自動控制發(fā)展ppt課件
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2.4 自動控制的發(fā)展概況,1,自動控制的兩個組成部分,自動控制理論是分析和設計自動控制系統(tǒng)的工具和基礎,相當于“軟件”;自動控制技術則著重在控制系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)方面,2,2.4.1 自動控制技術的發(fā)展概況,自動控制技術的發(fā)展取決于每個階段應用技術所能達到的水平; 早期的自動控制只能依靠簡單的機械裝置、氣動機構、液壓傳動裝置等; 隨著電的發(fā)明,很多電氣、電子元器件及設備相繼問世,繼電器、接觸器、電阻、電容、電感、電位器、放大器等陸續(xù)應用于自動控制系統(tǒng),使控制性能得到提升;,3,上述器件所構成的控制裝置只能實現(xiàn)模擬控制,改變控制方法或控制參數(shù)就得更換相應的硬件,而且很多復雜一點的控制方法還無法實現(xiàn)或實現(xiàn)起來很困難; 計算機的出現(xiàn)從根本上改變了自動控制的實現(xiàn)方式,控制方法和控制參數(shù)在計算機里只是一組程序(稱為“控制算法”),修改很方便,而且無論控制算法簡單還是復雜,都一樣可以實現(xiàn),因此計算機在控制領域迅速推廣和普及; 常用的數(shù)字化控制裝置包括單片機、工業(yè)控制計算機、可編程邏輯控制器、數(shù)字信號處理器等。,4,單片機,單片機是在一塊芯片上集成了微處理器、存儲器及接口電路等,在計算機家族里體積最小、價格最便宜、應用非常普遍,一輛普通轎車里常常有幾十個單片機在工作。,5,工業(yè)控制計算機,工控機類似普通微機,但提高了工作的可靠性,配備了用于工業(yè)控制的輸入輸出接口,并特別加強了針對工業(yè)環(huán)境的抗干擾措施。,6,可編程邏輯控制器 ( Programmable Logic Controller,簡稱“PLC”),PLC包含了邏輯運算、順序控制、算術運算及定時和計數(shù)等功能,是專為工業(yè)環(huán)境下的應用而設計的,早期主要用于邏輯及順序控制,以取代傳統(tǒng)的繼電器控制,后來又增加了連續(xù)的反饋調(diào)節(jié)功能,并具有聯(lián)網(wǎng)和通信功能,應用范圍越來越廣。,7,數(shù)字信號處理器 ( Digital Signal Processor,簡稱“DSP” ),DSP的計算和處理功能相當強大,早期主要用于信號處理領域,價格也較昂貴,但隨著計算機技術的發(fā)展,價格不斷降低,因而近年來在控制領域的應用也越來越多,8,計算機控制方式的演變,第一階段:集中控制 用一臺計算機同時控制多臺機器或設備,輪流采集反饋信息,計算出所需要的控制量后輪流輸出給每臺機器或設備,屬于“分時控制”,主要缺點是可靠性差。,9,第二階段:單機控制 一臺計算機只控制一臺機器或設備,主要優(yōu)點是控制風險小。這種方式在今天也很常見,如冰箱、空調(diào) 、電飯煲的控制等。,10,第三階段:分散控制 對于多臺相互關聯(lián)的機器或設備,每臺機器或設備都單獨用一個數(shù)控裝置來控制(單機控制方式),但與上層的協(xié)調(diào)和管理計算機有信息交互,屬于網(wǎng)絡化的控制系統(tǒng)。 