基于MLD的混杂系统控制及故障检测与重构

论文摘要

随着流程工业中控制对象越来越复杂,以及计算机的广泛应用,导致了现代工业控制中计算复杂性大大增加及混杂系统的广泛的存在。针对这类情况,本文利用混合逻辑动态系统( Mixed Logical Dynamical,MLD)理论研究了混杂系统的控制,改进了混杂系统预测控制求解中的混合整数优化问题求解算法;同时针对混杂系统的故障检测和控制器重构,研究了基于MLD模型的故障建模和检测方法,给出了两种基于冗余操作变量的控制器重构方法,实现了对混杂系统的控制。仿真结果表明了论文算法的有效性。本文的主要研究内容和取得的成果体现在以下几个方面:在研究命题逻辑转化为混合整数不等式和利用二进制编码减少离散变量个数的基础上,利用求解混合整数规划问题的方法得到混杂系统的循环稳态值,以解决混杂系统稳态时可能存在极限环的问题;利用调解器性能指标研究了混杂系统基于混合逻辑动态模型的预测控制。研究了建立混杂系统的混合逻辑动态故障模型的方法,并分别对执行器故障和传感器故障下的混合逻辑动态故障建模进行了讨论。提出了一种基于混合逻辑动态故障模型的滚动时域估计性能指标,利用滚动时域估计的方法对混合逻辑动态故障模型的状态进行估计,并进行故障检测。讨论了故障状态下混杂系统的控制器重构问题,给出了两种基于冗余操作变量的混杂系统控制器重构策略,实现了故障状态下的混杂系统的控制。基于混合逻辑动态的混杂系统预测控制、故障检测以及控制器重构中都存在着控制算法的求解问题,而控制算法最终都转化为混合整数优化问题。本文提出了分支定界算法的一种新的树的搜索策略,以减少优化问题求解过程中所求解的子问题个数。同时研究了利用离散微粒群算法求解混合整数优化问题,提出了对微粒群算法的惯性权重、离散粒子更新等方面的改进方法,仿真结果证明了该算法的有效性。论文对研究的理论与算法通过一个三容水箱进行了大量的仿真研究和验证,取得了满意的效果。仿真结果表明了论文算法在混杂系统的控制、故障检测和控制器重构上的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 课题国内外研究现状
• 1.2.1 混杂系统建模
• 1.2.2 混杂系统控制
• 1.2.3 控制系统故障检测
• 1.2.4 容错控制与控制器重构
• 1.3 课题主要内容及论文结构安排
• 第2章 混杂系统混合逻辑动态建模
• 2.1 混合逻辑动态模型
• 2.1.1 MLD 模型建模数学基础
• 2.1.2 MLD 模型建模步骤
• 2.1.3 MLD 模型建模方法
• 2.2 逻辑变量化简方法与实现
• 2.3 三容水箱MLD 建模
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于MLD 的混杂系统预测控制
• 3.1 预测控制原理及关键技术
• 3.2 混杂控制系统稳态值求解方法
• 3.2.1 基于MLD 的混杂控制系统稳态值求解
• 3.2.2 稳态值求解仿真
• 3.3 混杂系统MLD 预测控制算法与实现
• 3.3.1 模型预测与反馈校正
• 3.3.2 基于MLD 的调节性能指标
• 3.3.3 MLD 模型预测控制仿真
• 3.4 本章小结
• 第4章 混杂系统故障检测及控制器重构
• 4.1 混杂系统故障检测设计与实现
• 4.1.1 滚动时域估计基本原理
• 4.1.2 混杂系统混合逻辑动态故障建模方法
• 4.1.3 基于MHE 的混杂系统故障检测
• 4.2 三容水箱故障检测仿真研究
• 4.2.1 三容水箱 MLDF 建模
• 4.2.2 MHE 性能比较
• 4.2.3 三容水箱故障检测仿真
• 4.3 基于MLD 的控制器重构策略及实施
• 4.3.1 控制器重构的基础
• 4.3.2 两步式重构策略
• 4.3.3 补偿式重构策略
• 4.3.4 控制器重构策略仿真
• 4.4 本章小结
• 第5章 混合整数二次规划算法改进
• 5.1 基于分支定界算法的MIQP 求解
• 5.1.1 B&B 算法原理及实现步骤
• 5.1.2 B&B 算法的改进
• 5.2 微粒群优化算法及其在MIQP 问题中的应用
• 5.2.1 PSO 算法原理及实现
• 5.2.2 PSO 算法在MIQP 中应用
• 5.2.3 改进的PSO 仿真
• 5.3 基于DPSO 算法的混杂系统预测控制
• 5.4 本章小结
• 总结
• 参考文献
• 附录
• 附录A 混杂控制系统稳态值求解问题转化为MIQP
• 附录B 混杂系统预测控制问题转化为MIQP
• 附录C 混杂系统状态估计问题转化为MIQP
• 攻读硕士期间学术成果
• 致谢