单片机实现的仿人智能pid控制器优秀毕业论文.pdf

大连海事大学 硕士学位论文 单片机实现的仿人智能pid控制器 姓名：夏晓晶 申请学位级别：硕士 专业：轮机工程 指导教师：张均东 20040301 摘要 p i d 控制是一种应用非常广泛的控制技术。然而，在工业生产过程中往往具有 非线性，时变不确定性，难以建立精确的数学模型，应用传统p i d 控制，不能达 到理想控制效果。本文是在传统p i d 的基础上，加入仿人智能控制的方法，设计 了智能p t d 控制器。 仿人智能控制是依靠准确识别误差的各种特征而做出相应的决策， 并通过多模态转换、开闭环相结合的模式进行控制。依靠灵活巧妙的识别、决策、 再识别、再决策的控制方式，使得本来处于矛盾地位的控制品质( 快速性、准确性、 和稳定性) 在这种控制算法下兼得。 本文主要介绍基于仿人智能控制的p i d 控制器，先在m a t l a b 仿真环境下，以 控制锅炉汽包水位为例，简单分析证明了仿人智能p i d 控制算法较传统的p i d 算 法的优越性。然后把实验室的水槽水位控制系统作为控制对象，将仿人智能p i d 算法简化成单片机应用程序，自行设计了智能p i d 控制器。此控制器具有较好的 控制效果和兼容性，可支持标准的串口通讯协议，结构简单、价格低廉。 关键词：仿人智能控制p i dm a t l a b 单片机控制器 a b s t r a c t p dc o n t r o li sm o r e p r e v a l e n tc o m r o lt e c h n o l o g y h o w e v e r ，t h e r ea r em a n yo b j e c t s w i t h o u ta c c u r a t em a t h e m a t i c sm o d e li ni n d u s t r i a lf i e l d s ，o rt h em a t h e m a t i c sm o d e li s m o r e c o m p l e x ，o r w i t h h i g h l yn o n l i n e a r c o n t r o l l e rw i t h t h et r a d i t i o n a lp i d a l g o r i t h mi s h i 曲l yi m p o s s i b l et og e ts a t i s f i e dc o n t r o le f f e c t t h e r e f o r e ，o nt h eb a s eo f t h et r a d i t i o n a l p i d ，t h ea u t h o ra f f i l i a t e st h eh u m a ns i m u l a t i o ni n t e l l i g e n tc o n t r o lt h e o r yw i t ht h e t r a d i t i o n a lp dc o n t r o la l g o r i t h m ，w h i c hi m p r o v e dt h ec o n t r o le f f e c t h i t m a ns i m u l a t i o ni n t e l l i g e n tc o n t r o lc a ng i v et h ec o r r e s p o n d i n g d e c i s i o n m a k i n g o nt h eb a s eo f i d e n t i l y i n ga l lk i n do f c h a r a c t e r so f e r r o r s f u r t h e r m o r e ，i tm a k e sc o n t r o l d e c i s i o nb yt h ew a yo fm u l t i m o d ec o n v e r s i o na n dm o d eo fo p e n e dl o o pc o m b i n i n g w i t hc l o s e dl o o pd e p e n d i n go n a g i l ea n d a r t f u lc o n t r o lm o d e i d e n t i f y , d e c i s i o n - m a k i n g ， a n dd oi tr e p e a t e d l y , t h i sc o n t r o la l g o r i t t m lm a k e st h ec o n t r o lq u a l i t y ( c e l e r i t y , v e r a c i t y , s t a b i l i t y ) c o m p a t i b l e t h et h e s i sm a i n l yi n t r o d u