存在非线性扰动、随机摄动、时滞以及参数切换的复杂切换系统,研究其分析与综合问题,并进一步研究了复杂切换系统方法在网络化故障检测与滤波系统中的建模与分析。研究工作主要包括：1.研究了一类存在随机量测时延的非线性随机切换系统H_∞滤波问题。由于随机噪声、时滞、非线性以及切换机制相互作用,对该类复杂切换系统的分析极为困难。采用随机系统分析方法以及Lyapunov稳定性理论,给出了滤波误差系统均方指数稳定且具有给定H_∞性能指标的充分条件。对参数化矩阵进行约束,得到了滤波器设计方法。最后通过一个基因调控网络的数值仿真,说明了所给结果的正确性。2.讨论了一类同时存在状态时滞和切换时滞的非线性切换系统异步H∞滤波问题。通过构造一个分段的Lyapunov函数以及采用平均驻留时间分析方法,得到了滤波误差系统指数稳定且具有给定H_∞性能指标的时滞依赖充分条件。同时,还建立了异步时间与系统性能之间的定量关系。最后通过一个神经网络的数值仿真,说明了滤波器设计方法的有效性。3.研究了一类存在量测数据丢失的非线性随机切换系统H_∞滤波。进一步考虑了实际系统可能存在的非线性扰动、随机扰动和混合时滞等问题,比现有研究结果更具有一般性。特别地,对于量测数据丢失问题,还提出了一种新的补偿策略。针对这样一类复杂切换系统,通过采用平均驻留时间分析方法和Lyapunov稳定性理论,给出了滤波误差系统指数稳定以及具有H_∞性能的充分条件。并基于此,设计了最优滤波器。4.针对一类存在静态约束和状态时滞的离散时间奇异切换系统,首次研究了基于平均驻留时间切换的指数H_∞滤波问题。通过引入一个全新的引理以及构造一个合适的Lyapunov函数,给出了滤波误差系统正则、因果以及指数稳定的充分条件。在此基础上,给出了H_∞滤波器的设计方法。最后,通过经济系统中的投入产出系统验证了结果的有效性。5.研究了复杂切换系统在模糊系统网络化故障检测中的建模与分析问题。首先,讨论了存在介质访问受限和随机丢包的模糊系统网络化故障检测问题。将网络化故障检测系统建模成具有一个随机参数和时滞的的模糊切换系统,并采用复杂切换系统分析方法给出了故障检测系统均方指数稳定且具有给定H_∞性能指标的充分条件。其次,研究了时间槽数量有限情况下的网络化故障检测问题,同时考虑了传感器饱和、信号量化以及数据丢失问题更符合实际的网络化故障检测系统。将故障检测系统建模成具有多个随机变量,参数不确定项和非线性项的模糊切换系统,给出了故障检测系统均方指数稳定且具有H_∞性能指标的充分条件以及最优检测器的设计方法。6.采用复杂切换系统方法研究了能耗约束下的无线传感器网络H_∞滤波问题。针对无线传感器网络的能量有限问题,提出了一种具有时变传输间隔的信号发送策略以降低节点的能耗,并分别研究了同时存在时变传输间隔协议和随机丢包的集中式H_∞滤波和分布式H_∞滤波问题。将滤波误差系统建模成具有多个随机变量的随机切换系统,并借鉴复杂切换系统分析方法,给出了滤波误差系统均方指数稳定且具有给定H_∞性能指标的充分条件。建立了信号发送过程与系统性能之间的定量关系。最后通过弹簧系统的数值仿真验证了滤波器设计算法的有效性。
郑琳琳[7]2017年在《空调系统的切换最优控制器设计》文中研究指明本文以暖通空调系统为研究对象,深入地研究了空调系统的建模及控制器设计。在空调系统中,对蒸发温度和过热度的控制是其控制的重要环节,实现对蒸发温度和过热度的快速及稳定控制也是实现空调系统高效节能运行的关键。首先,本论文详细地分析了空调系统的基本工作原理,建立了空调制冷系统的5阶非线性动态集中参数模型。并对所建立的空调制冷系统非线性模型在选定的工作点处进行了线性化。为避免单一工作点处线性化产生的建模误差而造成控制效果差的问题,本课题采用了切换控制的基本思想,对建立的空调制冷系统的非线性模型选择在多个工作点处进行线性化处理,从而得到了一组空调控制系统的线性状态空间模型。然后,分别对描述空调切换系统的每个线性子模型设计了状态调节的线性二次型最优控制器,并根据实际系统的运行情况,设计了空调系统切换控制的切换规则。为保证控制系统在任意切换下能够稳定运行,本文利用共同李雅普诺夫方法验证了系统在任意切换下的稳定性,从而完成了空调系统切换最优控制器的设计。最后,为了验证对建立的空调系统2输入(膨胀阀开度和压缩机转速)2输出(蒸发温度和过热度)模型所设计的控制器的控制效果,本文基于MATLAB仿真软件,对空调控制系统在多种工况下进行了仿真分析。仿真结果表明,控制系统实现了在多个控制器切换运行下的调节控制,取得了良好的控制效果,证实了切换控制器的有效性。
