（推薦）第九章-仿人智能控制v2

1、2021/4/6,1,第九章 仿人智能控制,9.1仿人智能控制的原理 9.1.1基本思想 9.1.2仿人智能控制行為的特征變量 9.1.3系統(tǒng)特性的模式識別 9.2幾種仿人智能控制方案 9.2.1仿人智能開關(guān)控制 9.2.2仿人比例控制 9.2.3仿人智能積分控制 9.3 專家PID控制,2021/4/6,2,智能控制的一個重要研究方向,智能控制，根本上是要仿效人的智能行為進(jìn)行決策和控制。 必要的訓(xùn)練之后，人實(shí)現(xiàn)的控制方法接近最優(yōu)。 仿人智能控制不需要了解對象的結(jié)構(gòu)、參數(shù)，即不依賴于對象的數(shù)學(xué)模型，而是根據(jù)積累的經(jīng)驗(yàn)和知識進(jìn)行在線的推理確定和變換控制策略。,2021/4/6,3,調(diào)節(jié)器參數(shù)的自

2、動整定問題,PID需要試驗(yàn)加試湊方法整定。需要熟練的技巧，并且相當(dāng)費(fèi)時。 傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器無自適應(yīng)能力。 研究專家PID或者智能PID十分必要。,2021/4/6,4,9.1.1 基本思想,PID比例，積分和微分控制器 反饋控制，按偏差調(diào)節(jié),PID控制作用是優(yōu)良控制的必要條件，非充分條件。,2021/4/6,5,PID的改進(jìn)： 1變增益控制（增益適應(yīng)） 2. 智能積分（非線性積分） 3智能采樣控制等等,2021/4/6,6,仿人控制基本思想： 利用計算機(jī)模擬人的控制行為功能， 最大限度地識別過程特征信息，進(jìn)行啟發(fā) 和自覺推理，對缺乏精確數(shù)學(xué)模型的對象 實(shí)現(xiàn)有效的控制 。,2021/4/6,7,

3、9.1.2 仿人智能控制行為的特征變量,圖9.1 二階系統(tǒng)的單位階躍相應(yīng)曲線,2021/4/6,8,2021/4/6,9,幾個不同點(diǎn)的分析,點(diǎn)a,b,F的值均等于y，但動態(tài)特征不同 點(diǎn)a: 系統(tǒng)偏差有偏離平衡點(diǎn)的趨勢； 點(diǎn)b: 系統(tǒng)偏差有趨于平衡點(diǎn)的趨勢； 點(diǎn)F:系統(tǒng)偏差恰好達(dá)到極值。,2021/4/6,10,9.1.3 系統(tǒng)特性的模式識別,根據(jù)輸出偏差e和偏差變化e以及它們的組合的特征變量，劃分動態(tài)特征模式，特征模式作為智能控制決策的依據(jù)。 偏差: en=r-yn 偏差變化: en=en en-1,2021/4/6,11,3) e*e,e*e的符號，表征動態(tài)偏差變化情況. 0, 離開平衡點(diǎn)

4、0, 趨于平衡點(diǎn) 表91 特征變量的符號變化,2021/4/6,12,en*en表征動態(tài)偏差變化情況,en*en0 偏差加大, 偏差的絕對值逐漸增大 en*en0 偏差減小, 偏差的絕對值逐漸減小,2021/4/6,13,en*en-1表征極值,en*en-10 無極值 en*en-10 C點(diǎn)： en*en-10 ; en*en0 B點(diǎn)之后，偏差趨于減小，C點(diǎn)之后，偏差逐漸加大。,2021/4/6,14,與en*en聯(lián)合使用，細(xì)化系統(tǒng)特征 例如，曲線BC(DE)中間一段，偏差變化較大且偏差較大。 具體數(shù)值滿足 en*en0且b a,偏差變化的姿態(tài),2021/4/6,15,en/en-1 表征偏

