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 、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、計劃與調度、實時優(yōu)化、故障診斷與維護、質量控制、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)全過程的質量跟蹤、安全監(jiān)控、統(tǒng)一指揮和優(yōu)化調度。,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：,增益預調控制（Gain scheduling control） 查詢表事先計算好，早期只調控制器增益。,優(yōu)點: 結構簡單, 調節(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，調節(jié)參數(shù)少，調整方針明確，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)調機構，對各路口進行統(tǒng)一協(xié)調處理，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。 也可以采用控制執(zhí)行部分分散與管理協(xié)調功能集中的“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，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,