控制系统的难点问题

《技术与设计》有关系统、控制的若干难点问题东南大学机械工程系史金飞主要内容系统分析方法系统优化方法正负反馈与前馈控制开环控制与闭环控制1.系统分析方法系统分析的方法2.13.1Lg2.1*3.1技术设计系统过程分析IDEF0模型IDEF0方法IDEF0利用所规定的图形符号和自然语言，按照自顶向下，逐层分解的结构化方法描述或建立系统的功能模型，即系统中的功能活动及其相互关系。IDEF0自顶向下、逐层分解的模型结构IDEF0的基本符号说明IDEF0方法的特点图形描述具有准确性和精确性的优点，并能充分表达各活动之间的接口关系，使建模者能够全面地描述系统，读者可以正确地理解系统。采用严格的自顶向下，逐层分解的结构化方法来建立系统功能模型，使其主要功能在顶层说明，然后逐层分解到有明确含义和范围的细节明确“做什么”和“如何做”的差别，便于清晰地理解系统及其细节通过人员分工、复查、审阅、文档管理等程序来控制所建模型的完整性与准确性。IDEF0的基本符号说明IDEF0的基本符号说明IDEF0的基本符号说明IDEF0的基本符号说明系统建模原则分离性因果性层次性时空性IDEF0图基本建模步骤制造系统建模模型是实际系统理想化的抽象或简化表示，反映了系统的主要组成部分和各部分的相互作用，在系统工程中有很重要的地位。制造系统建模就是运用适当的建模方法将制造系统抽象地表达出来，通过研究系统的结构和特性，对制造系统进行分析、综合及优化。制造系统建模系统的目的在于：更好寻理解和表达系统，以支持对系统的分析和综合支持新系统的设计或支持现有系统的分析和综合支持对系统运行的监测和控制制造系统的模型分类从形式上看，有制造系统的全局系统结构模型、局部系统结构模型、产品结构模型、生产计划调度模型等从方法上看，有数学解析模型、图示概念模型及图示—解析混合模型等从功能上看，有制造系统结构描述模型、系统分析模型、系统设计实施模型、系统运行管理模型等从对象方面看，制造系统中需要用模型加以描述的对象包括：产品、资源、信息、组织和决策、企业过程广义模型的概念广义模型是一种由知识模型、数学模型、关系模型相互结合的集成模型，这种模型充分考虑到大系统的不确定性、不确知性、主动性和适用性问题，是一种建立大系统模型的新途径，在制造系统的建模方面有着广阔的应用前景。建模基本方法“演绎—归纳”建模法“分解—联合”建模法“人机结合”建模法建模基本步骤广义模型需求分析：根据大系统分析与综合的需要，研究对广义模型的需求模型对象：控制者、被控对象模型粒度：宏观、中观、微观模型智能：自适应、自学习、自组织模型特性：定性、定量、静态、动态模型格式：知识、数学、关系广义模型环境调研广义模型方案设计广义模型建模方法配置广义模型技术支持广义模型建造调试广义模型运行维护广义模型评价鉴定IDEF0与IDEF1X建模方法IDEF0：用于描述系统的功能活动及其联系，建立系统的功能模型。IDEF1：用于描述系统的信息及联系，建立系统的信息模型。IDEF2：用于进行系统模拟，建立系统的动态模型。IDEF3：用于并行工程中的描述和表示（ProcessDescriptionCaptureforConcurrentEngineering）。IDEF4：一种面向对象的设计方法（Object-orientedDesignMethod）。IDEF5：一种基于知识的系统设计方法（OntologyCaptureMethod）。2.系统优化方法系统的优化在给定的条件（或约束条件）下，根据系统的优化目标，通过一定的手段和方法，使系统的目标值达到最大化（或最小化的方案。优化设计优化设计是研究如何采用各种优化方法，在设计过程中优化产品的结构、性能，使设计出的产品具有更好的内在和外在品质。优化设计实质上是将产品作为一个系统进行分析和决策的过程，是一种重要的系统工程方法。系统优化的基本方法1.数学规划方法：运用数学模型求解，这类似于中学数学中的求极值。建立一个能正确反映设计问题的数学模型，包括选择设计变量、优化目标、变量和目标的函数关系以及进行优化的约束条件。选取合理的优化算法。要考虑：数学模型的函数关系、规模、非线性度、收敛速度以及是否有通用的程序实现等因素。对数学模型求解，得到最优的设计变量。