实时反馈控制

实时反馈控制将系统的输出信息返送到输入端、与输入信息进行比较、并利用二者的偏差进行控制的过程01基本概念反馈控制实时控制目录030204基本信息反馈控制是指将系统的输出信息返送到输入端，与输入信息进行比较，并利用二者的偏差进行控制的过程。实时控制利用数字电子计算机对事物连续变化过程的状态及时收集，并按预先规定的程序选择最佳方案，实现对事物变化过程的自动控制。实时控制的范围很广，可以利用它精确控制导弹、卫星、火箭的发射过程和飞行过程;实现生产过程自动化或装备数控机床;实现对各种生产过程的最优控制和铁路运输的调度和编组。随着科学技术的进步，实时控制的应用领域更加广泛，控制精度也将不断提高。实时反馈控制是指利用数字电子计算机对事物连续变化过程的状态及时收集，并且将其作为系统的输入信息，然后将系统的输出信息返送到输入端，与输入信息进行比较，并利用二者的偏差进行控制的过程。基本概念基本概念反馈控制是指将系统的输出信息返送到输入端，与输入信息进行比较，并利用二者的偏差进行控制的过程。实时控制利用数字电子计算机对事物连续变化过程的状态及时收集，并按预先规定的程序选择最佳方案，实现对事物变化过程的自动控制。实时控制的范围很广，可以利用它精确控制导弹、卫星、火箭的发射过程和飞行过程;实现生产过程自动化或装备数控机床;实现对各种生产过程的最优控制和铁路运输的调度和编组。随着科学技术的进步，实时控制的应用领域更加广泛，控制精度也将不断提高。实时反馈控制是指利用数字电子计算机对事物连续变化过程的状态及时收集，并且将其作为系统的输入信息，然后将系统的输出信息返送到输入端，与输入信息进行比较，并利用二者的偏差进行控制的过程。实时控制模型基本概念实时控制基本概念近年来，随着计算机、通信等科学技术的快速发展与应用，络化、嵌入式计算在控制系统工程中的重要性日益显著。迄今为止，络化嵌入式设备在应用数量上己经远远超过了各种通用计算机，其应用领域遍及航空航天、仪器仪表、过程控制、通讯、军事装备以及消费电子等。在实时系统中，任务的正确性不仅依赖于结果在逻辑与数值上的正确性，而且还与结果的产生时间紧密相关。显然，控制系统组成了一类极为重要的实时系统。由于实际应用中几乎所有的控制系统都是采用数字技术并基于一定的计算、通信平台来实现的，因此实时性对于控制系统的设计与实现起着至关重要的作用。以实时系统的观点，系统的实时性在很大程度上取决于资源的可获取性，即系统能否在特定的时间内成功获得足够的资源来完成任务的执行。在现代实时控制系统(Real-TimeControlSystems,RTCS)中，典型的资源包括控制器处理能力(CPU速率)、能量和通信络带宽等。与通用系统如桌面计算机不同的是，RTCS中绝大部分的络化嵌入式平台都是资源受限的。其原因往往是多方面的。从技术角度看，由于实际应用需求等原因，嵌入式设备往往受到体积、重量等物理因素的限制，因而不可避免地导致了系统在CPU速率方面的局限性。为了提供确定性的实时通信，控制络通常只能提供远小于以太(Ethernet)等非实时络的数据传输速率。而对于越来越多的采用电池供电的嵌入式设备来说，能量则成了一个自然的约束，特别是在电池技术的发展还远远没有跟上能耗增长脚步的今天。从经济方面考虑，为了尽可能降低开发成本，在大多数情况下实际系统并不会选用速率最高的CPU或带宽最大的通信络，因为这些往往意味着过高的经济代价。模型实时控制系统的规模无论大小，都包括如图1所示的基本组成部分:1.输入/输出模块，提供输入/输出通道。输入通道通过传感器与被控设备接口取得设备的状态信息，如温度、压力、流量、磁场强度等以及各种开/关状态。输出通道通过动作器与被控设备接口向设备传送控制指令或设定各种控制量。2.以微处理器为核心的处理器。图1一般来说，系统各单元的工作模式既可以是时间驱动，也可以是事件驱动的。时钟驱动是指络节点在一个事先确定的时间到达时开始它的动作，事先确定的时间到为络节点动作的依据，本文所说的时钟驱动中的时钟是指节点的采样时刻。事件驱动是指络节点在一个特定的事件发生时便开始它的动作，本文所说的事件驱动中的事件是指络节点通过数据络从另外一个络节点接收到数据。