（电力电子与电力传动专业论文）燃气热水器的智能控制算法研究.pdf

a b s t r a c t i n t e l l i g e n tc o n t r o li st h el a t e s td e v e l o p m e n ts t a g eo fa u t o m a t i cc o n t r o l ，a n di ti s m a i n l yu s e dt o s o l v et h e c o m p l e xc o n t r o ls y s t e m s t h a ta r ed i f f i c u l ts o l v e db y t r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o d s i ti san e wb r a n c ho ft h ea u t o m a t i o ns c i e n c ea n d t e c h n o l o g ya n do c c u p i e sa l li m p o r t a n tp o s i t i o ni nt h ew h o l ef i e l do fs c i e n c e ，w h i c h m e a n si tc h a r g e do b j e c t st h a td on o tn e e dt ok n o wt h es t r u c t u r ea n dp a r a m e t e r so ft h e c a s e ，a n dj u s tr e a s o n i n go rc h a n g ec o n t r o ls t r a t e g yo n l i n eb a s e do np r e v i o u s e x p e d e n c ea n dk n o w l e d g e t h e r e f o r e ，s i m u l a t e dh u m a ni n t e l l i g e n c ec o n t r o li sa n i m p o r t a n td e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h ei n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 h s i cc a ns e l e c tt h e a p p r o p r i a t ec o n t r o lm o d et oc o n t r o lb a s e do nt h es i z ea n dt h ec h a n g et r e n do ft h e e r r o r t h ea l g o r i t h mc a na c h i e v ef a s ta n dh i 曲p r e c i s i o nc o n t r o lb u ti td o e sn o tr e q u i r e t ok n o wa n do n l i n ei d e n t i f yt h ee x a c tm o d e lo ft h ec o n t r o l l e do b j e c t w h a t sm o r e ，i t h a ss t r o n gr o b u s t n e s s a d a p t i v ef u z z yp i dc o n t r o la l g o r i t h mu p d a t e st h ep a r a m e t e r s o fp i dc o n t r o l l e rw i t hf u z z yc o n t r o l l e r i t a d j u s t st h ep a r a m e t e r s i nr e a l - t i m e a c c o r d i n gt ot h ee r r o ra n dt h er a t eo fc h a n g eo ft h ep i dc o n t r o l l e ri n d i f f e r e n t o p e r a t i n gc o n d i t i o n s t h e r e f o r ep i dc a na c h i e v eb e r e rc o n t r o le f f e c t t h i st h e s i s b a s e do nt h em o d e lo fg a sw a t e rh e a t e rc o n t r o ls y s t e m ，s t u d i e dt h ea p p