典型例子有: 計算機集成制造系統(tǒng) CIMS (Computer Integrated Manufacturing System) 集散控制系統(tǒng) DCS (Distributed Control System) 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) FCS (Fieldbus Control System),11,一種網(wǎng)絡化的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng),12,現(xiàn)代計算機控制系統(tǒng):管控一體化,一個生產(chǎn)企業(yè)往往可能同時采用了好幾種網(wǎng)絡化的控制系統(tǒng),并與管理系統(tǒng)連為一體,實現(xiàn)無縫銜接。 現(xiàn)代生產(chǎn)自動化系統(tǒng)通常具有三層結構:,例如,最底層是基礎自動化層,以PCS(過程控制系統(tǒng))為代表;第二層是生產(chǎn)過程運行優(yōu)化層,以MES(制造執(zhí)行系統(tǒng))為代表;最高層是生產(chǎn)經(jīng)營優(yōu)化層,以ERP(企業(yè)資源管理)為代表。,13,基礎層主要包括DCS、FCS、各種先進控制軟件、檢測裝置、實時數(shù)據(jù)庫等; 運行優(yōu)化層主要包括建模、計劃與調(diào)度、實時優(yōu)化、故障診斷與維護、質(zhì)量控制、成本控制等; 經(jīng)營優(yōu)化層主要包括企業(yè)資源規(guī)劃(ERP)、供應鏈管理(SCM)、客戶關系管理(CRM)、設備資源管理、企業(yè)電子商務平臺等; 這樣的管控一體化系統(tǒng)可以實現(xiàn)在線成本的預測、控制和反饋校正,還可以實現(xiàn)生產(chǎn)全過程的質(zhì)量跟蹤、安全監(jiān)控、統(tǒng)一指揮和優(yōu)化調(diào)度。,14,生產(chǎn)自動化系統(tǒng)的層次結構示意圖,15,2.4.2 自動控制理論的發(fā)展概況,幾個常用術語: ①線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng) 線性系統(tǒng)可以用線性方程來描述其運動規(guī)律,否則就是非線性系統(tǒng)。線性系統(tǒng)滿足“均勻性” 和“疊加性”。,均勻性:當輸入信號按一定比例放大或縮小時,對應的輸出也放大或縮小同樣比例。 疊加性:多個輸入同時作用于系統(tǒng)所產(chǎn)生的輸出等于這些輸入分別作用于系統(tǒng)所產(chǎn)生的輸出之和。,16,② 定常系統(tǒng)和時變系統(tǒng) 定常系統(tǒng)制系統(tǒng)的所有參數(shù)是固定的,不隨時間而改變;時變系統(tǒng)則正好相反,有隨時間而改變的參數(shù)。,實際系統(tǒng)都屬于時變系統(tǒng),但當參數(shù)變化較慢、且變化幅度不大時,我們可以近似看作定常系統(tǒng)。,實際系統(tǒng)都屬于非線性系統(tǒng),但大部分系統(tǒng)的非線性不嚴重,因此可以近似看作線性系統(tǒng)來處理。,17,③單變量系統(tǒng)和多變量系統(tǒng) 單變量系統(tǒng)是說系統(tǒng)只有一個輸入和一個輸出,又稱為“單輸入單輸出系統(tǒng) ”;多變量系統(tǒng)則指輸入或輸出不止一個,也叫“多輸入多輸出系統(tǒng)” 。,④連續(xù)時間系統(tǒng)和離散時間系統(tǒng) 連續(xù)時間系統(tǒng)是指系統(tǒng)中的所有變量均為時間的連續(xù)函數(shù)(連續(xù)信號);離散時間系統(tǒng)則主要指包含計算機等數(shù)字設備的系統(tǒng),計算機的輸入輸出數(shù)據(jù)都是離散信號,但計算機操縱的機器或設備(受控對象)一般屬于連續(xù)時間系統(tǒng)。,18,19,⑤ 恒值與隨動控制系統(tǒng),恒值控制系統(tǒng): 系統(tǒng)輸入(給定信號)為一常值,控制目標是使系統(tǒng)輸出(被控量)保持恒定。 