（推荐）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,2021/4/6,2,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。,2021/4/6,3,调节器参数的自

2、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。,2021/4/6,4,9.1.1 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。,2021/4/6,5,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,2021/4/6,6,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 。,2021/4/6,7,

3、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,2021/4/6,8,2021/4/6,9,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。,2021/4/6,10,9.1.3 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=en en-1,2021/4/6,11,3) e*e,e*e的符号，表征动态偏差变化情况. 0, 离开平衡点

4、0, 趋于平衡点 表91 特征变量的符号变化,2021/4/6,12,en*en表征动态偏差变化情况,en*en0 偏差加大, 偏差的绝对值逐渐增大 en*en0 偏差减小, 偏差的绝对值逐渐减小,2021/4/6,13,en*en-1表征极值,en*en-10 无极值 en*en-10 C点： en*en-10 ; en*en0 B点之后，偏差趋于减小，C点之后，偏差逐渐加大。,2021/4/6,14,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b a,偏差变化的姿态,2021/4/6,15,en/en-1 表征偏

5、差局部变化趋势,en/en-1比值大,前期控制效果差,2021/4/6,16,(e) 表征偏差变化的变化率,(e)0 超调阶段 ABC段 (e)0 回调阶段 CDE段 特征变量是对系统动态特性的一种定性与定量相结合的描述，它体现了对人的形象思维的一种模拟。,2021/4/6,17,9.1.3 仿人智能控制器的结构,2021/4/6,18,图9.3 多变量仿人智能控制器的结构,2021/4/6,19,其中，A,B是解析式、逻辑关系式和阈值集的集合;F,H是以IF(特征)THEN(控制模式)的形式写成的直觉推理规则集;V,W是以各种线性、非线性函数写成的模式集，分别存放于RB和DB中。ST产生的M

6、进入DB取代原有的控制参数集, MC产生输出u*，经K输出u=Ku*，去控制被控对象G。,2021/4/6,20,9.2 几种仿人智能控制方案,9.2.1 仿人智能开关控制(Bang-Bang)控制 开关（on-off)控制bang-bang控制，简单，易于实现。 电加热炉的控制中常常应用。 问题：精度较低，系统振荡幅度较大。 分析：常规方法， 两态： 开、关；没有人工控制根据变化趋势调节的特点。,2021/4/6,21,人工控制，可以根据误差和误差变化率选择开关接通的时间。 智能开关控制即是”考虑实际误差变化规律和被控对象的特征，纯滞后及扰动等因素的开关控制策略。”,2021/4/6,22,

7、智能开关控制的控制电压和偏差变化曲线,2021/4/6,23,智能开关控制的偏差变化分析,过程为大惯性及纯滞后系统。采用产生式规则设计智能开关控制。,2021/4/6,24,12条规则：,设k为当前采样时刻，e(k)为偏差，e(k） 为偏差变化率，U为全开控制量，T为控制 周期，t0为开关接通时间。 (1)if |e(k)|M e(k)0then u(k)=U,t0(k)=T（全开） (2)if |e(k)|M e(k)0then u(k)=U,t0(k)=0（全关） (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),2021/4/6,27,参数意义： E允许偏差的绝对

9、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。,2021/4/6,28,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。,2021/4/6,29,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

10、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 。,2021/4/6,30,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,2021/4/6,31,9.2.2 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。,2021/4/6,32,2021/4/6,33,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ess0-1

11、ess0。第二级稳态输出为yss0 +yss1,静差减小为ess1。第三级输入给定为1 ess0ess1。依此下去，有 输出 静差,2021/4/6,34,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.,2021/4/6,35,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。,2021/4/6,36,仿人比例温度控制仿真曲线,2021/4/6,37,仿真结果1,2021/4/6,38

12、,仿真结果2,2021/4/6,39,温度控制系统硬件框图,2021/4/6,40,温度控制实际效果,2021/4/6,41,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：,2021/4/6,42,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，

13、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,2021/4/6,43,9.2.3 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,2021/4/6,44,2021/4/6,45,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。,2021/4/6,46,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

14、偏差积分。 应用示例： 电炉温度控制 水轮机速度,励磁控制,2021/4/6,47,仿人智能控制算法,积分 不积分 扩展： 智能积分,2021/4/6,48,仿人积分仿真,2021/4/6,49,仿人积分仿真2,2021/4/6,50,仿人积分仿真3 抗扰动,2021/4/6,51,仿人PID控制算法仿真结果,=0.0375,=0.0001,=1.1812.,2021/4/6,52,仿人积分实际控制效果,2021/4/6,53,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

15、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,2021/4/6,54,9.3 专家PID控制,一、专家PID控制原理,2021/4/6,55,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。,2021/4/6,56,图 典型二阶系统单位阶跃响应误差曲线,2021/4/6,57,令e(k)表示离散化的当前

16、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,2021/4/6,58,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。,2021/4/6,59,（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

17、误差的绝对值，控制器输出为,2021/4/6,60,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,2021/4/6,61,（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,2021/4/6,62,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。,2021/4/6,63,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。,2021/4/6,64,二、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,2021/4/6,65,实时控制试验,基于综