混合控制系統

混合控制系統是指那些由實時決策子系統和實時數值反饋子系統組成的系統，這類系統的特點是事件變數和時間變數的演化在不同子系統內並行，實時地進行。

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基本介紹

• 中文名：混合控制系統
• 外文名：hybrid control system
• 構成：實時決策、實時數值反饋子系統
• 套用：機器人、容錯飛行控制系統等
• 理解：事件驅動子系統組成的實時系統
• 結構：一般分為三層

簡介

混合控制系統是指由實時決策子系統和實時數值反饋子系統組成的複雜控制系統，許多控制系統如機器人、容錯飛行控制系統以及一些具有計算機和其它邏輯器件的系統都是混合控制系統，這類控制系統在實際中顯得越來越重要。混合控制系統可以認為是由事件驅動子系統和時間演化子系統互動組成的實時系統, 它在近幾年引起了控制理論和計算機科學研究人員的重視。

框架

一般框架

混合控制系統的一般結構如圖1所示，這一結構把混合控制系統分為三層：最低層是由被控制對象、感測器和執行器組成的連續時間層，中間層為由數字控制器組成的離散時間層，最上層是進行符號處理、決策生成的離散事件層。在這三層之間是兩個界面，一個是A/D 和D/A ( 用A-D 表示) 變換器，另一個是D/S 和S/D ( 用D-S 表示) 變換器，其中D/S把數值狀態轉化為事件符號，S/D 把事件符號轉化為數值狀態，通常把連續時間層、A-D 界面和離散時間層叫做數字控制迴路；把符號處理層、離散時間層和A-D 界面、D-S 界面稱為控制計算機。

應該注意A-D 界面把實數域信號轉換為實數域信號，而D-S 界面則把實數域信號轉換為符號或者相反，正是這一特徵反映了混合控制系統的本質。

以往文獻採用的界面

許多文獻所研究的混合系統的框架是兩個塊、一個界面的結構：其中一塊包括被控制對象、感測器和執行器連續時間塊，對應於圖1中的連續時間層；另一塊是數字控制器和決策器（數字塊），對應於圖1中的離散時間層、離散事件層和D-S 界面，在這一塊中，數字控制器是按離散時間演化的，而決策器是按事件演化的；界面是A-D 變轉換器，該框架主要有兩個缺點：一是它沒有展示混合系統的本質特徵, 即符號演算與數值反饋的混合, 二是排斥了成熟的控制理論。

設計方法

接下設計一個自頂向下的設計方法，該方法包括三個步驟：系統性能指標(SPS)分解為上層系統性能指標(HSPS)和下層系統性能指標(LSPS1)而後設計事件驅動決策器滿足HSPS，同時給出受限數字控制迴路的性能指標LSPS2，最後設計數字控制迴路滿足LSPS1和LSPS2。

系統性能指標的分解

在系統設計以前，系統的性能指標(SPS)是給定的，且通常SPS 包括時間域和事件域的性能指標，一般來說不難分辨出這兩類性能指標。根據本文提出的混合系統的結構框架，事件域的SPS定義為上層系統性能指標( HSPS)時間域的SPS 定義為下層系統性能指標( LSPS )它包括從SPS 中分解出來的關於時間域子系統的系統性能指標LSPS1和由設計決策器引起的對時間域子系統的約束LSPS2。

事件驅動決策層的設計

設計決策器的第一步是定義決策器的模態；第二步是定義數字控制迴路中輸出的事件及作用於數字控制迴路的決策，建立對象的事件模型；第三步是設計決策器滿足性能指標HSPS以上步驟可反覆進行直到滿足性能指標。最後確定由模態轉換派生出來的對數字控制迴路的約束LSPS2，它將在下一步的設計中得到滿足。

數字控制迴路的設計

不難設計數字控制迴路滿足LSPS1，LSPS2，對第i個控制迴路來說，就是為對象設計數字控制器滿足LSPS1(i)，LSPS2(i)。

數字控制器的設計方法有兩種，一是連續時間設計方法，另一個是離散時間設計方法。在連續時間設計方法中，首先為連續對象設計連續控制器滿足性能指標LSPS1(i)，LSPS2(i)，而後把控制器離散化，最後檢驗離散化的值與離散對象閉環後的系統極點的穩定性；在離散時域設計中，首先把連續對象離散化，而後設計數字控制器滿足LSPS1(i)，LSPS2(i)，閉環系統的穩定性是由設計過程保證的，無需繼續作分析。

套用

在油氣開採行業中的套用

目前，國內油田的原油採集一般都採用抽油機有桿泵方式，但絕大部分抽油機目前均沒有實現數位化改造，井口的運行狀態監控主要靠人工巡井實現，由於油田地形結溝的特殊性，同一作業區的油井分布廣，距離遠，人工巡檢的方式信息獲取周期長，巡檢費用高，管理效率低下，更不可能實現對油井的即時工礦調整分析等功能。 而傳統井口數位化改造方案則無法有效的實現功圖採集和本地控制需求，同時受傳輸頻寬限制，井口無法實現視頻集輸和實時功圖採集等功能。

基於中控混合控制系統的數位化油田整體方案，不僅可以有效的整合油田的功圖 、 電量 、 視頻等數據 , 同時能提供本地運算 , 斷點存儲續傳等高級功能 , 對油氣田的安全生產有著重要的意義。

在塑膠吹膜機中的套用

裝備製造業是一國工業發展的基礎，也是製造業的核心組成部分，承擔著為國民經濟和國防建設提供生產技術裝備的重任。目前我國裝備製造業發展仍然滯後，關鍵設備國產化率較低，光纖製造設備、石油化工設備、紡織機械、數控工具機等絕大部分市場被進口產品擠占。由於進口設備和零部件價格較高，導致裝備製造成本大幅提高，壓縮了相關企業的利潤空間，制約了我國裝備製造行業的發展，同時進口產品套用於壟斷行業的關鍵設備也威脅了我國裝備產業的安全。

以包裝機械行業來說，塑膠吹膜機在吹塑業的市場所占比重較大，而技術含量低是我國吹膜機製造的現狀，這直接影響到製品的質量，導致眾多有實力的廠家不得不購買國外的先進設備，但是高昂的設備價格提高了生產的成本，在市場上競爭能力受到了影響。今年國務院正式印發《中國製造2025》方針，開始全面推進實施製造強國戰略，加快推進信息化與工業化深度融合。而以智慧型製造為主攻方向，大力推動兩化深度融合已經成為業界的普遍共識。目前階段對現有的進口機械裝備進行國產化改造和信息化升級是實現工業轉型升級的一種過渡方式，具有十分重要的戰略意義。

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