自動(dòng)控制發(fā)展ppt課件
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2.4 自動(dòng)控制的發(fā)展概況,1,自動(dòng)控制的兩個(gè)組成部分,自動(dòng)控制理論是分析和設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的工具和基礎(chǔ),相當(dāng)于“軟件”;自動(dòng)控制技術(shù)則著重在控制系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)方面,2,2.4.1 自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展概況,自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展取決于每個(gè)階段應(yīng)用技術(shù)所能達(dá)到的水平; 早期的自動(dòng)控制只能依靠簡(jiǎn)單的機(jī)械裝置、氣動(dòng)機(jī)構(gòu)、液壓傳動(dòng)裝置等; 隨著電的發(fā)明,很多電氣、電子元器件及設(shè)備相繼問(wèn)世,繼電器、接觸器、電阻、電容、電感、電位器、放大器等陸續(xù)應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng),使控制性能得到提升;,3,上述器件所構(gòu)成的控制裝置只能實(shí)現(xiàn)模擬控制,改變控制方法或控制參數(shù)就得更換相應(yīng)的硬件,而且很多復(fù)雜一點(diǎn)的控制方法還無(wú)法實(shí)現(xiàn)或?qū)崿F(xiàn)起來(lái)很困難; 計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)從根本上改變了自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)方式,控制方法和控制參數(shù)在計(jì)算機(jī)里只是一組程序(稱為“控制算法”),修改很方便,而且無(wú)論控制算法簡(jiǎn)單還是復(fù)雜,都一樣可以實(shí)現(xiàn),因此計(jì)算機(jī)在控制領(lǐng)域迅速推廣和普及; 常用的數(shù)字化控制裝置包括單片機(jī)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、可編程邏輯控制器、數(shù)字信號(hào)處理器等。,4,單片機(jī),單片機(jī)是在一塊芯片上集成了微處理器、存儲(chǔ)器及接口電路等,在計(jì)算機(jī)家族里體積最小、價(jià)格最便宜、應(yīng)用非常普遍,一輛普通轎車?yán)锍3S袔资畟€(gè)單片機(jī)在工作。,5,工業(yè)控制計(jì)算機(jī),工控機(jī)類似普通微機(jī),但提高了工作的可靠性,配備了用于工業(yè)控制的輸入輸出接口,并特別加強(qiáng)了針對(duì)工業(yè)環(huán)境的抗干擾措施。,6,可編程邏輯控制器 ( Programmable Logic Controller,簡(jiǎn)稱“PLC”),PLC包含了邏輯運(yùn)算、順序控制、算術(shù)運(yùn)算及定時(shí)和計(jì)數(shù)等功能,是專為工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的,早期主要用于邏輯及順序控制,以取代傳統(tǒng)的繼電器控制,后來(lái)又增加了連續(xù)的反饋調(diào)節(jié)功能,并具有聯(lián)網(wǎng)和通信功能,應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。,7,數(shù)字信號(hào)處理器 ( Digital Signal Processor,簡(jiǎn)稱“DSP” ),DSP的計(jì)算和處理功能相當(dāng)強(qiáng)大,早期主要用于信號(hào)處理領(lǐng)域,價(jià)格也較昂貴,但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,價(jià)格不斷降低,因而近年來(lái)在控制領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越多,8,計(jì)算機(jī)控制方式的演變,第一階段:集中控制 用一臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)控制多臺(tái)機(jī)器或設(shè)備,輪流采集反饋信息,計(jì)算出所需要的控制量后輪流輸出給每臺(tái)機(jī)器或設(shè)備,屬于“分時(shí)控制”,主要缺點(diǎn)是可靠性差。