Связь между обработкой сигналов и проектированием систем управления?

13

Инженерные системы управления и Цифровая обработка сигналов являются важными курсами / предметами электротехники. Но как эти два предмета / курса связаны друг с другом?

Также, пожалуйста, дайте мне знать, каковы некоторые рекомендуемые ресурсы (книги, учебные пособия, лекции и т. Д.) По разработке систем управления и как начать работу с ними на техническом уровне?

Поскольку у нас есть ответ в ссылке ниже, но этот ответ касается ресурсов dsp, я ищу ресурсы о примере разработки систем управления ответом на запрос референции

control-systems control

— abtj
источник

1

один раз, когда я сделал что-то, связанное с элементами управления, за которые мне заплатили, я разработал асинхронный преобразователь частоты дискретизации со старым SHArC (v 0,6 кремния) еще в 90-х. был механизм сервопривода sorta, связанный с регулировкой отношения частоты дискретизации, чтобы указатель (с дробным компонентом на указатель) на выходящие выборки отслеживал указатель выборок, поступающих с постоянной величиной задержки.

— Роберт Бристоу-Джонсон

4

Я против закрытия вопроса.

— Роберт Бристоу-Джонсон

10

Существует много совпадений, но есть некоторые различия в акцентах. Control Engineering также старше, чем DSP. Если у вас есть традиционное образование в области ЭЭ, вы на самом деле ничего не делаете.

Переменные состояния - более типичная перспектива в элементах управления. В первом издании Оппенгейма и Шефера 1975 года была глава о переменных состояния, но с годами они ее отбросили. Вы должны понимать переменные состояния, чтобы выполнить фильтрацию Калмана, которая является областью перекрытия. Линейная оценка и линейное управление являются двойственными друг от друга.

Я бы также сказал, что гибридные системы с непрерывным / дискретным временем более распространены в Controls, но есть также много примеров для DSP.

DSP почти всегда делается на равномерной выборке. Переменные состояния также могут работать с неоднородной выборкой.

Я никогда не слышал об антипричинной системе управления, но прямая обратная фильтрация во времени - обычное явление в DSP. Контроль по своей сути является причинно-следственной. Одностороннее преобразование Лапласа чаще встречается в элементах управления.

Стабильность в петлях обратной связи важна в обеих областях. Класс продвинутых систем управления будет охватывать такие темы, как устойчивость по Ляпонову. Обычно вы не видите этого в DSP, но есть документы DSP, которые используют эту технику.

Теория управления проявляется в машиностроении. DSP появляется в финансах. В робототехнике много и того, и компьютерного зрения.

В RADAR осциллограммы и фильтрация - больше DSP на внешнем интерфейсе, но системы слежения на заднем конце больше похожи на элементы управления.

Если бы мне пришлось использовать одно слово для описания каждого.

Управление: обратная связь

Обработка сигналов: зондирование

или, возможно, используя фразу

Управление: в настоящем

DSP: в канавке

2

Переменные состояния - более типичная перспектива в элементах управления. Это зависит от того, где вы работаете. Более типично для научных кругов, а также в аэрокосмической сфере, где это единственный способ добиться стабильности. В промышленности вы, скорее всего, увидите классический контроль с помощью PID.

— Грэм

@Graham Да, но в более сложных системах, которые пропускают сигналы взад и вперед, в одном конкретном случае нагреватели и датчики для установления температуры, мне приходилось вводить PID с затратами на производительность, чтобы его могли поддерживать менее опытные люди. Как правило, за исключением конечных идентифицируемых полюсов / нулей, более сложные системы управления улучшают производительность.

— Rogers

что вы подразумеваете под фразой "в канавке" ??

— 19

@rrogers Они могут работать лучше, конечно, но это улучшение производительности может быть незначительным, особенно по сравнению со стоимостью обучения, чтобы понять это. Вот почему мы все еще используем PID. Я занимаюсь встраиваемым программным обеспечением для управления в реальном времени уже 25 лет, и, оглядываясь назад, мне не понадобятся обе руки для подсчета числа знакомых мне инженеров, которые действительно полностью понимают пространство состояний. (Кстати, меня нет в этом списке;) И мне не понадобятся какие-либо руки для подсчета систем, на которых я работал.

— Грэм

в пазу. думаю, Эдисон

10

Я сделал свою обработку сигналов Ph.D. в отделе систем управления . Я полагаю, что обработка сигналов - это разомкнутый контур; Системы управления замкнуты.

Кроме того, математика позади обоих очень похожа. Это приложения, которые, как правило, очень разные.

— Питер К.
источник

2

Закрытие или голосование по этому вопросу не было бы положительным действием, потому что этот вопрос касается поиска знаний, и эти знания связаны с DSP, поскольку каким-то образом существует связь между проектированием систем управления и DSP

— abtj

в отличие от Facebook, я не могу выразить недовольство этим :-(.

— Роберт Бристоу-Джонсон

1

@abtj Мне нравится этот вопрос несколькими способами, но упомянутые вами критерии («поиск знаний, как правило, связанных с DSP») необходимы, но недостаточны для предметной тематики!

— Маркус Мюллер

8

Обе основаны на теории линейных систем ( «Сигналы и системы» ). Так же как и системы связи и линейные электрические цепи , электронные схемы и распределенные сети (также известные как линии передачи). ).

Оба беспокоятся о стабильности системы. Поляки должны быть внутри круга устройства. DSP на самом деле шире, чем Controls или Communications.

