系统科学概论(课件整理).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上在闭环控制系统中, 对系统输出量不断地进行测量并反馈到系统的输入端，与输入量进行比较产生偏差信号，按偏差实现控制。 闭环控制又称为反馈控制；闭环控制系统并不直接测量干扰来实施控制，而是根据干扰引起的偏差信息来实施控制，它对干扰处理的方式是通过偏差信息间接的获得的，是一种后处理的方式。优点：适应面广控制原理简单，易于把握 既能应付有规律的干扰，也能应付无规律的干扰缺点：不能防患于未然组合控制系统由预处理开环控制系统和闭环控制系统组合而成（补小图）2根据控制目的分类第三节 基本控制方式一、反馈控制1、反馈控制的定义及其结构定义：反馈控制就是用反馈的方法使被控量的值和目标值

2、进行比较，然后根据比较的结果对输入值进行修正以达到被控量和目标值一致的控制目的。 由定义可以看出反馈控制中的反馈实际上是负反馈，通常我们把负反馈简称反馈。结构：从以上分析可以看出，反馈控制系统为了实现反馈控制，需要有几个部分组成，下图表达了一个完整的控制系统的主要构成元件和信息传递的方块图。(自己画图)对于一个具体的系统而言，这些元件未必都是完全的，而且各个组成部分的划分也不是十分明确的。 2、反馈控制的局限性反馈控制的优点：只依据施控结果与给定目标的偏差信息来进行调节和控制，而不必事先考察可能出现的干扰因素和测量干扰的大小、强弱，从而给控制带来了很大的方便。局限性：1反馈过时一方面是指检测装

3、置没有及时的检测出被控量值的变化信息并及时传递造成调节和控制过时；另一方面是控制器没有及时地依据偏差信息来实施调节和控制，从而造成的系统沿其偏差方向运行一段时间，增大偏差，降低系统稳定性。 反馈过时所造成的后果积重难返。与其相对应的是反馈及时，就是一旦被控量偏离目标被反馈装置及时检测出来并及时传递给控制器，控制器则及时地处理此信息并利用它及时地加以调节和控制。2正反馈效应负反馈效应的获得取决于施控主体对偏差的性质和方向的判断的准确与否，调节措施得当与否。如果对偏差的性质及方向判断方误，把正向偏差判断为负向的；或把负向偏差判断为正向的；或者虽则对偏差的判断准确，但采取了不得当的调节措施，反其道而

4、行之，都会强化或扩大偏差，加剧系统的不稳定，这就是正反馈效应。 造成正反馈效应的原因有三个：第一，反馈信息失真；第三，比较器不可靠；第三，调节装置变质。3反馈过度或反馈不足所谓反馈过度就是调节装置获得偏差信息后每次都做出了过头的调节，这样虽然消除了原来的偏差，却又在另一个方向上偏离了目标值产生了新的偏差。在实际工作中，这就是矫枉过正。反馈不足则是调节装置获得偏差信息后，每次做出的调节都太弱了，虽然对偏差有所克服，但不足以完全消除偏差 4偏差运行惯性指施控系统及时地实施适度的反馈调节措施后，被控系统具有沿偏差方向继续运行一段时间和距离而并不马上恢复给定状态的性质。5反馈滞后性任何偏差都有一个发展

5、过程，都会经过一个潜行阶段。在偏差运行的潜行阶段，偏差并没有明显地使被控系统的运行状态偏离目标值，这样就检测不到偏差，所以也就不能及时地依据偏差实施反馈控制，从而引起控制的滞后性，也就是说反馈控制不能防患于未然，把偏差消除在萌芽状态。2、 实施反馈控制的原则及时性原则反馈过时 适度性原则反馈过度或不足 准确性原则正反馈效应 随机性原则随机应变能力 前馈-反馈互补原则反馈滞后性二、稳定控制 1、稳定控制的定义及类型稳定控制是指系统的输出保持稳定的一类控制。说明：系统的输出实际上是指的被控量； 保持稳定就是指被控量与目标值保持致，使被控量稳定在某一稳定状态所允许的偏差范围内； 稳定控制的目标值为恒

6、值，不随时间的变化而变化。由以上说明可以看出，稳定控制实际上就是定值控制，同时稳定控制的控制机制是反馈，通过反馈来实现其输出值得稳定，所以它是反馈控制的一种类型。 对于一个稳定控制系统，当外界环境对它没有输入时，它处于平衡稳定状态，而一旦外界环境给以输入（包括干扰），它就失去平衡，处于不稳定状态，为了再次达到稳定状态需要经过一个过度过程，称为动态过程，如图1所示：（补图）在实际稳定控制中，很难达到如图1所示的理想控制状态，大量的稳定控制尤其是那些实施动态稳定控制的过度过程其输出量变化一般表现为一个动荡过程，只不过这种动荡是减幅震荡，其振幅随时间的推移逐渐减弱并最终趋近或达到目标值，进入稳定状态

