第九章 仿人智能控制v2ppt课件

2020/5/16,.,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仿人智能控制行为的特征变量9.1.3系统特性的模式识别9.2几种仿人智能控制方案9.2.1仿人智能开关控制9.2.2仿人比例控制9.2.3仿人智能积分控制9.3专家PID控制,2020/5/16,.,2,智能控制的一个重要研究方向,智能控制，根本上是要仿效人的智能行为进行决策和控制。必要的训练之后，人实现的控制方法接近最优。仿人智能控制不需要了解对象的结构、参数，即不依赖于对象的数学模型，而是根据积累的经验和知识进行在线的推理确定和变换控制策略。,2020/5/16,.,3,调节器参数的自动整定问题,PID需要试验加试凑方法整定。需要熟练的技巧，并且相当费时。传统PID调节器无自适应能力。研究专家PID或者智能PID十分必要。,2020/5/16,.,4,9.1.1基本思想,PID比例，积分和微分控制器反馈控制，按偏差调节,PID控制作用是优良控制的必要条件，非充分条件。,2020/5/16,.,5,PID的改进：1变增益控制（增益适应）2.智能积分（非线性积分）3智能采样控制等等,2020/5/16,.,6,仿人控制基本思想：利用计算机模拟人的控制行为功能，最大限度地识别过程特征信息，进行启发和自觉推理，对缺乏精确数学模型的对象实现有效的控制。,2020/5/16,.,7,9.1.2仿人智能控制行为的特征变量,图9.1二阶系统的单位阶跃相应曲线,2020/5/16,.,8,2020/5/16,.,9,几个不同点的分析,点a,b,F的值均等于y，但动态特征不同点a:系统偏差有偏离平衡点的趋势；点b:系统偏差有趋于平衡点的趋势；点F:系统偏差恰好达到极值。,2020/5/16,.,10,9.1.3系统特性的模式识别,根据输出偏差e和偏差变化e以及它们的组合的特征变量，划分动态特征模式，特征模式作为智能控制决策的依据。偏差:en=r-yn偏差变化:en=enen-1,2020/5/16,.,11,3)e*e,e*e的符号，表征动态偏差变化情况.0,离开平衡点0偏差加大,偏差的绝对值逐渐增大en*en0无极值en*en-10C点：en*en-10;en*en0B点之后，偏差趋于减小，C点之后，偏差逐渐加大。,2020/5/16,.,14,与en*en联合使用，细化系统特征例如，曲线BC(DE)中间一段，偏差变化较大且偏差较大。具体数值满足en*en0且b0超调阶段ABC段(e)0thenu(k)=U,t0(k)=T（全开）(2)if|e(k)|Me(k)0thenu(k)=U,t0(k)=K2t0(k-1)（6）if|e(k)|0,e(k)0,e(k)0thenu(k)=U,t0(k)=t0(k-1),2020/5/16,.,26,（9）ifE|e(k)|0,e(k)0thenu(k)=U,t0(k)=K5t0(k-1)（10）ifE|e(k)|0,e(k)0thenu(k)=U,t0(k)=K8t0(k-1),2020/5/16,.,27,参数意义：E允许偏差的绝对值,ME给定常数，t0(k)，t0(k-1)分别为本次和上次控制量输出时间。Ki为依据经验整定的系数。,2020/5/16,.,28,仿人智能开关控制（BANGBANG控制）(应用实例),液位控制根据偏差的大小来确定控制电压。在液位实际值远小于给定值时，输出一个较大的控制电压，提高液位的上升速率，减少上升时间；随着偏差的减小，逐步减少控制电压，以减小系统的超调量和稳定时间。经过多次实验，选择3V，2.25V,1.75V,0.05V四种控制电压。,2020/5/16,.,29,首先将标准化后的误差送入形参err，然后根据err的值，选择一个输出电压，当液位上升后，m1的值分阶段减小，当液位超过了设定值，err成为负值，只输出一个很小的电压（0.05V），液位下降，从而达到控制液位的功能。,2020/5/16,.,30,智能开关控制实验结果及参数分析,实验取液位为50，其余参数都为零，电压分为三级加到伺服阀上，稳定以后电压迅速频繁地切换，曲线比较稳定，但是饲服阀的开口很小才能达到如此效果,2020/5/16,.,31,9.2.2仿人比例控制,常规控制，K小，系统稳定性好，静态误差大。仿人控制，不断调整给定值，使系统输出不断逼近给定值，提高系统精度。,2020/5/16,.,32,2020/5/16,.,33,控制原理：初始给定1，yss0系统稳态输出值，ess0静差。系统进入稳态后，增加给定值ess0-1ess0。第二级稳态输出为yss0+yss1,静差减小为ess1。第三级输入给定为1ess0ess1。依此下去，有输出静差,2020/5/16,.,34,控制算法：积分开关只在满足稳态条件时才闭合，完成一次运算后立即断开，此后不变.,2020/5/16,.,35,规则为：允许静差的2倍，N正比于算法实质：比例加智能积分。未满足条件时，仅比例控制；稳态后，积分器每N个周期工作一次，避免传统积分带来的相位裕量减小。Kp可以较小，增大增益裕量。有效解决稳态精度和稳定裕量的关系。