仿人智能控制

1、仿人智能控制仿人智能控制是仿效人的政行為而進(jìn)行控制和決策，即在宏觀結(jié)構(gòu)上和功能上對(duì)人的控制進(jìn)行模擬。開展仿人智能控制的研究，是目前智能控制的一個(gè)重要研究方向。1. 仿人智能控制的原理1.1仿人智能控制的基本思想傳統(tǒng)的PID控制是一種反饋控制，存在著按偏差的比例、積分和微分三種控制作用。比例：偏差一產(chǎn)生，控制器就有控制作用，使被控量想偏差減小的方向變化， 器控制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù) Kp積分能對(duì)偏差進(jìn)行記憶并積分，有利于消除靜差，但作用太強(qiáng)，既Ti太大會(huì)是控制的動(dòng)態(tài)性能變差，以至使系統(tǒng)不穩(wěn)定。微分：能敏感出偏差的變化趨勢(shì),To大可加快系統(tǒng)響應(yīng)（使超調(diào)減?。┑謺?huì)使系統(tǒng)抑制干擾的能力降低。下面

2、來(lái)分析一下 PID控制中的三種控制作用的是指以及他們的功能與人的控制思維的某種智能差異，從而看出控制規(guī)律的智能化發(fā)展趨勢(shì)。1）比例；PID中實(shí)質(zhì)是一種線性放大或縮小的作用，它類似于人的想象能力，可以把一個(gè)量想得大一些或小一些，但人的想象力是非線性的是變的，可根據(jù)情況靈活變化。2） 積分作用：對(duì)偏差信號(hào)的記憶功能 （積分），人腦的記憶功能是人 類的一種基本智能，人腦的記憶是具有某種選擇性的?？梢杂涀∮杏玫男畔?，而遺忘無(wú)用或長(zhǎng)時(shí)間的信息，而PID中的積分是不加選擇的長(zhǎng)期記憶，其中包括對(duì)控制不利的信息，同比PID中不加選擇的積分作用缺乏智能性。3) 微分：體現(xiàn)了信號(hào)的變化趨勢(shì)，這種作用類似于人的預(yù)見

3、性，但PID中的微分的預(yù)見性缺乏人的遠(yuǎn)見卓識(shí)，且對(duì)變化快的信號(hào)敏感，對(duì)變化慢的信號(hào)預(yù)見性差仿人智能控制的基本思想 是指：在控制過(guò)程中利用計(jì)算機(jī)模擬人的 控制行為能力，最大限度的識(shí)別和利用控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程所提供的特征 信息進(jìn)行啟發(fā)和直覺(jué)推理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)缺乏精確數(shù)學(xué)模型的對(duì)象進(jìn)行有 效的控制1.2仿人智能行為的特征變量對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特征的模式識(shí)別，主要是對(duì)動(dòng)態(tài)模式的分類，根據(jù)系統(tǒng) 偏差e及偏差變化 e以及由它們相應(yīng)的組合的特征變量來(lái)劃分動(dòng)態(tài)特 征模式，通過(guò)這些特征模式刻畫動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為特征，以便作為智 能控制決策的依據(jù)。a處偏差將繼續(xù)偏離平衡輸出是一樣的，但他們的動(dòng)態(tài)特征是不同的,狀態(tài)，b處偏差將

4、回歸平衡狀態(tài)，F(xiàn)處偏差達(dá)到最大值。為了更全面，更細(xì)致的刻畫系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征，定義下列特征變量。1 ）偏差en（en表示偏離的大小，稱為離散數(shù)）en =R y n2）偏差變化 en en=en-en-i3）en en（偏差及偏差變化之積）偏差與偏差變化之積構(gòu)成了一個(gè)新的描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的特征變量。利用該特征變量的趨勢(shì)是否大于0可以描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)偏差變化的趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)圖1可得下表1OAABBCCDDEen>0 <0 <0 .>0>0 en<0 <0 >0 >0 <0en en<0 >0 <0 >0 <0圖1系統(tǒng)的典

5、型階躍響應(yīng)曲線另外，當(dāng)enen<0（BC,DE）表明系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程正向著偏差減小的方向變化，即偏差的絕對(duì)值逐漸減小；當(dāng)en en>0 （AB,CD ）表明系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程正向偏差增加的方向變化，即偏差的絕對(duì)值逐漸增大。4） en en-1 （相鄰兩次偏差變化之積） en-1=e n-1-e n-2這個(gè)特征量表示了偏差出現(xiàn)的極值狀態(tài)的特征量。若 en en-i<0表示出現(xiàn)極值狀態(tài)； en en-i>0表示無(wú)極值狀態(tài)出現(xiàn)；將厶enA en-1與en en聯(lián)合使用，可以判別動(dòng)態(tài)過(guò)程當(dāng)偏差出現(xiàn)極值后的變化趨勢(shì)，如B和C點(diǎn)：B 點(diǎn)： en環(huán)-1<0, en6>0C 點(diǎn)：

