信息工程概論課件 第十四講 信息執(zhí)行

第14講信息執(zhí)行14.1控制的基本概念一般來(lái)說(shuō)，自動(dòng)化技術(shù)是指使機(jī)器、設(shè)備、過(guò)程或系統(tǒng)無(wú)需人的控制而自動(dòng)操作、并使其表現(xiàn)出人們所期望的預(yù)定行為的技術(shù)。在我國(guó)東漢時(shí)期出現(xiàn)了記里鼓車(chē),每行駛一里路，木人自動(dòng)擊鼓一次，它是我國(guó)自動(dòng)化技術(shù)的先驅(qū)。在我國(guó)魏晉時(shí)期，馬鈞研制出用齒輪傳動(dòng)的自動(dòng)指示方向的指南車(chē)。東漢末年的記里鼓車(chē)公元235年馬鈞研制的指南車(chē)2信息科學(xué)導(dǎo)論14.1控制的基本概念到了近代自動(dòng)控制技術(shù)得到快速發(fā)展。1788年，蒸汽機(jī)的發(fā)明人瓦特發(fā)明了用于控制蒸汽機(jī)速度的離心式調(diào)速器。1868年,以離心式調(diào)速器為背景,物理學(xué)家麥克斯韋爾(Maxwell)研究了反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題,發(fā)表了控制理論最早成果的論文“論調(diào)速器(OnGovernors)”。隨后,源自物理學(xué)與數(shù)學(xué)的自動(dòng)控制理論開(kāi)始逐步形成。

1788年瓦特發(fā)明的控制蒸汽機(jī)速度的離心式調(diào)速器3信息科學(xué)導(dǎo)論14.1控制的基本概念自動(dòng)化技術(shù)的核心是控制，而控制是以預(yù)期目標(biāo)為引導(dǎo)，研究如何將對(duì)象所呈現(xiàn)的信息加工成為控制策略作用于對(duì)象，實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化行為。由此可見(jiàn)，控制將信息轉(zhuǎn)換成為控制行為。那么控制是如何將信息轉(zhuǎn)換為控制行為的呢？我們首先看看人是如何利用信息來(lái)控制其操縱的設(shè)備的。由圖可見(jiàn)，人調(diào)節(jié)水溫的關(guān)鍵因素是實(shí)際水溫信息能被反饋回來(lái)，并與期望水溫比較。如人不能感受實(shí)際水溫，則無(wú)法調(diào)節(jié)水溫。因此，反饋是人實(shí)施控制的關(guān)鍵因素。4信息科學(xué)導(dǎo)論14.1控制的基本概念再舉一個(gè)鷹捉兔子的例子。從控制角度看，鷹眼是測(cè)量機(jī)構(gòu)，鷹腦是控制機(jī)構(gòu)、鷹的翅膀是驅(qū)功機(jī)構(gòu)(執(zhí)行機(jī)構(gòu))，鷹的身體是被控對(duì)象，控制目標(biāo)是鷹與兔子的位置一致。鷹眼得到兔子的位置信息，鷹腦將這一位置信息與自己位置比較，獲得位置偏差，再根據(jù)這個(gè)偏差信號(hào)向鷹翅膀發(fā)出指令，控制自己的身體向兔子接近來(lái)減少位置偏差，經(jīng)過(guò)多次這樣的閉環(huán)調(diào)節(jié)過(guò)程，最終捉住兔子。5信息科學(xué)導(dǎo)論14.1控制的基本概念典型控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示，其基本組成如下：（1）被控對(duì)象（Plants）：是控制系統(tǒng)所控制和操縱的對(duì)象。（2）執(zhí)行機(jī)構(gòu)（Actuator）：根據(jù)控制器輸出信號(hào)的大小和方向?qū)Ρ豢貙?duì)象直接操作，使被控對(duì)象的狀態(tài)按要求發(fā)生變化。（3）傳感器（Sensor）：用來(lái)檢測(cè)被控對(duì)象的輸出，將被控量轉(zhuǎn)換為與輸入信號(hào)相同形式的信號(hào)，以便與輸入信號(hào)相比較。（4）控制器（Controller）：將傳感器獲得的反饋信號(hào)和輸入信號(hào)的偏差作為輸入信號(hào)，采用一定的控制規(guī)律對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行加工處理，來(lái)產(chǎn)生控制信號(hào)作為輸出。6信息科學(xué)導(dǎo)論14.1控制的基本概念仿模銑床根據(jù)給定模具來(lái)加工工件，使工件與模具形狀一致。觸指用來(lái)獲得控制（給定）信號(hào)。銑刀可獲得反饋信號(hào)，反饋信號(hào)反映工件實(shí)際加工情況?？刂颇康氖窍刂菩盘?hào)和反饋信號(hào)的偏差，使得工件與模型形狀完全一致。