多模型混雜系統(tǒng)及其在船舶與輪機控制領域應用的研究.pdf

1、混雜系統(tǒng)廣泛存在于工程控制領域，廣義上說凡是有離散指令干預連續(xù)過程運行的系統(tǒng)均可認為是混雜系統(tǒng)，切換作為混雜系統(tǒng)的一種重要結構.主要研究切換策略、系統(tǒng)穩(wěn)定性以及系統(tǒng)優(yōu)化設計等問題.
　　 切換策略是多模型切換系統(tǒng)的關鍵問題，良好的切換策略不僅可以保證系統(tǒng)向期望的控制目標演變，而且能夠保證切換過程連續(xù)性和平滑性.為了保證全局閉環(huán)系統(tǒng)的收斂性，在設計切換規(guī)則時需要給出切換過程的穩(wěn)定性條件.通常多個局部穩(wěn)定的閉環(huán)系統(tǒng)所構成的全局系統(tǒng)能

2、求得穩(wěn)定的切換序列，.決定切換過程穩(wěn)定的一個關鍵因素就是切換時刻的選擇，切換指令的發(fā)出需要綜合考慮系統(tǒng)的擾動、運行狀態(tài)和穩(wěn)定性因素，并保證指令不能頻繁發(fā)出，否則會引起系統(tǒng)的切換邊界附近的“抖動”現(xiàn)象.切換方向影響到系統(tǒng)的收斂性能，良好的切換策略應該保證閉環(huán)系統(tǒng)的連續(xù)收斂特性，即保證切換系統(tǒng)的Lyapunov函數（若存在）的向逐漸減小的方向變化，或者保證在有界輸入下系統(tǒng)輸出有界（I/O穩(wěn)定）.證明切換系統(tǒng)的穩(wěn)定一致以來是混雜控制領域研究的

3、重點問題，因為切換系統(tǒng)通常難以尋找到連續(xù)的Lyapunov函數，因此無法對其求導.對于PID控制系統(tǒng)，則一般通過證明其I/O穩(wěn)定性條件.切換方式決定了切換系統(tǒng)的性能，為了避免切換過程中的“抖動”產生，一般要求采取漸變切換方式實現(xiàn)多個子系統(tǒng)之間的切換控制，即保證切換過程的平滑性.較為理想的切換策略是基于規(guī)則的模糊切換方式，通過設計良好的切換規(guī)則不僅可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且可以有效的防止切換中的“抖動”現(xiàn)象，避免執(zhí)行器頻繁動作而帶來系統(tǒng)耗

4、能增加，加重控制器磨損.
　　 本文由切換方式入手，重點研究了模糊切換控制方法，并將其分別用于船舶航跡控制和海洋石油平臺動力定位控制中，主要研究成果如下:
　　 (1)模糊切換系統(tǒng)Lyapunov穩(wěn)定
　　 系統(tǒng)化設計方法及切換穩(wěn)定性是多模型系統(tǒng)研究的重要問題.根據Lyapunov定理給出了一類遞階非線性模糊多模型系統(tǒng)的開環(huán)及閉環(huán)穩(wěn)定切換約束條件，滿足該條件的對稱正定矩陣P可通過求解一組線性不等式得到.模糊切換方

5、法不僅能提高系統(tǒng)局部控制性能，還可有效改善切換過程的平滑性.對比仿真實驗說明了所給結論的正確性.
　　 (2)模糊切換PID航跡控制算法
　　 為了改善復雜航跡跟蹤過程動態(tài)及穩(wěn)態(tài)控制性能指標，采用舵角反饋將整個過程分化為瞬態(tài)工作域和穩(wěn)態(tài)工作域，分別采用模糊PD與PI控制器滿足各工作域內的控制指標，全局控制器通過各局部控制器的模糊合成得到.根據勞斯—赫爾維茨穩(wěn)定性判據證明了閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定條件，數值仿真對比實驗表明了所提出算法

6、能夠有效縮短過渡過程時間同時保證了穩(wěn)態(tài)精度.
　　 (3)動力定位系統(tǒng)混雜控制策略研究
　　 采用混雜切換控制策略設計具有廣域海況適應度的海洋平臺廣域控制方法.首先建立不同海況下海洋平臺動態(tài)特性模型，據此模型得到相應的平臺動態(tài)觀測器，設計基于觀測器的PID控制器用于補償不同海況下的低頻擾動或者低頻加高頻擾動的影響.
　　 同時結合工程實踐研究了輪機模擬器開發(fā)中的幾個重點問題.輪機模擬器研究涉及數學建模、系統(tǒng)仿真與

7、優(yōu)化、網絡通信與控制、虛擬現(xiàn)實等多學科內容，并且與工業(yè)控制、總線技術、網絡技術等密切相關.結合DMS-2010型輪機模擬器研究工作，指出采用先進的仿真技術及智能控制方法提升輪機模擬器品質及實用性能的研究方向，使其由操作級應用擴展至管理級及工程論證級應用.提出了一種用于全任務輪機模擬器的半實物主機遙控模擬裝置的實現(xiàn)方案，設計并制作了AutoChief C20系統(tǒng)硬件;在Windows Embedded CE 6.0開發(fā)環(huán)境下，應用Visu

8、al Studio.Net 2005開發(fā)了人機界面及控制功能.實際應用表明，所開發(fā)的系統(tǒng)網絡結構簡單，具有較高的仿真一致性、實時性、可靠性，滿足實時仿真及模擬訓練要求.該系統(tǒng)已經成功應用于大型集裝箱船舶輪機模擬器開發(fā)、超級油輪(VLCC)輪機模擬器開發(fā)、液化天然氣(LNG)船舶輪機模擬器開發(fā)等項目中，并通過擴展下位機程序應用于中國電子科技集團公司第三十六研究所、天津海員職業(yè)學校、寧波大學等院校的自動化機艙的主機遙控中.
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