,9,第二階段:?jiǎn)螜C(jī)控制 一臺(tái)計(jì)算機(jī)只控制一臺(tái)機(jī)器或設(shè)備,主要優(yōu)點(diǎn)是控制風(fēng)險(xiǎn)小。這種方式在今天也很常見(jiàn),如冰箱、空調(diào) 、電飯煲的控制等。,10,第三階段:分散控制 對(duì)于多臺(tái)相互關(guān)聯(lián)的機(jī)器或設(shè)備,每臺(tái)機(jī)器或設(shè)備都單獨(dú)用一個(gè)數(shù)控裝置來(lái)控制(單機(jī)控制方式),但與上層的協(xié)調(diào)和管理計(jì)算機(jī)有信息交互,屬于網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)。 典型例子有: 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng) CIMS (Computer Integrated Manufacturing System) 集散控制系統(tǒng) DCS (Distributed Control System) 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) FCS (Fieldbus Control System),11,一種網(wǎng)絡(luò)化的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng),12,現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng):管控一體化,一個(gè)生產(chǎn)企業(yè)往往可能同時(shí)采用了好幾種網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng),并與管理系統(tǒng)連為一體,實(shí)現(xiàn)無(wú)縫銜接。 現(xiàn)代生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)通常具有三層結(jié)構(gòu):,例如,最底層是基礎(chǔ)自動(dòng)化層,以PCS(過(guò)程控制系統(tǒng))為代表;第二層是生產(chǎn)過(guò)程運(yùn)行優(yōu)化層,以MES(制造執(zhí)行系統(tǒng))為代表;最高層是生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)優(yōu)化層,以ERP(企業(yè)資源管理)為代表。,13,基礎(chǔ)層主要包括DCS、FCS、各種先進(jìn)控制軟件、檢測(cè)裝置、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)等; 運(yùn)行優(yōu)化層主要包括建模、計(jì)劃與調(diào)度、實(shí)時(shí)優(yōu)化、故障診斷與維護(hù)、質(zhì)量控制、成本控制等; 經(jīng)營(yíng)優(yōu)化層主要包括企業(yè)資源規(guī)劃(ERP)、供應(yīng)鏈管理(SCM)、客戶關(guān)系管理(CRM)、設(shè)備資源管理、企業(yè)電子商務(wù)平臺(tái)等; 這樣的管控一體化系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在線成本的預(yù)測(cè)、控制和反饋校正,還可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全過(guò)程的質(zhì)量跟蹤、安全監(jiān)控、統(tǒng)一指揮和優(yōu)化調(diào)度。,14,生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)示意圖,15,2.4.2 自動(dòng)控制理論的發(fā)展概況,幾個(gè)常用術(shù)語(yǔ): ①線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng) 線性系統(tǒng)可以用線性方程來(lái)描述其運(yùn)動(dòng)規(guī)律,否則就是非線性系統(tǒng)。線性系統(tǒng)滿足“均勻性” 和“疊加性”。,均勻性:當(dāng)輸入信號(hào)按一定比例放大或縮小時(shí),對(duì)應(yīng)的輸出也放大或縮小同樣比例。 疊加性:多個(gè)輸入同時(shí)作用于系統(tǒng)所產(chǎn)生的輸出等于這些輸入分別作用于系統(tǒng)所產(chǎn)生的輸出之和。