控制系統(tǒng)的難點(diǎn)問(wèn)題-PPT課件

1、技術(shù)與設(shè)計(jì)有關(guān)系統(tǒng)、控制的若干難點(diǎn)問(wèn)題,東南大學(xué)機(jī)械工程系 史金飛,主要內(nèi)容,系統(tǒng)分析方法 系統(tǒng)優(yōu)化方法 正負(fù)反饋與前饋控制 開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制,1.系統(tǒng)分析方法,系統(tǒng)分析的方法,2.1,3.1,Lg2.1 * 3.1,技術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)過(guò)程分析,IDEF0模型,IDEF0方法,IDEF0利用所規(guī)定的圖形符號(hào)和自然語(yǔ)言，按照自頂向下，逐層分解的結(jié)構(gòu)化方法描述或建立系統(tǒng)的功能模型，即系統(tǒng)中的功能活動(dòng)及其相互關(guān)系。,IDEF0自頂向下、逐層分解的模型結(jié)構(gòu),IDEF0的基本符號(hào)說(shuō)明,IDEF0方法的特點(diǎn),圖形描述具有準(zhǔn)確性和精確性的優(yōu)點(diǎn)，并能充分表達(dá)各活動(dòng)之間的接口關(guān)系，使建模者能夠全面地描述系統(tǒng)，讀者可

2、以正確地理解系統(tǒng)。 采用嚴(yán)格的自頂向下，逐層分解的結(jié)構(gòu)化方法來(lái)建立系統(tǒng)功能模型，使其主要功能在頂層說(shuō)明，然后逐層分解到有明確含義和范圍的細(xì)節(jié) 明確“做什么”和“如何做”的差別，便于清晰地理解系統(tǒng)及其細(xì)節(jié) 通過(guò)人員分工、復(fù)查、審閱、文檔管理等程序來(lái)控制所建模型的完整性與準(zhǔn)確性。,IDEF0的基本符號(hào)說(shuō)明,IDEF0的基本符號(hào)說(shuō)明,IDEF0的基本符號(hào)說(shuō)明,IDEF0的基本符號(hào)說(shuō)明,系統(tǒng)建模原則,分離性 因果性 層次性 時(shí)空性,IDEF0圖基本建模步驟,制造系統(tǒng)建模,模型是實(shí)際系統(tǒng)理想化的抽象或簡(jiǎn)化表示，反映了系統(tǒng)的主要組成部分和各部分的相互作用，在系統(tǒng)工程中有很重要的地位。 制造系統(tǒng)建模就是運(yùn)用

3、適當(dāng)?shù)慕７椒▽⒅圃煜到y(tǒng)抽象地表達(dá)出來(lái)，通過(guò)研究系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特性，對(duì)制造系統(tǒng)進(jìn)行分析、綜合及優(yōu)化。 制造系統(tǒng)建模系統(tǒng)的目的在于： 更好尋理解和表達(dá)系統(tǒng)，以支持對(duì)系統(tǒng)的分析和綜合 支持新系統(tǒng)的設(shè)計(jì)或支持現(xiàn)有系統(tǒng)的分析和綜合 支持對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)測(cè)和控制,制造系統(tǒng)的模型分類,從形式上看，有制造系統(tǒng)的全局系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型、局部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型、生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度模型等 從方法上看，有數(shù)學(xué)解析模型、圖示概念模型及圖示解析混合模型等 從功能上看，有制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)描述模型、系統(tǒng)分析模型、系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)施模型、系統(tǒng)運(yùn)行管理模型等 從對(duì)象方面看，制造系統(tǒng)中需要用模型加以描述的對(duì)象包括：產(chǎn)品、資源、信息、組織和決策、企

4、業(yè)過(guò)程,廣義模型的概念,廣義模型是一種由知識(shí)模型、數(shù)學(xué)模型、關(guān)系模型相互結(jié)合的集成模型，這種模型充分考慮到大系統(tǒng)的不確定性、不確知性、主動(dòng)性和適用性問(wèn)題，是一種建立大系統(tǒng)模型的新途徑，在制造系統(tǒng)的建模方面有著廣闊的應(yīng)用前景。,建?；痉椒?“演繹歸納”建模法 “分解聯(lián)合”建模法 “人機(jī)結(jié)合”建模法,建?；静襟E,廣義模型需求分析：根據(jù)大系統(tǒng)分析與綜合的需要，研究對(duì)廣義模型的需求 模型對(duì)象：控制者、被控對(duì)象 模型粒度：宏觀、中觀、微觀 模型智能：自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自組織 模型特性：定性、定量、靜態(tài)、動(dòng)態(tài) 模型格式：知識(shí)、數(shù)學(xué)、關(guān)系 廣義模型環(huán)境調(diào)研 廣義模型方案設(shè)計(jì) 廣義模型建模方法配置 廣義模型