c e dt h ep dc o n t r o l l e rb a s e do nt h eh m n a ns i m u l a t i o n i n t e l l i g e n tc o n t r o la l g o r i t h m f i r s t l y , i nt h em a t l a bs i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t ，t h ea u t h o r a n a l y s e da n dp r o v e dt h ea d v a n t a g eo f t h eh u m a ns i m u l a t i o ni n t e l l i g e n tp i dc o n t r o l a l g o r i t h mo v e rt h et r a d i t i o n a lp i d c o n t r o la l g o r i t h mt h es i m u l a t i o no b j e c ti sb o i l e r s w a t e r - l e v e ls y s t e m t h e nt h r o u g hs i m p l i f y i n gt h ei n t e l l i g e n tp i da l g o r i t h m i n t oa p r o g r a mr u ni ns i n g l e c h i p ，t h e a u t h o rd e s i g n e da ni n t e l l i g e n tp i dc o n t r o l l e r i th a s p r e f e r a b l ec o n t r o le f f e c t sa n dc o m p a t i b i l i t y , a n da d a p t t os t a n d a r ds e r i a lc o m m u n i c a t i o n p r o t o c 0 1 t h ec o n t r o l l e r h a st h ef i g u r eo f s i m p l ec o n f i g u r a t i o na n dc h e a p k e y w o r d ：s i m u l a t i o nh u m a ni n t e l l i g e n t c o n t r o lp 1 dm a t l a b s i n g l e c h i p c o n t m l l e r 第1 章引言 11 p f d 控制技术的发展及单片机概况 1 ，1 1 p i d 控制技术的发展及趋势 在工业过程控制中，p i d 控制是历史最悠久，生命力最强的一种控制方式。它 是迄今为止最通用的控制方法。大多数反馈回路用该方法或其较小的变形来控制 “。我们今天所熟知的p i d 控制器产生并发展于1 9 1 5 1 9 4 0 年期间。尽管1 9 4 0 年 以来，许多先进控制方法不断推出，但p i d 控制器以其结构简单，对模型误差具 有鲁棒性及易于操作等优点，仍被广泛应用于冶金化工、电力、轻工和机械等工 业过程控制中。据日本电气计量器工业会先进控制动向调查委员会1 9 9 0 年统计， 在日本有9 1 的控制的控制回路采用的是p i d 控制器控制。在美国，据控制工程杂 志( c o n t r o le n g i n e e r i n g ) 编辑k j k k o m p a s s 估计，有9 0 以上的工业控制器采 用的是p d 调节器。两在我们圉家现在p i d 调节器盎勺应用就更加普遍。虽然随着 控制理论的发展和控制手段的更新，许多基于现代控制理论的新型控制器不断出 现，但p i d 控制仍是最重要的控制方法。据估计：我们国家过程工业中需要约5 0 万个h d 智能的p 工d 控制器。 p i d 调节器的发展经历了液动式、气动式几个阶段，目前正经历由模拟控制器 向着数字化、智能化控制器的方向发展阶段；这些数字化、智能化的控制器有着 传统的模拟控制器无法比拟的优点，如：，可。以灵活的改变控制参数，可以灵活的 改变控制策略等。 随着工业的发展，对象的复杂程度不断加深，尤其对于大滞后、时变的、非线 性的复杂系统：其中有的参数未知或缓慢变化：有的带有延对或隧机于拢：育约 无法获得较精确的数学模型或模型非常粗糙。加之，人们对控制品质的要求e ：= | 益 提高，常规的p i d 控制的缺陷逐渐暴蘑 十 来。对于时变对象和非线性系统，传统 蚋p i d 控翩更是显得无能为力。因此常拽p r d 控制的应用受到缀火硪制和挑战， 人们在对p i d 应用的同时，也对其进行了各种改选。主要体现在以下两个方面： 1 。是对常规p i d 本身结构进行改进，即变结构p i n 控制。