控制的方法与思想

1控制的方法与思想课程报告教师徐胜元学院化工学院学号913103860626班级9131038606姓名李迎静二〇一四年四月二十日星期日2一.控制论的基本概念、思想和方法1.控制论的基本概念和基本思想控制论强调系统的行为能力和系统的目的性。维纳提出了负反馈概念和功能模拟法。行为——系统在外界环境作用（输入）下所作的反应（输出）。人和生命有机体的行为是有目的、有意识的。生物系统的目的性行为又总是同外界环境发生联系，这种联系是通过信息的交换实现的。外界环境的改变对生物体的刺激对生物系统来说就是一种信息输入，生物体对这种刺激的反应对生物系统来说就是信息的输出。控制论认为任何系统要保持或达到一定目标，就必须采取一定的行为。输入和输出就是系统的行为。反馈——系统输出信息返回输入端，经处理，再对系统输出施加影响的过程。反馈分正反馈和负反馈。负反馈是控制论的核心问题。正反馈——反馈信息与原信息起相同的作用，使总输入增大。系统目标偏离。加剧系统不稳定。负反馈——反馈信息与原信息起相反的作用，使总输入减小。系统目标偏离减小。系统稳定。负反馈系统简介——如图所示，负反馈是指将系统的输出引回来与给定输入相比较，计算出输出与输入的误差，通过控制算法，使控制器的输出作为被控对象的输入，从而使被控对象的误差减小。3图1.控制系统框图控制论的研究表明，无论自动机器，还是神经系统、生命系统，以至经济系统、社会系统，撇开各自的质态特点，都可以看作是一个自动控制系统。在这类系统中有专门的调节装置来控制系统的运转，维持自身的稳定和系统的目的功能。控制机构发出指令，作为控制信息传递到系统的各个部分（即控制对象）中去，由它们按指令执行之后再把执行的情况作为反馈信息输送回来，并作为决定下一步调整控制的依据。这样我们就看到，整个控制过程就是一个信息流通的过程，控制就是通过信息的传输、变换、加工、处理来实现的。反馈对系统的控制和稳定起着决定性的作用，无论是生物体保持自身的动态平稳（如温度、血压的稳定），或是机器自动保持自身功能的稳定，都是通过反馈机制实现的。控制论就是研究如何利用控制器，通过信息的变换和反馈作用，使系统能自动按照人们预定的程序运行，最终达到最优目标的学问。它是自动控制、通讯技术、计算机科学、数理逻辑、神经生理学、统计力学、行为科学等多种科学技术相互渗透形成的一门横断性学科。它研究生物体和机器以及各种不同基质系统的通讯和控制的过程，探讨它们共同具有的信息交换、反馈调节、自组织、自适应的原理和改善系统行为、使系统稳定运行的机制，从而形成了一4大套适用于各门科学的概念、模型、原理和方法。2.控制论的基本方法控制论是具有方法论意义的科学理论。控制论的理论、观点，可以成为研究各门科学问题的科学方法，这就是撇开各门科学的质的物点，把它们看作是一个控制系统，分析它的信息流程、反机制和控制原理，往往能够寻找到使系统达到最佳状态的方法。这种方法称为控制方法。控制论的主要方法有控制方法、信息方法、反馈方法、功能模拟方法和黑箱方法等。信息方法——是把研究对象看作是一个信息系统，通过分析系统的信息流程来把握事物规律的方法。反馈方法——则是动用反馈控制原理去分析和处理问题的研究方法。所衷肠反馈控制就是由控制器发出的控制信息的再输出发生影响，以实现系统预定目标的过程，正反馈能放大控制作用，实现自组织控制。但也使偏差愈益加大，导致振荡。负反馈能纠正偏差，实现稳定控制，但它减弱控制作用、损耗能量。功能模拟法——用功能模型来模仿客体原型的功能和行为的方法。所谓功能模型就是只以功能行为是相似为基础而建立的模型。如猎手瞄准猎物的过程与自动火炮系统的功能行为是相似的，但二者的内部结构和物理过程是截然不同的，这就是一种功能模拟。功能模拟法为仿生学、人工智能、价值工程提供了科学方法。黑箱方法（又称系统辨识）——通过考察系统的输入与输出关系5认识系统功能的研究方法。它是探索复杂大系统的重要工具。系统辨识是在输入、输出的基础上，从一类系统中确定一个与所测系统等价的系统。黑箱就是指那些不能打开箱盖，又不能从外部观察内部状态的系统。