Zusammenhang zwischen Signalverarbeitung und Steuerungstechnik?

Steuerungssystemtechnik und digitale Signalverarbeitung sind wichtige Kurse / Fächer der Elektrotechnik. Aber wie hängen diese beiden Fächer / Kurse zusammen?

Bitte lassen Sie mich auch wissen, welche Ressourcen (Bücher, Tutorials, Vorlesungen usw.) zum Thema Steuerungssystemtechnik empfohlen werden und wie Sie auf technischer Ebene damit arbeiten können.

Da wir die Antwort im folgenden Link haben, diese Antwort sich jedoch auf DSP-Ressourcen bezieht, suche ich nach Ressourcen zum Beispiel einer Antwort auf eine Auffrischungsanforderung

Es gibt viele Überschneidungen, aber einige Unterschiede in der Betonung. Die Steuerungstechnik ist auch älter als DSP. Wenn Sie eine traditionelle EE-Ausbildung haben, machen Sie keinen großen Unterschied.

Zustandsvariablen sind die typischere Perspektive in Steuerelementen. Die erste Ausgabe von Oppenheim und Schafer 1975 hatte ein Kapitel über Zustandsvariablen, das sie jedoch im Laufe der Jahre fallen ließen. Sie müssen Statusvariablen verstehen, um die Kalman-Filterung durchführen zu können, bei der es sich um einen Überlappungsbereich handelt. Lineare Schätzung und lineare Steuerung sind Duale voneinander.

Ich würde auch sagen, dass hybride kontinuierliche / diskrete Zeitsysteme in Steuerungen häufiger vorkommen, aber es gibt auch viele Beispiele für DSP.

DSP wird fast immer mit einheitlicher Abtastung durchgeführt. Zustandsvariablen können auch mit ungleichmäßiger Abtastung arbeiten.

Ich habe noch nie von einem Anti-Kausal-Kontrollsystem gehört, aber eine zeitliche Vorwärts-Rückwärts-Filterung ist bei DSP üblich. Kontrollen sind von Natur aus kausal. Die einseitige Laplace-Transformation ist in Steuerelementen häufiger.

Die Stabilität der Rückkopplungsschleifen ist in beiden Bereichen wichtig. Eine Klasse für fortgeschrittene Steuerungssysteme behandelt Themen wie Lyaponov-Stabilität. Normalerweise wird dies in DSP nicht behandelt, aber es gibt DSP-Papiere, die diese Technik verwenden.

Die Steuerungstheorie zeigt sich im Maschinenbau. DSP taucht im Finanzbereich auf. In der Robotik gibt es eine Menge von beidem, die auch Computer Vision verwenden.

In RADAR sind Wellenformen und Filterung am vorderen Ende mehr DSP, aber die Tracking-Systeme am hinteren Ende sind eher Steuerelemente.

Wenn ich ein einziges Wort verwenden müsste, um jedes zu beschreiben.

Kontrollen: Rückmeldung

Signalverarbeitung: Erfassung

oder vielleicht mit einer Phrase

Kontrollen: in der Gegenwart

DSP: In-the-Groove

Ich habe meine Signalverarbeitung Ph.D. in einer Abteilung für Steuerungssysteme . Meiner Meinung nach ist die Signalverarbeitung eine offene Schleife. Steuerungssysteme schließen den Kreislauf.

Abgesehen davon ist die Mathematik hinter beiden sehr ähnlich. Es sind die Anwendungen, die im Allgemeinen sehr unterschiedlich sind.

Beide stützen sich auf die lineare Systemtheorie (auch bekannt als "Signale und Systeme" ). Dies gilt auch für Kommunikationssysteme und lineare elektrische Schaltkreise , elektronische Schaltkreise und verteilte Netzwerke (auch als Übertragungsleitungen bezeichnet ).

Beide sorgen sich um die Systemstabilität. Die Pole müssen sich innerhalb des Einheitskreises befinden. DSP ist tatsächlich breiter als Controls oder Communications.

Control Systems interessiert sich normalerweise mehr für das Verhalten im Zeitbereich. Impulsantwort und Sprungantwort. Das Routh-Hurwitz-Kriterium (oder sein zeitdiskretes Gegenstück) und die Root-Locus-Techniken sind etwas, worüber sich Control-Leute Sorgen machen. Ich habe mir darüber nie wirklich Sorgen gemacht.

Früher befanden sich State-Variable-Systeme im Bereich Controls, aber seit dem Kalman-Filter wurden in DSP häufiger State-Variable-Darstellungen (mit den Matrizen A, B, C, D ) angezeigt.

Viele DSP-Probleme außerhalb von Controls sind weniger besorgt über das Verhalten im Zeitbereich als vielmehr über das Verhalten im Frequenzbereich.

Die Bildverarbeitung ist enger mit DSP verbunden als mit Steuerelementen.

Ich weiß nicht, dass die Controls-Leute sich überhaupt Sorgen um die FFT und so machen.

Alle diese Disziplinen haben ein praktisches Ende, das zur Elektronik wird. Sorgen darüber, wie DSP- oder CPU-Chips an A / D- und D / A-Wandler sowie an Speicher und andere Peripheriegeräte angeschlossen werden. Ich weiß nicht, wie sehr sich Controls-Leute über Quantisierungsfehler Sorgen machen, aber sie sollten es tun.