另一方面，专家控制、 模糊控制和神经网络控制是目前智能控制中最为活跃的领域，它与常规的p i d 控 制相结合，扬长避短，发挥各自的优势，形成所谓的智能p i d 控制。这种新型控 制器已经引起人们的普遍的关注和极大的兴趣，并已得到较为广泛的应用。它具 有不依赖精确数学模型的特点，对系统参数变化具有较好的鲁棒性。 智能控制( i n t e l l i g e n c o n t r 0 1 ) 是一门新兴的理论和技术，它是传统控制发 展的高级阶段，主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制，其中包 括智能机器人系统，复杂工业过程控制系统，交通运输系统，航天航空系统等“1 。近 年来，智能控制与常规p i d 控制相结合，形成所谓智能p t d 控制。它简化了建模 程序，算法简单，明显地提两了系统的控制品质，引起了国内外学者的广泛关注， 已经成为当前控制领域研究热点之一。 1 1 2 单片机概况 随着电子技术和微电子技术的飞速发展，微型计算机发展很快，它是在块 芯片上集成了多种功能部件构成一台完整的、具有一定功能的单片微型计算机。 单片机作为计算机的一个独特分支，打破了微型计算机按逻辑功能划分芯片结构 的传统概念，以其体积小、功能强、性价比高等优点被广泛应用于诸多领域。单 片机在一块芯片上集成c p u 、r o m 、r a m 、i o 接口，定时器计数器和中断系统等 功能部件，构成一个完整的微型计算机。由于集成电路技术的进一步发展它还可 包括a d 、d a 通道，d m a 通道和浮点运算单元等特殊功能部件。随着单片机功能 的不断扩展，由单片机构成的单片机应用系统功能也i i = | 益扩展，它可以配用打印 机、绘图机、c r t 等越来越多的外围设备，还可以支持联网。在此不拓展叙述。此 外，单片机特别适用于控制领域，故又称微控制器( m i c r o c o n t r o l l e r ) “3 。在工 业控制领域中，单片机体积小、重量轻、噪声低、i u 靠性高，具有很强的灵活性， 而日价格便宜，抗干扰能力强，开发效率高易于产品化；阁单片机丌发的产品可 以稳定l u 靠的工作1 0 2 0 年，具有很强的而向控制能力，在工业自动化控制、智 能化仪表、家用电器、机器人、通讯、航空航天技术、数掘处理、交通运输等方 厕获得了广泛的应用。 1 2 课题的提出与本文的内容 1 2 1 课题的提出 p i d 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其简单、鲁棒性好和可靠性高， 被，、泛应用于工业过程控制，尤其适用于可建立数学模型的确定性系统。而实际 工业生产过程往往具有非线性性、时变不确定性，难以建立精确的数学模型，应 用常规p i d 控制器不能达到理想的控制效果。 为了弥补常规p i d 的不足之处、改善控制效果，本文探讨并研制了一种基于 仿人智能算法基础上的p i d 控制器，通过单片机来实现仿人智能p i d 控制算法。 并借助于实验室的双水槽过程控制系统进行试验。 1 2 2 本文的主要内容简述 本文的主要内容如下： 第1 章，提出研究课题 第2 章，阐述常规p i d 控制算法的原理 第3 章，在详细介绍仿人智能控制算法之后，提出仿人智能p i d 控制算法。 第4 章，以锅炉汽包水位的控制模型为例，对第3 章所提出的智能p i d 控 制算法和常规p i d 算法进行m a t l a b 仿真，以证明仿人智能p i d 控制算法较常规p i d 控制算法的优越性。 第5 章，详细介绍了用单片机实现的基于仿人智能算法的p i d 控制器。包 括硬件实现、软件实现，并介绍了此智能p i d 控制器的特点。 第6 章，由于单片机参数赋值和显示是由上位机( 即p c ) 来完成的，所以在 第6 章详细阐述这一部分。 第7 章，单片机智能控制器在双水槽过程控制系统上的实验结果。 笫8 章，结论。 第2 章数字p id 控制技术的原理及应用 2 1p ld 控制算法 p i d 控制是。+ 种简单的控制方法，其传递函数为： g ( s ) = k p + k f s + k d s ( 2 1 ) 或 g ( 萨剐1 + 去+ s ) ( 2 2 ) 式2 - - 2 中，k p 为比例系数；t x 为积分时间常数；而为微分时问常数。 常见的p i 、p d 、p i d 控制的形式为 “。= k ，e + k ，e 础 ( 2 3 ) “。= k p e + 如面d e ( 2 - - 4 ) u 。= k p 8 + k l i e “k d i d e ( 2 - 5 ) 式中k ，k ，k 。为p i d 控制器的三个调节因子“1 。p i d 控制器是一种线性控制 器，将偏差的比例( p ) 、积分( i ) 、微分( d ) 通过线性组合构成控制量，对被控 对象进行控制，故称p i d 控制器15 1 0 简单来说，p i d 控制器各校正环节的作用如下： 1 比例环节即成比例地反映控制系统的偏差信号8 ( f ) ，偏差一旦产生，控 制器立即产生控制作用，以减少偏差。