如溫度、水位、轉速控制系統(tǒng),20,隨動控制系統(tǒng): 又稱為伺服(servo)控制系統(tǒng),系統(tǒng)的給定輸入是隨時間任意變化的函數(shù),控制目標是使系統(tǒng)輸出(受控量)以盡可能小的誤差跟隨輸入量的變化。 如數(shù)控機床按設定軌跡加工零件,雷達及高炮跟蹤飛機,太陽能電池板跟蹤太陽等。,21,自動控制理論發(fā)展的三個階段,自動控制理論的發(fā)展一直受到實際需求的驅動; 20世紀前半葉工業(yè)生產(chǎn)對廣泛應用各種自動控制裝置的需求以及“二戰(zhàn)”期間對改進武器系統(tǒng)性能的需求(如雷達跟蹤、火炮控制、艦船控制、飛機導航等)推動了第一代控制理論——經(jīng)典控制理論的成熟與發(fā)展; 20世紀60年代航空航天領域對運載火箭、人造衛(wèi)星、導彈、飛機等各類飛行器進行精確控制的需求催生了被稱為“現(xiàn)代控制理論”的第二代控制理論;,22,20世紀70年代以來控制系統(tǒng)的規(guī)模越來越大、結構和特性越來越復雜、對控制性能的要求卻越來越高,從而導致了第三代控制理論的研究和發(fā)展; 第三代控制理論至今沒有明確的定義和范圍,一般泛指各種先進的新型控制理論與方法,如智能控制、大系統(tǒng)控制、魯棒控制、預測控制、自適應控制、多變量頻域控制、非線性系統(tǒng)控制等,其共同特點是都針對控制難度較大的一些復雜系統(tǒng),因此第三代控制理論的總體發(fā)展趨勢可能是“復雜系統(tǒng)控制”。,23,1. 第一代控制理論——經(jīng)典控制理論,采用的控制器結構一般很簡單(如PID控制),需要設置和調(diào)整的參數(shù)很少,是以簡單的控制結構來獲取相對滿意的控制性能。 處理的受控對象是最簡單的一類系統(tǒng),即單輸入單輸出線性定常系統(tǒng),其運動規(guī)律的描述一般采用微分方程(針對連續(xù)時間系統(tǒng))或差分方程(針對離散時間系統(tǒng));由于直接針對這樣的時間域方程進行分析和設計比較困難,所以通常要先變換為復數(shù)域的代數(shù)方程或頻率特性的形式。,24,分析和設計主要通過作圖,直觀簡便,物理概念清楚,參數(shù)調(diào)整的方針明確,最具代表性、實際應用最多的是“頻率分析法”,即根據(jù)頻率響應特性分析反饋系統(tǒng)的性能; 主要缺點是只能用于單輸入單輸出線性定常系統(tǒng),設計過程需要多次嘗試,設計結果不具備最優(yōu)性; 數(shù)學基礎主要是以微積分為主要內(nèi)容的高等數(shù)學、面向工程應用的復變函數(shù)和積分變換。,25,2. 第二代控制理論——狀態(tài)空間方法,狀態(tài)空間方法又被稱為“現(xiàn)代控制理論”,以“狀態(tài)變量”和“狀態(tài)方程”為基礎 ; “狀態(tài)變量” 是能夠完整地描述系統(tǒng)狀態(tài)的一組變量 ,“狀態(tài)方程” 是利用狀態(tài)變量來描述系統(tǒng)運動規(guī)律的一組一階微分方程; 可以通過直接求時間解來進行分析,屬于“時域法” ; 核心概念是“能控性”和“能觀測性”,“能控性”指系統(tǒng)的狀態(tài)變量能否通過控制量來任意改變,而“能觀測性” 指能否由檢測的輸出變量得知狀態(tài)變量;,26,“能控性”體現(xiàn)了能否對系統(tǒng)進行有效控制,“能觀測性”則反映了能夠充分地獲取反饋信息; 與經(jīng)典控制理論相比較,狀態(tài)空間法的優(yōu)點體現(xiàn)在一方面能夠獲取更充分的反饋信息,另一方面在控制方式上一般尋求最優(yōu)解,如最少能量控制、最短時間控制等; 狀態(tài)空間法的主要缺點是基于精確數(shù)學模型,而且實現(xiàn)狀態(tài)反饋通常需要構建 “狀態(tài)觀測器”,使系統(tǒng)結構復雜,控制性能下降,因而在工業(yè)控制領域的應用遠不如經(jīng)典理論普遍; 數(shù)學基礎主要是線性代數(shù)、矩陣理論等。