資源簡介

(共34張PPT)
第三單元
系統與設計 System Design
系統的結構
系統的分析
系統的設計
一　系統的結構
１　系統
　　由相互聯系、相互作用、相互依賴和相互制約的若干要素或部分組成的具有特定功能的有機整體。
系統構成的三個條件：
至少要有兩個或兩個以上的要素（或部分） ；
各要素之間互相聯系互相作用，有一定的結構；
系統的功能是組成的要素所不具備的。
注：
按照一定方式形成一個整體；
具有特定功能的有機整體；
系統有大有小，有簡單有復雜。大的和復雜的系統又可以劃分為若干子系統。
２　系統的類型
（1）自然系統和人造系統
（2）實體系統和抽象系統
（3）有生命系統和無生命系統
（4）微觀系統和宏觀系統
．．．．．．
３　系統的基本特性
整體性：最基本特性，是個體的有機結合
相關性：各要素之間相互作用相互聯系
目的性：實現一定的功能
動態性：系統處于運動變化之中
環境適應性：對環境變化的適應能力
（全局）
（匹配）
（有用）
（更新）
（自適應）
二　系統的分析　
（１）系統分析：
　　　為了發揮系統的性能，實現系統的目標，運用科學的方法對系統加以周詳的考察、分析、比較、試驗，并在此基礎上擬訂一套有效的處理步驟和程序，或對原有的系統提出改進方案的過程。
顯著特點：完整地、全面地思考和解決問題。
目　　標：從可行性出發，尋求合理的解決方案。
例、２００５年全國電子設計競賽全國一等獎作品。
１　系統分析及其一般步驟
如：性價比
（２）系統分析的一般步驟
明確問題，設立目標
收集資料，指定方案
分析計算，評價比較
檢驗核實，作出決策
（３）系統分析的主要原則
整體性
科學性
綜合性
２　系統的優化
　　　系統的優化是指在給定的條件（或約束條件）下，根據系統的優化目標，采取一定的手段和方法，使系統的目標值達到最大化（或最小化）。
三個典型案例：
（１）農作物種植系統的優化——農業間作套種；
（２）家具生產中的板材的優化用料；
（３）智能交通管理信息系統的交通流量控制。
系統優化的方法一般為兩類：
通過系統數學模型的求解的數學方法；
通過定性、科學估算、經驗值計算、試驗等方法。
最優解
滿意解
數學模型
最優解
估算、試驗
滿意解
完善、驗證
三　系統的模型
例：y(k)表示一個國家在第k年的人口數， a、b分別代表出生率和死亡率，是常數。設f(k)是國外移民的凈增數，則該國在第k+1年的人口總數y(k+1)為多少？
大量的系統需要定量地分析，定量分析的基礎是系統模型的建立。
例：系統輸入為e(t)，輸出r(t)為。
第四單元
控制與設計 Control Design
一　自動控制發展簡介
經典控制理論 ( 19世紀初 )
時域法
復域法 (根軌跡法)
頻域法
現代控制理論 ( 20世紀60年代 )
線性系統 自適應控制
最優控制 魯棒控制
最佳估計 容錯控制
系統辨識 集散控制
大系統復雜系統
智能控制理論 ( 20世紀70年代 )
專家系統
模糊控制
神經網絡
遺傳算法
二　人工控制及自動控制
自動控制：在無人直接參加的情況下，利用控制裝置使被控對象和過程自動地按預定規律變化的控制過程。
由于計算機等技術的誕生和飛速發展，使得控制技術水平不斷提高，已擴大到經濟與社會生活的各個領域，如通信、交通、醫學、環境保護、經濟管理等領域，控制技術已成為現代社會不可缺少的重要組成部分。 近年來，我國在自動化儀表、工業調節器、數字控制技術、航天工程、核動力工程等方面的研究和應用取得了長足進展。
三　自動控制系統
自動控制系統：是由控制器和被控對象所組成，它們以某種相互依賴的的方式組合成為一個有機整體，并對被控對象進行自動控制。
控制器：對被控對象起控制作用裝置的總體.
