第十五章 复杂控制系统
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复杂控制回路1.什么叫串级控制系统?画出一般串级控制系统的典型方块图。
答:串级控制系统是由其结构上的特征而得名的。
它是由主、副两个控制器串接工作的。
主控制器的输出作为副控制器的给定值,副控制器的输出去操纵控制阀,以实现对变量的定值控制。
2.串级控制系统有哪些特点?主要使用在哪些场合?答串级控制系统的主要特点为:(1)在系统结构上,它是由两个串接工作的控制器构成的双闭环控制系统;(2)系统的目的在于通过设置副变量来提高对主变量的控制质量}(3)由于副回路的存在,对进入副回路的干扰有超前控制的作用,因而减少了干扰对主变量的影响;(4)系统对负荷改变时有一定的自适应能力。
串级控制系统主要应用于:对象的滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。
3.串级控制系统中主、剧变量应如何选择?答主变量的选择原则与简单控制系统中被控变量的选择原则是一样的。
副变量的选择原则是:.(1)主、副变量间应有一定的内在联系,副变量的变化应在很大程度上能影响主变量的变化;(2)通过对副变量的选择,使所构成的副回路能包含系统的主要干扰;(3)在可能的情况下,应使副回路包含更多的主要干扰,但副变量又不能离主变量太近;(4)副变量的选择应考虑到主、副对象时间常数的匹配,以防“共振”的发生4.为什么说串级控制系统中的主回路是定值控制系统,而副回路是随动控制系统?答串级控制系统的目的是为了更好地稳定主变量,使之等于给定值,而主变量就是主回路的输出,所以说主回路是定值控制系统。
副回路的输出是副变量,副回路的给定值是主控制器的输出,所以在串级控制系统中,副变量不是要求不变的,而是要求随主控制器的输出变化而变化,因此是一个随动控制系统。
5.怎样选择串级控制系统中主、副控制器的控制规律?答串级控制系统的目的是为了高精度地稳定主变量,对主变量要求较高,一般不允许有余差,所以主控制器一般选择比例积分控制规律,当对象滞后较大时,也可引入适当的微分作用。
自动控制原理第十章非线性控制系统非线性控制系统是指系统动态特性不能用线性数学模型表示或者用线性控制方法解决的控制系统。
非线性控制系统是相对于线性控制系统而言的,在现实工程应用中,许多系统经常具有非线性特性,例如液压系统、电力系统、机械系统等。
非线性控制系统的研究对于实现系统的高效控制和稳定运行具有重要意义。
一、非线性控制系统的特点1.非线性特性:非线性控制系统的动态特性往往不能用线性方程或者线性微分方程描述,经常出现非线性现象,如饱和、死区、干扰等。
2.多变量关联:非线性系统动态关系中存在多个变量之间的相互影响,不同变量之间存在复杂的耦合关系,难以分离分析和解决。
3.滞后响应:非线性系统的响应时间较长,且在过渡过程中存在较大的像后现象,不易预测和控制。
4.不确定性:非线性系统通常存在参数变化、外部扰动和测量误差等不确定性因素,会导致系统性能变差,控制效果下降。
二、非线性控制系统的分类1.反馈线性化控制:将非线性系统通过适当的状态反馈、输出反馈或其它形式的反馈转化为线性系统,然后采用线性控制方法进行设计。
2.优化控制:通过建立非线性系统的数学模型,利用优化理论和方法,使系统达到其中一种性能指标最优。
3.自适应控制:根据非线性系统的参数变化和不确定性,设计自适应控制器,实时调整控制参数,以适应系统的动态变化。
4.非线性校正控制:通过建立非线性系统的映射关系,将测量信号进行修正,以减小系统的非线性误差。
5.非线性反馈控制:根据非线性系统的特性,设计合适的反馈控制策略,使得系统稳定。
三、非线性控制系统设计方法1.线性化方法:通过将非线性系统在其中一工作点上线性化,得到局部的线性模型,然后利用线性控制方法进行设计和分析。
2.动态编程方法:采用动态系统优化的方法,建立非线性系统的动态规划模型,通过求解该模型得到系统的最优控制策略。
3.反步控制方法:通过构造适当的反步函数和反步扩散方程,实现系统状态的稳定和输出的跟踪。