但是，比例控制不能消除稳态误差，比例 系数的增大会引起系统的不稳定。 2 积分环节用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积 分时间常数e ，乃越大，积分作用越弱，反之则越强。只要系统存在误差，积分 控制作用就不断地积累，输出控制量以消除误差，因此，只要有足够的时间，积 分控制将能完全消除误差，但积分作用过强会使系统超调加大，甚至使系统出现 振荡。 3 微分环节能反映偏差信号的变化趋势( 变化速率) ，并能在偏差信号值 变得太大之前，在系统引入一个有效的早期修正信号，可以减小超调量，克服振 荡，加快系统的动作速度，减小调节时问，使系统的稳定性提高，从而改善系统 的动态特性。 2 2 数字p ld 控制 在计算机控制中，使用的是数字p i d 控制器，数字控制器通常分为位置式p i d 控制算法和增量式p i d 控制算法。 2 2 1 位置式p i d 控制算法 在模拟调节系统中，p i d 算法的表达式为 砸) 啦m 卅寺舯出+ 警】 ( 2 _ 6 1 由于微机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值来讨算控制量。 因此，在微机控制系统中，必须首先对式2 - 6 进行离散化处理的p i d 表达式“1 ： n r 七、= k 。r “七、+ 三争8 f n + l e ( k ) - e ( k - 1 ) i ( 27 ) “( 女) = k ， p ( k ) + 鲁8 ( j ) + _ j _ 一】 ( 7 ) 式中，r 采样周期，必须使t 足够小，才能保证系统有定的精度； p 第k 次采样的偏差值； e ( k 一1 ) 一篇( 缸1 ) 次采样的偏差值： 女采样序号，k = o ，i ，2 ； “一第k 次采样时调节器的输出。 由于输出值与阀门开度位置一对应，因此通常把式2 7 称为位簧式p i d 控 制算法。 2 2 2 增量式p l d 控制算法 根据式2 7 可以写出u ( k - 1 ) 的表达式，即 小- 1 ) ：砸叫+ 吾艺旬) + e ( k - 1 ) - ，e ( k - 2 ) ( 2 - 8 ) j = o 式2 7 和式2 8 相减的到 a u ( k ) = k ， e ( 女) 一e ( k 1 ) 】+ k ，e ( k ) + k d g ( 七) 一2 e ( k 一1 ) + e ( k 一2 ) 】( 2 - 9 ) 式2 9 就是增量式p i d 控制算法公式。 位置式p i d 算法的缺点是：由于全量输出，所以每次的输出均与过去的状态 有关，计算时要对误差进行累加。计算运行工作量大，而且如果计算机出现故障， 会引起执行机构位置的大幅度变化，这种情况往往是生产实践不允许的。在某些 场合会造成很严重的生产事故，因此就利用增量式p i d 控制算法，所谓增量式p i d 控制是数字控制器的输出只是控制量的增量。 增量式p i d 算法的优点：由于微机输出增量，所以误动作影响小，必要时 可用逻辑判断的方法去掉。在位置式控制算法中，由手动到自动切换时，必须 首先使微机的输出值等于阀门的原始开度，即u ( k 1 ) ，才能保证手动自动无扰动 切换，这将给程序设计带来困难。而增量式设计只与本次误差值有关，与阀门原 来的位置无关，因此增量式容易实现手动自动无扰动切换。不产生积分失控， 所以容易获得较好的调节效果。但是这种算法也有不足之处：积分截断效应大， 有静态误差；溢出的影响大。 所以，应该根据被控对象的实际情况加以选择。一般认为，在对控制精度要 求较高的系统中，应当采用位置式控制算法，而在以步进电动机或多圈电位器作 执行器的系统中，则应当采用增量式控制算法”1 。 2 3 数字p l d 控制器采样周期的选择 在数字控制系统中，采样周期t 是个比较重要的因素，采样周期的选择应与 p i ) 参数整定综合考虑。选择采样周期时一般考虑以下几个因素： 1 采样周期应远小于对象扰动信号的周期。 2 采样周期应比对象的时间常数小很多，否则采样信号无法反映瞬变过程”3 。 3 对象所需的调节品质。在计算机运算速度允许下，采样剧期越短，调节品 质越好。1 。 4 性能价格比。从控制性能来考虑，希望采样周期短，但计算机运行速度和 a d 、d a 转换速度要相应提高，导致计算机费用提高。 5 计算机所承担的工作量。如果控制回路越多，计算量就越大，则采样周期 要知1 长，反之可以缩短。 从上面分析可以知道，采样周期受各种因素的影哟，有些互相矛盾的必须视 情况和主要的要求作出折衷的选择。在某些控制系统中，p i d 调节控制过程是在定 时中断状态下完成的。因此，采样周期t 的大小必须保证中断服务程序的正常运 行。 第3 章智能p ld 控制算法 3 1 智能控制理论的回顾0 1 n “2 1 朝4 ”1 智能控制思想最早是普渡大学k s f u 教授= j 二6 0 年代中期提出的。他在1 9 6 5 年发表的论文中率先提出把人工智能的启发式推理规则用于学习系统，这篇论文 为自动控制迈向智能化揭开了崭新的一页。