,16,② 定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng) 定常系統(tǒng)制系統(tǒng)的所有參數(shù)是固定的,不隨時(shí)間而改變;時(shí)變系統(tǒng)則正好相反,有隨時(shí)間而改變的參數(shù)。,實(shí)際系統(tǒng)都屬于時(shí)變系統(tǒng),但當(dāng)參數(shù)變化較慢、且變化幅度不大時(shí),我們可以近似看作定常系統(tǒng)。,實(shí)際系統(tǒng)都屬于非線性系統(tǒng),但大部分系統(tǒng)的非線性不嚴(yán)重,因此可以近似看作線性系統(tǒng)來(lái)處理。,17,③單變量系統(tǒng)和多變量系統(tǒng) 單變量系統(tǒng)是說(shuō)系統(tǒng)只有一個(gè)輸入和一個(gè)輸出,又稱為“單輸入單輸出系統(tǒng) ”;多變量系統(tǒng)則指輸入或輸出不止一個(gè),也叫“多輸入多輸出系統(tǒng)” 。,④連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)和離散時(shí)間系統(tǒng) 連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)是指系統(tǒng)中的所有變量均為時(shí)間的連續(xù)函數(shù)(連續(xù)信號(hào));離散時(shí)間系統(tǒng)則主要指包含計(jì)算機(jī)等數(shù)字設(shè)備的系統(tǒng),計(jì)算機(jī)的輸入輸出數(shù)據(jù)都是離散信號(hào),但計(jì)算機(jī)操縱的機(jī)器或設(shè)備(受控對(duì)象)一般屬于連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)。,18,19,⑤ 恒值與隨動(dòng)控制系統(tǒng),恒值控制系統(tǒng): 系統(tǒng)輸入(給定信號(hào))為一常值,控制目標(biāo)是使系統(tǒng)輸出(被控量)保持恒定。 如溫度、水位、轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng),20,隨動(dòng)控制系統(tǒng): 又稱為伺服(servo)控制系統(tǒng),系統(tǒng)的給定輸入是隨時(shí)間任意變化的函數(shù),控制目標(biāo)是使系統(tǒng)輸出(受控量)以盡可能小的誤差跟隨輸入量的變化。 如數(shù)控機(jī)床按設(shè)定軌跡加工零件,雷達(dá)及高炮跟蹤飛機(jī),太陽(yáng)能電池板跟蹤太陽(yáng)等。,21,自動(dòng)控制理論發(fā)展的三個(gè)階段,自動(dòng)控制理論的發(fā)展一直受到實(shí)際需求的驅(qū)動(dòng); 20世紀(jì)前半葉工業(yè)生產(chǎn)對(duì)廣泛應(yīng)用各種自動(dòng)控制裝置的需求以及“二戰(zhàn)”期間對(duì)改進(jìn)武器系統(tǒng)性能的需求(如雷達(dá)跟蹤、火炮控制、艦船控制、飛機(jī)導(dǎo)航等)推動(dòng)了第一代控制理論——經(jīng)典控制理論的成熟與發(fā)展; 20世紀(jì)60年代航空航天領(lǐng)域?qū)\(yùn)載火箭、人造衛(wèi)星、導(dǎo)彈、飛機(jī)等各類飛行器進(jìn)行精確控制的需求催生了被稱為“現(xiàn)代控制理論”的第二代控制理論;,22,20世紀(jì)70年代以來(lái)控制系統(tǒng)的規(guī)模越來(lái)越大、結(jié)構(gòu)和特性越來(lái)越復(fù)雜、對(duì)控制性能的要求卻越來(lái)越高,從而導(dǎo)致了第三代控制理論的研究和發(fā)展; 第三代控制理論至今沒(méi)有明確的定義和范圍,一般泛指各種先進(jìn)的新型控制理論與方法,如智能控制、大系統(tǒng)控制、魯棒控制、預(yù)測(cè)控制、自適應(yīng)控制、多變量頻域控制、非線性系統(tǒng)控制等,其共同特點(diǎn)是都針對(duì)控制難度較大的一些復(fù)雜系統(tǒng),因此第三代控制理論的總體發(fā)展趨勢(shì)可能是“復(fù)雜系統(tǒng)控制”。,23,1. 第一代控制理論——經(jīng)典控制理論,采用的控制器結(jié)構(gòu)一般很簡(jiǎn)單(如PID控制),需要設(shè)置和調(diào)整的參數(shù)很少,是以簡(jiǎn)單的控制結(jié)構(gòu)來(lái)獲取相對(duì)滿意的控制性能。 