Es gibt eine ziemlich einfache Unterscheidung.

Die Signalverarbeitung ist eine Reihe von Werkzeugen, die für die Steuerungstechnik verwendet werden können.

Bei der Steuerungstechnik geht es darum, etwas so zu bewegen, wie Sie es möchten. Einige der Werkzeuge der Signalverarbeitung helfen dabei (und andere nicht; ohne TARDIS erfolgt die Rückwärtsfilterung nicht in Echtzeit).

Die Signalverarbeitung befasst sich hauptsächlich mit dem Frequenzgang (Verstärkung), da dies den größten Einfluss auf das hat, was Sie hören. Phasen- und Gruppenverzögerung sind Probleme, aber oft nicht die Hauptprobleme.

In der Steuerungstechnik möchten Sie jedoch im Allgemeinen, dass sich etwas in eine Position bewegt und sich dann nicht bewegt. Dabei gibt es ein grundlegendes Prinzip: Wenn Sie es nicht sehen können, können Sie es nicht korrigieren . Wenn Ihre Positionsmessung so gefiltert wird, dass die Messung stark verzögert wird, weiß der Regelkreis nicht, wo er sich befindet (oder erhält diese Informationen nicht schnell genug) und kann sich daher nicht richtig bewegen. Oder schlimmer noch, wenn die Informationen zu spät eingehen, wird möglicherweise sogar versucht, sich in die falsche Richtung zu bewegen.

Daher verwendet die Steuerungstechnik tendenziell Filter wie Butterworth, die möglicherweise nicht so gut filtern, aber viel harmlosere Auswirkungen auf die Signale haben. Oder es werden möglicherweise überhaupt keine Filter verwendet, da Rauschen bei Signalen die Bewegung des Systems möglicherweise nicht beeinflusst, wenn Sie einen langsamen Regelkreis oder ein System mit viel Trägheit haben.

Das beste Lehrbuch, das ich kenne, ist Modern Control Engineering von Ogata. Das kann ich nur empfehlen. Es hört kurz vor der Kontrolle des Zustandsraums auf, aber für die meisten Kontrollarbeiten werden Sie das selten brauchen.

Regelungstechnik wird oft in ähnlichen oder sogar gleichen Studiengängen bis zum Master-Abschluss unterrichtet. Im allgemeinen Systemmodellierungsansatz, bei dem Eingaben ( ) und Ausgaben ( ) über Systeme ( ) in Beziehung stehen , würde ich sagen, dass sie für ein Ziel entweder auf oder funktionieren :$I$$O$$S$$O$$S$$I$

• Steuerungsingenieure neigen dazu, die Ausgänge eines Systems (stark) einzuschränken, und sind bestrebt, Eingaben zu finden, die den Beschränkungen entsprechen
• Menschen , die Signale verarbeiten , neigen dazu, (starke) Erwartungen an Outputs zu stellen und Systeme zu finden, die Inputs angemessen konvertieren .

Infolgedessen sind ihre Werkzeuge sehr ähnlich, und es ist, als würden sie sie manchmal auf doppelte Weise verwenden. Auch wenn ihre Hintergründe sehr eng sind, habe ich einige Schwierigkeiten bei ihrer Interkommunikation festgestellt. In gewissem Maße erinnert mich diese Situation an George Bernard Shaws:

Die Vereinigten Staaten und Großbritannien sind zwei Länder, die durch eine gemeinsame Sprache getrennt sind.

Daher sind Signal- / Bildverarbeitung und Steuerungstechnik zwei enge Disziplinen, die durch eine Reihe gemeinsamer Werkzeuge getrennt sind .

• Die Anforderung an kausale Echtzeit- Systemimplementierungen (wobei Zeit der unabhängige Parameter ist), die einen Ausgabefehler in Bezug auf ein Referenzkriterium kontinuierlich minimieren , unterscheidet die Disziplin der Steuerungssysteme.

• Sie können nach MIT Open Courseware suchen , z. B. https://ocw.mit.edu/courses/aeronautics-and-astronautics/16-30-feedback-control-systems-fall-2010/

• Das kostenlose MATLAB- Workalike Scilab ( https://scilab.org ) bietet Zugriff auf viele bewährte Bibliotheken, die das Design und die Analyse von Steuerungssystemen unterstützen.

• Pythons NumPy und SciPy ( https://scipy.org ) können Scilab ersetzen , wenn Sie dies bevorzugen, während SymPy ( https://sympy.org ) bei symbolischen Manipulationen (Computeralgebra-System) helfen kann. Mit Anaconda Jupyter- Notizbüchern ( https://anaconda.org ) können Sie Ihre Entwicklung mit Markdown- Schriftsatz und LaTeX- Ausdrucksrendering sowie interaktivem Code und Ausgabeblöcken dokumentieren .

• Zum Rendern von Signalflussdiagrammen , in denen Steuerungssysteme häufig zusammengefasst sind, können Sie Graphviz ( https://graphviz.org ) verwenden.

• Roger Labbe erklärt Kalman-Filter sehr effektiv: https://github.com/rlabbe/Kalman-and-Bayesian-Filters-in-Python Der geschätzte Systemstatus ist das Kontrollobjekt für einen Kalman-Filter.