复杂系统控制中的非线性最优控制技术研究随着科技的发展,越来越多的实际问题需要用到复杂系统控制技术。
而复杂系统往往具有多变、非线性等特点,如何实现复杂系统的最优控制是一个难点。
本文将从非线性最优控制技术的角度探讨该问题。
一、复杂系统控制中的非线性最优控制在复杂系统控制中,最优控制是一种常用的方法,其目的是在控制系统中选取最佳的控制变量,使系统响应更快、更稳定、误差更小,控制系统的性能更优。
而非线性最优控制则是通过对非线性系统的数学建模与分析,运用最优控制原理,研究非线性系统的最优控制方法。
非线性最优控制方法有多种,其中最常用的是基于泛函分析的方法、基于逆动力学的方法、基于模糊理论的方法、基于神经网络的方法等。
这些方法的本质都是将最优控制问题转化为极值问题,通过求解极值问题得到最优控制方式。
二、基于变结构控制的非线性最优控制研究变结构控制是一种最优控制的分支,它主要是针对复杂系统中的非线性问题所提出的一种方法。
该方法的核心思想是利用系统控制变量的“切换”行为,对复杂系统进行有效地控制。
基于变结构控制的非线性最优控制研究主要分为两大类:一类是利用变结构控制对不确定性系统进行控制,这类系统的特点是系统模型难以精确定量化;另一类是利用变结构控制对跳跃系统进行控制,这类系统的特点是系统状态难以连续变化。
三、基于随机过程的非线性最优控制研究随机过程是一种具有随机性质的过程,它的发展促进了控制系统理论的进步。
在非线性最优控制研究中,基于随机过程的方法是一种常用的数学建模方式。
该方法是将非线性系统建模为一个随机过程,通过对随机过程的分析求解最优控制问题。
基于随机过程的非线性最优控制研究主要包括两个方面:一是随机过程的数学性质的分析,二是通过分析随机过程的特性来获取最优控制策略。
四、基于鲁棒控制的非线性最优控制研究鲁棒控制是一种针对带有不确定性的系统提出的控制方法,该方法的核心思想是通过系统建模与鲁棒分析得到鲁棒控制器,对系统进行控制。
复杂系统控制和优化技术复杂系统是指由多个部分相互作用而形成的系统,如交通网络、金融市场、生态系统等。
这些系统通常具有多样性、不确定性和灵敏性。
因此,对于复杂系统的控制和优化显得尤为重要。
本文将探讨复杂系统控制和优化技术。
1. 复杂系统控制技术复杂系统控制技术的目标是通过控制系统的输入和输出来稳定和优化系统的性能。
常用的复杂系统控制技术包括反馈控制、前馈控制和自适应控制。
反馈控制是一种最基本的控制方法,它通过对系统输出的反馈来调整输入,从而稳定系统。
反馈控制的本质是把输出与目标进行比较,然后产生误差信号并作为控制信号输入系统。
前馈控制是在输入信号中加入一个先验信息,以改进系统响应速度和稳定性。
具体来说,即在目标信号之前,将一些预测信号加入输入信号之中。
这样,系统会更快地响应,并更加稳定。
常见的前馈控制技术包括预测控制和自适应前馈控制。
自适应控制是一种能够自动调整控制器参数以达到最佳性能的控制方法。
自适应控制器利用反馈信号对系统进行监控,并根据监控结果改变控制器的行为。
最常用的自适应控制技术包括模型参考自适应控制、最小方差自适应控制和模糊自适应控制。
2. 复杂系统优化技术复杂系统优化技术的目标是找到系统的最优解,以达到最大化系统的性能。
常用的复杂系统优化技术包括遗传算法、蚁群算法和粒子群优化算法等。
遗传算法是一种基于进化的优化算法。
它通过对解决方案进行一定的变异、交叉和选择等操作,以逐步优化解决方案。
遗传算法的核心思想是将每个候选解看作一个“基因”,并通过对基因进行“进化”产生新的解决方案。
蚁群算法是一种基于蚂蚁群体行为的优化算法。
它借鉴了蚂蚁在寻找食物时的行为特征,通过模拟蚁群的行为寻找问题的最优解。
蚁群算法的重要性在于它能够适应复杂系统的非线性特性。
粒子群优化算法是一种基于群体行为的优化算法,其核心思想是将优化问题转化为寻求一组粒子在搜索空间中的最优位置。
与遗传算法和蚁群算法相比,粒子群优化算法更加灵活和高效。
复杂系统控制理论的应用与发展一、引言复杂系统是指由大量相互作用的部件构成的系统,这些部件之间无法单独考量,需要整体来进行分析和控制。