處理的受控對(duì)象是最簡(jiǎn)單的一類系統(tǒng),即單輸入單輸出線性定常系統(tǒng),其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的描述一般采用微分方程(針對(duì)連續(xù)時(shí)間系統(tǒng))或差分方程(針對(duì)離散時(shí)間系統(tǒng));由于直接針對(duì)這樣的時(shí)間域方程進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)比較困難,所以通常要先變換為復(fù)數(shù)域的代數(shù)方程或頻率特性的形式。,24,分析和設(shè)計(jì)主要通過(guò)作圖,直觀簡(jiǎn)便,物理概念清楚,參數(shù)調(diào)整的方針明確,最具代表性、實(shí)際應(yīng)用最多的是“頻率分析法”,即根據(jù)頻率響應(yīng)特性分析反饋系統(tǒng)的性能; 主要缺點(diǎn)是只能用于單輸入單輸出線性定常系統(tǒng),設(shè)計(jì)過(guò)程需要多次嘗試,設(shè)計(jì)結(jié)果不具備最優(yōu)性; 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)主要是以微積分為主要內(nèi)容的高等數(shù)學(xué)、面向工程應(yīng)用的復(fù)變函數(shù)和積分變換。,25,2. 第二代控制理論——狀態(tài)空間方法,狀態(tài)空間方法又被稱為“現(xiàn)代控制理論”,以“狀態(tài)變量”和“狀態(tài)方程”為基礎(chǔ) ; “狀態(tài)變量” 是能夠完整地描述系統(tǒng)狀態(tài)的一組變量 ,“狀態(tài)方程” 是利用狀態(tài)變量來(lái)描述系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一組一階微分方程; 可以通過(guò)直接求時(shí)間解來(lái)進(jìn)行分析,屬于“時(shí)域法” ; 核心概念是“能控性”和“能觀測(cè)性”,“能控性”指系統(tǒng)的狀態(tài)變量能否通過(guò)控制量來(lái)任意改變,而“能觀測(cè)性” 指能否由檢測(cè)的輸出變量得知狀態(tài)變量;,26,“能控性”體現(xiàn)了能否對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效控制,“能觀測(cè)性”則反映了能夠充分地獲取反饋信息; 與經(jīng)典控制理論相比較,狀態(tài)空間法的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在一方面能夠獲取更充分的反饋信息,另一方面在控制方式上一般尋求最優(yōu)解,如最少能量控制、最短時(shí)間控制等; 狀態(tài)空間法的主要缺點(diǎn)是基于精確數(shù)學(xué)模型,而且實(shí)現(xiàn)狀態(tài)反饋通常需要構(gòu)建 “狀態(tài)觀測(cè)器”,使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,控制性能下降,因而在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用遠(yuǎn)不如經(jīng)典理論普遍; 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)主要是線性代數(shù)、矩陣?yán)碚摰取?27,3. 第三代控制理論—— 各種新型控制理論及方法,網(wǎng)絡(luò)化使我們面臨的系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜、規(guī)模越來(lái)越大,控制難度不斷增加,對(duì)控制性能的要求又越來(lái)越高,因此自上世紀(jì)70年代以來(lái)不斷研究和發(fā)展出了多種新型控制理論及方法,前面介紹的智能控制就是其中的優(yōu)秀代表。 下面再扼要介紹另外幾種代表 性方法。