l i c a t i o no f h s i ca l g o r i t h ma n df u z z yp i dc o n t r o la l g o r i t h mi nt e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 ， t h i st h e s i sf i r s ti n t r o d u c e st h es i g n i f i c a n c eo ft h et o p i c ，t h et h e o r yo fi n t e l l i g e n t c o n t r o la n dt h ep r e s e n ts t a t u so ft h i st e c h n o l o g y , a n dt h e ni n t r o d u c e st h eb a s i ct h e o r y o fh s i ca n dh o wt od e s i g nas y s t e mb a s e do nt h eh s i ca l g o r i t h m t h es t u d ys t a r t s f r o mt h ea l g o r i t h mo ft e m p e r a t u r ec o n t r o li ng a sw a t e rh e a t e r ，b u i l d i n g t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fg a sw a t e rh e a t e r ，a n dt h e nf o c u s e so nh o wt oa c h i e v et h e o p t i m i z a t i o no fi n t e l l i g e n tt e m p e r a t u r ec o n t r o la l g o r i t h m ，f u l f i l lt h ed e s i g no ft h e a l g o r i t h mo fh u m a n o i di n t e l l i g e n tt e m p e r a t u r e c o n t r o la n dp a r a m e t e rt i m i n go f t h e r m o s t a tc o n t r 0 1 w i t ht h ep a r a m e t e r so ft h eg a sw a t e rh e a t e rc o n t r o ls y s t e mw h i c h c o m e sf r o mt h ee x p e r i m e n t ，w eb u i l dt h es i m u l a t i o nm o d e lo fg a sw a t e rh e a t e r c o n t r o ls y s t e mb yu s i n gs i m u l i n ki nm a t l a b ，a n dd e b u gi tw i t ht h ep a r a m e t e r so f t h eh u m a n o i di n t e l l i g e n tc o n t r o la l g o r i t h m ，t h e nw es i m u l a t eav a r i e t yo fp r a c t i c a l e n v i r o n m e n t sa n dd i s t u r b e dc o n d i t i o nt ot e s tt h ee f f e c to fi n t e l l i g e n tt e m p e r a t u r e c o n t r 0 1 f i n a l l y , w eu s et h ea d a p t i v ef u z z yp i dc o n t r o la l g o r i t h mf o rt h et h e r m o s t a t n c o n t r o li ng a sw a t e rh e a t e ra n db u i l dt h es i m u l a t i o nm o d e li ns i m u l l n k ，d e b u gt h e p a r a m e t e r sa n dt e s tt h ee f f e c to ft h ea l g o r i t h mb ys i m u l a t i n gar e a ls i t u a t i o n ，t h e n c o m p a r ea n da n a l y z et h er e s u l t so fs i m u l a t i o no ft h ea d a p t i v ef u z z yp i dt e m p e r a t u r e c o n t r o la l g o r i t h ma n dt h eh u m a ni n t e l l i g e n tt e m p e r a t u r ec o n t r o la l g o r i t h m 。 