秦琳琳, 马国旗, 储着东, 吴刚[8]2016年在《基于灰色预测模型的温室温湿度系统建模与控制》文中进行了进一步梳理温室温湿度系统是一个典型的混杂系统(hybrid system,HS),系统的输入包括环境调控设备的开关状态以及可测不可控的外界环境因子扰动输入,包括太阳辐射、室外温度、室外湿度、风速、风向等。针对温室温湿度系统的这种混杂特性,该文提出一种基于切换系统的温室温湿度系统建模与预测控制方法。首先,分别在天窗开启与关闭状态下采用遗忘因子递推最小二乘法(forgetting factor recursive least squares,FFRLS)辨识模型参数,得到系统的2个子系统模型。采用灰色预测GM(1,1)模型预测温室温室度系统中可测不可控的扰动输入。然后,将系统预测控制问题描述为混合整数二次规划问题(mixed integer quadratic problem,MIQP),并通过分支定界法求解。分析了系统在有限时间内的稳定性(finite time stable,FTS)。最后进行了仿真研究,仿真结果表明该文中提出的建模和控制方法是有效的。
王青, 吴振东, 侯砚泽, 董朝阳[9]2013年在《面向飞行器控制的切换系统分析与综合》文中研究说明面向飞行器控制的切换系统分析与综合是近年来飞行器控制领域的研究热点。从切换系统在飞行器控制领域的优越性出发,首先对线性切换系统的分析与综合给予简单综述,在此基础上分析了切换系统在飞行器控制领域的应用,而后展开论述面向飞行器控制的线性切换系统建模、分析与控制综合方法,重点介绍局部重迭切换系统、稳定性分析和基于切换系统的综合方法等内容。最后,提出面向飞行器控制的切换系统研究的发展趋势。
李理[10]2008年在《基于切换的一类网络控制系统》文中认为随着控制科学和计算机技术的快速发展,网络控制系统应运而生,通信智能化给自动化技术带来了深远影响和挑战。目前,网络控制系统已成为国际学术界研究的一个热点。本文主要从建模、控制器设计和稳定性分析几个方面对网络控制系统中的时延、丢包问题进行了研究。首先,研究了网络控制系统的建模问题和稳定性问题。建立了发生时延、丢包等问题的网络控制系统模型。其次,基于切换模型研究了时延、丢包网络控制系统的控制问题。建立了系统的开闭环预测切换模型,通过观测器补偿的方法对时延、丢包网络控制系统进行控制,并给出了观测器和控制器的设计方法,同时当系统存在外部扰动时,给出一种具有H_∞性能界的状态反馈控制器的设计方法。数值仿真结果说明了采用时延、丢包补偿后的系统动态性能要优于补偿之前,且满足一定的H_∞性能指标,验证了设计方法的可行性。最后,研究了网络控制系统的扩展模式——基于网络的反馈连接系统。当网络发生丢包时,系统建模为在四种状态间切换的切换系统。应用平均驻留时间方法给出系统渐近稳定的充分条件。数值仿真验证了结果的有效性。
参考文献：
[1]. 切换系统建模、控制理论与应用研究[D]. 高军伟. 铁道部科学研究院. 2003
[2]. 半主动空气悬架混杂系统的多模式切换控制研究[D]. 汪少华. 江苏大学. 2013
[3]. 基于CAN总线的网络控制研究[D]. 文小强. 太原科技大学. 2012
[4]. 具有时延和丢包的网络控制系统的分析与控制[D]. 高谦. 鲁东大学. 2008
[5]. 混杂系统建模与控制方法研究[D]. 张悦. 华北电力大学（河北）. 2008
[6]. 复杂切换系统分析及其在网络化系统中的应用研究[D]. 张丹. 浙江工业大学. 2012
[7]. 空调系统的切换最优控制器设计[D]. 郑琳琳. 沈阳工业大学. 2017
[8]. 基于灰色预测模型的温室温湿度系统建模与控制[J]. 秦琳琳, 马国旗, 储着东, 吴刚. 农业工程学报. 2016
[9]. 面向飞行器控制的切换系统分析与综合[J]. 王青, 吴振东, 侯砚泽, 董朝阳. 宇航学报. 2013
[10]. 基于切换的一类网络控制系统[D]. 李理. 厦门大学. 2008
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