,28,現(xiàn)代頻域控制理論 ( Modern frequency-domain control theory),經(jīng)典控制理論簡(jiǎn)單實(shí)用,屬于“頻域方法”,較狀態(tài)空間法更能適應(yīng)系統(tǒng)的不確定性,包括模型不準(zhǔn)確或有外部擾動(dòng)等,但它只能用于單輸入單輸出系統(tǒng),上世紀(jì)70年代英國(guó)率先提出了“多變量頻域方法”,被稱為“頻域法的復(fù)歸”; “多變量頻域法”實(shí)際上只是經(jīng)典頻域法的一種擴(kuò)展,繼承和保留了經(jīng)典方法的很多特點(diǎn),也包括一些缺陷,設(shè)計(jì)過(guò)程需要大量作圖、反復(fù)試湊,控制器的結(jié)構(gòu)受到限制,無(wú)法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能最優(yōu);,29,從上世紀(jì)70年代末到80年代中期,一種全新的頻域控制理論在美國(guó)和加拿大逐漸形成,并逐漸得到推廣應(yīng)用; 其主要特點(diǎn)是首先將保證反饋系統(tǒng)穩(wěn)定的所有控制器表達(dá)為一個(gè)自由參數(shù)的函數(shù),然后在此基礎(chǔ)上對(duì)控制性能進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化過(guò)程充分考慮了系統(tǒng)的不確定性,屬于頻域的最優(yōu)控制; 其分析與設(shè)計(jì)方法是統(tǒng)一的,可同時(shí)適用于單變量和多變量系統(tǒng)、連續(xù)和離散時(shí)間系統(tǒng)。,30,魯棒控制(Robust control),“魯棒” 源于英語(yǔ)的“robust”,意思是“強(qiáng)健的”,是音譯與意譯相結(jié)合的一種翻譯; 我們說(shuō)系統(tǒng)具有“魯棒性(robustness)” ,是指系統(tǒng)在存在模型誤差或受到擾動(dòng)等各種不確定性因素影響下,仍能保持良好的性能; “魯棒控制” 是使系統(tǒng)具有良好魯棒性的控制; 魯棒控制的概念在經(jīng)典控制理論里就有所體現(xiàn),但“魯棒控制”一詞的首次正式使用是1976年。,31,魯棒控制主要解決以下三個(gè)基本問(wèn)題:,①魯棒穩(wěn)定性(robust stability) 指系統(tǒng)即使存在模型誤差,控制器也能保證反饋系統(tǒng)穩(wěn)定性。 穩(wěn)定性是對(duì)系統(tǒng)最基本的要求,不穩(wěn)定的系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生不希望的振蕩或變量發(fā)散,從而造成系統(tǒng)失控和設(shè)備損壞,無(wú)法正常工作。 ②魯棒跟蹤(robust tracking) 指系統(tǒng)即使存在模型誤差和外部擾動(dòng),控制器也能使系統(tǒng)的輸出信號(hào)最終與期望值完全一致。,32,③魯棒性能(robust performance) 我們通常是根據(jù)受控系統(tǒng)的模型來(lái)設(shè)計(jì)控制器的,在模型準(zhǔn)確且不考慮擾動(dòng)的情況下,系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的性能稱為“標(biāo)稱性能”或“名義性能” (nominal performance); 魯棒性能:在模型不準(zhǔn)確或存在擾動(dòng)影響時(shí),我們?cè)O(shè)計(jì)的控制器能使系統(tǒng)的實(shí)際性能盡可能接近標(biāo)稱性能。,魯棒控制是一個(gè)總的稱呼,采用經(jīng)典及現(xiàn)代頻域理論、狀態(tài)空間方法、智能控制等都可以研究和實(shí)現(xiàn)魯棒控制。,33,自適應(yīng)控制(Adaptive Control),指控制器能自動(dòng)適應(yīng)各種情況的變化,包括受控系統(tǒng)特性的變化、工況的變化、所處環(huán)境的變化、擾動(dòng)的變化等; 如何來(lái)自動(dòng)適應(yīng)這些變化呢?首先需要獲取系統(tǒng)工作狀態(tài)的相關(guān)變化信息,然后根據(jù)這些信息去調(diào)整控制結(jié)構(gòu)和控制參數(shù),以保證系統(tǒng)始終工作正常; 始于上世紀(jì)50年代,但一直是研究熱點(diǎn),屬于“以變應(yīng)變”,理念很先進(jìn)。,34,自適應(yīng)控制的基本特征:,能夠辨識(shí)對(duì)象參數(shù)及環(huán)境的變化; 能自動(dòng)判斷和評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能好壞; 能自動(dòng)調(diào)整控制策略或控制器參數(shù)。,35,自適應(yīng)控制常見(jiàn)的三種類型:,增益預(yù)調(diào)控制(Gain scheduling control) 查詢表事先計(jì)算好,早期只調(diào)控制器增益。,優(yōu)點(diǎn): 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 調(diào)節(jié)快速。 ( 最早用于飛行控制,適應(yīng)高度、速度變化),36,② 自校正控制(Self-tuning control),參數(shù)估計(jì): 由輸入輸出數(shù)據(jù)辨識(shí)對(duì)象參數(shù),控制器計(jì)算: 根據(jù)對(duì)象參數(shù)實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)控制器,有多種現(xiàn)成方法,優(yōu)點(diǎn): 分析、設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)都比較容易,缺點(diǎn):參數(shù)估計(jì)比較費(fèi)時(shí),自適應(yīng)速度較慢,對(duì)象參數(shù)變化快時(shí),參數(shù)估計(jì)跟不上。,應(yīng)用:各類生產(chǎn)過(guò)程,37,③ 模型參考自適應(yīng)控制 (Model reference adaptive control),目標(biāo):調(diào)整 控制器,使輸出誤差最小,優(yōu)點(diǎn): 無(wú)須參數(shù)辨識(shí), 自適應(yīng)速度快,常用于隨動(dòng)系統(tǒng) 缺點(diǎn):性能分析比較困難,設(shè)計(jì)比較復(fù)雜,且缺乏統(tǒng)一方法,38,預(yù)測(cè)控制(Predictive Control),一種新型的計(jì)算機(jī)控制算法,直接來(lái)源于工業(yè)過(guò)程的控制實(shí)踐。 1980年前后分別由法國(guó)的Richalet和美國(guó)Shell石油公司的Cutler兩位工程師獨(dú)立提出,前者用于鍋爐和精餾塔的控制,后者用于加熱爐溫度及石化生產(chǎn)裝置的控制。 現(xiàn)已成為工業(yè)控制領(lǐng)域推廣應(yīng)用最多的一種先進(jìn)控制策略,涉及化工、造紙、冶煉、電力、航空、汽車、食品加工等行業(yè)。,39,預(yù)測(cè)控制的基本思路,模型預(yù)測(cè):基于受控系統(tǒng)的模型進(jìn)行預(yù)測(cè),即通過(guò)受控系統(tǒng)的輸入輸出方程來(lái)了解改變控制量會(huì)如何影響系統(tǒng)未來(lái)的輸出值。,40,反饋校正:利用檢測(cè)到的實(shí)際輸出值與以前預(yù)測(cè)的當(dāng)前輸出值進(jìn)行比較,并依據(jù)該誤差信息來(lái)修正模型預(yù)測(cè)值;反饋校正的實(shí)質(zhì)是利用當(dāng)前及以前時(shí)刻的誤差信息來(lái)估計(jì)未來(lái)的誤差,屬于對(duì)誤差的預(yù)測(cè)。,41,滾動(dòng)優(yōu)化:計(jì)算最優(yōu)控制量,使預(yù)測(cè)誤差最小化,同時(shí)滿足各種約束條件(如控制量、輸出量不能超出某一范圍等); “滾動(dòng)”指每一時(shí)刻的優(yōu)化都只考慮未來(lái)有限的時(shí)間長(zhǎng)度,而且隨時(shí)間滾動(dòng)向前。,42,預(yù)測(cè)控制的主要特點(diǎn),有限時(shí)域優(yōu)化,即每步優(yōu)化都只考慮未來(lái)有限的時(shí)間長(zhǎng)度,計(jì)算量有限,因而可以在線實(shí)時(shí)地進(jìn)行計(jì)算。 “模型預(yù)測(cè)”所采用的模型可靈活選用,如階躍響應(yīng)、脈沖響應(yīng)、差分方程、非線性輸入輸出方程、模糊語(yǔ)言模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等。 設(shè)計(jì)過(guò)程直觀,物理意義清楚,調(diào)節(jié)參數(shù)少,調(diào)整方針明確,魯棒性強(qiáng),且可用于時(shí)間滯后很大的系統(tǒng)。,43,由于控制策略(反饋校正和優(yōu)化計(jì)算)直接表達(dá)為算法,因此靈活多樣(線性、非線性、解析求解、數(shù)學(xué)規(guī)劃法數(shù)值求解、智能控制方法等)。 主要問(wèn)題是控制策略直接表達(dá)為算法,且多種多樣,常常超越了線性范疇,因此理論分析較困難,尚無(wú)全面而系統(tǒng)的分析結(jié)果。,44,大系統(tǒng)控制和復(fù)雜系統(tǒng)控制,電力系統(tǒng)、城市交通系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、制造系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)等都是常見(jiàn)的大系統(tǒng)和復(fù)雜系統(tǒng)。 