,2020/5/16,.,36,仿人比例温度控制仿真曲线,2020/5/16,.,37,仿真结果1,2020/5/16,.,38,仿真结果2,2020/5/16,.,39,温度控制系统硬件框图,2020/5/16,.,40,温度控制实际效果,2020/5/16,.,41,仿人智能比例液位控制实验结果及参数分析,第二次实验改取Kp为3，如右图所示，第一次判稳值明显增大，而且总的上升时间也相对还有所减少，最终的稳定效果也还不错,实验设定液位为50，由于仿人比例控制中的Ki和Kd没有起到作用，故直接取Kp为1，可以看到第一次稳定值比较小，但最后的稳定效果很明显。如右图所示：,2020/5/16,.,42,实验结果及参数分析(2),第三次实验改取Kp为8，则如左图所示，由于其值较大，还没有达到稳态值就达到了设定的值，产生超调，最后的稳定效果虽然可以，但略低于设定的50，效果不如上两次的实验，所以Kp值大概应该在1至6之间取值,2020/5/16,.,43,9.2.3仿人智能积分控制,常规积分的缺点：1)针对性不强，（处处积分起作用）2)积分饱和3)参数选择不当时，系统容易振荡,2020/5/16,.,44,2020/5/16,.,45,分析：（a,b)和（b,c）中，控制器积分作用与有经验的操作人员的控制作用相反，导致系统出现超调。,2020/5/16,.,46,仿人积分控制算法：,只在区间(a,b)、(c,d)和(e,f)上进行积分，其它区间停止积分。借助于惯性向稳态过渡。当e*e0或e=0且e0时，对偏差积分当e*e0或e=0时，不对偏差积分。应用示例：电炉温度控制水轮机速度,励磁控制,2020/5/16,.,47,仿人智能控制算法,积分不积分扩展：智能积分,2020/5/16,.,48,仿人积分仿真,2020/5/16,.,49,仿人积分仿真2,2020/5/16,.,50,仿人积分仿真3抗扰动,2020/5/16,.,51,仿人PID控制算法仿真结果,=0.0375,=0.0001,=1.1812.,2020/5/16,.,52,仿人积分实际控制效果,2020/5/16,.,53,仿人智能积分(液位控制)实验结果及参数分析,设定液位为50，Kp为4，Ki为0.6，Kd为0.1，此时曲线上升比较快，超调量很小，很快进入稳定并且稳定效果比较好。,将Kp设为1，其余保持上次实验数据，液位50，Ki为0.6，Kd为0.2，实验效果如右图所示，超调量很大，伴有明显的振荡，稳定时间很久，结果很不理想,2020/5/16,.,54,9.3专家PID控制,一、专家PID控制原理,2020/5/16,.,55,PID专家控制的实质是，基于受控对象和控制规律的各种知识，无需知道被控对象的精确模型，利用专家经验来设计PID参数。专家PID控制是一种直接型专家控制器。典型的二阶系统单位阶跃响应误差曲线如图所示。对于典型的二阶系统阶跃响应过程作如下分析。,2020/5/16,.,56,图典型二阶系统单位阶跃响应误差曲线,2020/5/16,.,57,令e(k)表示离散化的当前采样时刻的误差值，e(k-1)和e(k-2)别表示前一个和前两个采样时刻的误差值，则有,2020/5/16,.,58,根据误差及其变化，可设计专家PID控制器，该控制器可分为以下五种情况进行设计：（1）当时，说明误差的绝对值已经很大。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，它相当于实施开环控制。,2020/5/16,.,59,（2）当或时，说明误差在朝误差绝对值增大方向变化，或误差为某一常值，未发生变化。此时，如果，说明误差也较大，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方向变化，并迅速减小误差的绝对值，控制器输出为,2020/5/16,.,60,如果，说明尽管误差朝绝对值增大方向变化，但误差绝对值本身并不很大，可考虑控制器实施一般的控制作用，只要扭转误差的变化趋势，使其朝误差绝对值减小方向变化，控制器输出为,2020/5/16,.,61,（3）当、或者时，说明误差的绝对值朝减小的方向变化，或者已经达到平衡状态。此时，可考虑采取保持控制器输出不变。（4）当、时，说明误差处于极值状态。如果此时误差的绝对值较大，即，可考虑实施较强的控制作用,2020/5/16,.,62,如果此时误差的绝对值较小，即，可考虑实施较弱的控制作用（5）当时，说明误差的绝对值很小，此时加入积分，减少稳态误差。,2020/5/16,.,63,图中，、区域，误差朝绝对值减小的方向变化。此时，可采取保持等待措施，相当于实施开环控制；、区域，误差绝对值朝增大的方向变化。此时，可根据误差的大小分别实施较强或一般的控制作用，以抑制动态误差。,2020/5/16,.,64,二、仿真程序及分析仿真实例求三阶传递函数的阶跃响应其中对象采样时间为1ms。采用专家PID设计控制器。在仿真过程中，取0.001，程序中的五条规则与控制算法的五种情况相对应。,仿真程序：chap2_1.m,2020/5/16,.,65,实时控制试验,基于综合策略的智能PID算法程序设计流程图如下：,返回,2020/5/16,.,66,用于控制封闭式电热炉，设定值为500