6、 en $-1<0, e * en<05） e/e|（偏差變化的姿態(tài)）這個(gè)特征量可以描述動(dòng)態(tài)過(guò)程中偏差變化的姿態(tài),當(dāng) e/e大時(shí)，表明 e大，而e小或很小當(dāng) e/e小時(shí)，表明e大，或厶e很小若B<|A e/e|<a,表明系統(tǒng)處于BC(或DE)中部一段，此時(shí)系統(tǒng)的動(dòng) 態(tài)過(guò)程是呈現(xiàn)偏差和偏差變化較大的姿態(tài)6) | 卻厶 en-i|這個(gè)特征變量反映了偏差的局部變化趨勢(shì)，也間接表示出前期控制效果，若此值大，表明前期控制效果不顯著或不佳7) ( en)ABC段：( en) >0 ,處于超調(diào)段CDE 段: ( en)<0,處于回調(diào)段通過(guò)對(duì)上述特征變量的分析可知，特征變量

7、是對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的一種定性預(yù)定兩性結(jié)合的描述，它體現(xiàn)了對(duì)人們思維的一種模擬。2. 仿人智能開關(guān)控制2. 1智能開關(guān)控制開關(guān)(on-off)控制又稱為 Bang-Bang控制，在許多電加爐的控制中被使用。智能開關(guān)控制就是根據(jù)偏差及其變化趨勢(shì)來(lái)選擇不同的開關(guān)控制策略。2. 2智能開關(guān)控制器設(shè)計(jì)示例設(shè)控制過(guò)程為氧化還原反應(yīng)的控制過(guò)程，控制量為交流電壓U(t),其輸出波形如圖2, T為控制精度，t0為控制器輸出時(shí)間或開關(guān)接通時(shí)間。圖2控制電壓波形圖設(shè)控制過(guò)程的溫度偏差曲線如圖3所示，其中K是輸出采樣時(shí)刻，t(k)表示當(dāng)前時(shí)刻的偏差， e(k)表示當(dāng)前前時(shí)刻偏差的變化?？紤]到被控過(guò)程的大慣性，既具有純滯

8、后，根據(jù)前述的部分相應(yīng)過(guò)程特征變量，采用產(chǎn)生式規(guī)則來(lái)設(shè)計(jì)智能開關(guān)控制過(guò)程如下：(1) IF |e(k)| > M e(k)>0 THEN u(k)=Ut0 (K)=T ( 爐溫低，加入控制作用 )(2) IF |e(k)| > M e(k)<0 THEN u(k)=0t0(K)=0 ( 爐溫高，切斷控制作用 )( 3) IF e(k)=0e(k-1)<0 THEN u(k)=Ut0(K)=K1 t0(K-1)加控制量以維護(hù) )( 4) IF e(k)=0 e(k-1)>0 THEN基本一樣 )( 5) IF |e(k)|<E e(k )>0t0(

9、K)=K2 t0(K-1)(6) IF |e(k)|<E e(k )>0t0(K)=K3 t0(K-1)( 7) IF |e(k)|<E e(k )>0t0(K)=K4 t0(K-1)( 8) IF |e(k)|<E e(k )>0t0(K)= t0(K-1)(9) IF E < |e(k)|<M e(k )>0t0(K)=K5 t0(K-1)(爐溫正好，但是上一拍爐溫低，u(k)=Ut0(K)= t0(K-1) ( 同上 e(k)>0 THEN u(k)=U e(k)<0 THEN u(k)=U e(k)<0 THEN

10、u(k)=U e(k)>0 THEN u(k)=U e(k)>0 THEN u(k)=U(10) IF E < |e(k)|<M e(k )<0 to(K)二K6 to(K-1)(11) IF E < |e(k)|<M e(k )>0 to(K)=K7 to(K-1)(12) IF E < |e(k)|<M e(k )<0to(K)=K8 to(K-1)其中E為爐溫允許偏差的絕對(duì)值， e(k)>0 THEN u(k)=U e(k)<0 THEN u(k)=U e(k)>0 THEN u(k)=UM為給定的常數(shù)M

