（农业电气化与自动化专业论文）基于multisim的混杂系统仿真.pdf

一堑蔓查堂堡圭兰垡堡壅 a b s t r a c t h y b r i ds y s t e m s ，、v h i c hc o n s i s t si n t e r a c t i n gd i s c r e t ea n dc o n t i n u o u sd y n a m i c a l s y s t e mi so n eo f t h eh o t t e dr e s e a r c hi nt h ec o n t r 0 1a r e a a tp r e s e n t ，t l l er e s e a r c ho f h y b r i ds y s t e m s a r o u s e st h ei n t e r e s t s a m o n gt h em a n ys c h 0 1 a r s i nd o m e s t i ca 芏1 d o v e r s e a t h es i m u l a t i o ni sav a l i dw a yt oa n a l y z ea n dr e s e a r c ht l l e h y b r i ds y s t e m s b e c a u s e h y b r i ds y s t e m si sak i n do f c o m p i i c a t e ds y s t e m p e t r in e t si sa 1 1i m p o r t a n tt o o i t om o d e l i n ga 1 1 da 1 1 a l y s i sa s y n c l l r o n o u s ，c o n c u r r e n t a n ds h a r er e s o u r c ep h e n o m e n a b e c a u s eo fi t sf i m e dm a m e m a t i cf o u n d a t i o n ，a 1 1 d v i s u a lg r a p h i cf e a t u r e ，p e t r in e t sc a nd e s c r i b en o to n l ym es t a t i cp e r f b m a n c e ，b u t a l s ot h ed y n a i l l i cp e r f o r m a l l c eo fas y s t e m ，e s p e c i a l l ys u i t 也em o d e l i n g ，a i l a l y z i n g a n dc o n 仃o lo ft h ed i s c r e t ee v e n ts y s t e m s m u i t i s i m ，w h i c hi sah i 曲v e r s i o no f e l e c t r o n i c sw o r k b e n c h ( e w b ) d e v e l o p e d b y i n t e r a c t i v ei m a g e t e c h n o l o g i e sc o m p a i l y ， i sa p r o f e s s i o n a ls o f t w a r ei nt l l es i m u l a t i o n a 1 1 dd e s i g no fe l e c t r o n i cc i r c u i t s b a s e do n m a l l ye x c e l l e n c e so f e w bs u c ha sv i s u a l i z a t i o n ，c o n v e n i e n c e ，h i 曲a b l i l i 劬e a s yt o 1 e a ma n ds oo n ，i ta d d e dt h ev h d l ，v e r i l o g h d lp a c k a g e s ，w h i c hl e ti tc a l lb ee a s i l y a p p i i e do nt h ed e s i g na n ds i m u l a t i o no fl a r g es c a l ei n t e g r a t i o no fc i r c u i t s ( l s i ) ， e s p e c i a l l yt h ew i d e l yu s e dc p l d a n df p g a ，a n di ta l s ob e c a m eaf b u n d a t i o no ft h e h y b r i ds y s t e m ss i m u l a t i o n a j l da 1 1 a l y z i n g b a s e do nr e s e a r c h i n gh y b r i ds y s