5、技術(shù)支持 廣義模型建造調(diào)試 廣義模型運(yùn)行維護(hù) 廣義模型評(píng)價(jià)鑒定,IDEF0與IDEF1X建模方法,IDEF0：用于描述系統(tǒng)的功能活動(dòng)及其聯(lián)系，建立系統(tǒng)的功能模型。 IDEF1：用于描述系統(tǒng)的信息及聯(lián)系，建立系統(tǒng)的信息模型。 IDEF2：用于進(jìn)行系統(tǒng)模擬，建立系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型。 IDEF3：用于并行工程中的描述和表示（Process Description Capture for Concurrent Engineering）。 IDEF4：一種面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法（Object-oriented Design Method）。 IDEF5：一種基于知識(shí)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法（Ontology Captur

6、e Method）。,2.系統(tǒng)優(yōu)化方法,系統(tǒng)的優(yōu)化,在給定的條件（或約束條件）下，根據(jù)系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)一定的手段和方法，使系統(tǒng)的目標(biāo)值達(dá)到最大化（或最小化的方案。,優(yōu)化設(shè)計(jì),優(yōu)化設(shè)計(jì)是研究如何采用各種優(yōu)化方法，在設(shè)計(jì)過(guò)程中優(yōu)化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、性能，使設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品具有更好的內(nèi)在和外在品質(zhì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上是將產(chǎn)品作為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分析和決策的過(guò)程，是一種重要的系統(tǒng)工程方法。,系統(tǒng)優(yōu)化的基本方法,1. 數(shù)學(xué)規(guī)劃方法：運(yùn)用數(shù)學(xué)模型求解，這類似于中學(xué)數(shù)學(xué)中的求極值。 建立一個(gè)能正確反映設(shè)計(jì)問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型，包括選擇設(shè)計(jì)變量、優(yōu)化目標(biāo)、變量和目標(biāo)的函數(shù)關(guān)系以及進(jìn)行優(yōu)化的約束條件。 選取合理的優(yōu)化算法。要考慮：

7、數(shù)學(xué)模型的函數(shù)關(guān)系、規(guī)模、非線性度、收斂速度以及是否有通用的程序?qū)崿F(xiàn)等因素。 對(duì)數(shù)學(xué)模型求解，得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)變量。 2. 面向工程優(yōu)化方法：通過(guò)估計(jì)與試驗(yàn)得到最優(yōu)或者滿意的結(jié)果。 3. 人工智能方法 4. 廣義優(yōu)化方法,線性規(guī)劃-數(shù)學(xué)規(guī)劃的特例,線性規(guī)劃的概念：指約束條件為線性等式或線性不等式，且目標(biāo)函數(shù)也為線性函數(shù)的情況下，使系統(tǒng)目標(biāo)值達(dá)到最大（最?。┗?。,例：技術(shù)與設(shè)計(jì)2P81 利潤(rùn)問(wèn)題 教參P88線性規(guī)劃,線性的概念,等式,中，y與x1,x2是線性關(guān)系,其中，c1,c2是系數(shù),而等式,中，y與x1,x2是非線性關(guān)系,技術(shù)與設(shè)計(jì)2P81 利潤(rùn)問(wèn)題,約束條件其實(shí)等效為圖中的陰影區(qū)域。 Sma

8、x=50X1+60X2是一直線簇，隨著S取值增大，直線逐漸上移，但最多只能在如圖紅色虛線位置。所以該虛線代表著Smax的最大值的狀態(tài)。,優(yōu)化方法的選擇應(yīng)是最簡(jiǎn)原則,例：在如下圖的CD段，求一點(diǎn)E使AE,EB長(zhǎng)度之和為最短,其中Z為已知常數(shù)，AB長(zhǎng) 也為已知量,約束條件:,不同的優(yōu)化目標(biāo)對(duì)應(yīng)著不同的系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果,例如： 自行車(chē)行駛一段路程，如果以自行車(chē)克服阻力所做功最少為優(yōu)化目標(biāo)，則自行車(chē)的變速與系統(tǒng)是否最優(yōu)無(wú)關(guān)。 而以人的疲勞最少為優(yōu)化目標(biāo)，則自行車(chē)的變速與系統(tǒng)最優(yōu)有關(guān)，此時(shí)的系統(tǒng)包含了人。,系統(tǒng)優(yōu)化分析： 遇到上坡或頂風(fēng)時(shí)，采用大的減速比，則腳蹬踏省力，即便轉(zhuǎn)的圈多了點(diǎn)，也不會(huì)輕易疲勞。 因