Системы управления обычно больше интересуются поведением во временной области; импульсный отклик и пошаговый отклик. Критерии Рауса-Гурвица (или его аналога с дискретным временем) и методы Root-Locus - это то, о чем беспокоятся парни из Control. Я никогда не беспокоился об этом.

Раньше системы с переменными состояниями входили в компетенцию Controls, но с момента появления фильтра Калмана я видел представления с переменными состояниями (с A, B, C, D матрицами ), которые чаще появляются в DSP.

Многие проблемы DSP за пределами элементов управления меньше заботятся о поведении во временной области и больше касаются поведения в частотной области.

Обработка изображений более тесно связана с DSP, чем с Controls.

Я не знаю, парни из Controls вообще беспокоятся о БПФ и тому подобном.

Все эти дисциплины имеют практический конец, который становится электроникой. Беспокоясь о том, как DSP или ЦП подключаются к аналого-цифровым и цифро-аналоговым преобразователям, а также к памяти и другим периферийным устройствам. Я не знаю, насколько парни из Controls беспокоятся об ошибке квантования, но они должны.

— Роберт Бристоу-Джонсон
источник

1

FIY, в силовой электронике мы часто используем 12-16-разрядный АЦП с достаточным динамическим диапазоном. Однако на уровне ЦАП, исполнительный механизм часто является 2-уровневым, 3-уровневым или 5-уровневым «исполнительным механизмом», если хотите. Итак, как вы сказали, мы определенно должны иметь дело с квантованием.

— Бен

4

Есть довольно простое различие.

Обработка сигналов - это набор инструментов, которые можно использовать для управления.

Инженерия управления заключается в том, чтобы заставить что-то двигаться так, как вы хотите. Некоторые инструменты обработки сигналов помогут в этом (а некоторые нет; обратная фильтрация не происходит в режиме реального времени без ТАРДИС).

Обработка сигналов в значительной степени связана с частотной характеристикой (усилением), потому что именно это влияет на то, что вы слышите. Фаза и групповая задержка являются проблемами, но часто не основными.

В контроле, тем не менее, вы обычно хотите, чтобы что-то переместилось в позицию, а затем не двигалось. При этом есть фундаментальный принцип - если вы не можете видеть это, вы не можете исправить это . Если измерение вашего положения фильтруется способами, которые сильно задерживают измерение, контур управления не знает, где он находится (или не получает эту информацию достаточно быстро), и поэтому не может двигаться соответствующим образом. Или, что еще хуже, если он получает информацию слишком поздно, он может даже попытаться двигаться в неправильном направлении.

Таким образом, в технике управления используются фильтры типа Баттерворта, которые могут не справляться с фильтрацией, но которые оказывают гораздо более благоприятное воздействие на сигналы. Или он может вообще не использовать фильтры, потому что шум на сигналах может не влиять на движение системы, если у вас медленный контур управления или система с большой инерцией.

Лучший учебник, о котором я знаю, - « Современная техника управления» Огаты. Я могу полностью рекомендовать это. Он останавливается чуть ли не на контроле в пространстве состояний, но для большинства контрольных работ вам это редко понадобится.

— Грэхем
источник

2

Инженерия управления часто преподаются на схожих или даже одинаковых курсах обучения, вплоть до степени магистра. В общем подходе моделирования системы, где входы ( $I$ ) и выходы ( $O$ ) связаны через системы ( $S$ ), Я бы сказал, что для цели $O$ они либо работают на $S$ или $I$ :

Инженеры по контролю имеют тенденцию накладывать (сильные) ограничения на выходные данные системы и стараются найти входные данные, которые соответствуют этим ограничениям.
люди, обрабатывающие сигналы, склонны ставить (сильные) ожидания в отношении результатов и стремиться найти системы, которые соответствующим образом преобразуют входные данные .

Как следствие, их инструменты очень похожи, и похоже, что они иногда используют их по-двойственному. Даже если они очень близки, я заметил некоторые трудности в их общении. В некоторой степени эта ситуация напоминает мне о Джордж Бернард Шоу:

Соединенные Штаты и Великобритания - две страны, разделенные общим языком.

Следовательно, обработка сигналов / изображений и управление ими являются двумя близкими дисциплинами, разделенными набором общих инструментов .

— Лоран Дюваль
источник

2

Требование для причинных реализаций системы в реальном времени (где время является независимым параметром), которые постоянно минимизируют ошибку вывода относительно эталонного критерия , отличает дисциплину систем управления.
Вы можете искать MIT Open Courseware , такие как https://ocw.mit.edu/courses/aeronautics-and-astronautics/16-30-feedback-control-systems-fall-2010/
Бесплатный рабочий класс MATLAB Scilab ( https://scilab.org ) предоставляет доступ ко многим проверенным библиотекам, поддерживающим проектирование и анализ систем управления.
Python NumPy и SciPy ( https://scipy.org ) могут заменить Scilab , если вы предпочитаете, в то время как SymPy ( https://sympy.org ) может помочь с символическими (система компьютерной алгебры) манипуляциями. Записные книжки Anaconda Jupyter ( https://anaconda.org ) позволят вам задокументировать свою разработку с помощью верстки Markdown и рендеринга выражений LaTeX , а также интерактивного кода и блоков вывода.
Для отображения графиков потока сигналов , которые часто обобщают системы управления, вы можете использовать Graphviz ( https://graphviz.org ).
Роджер Лаббе очень эффективно объясняет фильтры Калмана: https://github.com/rlabbe/Kalman-and-Bayesian-Filters-in-Python Расчетное состояние системы является объектом управления для фильтра Калмана.

— Kevin
источник