自動(dòng)控制發(fā)展ppt課件

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2.4 自動(dòng)控制的發(fā)展概況,1,自動(dòng)控制的兩個(gè)組成部分,自動(dòng)控制理論是分析和設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的工具和基礎(chǔ)，相當(dāng)于“軟件”；自動(dòng)控制技術(shù)則著重在控制系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)方面,2,2.4.1 自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展概況,自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展取決于每個(gè)階段應(yīng)用技術(shù)所能達(dá)到的水平； 早期的自動(dòng)控制只能依靠簡(jiǎn)單的機(jī)械裝置、氣動(dòng)機(jī)構(gòu)、液壓傳動(dòng)裝置等； 隨著電的發(fā)明，很多電氣、電子元器件及設(shè)備相繼問(wèn)世，繼電器、接觸器、電阻、電容、電感、電位器、放大器等陸續(xù)應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)，使控制性能得到提升；,3,上述器件所構(gòu)成的控制裝置只能實(shí)現(xiàn)模擬控制，改變控制方法或控制參數(shù)就得更換相應(yīng)的硬件，而且很多復(fù)雜一點(diǎn)的控制方法還無(wú)法實(shí)現(xiàn)或?qū)崿F(xiàn)起來(lái)很困難； 計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)從根本上改變了自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)方式，控制方法和控制參數(shù)在計(jì)算機(jī)里只是一組程序（稱(chēng)為“控制算法”），修改很方便，而且無(wú)論控制算法簡(jiǎn)單還是復(fù)雜，都一樣可以實(shí)現(xiàn)，因此計(jì)算機(jī)在控制領(lǐng)域迅速推廣和普及； 常用的數(shù)字化控制裝置包括單片機(jī)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、可編程邏輯控制器、數(shù)字信號(hào)處理器等。,4,單片機(jī),單片機(jī)是在一塊芯片上集成了微處理器、存儲(chǔ)器及接口電路等，在計(jì)算機(jī)家族里體積最小、價(jià)格最便宜、應(yīng)用非常普遍，一輛普通轎車(chē)?yán)锍３Ｓ袔资畟€(gè)單片機(jī)在工作。,5,工業(yè)控制計(jì)算機(jī),工控機(jī)類(lèi)似普通微機(jī)，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(qiáng)了針對(duì)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(jiǎn)稱(chēng)“PLC”）,PLC包含了邏輯運(yùn)算、順序控制、算術(shù)運(yùn)算及定時(shí)和計(jì)數(shù)等功能，是專(zhuān)為工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計(jì)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(lái)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(yīng)用范圍越來(lái)越廣。,7,數(shù)字信號(hào)處理器 （ Digital Signal Processor，簡(jiǎn)稱(chēng)“DSP” ）,DSP的計(jì)算和處理功能相當(dāng)強(qiáng)大，早期主要用于信號(hào)處理領(lǐng)域，價(jià)格也較昂貴，但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，價(jià)格不斷降低，因而近年來(lái)在控制領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越多,8,計(jì)算機(jī)控制方式的演變,第一階段：集中控制 用一臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)控制多臺(tái)機(jī)器或設(shè)備，輪流采集反饋信息，計(jì)算出所需要的控制量后輪流輸出給每臺(tái)機(jī)器或設(shè)備，屬于“分時(shí)控制”，主要缺點(diǎn)是可靠性差。,9,第二階段：?jiǎn)螜C(jī)控制 一臺(tái)計(jì)算機(jī)只控制一臺(tái)機(jī)器或設(shè)備，主要優(yōu)點(diǎn)是控制風(fēng)險(xiǎn)小。這種方式在今天也很常見(jiàn)，如冰箱、空調(diào) 、電飯煲的控制等。,10,第三階段：分散控制 對(duì)于多臺(tái)相互關(guān)聯(lián)的機(jī)器或設(shè)備，每臺(tái)機(jī)器或設(shè)備都單獨(dú)用一個(gè)數(shù)控裝置來(lái)控制（單機(jī)控制方式），但與上層的協(xié)調(diào)和管理計(jì)算機(jī)有信息交互，屬于網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)。 典型例子有： 計(jì)算機(jī)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(chǎng)總線控制系統(tǒng) FCS （Fieldbus Control System）,11,一種網(wǎng)絡(luò)化的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng),12,現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：管控一體化,一個(gè)生產(chǎn)企業(yè)往往可能同時(shí)采用了好幾種網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)，并與管理系統(tǒng)連為一體，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫銜接。 