5、差局部變化趨勢,en/en-1比值大,前期控制效果差,2021/4/6,16,(e) 表征偏差變化的變化率,(e)0 超調(diào)階段 ABC段 (e)0 回調(diào)階段 CDE段 特征變量是對系統(tǒng)動態(tài)特性的一種定性與定量相結(jié)合的描述，它體現(xiàn)了對人的形象思維的一種模擬。,2021/4/6,17,9.1.3 仿人智能控制器的結(jié)構(gòu),2021/4/6,18,圖9.3 多變量仿人智能控制器的結(jié)構(gòu),2021/4/6,19,其中，A,B是解析式、邏輯關(guān)系式和閾值集的集合;F,H是以IF(特征)THEN(控制模式)的形式寫成的直覺推理規(guī)則集;V,W是以各種線性、非線性函數(shù)寫成的模式集，分別存放于RB和DB中。ST產(chǎn)生的M

6、進(jìn)入DB取代原有的控制參數(shù)集, MC產(chǎn)生輸出u*，經(jīng)K輸出u=Ku*，去控制被控對象G。,2021/4/6,20,9.2 幾種仿人智能控制方案,9.2.1 仿人智能開關(guān)控制(Bang-Bang)控制 開關(guān)（on-off)控制bang-bang控制，簡單，易于實(shí)現(xiàn)。 電加熱爐的控制中常常應(yīng)用。 問題：精度較低，系統(tǒng)振蕩幅度較大。 分析：常規(guī)方法， 兩態(tài)： 開、關(guān)；沒有人工控制根據(jù)變化趨勢調(diào)節(jié)的特點(diǎn)。,2021/4/6,21,人工控制，可以根據(jù)誤差和誤差變化率選擇開關(guān)接通的時間。 智能開關(guān)控制即是”考慮實(shí)際誤差變化規(guī)律和被控對象的特征，純滯后及擾動等因素的開關(guān)控制策略?！?2021/4/6,22,

7、智能開關(guān)控制的控制電壓和偏差變化曲線,2021/4/6,23,智能開關(guān)控制的偏差變化分析,過程為大慣性及純滯后系統(tǒng)。采用產(chǎn)生式規(guī)則設(shè)計智能開關(guān)控制。,2021/4/6,24,12條規(guī)則：,設(shè)k為當(dāng)前采樣時刻，e(k)為偏差，e(k） 為偏差變化率，U為全開控制量，T為控制 周期，t0為開關(guān)接通時間。 (1)if |e(k)|M e(k)0then u(k)=U,t0(k)=T（全開） (2)if |e(k)|M e(k)0then u(k)=U,t0(k)=0（全關(guān)） (3) if e(k)=0, e(k-1)0 then u(k)=U,t0(k)=K1 t0(k-1),2021/4/6,25

8、,（4）if e(k)=0 ，e(k-1)0 then u(k)=U,t0(k)= t0(k-1) （5）if |e(k)|0, e(k)0 then u(k)=U,t0(k)= K2 t0(k-1) （6）if |e(k)|0, e(k)0, e(k)0 then u(k)=U,t0(k)= t0(k-1),2021/4/6,26,（9） if E|e(k)|0, e(k)0 then u(k)=U,t0(k)= K5 t0(k-1) （10）if E|e(k)|0, e(k)0 then u(k)=U,t0(k)= K8 t0(k-1),2021/4/6,27,參數(shù)意義： E允許偏差的絕對

9、值, ME給定常數(shù)，t0(k)，t0(k-1)分別為本次和上次控制量輸出時間。Ki為依據(jù)經(jīng)驗(yàn)整定的系數(shù)。,2021/4/6,28,仿人智能開關(guān)控制（BANGBANG控制）(應(yīng)用實(shí)例),液位控制 根據(jù)偏差的大小來確定控制電壓。在液位實(shí)際值遠(yuǎn)小于給定值時，輸出一個較大的控制電壓，提高液位的上升速率，減少上升時間；隨著偏差的減小，逐步減少控制電壓，以減小系統(tǒng)的超調(diào)量和穩(wěn)定時間。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，選擇3V，2.25V, 1.75V, 0.05V四種控制電壓。,2021/4/6,29,首先將標(biāo)準(zhǔn)化后的誤差送入形參err，然后根據(jù)err的值，選擇一個輸出電壓，當(dāng)液位上升后，m1的值分階段減小，當(dāng)液位超過了設(shè)定