k e yw o r d s ：h s i c ，s i m u l i n k ，a d a p t i v ef u z z yp i dc o n t r o l i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示了谢意 研究生( 签名) ：商迸日期：力f 一s 巧 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：国凫拖导师( 签名) ： 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题的提出和意义 第1 章绪论 随着现代科学技术的发展，各种实际工程系统越来越复杂，对控制系统的 要求也越来越高，以往常规的控制技术已经无法满足要求，这促进了智能控制 技术的建立和发展。智能控制是- - f - j 集人工智能，控制论，系统论和信息论等 多种学科的高度综合的交叉前沿学科。自智能控制技术诞生之日起，各种智能 控制技术不断出现和发展。1 9 7 9 年我国重庆大学的周其鉴，柏崇国等人首先提 出了仿人智能控制算法，它是智能控制研究的一个重要分支，在国家自然基金 的支持及李祖枢等人几十年的努力下，仿人智能控制算法终于形成了较完整的 理论体系和系统设计方法，并成功的应用于许多实际应用。 工业控制中发展最早也最重要的控制是温度控制，社会生活的各个方面和 领域都涉及到了温度控制，比如家电，电力电子，冶金，工业控制等等。在热 工过程控制中最为常见的任务就是温度控制。而热工控制的对象大多都具有较 大的容积滞后，仿人智能控制最早在工业控制中成功的应用也就是从温度控制 开始的。本文正是从温度恒温控制方面对仿人智能控制算法进行研究。仿人智 能控制算法，从控制结构和控制行为两方面模仿人的_ 些特点和功能，包括人 的在线特征辨识、特征记忆以及直觉推理逻辑等，能够根据误差的大小、方向 及其变化趋势做出相应的决策，以选择适当的控制模式进行控制，既不需要事 先知道，也不需要在线辨识被控制对象的精确模型，就能够实现既快速又高精 度的控制，且具有极强的鲁棒性。经过多年的研究和实践，具有仿人智能温度 控制器的产品已被广泛应用于工业窑炉，锅炉，电加热炉等。 虽然仿人智能控制在许多实际应用中取得成功，但是仍然有许多不足的地 方，有待进一步研究，比如仿人智能控制虽然已经具有较完整的理论体系，但 是对于理论体系中的具体理论问题还缺乏研究；又比如仿人智能控制虽然在许 多实际应用中取得成功，积累了一些成功的算法，但是还是不够丰富，不够系 统；同时仿人智能控制的研究中，对参数校正级和自适应的研究还处于起步阶 段，还需要进一步的完善等等。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 智能控制的发展与现状 控制理论是一门与人类社会发展密切相关的学科，它的应用遍及人类社会 的方方面面，从瓦特的蒸汽机到阿波罗登月，控制理论的发展见证着人类文明 的不断进步。控制理论的发展经历了早期的古典控制理论时期，到本世纪5 0 年 代实现了由经典控制理论到现代控制理论的转变，近年来，随着计算机科学技 术以及信息技术的飞速发展，许多新方法和技术进入工程化、产品化阶段，这 对控制理论提出了新的挑战，促进了智能理论在控制技术中的应用，以解决用 传统的方法难以解决的复杂系统的控制问题。 1 2 1 智能控制系统的分类 我们根据智能控制理论和技术到现今已有的研究成果，以及当前对智能控 制系统的研究现状，可以把智能控制系统分为以下几类。 ( 1 ) 分级递阶智能控制系统 这种智能控制系统实质上是把传统控制技术和智能控制技术相结合，把辨 识和控制方法相结合而构成的一类混合控制技术。是智能控制的最早理论之一。 目前已经提出了多种分级递阶智能控制系统，其中最有影响的是萨里迪斯的分 级智能控制理论【l j 。 ( 2 ) 专家控制系统 专家控制是将专家系统的理论技术与控制理论技术相结合，仿效专家的经验， 实现对系统控制的一种智能控制。一般都是由知识库和推理机，控制规则，控 制库组成，通过对知识的获取与组织，按某种策略适时选用恰当的规则进行推理， 以实现对控制对象的控制。专家系统与智能控制关系紧密，所研究的对象都是 没有确定特性的对象，都是以模仿人类智能思维为基础的。