多模型混雜系統(tǒng)及其在船舶與輪機(jī)控制領(lǐng)域應(yīng)用的研究.pdf

1、混雜系統(tǒng)廣泛存在于工程控制領(lǐng)域，廣義上說(shuō)凡是有離散指令干預(yù)連續(xù)過(guò)程運(yùn)行的系統(tǒng)均可認(rèn)為是混雜系統(tǒng)，切換作為混雜系統(tǒng)的一種重要結(jié)構(gòu).主要研究切換策略、系統(tǒng)穩(wěn)定性以及系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)等問(wèn)題.
　　 切換策略是多模型切換系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)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(biāo)演變，而且能夠保證切換過(guò)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(shè)計(jì)切換規(guī)則時(shí)需要給出切換過(guò)程的穩(wěn)定性條件.通常多個(gè)局部穩(wěn)定的閉環(huán)系統(tǒng)所構(gòu)成的全局系統(tǒng)能

2、求得穩(wěn)定的切換序列，.決定切換過(guò)程穩(wěn)定的一個(gè)關(guān)鍵因素就是切換時(shí)刻的選擇，切換指令的發(fā)出需要綜合考慮系統(tǒng)的擾動(dòng)、運(yùn)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(huì)引起系統(tǒng)的切換邊界附近的“抖動(dòng)”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(yīng)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(shù)（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(lái)是混雜控制領(lǐng)域研究的

3、重點(diǎn)問(wèn)題，因?yàn)榍袚Q系統(tǒng)通常難以尋找到連續(xù)的Lyapunov函數(shù)，因此無(wú)法對(duì)其求導(dǎo).對(duì)于PID控制系統(tǒng)，則一般通過(guò)證明其I/O穩(wěn)定性條件.切換方式?jīng)Q定了切換系統(tǒng)的性能，為了避免切換過(guò)程中的“抖動(dòng)”產(chǎn)生，一般要求采取漸變切換方式實(shí)現(xiàn)多個(gè)子系統(tǒng)之間的切換控制，即保證切換過(guò)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(guò)設(shè)計(jì)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(dòng)”現(xiàn)象，避免執(zhí)行器頻繁動(dòng)作而帶來(lái)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(diǎn)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(tái)動(dòng)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(shè)計(jì)方法及切換穩(wěn)定性是多模型系統(tǒng)研究的重要問(wèn)題.根據(jù)Lyapunov定理給出了一類(lèi)遞階非線性模糊多模型系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)及閉環(huán)穩(wěn)定切換約束條件，滿足該條件的對(duì)稱(chēng)正定矩陣P可通過(guò)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(guò)程的平滑性.對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了所給結(jié)論的正確性.
　　 (2)模糊切換PID航跡控制算法
　　 為了改善復(fù)雜航跡跟蹤過(guò)程動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)控制性能指標(biāo)，采用舵角反饋將整個(gè)過(guò)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(nèi)的控制指標(biāo)，全局控制器通過(guò)各局部控制器的模糊合成得到.根據(jù)勞斯—赫爾維茨穩(wěn)定性判據(jù)證明了閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定條件，數(shù)值仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明了所提出算法

6、能夠有效縮短過(guò)渡過(guò)程時(shí)間同時(shí)保證了穩(wěn)態(tài)精度.
　　 (3)動(dòng)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(shè)計(jì)具有廣域海況適應(yīng)度的海洋平臺(tái)廣域控制方法.首先建立不同海況下海洋平臺(tái)動(dòng)態(tài)特性模型，據(jù)此模型得到相應(yīng)的平臺(tái)動(dòng)態(tài)觀測(cè)器，設(shè)計(jì)基于觀測(cè)器的PID控制器用于補(bǔ)償不同海況下的低頻擾動(dòng)或者低頻加高頻擾動(dòng)的影響.
　　 同時(shí)結(jié)合工程實(shí)踐研究了輪機(jī)模擬器開(kāi)發(fā)中的幾個(gè)重點(diǎn)問(wèn)題.輪機(jī)模擬器研究涉及數(shù)學(xué)建模、系統(tǒng)仿真與

7、優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)通信與控制、虛擬現(xiàn)實(shí)等多學(xué)科內(nèi)容，并且與工業(yè)控制、總線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等密切相關(guān).結(jié)合DMS-2010型輪機(jī)模擬器研究工作，指出采用先進(jìn)的仿真技術(shù)及智能控制方法提升輪機(jī)模擬器品質(zhì)及實(shí)用性能的研究方向，使其由操作級(jí)應(yīng)用擴(kuò)展至管理級(jí)及工程論證級(jí)應(yīng)用.提出了一種用于全任務(wù)輪機(jī)模擬器的半實(shí)物主機(jī)遙控模擬裝置的實(shí)現(xiàn)方案，設(shè)計(jì)并制作了AutoChief C20系統(tǒng)硬件;在Windows Embedded CE 6.0開(kāi)發(fā)環(huán)境下，應(yīng)用Visu

8、al Studio.Net 2005開(kāi)發(fā)了人機(jī)界面及控制功能.實(shí)際應(yīng)用表明，所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有較高的仿真一致性、實(shí)時(shí)性、可靠性，滿足實(shí)時(shí)仿真及模擬訓(xùn)練要求.該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于大型集裝箱船舶輪機(jī)模擬器開(kāi)發(fā)、超級(jí)油輪(VLCC)輪機(jī)模擬器開(kāi)發(fā)、液化天然氣(LNG)船舶輪機(jī)模擬器開(kāi)發(fā)等項(xiàng)目中，并通過(guò)擴(kuò)展下位機(jī)程序應(yīng)用于中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所、天津海員職業(yè)學(xué)校、寧波大學(xué)等院校的自動(dòng)化機(jī)艙的主機(jī)遙控中.
　　 以