t e m sa n dm u l t i s i m ，t h i st h e s i sp r e s e m e dt 1 1 e m e m o ds i m u l a t e dh y b r i ds y s t e mb a s e d - o nm u l t i s i mf l r s t c o m p a r i n gw i t ho 山e r m e t h o d s ，t h i ss i m u i a t i o nm e t h o d c a no b t a i nt h ec i r c u i t so f t h e s y s t e m sd i r e c t l ya 陆r r e s e a r c h i n gp e t r in e t sa n dv h d l ，i ta d v a n c e s an e ws i m u l a t i o nm e m o d ，v 腑c h e s t a b l i s h e st h ed i s c r e t e s u b s y s t e mm o d e l o fa h y b r i ds y s t e m 、i t l l p e t r i n e t s ， i m p l e m e m s t h em o d e lw i t hv h d l ，a n dm o d e l st h ec o n t i n u e ss u b s y s t e mo ft h eh y b r i d s y s t e mw i t ha n a l o gc i r c u i t s ，t h e ne n c a p s u l a t e st h e m t oc o m p o n e m sa n ds i m u l a t e st h e a l ih y b r i ds y s t e mi nm u i t i s i m i ti n t r o d u c e st h ew a y sm o d e l i n ga n ds i m u i a t i n go f h y b r i ds y s t e m sb a s e d o nt h ec es y s t e m ，t i m e ds y s t e ma 1 1 dp ts y s t e mi nd e t a i l ，a i l d p r o v i d e st h es a m p l e sa n dr e s u l t so fs i m u l a t i o n ，w h i c hp r o v et h ec o r r e c t n e s so ft h i s m e t h o d t h i st h e s i sa l s or e s e a r c h e dt h eh y b r i ds y s t e m sw h o s ec o m m l l e rb a s e d - o nm c u ， a i m i n gt o 丘n dac h e a p e rs o f t w a r ef o rd e s i g nt h ec o m p i i c a t e dc o n t r o i i e ro fh y b r i d s y s t e m sa n dt h em i x e d e m b e d d e d c h i p k e yw o r d s ：h y b r i ds y s t e m s ，s i m u l a t i o n ，d i s c r e t ee v e n ts y s t e m ，p e t r in e t s ，e d a ， m u l t i s i m 妒 l s 2 8 3 2 心 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 学位论文作者签名：每云耙 刎3 年6 月j7 日 指导教师签名：走磊嫡 h 年# 其7b 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：轧夭格 日期：】一3 年易月n 日 江苏大学硬士学位论文 1 1问题的提出 第1 章引言 控制理论的发展经历了经典控制理论、现代控制理论、复杂系统控制等几个 阶段，研究的重点主要是系统的可控性、可达性、可观测性、鲁棒性、自适应等 控制问题。但随着研究的不断深入，不仅要了解系统中的宏观信息，还要了解系 统的局部演变过程( 微观信息) ，了解系统内部的相互作用过程，如变结构控制 系统【l 】、计算机控制系统【2 】、化工批处理过程【3 】、智能高速公路、现代飞行控 制系统【5 】以及一切同时涉及逻辑决策和连续控制的系统。这些系统是由交互作用 的离散事件系统和连续时间系统构成的。通常，把这类系统称为混杂系统，简单 的说，混杂系统是由事件驱动的子系统和时间演化的子系统的交互作用而构成的 一类复杂动态系统【6 】【”，换言之，混杂系统是一类带有阶段性离散操作行为的连 续动态系统。