控制系统与控制方法.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一单元 控制系统与控制方法,一、控制系统,什么是控制系统？,需要实现某种“目标”的例子：,在家里，为了舒适地生活，需要控制室内的温度和湿度。,在交通领域，需要控制汽车精确而又安全地从一个地方到达另一个地方。,在工业上，制造过程中大量的生产产品需要满足产品质量和成本效益的要求。,再比如一个人，可以完成许多种类的目标，包括作决定。其中有些目标,比如捡起地上的物品后再从一个地方走到另一个地方,它的完成方式是以一种程序化的方式来完成的。,但有些目标在人们要完成它时，不仅要考虑如何完成，还要考虑如何更好地完成,比如：百米运动员在一百米短跑中和马位松选手在他的比赛中，他,考虑的是：,在尽可能短的时间内跑完这段距离。,在整个比赛过程中控制好能量的消耗并设计最佳的比赛策略,综上所述：,所谓的,控制系统就是为完成某种“目标”而采用的一整套的完成方法和步骤。,而这些方法和步骤通常又包含能够更好实现这些“目标”的最佳策略。,在工业领域，自动控制系统常常是指那些在没有人直接参与的情况下，利用控制装置，对生产过程、工艺参数、目标要求等进行自动的调节与控制，使之按照预定的方案达到要求的指标的设备。,二、自动控制系统的重要性,近年来控制系统在现代文明和技术发展与进步上扮演了越来越重要的角色。我们日常活动的每一个方面几乎都受到了某种控制系统的影响。控制系统已经大量地应用到了工业的所有部门。,如产品质量、自动装配线、机床控制、空间技术与武器系统、计算机控制、交通运输、动力系统、机器人、微机系统、纳米技术等。,这是由,数控机床群,构成的,生产线,由自动控制保证产品的加工精度。其主轴为恒值控制,(,恒速,),，刀架为随动系统,(,精确定位,),。,堆物,喷涂机器人,食品加工的在线调节和流量控制（如生产调和油）,化工厂中的温度、压力、流量的控制,发电厂的生产控制：木屑发电原理,三、开环控制与闭环控制,开环控制系统,(Open,loop Control System),若系统的输出量不被引回来对系统的控制部分产生影响，则这样的系统称为开环控制系统。,闭环控制系统,(Closed,loop Control System),若系统输出量通过反馈环节返回来作用于控制部分，形成闭合环路，则这样的系统称为闭环控制系统，又称为反馈控制系统,(Feedback Control System),。,开环控制的优点：,由于开环系统无反馈环节,一般结构简单,系统稳定性好，成本也低，这是开环系统的优点。因此，在输出量和输入量之间的关系固定，且内部参数或外部负载等扰动因素不大，或这些扰动因素产生的误差可以预计确定并能进行补偿,则应尽量采用开环控制系统。,开环控制的缺点：,是当控制过程受到各种扰动因素影响时，将会直接影响输出量，而系统不能自动进行补偿。特别是当无法预计的扰动因素使输出量产生的偏差超过允许的限度时，开环控制系统便无法满足技术要求，这时就应考虑采用闭环控制系统。,1,、开环系统的特点,2,、开环控制举例,由步进电机驱动的数控加工机床,此系统的输入量为加工程序指令，输出量为机床工作台,的位移，系统的控制对象为工作台，执行机构为步进电,动机和传动机构。由图可见，系统无反馈环节，输出量,并不返回来影响控制部分，因此是开环控制。,数控加工机床开环控制框图,数控加工机床示意图,反馈控制可以自动进行补偿，这是闭环控制的一个突出的优点。,闭环控制要增加检测、反馈比较，调节器等部件,会使系统复杂、成本提高。而且闭环控制会带来副作用，使系统的稳定性变差，甚至造成不稳定。这是采用闭环控制时必须重视并要加以解决的问题。,3,、闭环系统的特点,4,、闭环控制举例,电炉箱恒温自动控制系统,电炉箱自动控制框图,电炉箱恒温自动控制系统,框图可以把系统的组成简单明了地表达出来,炉温自动调节过程,电炉箱自动控制框图,应用案例,1,：仿型铣床的控制,控制功能框图：,X,轴,(Y,轴与,X,轴相同,),加工指令（输入）,控制器,放大器,X,轴电动机,滑板,跟踪头,X,方向位移（输出）,开环控制系统,控制器、执行器、被控对象,加工指令（输入）,X,方向位移（输出）,被控对象：滑板（不是被加工的零件）,执行器：放大器、电动机,控制器：计算机系统,控制装置,被控对象,控制器,放大器,X,轴电动机,跟踪头,滑板,应用案例,2,：太阳能高效抽水机系统,太阳传感器,太阳移动速度,电动机,减速器,泵,+,+,电动机,电流,泵,地下水,蓄水池,灌溉,太阳能收集器,机械转距,目标：利用太阳能,结果：抽水,中间环节：实现手段,抽水过程只与太阳能转换来的电流大小有关，它不能反应水池的蓄水情况。因此，这个控制系统存在着水资源的浪费问题。,如何解决这个问题？