复杂系统的控制理论是研究如何通过控制某些变量来使整个系统达到预期目标的一门学科。
该理论已经广泛应用于诸如工业、交通、财经和社会管理等领域,并不断发展和完善。
二、控制方法的分类1.模型预测控制模型预测控制是一种基于模型的控制方法,首先对系统进行建模,建立数学模型。
通过模型预测,计算未来响应曲线,然后根据预测结果,制定控制策略来控制系统。
模型预测控制适用于许多系统,例如飞机导航系统和化工生产中的反应过程。
2.反馈控制反馈控制是指将系统输出与期望输出进行比较,通过调整控制输入来稳定系统,使输出误差最小。
反馈控制应用广泛,例如在飞机驾驶中,自动驾驶系统会通过输入导航数据进行调整,以保持在预定的航线上飞行。
三、复杂系统控制理论的应用1.交通管理城市交通管理是一个复杂的系统,交通拥堵和交通事故是城市交通管理中的两个主要问题。
因此,交通管理中的复杂系统控制理论应用越来越广泛。
例如,公路控制系统通过使用各种传感器和控制设备,帮助管理交通流。
2.金融投资金融投资涉及到许多复杂的变量和系统,例如股票市场、外汇市场和货币市场。
复杂系统控制理论可以帮助投资者建立有效的投资策略和风险管理方法,并通过对市场数据的调整,来使投资组合达到最大化。
3.医疗保健医疗保健是一个复杂的系统,包括医院、医生、患者和医疗设备等多个因素。
复杂系统控制理论可以用来改善医院管理和医疗过程,如医院排队排队系统的优化,放射成像技术的影响等。
四、未来的发展趋势复杂系统控制理论仍在持续发展和完善,未来的发展趋势包括:1.数据分析和人工智能随着技术的发展,机器学习和人工智能变得越来越重要。
数据分析和机器学习可以帮助我们理解大量数据,提高系统控制的精度和效率。
2.智能化和自动化随着技术的进步,智能化和自动化的应用将会越来越多,自然而然,复杂系统控制理论的应用将获得一系列的突破。
复杂系统建模与优化控制研究人类创造的每一个工业系统,无论石化、电力、交通、医疗、硬件等等,都是由数以亿计的单元构成的复杂系统,其中每一个单元都带有不确定性和不可预测性。
复杂系统的交互作用、耦合性、高维度以及含时间等特点,使得传统的建模和优化控制极具挑战性。
尽管随着数字技术的不断发展,现代生产和管理已经离不开对系统的自动化控制和优化,但当计算能力、信息量和变量特征超过人类掌握的界限时,复杂系统却可能陷入稳态或失控的混沌状态,易形成爆炸性的结果。
因此,对复杂系统建模与优化控制的研究、理论、方法和技术的不断深入,无疑是保持社会运行和发展的一种重要途径。
下面就从复杂系统建模与优化控制的理论研究、实际应用、未来趋势等角度来谈谈这个问题。
一、理论研究复杂系统建模与优化控制的理论研究包括了许多方面,诸如动力学模型、生物模型、计算机模型、物理模型、金融模型、社会模型等。
不同的模型对应不同的复杂系统,但它们共有的特点是:系统的变化具有不可预测性,不同的因素间相互影响,单个因素可能造成系统整体变化的质变,导致系统反馈或非线性行为等等。
动力学模型是一种数学模型,可以用来描述和预测力学系统中物体的运动。
简单的动力学模型是依据物理学理论建立的方程式,例如牛顿定律、二阶线性微分方程等。
但实际上,许多系统都存在着比较复杂的动力学模型,比如生物工程领域中的心脏运动,它的运动过程涉及到许多生理参数与氧气摄取等变量的变化,因此需要更为复杂的方程。
如果我们能够准确地描述和量化这些变量与它们之间的复杂关系,就能够更好地掌握动力学模型。
生物模型是应用于生物学领域的一种模型,用于描述生物体(如人体)各种系统的结构、功能和相互作用。
生物模型存在于各种计算机模拟和机器学习算法中,例如神经网络,多元回归,SVM分类器等。
生物模型的建立往往是基于生理学和解剖学知识的,并考虑到各种生物体内的生理变量和特征,例如酸碱度、血液压力、温度等。
计算机模型是一种用于刻画计算机程序和硬件系统的理论模型。