現(xiàn)代生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)通常具有三層結(jié)構(gòu)：,例如，最底層是基礎(chǔ)自動(dòng)化層，以PCS（過(guò)程控制系統(tǒng)）為代表；第二層是生產(chǎn)過(guò)程運(yùn)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(yíng)優(yōu)化層，以ERP（企業(yè)資源管理）為代表。,13,基礎(chǔ)層主要包括DCS、FCS、各種先進(jìn)控制軟件、檢測(cè)裝置、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)等； 運(yùn)行優(yōu)化層主要包括建模、計(jì)劃與調(diào)度、實(shí)時(shí)優(yōu)化、故障診斷與維護(hù)、質(zhì)量控制、成本控制等； 經(jīng)營(yíng)優(yōu)化層主要包括企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）、供應(yīng)鏈管理（SCM）、客戶關(guān)系管理（CRM）、設(shè)備資源管理、企業(yè)電子商務(wù)平臺(tái)等； 這樣的管控一體化系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在線成本的預(yù)測(cè)、控制和反饋校正，還可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全過(guò)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(dòng)化系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)示意圖,15,2.4.2 自動(dòng)控制理論的發(fā)展概況,幾個(gè)常用術(shù)語(yǔ)： 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(lái)描述其運(yùn)動(dòng)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(dāng)輸入信號(hào)按一定比例放大或縮小時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出也放大或縮小同樣比例。 疊加性：多個(gè)輸入同時(shí)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(shí)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(shí)間而改變；時(shí)變系統(tǒng)則正好相反，有隨時(shí)間而改變的參數(shù)。,實(shí)際系統(tǒng)都屬于時(shí)變系統(tǒng)，但當(dāng)參數(shù)變化較慢、且變化幅度不大時(shí)，我們可以近似看作定常系統(tǒng)。,實(shí)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(yán)重，因此可以近似看作線性系統(tǒng)來(lái)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(shuō)系統(tǒng)只有一個(gè)輸入和一個(gè)輸出，又稱(chēng)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(gè)，也叫“多輸入多輸出系統(tǒng)” 。,④連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)和離散時(shí)間系統(tǒng) 連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)是指系統(tǒng)中的所有變量均為時(shí)間的連續(xù)函數(shù)（連續(xù)信號(hào)）；離散時(shí)間系統(tǒng)則主要指包含計(jì)算機(jī)等數(shù)字設(shè)備的系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)的輸入輸出數(shù)據(jù)都是離散信號(hào)，但計(jì)算機(jī)操縱的機(jī)器或設(shè)備（受控對(duì)象）一般屬于連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)。,18,19,⑤ 恒值與隨動(dòng)控制系統(tǒng),恒值控制系統(tǒng)： 系統(tǒng)輸入（給定信號(hào)）為一常值，控制目標(biāo)是使系統(tǒng)輸出（被控量）保持恒定。 如溫度、水位、轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng),20,隨動(dòng)控制系統(tǒng)： 又稱(chēng)為伺服（servo）控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的給定輸入是隨時(shí)間任意變化的函數(shù)，控制目標(biāo)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(jī)床按設(shè)定軌跡加工零件，雷達(dá)及高炮跟蹤飛機(jī)，太陽(yáng)能電池板跟蹤太陽(yáng)等。