實(shí)時(shí)反饋控制

實(shí)時(shí)反饋控制將系統(tǒng)的輸出信息返送到輸入端、與輸入信息進(jìn)行比較、并利用二者的偏差進(jìn)行控制的過程01基本概念反饋控制實(shí)時(shí)控制目錄030204基本信息反饋控制是指將系統(tǒng)的輸出信息返送到輸入端，與輸入信息進(jìn)行比較，并利用二者的偏差進(jìn)行控制的過程。實(shí)時(shí)控制利用數(shù)字電子計(jì)算機(jī)對(duì)事物連續(xù)變化過程的狀態(tài)及時(shí)收集，并按預(yù)先規(guī)定的程序選擇最佳方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)事物變化過程的自動(dòng)控制。實(shí)時(shí)控制的范圍很廣，可以利用它精確控制導(dǎo)彈、衛(wèi)星、火箭的發(fā)射過程和飛行過程;實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化或裝備數(shù)控機(jī)床;實(shí)現(xiàn)對(duì)各種生產(chǎn)過程的最優(yōu)控制和鐵路運(yùn)輸?shù)恼{(diào)度和編組。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)時(shí)控制的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，控制精度也將不斷提高。實(shí)時(shí)反饋控制是指利用數(shù)字電子計(jì)算機(jī)對(duì)事物連續(xù)變化過程的狀態(tài)及時(shí)收集，并且將其作為系統(tǒng)的輸入信息，然后將系統(tǒng)的輸出信息返送到輸入端，與輸入信息進(jìn)行比較，并利用二者的偏差進(jìn)行控制的過程?；靖拍罨靖拍罘答伩刂剖侵笇⑾到y(tǒng)的輸出信息返送到輸入端，與輸入信息進(jìn)行比較，并利用二者的偏差進(jìn)行控制的過程。實(shí)時(shí)控制利用數(shù)字電子計(jì)算機(jī)對(duì)事物連續(xù)變化過程的狀態(tài)及時(shí)收集，并按預(yù)先規(guī)定的程序選擇最佳方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)事物變化過程的自動(dòng)控制。實(shí)時(shí)控制的范圍很廣，可以利用它精確控制導(dǎo)彈、衛(wèi)星、火箭的發(fā)射過程和飛行過程;實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化或裝備數(shù)控機(jī)床;實(shí)現(xiàn)對(duì)各種生產(chǎn)過程的最優(yōu)控制和鐵路運(yùn)輸?shù)恼{(diào)度和編組。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)時(shí)控制的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，控制精度也將不斷提高。實(shí)時(shí)反饋控制是指利用數(shù)字電子計(jì)算機(jī)對(duì)事物連續(xù)變化過程的狀態(tài)及時(shí)收集，并且將其作為系統(tǒng)的輸入信息，然后將系統(tǒng)的輸出信息返送到輸入端，與輸入信息進(jìn)行比較，并利用二者的偏差進(jìn)行控制的過程。實(shí)時(shí)控制模型基本概念實(shí)時(shí)控制基本概念近年來，隨著計(jì)算機(jī)、通信等科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展與應(yīng)用，絡(luò)化、嵌入式計(jì)算在控制系統(tǒng)工程中的重要性日益顯著。迄今為止，絡(luò)化嵌入式設(shè)備在應(yīng)用數(shù)量上己經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了各種通用計(jì)算機(jī)，其應(yīng)用領(lǐng)域遍及航空航天、儀器儀表、過程控制、通訊、軍事裝備以及消費(fèi)電子等。在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，任務(wù)的正確性不僅依賴于結(jié)果在邏輯與數(shù)值上的正確性，而且還與結(jié)果的產(chǎn)生時(shí)間緊密相關(guān)。顯然，控制系統(tǒng)組成了一類極為重要的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。由于實(shí)際應(yīng)用中幾乎所有的控制系統(tǒng)都是采用數(shù)字技術(shù)并基于一定的計(jì)算、通信平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)的，因此實(shí)時(shí)性對(duì)于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)起著至關(guān)重要的作用。以實(shí)時(shí)系統(tǒng)的觀點(diǎn)，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性在很大程度上取決于資源的可獲取性，即系統(tǒng)能否在特定的時(shí)間內(nèi)成功獲得足夠的資源來完成任務(wù)的執(zhí)行。在現(xiàn)代實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)(Real-TimeControlSystems,RTCS)中，典型的資源包括控制器處理能力(CPU速率)、能量和通信絡(luò)帶寬等。與通用系統(tǒng)如桌面計(jì)算機(jī)不同的是，RTCS中絕大部分的絡(luò)化嵌入式平臺(tái)都是資源受限的。