11、>E, t0(K)和to(K-1)分別為本次和上一次控制量的輸出時(shí)間，K0-K8位根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)而整定的參數(shù)。3. 仿人比例控制器3. 1仿人比例控制原理假定對(duì)象為線性定常系統(tǒng)，其比例反饋如圖4所示，當(dāng)K較小時(shí)一般可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但會(huì)有較大的靜差，滿足不了穩(wěn)定將度的要求。這是可采用仿人控制，不斷調(diào)整給定值，使系統(tǒng)不斷逼近期望值。圖4比例反饋控制系統(tǒng)具體做法是：若系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定后，在給一個(gè)幅值為ess0的階躍輸出，此時(shí)給定值變?yōu)?+ ess0，系統(tǒng)穩(wěn)定輸出為ysso + Yss1，此時(shí)再給一個(gè)幅值為ess1的階躍輸入，則產(chǎn)生yss0 + yss1 + yss2 的穩(wěn)定輸出，依次下去有：

12、ny = E yssi ? ? k=i(i)i = 0yss0 essn ? ? f 0(2)實(shí)際上只要n足夠大就可以，例如若原比例控制靜差ess0 =20%，則ysso=O.8。若要求警差度為1%，則yn = yss0 + y ss1 + yss2=Yss0 + Yss0 %20+ ysso%20%20=0.8+0.16+0.032=0.992即可滿足要求了。圖5階躍響應(yīng)曲線3. 2仿人比例控制算法仿人比例控制系統(tǒng)如下圖 6所示：圖中積分開關(guān)只有在滿足穩(wěn)定輸出 時(shí)才閉合一次，完成 e0 = eo-1 + e運(yùn)動(dòng)后又立即斷開，此后 e；不變。圖6仿人比例控制為了判斷系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)而不受干擾和

13、擾動(dòng)的影響，給出如下判據(jù)：系統(tǒng)處于穩(wěn)定的充分條件是存在一個(gè)ko使得ko < k < ko+N時(shí)，|e(k)-e(k-1)|< s或者以連續(xù)N滿足|e(k)-e(k-1)|< S作為判穩(wěn)條件。為實(shí)現(xiàn)仿人比例控制方法，可采用如下產(chǎn)生式規(guī)則描述：n n-1IF ko < k< ko+N, |e(k)-e(k-1)|<0 THEN e。二 e。 +e(k)常數(shù)0取系統(tǒng)允許穩(wěn)定差的1.5 2倍。N與對(duì)象的時(shí)間常數(shù) P和純滯后T有關(guān)。設(shè)采樣時(shí)間為T,貝U Nx(P/T+ t/T)上述控制算法實(shí)質(zhì)上等價(jià)于比例控制加智能積分。(未滿足條件僅起比例作用，穩(wěn)定條件滿足積分

14、起一次作用)。上述的仿人比例控制算法二比例+智能積分，有效地解決了傳統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)中穩(wěn)態(tài)精度與穩(wěn)態(tài)誤差的矛盾。4. 仿人智能積分控制4.1仿人智能積分的原理在控制系統(tǒng)中引入積分控制作用是減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)偏差的重要途徑，在常規(guī)PID控制中，其積分是對(duì)時(shí)間軸上的所有數(shù)據(jù)的全時(shí)效積分，即記憶了偏差的存在及其變化的全部信息，它有以下幾個(gè)缺點(diǎn)：（1）積分控制作用針對(duì)性弱（2）只要偏差存在，積分就起作用，易于引起積分飽和現(xiàn)象（3）積分參數(shù)選擇不當(dāng)即易造成系統(tǒng)的振蕩造成上述積分控制作用不佳的原因在于：它沒(méi)有很好的體現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)的操作人員的控決策思想。下圖給出了系統(tǒng) PID中的積分和人類積分的響應(yīng)曲線。eAHI(t)

15、4PID1廠1/:7/、:tnL:I:t:E:|圖7偏差與積分對(duì)ab和be段而言：在ab段已出現(xiàn)超調(diào)，正確的作用是使控制量在常志上加一個(gè)負(fù)量控制以壓低超調(diào)盡快減小偏差，但是PID中控制量還是正的，這是因?yàn)?oa積分作用過(guò)大，ab是負(fù)積分難以抵消 oa的影響， 故積分控制量仍是正值。從而導(dǎo)致超調(diào)不能迅速降低，延長(zhǎng)系統(tǒng)的過(guò)渡時(shí)間為克服上述積分控制作用的缺點(diǎn)，采用第二種積分作用，即在（a,b）（c,d）（ e,f）等區(qū)間中積分，這時(shí)的積分能為積分控制作用及時(shí)給出正確的積分控制量，能有效的抑制系統(tǒng)誤差的增加，而在（o,a）（b,c）（d,e）區(qū)間上停止積分作用，只利用系統(tǒng)借助于慣性向穩(wěn)態(tài)過(guò)渡，而此時(shí)系統(tǒng)并不失控，它還受到比例等控制作用的抑