专家控制可以灵活 地选取控制率，灵活性高：可通过调整控制器的参数，适应对象特性及环境的变 化，适应性好：通过专家规则，系统可以在非线性、大偏差的情况下可靠地工作j 鲁棒性强。 工业控制中常用的专家控制有如下几种形式【2 】，分别是：基于规则的专家控 制( 也称直接专家控制) ，间接专家控制，混合型专家控制( 主要包括仿人智能 控制，模糊专家控制和多级智能专家控制) 。 ( 3 ) 模糊控制系统 模糊控制的理论基础是模糊集合、模糊语言变量、模糊推理，它以先验知识 2 武汉理工大学硕七学位论文 和专家经验作为控制规则。其基本思想是用机器模拟人对系统的控制，就是在被 控对象的模糊模型的基础上运用模糊控制器近似推理等手段，实现系统控制。在 实现模糊控制时主要考虑模糊变量的隶属度函数的确定，以及控制规则的制定 二者缺一不可。模糊控制的特点是：一是提供了一种实现基于自然语言描述规 则的控制规律的新机制；二是提供了一种改进非线性控制器的替代方法【3 】o ( 4 ) 神经网络控制系统 基于人工神经网络的控制( a n n - b a s e dc o n t r 0 1 ) ，简称为神经网络控制或神 经控并旨u t 4 j 。它是模拟人脑神经中枢系统智能活动的一种控制方式。基于神经网络 的控制器，其控制问题可以看作是一类模式识别问题，它可以用来建立非线性 系统的动态模型。它主要是利用被控对象的输入输出数据，经过误差校正，修 正网络权值，得到一个具有输入输出对应关系的函数模型。神经元网络控制是 一个充满挑战的领域，对它的研究吸引了很多研究工作者。 ( 5 ) 集成智能控制系统 由几种智能控制方法或机理融合在一起而构成的智能控制系统称为集成智 能控制系统，如：( 1 ) 模糊神经( f n n ) 控制系统。( 2 ) 基于遗传算法的模糊控 制系统。( 3 ) 模糊专家系统等。集成智能控制系统的优点是取长补短，集合各 种控制方式的优点，将其性能发挥到最优。比如模糊神经控制，神经专家控制， 遗传神经控制，进化模糊控制等。 ( 6 ) 组合智能控制系统 组合智能控制系统是将智能控制与传统控制模式( 比如经典p i d 控制和近 代控制) 有机地结合起来，以便取长补短，提高整体优势，是一种很好的控制 策略，比如p i d 模糊控制器、自组织模糊控制器、基于神经网络的自适应控制 系统、重复学习控制系统等。 1 2 2 智能控制的一般特点 智能控制的一般特点可以总结如下： ( 1 ) 智能控制系统的设计重点不在设计常规的控制器上，而是在如何设计 计算机的智能控制算法上。 ( 2 ) 智能控制的核心控制在组织级控制。组织级控制需要实现对实际环境 或者过程进行规划和决策，这就要求采用诸如仿生计算，符号信息处理等技术， 而这些技术的处理过程与人脑的智能行为有很多类似之处，故称为智能控制。 武汉理工大学硕七学位论文 ( 3 ) 智能控制是- - i i 综合性很强的学科，要实现智能控制，即需要依靠软 件，硬件相结合，还需要依靠多门其他学科的相互借鉴和支持，比如生物学， 计算机科学，信息科学【5 】。， 近十年来，智能控制得到了飞速发展，致力于智能控制的研究成果越来越 多，特别是用人工智能的控制方法实现的智能化控制更是让人们看到了智能化 控制发展的广阔前景，智能控制的发展需要借鉴各种相关领域内的新理论新技 术，只有将控制理论，运筹学，人工智能，信息科学及计算机科学等的最新成 果相互借鉴综合才可以更好的研究复杂系统的智能控制，这也促进了其他学科 的不断进步与发展。作为智能控制的一个分支，仿人智能控制优良的控制品质， 在一些控制实际应用的控制系统中取得了很好的控制效果，让人们看到了智能 控制的生命力。 3 本文的主要研究内容 本文主要研究了以燃气热水器为模型的控制系统的恒温控制算法，采用了 仿人智能控制算法和自适应模糊p i d 控制算法作为恒温控制算法，并用m a t l a b 进行了温度控制系统仿真，调整控制参数并检验控制效果。最后将自适应模糊 p i d 恒温控制算法的仿真结果与仿人智能恒温控制算法的仿真结果进行了分析 和对比。全文共分6 个章节： 第一章：介绍了课题的提出和意义，对智能控制技术的发展和现状进行了 介绍，并介绍了全文的脉络框架。 第二章：介绍了仿人智能控制理论及控制算法的设计。分别介绍了仿人智 能控制的基本思想，基本概念，仿人智能控制器的设计步骤和类别。 第三章：首先介绍了燃气热水器恒温控制的研究背景，分析了目前市场上 针对燃气热水器的恒温控制的研究现状。然后介绍了燃气热水器的工作原理， 并着重描述了燃气热水器温度控制系统的数学模型的建立。 第四章：主要介绍了仿人智能恒温控制算法。首先介绍了燃气热水器温度 控制的国家标准，接着着重介绍了仿人智能温度恒温控制算法以及控制器参数 整定的方法。最后对仿人智能恒温控制算法的仿真结果进行了分析。 