10、值，err成為負(fù)值，只輸出一個很小的電壓（0.05V），液位下降，從而達(dá)到控制液位的功能 。,2021/4/6,30,智能開關(guān)控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果及參數(shù)分析,實(shí)驗(yàn)取液位為50，其余參數(shù)都為零，電壓分為三級加到伺服閥上，穩(wěn)定以后電壓迅速頻繁地切換，曲線比較穩(wěn)定，但是飼服閥的開口很小才能達(dá)到如此效果,2021/4/6,31,9.2.2 仿人比例控制,常規(guī)控制，K小，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，靜態(tài)誤差大。 仿人控制，不斷調(diào)整給定值，使系統(tǒng)輸出不斷逼近給定值，提高系統(tǒng)精度。,2021/4/6,32,2021/4/6,33,控制原理： 初始給定1，yss0系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出值，ess0靜差。系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，增加給定值ess0-1

11、ess0。第二級穩(wěn)態(tài)輸出為yss0 +yss1,靜差減小為ess1。第三級輸入給定為1 ess0ess1。依此下去，有 輸出 靜差,2021/4/6,34,控制算法： 積分開關(guān)只在滿足穩(wěn)態(tài)條件時才閉合，完成 一次 運(yùn)算后立即斷開，此后 不變.,2021/4/6,35,規(guī)則為 ：允許靜差的2倍，N正比于 算法實(shí)質(zhì)：比例加智能積分。 未滿足條件時，僅比例控制； 穩(wěn)態(tài)后，積分器每N個周期工作一次，避免傳統(tǒng)積分帶來的相位裕量減小。 Kp可以較小，增大增益裕量。有效解決穩(wěn)態(tài)精度和穩(wěn)定裕量的關(guān)系。,2021/4/6,36,仿人比例溫度控制仿真曲線,2021/4/6,37,仿真結(jié)果1,2021/4/6,38

12、,仿真結(jié)果2,2021/4/6,39,溫度控制系統(tǒng)硬件框圖,2021/4/6,40,溫度控制實(shí)際效果,2021/4/6,41,仿人智能比例液位控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果及參數(shù)分析,第二次實(shí)驗(yàn)改取Kp為3，如右圖所示，第一次判穩(wěn)值明顯增大，而且總的上升時間也相對還有所減少，最終的穩(wěn)定效果也還不錯,實(shí)驗(yàn)設(shè)定液位為50，由于仿人比例控制中的Ki和Kd沒有起到作用，故直接取Kp為1，可以看到第一次穩(wěn)定值比較小，但最后的穩(wěn)定效果很明顯。如右圖所示：,2021/4/6,42,實(shí)驗(yàn)結(jié)果及參數(shù)分析(2),第三次實(shí)驗(yàn)改取Kp為8，則如左圖所示，由于其值較大，還沒有達(dá)到穩(wěn)態(tài)值就達(dá)到了設(shè)定的值，產(chǎn)生超調(diào)，最后的穩(wěn)定效果雖然可以，

13、但略低于設(shè)定的50，效果不如上兩次的實(shí)驗(yàn)，所以Kp值大概應(yīng)該在1至6之間取值,2021/4/6,43,9.2.3 仿人智能積分控制,常規(guī)積分的缺點(diǎn)： 1) 針對性不強(qiáng)，（處處積分起作用） 2) 積分飽和 3) 參數(shù)選擇不當(dāng)時，系統(tǒng)容易振蕩,2021/4/6,44,2021/4/6,45,分析：（a,b)和（b,c）中，控制器積分作用與有經(jīng)驗(yàn)的操作人員的控制作用相反，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)。,2021/4/6,46,仿人積分控制算法：,只在區(qū)間(a,b)、(c,d)和(e,f)上進(jìn)行積分， 其它區(qū)間停止積分。借助于慣性向穩(wěn)態(tài)過渡。 當(dāng)e*e0或e=0且e0時 ，對偏差積分 當(dāng)e*e0或e=0時 ，不對

