控制系統(tǒng)的難點問題

控制系統(tǒng)的難點問題第1頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一主要內(nèi)容系統(tǒng)分析方法系統(tǒng)優(yōu)化方法正負反饋與前饋控制開環(huán)控制與閉環(huán)控制第2頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一1.系統(tǒng)分析方法第3頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一系統(tǒng)分析的方法2.13.1Lg2.1*3.1第4頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一技術(shù)設(shè)計系統(tǒng)過程分析IDEF0模型第5頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一IDEF0方法 IDEF0利用所規(guī)定的圖形符號和自然語言，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)中的功能活動及其相互關(guān)系。第6頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一IDEF0自頂向下、逐層分解的模型結(jié)構(gòu)第7頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一IDEF0的基本符號說明第8頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一IDEF0方法的特點圖形描述具有準(zhǔn)確性和精確性的優(yōu)點，并能充分表達各活動之間的接口關(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)化方法來建立系統(tǒng)功能模型，使其主要功能在頂層說明，然后逐層分解到有明確含義和范圍的細節(jié)明確“做什么”和“如何做”的差別，便于清晰地理解系統(tǒng)及其細節(jié)通過人員分工、復(fù)查、審閱、文檔管理等程序來控制所建模型的完整性與準(zhǔn)確性。第9頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一第10頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一第11頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一第12頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一IDEF0的基本符號說明第13頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一IDEF0的基本符號說明第14頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一IDEF0的基本符號說明第15頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一IDEF0的基本符號說明第16頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一系統(tǒng)建模原則分離性因果性層次性時空性第17頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一IDEF0圖基本建模步驟第18頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一制造系統(tǒng)建模模型是實際系統(tǒng)理想化的抽象或簡化表示，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)建模就是運用適當(dāng)?shù)慕７椒▽⒅圃煜到y(tǒng)抽象地表達出來，通過研究系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特性，對制造系統(tǒng)進行分析、綜合及優(yōu)化。制造系統(tǒng)建模系統(tǒng)的目的在于：更好尋理解和表達系統(tǒng)，以支持對系統(tǒng)的分析和綜合支持新系統(tǒng)的設(shè)計或支持現(xiàn)有系統(tǒng)的分析和綜合支持對系統(tǒng)運行的監(jiān)測和控制第19頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一制造系統(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)計實施模型、系統(tǒng)運行管理模型等從對象方面看，制造系統(tǒng)中需要用模型加以描述的對象包括：

產(chǎn)品、資源、信息、組織和決策、企業(yè)過程第20頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一廣義模型的概念 廣義模型是一種由知識模型、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、主動性和適用性問題，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。第21頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一建模基本方法“演繹—歸納”建模法“分解—聯(lián)合”建模法“人機結(jié)合”建模法第22頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一建?；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，研究對廣義模型的需求模型對象：控制者、被控對象模型粒度：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)、動態(tài)模型格式：知識、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)計廣義模型建模方法配置廣義模型技術(shù)支持廣義模型建造調(diào)試廣義模型運行維護廣義模型評價鑒定第23頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一IDEF0與IDEF1X建模方法IDEF0：用于描述系統(tǒng)的功能活動及其聯(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：用于進行系統(tǒng)模擬，建立系統(tǒng)的動態(tài)模型。IDEF3：用于并行工程中的描述和表示（ProcessDescriptionCaptureforConcurrentEngineering）。IDEF4：一種面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法（Object-orientedDesignMethod）。IDEF5：一種基于知識的系統(tǒng)設(shè)計方法（OntologyCaptureMethod）。第24頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2.系統(tǒng)優(yōu)化方法第25頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一系統(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)，通過一定的手段和方法，使系統(tǒng)的目標(biāo)值達到最大化（或最小化的方案。第26頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一優(yōu)化設(shè)計優(yōu)化設(shè)計是研究如何采用各種優(yōu)化方法，在設(shè)計過程中優(yōu)化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、性能，使設(shè)計出的產(chǎn)品具有更好的內(nèi)在和外在品質(zhì)。優(yōu)化設(shè)計實質(zhì)上是將產(chǎn)品作為一個系統(tǒng)進行分析和決策的過程，是一種重要的系統(tǒng)工程方法。第27頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一系統(tǒng)優(yōu)化的基本方法1.數(shù)學(xué)規(guī)劃方法：運用數(shù)學(xué)模型求解，這類似于中學(xué)數(shù)學(xué)中的求極值。建立一個能正確反映設(shè)計問題的數(shù)學(xué)模型，包括選擇設(shè)計變量、優(yōu)化目標(biāo)、變量和目標(biāo)的函數(shù)關(guān)系以及進行優(yōu)化的約束條件。選取合理的優(yōu)化算法。要考慮：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。對數(shù)學(xué)模型求解，得到最優(yōu)的設(shè)計變量。2.面向工程優(yōu)化方法：通過估計與試驗得到最優(yōu)或者滿意的結(jié)果。3.人工智能方法4.廣義優(yōu)化方法第28頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一線性規(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)值達到最大（最?。┗?。例：《技術(shù)與設(shè)計2》P81利潤問題《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)系第29頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一《技術(shù)與設(shè)計2》P81利潤問題約束條件其實等效為圖中的陰影區(qū)域。Smax=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)。第30頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一優(yōu)化方法的選擇應(yīng)是最簡原則例：在如下圖的CD段，求一點E使AE,EB長度之和為最短其中Z為已知常數(shù)，AB長也為已知量約束條件:第31頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一不同的優(yōu)化目標(biāo)對應(yīng)著不同的系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果