事实上，纯连续或纯离散系统在实际生产、制造系统中几乎都不能 独立存在。 进入九十年代以来，混杂系统理论的研究，在自动控制和计算机理论研究等 领域引起人们的广泛兴趣嗍【9 】f l o 】【1 1 】【1 2 】，并且日趋成为一个新的研究热点，也取得 了不少研究成果。由于有不同领域的专家学者的深入研究，使得混杂系统的研究 呈现百花齐放，百家争鸣的态势，如时间自动机、动态系统理论、自动机理论、 离散事件系统、程序验证方法等。这些方法都要解决下列基本问题：系统的模型 怎样能捕获系统的离散动态和连续动态相混合的丰富特性；怎样能够验证混合模 型的正确性；一个控制器怎样设计才能保证满足离散和连续的控制要求等等 i 引。 当一个系统还处于设计阶段，真实系统还未建立时，要获得系统的性能，就 需要对设计模型进行验证，验证的方法包括理论分析和系统仿真等f 1 4 j 。在混杂 系统的研究中，由于混杂系统比较复杂，理论分析不够完善，要获得混杂系统动 态行为的特性，只有通过建立系统的仿真模型进行仿真，才能从系统整体结构上 理解系统的动态特性。 由于混杂系统既含有连续动态变量，又含有离散事件动态变量，所以，混杂 系统的仿真模型中往往既有数字量又有模拟量，这给仿真工作带来一定的难度。 江苏大学硬士学位论文 1 1问题的提出 第1 章引言 控制理论的发展经历了经典控制理论、现代控制理论、复杂系统控制等几个 阶段，研究的重点主要是系统的可控性、可达性、可观测性、鲁棒性、自适应等 控制问题。但随着研究的不断深入，不仅要了解系统中的宏观信息，还要了解系 统的局部演变过程( 微观信息) ，了解系统内部的相互作用过程，如变结构控制 系统【l 】、计算机控制系统【2 】、化工批处理过程【3 】、智能高速公路、现代飞行控 制系统【5 】以及一切同时涉及逻辑决策和连续控制的系统。这些系统是由交互作用 的离散事件系统和连续时间系统构成的。通常，把这类系统称为混杂系统，简单 的说，混杂系统是由事件驱动的子系统和时间演化的子系统的交互作用而构成的 一类复杂动态系统【6 】【”，换言之，混杂系统是一类带有阶段性离散操作行为的连 续动态系统。事实上，纯连续或纯离散系统在实际生产、制造系统中几乎都不能 独立存在。 进入九十年代以来，混杂系统理论的研究，在自动控制和计算机理论研究等 领域引起人们的广泛兴趣嗍【9 】f l o 】【1 1 】【1 2 】，并且日趋成为一个新的研究热点，也取得 了不少研究成果。由于有不同领域的专家学者的深入研究，使得混杂系统的研究 呈现百花齐放，百家争鸣的态势，如时间自动机、动态系统理论、自动机理论、 离散事件系统、程序验证方法等。这些方法都要解决下列基本问题：系统的模型 怎样能捕获系统的离散动态和连续动态相混合的丰富特性；怎样能够验证混合模 型的正确性；一个控制器怎样设计才能保证满足离散和连续的控制要求等等 i 引。 当一个系统还处于设计阶段，真实系统还未建立时，要获得系统的性能，就 需要对设计模型进行验证，验证的方法包括理论分析和系统仿真等f 1 4 j 。在混杂 系统的研究中，由于混杂系统比较复杂，理论分析不够完善，要获得混杂系统动 态行为的特性，只有通过建立系统的仿真模型进行仿真，才能从系统整体结构上 理解系统的动态特性。 由于混杂系统既含有连续动态变量，又含有离散事件动态变量，所以，混杂 系统的仿真模型中往往既有数字量又有模拟量，这给仿真工作带来一定的难度。 江苏大学硕士学位论文 目前，混杂系统的仿真，通常是在m a t l a b 环境下进行的，也就是建立在数学模 型基础上的仿真1 1 5 】【1 6 】。如果要得到系统控制器的电路，还需做数学模型到电路 模型的映射，并对电路模型再次进行仿真。为了解决在从数学模型到电路模型转 换过程中可能出现不完全映射的问题，同时，为了直接获得混杂系统控制器的电 路模型的目的，本文提出在m u l t i s i m 环境下对混杂系统进行仿真的方法，即用 模拟电路来模拟混杂系统的连续时间子系统，用硬件描述语言来描述离散事件子 系统，最后通过接口电路，将两部分电路相连接构成混杂系统电路模型，进行综 合仿真的方法。 m u l t i s i m 是加拿大i n t e r a c t i v ei m a g et e c l h l o l o g i e s ( i i t ) 公司推出的针对电子 线路仿真和设计的e d a ( e 1 e c 仃o n i c sd e s i g na u t o m a t a ) 工具软件【”j 。 与其它电路仿真软件相比，m u l t i s i m 具有以下优点： 系统高度集成，界面直观，操作方便： 电路分析手段完备； 提供了多种输入输出接口； 具有数字、模拟及数字模拟混合电路的仿真能力： 支持s p i c e ，v h d l ，v e r i l o g 以及s p i c e 与v h d l 的协同仿真。 正因为m u h i s i m 有如此多的优点，使得其能够用来仿真复杂的控制系统。 从其推出以来，就引起了广大电子设计工作者的关注，并迅速在一些大学等科研 机构中得到了广泛使用。 