事件驱动相比于时钟驱动具有以下优点:当控制器和执行器为事件驱动时，从源节点(这里指传感器或控制器)发送的数据一到达目标节点(这里指控制器或执行器)便马上动作，避免了控制器或执行器为时钟驱动时的数据等待被采样的时间，客观上减少了络诱导时延;当控制器或执行器为事件驱动时，避免了控制器或执行器为时钟驱动时的与传感器时钟同步的困难;也避免了控制器或执行器为时钟驱动时容易持续的无效采样和数据丢失，提高了反馈数据的利用率。反馈控制基本概念研究背景模型反馈控制基本概念反馈控制是指将系统的输出信息返送到输入端，与输入信息进行比较，并利用二者的偏差进行控制的过程。反馈控制其实是用过去的情况来指导现在和将来。在控制系统中，如果返回的信息的作用是抵消输入信息，称为负反馈，负反馈可以使系统趋于稳定；若其作用是增强输入信息，则称为正反馈，正反馈可以使信号得到加强。在自动控制理论中，“反馈控制”是信号沿前向通道（或称前向通路）和反馈通道进行闭路传递，从而形成一个闭合回路的控制方法。反馈信号分“正反馈”和“负反馈”两种。为了和给定信号比较，必须把反馈信号转换成与给定信号具有相同量刚和相同量级的信号。控制器根据反馈信号和给定信号相比较后得到的偏差信号，经运算后输出控制作用去消除偏差，使被控量（系统的输出）等于给定值。闭环控制系统都是负反馈控制系统。反馈控制具有许多优点。首先它为管理者提供了关于计划执行的效果的真实信息。此外，反馈控制可以增强员工的积极性。反馈控制的主要缺点是时滞问题，即从发现偏差到采取更正措施之间可能有时间延迟现象，在进行更正的时候，实际情况可能已经有了很大的变化，而且往往是损失已经造成了。系统本身的工作效果，反过来又作为信息指导该系统的工作，叫做反馈调节。模型对于一个实时的控制系统来说，可以根据控制方式和作用的效果分成以下几种：(1)开环控制系统开环控制指一个控制系统作用于控制对象后，输出不再影响系统。开环控制的控制结果不再对原系统的输入产生作用。开环控制一般使用静态的模型，以离散状态来描述描述连续的物理变化，非常不精确。交通信号控制中的TRANSYT系统和SCATS系统都是典型的开环控制系统。他们试图用简单的静态数学模型来描述交通流的变化，而没有意识到城市交通流的变化是一个复杂的不可预知的随机过程，使用开环控制的方法不能够适应交通流的随机变化，控制效果自然会受到影响。(2)被动响应式控制响应式控制指动态获得控制对象状态，然后做出反应，进行控制，改变控制对象的状态，如此循环。响应式控制每次获得对象当前状态后再进行控制，具有滞后性，不能够及时处理交通流的随机变化。交通信号控制中的SCOOT系统采用的就是响应式控制，通过检测器数据对当前交通流状况进行优化，然后以小增量的方式作用于交通流。这种被动控制的方式使信号控制始终落后于交通流的变化，会造成控制效果的下降。研究背景非线性系统的闭环反馈控制在实际工程应用中有着重要作用，例如，可应用于混沌Genesio系统的控制与同步，永磁式步进电机的控制，绳系卫星系统的释放与回收控制等等。与开环控制相比，闭环控制采用当前时刻的真实状态求解当前时刻的控制输入，可以有效地减小外部干扰对控制效果的影响。通过闭环反馈控制，可以使非线性系统更有效地达到稳定状态。对于某些具有内在不稳定性的强非线性系统，例如绳系卫星系统的释放与回收控制问题，闭环反馈控制相比开环控制有着不可替代的优势。滚动时域控制(RecedingHorizonControl,RHC)作为一种有效的模型预测控制方法能够起到闭环反馈控制的效果，且滚动时域控制能够为线性与非线性系统的反馈控制提供一种相对简单的方法，将其应用于线性时不变系统、线性时变系统以及非线性系统时，最终都能得到一个稳定的闭环系统。基于对偶变量变分原理与生成函数提出了一种求解线性系统滚动时域控制问题的保辛解法，此方法满足最优控制解的最优性一阶必要条件，这种保辛算法最终将线性滚动时域控制问题转化成一组稀疏对称非负定的线性方程组进行求解，避免了对Riccati微分方程的大量数值积分运算，从而提高了线性系统滚动时域控制问题的数值求解效率。从数学结构上讲，非线性最优控制系统可以采用Hamilton正则方程描述，而Hamilton系统的相流应当保持其本身固有的辛几何结构。在求解过程中保持了原有系统的辛几何结构，因此是一种保辛算法。将保辛方法从线性系统的闭环反馈控制推广到非线性系统的闭环反馈控制。图3FIB-CVD实时反馈控制的系统示意图。通过使用测量精度达0.01pA的超精密电流计测器(美国Keithley公司制，型号6514