7、，如图2所示。（画图）分类：一次逼近型 减幅震荡型临界稳定型2、稳定控制的质量指标上升时间tr ：指输出量第一次达到目标值的时间，表示消除偏差的速度。它是反应调节过程快速性的一个指标，对稳定控制系统来说，tr越短越好。过渡过程时间ts：指系统从振荡状态进入稳定状态所需的时间，用来描述稳定控制系统的稳定速度。对稳定控制系统来说，ts越短越好。超调量p：表明系统因惯性造成的过冲现象的严重程度。若在过渡过程中有|y（t）| |J|，则： p （ymaxJ）/J，其中ymax件为y（t）的最大值，一般为第一次达到极值时地数值。对于稳定控制系统来说，超调量越小越好。衰减度：用来描述过渡过程振荡衰减的速度

8、，定义为 =（ymax - y1 ） / ymax ，其中， y1 表示ymax出现 一个周期后y（t）的值。对于稳定系统来说，衰减度越大越好。稳态误差：也叫静差，指过渡过程结束后，系统进入稳定状态，但输出量仍然不能完全达到目标值所剩余的偏差，它反应了稳定控制系统稳定的精度。稳定准确度：是指人们为了达到某一控制目的，要求稳定控制系统达到的最低稳定精度，即实现某一控制目的所允许的最大偏差范围。对稳定控制系统来说，准确度要求高，那么系统的过渡过程就相应延长，系统也就越难稳定，若系统的准确度要求低，则系统越容易进入稳定状态。3.应用实例稳定控制的应用相当广泛，前面我们所举的反馈控制的例子就是这方面的

9、应用。总之，无论是机器系统、生命有机体系统，还是社会系统，凡是涉及到需要稳定的地方，都可以使用稳定控制。 例如：液体稳压器热机内部温度调节部分家用电器的控制三、程序控制和随动控制1、程序控制的定义及类型定义：所谓程序控制就是使被控量按预先给定的方式变化。稳定控制的目的是使被控系统的状态(被控量J)稳定在一个预先给定的不变的状态J的周围。J这种状态是一种平衡态它不随时间的变化而变化，因而在数值上J表示一恒定的常数。 程序控制虽然也是使被控系统的状态保持在预先给定的状态y0（t）的周围，但y0（t） 是时间的函数，随时间的变化而变化，也就是说， yy0（t）是一条预定的随时间变化的规律函数。闭环程

10、序控制系统存储器被控对象施控装置y（t）ty0（t）x 0（t）y（t）构成：由程序控制的定义可知，支配给定状态的规律是预先知道的，所以关于它的程序可以安置在某种存储器里，并把它连接到控制系统上就构成了程序控制系统，如图所示：（补图）开环程序控制系统存储器被控对象施控装置y（t）ty0（t）x 0（t）分类：程序控制系统可以分为两大类：开环程序控制系统和闭环程序控制系统。利用程序控制系统解决问题的步骤：（重要）（补图）1明确所要解决的问题是否属于程序控制问题2选定程序控制方式，是开环还是闭环程序控制3把所要解决的程序控制过程分解为前后相继的若干阶段，计算各个阶段的相关参数，编制程序4设计程序控

11、制的系统模型5通过模型试运行检验模型，修改模型6依照模型的组成元件选定构成程序控制系统的各个元件7组装程序控制系统，并在实际控制中调试8实施实际控制2、程序控制应用实例 程序控制的应用十分广泛，现代工业的流水线生产离不开程序控制；在生命系统中，程序控制也到处可见：如候鸟的迁徙，植物的生长循环等。 配钥匙 矿井升降车的控制 仿形车床的控制 讲课 3、随动控制定义：所谓随动控制，就是使被控量y(t)复制外来信号产生的状态y0(t)的变化规律，并按这个领先不能确定的、外来信号所表示的规律y0(t)来改变被控系统的状态y(t)。 通俗的说，随动控制是某种跟踪，即使系统的输出y(t)跟踪其输入y0(t)