从1 9 8 8 年诞生到目前为止，经过该公司的不断升级和更新，使得m u l t i s i m 的功能越来越完善，软件的仿真测试和分析功能也得到了增强，元件库中仿真元 件的数目也得到相应的增加，特别是除增加了若干个与实际元件相对应的现实性 仿真元件模型还提供了许多虚拟元件，这使得仿真结构更精确、更可靠。另外， m u l t i s i m 也提供了元件编辑器给用户自行创建或修改元件模型，这是应用硬件描 述语言来设计电路元件以及系统控制器的关键，这也使得在m u l t i s i m 环境下对 混杂系统进行仿真成为可能。 江苏大学硕士学位论文 1 2 混杂系统仿真研究现状 任何系统的仿真模型与系统模型息息相关。在混杂系统中，由于对系统物理 过程的混合本质不甚理解以及没有相应的解决办法，传统的控制理论往往把它当 作连续系统来处理。但是，随着离散事件系统理论的发展，给人们提供了从离散 的角度来考察系统整体特性的新方法，这就形成了对这种具有混合特性系统研究 的两个不同途径：一是借助于现有的连续系统理论，将混杂系统当作连续系统处 理；二是从离散事件入手，分析系统的整体特性。从连续系统的角度看，混杂系 统就是在连续动态系统中引入了离散事件。从离散事件理论角度看，混杂系统是 将连续变量动态系统嵌入到状态机或p e 仃i 网表示的离散事件系统中【1 8 】。 相应的，混杂系统的仿真模型的建立也是分别从这两个方面来考虑。仿真时 不仅要对离散事件子系统和连续时间子系统分别进行仿真，而且要处理两类子系 统的相互作用 1 ”。因此，混杂系统仿真的控制流程比单纯的离散事件系统仿真 和连续时间系统仿真都要复杂得多。它要协调事件子程序的执行顺序和时间、连 续时间子系统数值积分及其精度控制、离散事件的监测、离散事件子系统和连续 时间子系统仿真时间的同步等问题。 目前，混合仿真的工具软件包含两类：一类是基于离散事件系统仿真的工具 软件，这类工具软件是在离散事件系统仿真软件( 如s i m s c 融p t ) 的基础上，增加 了对连续时间系统仿真的支持以及两类子系统仿真时间同步的支持而构成的；另 一类是基于连续时间系统仿真的工具软件，这类工具软件是在连续时间系统仿真 软件( 如m a t l a b ) 的基础上，增加了对离散事件系统仿真的支持以及两类子系统仿 真时间的同步的支持而构成的。 1 3本文的工作和意义 本文首先介绍了混杂系统的几种框架，然后介绍了用p e t r i 网对混杂系统进 行建模和描述的方法，并通过应用实例来具体介绍混杂系统的仿真方法，其中包 括基于c e 系统、时延p e t r i 网系统和p 厂r 系统的混杂系统的建模与仿真。研究 如何利用v h d l 实现混杂系统的控制器部分与利用模拟元器件构造的混杂系统 的连续部分分别进行仿真，以及如何在m u l t i s i m 中把两者结合相结合，进行混 江苏大学硕士学位论文 1 2 混杂系统仿真研究现状 任何系统的仿真模型与系统模型息息相关。在混杂系统中，由于对系统物理 过程的混合本质不甚理解以及没有相应的解决办法，传统的控制理论往往把它当 作连续系统来处理。但是，随着离散事件系统理论的发展，给人们提供了从离散 的角度来考察系统整体特性的新方法，这就形成了对这种具有混合特性系统研究 的两个不同途径：一是借助于现有的连续系统理论，将混杂系统当作连续系统处 理；二是从离散事件入手，分析系统的整体特性。从连续系统的角度看，混杂系 统就是在连续动态系统中引入了离散事件。从离散事件理论角度看，混杂系统是 将连续变量动态系统嵌入到状态机或p e 仃i 网表示的离散事件系统中【1 8 】。 相应的，混杂系统的仿真模型的建立也是分别从这两个方面来考虑。仿真时 不仅要对离散事件子系统和连续时间子系统分别进行仿真，而且要处理两类子系 统的相互作用 1 ”。因此，混杂系统仿真的控制流程比单纯的离散事件系统仿真 和连续时间系统仿真都要复杂得多。它要协调事件子程序的执行顺序和时间、连 续时间子系统数值积分及其精度控制、离散事件的监测、离散事件子系统和连续 时间子系统仿真时间的同步等问题。 目前，混合仿真的工具软件包含两类：一类是基于离散事件系统仿真的工具 软件，这类工具软件是在离散事件系统仿真软件( 如s i m s c 融p t ) 的基础上，增加 了对连续时间系统仿真的支持以及两类子系统仿真时间同步的支持而构成的；另 一类是基于连续时间系统仿真的工具软件，这类工具软件是在连续时间系统仿真 软件( 如m a t l a b ) 的基础上，增加了对离散事件系统仿真的支持以及两类子系统仿 真时间的同步的支持而构成的。 1 3本文的工作和意义 本文首先介绍了混杂系统的几种框架，然后介绍了用p e t r i 网对混杂系统进 行建模和描述的方法，并通过应用实例来具体介绍混杂系统的仿真方法，其中包 括基于c e 系统、时延p e t r i 网系统和p 厂r 系统的混杂系统的建模与仿真。研究 如何利用v h d l 实现混杂系统的控制器部分与利用模拟元器件构造的混杂系统 的连续部分分别进行仿真，以及如何在m u l t i s i m 中把两者结合相结合，进行混 江苏大学硕士学位论文 合仿真。另外，本文还在单片机方面的混合仿真作了探索性的研究。 