第五章：主要介绍了基于同一个燃气热水器数学模型的自适应模糊p i d 控 制算法，首先介绍了模糊系统，又介绍了自适应模糊p i d 控制算法，重点介绍 了自适应模糊p i d 控制算法的设计及仿真结果，并与仿人智能控制算法的仿真 4 武汉理工大学硕士学位论文 结果进行了对比。 第六章：主要总结了本文的主要内容以及对以后研究的展望。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章仿人智能控制理论 在工业生产过程中，我们经常用到传统的p i d 控制，但是这种控制方式的 参数需要人工采用凑试等方式来进行整定，相当的费时，更重要的是，所整定 出的参数只适用于某一特定的被控对象特征模型，假设被控对象的特征模型发 生变化，之前所整定的参数将不再适用，这是非常影响控制质量的。而仿人智 能控制是仿效人的行为而进行控制和决策，重点是从宏观结构上和功能上对人 的控制行为进行模仿。这个方法可以避免以往系统控制需要依赖精确的数学模 型这个弊端，摆脱对对象的结构和参数的依赖，而只需要根据以往积累的经验 和知识进行在线的推理或者改变控制策略，从而获得较好的控制品质。 2 1 仿人智能控制的基本思想 我们知道p i d 控制，实际上是一种反馈控制，它是通过对系统偏差进行比 例，微分和积分来实现减小偏差的控制作用的。比例作用是只要有偏差量产生， 控制器就通过产生控制量来抑制偏差向不断增大的方向发展。控制系数k 。的大 小影响控制器控制作用的强弱。积分作用有利于消除静差，提高系统的无差度， 但是太大的积分作用反而会使系统的动态特性变差，使系统不稳定。微分作用 能预测出偏差的变化趋势，实现超前控制，改善系统的动态性能，但是过大的 微分控制作用，又会使系统的响应过快，影响系统的稳定性。而仿人智能控制 实际上就是将多种p i d 控制组合而成的控制模态，依据实际运行的状态转换模 式。 仿人智能控制的主要思想是在模拟人的控制结构的基础上，进一步研究和 模拟人的控制行为和功能，重点是从宏观上模仿人脑的智能行为，并把它用于 控制系统中。所以仿人智能控制的主要研究的对象不是被控系统，而是如何让 计算机模仿专家和熟练操作者对被控系统的控制思想和操作方法。 仿人智能控制算法的基本算法接近人类的智能思维模式，如果当被控系统 的偏差有增大的趋势或者系统偏差没有减小的趋势而是保持一个定值，这个时 候仿人智能控制器就对被控系统采取比例控制，使系统偏差尽快减小：如果被 控系统的偏差有减小的趋势，这个时候仿人智能控制器就对被控系统采取保持 控制，使控制量为一常值，直到被控系统的偏差又有继续增大的趋势，再对被 6 武汉理工大学硕士学位论文 控系统采取比例控制【6 】。仿人智能控制的优点在于它可以实现多模态之间的不断 转换，根据被控系统所处的不同阶段，及时调整，使被控系统获得良好的控制 品质。 下图2 1 是我们常见的二阶系统在单位阶跃输入信号作用下的误差响应， 我们期望的理想误差的响应曲线应该是能迅速趋近于零，同时能够具有较小的 超调，响应时间快，振荡次数少，稳态特性和动态特性较好，那么我就以它为 例来说明如何用仿人智能控制来实现我们的期望，让我们了解仿人智能控制的 基本思想。 图2 - 1 二阶系统误差响应p ( r ) 首先为了更全面细致的刻画系统的动态特征，我们需要先定义以下的一些 特征变量。误差p 。( e n 表示离散的数) e n = r 一以( 即输入值与输出值之差) 。 ( 1 ) 偏差变化e 。, a e = - e n _ l o ( 2 ) e e 。偏差e 和偏差e 的变化z x e 的乘积组成了一个新的描述系统动态 特征变化的特征变量。我们可以根据其乘积是否大于零来判断出系统动态特征 变化的趋势。比如当e z x e 0 ， 则表明系统的动态过程正朝着偏差增大的方向变化。 (3)ezxe一。相邻两次偏差变化之积，构成了表征偏差出现极值状态的的, 特征量。比如 o 则表征没有出现极值。 ( 4 ) 我们把e z x e 和e z x e , , 一。的结果联合起来使用，则可以判断在系统动态 7 武汉理工大学硕士学位论文 过程中偏差出现极值后的变化趋势。比如z x e 口 0 表明偏差逐渐减小； z x e 巳一。 o ，e z x e 0 则表明偏差逐渐增大。 ( 5 ) i a e e l 。偏差变化z x e 与偏差变化e 之比的绝对值的大小，描述了系统 偏差变化的姿态。我们将其与p p 联合使用，这样就可以划分出系统更多的组 态。比如e n a e 0 ， i a e e i _ o ，g ：i ：e i 口，9 3 ：l e i o i ；p l l p l 磊 l e l 磊 9 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2 简单的特征模型 其中口，最，破表示某种转变控制模式临界的阀值，代表系统误差正在增 大，系统正受到干扰并以较大的速度偏离目标值状态。 