例如：自行車行駛一段路程，如果以自行車克服阻力所做功最少為優(yōu)化目標(biāo)，則自行車的變速與系統(tǒng)是否最優(yōu)無關(guān)。而以人的疲勞最少為優(yōu)化目標(biāo)，則自行車的變速與系統(tǒng)最優(yōu)有關(guān)，此時的系統(tǒng)包含了人。

第32頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一系統(tǒng)優(yōu)化分析：遇到上坡或頂風(fēng)時，采用大的減速比，則腳蹬踏省力，即便轉(zhuǎn)的圈多了點，也不會輕易疲勞。因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)，而不僅僅與自行車克服阻力作的功有關(guān)。第33頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一3.反饋與前饋控制第34頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一及時得到系統(tǒng)輸出的信息，對后續(xù)的控制起到糾正調(diào)整的作用。例：1)軍隊的指揮2)企業(yè)的管理3)電話通話4)汽車駕駛正反饋與負反饋的概念與作用

1)正反饋是指從輸出檢測的信息經(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)。反饋的作用第35頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一

正反饋主要對小的變化進行放大。

比如：話筒放在揚聲器前，會很快形成正反饋，在即便不發(fā)聲的情況下，也會因環(huán)境中的細小聲音，得以不斷放大，直至聲音失真。

第36頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一2)負反饋則是后輸出信息與原輸出信息起著相反的作用，即相抵消，使總輸出減小的反饋調(diào)節(jié)。

負反饋主要對輸出的偏差進行糾正，以達到指定的穩(wěn)定性能與輸出指標(biāo)負反饋比正反饋更為常見，也更重要，已成為控制系統(tǒng)中的基本環(huán)節(jié)。在任意的自動控制系統(tǒng)中，可以沒有正反饋，但不能沒有負反饋。第37頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一前饋控制系統(tǒng)第38頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一前饋控制系統(tǒng)根據(jù)產(chǎn)生被控參數(shù)變化的原因（擾動）進行控制的系統(tǒng)，稱為前饋控制系統(tǒng)。前饋控制，實質(zhì)上是一種按擾動進行調(diào)節(jié)的開環(huán)控制方式，它通過前饋調(diào)節(jié)器補償擾動對被控量的影響，使作用在系統(tǒng)的一個或幾個主要擾動與被控參數(shù)完全無關(guān)或部分無關(guān)，從而提高系統(tǒng)控制精度的目的。設(shè)計應(yīng)用前饋控制的必要條件，就是要能預(yù)見擾動的產(chǎn)生并及時將它測量出來。第39頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一前饋控制的主要特點前饋控制是一種開環(huán)控制前饋調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律是由對象特性決定的前饋控制是一種按擾動量大小進行的控制前饋控制只能克服那個可測而不可控的擾動量第40頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一4.開環(huán)控制與閉環(huán)控制第41頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一檢測信號的來源是否來自系統(tǒng)的輸出來自輸出的檢測信號是否通過某種形式轉(zhuǎn)換后與輸入作比較（即能否稱之為反饋）系統(tǒng)有沒有糾正環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)是人工的還是自動的開環(huán)控制與閉環(huán)控制的劃分第42頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一檢測信號的來源是否來自系統(tǒng)的輸出不可認(rèn)為有了傳感器這樣的檢測裝置就有了反饋，就是閉環(huán)。例：一個裝有聲音傳感器的簡易機器人正在往前走，在“聽”到人的拍掌聲后，改為后退。第43頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一分析：傳感器檢測的信號并非來自簡易機器人的某種形式的輸出，而是人給予的。結(jié)論：沒有反饋，傳感器信號只是作為輸入，屬于開環(huán)控制第44頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一來自輸出的檢測信號是否以某種形式轉(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。第45頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一分析：該案例中，似乎只有水位的檢測，而看不到與輸入的比較。其實水箱的浮球的指定水位是預(yù)先調(diào)好的，所以浮球檢測到的水位相應(yīng)的浮球位置無形中與已調(diào)好水位的浮球位置在作比較，從而成為反饋，并通過進水閥控制進水。結(jié)論：檢測信號是反饋，系統(tǒng)是閉環(huán)的。第46頁，共48頁，2023年，2月20日，星期一系統(tǒng)有沒有糾正環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)是人工的