由于混杂系统是一种特殊的复杂系统，对其仿真验证具有一定的难度，本文 的意义在于： 通过研究混杂系统并在此基础上用p e t r i 网的方法进行建模与仿真， 为进一步研究混杂系统奠定基础； 证明在m u l t i s i m 环境下对混杂系统仿真，与其它方法相比，能够直 接获得混杂系统控制器的电路模型： 为混杂系统的复杂控制器与嵌入式混合芯片的设计获得廉价的软件 工具，有利于研究与开发自主知识产权的混合芯片。 1 4 本文的结构 第1 章介绍了课题研究的背景、内容、目的和意义以及国内外相关工作的研 究现状等。 第2 章简要介绍了混杂系统的发展、主要特点、对混杂系统的研究等，并介 绍了混杂系统的几种建模方法。 第3 章简要介绍了m u l t i s i m 的基本功能及特点，另外还介绍了几种硬件描 述语言，重点介绍了v h d l 语言的发展、特点及应用。 第4 章简述了p e t r i 网系统的基本理论、基本性质等，介绍了p e t r i 网系统的 不同类型，及其在不同领域的应用；另外，还详细介绍了利用p e t r i 网对混杂系 统建立仿真模型的方法，包括如何对混杂系统的控制器进行建模，如何用硬件描 述语言v h d l 加以实现，以及如何进行逻辑上的仿真验证和在m u l t i s i m 中与系 统中的模拟器件进行混合仿真。 第5 章介绍了用单片机实现的混杂系统控制器的仿真方法，为将m u l t i s i m 用于混合芯片的设计与仿真作了一些基础性的研究工作。 最后对本课题的研究工作进行了总结，给出了结论。 江苏大学硕士学位论文 合仿真。另外，本文还在单片机方面的混合仿真作了探索性的研究。 由于混杂系统是一种特殊的复杂系统，对其仿真验证具有一定的难度，本文 的意义在于： 通过研究混杂系统并在此基础上用p e t r i 网的方法进行建模与仿真， 为进一步研究混杂系统奠定基础； 证明在m u l t i s i m 环境下对混杂系统仿真，与其它方法相比，能够直 接获得混杂系统控制器的电路模型： 为混杂系统的复杂控制器与嵌入式混合芯片的设计获得廉价的软件 工具，有利于研究与开发自主知识产权的混合芯片。 1 4 本文的结构 第1 章介绍了课题研究的背景、内容、目的和意义以及国内外相关工作的研 究现状等。 第2 章简要介绍了混杂系统的发展、主要特点、对混杂系统的研究等，并介 绍了混杂系统的几种建模方法。 第3 章简要介绍了m u l t i s i m 的基本功能及特点，另外还介绍了几种硬件描 述语言，重点介绍了v h d l 语言的发展、特点及应用。 第4 章简述了p e t r i 网系统的基本理论、基本性质等，介绍了p e t r i 网系统的 不同类型，及其在不同领域的应用；另外，还详细介绍了利用p e t r i 网对混杂系 统建立仿真模型的方法，包括如何对混杂系统的控制器进行建模，如何用硬件描 述语言v h d l 加以实现，以及如何进行逻辑上的仿真验证和在m u l t i s i m 中与系 统中的模拟器件进行混合仿真。 第5 章介绍了用单片机实现的混杂系统控制器的仿真方法，为将m u l t i s i m 用于混合芯片的设计与仿真作了一些基础性的研究工作。 最后对本课题的研究工作进行了总结，给出了结论。 江苏大学硕士学位论文 2 1引言 第2 章混杂系统概述 混杂系统并不是新类型的系统，很早就已经在实际问题中见到。关于混杂系 统方面的文献，最早见到的是h a n sw i t s e n h a u s e n 所做的工作，他给出了一个有 连续和离散状态相互作用的动态系统模型，并对该系统的动态行为进行了分析， 并在此基础上形成了一个优化问题。1 9 7 9 年c e l l i e r 在他的博士论文中首先引入 了混杂系统的概念【2 。八十年代后期，由于计算机和各种逻辑器件的发展、系 统的复杂程度不断增加，系统的混合特征也就更加突出，混杂系统的理论研究也 就发展起来了。 目前，混杂系统有很多种定义，尚未有一个严格、统一的定义。通常认为混 杂系统是含有连续变量系统和离散事件系统交互作用的一类复杂系统。混杂系统 在业界也普遍认为是由事件驱动的子系统和时间演化的子系统交互作用而组成 的一类复杂动态系统【7 】f 2 1 】【2 2 】 2 3 】。或者说，混杂系统是一类带有阶段性离散操作 行为的连续动态行为，在每一阶段内，系统按其物理特性连续的演化；当个离 散操作行为( 或称事件) 发生时，系统则连续或不连续的“跳入”下一阶段【2 4 1 。 一般情况下，混杂系统有几种运行模态，系统中每一种模态可以用微分或差分方 程来描述，模态的切换由事件的发生来触发，这些事件可以包括外部控制信号、 内部控制信号或是系统本身的动态行为。在状态空间中，某一边界条件用一个“哨 兵”来表示，当哨兵条件未满足时，系统保持原来的模态【6 。 由于混杂系统的复杂性，系统往往具有同步、异步、并发性、实时性和混杂 性等特点，它代表了工程技术中一类重要的系统。