這類系統(tǒng)具有規(guī)模大、變量多、難建模、非線性、大時(shí)滯、強(qiáng)關(guān)聯(lián)等特征,且約束條件和控制目標(biāo)多,因此控制難度相當(dāng)大。 對(duì)于規(guī)模較大的系統(tǒng),通常要利用分解協(xié)調(diào)的方式來(lái)進(jìn)行控制,即分解為多個(gè)子系統(tǒng),再統(tǒng)一協(xié)調(diào)各個(gè)子系統(tǒng)的控制。,45,例:城市交通系統(tǒng),傳統(tǒng)控制方式是獨(dú)立地控制各個(gè)路口的紅綠燈,而且是簡(jiǎn)單地定時(shí)切換,屬于開(kāi)環(huán)控制。 更先進(jìn)的控制方式是對(duì)每個(gè)路口都實(shí)行反饋控制,即通過(guò)一些檢測(cè)手段獲取不同方向的車流量信息,結(jié)合智能控制方法動(dòng)態(tài)地切換紅綠燈,以最大限度地減小等待時(shí)間,增大道路通行量。,反饋控制為了解決各個(gè)路口之間的配合問(wèn)題,需要在上層設(shè)置協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu),對(duì)各路口進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)處理,包括對(duì)交通信息的綜合分析、處理及決策,對(duì)各路口指令信號(hào)和控制參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整等。,46,大系統(tǒng)控制的基本思路,可以采用分別獨(dú)立控制各個(gè)子系統(tǒng)的“分散控制”方式,子系統(tǒng)之間可以有信息交換,也可以沒(méi)有,好處是子系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立,可靠性好,但缺乏統(tǒng)一協(xié)調(diào)。 也可以采用控制執(zhí)行部分分散與管理協(xié)調(diào)功能集中的“集散控制”方式,既分散了具體控制部分的風(fēng)險(xiǎn),又便于統(tǒng)一進(jìn)行管理和協(xié)調(diào),實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的綜合優(yōu)化。 另外還有將控制結(jié)構(gòu)分為多個(gè)層次、形成一級(jí)控制一級(jí)的“分級(jí)遞階控制”,以及將大系統(tǒng)按功能或時(shí)間進(jìn)行劃分的“分段控制”等。,47,復(fù)雜系統(tǒng)控制,復(fù)雜系統(tǒng)主要指結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)模大,有很強(qiáng)的時(shí)變性、非線性、不確定性以及各種無(wú)法預(yù)料的擾動(dòng)等;簡(jiǎn)單地講,所有控制難度大的系統(tǒng)都可以看作復(fù)雜系統(tǒng),包括大系統(tǒng)。 很多情況下,要有效地控制好復(fù)雜系統(tǒng)需要綜合運(yùn)用多種控制模式、多種控制方法和其他相關(guān)技術(shù);各種方法和技術(shù)的綜合集成應(yīng)當(dāng)是解決復(fù)雜系統(tǒng)控制問(wèn)題的有效途徑,是很有價(jià)值的研究方向,實(shí)際上也反映了當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)。,48,復(fù)雜系統(tǒng)的控制除了要處理各種時(shí)間變量外,常常還需要處理圖象、文字、語(yǔ)音等信息。 在信息較豐富的情況下,要進(jìn)行綜合分析、判斷及決策,通常需要借助于人工智能和智能控制技術(shù),有時(shí)還應(yīng)充分利用人的智慧,把人也看作智能系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié),人機(jī)結(jié)合去完成任務(wù),而不是追求完全的“無(wú)人化”。 總的來(lái)講,復(fù)雜系統(tǒng)控制尚處在發(fā)展和探討過(guò)程中,有很多問(wèn)題尚未解決,面臨著眾多挑戰(zhàn),但同時(shí)又醞釀著新的突破,必將迎來(lái)新的發(fā)展高潮。,End of Chapter 2,49,- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來(lái)的問(wèn)題本站不予受理。
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