,太阳传感器,太阳移动速度,电动机,减速器,泵,+,+,-,水位传感器,水池,电动机,电流,泵,地下水,蓄水池,太阳能收集器,水位传感器,灌溉,将输出端的信号返回输入端,应用案例,3,：某大门的自动控制,给定电位计,放大器,电动机,绞盘,大门,反馈电位计,开门或关门的指令,大门的位移,控制装置,被控对象,环境摩擦力,负反馈调节（控制举例）：,鹰击长空，不但能准确地扑到固定目标，甚至连飞速躲避的兔子、老鼠也不能逃脱。,负反馈调节,鹰的眼睛在盯住兔子的同时，也注意到了自己的位置，并把两者作一个比较，经过比较后的信号代表鹰的位置与兔子位置的差距，鹰的大脑根据这个差距指挥翅膀改变自己的位置，使鹰向着差距减小的方向运动，这个控制过程连续不断进行直到差距为零，捉到兔子。在这里，最关键的一点是鹰的大脑作出的决定始终使鹰的位置向,减小差距的方向,改变。控制论中把这类控制过程称为,负反馈调节,。,负反馈调节的本质在于设计了一个,目标差不断减少的过程。,目标差：目标的位置与实际位置的差距。,调节与控制的区别在于控制的过程存在一个目标差不断减少的过程，称为调节。,负反馈的控制过程有两个要素：,系统一旦出现目标差，便自动出现某种减少目标差的反应。,减少目标差的调节要一次一次地发挥作用，使得对目标的逼迫能积累起来。,主 反 馈,与输出成正比或某种函数关系，但量纲与给定信号相同；,偏 差,给定信号与主反馈信号之差的信号；,控制单元,接受偏差信号，通过转换与运算，产生期望的控制量；,扰 动,对系统输出产生不利影响的信号；,反馈环节,检测输出信号并转换与给定输入信号相同量纲的信号。,6,、闭环控制系统的组成,传统控制技术：,PID,控制,智能控制技术：,90,年代开始发展,专家系统,模糊控制,神经网络,正在发展的各个领域,自适应控制,大系统理论,鲁棒控制,非线性控制（微分几何，混沌，变结构）,四、控制方法,自适应控制实质上是系统辨识与控制技术的结合，通常有,自校正控制系统、模型参考自适应控制系统,两种类型。,自校正控制系统,先进控制技术,1,、自适应控制,模型参考自适应控制系统,2,、鲁棒控制,鲁棒控制是针对被控对象不确定性的一种控制方法。,3,、容错控制,容错控制指当系统出现故障时，实施必要的决策和控制，使系统仍然保持稳定运行，并具有可以接受的性能指标。,容错控制当前主要有,硬件冗余,和,解析冗余,两种方法。,4,、智能控制,智能控制是一种应用拟人化的思维方式和决策方法实现对被控对象有效控制的技术。,模糊逻辑控制、人工神经网络控制、专家控制是比较成熟并且应用最广的三个分支。,（,1,）模糊逻辑控制,模糊逻辑控制系统的基本结构，它用模糊控制器替代了传统的控制器，模糊控制器由,知识库、模糊化处理、模糊推理、精确化,处理,四部分组成,。,（,2,）人工神经网络控制,人工神经网络（,Artificial Neural Network,，即,ANN,）模拟大脑神经元之间的连接，实现信息处理、存储等功能。一个简单的人工神经元模型，它的输入（）和输出（）关系可以描述为,人工神经网络是由大量人工神经元互连而成的网络，每个神经元是网络的一个节点，它接受多个节点的输出信号，并将自己的输出连接至其它节点。,神经网络,监督控制 系统在原有反馈控制的基础上增加人工神经网络作为控制器的前馈控制。,神经网络内模控制,系统中,NNM,为被控对象的模型，用于充分逼近被控对象的动态特性，而,NNC,（神经网络控制器）为对象的逆模型。,神经网络,NN,（,Neural Network,）的主要特点：,1.,大规模的并行处理；,2.,分布式的信息存储；,3.,良好的自适应性、自组织性；,4.,很强的学习功能、联想功能和容错功能。,目前三种典型的,NN,模型：,1.,分层网络的感知模型；,2.,联想型网络的,Hopfield,模型；,3.,具有组织能力的认知机模型。,（,3,）专家控制,专家系统是人工智能的重要内容，它主要是一个智能计算机程序系统，内部包含某个领域的专家水平的知识与经验，并利用来处理该领域的问题。专家系统通常由,知识库,和,推理机,两部分组成。,专家控制系统 是应用专家系统于自动控制的理想形式，它把自动控制系统视为基于知识的系统，并把有关控制的知识分类组织，形成数据库和规则库。,专家控制器 直接用专家系统作为传统反馈控制系统的控制器，使控制器具有智能。,1,、脑科学研究对自动化的影响,人的智能来源于大脑的神经系统，是大脑思维活动的结果。,人的智能活动主要有下列几方面的特征：,感知能力,记忆和思维能力,学习能力,行为能力,2,、智能优化的应用,优化始终是控制的中心问题，智能优化从大自然的进化中受到启迪，是一类独特的优化方法。遗传算法、免疫算法、蚁群算法,3,、生物控制论,生物控制论一方面深入探讨生物体中通信和控制的机理，并借鉴用来构造更有效的人工系统；另一方面将信息技术和自动化手段反作用于生物系统，解释生物体各个不同结构层次的生命现象。,人工智能在自动控制系统中的应用,