m d l e m m o n 总结了混杂系统 有如下三种产生形式【2 5 j ： 连续动态过程被一个序列机所监控，如工业制造系统、自动驾驶仪及化 工过程控制等； 具有递阶控制组织的复杂控制系统，在此类系统中，高层次的组织器利 用“粗粒度”的系统信息进行逻辑运算，作出管理调度、系统重构以及 状态或控制切换决策等，低层次的控制器则完成动态系统的精确控制， 江苏大学硕士学位论文 2 1引言 第2 章混杂系统概述 混杂系统并不是新类型的系统，很早就已经在实际问题中见到。关于混杂系 统方面的文献，最早见到的是h a n sw i t s e n h a u s e n 所做的工作，他给出了一个有 连续和离散状态相互作用的动态系统模型，并对该系统的动态行为进行了分析， 并在此基础上形成了一个优化问题。1 9 7 9 年c e l l i e r 在他的博士论文中首先引入 了混杂系统的概念【2 。八十年代后期，由于计算机和各种逻辑器件的发展、系 统的复杂程度不断增加，系统的混合特征也就更加突出，混杂系统的理论研究也 就发展起来了。 目前，混杂系统有很多种定义，尚未有一个严格、统一的定义。通常认为混 杂系统是含有连续变量系统和离散事件系统交互作用的一类复杂系统。混杂系统 在业界也普遍认为是由事件驱动的子系统和时间演化的子系统交互作用而组成 的一类复杂动态系统【7 】f 2 1 】【2 2 】 2 3 】。或者说，混杂系统是一类带有阶段性离散操作 行为的连续动态行为，在每一阶段内，系统按其物理特性连续的演化；当个离 散操作行为( 或称事件) 发生时，系统则连续或不连续的“跳入”下一阶段【2 4 1 。 一般情况下，混杂系统有几种运行模态，系统中每一种模态可以用微分或差分方 程来描述，模态的切换由事件的发生来触发，这些事件可以包括外部控制信号、 内部控制信号或是系统本身的动态行为。在状态空间中，某一边界条件用一个“哨 兵”来表示，当哨兵条件未满足时，系统保持原来的模态【6 。 由于混杂系统的复杂性，系统往往具有同步、异步、并发性、实时性和混杂 性等特点，它代表了工程技术中一类重要的系统。m d l e m m o n 总结了混杂系统 有如下三种产生形式【2 5 j ： 连续动态过程被一个序列机所监控，如工业制造系统、自动驾驶仪及化 工过程控制等； 具有递阶控制组织的复杂控制系统，在此类系统中，高层次的组织器利 用“粗粒度”的系统信息进行逻辑运算，作出管理调度、系统重构以及 状态或控制切换决策等，低层次的控制器则完成动态系统的精确控制， 江苏大学硕士学位论文 如高度自主系统、柔性制造系统( f m s ) 等属于此类系统； 更般的讲，混杂系统产生于离散计划或调度策略与连续控制算法的相 互作用。从连续系统理论角度看，混杂系统将离散事件子系统引入到经 典的连续动态系统中。从离散事件理论角度看，混杂系统将连续变量动 态系统嵌入到状态机或p e t r i 网中，而以往两类系统的研究都是单独进 行。混杂系统的连续和离散的混杂特性在控制系统中亦越来越普遍。 目前，混杂系统的建模、设计和实现正成为计算机科学及控制工程领域中的 一个比较活跃的研究方向。例如机器人、计算机集成控制系统、智能控制系统、 航空飞行器、计算机辅助制造( c a m ) 、并行程序的验证及化工间歇生产等都是 典型的混杂系统【2 6 j 。 2 2混杂系统的结构 从混杂系统的定义可知，混杂系统的一个典型特征应该由连续部件和离散部 件相互混合、相互作用而成。连续部件通常由微分方程来描述；而离散部件由计 算机、传感器或执行器等来描述【2 7 】。离散部件通常由程序控制运行，同时这些 程序还用来选择、控制和监视连续部件的行为。所以，也可以说，混杂系统是时 间变量和事件变量的演化在不同子系统内并发、实时的进行。 混杂系统是一种复杂的特殊系统，它同时具有连续动态和离散动态，还往往 具有同步性、异步性和并行性的特点。 由于所研究的混杂系统源于各种各样的实际问题，这决定了混杂系统的建 模、分析和设计方法的多样性【2 8 】，如b e n c z e 提出的分离原则，z l i l 3 0 】等提出 的面向任务设计法等。 混杂系统的结构概念早在7 0 年代末就已提出【1 2 】，但直到8 0 年代末才引起 学者们的广泛注意。发展到今天，一般认为混杂系统的结构通常由三部分组成， 即离散事件系统( d e s ) 监控器、过程控制系统以及两者之间的接口【3 l 】，如图2 1 所示。一般接口部分是指控制丌关和事件识别器。监控器按某些人为规律控制， 协调被控过程的宏观行为，控制开关是监控器根据接收到的事件命令来选择不同 的控制器来控制被控过程的微观行为；事件识别器以事件形式为监控器映射被控 过程的状态并驱动监控器状态的变化。研究混杂系统的结构问题，其实可归于处 6 ： 江苏大学硕士学位论文 如高度自主系统、柔性制造系统( f m s ) 等属于此类系统； 更般的讲，混杂系统产生于离散计划或调度策略与连续控制算法的相 互作用。从连续系统理论角度看，混杂系统将离散事件子系统引入到经 典的连续动态系统中。从离散事件理论角度看，混杂系统将连续变量动 态系统嵌入到状态机或p e t r i 网中，而以往两类系统的研究都是单独进 行。混杂系统的连续和离散的混杂特性在控制系统中亦越来越普遍。 目前，混杂系统的建模、设计和实现正成为计算机科学及控制工程领域中的 一个比较活跃的研究方向。