差動(dòng)輪來(lái)檢測(cè)控制信號(hào)和反饋信號(hào)的偏差，這一偏差信號(hào)被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)放大處理后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)控制刀架以消除偏差信號(hào)。7信息科學(xué)導(dǎo)論14.2由信息到行為的轉(zhuǎn)換機(jī)制控制的研究對(duì)象不是物質(zhì)、也不是能量、而是信息。自動(dòng)控制系統(tǒng)是一個(gè)使被控對(duì)象按照人的意志來(lái)自動(dòng)運(yùn)行的系統(tǒng)，它按照某種控制規(guī)律將被控對(duì)象呈現(xiàn)的信息轉(zhuǎn)換為施加于被控對(duì)象的控制行為。控制器將誤差信息轉(zhuǎn)換為控制行為的指令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)再根據(jù)這一指令產(chǎn)生控制行為作用于被控對(duì)象，使被控對(duì)象出現(xiàn)人們預(yù)期的行為。8信息科學(xué)導(dǎo)論14.3基本控制方法（1）比例－積分－微分控制（PID控制）控制系統(tǒng)中如果存在較大慣性元件或滯后元件，自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差調(diào)節(jié)過(guò)程中可能出現(xiàn)振蕩。一個(gè)很自然的考慮是：使控制作用的變化超前，即在誤差接近零時(shí)，控制作用就應(yīng)該為零。為了達(dá)到這個(gè)目的，控制器僅僅將誤差進(jìn)行簡(jiǎn)單的“比例”放大是不夠的，還應(yīng)加入能夠預(yù)測(cè)誤差變化趨勢(shì)的“微分”作用。9信息科學(xué)導(dǎo)論14.3基本控制方法（1）比例－積分－微分控制（PID控制）自動(dòng)控制系統(tǒng)面臨的另一個(gè)問(wèn)題是：被控量（系統(tǒng)輸出）能否較精確地穩(wěn)定在所要求的給定值？如果不能，這個(gè)控制系統(tǒng)就稱(chēng)為有穩(wěn)態(tài)誤差或簡(jiǎn)稱(chēng)有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中要引入“積分”項(xiàng)，它對(duì)誤差取關(guān)于時(shí)間的積分。由于PID控制器的控制效果好，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，調(diào)整方便，在工業(yè)過(guò)程控制中應(yīng)用非常廣泛。在實(shí)際生產(chǎn)中，往往采用電阻、電容和電子放大器組成比例－積分－微分電路，實(shí)現(xiàn)PID控制器功能。10信息科學(xué)導(dǎo)論14.3基本控制方法（2）最優(yōu)控制對(duì)于非常復(fù)雜的被控對(duì)象，例如電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)控制，航天飛行器的控制等，這類(lèi)控制系統(tǒng)對(duì)性能指標(biāo)要求較高，PID控制器就很難達(dá)到技術(shù)要求。電機(jī)拖動(dòng)控制希望大型電機(jī)的啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)或制動(dòng)所需時(shí)間越短越好；對(duì)于航天飛行器則希望飛行所消耗的燃料越少越好。這類(lèi)控制系統(tǒng)都有一定的技術(shù)指標(biāo)，但與PID控制不同的是：控制器要使某個(gè)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到極值（極大或極小），這樣的控制稱(chēng)為最優(yōu)控制。最優(yōu)控制研究的中心問(wèn)題是：在給定限定條件和性能指標(biāo)下（評(píng)價(jià)函數(shù)或目標(biāo)函數(shù)），去尋求適當(dāng)?shù)目刂埔?guī)律，使得系統(tǒng)性能或品質(zhì)的某個(gè)“指標(biāo)”在一定意義下達(dá)到最優(yōu)值。11信息科學(xué)導(dǎo)論14.3基本控制方法（3）自適應(yīng)控制在工程實(shí)際中，由于受到無(wú)法測(cè)量的外來(lái)擾動(dòng)的影響，很難獲得被控對(duì)象的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型，因此常常采用被控對(duì)象的近似模型。