其中特征状态又通过组合一些特征基元来表示，常用的特征基元有： 按岫：h 声口等， ( 3 ) 特征辨识。 特征辩识是指仿人智能控制器根据特征模型对采样信息在线处理通过模 式识别来确定系统当前处于什么样的特征状态的过程。 比如对于一个经验丰富的操作者在操作系统的时候，并没有根据系统的数 学模型来进行控制，而是根据以往的经验积累，根据系统实时所反映出的特性 来作出判断进行控制。仿人智能控制理论依据相似的原理，根据控制系统的特 征模型中的先验知识，实时识别控制系统处于什么样的控制模态下，给予不同 的控制策略，从而实现仿人智能控制。而特征辨识实际上就是对系统的动态特 征进行模式识别，也就是对动态特征模式进行分类。根据误差及误差变化率或 者是两者的组合来划分可以反映系统动态动态特征的状态模式。 ( 4 ) 特征记忆 特征记忆是指仿人智能控制器对一些反映前期决策与控制效果的特量和反 映控制任务要求以及被控对象性质的特征量的记忆。特征记忆量的集合为： a = ，如4 ) ，丑 常用的特征记忆比如：，一误差的第i 次极值；乙一误差极值的间隔时间； 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 u 一前期控制输出量的保持值； 在人们通常的手动控制中，不需要将所有反映控制系统动态特性的信息都 记下来而只是通过记忆部分特征信息就可以实现对系统很好的控制效果。仿人 智能控制的特征记忆正是采用这种方法，它是对过去信息的融合，使信息更为 精炼，更为精准，同时还可以用来消除偏差，改善控制器的控制品质。 ( 5 ) 控制( 决策) 模态集 控制模态集甲是指控制输出u 与误差信息e 和特征记忆a 之间的某种定量 或定性映射关系尸的集合【引，即沙= ，虬) ，：= f i ( e ，e ，磊，。) 或只寸矿( 条件) t h e n ( 操作或结论) 控制模态表示的是输入与输出之间的函数关系，它们之间可以认为是一种 映射关系。在控制模态集l ：f ，中，每一个控制模态都是由一些控制模态基元组成 的，常用的控制模态基元有比例，微分，积分，保持控制等，由此构成的控制 模态有： y n ：甜= + k p e + k a e 比例+ 微分+ 保持 ：“= k z e m ， 开环观察保持 y ，3 ：掰= 域 磅一磅控制 ，4 ：甜= l d n a 非线性死区预补偿【9 】 控制模态是仿人智能控制器的先验知识，决定了控制器对被控系统不同特 征状态的反应。当特征状态不断地变化，控制器则根据变化的特征状态采用不 同的控制策略，这种控制方式我们称为多模态控制。多模态控制是仿人智能控 制的一大优点。 ( 6 ) 启发与直觉推理规则 启发与直觉推理规则q 是指对专家决策过程的一种模仿，它依据特征辨识 结果来确定决策和控制策略，可用产生式规则“i f - t h e n 予以描述【1 0 1 。 ( 7 ) 分层的信息处理与决策机构 分层的信息处理与决策机构是求解控制问题的一种高阶产生式系统机构， 是对人的神经结构或者专家及其群体机构决策的一种模仿。 2 3 仿人智能控制器设计 仿人控制器的设计建立在系统特征模型和特征辨识的多模态控制方式基础 武汉理工大学硕士学位论文 上，我们要设计受控系统的特征模型和控制模态集，并设定参数，就需要有一 种能够体现设计和实现控制过程的瞬态性能指标。所谓瞬态性能指标也就是指 目标函数，即是一种能够根据系统瞬态响应来判断系统当前值与目标值差别及 当前值的运行趋势的指标，其实就是一种可以兼顾各种经典时域的性能指标， 能够评价系统运行瞬态品质的性能指标。仿人智能控制器的特征模型与控制模 态集的设计目标就是使系统的动态响应在理想的误差时相轨迹上滑动。 根据受控对象( 系统) 性质的不同，仿人智能控制可能采取不同的设计技 术和方法，但设计的依据都是系统的动态系统性能指标。在了解了仿人智能理 论的基本思想和基本概念后，我们还需要了解仿人智能控制器的设计方法。首 先必须了解的是仿人智能控制器的设计依据，即系统的瞬态性能指标。 瞬态性能指标的定义：一个能评价智能控制系统运行的瞬态品质，并最终 能兼顾系统快速性，稳定性和精确性指标要求的理想误差时相轨迹称之为智能 控制系统的瞬态性能指标【l 。 任何控制的动态控制过程总会在( e e t ) 空间中形成一条轨迹。控制品 质好的控制形成的是一条理想的轨迹，如果以这条理想轨迹作为设计智能控制 器的目标，那么该轨迹上的每一点都可以作为控制过程需要实现的瞬态指标。 该理想误差时相轨迹可以分别向( e t ) ( e e ) ( e 一丁) 三个平面投影。我 们可以选择三条投影曲线中的一条或者几条作为设计参考的瞬态性能指标，这 样就可以简化设计的目标。 仿人控制在设计时要从系统的瞬态性能指标出发，确定设计的目标轨迹， 建立受控对象的数理模型和各控制级的特征模型，然后设计控制器的结构和控 制规则，选择与确定控制模态和控制参数；最后进行仿真研究以校验设计的可 行性。 