,21,自動(dòng)控制理論發(fā)展的三個(gè)階段,自動(dòng)控制理論的發(fā)展一直受到實(shí)際需求的驅(qū)動(dòng)； 20世紀(jì)前半葉工業(yè)生產(chǎn)對(duì)廣泛應(yīng)用各種自動(dòng)控制裝置的需求以及“二戰(zhàn)”期間對(duì)改進(jìn)武器系統(tǒng)性能的需求（如雷達(dá)跟蹤、火炮控制、艦船控制、飛機(jī)導(dǎo)航等）推動(dòng)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(jì)60年代航空航天領(lǐng)域?qū)\(yùn)載火箭、人造衛(wèi)星、導(dǎo)彈、飛機(jī)等各類(lèi)飛行器進(jìn)行精確控制的需求催生了被稱(chēng)為“現(xiàn)代控制理論”的第二代控制理論；,22,20世紀(jì)70年代以來(lái)控制系統(tǒng)的規(guī)模越來(lái)越大、結(jié)構(gòu)和特性越來(lái)越復(fù)雜、對(duì)控制性能的要求卻越來(lái)越高，從而導(dǎo)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(méi)有明確的定義和范圍，一般泛指各種先進(jìn)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(yù)測(cè)控制、自適應(yīng)控制、多變量頻域控制、非線性系統(tǒng)控制等，其共同特點(diǎn)是都針對(duì)控制難度較大的一些復(fù)雜系統(tǒng)，因此第三代控制理論的總體發(fā)展趨勢(shì)可能是“復(fù)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(jié)構(gòu)一般很簡(jiǎn)單（如PID控制），需要設(shè)置和調(diào)整的參數(shù)很少，是以簡(jiǎn)單的控制結(jié)構(gòu)來(lái)獲取相對(duì)滿意的控制性能。 處理的受控對(duì)象是最簡(jiǎn)單的一類(lèi)系統(tǒng)，即單輸入單輸出線性定常系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的描述一般采用微分方程（針對(duì)連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)）或差分方程（針對(duì)離散時(shí)間系統(tǒng)）；由于直接針對(duì)這樣的時(shí)間域方程進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)比較困難，所以通常要先變換為復(fù)數(shù)域的代數(shù)方程或頻率特性的形式。,24,分析和設(shè)計(jì)主要通過(guò)作圖，直觀簡(jiǎn)便，物理概念清楚，參數(shù)調(diào)整的方針明確，最具代表性、實(shí)際應(yīng)用最多的是“頻率分析法”，即根據(jù)頻率響應(yīng)特性分析反饋系統(tǒng)的性能； 主要缺點(diǎn)是只能用于單輸入單輸出線性定常系統(tǒng)，設(shè)計(jì)過(guò)程需要多次嘗試，設(shè)計(jì)結(jié)果不具備最優(yōu)性； 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)主要是以微積分為主要內(nèi)容的高等數(shù)學(xué)、面向工程應(yīng)用的復(fù)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(chēng)為“現(xiàn)代控制理論”，以“狀態(tài)變量”和“狀態(tài)方程”為基礎(chǔ) ； “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(lái)描述系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一組一階微分方程； 可以通過(guò)直接求時(shí)間解來(lái)進(jìn)行分析，屬于“時(shí)域法” ； 核心概念是“能控性”和“能觀測(cè)性”，“能控性”指系統(tǒng)的狀態(tài)變量能否通過(guò)控制量來(lái)任意改變，而“能觀測(cè)性” 指能否由檢測(cè)的輸出變量得知狀態(tài)變量；,26,“能控性”體現(xiàn)了能否對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效控制，“能觀測(cè)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(diǎn)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(shí)間控制等； 狀態(tài)空間法的主要缺點(diǎn)是基于精確數(shù)學(xué)模型，而且實(shí)現(xiàn)狀態(tài)反饋通常需要構(gòu)建 “狀態(tài)觀測(cè)器”，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制性能下降，因而在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用遠(yuǎn)不如經(jīng)典理論普遍； 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)主要是線性代數(shù)、矩陣?yán)碚摰取?27,3. 第三代控制理論—— 各種新型控制理論及方法,網(wǎng)絡(luò)化使我們面臨的系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜、規(guī)模越來(lái)越大，控制難度不斷增加，對(duì)控制性能的要求又越來(lái)越高，因此自上世紀(jì)70年代以來(lái)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(jiǎn)單實(shí)用，屬于“頻域方法”，較狀態(tài)空間法更能適應(yīng)系統(tǒng)的不確定性，包括模型不準(zhǔn)確或有外部擾動(dòng)等，但它只能用于單輸入單輸出系統(tǒng)，上世紀(jì)70年代英國(guó)率先提出了“多變量頻域方法”，被稱(chēng)為“頻域法的復(fù)歸”； “多變量頻域法”實(shí)際上只是經(jīng)典頻域法的一種擴(kuò)展，繼承和保留了經(jīng)典方法的很多特點(diǎn)，也包括一些缺陷，設(shè)計(jì)過(guò)程需要大量作圖、反復(fù)試湊，控制器的結(jié)構(gòu)受到限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能最優(yōu)；,29,從上世紀(jì)70年代末到80年代中期，一種全新的頻域控制理論在美國(guó)和加拿大逐漸形成，并逐漸得到推廣應(yīng)用； 其主要特點(diǎn)是首先將保證反饋系統(tǒng)穩(wěn)定的所有控制器表達(dá)為一個(gè)自由參數(shù)的函數(shù)，然后在此基礎(chǔ)上對(duì)控制性能進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化過(guò)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(shè)計(jì)方法是統(tǒng)一的，可同時(shí)適用于單變量和多變量系統(tǒng)、連續(xù)和離散時(shí)間系統(tǒng)。