接着：m a n d 在空间飞行器的学习控制 中应用了人工智能技术，并提出了“人工智能”的新概念；同年，l e o n d e s 和m a n d l 首次使用了“智能控制( i n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 ) ”一词，并把记忆、目标分解等技 术用于学习控制系统：这些反映了智能控制思想的早期萌芽，常被称为智能的孕育 期。7 0 年代智能控制的研究是6 0 年代这一思想雏形的进一步深化，是智能控制的 诞生和形成期。1 9 7 1 年，f u 发表了重要论文，提出了智能控制是自动控制和人工 智能交叉的“二元论”思想，列举了三种控制系统：人作为控制器、人机结合作 为控制器和自主机器人；1 9 7 4 年，英国的m a m d a n i 教授首次将模糊逻辑用于蒸汽 机控制系统，开创了模糊控制的新方向：1 9 7 7 年s a r i d i s 的专著出版，并于1 9 7 9 发表了综述文章，全面论述了从反馈控制到最优控制，随机控制到自适应控制、 自组织控制、学习控制，最终向智能控制发展的过程，提出了智能控制是人工智 能、运筹学、自动控制相交叉的思想及分级递阶的智能控制系统框架。 8 0 年代智能控制的研究进入了迅速发展阶段：1 9 8 4 年，a s t r o m 直接将人工智 能的专家系统技术引入到控制系统，明确提出了建立专家系统的新概念；与此同 时，m ) p f i e l d 提出了h o p f i e l d 网络r u m e l h a r t 提出了b p 算法，为7 0 年代以来一 直处于低迷人工神经网络的研究注入了新的活力；继6 0 年代k i i m e rm c c i l o c h 提 出的k b m 模型实现“阿波罗”登月车的控制之后，人工神经网络再次进入控制领 域，迅速得到了广泛的应用，从而开辟了神经劂络控制；1 9 8 5 年8 月，i e e e 在美 国费城由i e e e 控制学会与计算机学会联合召升了第一届智能控制国际协会，这标 志着智能控制作为。门学科正式建立起来。 进入9 0 年代，关于智能控制研究的论文、著作、会议、期刊大量涌现，应用 对象也更加广泛，从_ t 业过程控制、机器人控制、航空航天器控制到故障诊断和 管理控制等都有涉及，并获得了较好的效果。 r 3 ，2 仿人智能控制理论基础 3 ，21 仿人智能控制的基本思想7 1 研究智能控制的一个直观的途径就是从人自身找答案，人在决策以及控制中 表现出来的周期性的规律是控制模仿的原型。仿人智能控制以人工智能和自动控 制理论为基础，总结人的控制经验，以产生式规则接述其启发、知觉推理及控制 行为。仿人智能控制在结构和功能上有如下特征： 分层的信息处理和决策机构； 在线的特征辨识和特征记忆； 开闭环控制结合、定性决策和定量控制相结合的多模态控制； 启发式和直接逻辑推理的应用。 从控制理论的观点来看，仿人智能控制理论中出现了一系列的新概念和新方 法。人的直接推理逻辑由人工智能产生式规则给予描述；在线特征规则和特征记 忆根据系统动态模型进行分析；而特征模型的建立与人工智能模式识别和知识表 达技术息息相关；开闭环结合，建立在经典控制理论的基础上，定性决策和定量 控制相结合的多模态控制，充分利用了控制理论的成果；分层递阶的信息与决策 机构需要以计算机硬件系统为载体。上述原则的实现充分体现了人工智能、控制 理论和计算机科学的交叉与有机结合。 3 2 2 仿人智能控制的基本概念 仿人智能控制理论的基本概念“”“” 仿人智能控制理论在对人的控制功能进行模拟时首先遇到的问题就是如何建 立控制问题的广义数学模型。仿人智能控制认为，系统误差e ( t ) 、误差变化率6 ( t ) 以及时间t 构成求解的信息空间。其中e ( t ) ：r ( t ) 一y ( t ) ，r ( t ) 是系统的输入，“t ) 是系统 的输出。显然无沦是定值控制还是伺服控制，控制的目标都是t 一无穷人时，使 得c ( t ) = e ( t ) = 0 。系统运动在信息空间中的运动轨迹，不仅反映了系统的所有动 态信息，而且也反映了控制作用对系统的影响。 在人参与的控制过程中，经验丰富的操作者不是依据数学模型，而是根据经 验和知t 以及系统表现出来的某些关键性的特征，在线确定或改变控制策略。仿 人智能控制理论认为，反映系统运动状态的所有动态特征信息构成了仿人智能控 制的广义的数学模型一特征模型。特征模型是特征辨识的基础，是控制器应有的 先验知识。 定义1 ：特征模型是对智能控制系统动态特性的定量和定性描述相结合的 模型，是针对控制问题求解和控制指标要求的不同，对系统信息空间的一种划 分( 如图31 ) ，其中分出的每个区域分别表示系统的一种特征。 o = 扫。，妒2 ，妒j ) ，妒，妒。 状态妒：特征模型为所有特征状态的集合，即： 图3 一l 中划出的每一个区域表明了系统正处在某种特征状态下，例如： p ，= e e o 八ie e l b a1 e1 a 1 八le l a 2 表明系统中处于受扰动作用而以较大的速度偏离目标值的状态，其中a 、a 2 、 b 为阀值，根据对象的先验知识而定。 