2 3 1 仿人智能控制器设计步骤 仿人智能控制器设计的步骤主要有： ( 1 ) 目标轨迹的确定 要想确定控制系统的目标轨迹，就需要确定系统的瞬态性能和控制指标， 也就是快速性，稳定性和精确性三个方面，这些在我们传统的控制中，是可以 通过时域或者频域定义的得到的，但是这些控制都是需要精确的数学模型的， 而仿人智能控制，可以在瞬态过程中采取不同的控制策略，有目的地根据不同 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 的控制阶段采取不同的控制策略来满足不同的控制要求【1 2 l 。 在仿人智能控制中，要构成理想的误差相轨迹，首先要根据系统设计对控 制指标的要求，比如对超调量，稳态精度等的要求。通过确定系统的理想的单 位阶跃响应过程，并把响应的过程变换到【p ，e 】的相空间中去，来确定系统的理 想误差轨迹。以这条理想轨迹作为设计仿人智能控制器的目标轨迹，轨迹上的 每一点都可以视为控制过程中的瞬态指标。我们以下图2 - 3 为例来说明如何在 p e 平面设计目标轨迹。 j p 厂一 一 图2 - 3e - e 误差相平面设计 由图中的曲线可以看出，系统初始的时候偏差较大，且偏差的变化率也是 不断地增大，为了抑制偏差，由曲线可以看出采用的控制策略使得偏差的变 化率向负方向增长，也就是使得偏差迅速减小，但是为了避免超调，当系统动 态曲线到达i i 所示的阶段时，采用了保持偏差变化率的控制策略，当系统动态 曲线到达所示的阶段时，采用了减小偏差和偏差变化率的控制策略，由图可 以看出，仿人智能控制的控制策略是分段实施的。 ( 2 ) 建立对象的数理模型 根据受控对象或系统的生产流程，机电结构，工艺特点和控制要求等，结 合自动控制和相关基础理论和专业知识和经验，建立相应的过程物理与数学模 型，作为进一步设计与分析的数学基础。 ( 3 ) 特征模型的建立 根据瞬时状态再相平面【e ，e 】上的位置，以及控制器的不同级别( 比如运行控 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 制级、参数校正级、任务适应级) ，确定特征基元集：q ，划分出来特征状态集： ，从而构成不同级别的特征模型。 根据图2 - 4 所示，我们首先可以定义特征基元如下： 9 1 1 e e 巨，q 1 3 ：俐 易，q 1 4 ：吲 巨组成特征基元蜴。我们 将平面分为5 个部分，建立特征模型。：磊。= g 。i ：j ；织：= g 。： 等。 j i e e - 一 一巨一易 0 - ，7 图2 - 4 特征模型的建立 e ( 4 ) 控制规则与控制模态的设计 设计控制规则和控制模态是通过将系统运动状态中的特征状态与理想目标 轨迹之间的差距进行比较，根据理想目标轨迹的运行趋势，模仿人的决策行为， 设计控制模态和校正模态及其中的具体参数。特征状态与控制决策是一一对应 的映射关系。保持、增大或降低偏差的变化速度、控制量的确定、各阶段参数 和阈值的调整，可以在参数校正级完成。 比如上图所示的6 个特征状态，我们可以分别采取不同的控制策略如：对 于所示的区域，我们可以采用磅一磅控制，也就是控制量最大化控制，让误差 迅速减小；而对于区域则表示误差偏大，同时误差变化率有增大的趋势，所 以这个时候我们采用比例加微分控制；对于区域表示误差偏大，误差变化率 较小，这个时候要采用比例加积分的控制；而对于区域则表示误差有减小的 趋势，误差变化率也有减小的趋势，则我们可以采用保持控制等。 综合以上的分析，我们可以将控制模态甲，总结为： l ：甜= s g n ( e ) 戤 ： 2 ：u = 巧p + k a e ； 3 ：u = k p p + k a e + k j e ；4 ：u = u h ( 5 ) 直觉推理 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 由步骤( 2 ) 和( 3 ) 确定了特征模型。和控制模态甲，仿人智能控制器依 据直觉推理机制来做出控制决策，分为两个阶段： 首先是特征模型到控制模念的映射，即 q ：专v ，q = q c 0 2 ，哆) ( 2 2 ) 然后是误差信息和特征记忆信息到控制器输出u 的映射【1 3 d 4 】。 ( 6 ) 仿人智能控制器的结构设计 仿人智能控制器采用的是高阶产生式系统来实现的。采用高阶产生式系统 来描述仿人智能控制器的递阶结构是有很多好处的。高阶产生式系统可以根据 每一级对问题的不同的处理目的，又将其划分为目标级产生式系统和间接级产 生式系统。 仿人智能控制器包括中枢司令级( c c ) ，组织协调级( o c ) 和单元控制级( u c ) 。 而对于其中的每个单元控制级而言，它又是由一个二阶产生式系统组成，可以 分为任务适应层( t a ) ，参数校正层( s t ) ，运行控制层( m c ) 。