2.面向工程优化方法：通过估计与试验得到最优或者满意的结果。3.人工智能方法4.广义优化方法线性规划----数学规划的特例线性规划的概念：指约束条件为线性等式或线性不等式，且目标函数也为线性函数的情况下，使系统目标值达到最大（最小）化。例：《技术与设计2》P81利润问题《教参》P88线性规划线性的概念等式中，y与x1,x2是线性关系其中，c1,c2是系数而等式中，y与x1,x2是非线性关系《技术与设计2》P81利润问题约束条件其实等效为图中的阴影区域。Smax=50X1+60X2是一直线簇，随着S取值增大，直线逐渐上移，但最多只能在如图红色虚线位置。所以该虚线代表着Smax的最大值的状态。优化方法的选择应是最简原则例：在如下图的CD段，求一点E使AE,EB长度之和为最短其中Z为已知常数，AB长也为已知量约束条件:不同的优化目标对应着不同的系统优化结果例如：自行车行驶一段路程，如果以自行车克服阻力所做功最少为优化目标，则自行车的变速与系统是否最优无关。而以人的疲劳最少为优化目标，则自行车的变速与系统最优有关，此时的系统包含了人。系统优化分析：遇到上坡或顶风时，采用大的减速比，则脚蹬踏省力，即便转的圈多了点，也不会轻易疲劳。因为人的疲劳与用力之间的非线性关系，使得系统最优与变速有关，而不仅仅与自行车克服阻力作的功有关。3.反馈与前馈控制及时得到系统输出的信息，对后续的控制起到纠正调整的作用。例：1)军队的指挥2)企业的管理3)电话通话4)汽车驾驶正反馈与负反馈的概念与作用1)正反馈是指从输出检测的信息经反馈后形成的后输出信息与原输出信息起着相同的作用，即叠加，从而使总的输出增大的反馈调节。反馈的作用正反馈主要对小的变化进行放大。比如：话筒放在扬声器前，会很快形成正反馈，在即便不发声的情况下，也会因环境中的细小声音，得以不断放大，直至声音失真。2)负反馈则是后输出信息与原输出信息起着相反的作用，即相抵消，使总输出减小的反馈调节。负反馈主要对输出的偏差进行纠正，以达到指定的稳定性能与输出指标负反馈比正反馈更为常见，也更重要，已成为控制系统中的基本环节。在任意的自动控制系统中，可以没有正反馈，但不能没有负反馈。前馈控制系统前馈控制系统根据产生被控参数变化的原因（扰动）进行控制的系统，称为前馈控制系统。前馈控制，实质上是一种按扰动进行调节的开环控制方式，它通过前馈调节器补偿扰动对被控量的影响，使作用在系统的一个或几个主要扰动与被控参数完全无关或部分无关，从而提高系统控制精度的目的。设计应用前馈控制的必要条件，就是要能预见扰动的产生并及时将它测量出来。前馈控制的主要特点前馈控制是一种开环控制前馈调节器的控制规律是由对象特性决定的前馈控制是一种按扰动量大小进行的控制前馈控制只能克服那个可测而不可控的扰动量4.开环控制与闭环控制检测信号的来源是否来自系统的输出来自输出的检测信号是否通过某种形式转换后与输入作比较（即能否称之为反馈）系统有没有纠正环节，该环节是人工的还是自动的开环控制与闭环控制的划分检测信号的来源是否来自系统的输出不可认为有了传感器这样的检测装置就有了反馈，就是闭环。例：一个装有声音传感器的简易机器人正在往前走，在“听”到人的拍掌声后，改为后退。分析：传感器检测的信号并非来自简易机器人的某种形式的输出，而是人给予的。结论：没有反馈，传感器信号只是作为输入，属于开环控制来自输出的检测信号是否以某种形式转换与系统的输入作比较例：抽水马桶中的水箱的水位控制。分析：该案例中，似乎只有水位的检测，而看不到与输入的比较。其实水箱的浮球的指定水位是预先调好的，所以浮球检测到的水位相应的浮球位置无形中与已调好水位的浮球位置在作比较，从而成为反馈，并通过进水阀控制进水。结论：检测信号是反馈，系统是闭环的。系统有没有纠正环节，该环节是人工的还是自动的闭环控制系统具有自动纠正的能力。而开环不具备，即便纠正也是借助于人工。例：扩音机系统分析：两种观点看问题的角度不同，系统划分的范围不同。认为开环的，没有将人工纠正作为反馈环节，人不属于系统的组成部分。而认为闭环的，则将人作为系统的一部分。结论：两者都有道理，说明开环、闭环的划分有一定相对性，但一般按约定俗成的办法来区别。即认为上述系统不应包括人，人工纠正不是闭环系统的特征。