例如机器人、计算机集成控制系统、智能控制系统、 航空飞行器、计算机辅助制造( c a m ) 、并行程序的验证及化工间歇生产等都是 典型的混杂系统【2 6 j 。 2 2混杂系统的结构 从混杂系统的定义可知，混杂系统的一个典型特征应该由连续部件和离散部 件相互混合、相互作用而成。连续部件通常由微分方程来描述；而离散部件由计 算机、传感器或执行器等来描述【2 7 】。离散部件通常由程序控制运行，同时这些 程序还用来选择、控制和监视连续部件的行为。所以，也可以说，混杂系统是时 间变量和事件变量的演化在不同子系统内并发、实时的进行。 混杂系统是一种复杂的特殊系统，它同时具有连续动态和离散动态，还往往 具有同步性、异步性和并行性的特点。 由于所研究的混杂系统源于各种各样的实际问题，这决定了混杂系统的建 模、分析和设计方法的多样性【2 8 】，如b e n c z e 提出的分离原则，z l i l 3 0 】等提出 的面向任务设计法等。 混杂系统的结构概念早在7 0 年代末就已提出【1 2 】，但直到8 0 年代末才引起 学者们的广泛注意。发展到今天，一般认为混杂系统的结构通常由三部分组成， 即离散事件系统( d e s ) 监控器、过程控制系统以及两者之间的接口【3 l 】，如图2 1 所示。一般接口部分是指控制丌关和事件识别器。监控器按某些人为规律控制， 协调被控过程的宏观行为，控制开关是监控器根据接收到的事件命令来选择不同 的控制器来控制被控过程的微观行为；事件识别器以事件形式为监控器映射被控 过程的状态并驱动监控器状态的变化。研究混杂系统的结构问题，其实可归于处 6 ： 江苏大学硕士学位论文 理整个混杂系统的混合控制问题。 i 一墅旦坠丕篓一j 图2 1 混杂系统基本结构图 混杂系统的混合控制的特点是，控制对象和控制器都含有与连续方程一起确 定系统行为的离散模态。这可在现存的每一个混合控制系统中见到，这也在混杂 系统的基本结构中反映出来。控制器内离散部分，经常是作为调度器或监控器。 系统的限制器或选择器，也可以看成是控制器的离散部分。 因为含有离散模态切换的系统以许多形式出现，因此没有统方法处理，这 可在许多应用中见到： 不同控制方法的组合：如p i d 控制器中，引入模糊控制和神经元网络， 就成为模糊p i d 和神经元p i d ； 多模态系统：系统按一定的时间驱动方式连续演化为一个模态，系统可 以在不同的模态之间切换的动态系统为多模态系统； 多控制器系统：在许多系统中，通过单个控制器往往难以驱动系统达到 控制目标，当目标区域在当前控制器的可达目标内时，通过单个控制器 即可达到目标区域。若不包含这个状态区域，则要在控制器之间切换， 实现控制目标。例如，一个飞机有两个发动机，当两个均能正常工作时， 采用控制器c l ，当其中有一个出现故障时，需要要对系统进行重构，选 用另一控制器c 2 ； 基于逻辑切换的系统：由变量突然改变其动态和取值为特征的时间驱动 的动态系统，它的切换取决于一定的事件，在一定的状态空间其动态是 江苏大学硕士学位论文 唯一的。 下面将介绍几种常用的混杂系统混合控制的框架。 j o r g e nm a l m b o r g 混合控制系统 j o 唱e n m a l m b o 唱提出的混合控制系统框图如图2 2 所示【3 2 】。他把混合控制 系统分为七个功能块，功能块之间传输的信号包括离散和连续信号。参考发生器 ( r e f e r e n c eg e n e r a t o r ) 是为控制器产生一个参考信号，这个控制信号通常是由连续 参考值和离散模态信息构成( y r c f ，q ) ；控制器集( c o n t r 0 1 l e r s ) 是混杂系统中可选择 的控制器集合，它含有多个控制器，它们不一定是同一类型的控制器，状态空间 也不一定相同；过程块( p r o c e s s ) 可以是时变的；估计器( e s t i m a t o r s ) 有两个基本任 务，一是连续的修改变化过程的参数，二是对不可测的变量进行估计，离散模态 的改变可能引起估计模型的结构改变和重新置值；执行评价块( p e r f o 啪a n c e e v a l u a t o r s l 送到选择器的评价信号是离散的、定性的；选择器( s e l e c t o r ) 是基于参 考发生器和评价块的信息，选择使用的一个控制器：切换块( s 、v i t c h ) 是从使用的 控制器切换到新的控制器，可以是光滑的切换，也可以是突然的变迁。 幽2 2j o r g e nm a l m b o r g 提出的混合控制系统方框图 b r i c k y 混合控制系统 b r i c k y 提出的混合控制系统框图如图2 _ 3 所裂”1 。这个框架明显的把开环混 合设备和混合控制器分离开来，这对于设计混合控制器是有利的。在这个框架下， 可以清楚看到一个混合控制系统的连续和离散信号之间的交互。 江苏火学硕士学位论文 图2 3b r i c k y 混合控制系统方框图 陈宗基提出的混合控制系统框架 北航陈宗基等提出的混合系统的一般结卡勾【2 7 1 ，如图2 4 所示。