作为高阶产生式 系统，t a ，m c ，s t 每一层都有自己对应的特征模型和控制模态，且目的不同，但 是相互关联。同时每一层都有自己的数据库，规则库，辨识机构和推理机。这 三级之间可以通过公共数据库来实现三级之间的信息交换。 我们可以分别来了解下m c ，s t ，t a ： 运行控制层( m c ) ：很显然，运行控制层就是我们仿人智能控制器的基本 组成部份，通过它来根据设计的不同目的来划分特征状态和确定对应的控制模 态。 参数校正层( s t ) ：运行控制层中的控制模态参数，有时候是需要进行参 数校正的，因为有很多外界的因素可能导致正确的控制模态也无法达到期望的 控制效果。这个时候必须要加入参数校正层，给出运行控制层中特征模型中的 阙值以及控制模态中的参数诸如k 。，k 等的调整量。 任务适应层( t a ) ：任务适应层主要是用来解决运行控制层和参数校正层 中出现的特征模型，控制模特，推理规则等过程中出现的各种问题。 二阶产生式系统的实现过程可以概括为：输出信号经检测后和输入信号一 起传送给m c 和s t 中的c i ( 也就是特征辨识器) ，然后辨识当前的系统所处的特 征状态在特征模型中的具体位置，然后推理规则机就根据规则库中的映射来激 活相对应的控制模态。这个时候，运行控制级就可以得到自己的控制输出，而 参数校正级就可以得到自己的校正输出，同时任务适应层就可以得到对运行控 制层和参数校正层的有问题参数的调整。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 7 ) 仿真和实验研究 选择典型状况和参数对控制系统进行仿真实验，并通过仿真调整系统设定 的参数，以此修正系统控制结构，使仿真结果满足动态和静态控制要求。 我们以一个受控对象不含纯滞后环节的系统为例，说明仿人智能控制算法 的基本步骤和实现过程。这些算法步骤可以在一定程度上看出设计仿人智能算 法的规律。仿人智能算法的步骤如下： 比如下图2 5 所示的仿人智能控制器的误差相平面图： ( 1 ) 在初始阶段，偏差很大，这个时候直接采用磅一磅控制，所谓磅一磅控 制，实际上是一种时间最优控制，它的控制函数总是取在容许控制的边界上， 或者取最大，或者取最小，仅仅在这两个边界值上进行切换，其作用相当于一 个继电器，所以也是一种位式开关控制。 ( 2 ) 在偏差减小的中间段，以偏差易变化的速度为控制偏差变化速度的目 标值，也就是说当系统偏差值的变化速度大于厶的变化速度，则用使偏差速度 降低的控制模态来进行控制，当系统偏差值的变化速度小于巳的变化速度，则 用使偏差速度升高的控制模态来进行控制。在这一阶段，要尽可能的保持e z 这 样大的误差大幅减小的变化速度。 ( 3 ) 当偏差减小到e 3 时，需要采取降低偏差变化速度的控制策略。我们采 用逐步减少的策略，比如从e 3 至l j e 4 ，e 4 到民分段减小变化速度。同时将e ，e 3 ， e ，作为偏差减小的上下限。这样做的目的是为了避免出现超调。 ( 4 ) 当偏差减小到e - e 5 ，e 0 ( 0 ， 互或者互 r 五) p ( 豇) p ( 七) 0 ( 互 r 互或者互 0 ，则表示这时候温度过低，需要加大温度控制作用， 所以控制策略为：甜( 后) = u ，t o ( k ) = 0 如果l 口( 七) i m ，e ( k ) 0 ，表示此刻虽然温度低的偏差小，但是有 继续增大偏差的趋势，所以这时候的控制策略为u ( k ) = u ，t o ( k ) = k 2 t o ( k - 1 ) 。 以此类推，我们可以总结出仿人智能开关控制的规则，设计出仿人智能控 制算法。 2 5 仿人智能比例控制设计 对于线性定常系统，我们常用到比例控制。简单的比例控制，可以使系统 较快达到稳定，保证系统的稳定性能。但是会造成系统较大的静差，采用仿人 智能比例控制就可以有效的避免这一矛盾。 仿人智能比例控制的原理是，通常我们采用简单的比例控制，只给予系统 一次比例控制的阶跃输入响应，系统很难一次达到稳定性能和静态性能都稳定 的状态。但是我们可以当系统在给予一次阶跃输入达到稳态后，再给予一个小 幅度的阶跃输入，我们假定其原阶跃输入为，系统稳定后的系统静差为e l ，则 小幅度的阶跃输入也为q 。当系统再次稳定后，此时系统的稳态静差减小为乞， 则我们再给予系统一个幅值为p ，的阶跃输入，以此类推，系统的输出为 y 2 e o + e i + e 2 + + ，n 一 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 如下图2 7 所示的仿人智能比例控制系统： 积分开关 图2 - 7 仿人智能比例控制 2 6 仿人智能积分控制设计 我们常用的p i d 控制中，引入积分控制是为了减小系统的稳态偏差，但是 过度引入积分作用，又会造成积分饱和，使用不当甚至会造成系统振荡。为了 避免这些矛盾，我们