,30,魯棒控制（Robust control）,“魯棒” 源于英語(yǔ)的“robust”，意思是“強(qiáng)健的”，是音譯與意譯相結(jié)合的一種翻譯； 我們說(shuō)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(dòng)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(gè)基本問(wèn)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(duì)系統(tǒng)最基本的要求，不穩(wěn)定的系統(tǒng)會(huì)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(shè)備損壞，無(wú)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(dòng)，控制器也能使系統(tǒng)的輸出信號(hào)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(lái)設(shè)計(jì)控制器的，在模型準(zhǔn)確且不考慮擾動(dòng)的情況下，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的性能稱(chēng)為“標(biāo)稱(chēng)性能”或“名義性能” （nominal performance）； 魯棒性能：在模型不準(zhǔn)確或存在擾動(dòng)影響時(shí)，我們?cè)O(shè)計(jì)的控制器能使系統(tǒng)的實(shí)際性能盡可能接近標(biāo)稱(chēng)性能。,魯棒控制是一個(gè)總的稱(chēng)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(shí)現(xiàn)魯棒控制。,33,自適應(yīng)控制（Adaptive Control）,指控制器能自動(dòng)適應(yīng)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(dòng)的變化等； 如何來(lái)自動(dòng)適應(yīng)這些變化呢？首先需要獲取系統(tǒng)工作狀態(tài)的相關(guān)變化信息，然后根據(jù)這些信息去調(diào)整控制結(jié)構(gòu)和控制參數(shù)，以保證系統(tǒng)始終工作正常； 始于上世紀(jì)50年代，但一直是研究熱點(diǎn)，屬于“以變應(yīng)變”，理念很先進(jìn)。,34,自適應(yīng)控制的基本特征：,能夠辨識(shí)對(duì)象參數(shù)及環(huán)境的變化； 能自動(dòng)判斷和評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能好壞； 能自動(dòng)調(diào)整控制策略或控制器參數(shù)。,35,自適應(yīng)控制常見(jiàn)的三種類(lèi)型：,增益預(yù)調(diào)控制（Gain scheduling control） 查詢表事先計(jì)算好，早期只調(diào)控制器增益。,優(yōu)點(diǎn): 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 調(diào)節(jié)快速。 ( 最早用于飛行控制，適應(yīng)高度、速度變化）,36,② 自校正控制（Self-tuning control）,參數(shù)估計(jì): 由輸入輸出數(shù)據(jù)辨識(shí)對(duì)象參數(shù),控制器計(jì)算: 根據(jù)對(duì)象參數(shù)實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)控制器，有多種現(xiàn)成方法,優(yōu)點(diǎn): 分析、設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)都比較容易,缺點(diǎn):參數(shù)估計(jì)比較費(fèi)時(shí)，自適應(yīng)速度較慢，對(duì)象參數(shù)變化快時(shí)，參數(shù)估計(jì)跟不上。,應(yīng)用：各類(lèi)生產(chǎn)過(guò)程,37,③ 模型參考自適應(yīng)控制 （Model reference adaptive control）,目標(biāo)：調(diào)整 控制器，使輸出誤差最小,優(yōu)點(diǎn): 無(wú)須參數(shù)辨識(shí), 自適應(yīng)速度快，常用于隨動(dòng)系統(tǒng) 缺點(diǎn)：性能分析比較困難，設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，且缺乏統(tǒng)一方法,38,預(yù)測(cè)控制（Predictive Control）,一種新型的計(jì)算機(jī)控制算法，直接來(lái)源于工業(yè)過(guò)程的控制實(shí)踐。 1980年前后分別由法國(guó)的Richalet和美國(guó)Shell石油公司的Cutler兩位工程師獨(dú)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(lǐng)域推廣應(yīng)用最多的一種先進(jìn)控制策略，涉及化工、造紙、冶煉、電力、航空、汽車(chē)、食品加工等行業(yè)。,39,預(yù)測(cè)控制的基本思路,模型預(yù)測(cè)：基于受控系統(tǒng)的模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，即通過(guò)受控系統(tǒng)的輸入輸出方程來(lái)了解改變控制量會(huì)如何影響系統(tǒng)未來(lái)的輸出值。,40,反饋校正：利用檢測(cè)到的實(shí)際輸出值與以前預(yù)測(cè)的當(dāng)前輸出值進(jìn)行比較，并依據(jù)該誤差信息來(lái)修正模型預(yù)測(cè)值；反饋校正的實(shí)質(zhì)是利用當(dāng)前及以前時(shí)刻的誤差信息來(lái)估計(jì)未來(lái)的誤差，屬于對(duì)誤差的預(yù)測(cè)。