黑箱方法也是控制论的主要方法。具体是：首先给黑箱一系列的刺激（系统输入），再通过观察黑箱的反应（系统输出），从而建立起输入和输出之间的规律性联系，最后把这种联系用数学的语言描述出来形成黑箱的数学模型。黑箱方法不涉及复杂系统的内部结构和相互作用的大量细节，而只是从总体行为上去描述和把握系统、预测系统的行为，这在研究复杂系统时特别有用。白箱方法——研究系统的可观性和可控性，通过定量分析找出两者之间的关系。黑箱方法的目的在于通过为黑箱建立模型，是黑箱变成白箱。有时黑箱模型不止一个，这种情况下，系统辨识其中最合理的一个。系统辨识主要步骤是：试验设计、选择模型、参数估计和检验模型。6二.控制论在生活中的应用1.概述控制系统的基本思想是根据误差来调控被控系统，从而消除误差。在我们生活中控制理论随处可见，它广泛的应用在我们的生活中，如空调，空调会根据室内的温度来实时调控温度，当室内的温度高于设定的温度时，空调便会开启，通过压缩机来制冷，使得温度降低，当室内的温度与设定的温度相同时，或在允许的误差范围内时，空调便会停止工作，这样既能节能减排，又可以实时的监控室内的温度，使人们处于一个较舒适的温度下。而当把社会比作一个大的控制系统时，我们可以对它进行建模，然后按照控制论的思想对其进行反馈控制，即根据社会中出现的问题，即社会的实际状况与我们期望的状况之间的差别，通过制定相关的政策、法律以及运用道德来对其进行调整，从而消除差别，实现我们希望的社会状况。典型的例子如房地产的调控便是如此。房子作为人们日常社会的必需品，是每个家庭所必不可少的东西，然后，如今的房子却成了最最奢侈的奢侈品，它的价格已经完完全全超出了人们所能接受的范围，特别是对于一个刚毕业的普通大学生来说，买房子已经成为了遥不可及的梦。由于房价的过快增长已经引发了许许多多的社会问题，这些问题急需解决，房子的价格已经远远超出了人们的预期，这个系统的误差已经大到了不可不调整的地步了，此时便需要政府出面来对其进行调控，使得房子的价格回到一个合理的范围内，于是乎近年来政府相继出台了许许多多的政策来调控房价，这些政策7便像是控制系统中的控制算法。2.闭环控制系统在生活中的应用闭环控制系统指有负反馈的控制系统。在日常生活中到处可见闭环控制系统的应用。闭环控制的思想很简单，就是根据输出与给定输入的误差来控制系统。就像人们驾驶车辆一样，人们不是盲目地按照预定不变的模式来操纵车上的驾驶盘，而是发现靠左了，即产生误差啦，人脑就像控制器，做出一个向右转动方向盘的判断，同时通过手这个执行器来控制方向盘这个被控对象向右边做一个修正，反之亦然。对于社会这个大系统来说，闭环控制的思想就类似于政府对房价的调控，当房价过高时，引起了社会的不稳定，于是政府出台相应的政策来调控房价，且不管这些“控制算法”的效果怎么样，它的目的还是希望房价回到一个平稳的水平上来，这便体现出了一个闭环控制的思想。下面介绍几种生活中应用了闭环控制的例子。2.1恒温控制系统对于恒温系统这个例子，实现方法有两种：人工控制和自动控制。人工控制的恒温控制箱时，人们可以通过调压器改变电阻丝的电流，以达到控制温度的目的。箱内温度是由温度计测量的，人工调节过程可归结如下：（1）观测由测量元件（温度计）测出的恒温箱的温度（被控制量）。（2）将被测温度与要求的温度值（给定值）进行比较，得出偏差的大小和方向。8（3）根据偏差的大小和方向再进行控制。此时人脑相当于控制器，人手相当于执行器。当温度过高时就移动调压器滑动端使电流减小，温度降低。反之使电流变大，温度升高。对于这个简单的控制形式，如果能找到一个控制器代替人的职能，那么这样一个人调节系统就可以变成自动控制系统了。此时恒温箱的温度可以由给定的信号电压控制。当外界因素引起箱内温度变化时，作为测量元件的热电偶，把温度转换成为对应的电压信号。经电压放大、功率放大后，用以改变电机的转速和方向，并通过传动装置拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向着减小电流的方向运动，反之加大电流，直到温度达到给定值为止。