这一结构把 混合控制系统分为三层：最低层是由被控对象、传感器和执行器组成的连续时间 层，中间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。在这三层之间有两个界面，一个是a d 和d a 变换器，另一个 是d s 和s d 变换器，其中d s 把数值状态转换为事件符号，s d 把事件符号转 换为数值状态。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。这种具有 递阶性的结构使得混合控制器的结构更为清晰，尤其以d s 界面作为混合控制 系统的系统界面，为控制专家和计算机专家的合作建立了良好的平台。 通过分析上述几种混杂系统的建模框架，可把混杂系统建模的一般方法总 结为以下几步： f 1 )根据连续变量动态子系统工作的要求提取离散变量动态子系统建模所 必须的组织逻辑及逻辑表示方法： f 2 1 在确定逻辑的表示方法时，必须兼顾到拟采用的离散变量动态子系统 模型的基本形式； 江苏人学硕士学位论文 ( 3 )建立连续变量动态子系统和离散动态子系统之间的接口【3 4 】。 事 ( 符 d 数字 ( 实 数字 a 一 模拟 ( 实 争 数字控制器 散事件层 s 散时间层 d 续时间层 图2 4 陈宗基等提出的混合控制系统方框图 2 3混杂系统建模与控制方法 正常运行的生产过程控制系统多数不是基于唯一的常规控制手段，除常规控 制之外，还需具备离散性质的事件控制。这就是对混杂系统的控制，其系统的状 态空间由连续状态和离散状态组成，从而使控制设计变得复杂p 引。对这类具有 混合状态结构的控制系统的设计，单纯依靠常规控制手段较难解决，急需新的控 制方法。根据混杂系统在宏观上表现为离散事件动态系统，它服从某些人为规律， 状态的演化受事件驱动，其行为一般可用p e t r i 网和自动机等来描述：微观上表 现为连续动态系统，连续动态系统也服从某些自然规律，状态的演化受时间驱动， 其行为常用微分方程或差分方程来描述1 3 “。 下面将介绍几种混杂系统的建模控制方法。 2 3 1p e t r i 网方法 混杂系统从离散的角度看，是将连续动态嵌入离散动态之中，从系统的集合 ( a g g r e g a t ep r o p e r t i e s ) 特性研究系统是一个挑战性的问题p 训。从混杂系统的集合 特性看，可以将混杂系统抽象为一个离散事件模型。这种模型在系统的监控、决 江苏人学硕士学位论文 ( 3 )建立连续变量动态子系统和离散动态子系统之间的接口【3 4 】。 事 ( 符 d 数字 ( 实 数字 a 一 模拟 ( 实 争 数字控制器 散事件层 s 散时间层 d 续时间层 图2 4 陈宗基等提出的混合控制系统方框图 2 3混杂系统建模与控制方法 正常运行的生产过程控制系统多数不是基于唯一的常规控制手段，除常规控 制之外，还需具备离散性质的事件控制。这就是对混杂系统的控制，其系统的状 态空间由连续状态和离散状态组成，从而使控制设计变得复杂p 引。对这类具有 混合状态结构的控制系统的设计，单纯依靠常规控制手段较难解决，急需新的控 制方法。根据混杂系统在宏观上表现为离散事件动态系统，它服从某些人为规律， 状态的演化受事件驱动，其行为一般可用p e t r i 网和自动机等来描述：微观上表 现为连续动态系统，连续动态系统也服从某些自然规律，状态的演化受时间驱动， 其行为常用微分方程或差分方程来描述1 3 “。 下面将介绍几种混杂系统的建模控制方法。 2 3 1p e t r i 网方法 混杂系统从离散的角度看，是将连续动态嵌入离散动态之中，从系统的集合 ( a g g r e g a t ep r o p e r t i e s ) 特性研究系统是一个挑战性的问题p 训。从混杂系统的集合 特性看，可以将混杂系统抽象为一个离散事件模型。这种模型在系统的监控、决 江苏人学硕士学位论文 ( 3 )建立连续变量动态子系统和离散动态子系统之间的接口【3 4 】。 事 ( 符 d 数字 ( 实 数字 a 一 模拟 ( 实 争 数字控制器 散事件层 s 散时间层 d 续时间层 图2 4 陈宗基等提出的混合控制系统方框图 2 3混杂系统建模与控制方法 正常运行的生产过程控制系统多数不是基于唯一的常规控制手段，除常规控 制之外，还需具备离散性质的事件控制。这就是对混杂系统的控制，其系统的状 态空间由连续状态和离散状态组成，从而使控制设计变得复杂p 引。对这类具有 混合状态结构的控制系统的设计，单纯依靠常规控制手段较难解决，急需新的控 制方法。根据混杂系统在宏观上表现为离散事件动态系统，它服从某些人为规律， 状态的演化受事件驱动，其行为一般可用p e t r i 网和自动机等来描述：微观上表 现为连续动态系统，连续动态系统也服从某些自然规律，状态的演化受时间驱动， 其行为常用微分方程或差分方程来描述1 3 “。 下面将介绍几种混杂系统的建模控制方法。 2 3 1p e t r i 网方法 混杂系统从离散的角度看，是将连续动态嵌入离散动态之中，从系统的集合 ( a g g r e g a t ep r o p e r t i e s