,41,滾動(dòng)優(yōu)化：計(jì)算最優(yōu)控制量，使預(yù)測(cè)誤差最小化，同時(shí)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(dòng)”指每一時(shí)刻的優(yōu)化都只考慮未來(lái)有限的時(shí)間長(zhǎng)度，而且隨時(shí)間滾動(dòng)向前。,42,預(yù)測(cè)控制的主要特點(diǎn),有限時(shí)域優(yōu)化，即每步優(yōu)化都只考慮未來(lái)有限的時(shí)間長(zhǎng)度，計(jì)算量有限，因而可以在線實(shí)時(shí)地進(jìn)行計(jì)算。 “模型預(yù)測(cè)”所采用的模型可靈活選用，如階躍響應(yīng)、脈沖響應(yīng)、差分方程、非線性輸入輸出方程、模糊語(yǔ)言模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等。 設(shè)計(jì)過(guò)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(qiáng)，且可用于時(shí)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(jì)算）直接表達(dá)為算法，因此靈活多樣（線性、非線性、解析求解、數(shù)學(xué)規(guī)劃法數(shù)值求解、智能控制方法等）。 主要問(wèn)題是控制策略直接表達(dá)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(wú)全面而系統(tǒng)的分析結(jié)果。,44,大系統(tǒng)控制和復(fù)雜系統(tǒng)控制,電力系統(tǒng)、城市交通系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、制造系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)等都是常見(jiàn)的大系統(tǒng)和復(fù)雜系統(tǒng)。 這類(lèi)系統(tǒng)具有規(guī)模大、變量多、難建模、非線性、大時(shí)滯、強(qiáng)關(guān)聯(lián)等特征，且約束條件和控制目標(biāo)多，因此控制難度相當(dāng)大。 對(duì)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(lái)進(jìn)行控制，即分解為多個(gè)子系統(tǒng)，再統(tǒng)一協(xié)調(diào)各個(gè)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(dú)立地控制各個(gè)路口的紅綠燈，而且是簡(jiǎn)單地定時(shí)切換，屬于開(kāi)環(huán)控制。 更先進(jìn)的控制方式是對(duì)每個(gè)路口都實(shí)行反饋控制，即通過(guò)一些檢測(cè)手段獲取不同方向的車(chē)流量信息，結(jié)合智能控制方法動(dòng)態(tài)地切換紅綠燈，以最大限度地減小等待時(shí)間，增大道路通行量。,反饋控制為了解決各個(gè)路口之間的配合問(wèn)題，需要在上層設(shè)置協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)，對(duì)各路口進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)處理，包括對(duì)交通信息的綜合分析、處理及決策，對(duì)各路口指令信號(hào)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(dú)立控制各個(gè)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(méi)有，好處是子系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)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(fēng)險(xiǎn)，又便于統(tǒng)一進(jìn)行管理和協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的綜合優(yōu)化。 另外還有將控制結(jié)構(gòu)分為多個(gè)層次、形成一級(jí)控制一級(jí)的“分級(jí)遞階控制”，以及將大系統(tǒng)按功能或時(shí)間進(jìn)行劃分的“分段控制”等。,47,復(fù)雜系統(tǒng)控制,復(fù)雜系統(tǒng)主要指結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)模大，有很強(qiáng)的時(shí)變性、非線性、不確定性以及各種無(wú)法預(yù)料的擾動(dòng)等；簡(jiǎn)單地講，所有控制難度大的系統(tǒng)都可以看作復(fù)雜系統(tǒng)，包括大系統(tǒng)。 很多情況下，要有效地控制好復(fù)雜系統(tǒng)需要綜合運(yùn)用多種控制模式、多種控制方法和其他相關(guān)技術(shù)；各種方法和技術(shù)的綜合集成應(yīng)當(dāng)是解決復(fù)雜系統(tǒng)控制問(wèn)題的有效途徑，是很有價(jià)值的研究方向，實(shí)際上也反映了當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)。,48,復(fù)雜系統(tǒng)的控制除了要處理各種時(shí)間變量外，常常還需要處理圖象、文字、語(yǔ)音等信息。 在信息較豐富的情況下，要進(jìn)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(shù)，有時(shí)還應(yīng)充分利用人的智慧，把人也看作智能系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，人機(jī)結(jié)合去完成任務(wù)，而不是追求完全的“無(wú)人化”。 總的來(lái)講，復(fù)雜系統(tǒng)控制尚處在發(fā)展和探討過(guò)程中，有很多問(wèn)題尚未解決，面臨著眾多挑戰(zhàn)，但同時(shí)又醞釀著新的突破，必將迎來(lái)新的發(fā)展高潮。,End of Chapter 2,49,