當(dāng)實(shí)際被控對(duì)象面臨較大擾動(dòng)時(shí)，這樣設(shè)計(jì)的控制器的控制效果將變差，甚至不穩(wěn)定。自適應(yīng)控制可以根據(jù)實(shí)際被控對(duì)象的變化，自動(dòng)調(diào)整控制器，以使得控制系統(tǒng)的性能維持在最優(yōu)狀態(tài)。其基本思想是：實(shí)時(shí)、在線地獲得被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型變化，再根據(jù)模型變化來(lái)改變控制器的參數(shù)，達(dá)到保持控制系統(tǒng)性能的目的。目前成熟的自適應(yīng)控制方法主要有兩種：（1）模型參考自適應(yīng)控制：由參考模型、被控對(duì)象、反饋控制器和調(diào)整控制器參數(shù)的自適應(yīng)機(jī)構(gòu)等部分組成。（2）自校正控制：由被控對(duì)象、參數(shù)估計(jì)器、控制器和控制器設(shè)計(jì)計(jì)算等部分組成。參數(shù)估計(jì)和控制器設(shè)計(jì)必須在線、實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。12信息科學(xué)導(dǎo)論14.3基本控制方法（3）自適應(yīng)控制自校正控制的原理如圖所示。參數(shù)估計(jì)器實(shí)時(shí)、在線估計(jì)被控對(duì)象參數(shù)變化，然后根據(jù)被控對(duì)象參數(shù)來(lái)進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)、調(diào)整控制器參數(shù)。這樣，當(dāng)被控對(duì)象參數(shù)變化時(shí)，控制系統(tǒng)能夠檢測(cè)這一變化并據(jù)此調(diào)節(jié)控制器，以保持控制系統(tǒng)的性能品質(zhì)。13信息科學(xué)導(dǎo)論14.3基本控制方法（4）智能控制最優(yōu)控制器和自適應(yīng)控制器都是基于被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型來(lái)設(shè)計(jì)的。實(shí)際被控對(duì)象往往很復(fù)雜，并且存在外界不確定擾動(dòng)，這樣的被控對(duì)象難以建立數(shù)學(xué)模型，很難用常規(guī)控制器的設(shè)計(jì)，并且控制效果也不一定理想。然而，對(duì)于某些復(fù)雜被控對(duì)象，例如，將汽車(chē)停在指定的車(chē)位，人卻可以輕而易舉的做到，而要設(shè)計(jì)這樣的自動(dòng)控制系統(tǒng)則非常復(fù)雜。人在控制過(guò)程中，無(wú)需建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，而是憑著經(jīng)驗(yàn)對(duì)復(fù)雜被控對(duì)象進(jìn)行控制，控制效果卻很好。智能控制就是借助人工智能方法來(lái)模擬人的控制方式進(jìn)行控制的。根據(jù)所采用的人工智能方法，智能控制可分為模糊控制、神經(jīng)控制、專(zhuān)家系統(tǒng)控制等等。14信息科學(xué)導(dǎo)論14.3基本控制方法（4）智能控制模糊控制70年代中期以E.H.Mamdani為代表的一批學(xué)者提出了模糊控制的概念，標(biāo)致著模糊控制的正式誕生。模糊控制的基本思想是把人類(lèi)對(duì)特定對(duì)象或過(guò)程的控制策略總結(jié)成一系列“IF(如果)，THEN(那么)”形式的控制規(guī)則，通過(guò)模糊推理得到控制策略，作用于被控對(duì)象。如，當(dāng)人感受到水溫時(shí)，人利用頭腦中的知識(shí)和當(dāng)前水溫進(jìn)行推理判斷，產(chǎn)生控制策略來(lái)調(diào)節(jié)閥門(mén)方向和開(kāi)度。模糊控制器利用模糊規(guī)則產(chǎn)生決策行為的情況與此類(lèi)似。對(duì)于給定溫度偏差的實(shí)際值，首先將其模糊化，轉(zhuǎn)換為溫度偏差的模糊值；然后，利用這一模糊值和模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理，產(chǎn)生一個(gè)閥門(mén)開(kāi)度的模糊值；最后，將閥門(mén)開(kāi)度的模糊值進(jìn)行清晰化處理，獲得閥門(mén)開(kāi)度的實(shí)際值作為控制決策。15信息科學(xué)導(dǎo)論