j 孑 如， e 图3 、1 一种简单的特征模型 定义2 ：特征辨识是指仿人智能控制器根据特征模型中对采样信息在线处理， 通过模式识别来确定系统过程当前处于什么样的特征状态。 在特征辨识过程中，控制器将接受大量的信息，将其记忆下来评判控制效果， 确定控制策略，校正控制器参数从而直接影响到控制器的输出，但控制器所能记 忆的容量有限，不能将所有的信息记录下来。实际上对控制与决策而言，绝大多 10 数信息是冗余的，真正需要记忆的只是其中一些重要的特征信息。这也是特征辨 识的主要任务。 定义3 ：特征记忆是指仿人智能控制器对些反映前期策略与控制效果的特 征量和反映控制任务要求以及控制对象性质的特征量的记忆。特征记忆可用集合 为： = k r z ，r p l 常用的特征记忆量有： ：e 。，为误差极值 ：为控制量保持值 ：岛。为误差过零速度 l 采用特征记忆不仅可以直接影响控制与校正的输出量，改善控制效果，还可以作 为自校j f 、自学习、自适应的依据。 定义4 ：控制( 决策) 模态集v 是指控制输出与输入信息f 和特征信号 2 _ 1 q 的某种定性或定量映射关系f 集合，即： v = ( f r j ，f j ) 其中，吼j “f = 忙，毒r 厂- j ，或i f f i f i i f 条件t h e n 操作( 结论) 。 仿人智能控制理论认为，智能控制中不断变化策略的控制方式，称为多模态 控制( 决策) 。这种通过特征辨识和特征记忆，识别出系统当前处于什么状态，然 后采取适当的控制模态的过程，实际上可以看成是对人的启发和直觉推理逻辑的 一种模仿。 定义5 ：启发与直觉推理规则集。是对人( 控制专家) 决策过程的一种模仿，它 根据特征辨识的结果确定控制策略，并用产生式规则“i f t h e n ”形式予以描 述。 仿人智能控制器的在线控制( 决策) 过程实质上是从特征辨识到多模态控制的 具有二次映射关系的信息处理过程，即 q ：一v q = 6 , 1 ，u 3 ，- ，山，) 6 ) i ：i f 竹t h e n 蚧 ( 定性映射) ：r u q j = t 掣! ? 翠27 ? ! ，r q r i ? h i = f i 忙，e ，0 ，一，( 定量映射) 或蚧：石一i f 条件t h e n 操作( 定性映射) 以上的二次映射关系可以_ e j 两个三重序关系描述，设智能控制过程为i c ，则 i c = = ( 31 ) 控制模念集v 也是智能控制器应有的先验知识，实际上每一个控制模态都有 一些模态基元构成的，例如，组成分层递阶智能控制最低层控制模态集的常用基 元有： m l j 岛e比例 m 2 jk a e微分 ，：k 。i e d t 积分 m 4 j “输出保持 该层次控制模态集v 与模态基元之间的关系： 甲：u = l m 其中，f 为输出量，为模态基元向量，为关系矩阵，其中只有l 、0 、 l 三种元素。由此可构成各种控制模态，如： p ，j “= u h + 如g + 自比例+ 微分+ 保持 j “= k e e e 。 开环保持等待 i = 1 控制模态集和推理规则集将根据对象特征和不同的控制要求而确定，同时不 断在线修改以适应被控对象和控制问题的变化。 仿人智能控制系统具有分层递阶的控制结构，各控制层次遵循层次越高，智 能程度增加精度降低i p d i 的原则。在底层的执行级上智能要求低一些，但其控制 精度和实时性要求却较高。 定义6 ：仿人智能控制的分层信息处理与决策机构是求解控制问题的一种高阶 1 ， 产生式系统结构，按层次高低可分为：中枢司令级c c ，组织协调级o c 和单元控制 级u c 。 3 3 基于仿人智熊算法的智能控制器的设计证胡 对于单元控制级的仿人智能控制器，每一个控制问题由如下的两个三重序元 关系描述： i c = v = 因此控制器的设计，也就是针对一定的对象，建立特征模型o ，确定相应的 控制模态集v 和推理规则集q 。仿人智能控制器的设计一般按如下的三个步骤进 行： 根据控制品质的要求，在误差相平面上画出理想的误差相轨迹； 根据理想的误差相轨迹建立相应的系统特征模型。 根据特征模型每一划分区域的物理意义，以控制理论为基础，总结控制经 验，以确定相应的控制模态集和推理规则集。 特征模态$ 是对信息空间= ( e ( t ) 6 ( t ) t ) 的一个划分。根据控制品质的要 求，如上升时间、稳态精度、超调等具体要求，一般可得出误差在( e ( t ) e ( t ) t ) 空间中的理想运动轨迹，将其投射到误差相平面s ：e 一6 上，便可以得到系统理想的 误差相轨迹，那么控制的目的就是要使实际的误差相轨迹尽可能的接近理想误差 相轨迹。从而特征模型的确定也就转变成如图3 - 2 所示对误差相平面s ：e e 适当的 划分。 e t t e 2 7 4 心疹 p ，p = p 毋q口2 1 | 滥 y 仍胃 l g t 3 2 一个典型的理想误差相轨迹及其特征模型划分 g l ：l e l 口i ：q z ：j 6 ； 届：9 3 ：6 e 盯l ：q 2 ：fe l ：q 3 ：e e y l ：9 4 ：f6c 兰占， 从而可得到特征模型巾，如：吼：“妒：q ：a n dq 等。