12、，而这个输入y0(t)是事先不能确定的，是以随机方式发生的。例如老鹰抓兔子。与稳定控制、程序控制的区别： 从定义可以看出随动控制系统要达到跟踪的目的的，必须建立反馈机制，这一点和闭环程序控制、稳定控制是没有什么区别的。所不同的是：稳定控制的给定状态是一个恒值；程序控制的给定状态是一个事先确定的随时问变化的规律函数；而随动控制的给定状态则是一条事先不能确定的随时间变化的规律函数。4、随动控制实例路灯开关的随动控制： 路灯的开关可采用程序控制，但在季节变换对需要改变程序。否则就会出现开灯或关灯太早或太迟的现象。依据随动控制设计的路灯开关使得路灯能依据光照度变化来开或关，可以节省能源。市场跟踪：根据

13、市场需要来安排生产。四、最优控制1、定义（重要）在控制系统中，施控主体能根据各种不同的具体情况，在可供选择的各种不同输入值的集合中，选择一个合适的输入值，以得到符合目的的输出值，也就是说，施控主体能根据预定的目的，对被控对象主动施加影响改变其输出。一个输入值选定后，就会有一个确定的输出值和它对应，如果在所有可能的输出值中存在一个相对于某种尺度来说是最好的，那么获得这个最好输出值所实施的控制就是最优控制。2、最优控制的应用 最优控制常用来实现某种最优过程，寻求某种最优策略或对策，通常用数学方法中的动态规划技术来实现。 所谓动态规划就是把一个给定的动态过程划分成许多阶段，从而有序的加以解决的方法，

14、其核心理论是贝尔曼最优化原理，又称多段决策最优化理论，它把动态过程归结为一个基本的递推关系式，从整个过程的终点出发由后向前推移，一步一步地推到过程的始点，从而找到最优解。1寻求最短邮路（补图） 如图所示，邮递员要从S点把信送到E点，途经A、B、C各点，其路线及相应两点间的距离如图中所示。求S到E的最短邮路。 按照动态规划方法，可把此过程分为置S到A、A到B、B到C、C到E四个阶段，我们从终点E开始向始点S推移求最优解。（1）第四阶段，从C点到E点：（补图）（2）第三阶段，从B点到E点：（补图）（3） 第二阶段，从A点到E点：(补图)（4）第一阶段，以S为起点：（补图）于是求得最短邮路为SA2B

15、2C1E，总距离为14时邮寄员最省时。2寻求最优策略多用于资源限制的养殖问题，牲畜存栏，森林伐木的有效计算，其主要思想就是尽可能使系统满负荷的运转。3实现最优过程与最优策略的区别是最优策略是满负荷运转到系统的结束，而最优过程还要回到系统的原状态，所以从某种意义上来说，它是双向的最优策略。例如矿井升降车，设井深S=30米，升降机的最大运动速度为V=1M/s，最大加速度为a1=0.2m/s2，最大减速度为a2=0.4m/s2。试计算出控制参数使整个提升时间最短。这个最优控制的约束条件为：最大运动速度：V=1m/s最大加速度：a1=0.2m/s2最大减速度：a2=0.4m/s2为了使升降机在最短的时

16、间内从矿井底提升到地面平台，必须让升降机的运转处于极限情况下进行，即在启动时就必须以最大允许加速度a1加速，使之尽快达到最大运动速度V，然后保持这一速度不变，再在恰当的时刻以最大允将减速度制动，制动过程终止时，升降车刚好停在地面平台；所以这一过程可以分为三个阶段：以极限加进度启动防段，以最大运动速度高速运行阶段；以极限减速度制动阶段。（解题过程）解方程组得：t1=5st2=14.375st3=2.5s4寻求最优对策 这里的对策是指人与人之间的对策，一般有两种解决策略：纯策略和混合策略，前者是指从诸多方案中固定选择一种方案的策略，后者是以汇总依据概率而交替使用不同策略的方法。例如：假设有两个阵地

17、甲和乙，已知甲阵地比乙阵地重要2倍，我方因兵力限制只能成功地守住其中一个阵地而我方不知道敌方什么时候进攻以及进攻那个阵地。那么，我方指挥员应采取什么对策呢？纯策略：设守甲阵地的方案为A1，守乙阵地的方案为A2，又设敌方攻甲阵地的方案为置B1，攻乙阵地的方案为B2。我方采取各种方案的“盈利”与“支出”构成一个“支付矩阵”，如图所示，从支付矩阵中可以看到，我方采取方案A1，其盈利为2，支出为1；而采取方案A2，其盈利为l，支出为2，显然，我方应采取方案盈l，即稳守甲阵地。（补图） 混合策略：依据混合策略，我方守家阵地的概率为2/3，乙阵地为1/3，并且何时守甲、乙阵地不能让敌方知道，这样敌方若攻甲

