控制系統(tǒng)的難點(diǎn)問題

控制系統(tǒng)的難點(diǎn)問題第1頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月主要內(nèi)容系統(tǒng)分析方法系統(tǒng)優(yōu)化方法正負(fù)反饋與前饋控制開環(huán)控制與閉環(huán)控制第2頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月1.系統(tǒng)分析方法第3頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)分析的方法2.13.1Lg2.1*3.1第4頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月技術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)過程分析IDEF0模型第5頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月IDEF0自頂向下、逐層分解的模型結(jié)構(gòu)第7頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月IDEF0的基本符號說明第8頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月IDEF0方法的特點(diǎn)圖形描述具有準(zhǔn)確性和精確性的優(yōu)點(diǎn)，并能充分表達(dá)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(xì)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(xì)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，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月第10頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月第11頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月第12頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月IDEF0的基本符號說明第13頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月IDEF0的基本符號說明第14頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月IDEF0的基本符號說明第15頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月IDEF0的基本符號說明第16頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)建模原則分離性因果性層次性時空性第17頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月IDEF0圖基本建模步驟第18頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月制造系統(tǒng)建模模型是實(shí)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(yùn)用適當(dāng)?shù)慕７椒▽⒅圃煜到y(tǒng)抽象地表達(dá)出來，通過研究系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特性，對制造系統(tǒng)進(jìn)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(dá)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(jì)或支持現(xiàn)有系統(tǒng)的分析和綜合支持對系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)測和控制第19頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月制造系統(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(jì)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(jì)實(shí)施模型、系統(tǒng)運(yùn)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，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月廣義模型的概念 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，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月建?；痉椒ā把堇[—?dú)w納”建模法“分解—聯(lián)合”建模法“人機(jī)結(jié)合”建模法第22頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月建模基本步驟廣義模型需求分析：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(jì)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(yùn)行維護(hù)廣義模型評價鑒定第23頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月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(jìn)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(jì)方法（Object-orientedDesignMethod）。IDEF5：一種基于知識的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法（OntologyCaptureMethod）。第24頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月2.系統(tǒng)優(yōu)化方法第25頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月系統(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(dá)到最大化（或最小化的方案。第26頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)是研究如何采用各種優(yōu)化方法，在設(shè)計(jì)過程中優(yōu)化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、性能，使設(shè)計(jì)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(jì)實(shí)質(zhì)上是將產(chǎn)品作為一個系統(tǒng)進(jìn)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，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)優(yōu)化的基本方法1.數(shù)學(xué)規(guī)劃方法：運(yùn)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(jì)問題的數(shù)學(xué)模型，包括選擇設(shè)計(jì)變量、優(yōu)化目標(biāo)、變量和目標(biāo)的函數(shù)關(guān)系以及進(jìn)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(jì)變量。2.面向工程優(yōu)化方法：通過估計(jì)與試驗(yàn)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，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月線性規(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(dá)到最大（最?。┗?。例：《技術(shù)與設(shè)計(jì)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，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月《技術(shù)與設(shè)計(jì)2》P81利潤問題約束條件其實(shí)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，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月優(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(diǎn)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，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月不同的優(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，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月系統(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(diǎn)，也不會輕易疲勞。因?yàn)槿说钠谂c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，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月3.反饋與前饋控制第34頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月及時得到系統(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(duì)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(fù)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，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月

正反饋主要對小的變化進(jìn)行放大。

比如：話筒放在揚(yáng)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(xì)小聲音，得以不斷放大，直至聲音失真。

第36頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月2)負(fù)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(fù)反饋主要對輸出的偏差進(jìn)行糾正，以達(dá)到指定的穩(wěn)定性能與輸出指標(biāo)負(fù)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(fù)反饋。第37頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月前饋控制系統(tǒng)第38頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月前饋控制系統(tǒng)根據(jù)產(chǎn)生被控參數(shù)變化的原因（擾動）進(jìn)行控制的系統(tǒng)，稱為前饋控制系統(tǒng)。前饋控制，實(shí)質(zhì)上是一種按擾動進(jìn)行調(diào)節(jié)的開環(huán)控制方式，它通過前饋調(diào)節(jié)器補(bǔ)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(jì)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，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月前饋控制的主要特點(diǎn)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(jìn)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，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月4.開環(huán)控制與閉環(huán)控制第41頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月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(jī)器人正在往前走，在“聽”到人的拍掌聲后，改為后退。第43頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月分析：傳感器檢測的信號并非來自簡易機(jī)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，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月分析：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(shí)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(jìn)水閥控制進(jìn)水。結(jié)論：檢測信號是反饋，系統(tǒng)是閉環(huán)的。第46頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)有沒有糾正環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)是人工的還是