14、偏差積分。 應(yīng)用示例： 電爐溫度控制 水輪機(jī)速度,勵磁控制,2021/4/6,47,仿人智能控制算法,積分 不積分 擴(kuò)展： 智能積分,2021/4/6,48,仿人積分仿真,2021/4/6,49,仿人積分仿真2,2021/4/6,50,仿人積分仿真3 抗擾動,2021/4/6,51,仿人PID控制算法仿真結(jié)果,=0.0375,=0.0001,=1.1812.,2021/4/6,52,仿人積分實(shí)際控制效果,2021/4/6,53,仿人智能積分(液位控制) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及參數(shù)分析,設(shè)定液位為50，Kp為4，Ki為0.6，Kd為0.1，此時曲線上升比較快，超調(diào)量很小，很快進(jìn)入穩(wěn)定并且穩(wěn)定效果比較好。,將

15、Kp設(shè)為1，其余保持上次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，液位50，Ki為0.6，Kd為0.2，實(shí)驗(yàn)效果如右圖所示，超調(diào)量很大，伴有明顯的振蕩，穩(wěn)定時間很久，結(jié)果很不理想,2021/4/6,54,9.3 專家PID控制,一、專家PID控制原理,2021/4/6,55,PID專家控制的實(shí)質(zhì)是，基于受控對象和控制規(guī)律的各種知識，無需知道被控對象的精確模型，利用專家經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計PID參數(shù)。專家PID控制是一種直接型專家控制器。 典型的二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)誤差曲線如圖所示。對于典型的二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)過程作如下分析。,2021/4/6,56,圖 典型二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)誤差曲線,2021/4/6,57,令e(k)表示離散化的當(dāng)前

16、采樣時刻的誤差值，e(k-1)和 e(k-2) 別表示前一個和前兩個采樣時刻的誤差值，則有,2021/4/6,58,根據(jù)誤差及其變化，可設(shè)計專家PID控制器，該控制器可分為以下五種情況進(jìn)行設(shè)計： （1）當(dāng) 時，說明誤差的絕對值已經(jīng)很大。不論誤差變化趨勢如何，都應(yīng)考慮控制器的輸出應(yīng)按最大（或最?。┹敵觯赃_(dá)到迅速調(diào)整誤差，使誤差絕對值以最大速度減小。此時，它相當(dāng)于實(shí)施開環(huán)控制。,2021/4/6,59,（2）當(dāng) 或 時，說明誤差在朝誤差絕對值增大方向變化，或誤差為某一常值，未發(fā)生變化。 此時，如果 ，說明誤差也較大，可考慮由控制器實(shí)施較強(qiáng)的控制作用，以達(dá)到扭轉(zhuǎn)誤差絕對值朝減小方向變化，并迅速減小

17、誤差的絕對值，控制器輸出為,2021/4/6,60,如果，說明盡管誤差朝絕對值增大方向變化，但誤差絕對值本身并不很大，可考慮控制器實(shí)施一般的控制作用，只要扭轉(zhuǎn)誤差的變化趨勢，使其朝誤差絕對值減小方向變化，控制器輸出為,2021/4/6,61,（3）當(dāng) 、 或者 時，說明誤差的絕對值朝減小的方向變化，或者已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)。此時，可考慮采取保持控制器輸出不變。 （4）當(dāng) 、 時，說明誤差處于極值狀態(tài)。如果此時誤差的絕對值較大，即 ，可考慮實(shí)施較強(qiáng)的控制作用,2021/4/6,62,如果此時誤差的絕對值較小，即 ，可考慮實(shí)施較弱的控制作用 （5）當(dāng) 時，說明誤差的絕對值很小，此時加入積分，減少穩(wěn)態(tài)誤差。,2021/4/6,63,圖中，、區(qū)域，誤差朝絕對值減小的方向變化。此時，可采取保持等待措施，相當(dāng)于實(shí)施開環(huán)控制；、區(qū)域，誤差絕對值朝增大的方向變化。此時，可根據(jù)誤差的大小分別實(shí)施較強(qiáng)或一般的控制作用，以抑制動態(tài)誤差。,2021/4/6,64,二、仿真程序及分析 仿真實(shí)例 求三階傳遞函數(shù)的階躍響應(yīng) 其中對象采樣時間為1ms。 采用專家PID設(shè)計控制器。在仿真過程中， 取0.001，程序中的五條規(guī)則與控制算法的五種情況相對應(yīng)。,仿真程序：chap2_1.m,2021/4/6,65,實(shí)時控制試驗(yàn),基于綜