即只有在偏差信号为零时，电机才停转。这样完成了所要求的控制任务。而所有这些装置便组成了一个自动控制系统。2.2人工胰岛素建模糖尿病是一种难以治愈的内分泌疾病，其主要危害在于它的并发症，尤其是慢性并发症。随着人们生活水平的提高，人口老龄化以及肥胖发生率的增加，糖尿病的发病率呈逐年上升趋势。中国的糖尿病形势十分严峻，防治工作刻不容缓。人工胰岛是近２０年来临床上模拟人体生理胰岛素分泌的一种智能胰岛素输注系统。人工胰岛一经临床应用，将血糖控制在正常或接近正常水平是非常方便有效的。其主要优点是机体对胰岛素的吸收稳定，使血药浓度趋于平稳，平稳控制血糖，减少低血糖的发生，延9缓糖尿病并发症的发生、发展。闭环式人工胰岛，是对普通人工胰岛的重大改进，能够最好的模拟人体生理胰岛素分泌，是控制血糖的最佳手段，是临床中治疗糖尿病的最安全有效便捷的方式。闭环式人工胰岛系统控制理论模型的建立有利于对糖尿病患者进行更合理的精确的数字化治疗。同时，采用先进控制技术的闭环式人工胰岛系统在多种控制策略的对比上显示出了优异的控制性能。因此，将生物控制论引入闭环式人工胰岛治疗装置无疑是糖尿病治疗理论上的再一次革新。由此可见，当闭环系统应用于生活中时，对于人们的身体健康是很有益的。在医疗方面的还有很多地方用到了闭环控制的思想。2.3变频调速恒压供水控制系统水是人类生产生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能已成为时代特征的今天，我国由于水资源和电能短缺比较严重，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环用水等方面技术一直比较落后，而且自动化程度低．这主要是由于受陈旧的供水设备和输送管路的限制，在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，从而出现水压降低、水供不应求的现象．传统的解决办法是采用高位水箱、水塔和各种气压罐进行蓄水加压，依赖挡板和阀门的阻力调节水流量。这种靠水的势能或气压供水方式具有占地面积大、投资高、水泵电机频繁起动、耗电多、管网水压不稳、爆管现象频繁、水漏失严重等缺点；不仅生活用水容易受到二次污染，而且水泵电机的频繁起动使设备故障率高，检修、维护也存在困难。因此如何利用有效的水源和电能保10证各行各业正常供水，已是迫在眉睫。随着电子技术、交流调速技术的不断完善和计算机技术的迅速发展，在变频调速恒压供水控制系统运用PID闭环控制系统可以得到良好的效果，不仅大大提高了系统的自动化程度，而且也有效地解决了上述问题，减少了能源浪费。由此可见在我们的日常生活中闭环控制的思想随处可见，闭环控制系统到处都在应用，并取得了良好的效果。随着科技的发展，闭环控制将会得到越来越多的应用，会给我们的生活带来更多的便利。2.4社会控制系统类似于机械系统，我们也可以把社会比作一个被控系统，这时我们可以把各种法律、政策、道德比作控制器，将法院、检察院、公安局等政府机关比作执行器。相比机械系统来说，社会控制系统的模型相对难建立，同时它的控制算法也很难得出一个通用的。社会系统是一个反馈的系统模型，它是存在于一定的系统环境中的，而系统环境指的是能与系统的组成部分或整体发生相互作用的一切外界事物的总和。3.小结控制与我们的生活息息相关，合理的利用控制手段，造福于人类，将是我们必修的一课。在建立任何系统之前，首先要明确的是该系统应该具有何种目的性。控制系统的目的性主要表现在施控主体总是力图使被施控客体合乎目的的运行和变化。要实现系统运行的目的性，必须全面了解被控11系统所面临的各种可能性空间及其各种可能状态集合，从各种可能性状态中选取某种状态作为施控目标，再根据被控系统的运行状态，采取相应的控制措施，使被控系统朝着给定的目标进行。社会控制系统建立的目的就是要使社会的发展符合人们的要求，达到社会的和谐以及人民的幸福。通过系统内部的政策、法律控制和组织控制这两个部分实现对社会发展目标的前馈控制，而前馈控制是根据社会在未来的运行过程中