其原因往往是多方面的。從技術(shù)角度看，由于實(shí)際應(yīng)用需求等原因，嵌入式設(shè)備往往受到體積、重量等物理因素的限制，因而不可避免地導(dǎo)致了系統(tǒng)在CPU速率方面的局限性。為了提供確定性的實(shí)時(shí)通信，控制絡(luò)通常只能提供遠(yuǎn)小于以太(Ethernet)等非實(shí)時(shí)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率。而對(duì)于越來越多的采用電池供電的嵌入式設(shè)備來說，能量則成了一個(gè)自然的約束，特別是在電池技術(shù)的發(fā)展還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有跟上能耗增長腳步的今天。從經(jīng)濟(jì)方面考慮，為了盡可能降低開發(fā)成本，在大多數(shù)情況下實(shí)際系統(tǒng)并不會(huì)選用速率最高的CPU或帶寬最大的通信絡(luò)，因?yàn)檫@些往往意味著過高的經(jīng)濟(jì)代價(jià)。模型實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的規(guī)模無論大小，都包括如圖1所示的基本組成部分:1.輸入/輸出模塊，提供輸入/輸出通道。輸入通道通過傳感器與被控設(shè)備接口取得設(shè)備的狀態(tài)信息，如溫度、壓力、流量、磁場(chǎng)強(qiáng)度等以及各種開/關(guān)狀態(tài)。輸出通道通過動(dòng)作器與被控設(shè)備接口向設(shè)備傳送控制指令或設(shè)定各種控制量。2.以微處理器為核心的處理器。圖1一般來說，系統(tǒng)各單元的工作模式既可以是時(shí)間驅(qū)動(dòng)，也可以是事件驅(qū)動(dòng)的。時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)是指絡(luò)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)事先確定的時(shí)間到達(dá)時(shí)開始它的動(dòng)作，事先確定的時(shí)間到為絡(luò)節(jié)點(diǎn)動(dòng)作的依據(jù)，本文所說的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)中的時(shí)鐘是指節(jié)點(diǎn)的采樣時(shí)刻。事件驅(qū)動(dòng)是指絡(luò)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)特定的事件發(fā)生時(shí)便開始它的動(dòng)作，本文所說的事件驅(qū)動(dòng)中的事件是指絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過數(shù)據(jù)絡(luò)從另外一個(gè)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)。事件驅(qū)動(dòng)相比于時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)具有以下優(yōu)點(diǎn):當(dāng)控制器和執(zhí)行器為事件驅(qū)動(dòng)時(shí)，從源節(jié)點(diǎn)(這里指?jìng)鞲衅骰蚩刂破?發(fā)送的數(shù)據(jù)一到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)(這里指控制器或執(zhí)行器)便馬上動(dòng)作，避免了控制器或執(zhí)行器為時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)時(shí)的數(shù)據(jù)等待被采樣的時(shí)間，客觀上減少了絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延;當(dāng)控制器或執(zhí)行器為事件驅(qū)動(dòng)時(shí)，避免了控制器或執(zhí)行器為時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)時(shí)的與傳感器時(shí)鐘同步的困難;也避免了控制器或執(zhí)行器為時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)時(shí)容易持續(xù)的無效采樣和數(shù)據(jù)丟失，提高了反饋數(shù)據(jù)的利用率。反饋控制基本概念研究背景模型反饋控制基本概念反饋控制是指將系統(tǒng)的輸出信息返送到輸入端，與輸入信息進(jìn)行比較，并利用二者的偏差進(jìn)行控制的過程。反饋控制其實(shí)是用過去的情況來指導(dǎo)現(xiàn)在和將來。在控制系統(tǒng)中，如果返回的信息的作用是抵消輸入信息，稱為負(fù)反饋，負(fù)反饋可以使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定；若其作用是增強(qiáng)輸入信息，則稱為正反饋，正反饋可以使信號(hào)得到加強(qiáng)。在自動(dòng)控制理論中，“反饋控制”是信號(hào)沿前向通道（或稱前向通路）和反饋通道進(jìn)行閉路傳遞，從而形成一個(gè)閉合回路的控制方法。反饋信號(hào)分“正反饋”和“負(fù)反饋”兩種。為了和給定信號(hào)比較，必須把反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換成與給定信號(hào)具有相同量剛和相同量級(jí)的信號(hào)?？