,27,3. 第三代控制理論—— 各種新型控制理論及方法,網(wǎng)絡化使我們面臨的系統(tǒng)越來越復雜、規(guī)模越來越大,控制難度不斷增加,對控制性能的要求又越來越高,因此自上世紀70年代以來不斷研究和發(fā)展出了多種新型控制理論及方法,前面介紹的智能控制就是其中的優(yōu)秀代表。 下面再扼要介紹另外幾種代表 性方法。,28,現(xiàn)代頻域控制理論 ( Modern frequency-domain control theory),經(jīng)典控制理論簡單實用,屬于“頻域方法”,較狀態(tài)空間法更能適應系統(tǒng)的不確定性,包括模型不準確或有外部擾動等,但它只能用于單輸入單輸出系統(tǒng),上世紀70年代英國率先提出了“多變量頻域方法”,被稱為“頻域法的復歸”; “多變量頻域法”實際上只是經(jīng)典頻域法的一種擴展,繼承和保留了經(jīng)典方法的很多特點,也包括一些缺陷,設計過程需要大量作圖、反復試湊,控制器的結構受到限制,無法實現(xiàn)系統(tǒng)性能最優(yōu);,29,從上世紀70年代末到80年代中期,一種全新的頻域控制理論在美國和加拿大逐漸形成,并逐漸得到推廣應用; 其主要特點是首先將保證反饋系統(tǒng)穩(wěn)定的所有控制器表達為一個自由參數(shù)的函數(shù),然后在此基礎上對控制性能進行優(yōu)化,優(yōu)化過程充分考慮了系統(tǒng)的不確定性,屬于頻域的最優(yōu)控制; 其分析與設計方法是統(tǒng)一的,可同時適用于單變量和多變量系統(tǒng)、連續(xù)和離散時間系統(tǒng)。,30,魯棒控制(Robust control),“魯棒” 源于英語的“robust”,意思是“強健的”,是音譯與意譯相結合的一種翻譯; 我們說系統(tǒng)具有“魯棒性(robustness)” ,是指系統(tǒng)在存在模型誤差或受到擾動等各種不確定性因素影響下,仍能保持良好的性能; “魯棒控制” 是使系統(tǒng)具有良好魯棒性的控制; 魯棒控制的概念在經(jīng)典控制理論里就有所體現(xiàn),但“魯棒控制”一詞的首次正式使用是1976年。,31,魯棒控制主要解決以下三個基本問題:,①魯棒穩(wěn)定性(robust stability) 指系統(tǒng)即使存在模型誤差,控制器也能保證反饋系統(tǒng)穩(wěn)定性。 穩(wěn)定性是對系統(tǒng)最基本的要求,不穩(wěn)定的系統(tǒng)會產(chǎn)生不希望的振蕩或變量發(fā)散,從而造成系統(tǒng)失控和設備損壞,無法正常工作。 ②魯棒跟蹤(robust tracking) 指系統(tǒng)即使存在模型誤差和外部擾動,控制器也能使系統(tǒng)的輸出信號最終與期望值完全一致。,32,③魯棒性能(robust performance) 我們通常是根據(jù)受控系統(tǒng)的模型來設計控制器的,在模型準確且不考慮擾動的情況下,系統(tǒng)能夠實現(xiàn)的性能稱為“標稱性能”或“名義性能” (nominal performance); 魯棒性能:在模型不準確或存在擾動影響時,我們設計的控制器能使系統(tǒng)的實際性能盡可能接近標稱性能。,魯棒控制是一個總的稱呼,采用經(jīng)典及現(xiàn)代頻域理論、狀態(tài)空間方法、智能控制等都可以研究和實現(xiàn)魯棒控制。