其中d ，届, y l ，j ： 等都是根据理想误差相轨迹而得出的可调经验值。 通过特征模型可以看出，当误差状态( e ，6 ) 不在理想区域时，必须采取相应的 控制模态，使误差尽量按照理想状态运行，同时，特征模型的各个区域与控制模 态之间的匹配关系，也构成了推理规则集q 。例如，典型的控制模态有： 妒i ：“= o i g 丸( e ) + u 。，b a n g b a n g 控带4 ；f ，2 ：“= k 。e + 置d j比例+ 微分控制 鸭：“= “ + k 。ek k i , n + 保持控制 妒。：“= u 。保持控制 对应于特征模型和控制模态集的推理规则，根据控制理论可以确定，例如： 。：特征划分区域：“= s i g n ( e ) t ( ，使误差尽快减小 吐：特征划分区域妒：“= k 。p + k 。e ，控制 e2 的幅度 特征模型和特征模态的匹配关系，是以自动控制理论为一种定性映射关系， 同时总结控制经验。确定特征元素的阀值以及控制参数，从而可以得到定量的控 制输出。 3 ，4 仿人智能控制的基本算法 仿人智能控制算法的原型算法如下”。 l u 0 ( ) + k p “w 2 k = k k ，主， l j ! i 西 o 或= 0 ，e o ( 比例) 葩 o 说明误差在增大；在b c 段，或d e 段等，e e o ，说明误差正在增大，可考虑控制器实施p i d 作用，以使误差绝对值朝减小方 向变化，迅速减小误差的绝对值。在b c 或d e 段，e 6 m i p 2 ：a e ( k ) = 0 ，f b ( ) m 1 p ) ：e ( k ) a e ( k ) 0 ，m 2 i e ( 女) l m 1 p 4 ：a e ( k ) = 0 ，m 2 p ( t ) 0 ，s i p ( 七) i m 2 p 6 ：d = o ，占 j p ( 露) f 鲋? 9 7 ：e ( k ) a e ( k ) 0 ，m 1 i p ( 七) l m 2 鸭：e ( k ) a e ( k ) 0 ， f e ( 七) f 肘2 妒9 ：e ( k ) a e ( k ) 0 ，a e ( k ) a e ( k 一1 ) 0m 2 1 9 ( 七) l m 9 l 。：e ( k ) a e ( k ) o ，a e ( k ) a e ( k 1 ) 0占 f e ( 素) l 屯抑制系数，0 m ，说明误差的绝对值己经很大。不论误差变化趋势如何，都 应考虑控制器的输出应按最大( 或最小) 输出，以达到迅速调整误差，使误差绝 对值以最大速度减小。此时，它相当于实旌开环控制。 ( 2 ) 当m ： l e ( ) l m ，时 如果e ( k ) a e ( k ) 0 ，说明误差在朝误差绝对值增大的方向变化，或误差为 某一常值，未发生变化。此时，可考虑由控制器实施较强的控制作用，以达到扭 转误差绝对值朝减小的方向变化，并迅速减小误差绝对值，控制器输出可为： u ( k ) = u ( k 1 ) + k k p e ( 足) 一e ( k 一1 ) 】+ k i e ( k ) + k d e ( 七) 一2 e ( k 一1 ) 十e ( k 2 ) ( 3 4 ) 当e ( k ) a e ( k ) o ，a e ( k ) a e ( k 一1 ) 0 ，说明误差处于极值状态，可考虑实施较 强的控制作用，控制器的输出为： u ( k ) = u ( k 1 ) + ，k ，e 。( ) ( 3 - 5 ) 如果e ( k ) a e ( k ) 0 时，说明误差在朝误差绝对值减小的方 向变化。此时，叮考虑采取保持控制器输出不变。 ( 3 ) 当 女_ 0 ，说明误差在朝误差绝对值增大的方向变化，但是误差绝 对值不是很大，此时可施加一般的控制作用，只要扭转误差的变化趋势使误差绝 对值向减小的方向变化，控制器的输出为： u ( k ) = u ( k 一1 ) + p p ( 女) 一e ( k 1 ) + k i e ( k ) + k d e ( k ) 一2 e ( k 一 如果e ( k ) a e ( k 一1 ) o ，a e ( k ) a e ( k 一1 ) 0 或者e = o 时， 态，或者已经达到平衡状态，此时可考虑实施较弱的控制作用 说明误差在极值状 u ( k ) = u ( k 1 ) + k 2 k p e 。( k ) ( 3 - 7 ) 如果e ( k ) a e ( k ) 0 时，说明误差在朝误差绝对值减小的方 向变化。此时，可考虑采取保持控制器输出不变。 ( 4 ) 当i e ( 女) i s 时，说明误差绝对值很小，此时应加入积分，减少稳态误差。 3 6 仿人智能p l d 控制算法的优越性n 乜8 1 本节从自动控制系统的性能指标出发，对仿人智能p i d 控制算法的优越性作 具体的分析： 1 稳定性 多模态式采用闭环与开环相结合的控制方法，因此对大延迟系统也具有良好 稳定性。