9、為人的疲勞與用力之間的非線性關(guān)系，使得系統(tǒng)最優(yōu)與變速有關(guān)，而不僅僅與自行車(chē)克服阻力作的功有關(guān)。,3.反饋與前饋控制,及時(shí)得到系統(tǒng)輸出的信息，對(duì)后續(xù)的控制起到糾正調(diào)整的作用。 例： 1)軍隊(duì)的指揮 2)企業(yè)的管理 3)電話通話 4)汽車(chē)駕駛 正反饋與負(fù)反饋的概念與作用 1)正反饋是指從輸出檢測(cè)的信息經(jīng)反饋后形成的后輸出信息與原輸出信息起著相同的作用，即疊加，從而使總的輸出增大的反饋調(diào)節(jié)。,反饋的作用,正反饋主要對(duì)小的變化進(jìn)行放大。 比如：話筒放在揚(yáng)聲器前，會(huì)很快形成正反饋，在即便不發(fā)聲的情況下，也會(huì)因環(huán)境中的細(xì)小聲音，得以不斷放大，直至聲音失真。,2)負(fù)反饋則是后輸出信息與原輸出信息起著相反的作

10、用，即相抵消，使總輸出減小的反饋調(diào)節(jié)。 負(fù)反饋主要對(duì)輸出的偏差進(jìn)行糾正，以達(dá)到指定的穩(wěn)定性能與輸出指標(biāo),負(fù)反饋比正反饋更為常見(jiàn)，也更重要，已成為控制系統(tǒng)中的基本環(huán)節(jié)。在任意的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，可以沒(méi)有正反饋，但不能沒(méi)有負(fù)反饋。,前饋控制系統(tǒng),前饋控制系統(tǒng),根據(jù)產(chǎn)生被控參數(shù)變化的原因（擾動(dòng)）進(jìn)行控制的系統(tǒng)，稱為前饋控制系統(tǒng)。 前饋控制，實(shí)質(zhì)上是一種按擾動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)的開(kāi)環(huán)控制方式，它通過(guò)前饋調(diào)節(jié)器補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)被控量的影響，使作用在系統(tǒng)的一個(gè)或幾個(gè)主要擾動(dòng)與被控參數(shù)完全無(wú)關(guān)或部分無(wú)關(guān)，從而提高系統(tǒng)控制精度的目的。 設(shè)計(jì)應(yīng)用前饋控制的必要條件，就是要能預(yù)見(jiàn)擾動(dòng)的產(chǎn)生并及時(shí)將它測(cè)量出來(lái)。,前饋控制的主要特點(diǎn),

11、前饋控制是一種開(kāi)環(huán)控制 前饋調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律是由對(duì)象特性決定的 前饋控制是一種按擾動(dòng)量大小進(jìn)行的控制 前饋控制只能克服那個(gè)可測(cè)而不可控的擾動(dòng)量,4.開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制,檢測(cè)信號(hào)的來(lái)源是否來(lái)自系統(tǒng)的輸出 來(lái)自輸出的檢測(cè)信號(hào)是否通過(guò)某種形式轉(zhuǎn)換后與輸入作比較（即能否稱之為反饋） 系統(tǒng)有沒(méi)有糾正環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)是人工的還是自動(dòng)的,開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制的劃分,檢測(cè)信號(hào)的來(lái)源是否來(lái)自系統(tǒng)的輸出,不可認(rèn)為有了傳感器這樣的檢測(cè)裝置就有了反饋，就是閉環(huán)。,例： 一個(gè)裝有聲音傳感器的簡(jiǎn)易機(jī)器人正在往前走，在“聽(tīng)”到人的拍掌聲后，改為后退。,分析： 傳感器檢測(cè)的信號(hào)并非來(lái)自簡(jiǎn)易機(jī)器人的某種形式的輸出，而是人給予的。 結(jié)論： 沒(méi)有反饋，傳感器信號(hào)只是作為輸入，屬于開(kāi)環(huán)控制,來(lái)自輸出的檢測(cè)信號(hào)是否以某種形式轉(zhuǎn)換與系統(tǒng)的輸入作比較,例： 抽水馬桶中的水箱的水位控制。,分析： 該案例中，似乎只有水位的檢測(cè)，而看不到與輸入的比較。 其實(shí)水箱的浮球的指定水位是預(yù)先調(diào)好的，所以浮球檢測(cè)到的水位相應(yīng)的浮球位置無(wú)形中與已調(diào)好水位的浮球位置在作比較，從而成為反饋，并通過(guò)進(jìn)水閥控制進(jìn)水。,結(jié)論： 檢測(cè)信號(hào)是反饋，系統(tǒng)是閉環(huán)的。,系統(tǒng)有沒(méi)有糾正環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)是人工的還是自動(dòng)的,閉環(huán)控制系統(tǒng)具有自動(dòng)糾正