18、阵地就会有1/3的机会获胜，我方预期“支出”为1/3x 2=2/3；如果敌人选攻乙阵地就会有2/3的机会获胜，我方预期“支出”为号”2/3x12/3。显然无论敌人采取何种方案，在混合策略情况，我方的预期支出都是2/3，这小于纯策略中的支出l。所以混合策略优于纯策略第四节 控制论的主要方法传统的科学方法在控制论中的应用类比法模型法抽象法模拟法新科学方法：黑箱法反馈控制法二、黑箱方法1、概述黑箱是指我们一时无法直接观测其内部结构，或完成某一特定认识任务而不必直接观测其内部结构，只能从外部的输入和输出去认识的现实系统。说明：黑箱的概念是相对的，被考察对象作为黑箱对待，一方面取决于被考察对象本身，另一

19、方面则取决于认识主体，由于认识主体的知识结构、经验技术及认识任务的不同，同一客体对于不同的认识主体可能是黑箱、灰箱、或白箱。黑箱方法所谓黑箱方法，就是通过考察系统的输入、输出及其动态过程，而不通过直接考察其内部结构来定量或定性地认识系统的功能特性、行为方式以及探索其内部结构和机理的一种控制论认识方法。黑箱方法的特点：（1）不象传统的科学方法立足于于对系统的分解，而且与之相反，不取打开的途径，仅以特有的考察输入输出方式，对系统作整体上的探讨。（2）把控制论系统看成是处在环境中、与环境相互影响；互通信息、以一定的时间序列显示行为、追求目标的功能系统。因而以特有的考察输入输出方式，从系统与环境之间相

20、互联系中认识对象2、黑箱方法的步骤1用相对孤立的原则确认黑箱由于黑箱系统与外部环境处在不断的相互联系、相互作用的过程中，所以运用黑箱方法的第一步就是把作为黑箱看待的研究对象从环境中“分离”出来。一般来说，一个被确认的黑箱必须满足两个条件： (1)划定了作为黑箱的研究对象与周围环境的边界。(2)选定了对象与环境的主要联系通道，确定了对象的一组输入与输出。(图)2过程观测和主要实验考察黑箱考察黑箱主要是考察黑箱的输入与输出及其动态过程。主要考察方法有被动考察和主动考察两种。被动考察：就是对黑箱不加任何干涉的情况下测量其输入和输出，取得输入和输出变化的一组数据。 优点：能让考察对象在纯自然的条件下运

21、动缺点：考察周期长，并且有时由于输入信号太弱，而输出信号不容易被测出。主动考察：是指考察者在黑箱的输入处施加某种典型的测试讯号，然后再观测其输出响应，以梗从中获取研究对象的大量信息作为认识黑箱的根据。无论是被动考察还是主动考察，都必须建立登记表，如图所示：3 建立模型阐明黑箱 有了登记表作为黑箱的输入与输出的原始数据还不能说明黑箱，必须综合整理这些数据，并据此建立起阐明黑箱的模型。由于黑箱输入输出的不规则或有时只能从性质、行为方面考察，为了阐明各种不同类型的黑箱系统，除了数学模型外，还应采用输入输出表格、动态曲线、框图以及各种物理、实物模型等，然后根据模型来探讨黑箱的种种功能、特性，进而对黑箱

22、的内部结构和机理作出推断和预测。实例：黄面秃鹫能刁起石块击碎鸵鸟蛋，吸食蛋汁的本领是天生的，还是后天培养的。3、黑箱方法的应用 为研究高度复杂的巨大系统提供了有效的工具对研究具有高度组织性和活动性的生命系统具有独特的作用对于其他探索性的科学研究具有重要的启示作用4、黑箱方法的局限性 1黑箱方法只从系统的外部输入输出考察问题，因而对于来自系统内部的干扰无法确定和排除；2由于不打开黑箱，因而对于那些具有相同输入输出的系统无法确定其本质区别，它们既可能是同构同功系统，也可能是异构同功系统。 相同的input,不同的output影响output的因素？第五节 控制论的应用与发展一、科学控制论化 控制论

23、自诞生以来，正以魔术般的力量渗透到各门科学之中，使得很多新兴的边缘科学迅速崛起。现代科学技术控制论化同科学技术数学化一样，已成为一种引入注目的趋势。最初，控制论仅仅渗透到技术领域，研究技术装置中的自动控制问题。 后来，控制论专家们发现技术领域里的自动控制系统和动物的活动具有广泛的相似性，从而把控制论引入生命科学领域。用控制论的基本原理和方法来探讨生命系统的自我调节、自我平衡、自我更新等行为方式和信息过程就产生了生物控制论。 最后，控制论叩开了人类社会这个复杂而又巨大的有组织系统的大门。控制论的原理和方法也被广泛地用来探讨社会的政治、经济、文化教育等各种问题渗透到社会科学的各门类中来，产生了社会

