[科普中国]-混合控制系统

简介

混合控制系统是指由实时决策子系统和实时数值反馈子系统组成的复杂控制系统，许多控制系统如机器人、容错飞行控制系统以及一些具有计算机和其它逻辑器件的系统都是混合控制系统，这类控制系统在实际中显得越来越重要。混合控制系统可以认为是由事件驱动子系统和时间演化子系统交互组成的实时系统, 它在近几年引起了控制理论和计算机科学研究人员的重视。1

框架一般框架混合控制系统的一般结构如图1所示，这一结构把混合控制系统分为三层：最低层是由被控制对象、传感器和执行器组成的连续时间层，中间层为由数字控制器组成的离散时间层，最上层是进行符号处理、决策生成的离散事件层。在这三层之间是两个界面，一个是A/D 和D/A ( 用A-D 表示) 变换器，另一个是D/S 和S/D ( 用D-S 表示) 变换器，其中D/S把数值状态转化为事件符号，S/D 把事件符号转化为数值状态，通常把连续时间层、A-D 界面和离散时间层叫做数字控制回路；把符号处理层、离散时间层和A-D 界面、D-S 界面称为控制计算机。1

应该注意A-D 界面把实数域信号转换为实数域信号，而D-S 界面则把实数域信号转换为符号或者相反，正是这一特征反映了混合控制系统的本质。1

以往文献采用的界面许多文献所研究的混合系统的框架是两个块、一个界面的结构：其中一块包括被控制对象、传感器和执行器连续时间块，对应于图1中的连续时间层；另一块是数字控制器和决策器（数字块），对应于图1中的离散时间层、离散事件层和D-S 界面，在这一块中，数字控制器是按离散时间演化的，而决策器是按事件演化的；界面是A-D 变转换器，该框架主要有两个缺点：一是它没有展示混合系统的本质特征, 即符号演算与数值反馈的混合, 二是排斥了成熟的控制理论。

设计方法接下设计一个自顶向下的设计方法，该方法包括三个步骤：系统性能指标(SPS)分解为上层系统性能指标(HSPS)和下层系统性能指标(LSPS1)而后设计事件驱动决策器满足HSPS，同时给出受限数字控制回路的性能指标LSPS2，最后设计数字控制回路满足LSPS1和LSPS2。

系统性能指标的分解在系统设计以前，系统的性能指标(SPS)是给定的，且通常SPS 包括时间域和事件域的性能指标，一般来说不难分辨出这两类性能指标。根据本文提出的混合系统的结构框架，事件域的SPS定义为上层系统性能指标( HSPS)时间域的SPS 定义为下层系统性能指标( LSPS )它包括从SPS 中分解出来的关于时间域子系统的系统性能指标LSPS1和由设计决策器引起的对时间域子系统的约束LSPS2。

事件驱动决策层的设计设计决策器的第一步是定义决策器的模态；第二步是定义数字控制回路中输出的事件及作用于数字控制回路的决策，建立对象的事件模型；第三步是设计决策器满足性能指标HSPS以上步骤可反复进行直到满足性能指标。最后确定由模态转换派生出来的对数字控制回路的约束LSPS2，它将在下一步的设计中得到满足。1

数字控制回路的设计不难设计数字控制回路满足LSPS1，LSPS2，对第i个控制回路来说，就是为对象设计数字控制器满足LSPS1(i)，LSPS2(i)。

数字控制器的设计方法有两种，一是连续时间设计方法，另一个是离散时间设计方法。在连续时间设计方法中，首先为连续对象设计连续控制器满足性能指标LSPS1(i)，LSPS2(i)，而后把控制器离散化，最后检验离散化的值与离散对象闭环后的系统极点的稳定性；在离散时域设计中，首先把连续对象离散化，而后设计数字控制器满足LSPS1(i)，LSPS2(i)，闭环系统的稳定性是由设计过程保证的，无需继续作分析。

应用在油气开采行业中的应用目前，国内油田的原油采集一般都采用抽油机有杆泵方式，但绝大部分抽油机目前均没有实现数字化改造，井口的运行状态监控主要靠人工巡井实现，由于油田地形结沟的特殊性，同一作业区的油井分布广，距离远，人工巡检的方式信息获取周期长，巡检费用高，管理效率低下，更不可能实现对油井的即时工矿调整分析等功能。 而传统井口数字化改造方案则无法有效的实现功图采集和本地控制需求，同时受传输带宽限制，井口无法实现视频集输和实时功图采集等功能。2

基于中控混合控制系统的数字化油田整体方案，不仅可以有效的整合油田的功图 、 电量 、 视频等数据 , 同时能提供本地运算 , 断点存储续传等高级功能 , 对油气田的安全生产有着重要的意义。2

在塑料吹膜机中的应用装备制造业是一国工业发展的基础，也是制造业的核心组成部分，承担着为国民经济和国防建设提供生产技术装备的重任。目前我国装备制造业发展仍然滞后，关键设备国产化率较低，光纤制造设备、石油化工设备、纺织机械、数控机床等绝大部分市场被进口产品挤占。由于进口设备和零部件价格较高，导致装备制造成本大幅提高，压缩了相关企业的利润空间，制约了我国装备制造行业的发展，同时进口产品应用于垄断行业的关键设备也威胁了我国装备产业的安全。3

以包装机械行业来说，塑料吹膜机在吹塑业的市场所占比重较大，而技术含量低是我国吹膜机制造的现状，这直接影响到制品的质量，导致众多有实力的厂家不得不购买国外的先进设备，但是高昂的设备价格提高了生产的成本，在市场上竞争能力受到了影响。今年国务院正式印发《中国制造2025》方针，开始全面推进实施制造强国战略，加快推进信息化与工业化深度融合。而以智能制造为主攻方向，大力推动两化深度融合已经成为业界的普遍共识。目前阶段对现有的进口机械装备进行国产化改造和信息化升级是实现工业转型升级的一种过渡方式，具有十分重要的战略意义。3

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