被控對象：要求實現自動控制的機器，設備或生產過程。
輸出量：表現于控制對象或系統輸出端，并要求實現自動控制的物理量。
輸入量：作用于控制對象或系統輸入端，并可使系統具有預定功能或預定輸出的物理量。
控制器
被控
對象
給定值
輸出
量
自動控制系統
例: 電子門鈴的電子控制系統
用手按動按鈕開關,輸入一個觸發信號
音樂集成電路經過觸發后工作,產生一組載有”音樂”的電信號.
揚聲器將電信號轉變為音樂聲.
輸出的音樂聲的變化對系統的控制狀態并不產生影響,即不存在反饋.
輸入:
控制(處理):
輸出:
特點:
自動門控制系統
控制電路
電機
自動門
門的開啟或關閉
控制器
執行機構
控制對象
輸入量
輸出量
控制量
四　控制系統類型
自動控制系統有多種分類方法。
例如，按信號傳遞路徑，可分為開環，閉環等控制系統；
按系統使用的能源可分為機械，電子，液壓和氣動控制系統。此外，還可以按系統的功用和性能進行分類。
按系統功用分類，主要可分為以下三類：
恒值系統：也稱鎮定系統。輸出量以一定的精度
等于給定值，而給定值一般不變化或變化很緩慢，擾動可隨時變化的系統稱為恒值系統，在生產過程中，這類系統非常多。例如，冶金部門的恒溫系統，石油部門的恒壓系統等。
隨動系統：輸出量能以一定精度跟隨給定值變化的系統稱隨動系統，又稱為跟蹤系統。這類系統的特點是系統的給定值變化規律完全取決于事先不能確定的時間函數。例如，火炮系統，衛星控制系統等。
程序控制系統：自動控制系統的被控制量如果是根據預先編好的程序進行控制的系統稱程序控制系。例如，煉鋼爐中的微機控制系統，洲際彈道導彈的程序控制系統等。
五　 開環控制系統
控制系統的輸出量不對系統的控制產生任何影響，這種控制系統稱為開環控制系統。
例（Ｐ１０３）設在游泳池注水控制系統中，如果進水管單位時間的水流量一定，那么池水位的高度與進水時間一一對應。
定時器
進水閥門
游泳池
設定注水時間
輸入
水流量
游泳池水位
輸出
輸出不影響輸入，對輸出不需要測量，通常容易實現；
組成系統的元部件精度高，系統的精度才能高；
主要特點：
控制方式：
按給定值操縱。信號由給定值至輸出量單向傳遞。一定的給定值對應一定的輸出量。系統的控制精度取決于系統事先的調整精度。對于工作過程中受到的擾動或特性參數的變化無法自動補償。結構簡單，成本低廉，多用于自動售貨機，自動報警器，自動流水線等。
系統的輸出量返回到輸入端并對控制過程產生影響的控制系統稱為閉環控制系統。
六　 閉環控制系統
定時器
進水閥門
游泳池
設定注水時間
輸入
水流量
游泳池水位
輸出
游泳池水位
控制器
進水閥門
游泳池
設定水位
水流量
檢測裝置
＋
－
輸出影響輸入，所以能削弱或抑制干擾；
低精度元件可組成高精度系統；
主要特點：
閉環控制系統框圖
將輸出量通過適當的檢測裝置返回到輸入端并與輸入量進行比較的過程。
所以，閉環控制系統也稱為反饋控制系統。
七　閉環控制系統的干擾
溫度測試
當冰箱開門、放入熱飯時，將很快打破冰箱原來的溫度狀態。
在控制系統中，除輸入量(給定值)以外,引起被控制量變化的各種因素稱為干擾因素。控制系統在工作中必須克服干擾，使被控制量穩定。而閉環控制系統可以自動克服干擾。
家用電冰箱溫控系統
家用電冰箱溫控系統框圖
溫度測試
八 計算機自動控制系統
九　對控制系統的基本性能要求
1. 穩：（基本要求）
要求系統要穩定
2. 準：（穩態要求）
系統響應達到穩態時，
輸出跟蹤精度要高
3. 快：（動態要求）
系統的過渡過程
要平穩， 快速
開環系統必然滿足
1 +△
1 -△
ts
tp
tr
某自動控制系統的計算機仿真
燈座
燈泡
燈罩
電線
開關等。
電路的連接關系
系統的任何一個要素（部分）發生變化或出現故障，都會影響其他要素（部分）或整體功能的發揮。
系統的整體功能大于組成系統各部分的功能之和。
評價一個系統重局部，更重整體。
整體性

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