24、控制论，如图所示：控制论之所以能够成功的渗透到这些领域，其关键原因是控制论的研究对象具有普遍性。我们知道，控制论研究的是有组织系统的控制和通讯问题，而这种有组织系统的控制和通讯问题在技术、生物、社会领域中是广泛存在的，只不过控制和通讯的方式有所不同而已。 现在控制论的发展一方面向着更深的层次渗透；另一方面，由控制论分化出来的各分支科学也在相互渗透，从而进一步扩大了控制论应用的广度。如神经控制论，就是生物控制论和技术控制论相互渗透的产物。神经控制论借助于机器装置研究信息-调节过程和各种生物器官的模拟问题；又如工程心理学，这门科学不仅使用技术控制论的方法和手段，顶员使用社会心理学的成就。二、社会自

25、动化 社会自动化是一个相当广泛的概念，它是控制论具体应用的结果，是属于应用控制论的范畴。社会自动化包括物质生产自动化、精神生产自动化和社会管理自动化。但控制论至今对社会发展的最大影响无疑是在物质生产自动和社会管理自动化方面。 社会网络自动化例子1线性规划：某工厂生产甲、乙两种产品。生产一个甲乙产品所需原料及所得利润如下表所示，问如何安排甲乙产品的日产量可使工厂利润最大？由题意，系统的决策变量为甲乙产品的日产量，设日产量甲为x1个，乙为x2个，则目标函数为：maxf（x）7x112x2约束条件为：9x14x23604x15x22003x110x2300利用图解法求解：maxf（x）428时间序列

26、预测法：某商场洗衣机的逐月销售量已知，利用滑动平均预测法和加权滑动平均预测法的预测结果如下图所示：其中a01.5，a11，a20.5。风险型决策：某厂根据过去的经验和市场调查预测，已知产品销路较好、一般、较差三种可能概率分别为0.3、0.5、0.2，产品采用大、中、小批生产可获得的效益值如下表所示。请通过决策分析决定下一计划期内产品采用何种批量生产使工厂获得的效益最大。利用最大可能法：2是概率最大的自然状态，在此状态下选择效益最大的方案为A3大批量生产。利用期望值法：计算每一种方案的期望值E（A1）40*0.3+30*0.5+20*0.231E（A2）70*0.3+50*0.5+10*0.24

27、8E（A3）100*0.3+70*0.5+5*0.266通过比较可得A3大批量生产为最优方案。不确定型决策：悲观法：A1：20 A2：10 A3：5A1最优乐观法：A1：40 A2：70 A3：100A3最优折衷法：A10.6*40+0.4*2032A20.6*70+0.4*1046A30.6*100+0.4*562A3最优平均法：E（A1）（40+30+20）/330E（A2）（70+50+40）/343.3E（A3）（100+70+5）/356.3 A3最优最小后悔法：概率：1任取一件恰是合格品的概率？（A事件）2若已知取出的是第一台车床加工的零件（B事件）的条件概率？3已知取出的是第二台

28、车床加工的零件的条件概率？联合事件与条件概率无关。例如：一袋中有6个红球，4个蓝球，2个白球。用A、B、C分别表示随便拿出一个球是红、蓝、白色的球的事件。则1P(AB)表示连续从袋中拿两次，现拿出红球再拿出蓝球的概率？2P(AB)表示从袋中拿出一个红球后在放回袋中的联合概率？信息的组合：当几条信息是互不包含、完全独立的信息时，其组合信息量满足信息加法原则。例：设教室有20排座位，每排30个位置。先寻找某为同学，问人，回答为1是单号、2在第8排、3在第8排单号，求各条信息所包含的信息量。1 2 3反馈：某加热炉，工业生产要求炉温必须恒定保持在600左右，精度范围为1。可以将加热炉作为被控对象采用控制装置来构成一个自动控制系统，控制加热炉的温度在600左右的精度范围内变化。系统框图：图中控制装置的输入为给定温度600与测量元件测出的实际炉温之差，当这个温度差大于规定的精度范围时, 控制装置发出控制, 缩小炉温与设定温度600之间的差值。一旦炉温达到所要求的精度范围, 控制装置停止控制，这样炉温就被控制在600左右的精度范围内。实例：可以根据值的变化来区分负反馈和正反馈：若反馈结果是使得目标值和输出值的差值e越来越小而趋近于零就是负反馈，如右图所示；反之，若e的值越来越大，远离目标就是正反馈，如右下图所示。专心-专注-专业