《现代控制理论》教案大纲第一章:绪论1.1 课程背景与意义1.2 控制系统的基本概念1.3 控制理论的发展历程1.4 控制理论的应用领域第二章:控制系统数学模型2.1 连续控制系统数学模型2.2 离散控制系统数学模型2.3 状态空间描述2.4 系统矩阵的性质与运算第三章:线性系统的时域分析3.1 系统的稳定性3.2 系统的瞬时性3.3 系统的稳态性能3.4 系统的动态性能第四章:线性系统的频域分析4.1 频率响应的概念4.2 频率响应的性质4.3 系统频率响应的求取方法4.4 系统频域性能指标第五章:线性系统的校正与设计5.1 系统校正的基本概念5.2 常用校正器及其特性5.3 系统校正的方法5.4 系统校正实例分析第六章:非线性控制系统分析6.1 非线性系统的基本概念6.2 非线性系统的数学模型6.3 非线性系统的稳定性分析6.4 非线性系统的控制策略第七章:状态反馈与观测器设计7.1 状态反馈控制的基本原理7.2 状态反馈控制器的设计方法7.3 观测器的设计与分析7.4 状态反馈控制系统应用实例第八章:先进控制策略8.1 鲁棒控制8.2 自适应控制8.3 最优控制8.4 智能控制第九章:最优控制理论9.1 最优控制的基本概念9.2 线性二次调节器(LQR)9.3 离散时间最优控制9.4 最优控制的应用第十章:现代控制理论在工程应用10.1 现代控制理论在自动化领域的应用10.2 现代控制理论在控制中的应用10.3 现代控制理论在航空航天领域的应用10.4 现代控制理论在其他领域的应用第十一章:鲁棒控制理论11.1 鲁棒控制的基本概念11.2 鲁棒控制的设计方法11.3 鲁棒控制的应用实例11.4 鲁棒控制在实际系统中的性能评估第十二章:自适应控制理论12.1 自适应控制的基本概念12.2 自适应控制的设计方法12.3 自适应控制的应用实例12.4 自适应控制在复杂系统中的应用与挑战第十三章:数字控制系统设计13.1 数字控制系统的概述13.2 数字控制器的设计方法13.3 数字控制系统的仿真与实验13.4 数字控制系统在实际应用中的案例分析第十四章:控制系统中的计算机辅助设计14.1 计算机辅助设计的基本概念14.2 控制系统CAD工具与方法14.3 基于软件的控制系统设计与仿真14.4 控制系统CAD在现代工程中的应用案例第十五章:现代控制理论的前沿与发展15.1 现代控制理论的最新研究动态15.2 控制理论与其他领域的交叉融合15.3 未来控制理论的发展趋势15.4 控制理论在解决现实世界问题中的潜力与挑战重点和难点解析本《现代控制理论》教案大纲涵盖了现代控制理论的基本概念、方法与应用,分为十五个章节。
复杂系统的平行控制理论及应用
王飞跃;刘德荣;熊刚;程长建;赵冬斌
【期刊名称】《复杂系统与复杂性科学》
【年(卷),期】2012(009)003
【摘要】首先给出了复杂系统的定义,并对复杂系统的研究现状和存在的问题进行了探讨,认识到没有可用来描述复杂系统的足够精确的模型,基于还原论的现有控制理论和方法难以发挥有效作用.在此基础上,提出了应对这类复杂系统问题的平行控制方法,阐述了其ACP思想、基本原理和优势等.同时对控制理论的发展历史做了简要描述,证明平行控制理论的产生是必然的.并阐述了平行控制理论的核心技术.最后介绍了平行控制系统平台及其在乙烯生产和城市交通中的应用,描述了平行控制理论研究和应用实践的前景与展望.
【总页数】12页(P1-12)
【作者】王飞跃;刘德荣;熊刚;程长建;赵冬斌
【作者单位】中国科学院自动化研究所复杂系统管理与控制国家重点实验室,北京100190;中国科学院自动化研究所北京市智能化技术与系统工程技术研究中心,北京100190
【正文语种】中文
【中图分类】TP11;N94;TP273
【相关文献】
1.现代控制理论在复杂控制系统设计中的应用 [J], 惠俊军
2.控制理论与方法在复杂软件系统设计中的应用 [J], 戴航;慕德俊
3.复杂系统的平行控制理论及应用研究 [J], 赵亮
4.复杂控制系统设计中现代控制理论的应用 [J], 黎璧义
5.复杂控制系统设计中现代控制理论的应用 [J], 李奎
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