从能量的角度来看，无论是跟随系统或抗干扰系统，当误差有增加趋势 时，仿人智能p i d 控制器采用比例控制，输入较大的控制能量，以抵消干扰输入 能量，使系统尽快达到新的平衡；当误差开始减小时，此智能控制算法及时切换 到开环保持模态，静观其变化，以决定下一步该采用何种措施。这是因为系统有 不叮控性，因此，此时应先减小控制输入能量，以补偿丌始时可能注入的过多能 量。采用这种以静制动的策略，有效地避免系统振荡，大大提高了其稳定性。 2 快速性 对于多模态控制，由于系统会自动切换控制模态，因此，当误差较大或有增 大趋势时，可以输入较大的控制量且不必担心影响系统的稳定性，因此系统的快 速性较好。山于k p 可以取大，囡此以更好地抑制超调量。此外，我们通过整定 合适的参数，完全可以使系统经过 次切换模态就可以稳定下来，同时也达到， 徜节时间短的效果。 ，0 3 ，准确性 对于多模态控制，由于采用了开环保持模式，靠记忆的特征量进行控制，具 有类积分功能，因此能使系统的稳定误差为零。 第二章介绍了p i d 控制器，分析一下其特点并把多模态控制与之作比较( 在接 下来的一章里将会进行详细的分析比较) ，便能更深入了解多模态控制的优点所 在。p i d 控制器之所以被广泛应用，是因为它融合了比例调节，积分调节和微分调 节三种调节规律的优点。起始时，由于有比例调节，就能使控制输出不为0 ，可以 实现静态无稳态误差，又由于微分控制有提前控制的作用，故可改善动态性能指 标。但其三者在整个过渡过程中始终起作用，而且其控制系数一旦定了，往往难 以改变了。而多模态控制，不但有p i d 控制器的一切优点，而且较其更灵活更智 能。首先，它跟据误差和误差变化率的不同区间，选用不同的控制模态，具有专 家式预估控制的优点，较微分控制的预控作用要优越、完善。其次，由于不同时 间选用了不同的控制模态，把各种不同的控制规律分开，而且此处引入开环保持 控制，当误差变小时，采用等待的策略，静观其变，可避免盲目地注入过多的能 量，故性能更佳，特别是对纯滞后对象，采用开环保持控制模态，甚为有效。 总的来说，多模态控制正是依靠这种灵活而巧妙地识别、决策以及控制方式， 使得那些本来处于矛盾状态的控制品质( 快速性、稳定性、准确性) 能很容易兼得。 冤, 。e j l - 4 章仿入智能控制算法仿真研究 在第3 章3 5 2 节中结合仿人智能基本算法提出了仿人智能p i d 控制算法， 只给出了对于一般控制对象控制时的控制舰则。第4 章的目的是用具体的工业对 象作为被控对象，进行仿真试验，以证明第3 章智能p i d 算法提出的合理性和可 行性。 4 1 锅炉汽包水位模型及其动态特性分析 锅炉汽包水位的自动控制系统的任务是使锅炉的给水量跟踪锅炉的蒸发量并 维持汽包水位在工艺允许的范围内。 41 1 锅炉汽水系统的结构 锅炉汽水系统的结构可用图4 一l 柬表示。 引起汽包水位变化的主要扰动是给水流量的变化和蒸汽流量的变化 虑主要扰动，汽包水位的动态特性可表示为“： i l 矿d2 h + 正尝锻警+ k w u w ) _ ( 等+ 即。) 式中， 汽包水位的高度，m 7 l l 一给水流量的时间常数，j 一蒸汽流量的时间常数，s k 、，r 一给水流量的放大倍数 。：尘生，蒸汽流量变化量相对于最大蒸汽流量的标定值 “ d 腿。 驴筹，给水流量变化量相对于最大蒸汽流量的标定值 如果只考 ( 4 一t ) n ，乃一时间常数 i 述动态微分方程同时考虑了给水扰动和蒸汽流量扰动，为了便于分析，下 亓分别假设蒸汽流量和给水流量不变，得到给水流量扰动下和蒸汽流量扰动下汽 包水位的动态特性。 图4 1 船用锅炉汽水系统结构图 l 给水母管2 调节阀3 给水预热器4 汽包 5 下降管路6 上升管路7 蒸汽母管 41 2 锅炉汽包水位在给水扰动下的动态特性m 如果蒸汽流量小燹，给水流量发生焚化时，汽包水位调币对冢明运动力程j 表 魏 正t 窘+ 墨警= 瓦警坻“。 2 ) 将4 - 2 式进行拉氏变换可得： t l t 2 警h ( s 斗t | s h ( s ) = t w s y “s ) + k w y w ( s j 0 4 - 固 由式4 - 3 可得到汽包调节对象在给水扰动下的传递函数： = 器= 茄舞 a ， 在工程中，中压以下( 蒸汽 n j j 2 o m p a ) 的锅炉，给水量的时间常数凡般 比较小，可以忽略不计，因此4 - 4 式可简化为： g j 垆器= 赢 的 式4 5 中，s ：拿称为反应速度，即给水改变单位流量时水位的变化速度 ( m m s + t h ) ，它与锅炉的蒸发量和汽包水位的容量有关。由式4 - 5 可看出，汽包水位 在给水作用下的动态特性，是由一个积分环节和一个惯性环节所组成。 41 3 锅炉汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性 现假设给水流量不变，蒸汽流量发生阶跃变化，根据式4 一l ，此时汽包水位的 动态特性微分方程可表示为： 正正警+ 互警_ _ ( 訾+ k 。