,33,自適應控制(Adaptive Control),指控制器能自動適應各種情況的變化,包括受控系統(tǒng)特性的變化、工況的變化、所處環(huán)境的變化、擾動的變化等; 如何來自動適應這些變化呢?首先需要獲取系統(tǒng)工作狀態(tài)的相關變化信息,然后根據(jù)這些信息去調(diào)整控制結構和控制參數(shù),以保證系統(tǒng)始終工作正常; 始于上世紀50年代,但一直是研究熱點,屬于“以變應變”,理念很先進。,34,自適應控制的基本特征:,能夠辨識對象參數(shù)及環(huán)境的變化; 能自動判斷和評價系統(tǒng)性能好壞; 能自動調(diào)整控制策略或控制器參數(shù)。,35,自適應控制常見的三種類型:,增益預調(diào)控制(Gain scheduling control) 查詢表事先計算好,早期只調(diào)控制器增益。,優(yōu)點: 結構簡單, 調(diào)節(jié)快速。 ( 最早用于飛行控制,適應高度、速度變化),36,② 自校正控制(Self-tuning control),參數(shù)估計: 由輸入輸出數(shù)據(jù)辨識對象參數(shù),控制器計算: 根據(jù)對象參數(shù)實時設計控制器,有多種現(xiàn)成方法,優(yōu)點: 分析、設計及實現(xiàn)都比較容易,缺點:參數(shù)估計比較費時,自適應速度較慢,對象參數(shù)變化快時,參數(shù)估計跟不上。,應用:各類生產(chǎn)過程,37,③ 模型參考自適應控制 (Model reference adaptive control),目標:調(diào)整 控制器,使輸出誤差最小,優(yōu)點: 無須參數(shù)辨識, 自適應速度快,常用于隨動系統(tǒng) 缺點:性能分析比較困難,設計比較復雜,且缺乏統(tǒng)一方法,38,預測控制(Predictive Control),一種新型的計算機控制算法,直接來源于工業(yè)過程的控制實踐。 1980年前后分別由法國的Richalet和美國Shell石油公司的Cutler兩位工程師獨立提出,前者用于鍋爐和精餾塔的控制,后者用于加熱爐溫度及石化生產(chǎn)裝置的控制。 現(xiàn)已成為工業(yè)控制領域推廣應用最多的一種先進控制策略,涉及化工、造紙、冶煉、電力、航空、汽車、食品加工等行業(yè)。,39,預測控制的基本思路,模型預測:基于受控系統(tǒng)的模型進行預測,即通過受控系統(tǒng)的輸入輸出方程來了解改變控制量會如何影響系統(tǒng)未來的輸出值。,40,反饋校正:利用檢測到的實際輸出值與以前預測的當前輸出值進行比較,并依據(jù)該誤差信息來修正模型預測值;反饋校正的實質(zhì)是利用當前及以前時刻的誤差信息來估計未來的誤差,屬于對誤差的預測。,41,滾動優(yōu)化:計算最優(yōu)控制量,使預測誤差最小化,同時滿足各種約束條件(如控制量、輸出量不能超出某一范圍等); “滾動”指每一時刻的優(yōu)化都只考慮未來有限的時間長度,而且隨時間滾動向前。,42,預測控制的主要特點,有限時域優(yōu)化,即每步優(yōu)化都只考慮未來有限的時間長度,計算量有限,因而可以在線實時地進行計算。 “模型預測”所采用的模型可靈活選用,如階躍響應、脈沖響應、差分方程、非線性輸入輸出方程、模糊語言模型、神經(jīng)網(wǎng)絡模型等。 設計過程直觀,物理意義清楚,調(diào)節(jié)參數(shù)少,調(diào)整方針明確,魯棒性強,且可用于時間滯后很大的系統(tǒng)。,43,由于控制策略(反饋校正和優(yōu)化計算)直接表達為算法,因此靈活多樣(線性、非線性、解析求解、數(shù)學規(guī)劃法數(shù)值求解、智能控制方法等)。 