刂破鞲鶕?jù)反饋信號(hào)和給定信號(hào)相比較后得到的偏差信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算后輸出控制作用去消除偏差，使被控量（系統(tǒng)的輸出）等于給定值。閉環(huán)控制系統(tǒng)都是負(fù)反饋控制系統(tǒng)。反饋控制具有許多優(yōu)點(diǎn)。首先它為管理者提供了關(guān)于計(jì)劃執(zhí)行的效果的真實(shí)信息。此外，反饋控制可以增強(qiáng)員工的積極性。反饋控制的主要缺點(diǎn)是時(shí)滯問題，即從發(fā)現(xiàn)偏差到采取更正措施之間可能有時(shí)間延遲現(xiàn)象，在進(jìn)行更正的時(shí)候，實(shí)際情況可能已經(jīng)有了很大的變化，而且往往是損失已經(jīng)造成了。系統(tǒng)本身的工作效果，反過來又作為信息指導(dǎo)該系統(tǒng)的工作，叫做反饋調(diào)節(jié)。模型對(duì)于一個(gè)實(shí)時(shí)的控制系統(tǒng)來說，可以根據(jù)控制方式和作用的效果分成以下幾種：(1)開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制指一個(gè)控制系統(tǒng)作用于控制對(duì)象后，輸出不再影響系統(tǒng)。開環(huán)控制的控制結(jié)果不再對(duì)原系統(tǒng)的輸入產(chǎn)生作用。開環(huán)控制一般使用靜態(tài)的模型，以離散狀態(tài)來描述描述連續(xù)的物理變化，非常不精確。交通信號(hào)控制中的TRANSYT系統(tǒng)和SCATS系統(tǒng)都是典型的開環(huán)控制系統(tǒng)。他們?cè)噲D用簡(jiǎn)單的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型來描述交通流的變化，而沒有意識(shí)到城市交通流的變化是一個(gè)復(fù)雜的不可預(yù)知的隨機(jī)過程，使用開環(huán)控制的方法不能夠適應(yīng)交通流的隨機(jī)變化，控制效果自然會(huì)受到影響。(2)被動(dòng)響應(yīng)式控制響應(yīng)式控制指動(dòng)態(tài)獲得控制對(duì)象狀態(tài)，然后做出反應(yīng)，進(jìn)行控制，改變控制對(duì)象的狀態(tài)，如此循環(huán)。響應(yīng)式控制每次獲得對(duì)象當(dāng)前狀態(tài)后再進(jìn)行控制，具有滯后性，不能夠及時(shí)處理交通流的隨機(jī)變化。交通信號(hào)控制中的SCOOT系統(tǒng)采用的就是響應(yīng)式控制，通過檢測(cè)器數(shù)據(jù)對(duì)當(dāng)前交通流狀況進(jìn)行優(yōu)化，然后以小增量的方式作用于交通流。這種被動(dòng)控制的方式使信號(hào)控制始終落后于交通流的變化，會(huì)造成控制效果的下降。研究背景非線性系統(tǒng)的閉環(huán)反饋控制在實(shí)際工程應(yīng)用中有著重要作用，例如，可應(yīng)用于混沌Genesio系統(tǒng)的控制與同步，永磁式步進(jìn)電機(jī)的控制，繩系衛(wèi)星系統(tǒng)的釋放與回收控制等等。與開環(huán)控制相比，閉環(huán)控制采用當(dāng)前時(shí)刻的真實(shí)狀態(tài)求解當(dāng)前時(shí)刻的控制輸入，可以有效地減小外部干擾對(duì)控制效果的影響。通過閉環(huán)反饋控制，可以使非線性系統(tǒng)更有效地達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)于某些具有內(nèi)在不穩(wěn)定性的強(qiáng)非線性系統(tǒng)，例如繩系衛(wèi)星系統(tǒng)的釋放與回收控制問題，閉環(huán)反饋控制相比開環(huán)控制有著不可替代的優(yōu)勢(shì)。滾動(dòng)時(shí)域控制(RecedingHorizonControl,RHC)作為一種有效的模型預(yù)測(cè)控制方法能夠起到閉環(huán)反饋控制的效果，且滾動(dòng)時(shí)域控制能夠?yàn)榫€性與非線性系統(tǒng)的反饋控制提供一種相對(duì)簡(jiǎn)單的方法，將其應(yīng)用于線性時(shí)不變系統(tǒng)、線性時(shí)變系統(tǒng)以及非線性系統(tǒng)時(shí)，最終都能得到一個(gè)穩(wěn)定的閉環(huán)系統(tǒng)。基于對(duì)偶變量變分原理與生成函數(shù)提出了一種求解線性系統(tǒng)滾動(dòng)時(shí)域控制問題的保辛解法，此方法滿足最優(yōu)控制解的最優(yōu)性一階必要條件，這種保辛算法最終將線性滾動(dòng)時(shí)域控制問題轉(zhuǎn)化成一組稀疏對(duì)稱非負(fù)定的線性方程組進(jìn)行求解，避免了對(duì)Riccati微分方程的大量數(shù)值積分運(yùn)算，從而提高了線性系統(tǒng)滾動(dòng)時(shí)域控制問題的數(shù)值求解效率。從數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)上講，非線性最優(yōu)控制系統(tǒng)可以采用Hamilton正則方程描述，而Hamilton系統(tǒng)的相流應(yīng)當(dāng)保持其本身固有的辛幾何結(jié)構(gòu)。在求解過程中保持了原有系統(tǒng)的辛幾何結(jié)構(gòu)，因此是一種保辛算法。將保辛方法從線性系統(tǒng)的閉環(huán)反饋控制推廣到非線性系統(tǒng)的閉環(huán)反饋控制。圖3FIB-CVD實(shí)時(shí)反饋控制的系統(tǒng)示意圖。通過使用測(cè)量精度達(dá)0.01pA的超精密電流計(jì)測(cè)器(美國Keithley公司制，型號(hào)6514