主要問題是控制策略直接表達為算法,且多種多樣,常常超越了線性范疇,因此理論分析較困難,尚無全面而系統(tǒng)的分析結果。,44,大系統(tǒng)控制和復雜系統(tǒng)控制,電力系統(tǒng)、城市交通系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)、制造系統(tǒng)、經(jīng)濟系統(tǒng)等都是常見的大系統(tǒng)和復雜系統(tǒng)。 這類系統(tǒng)具有規(guī)模大、變量多、難建模、非線性、大時滯、強關聯(lián)等特征,且約束條件和控制目標多,因此控制難度相當大。 對于規(guī)模較大的系統(tǒng),通常要利用分解協(xié)調(diào)的方式來進行控制,即分解為多個子系統(tǒng),再統(tǒng)一協(xié)調(diào)各個子系統(tǒng)的控制。,45,例:城市交通系統(tǒng),傳統(tǒng)控制方式是獨立地控制各個路口的紅綠燈,而且是簡單地定時切換,屬于開環(huán)控制。 更先進的控制方式是對每個路口都實行反饋控制,即通過一些檢測手段獲取不同方向的車流量信息,結合智能控制方法動態(tài)地切換紅綠燈,以最大限度地減小等待時間,增大道路通行量。,反饋控制為了解決各個路口之間的配合問題,需要在上層設置協(xié)調(diào)機構,對各路口進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)處理,包括對交通信息的綜合分析、處理及決策,對各路口指令信號和控制參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整等。,46,大系統(tǒng)控制的基本思路,可以采用分別獨立控制各個子系統(tǒng)的“分散控制”方式,子系統(tǒng)之間可以有信息交換,也可以沒有,好處是子系統(tǒng)相對獨立,可靠性好,但缺乏統(tǒng)一協(xié)調(diào)。 也可以采用控制執(zhí)行部分分散與管理協(xié)調(diào)功能集中的“集散控制”方式,既分散了具體控制部分的風險,又便于統(tǒng)一進行管理和協(xié)調(diào),實現(xiàn)全系統(tǒng)的綜合優(yōu)化。 另外還有將控制結構分為多個層次、形成一級控制一級的“分級遞階控制”,以及將大系統(tǒng)按功能或時間進行劃分的“分段控制”等。,47,復雜系統(tǒng)控制,復雜系統(tǒng)主要指結構復雜、規(guī)模大,有很強的時變性、非線性、不確定性以及各種無法預料的擾動等;簡單地講,所有控制難度大的系統(tǒng)都可以看作復雜系統(tǒng),包括大系統(tǒng)。 很多情況下,要有效地控制好復雜系統(tǒng)需要綜合運用多種控制模式、多種控制方法和其他相關技術;各種方法和技術的綜合集成應當是解決復雜系統(tǒng)控制問題的有效途徑,是很有價值的研究方向,實際上也反映了當前的發(fā)展趨勢。,48,復雜系統(tǒng)的控制除了要處理各種時間變量外,常常還需要處理圖象、文字、語音等信息。 在信息較豐富的情況下,要進行綜合分析、判斷及決策,通常需要借助于人工智能和智能控制技術,有時還應充分利用人的智慧,把人也看作智能系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié),人機結合去完成任務,而不是追求完全的“無人化”。 總的來講,復雜系統(tǒng)控制尚處在發(fā)展和探討過程中,有很多問題尚未解決,面臨著眾多挑戰(zhàn),但同時又醞釀著新的突破,必將迎來新的發(fā)展高潮。,End of Chapter 2,49,- 配套講稿:
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