chapter自适应与智能控制系统设计学习课程

1、2021-11-201控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院主要内容主要内容自适应控制系统设计模糊控制及模糊控制器设计神经网络及神经网络控制器设计基于遗传算法的最优控制器设计第1页/共65页第一页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-202控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院8.1 8.1 自适应控制系统设计自适应控制系统设计第2页/共65页第二页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-203控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院 控制原理图 自校正调节器第3页/共65页第三页，编辑于星期五：十四点 七分。202

2、1-11-204控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院 模型参考自适应系统第4页/共65页第四页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-205控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院 模型参考自适应系统的模型参考自适应系统的 设计与仿真设计与仿真假设 2 阶连续线性系统的数学模型为 模型参考自适应系统的框图第5页/共65页第五页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-206控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院建立模型参考自适应系统的 Simulink 模型第6页/共65页第六页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-

3、11-207控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院将对象模型的一阶环节模型由原来的 改写成 ， 系统参数选择 控制器参数 ，取 输入信号为方波信号且其幅值为 10 , 频率为 1 ，并将仿真范围设置为 015 秒，进一步调整系统模型的参数 ，使之在 0.02 , 0.1 , 1 , 2 , 5 , 10 的范围内变化，进行仿真 :第7页/共65页第七页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-208控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院第8页/共65页第八页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-209控制系统计算机辅助设计MATLAB语言

4、与应用东北大学信息学院当时第9页/共65页第九页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2010控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院自校正控制器设计与仿真自校正控制器设计与仿真 Diophantine 方程及其求解Diophantine 方程第10页/共65页第十页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2011控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院该方程的矩阵形式第11页/共65页第十一页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2012控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院用 MATLAB 语言编写的求解通

5、用函数第12页/共65页第十二页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2013控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院【例8-18-1】已知某 Diophantine Diophantine 方程中试求解该方程。第13页/共65页第十三页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2014控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院提前 d 步预测其中 使得预测误差的方差 为最小的提前 d 步预测信号满足下面的方程 假设在第 t 时刻所有可以测出的输入输出数据为 则由这些数据对 t+d 时刻的输出进行预测，称提前 d 步预测，记 第14页/共65页

6、第十四页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2015控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院【例8-28-2】已知某系统的离散模型为 试求出提前两步的预测模型。第15页/共65页第十五页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2016控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院 提前两步预报的仿真模型 设信号发生器给出的是幅值为 4 的方波信号，采样周期 T=0.01 秒，随机白噪声均值为 0，方差为 1第16页/共65页第十六页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2017控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院

7、 最小方差控制器设计最小方差控制律为若 ，则最小方差控制问题退化成最小方差的调节问题，调节器的自适应律可以简化成 该控制律适用于最小相位系统的自校正调节第17页/共65页第十七页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2018控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院自适应控制律其中第18页/共65页第十八页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2019控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院【例8-38-3】假设 ，遗忘因子选择为 ，设定值选择为 ，对自校正系统 进行仿真。第19页/共65页第十九页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-1

8、1-2020控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院广义预测控制系统与仿真广义预测控制系统与仿真广义预测控制 (general predictive control，GPC)广义预测控制研究的受控对象模型为广义预测控制的性能指标为第20页/共65页第二十页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2021控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院【例8-48-4】假设受控对象模型为用广义预测控制的方式进行控制。第21页/共65页第二十一页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2022控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院8

9、.2 8.2 模糊控制及模糊控制器模糊控制及模糊控制器设计设计样条插值的 MATLAB MATLAB 表示基于样条插值的数值微积分运算第22页/共65页第二十二页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2023控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院模糊逻辑与模糊推理模糊逻辑与模糊推理 构建模糊推理系统的数据结构 添加系统的输入和输出变量第23页/共65页第二十三页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2024控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院 把新生成的规则矩阵 R ，补加到模糊推理系统 f i s 原有规则后 模糊推理问题求解 解

10、模糊化第24页/共65页第二十四页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2025控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院模糊模糊 PD 控制器设计控制器设计 模糊 PD 控制器控制框图第25页/共65页第二十五页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2026控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院 8 段模糊子集示意图 PD 控制器模糊逻辑第26页/共65页第二十六页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2027控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院建立模糊推理系统模型的步骤： 启动界面启动界面 在命令窗口中

11、输入 fuzzy 启动系统界面。 信号设定信号设定 由菜单项 Edit Add Variable Input 添加一路输入信号，建立本模糊推理模型需要的双路输入。修改信号的变量名为 e , ed 和 u 。 隶属函数设置隶属函数设置 双击界面上的输入段 e 图标，显示默认的三段模糊子集及隶属度函数曲线。单击 Edit 菜单， 选择 Remove All MFs 菜单删除默认的所有隶属度函数。第27页/共65页第二十七页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2028控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院 编辑模糊推理系统编辑模糊推理系统 选择 Edit Rules

12、菜单项，由 Add rule 添加规则，用 Change rule 修改规则。建立起模糊推理规则后，由 View Rules 和 View Surface 菜单项得出规则显示图形。 模糊推理系统的存储模糊推理系统的存储 选择 File -Export 菜单项将 建立起来的模糊推理系统存成 * . f i s 文件或存成 MATLAB 工作空间中的变量。第28页/共65页第二十八页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2029控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院【例8-5】第29页/共65页第二十九页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2030控制系统计

13、算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院模糊模糊 PID 控制器设计控制器设计模糊逻辑整定 PID 控制器的表达式为其中， 为校正速度量第30页/共65页第三十页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2031控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院计算控制量第31页/共65页第三十一页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2032控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院 模糊 PID 控制器控制框图第32页/共65页第三十二页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2033控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大

14、学信息学院 模糊 PID 控制器结构第33页/共65页第三十三页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2034控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院【例8-6】对系统进行仿真第34页/共65页第三十四页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2035控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院8.3 8.3 神经网络及神经网络神经网络及神经网络控制器设计控制器设计 神经网络简介 基于单个神经元的 PID PID 控制器设计基于反向传播神经网络的 PID PID 控制器 基于径向基函数的神经网络的 PID PID 控制器第35页/共65页第三十

15、五页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2036控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院神经网络简介神经网络简介 神经元的基本结构第36页/共65页第三十六页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2037控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院 神经元的基本结构第37页/共65页第三十七页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2038控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院基于单个神经元的基于单个神经元的 PID 控制器设计控制器设计 基于单个神经元的 PID 控制器框图第38页/共65页第三十八页，编辑于星

16、期五：十四点 七分。2021-11-2039控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院,归一化权值微积分模块计算量：三个权值的更新规则：控制率为第39页/共65页第三十九页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2040控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院 基于单个神经元的 PID 控制器模块框图第40页/共65页第四十页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2041控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院【例8-7】对受控对象 利用单神经元 PID PID 控制器模块进行仿真计算第41页/共65页第四十一页，编辑于星

17、期五：十四点 七分。2021-11-2042控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院基于反向传播神经网络的基于反向传播神经网络的 PID 控制器控制器 BP 网 PID 控制器仿真结构第42页/共65页第四十二页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2043控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院【例8-88-8】受控对象采样周期 T = 0.001 秒 非线性受控对象第43页/共65页第四十三页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2044控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院 系统仿真框图第44页/共65页第四十

18、四页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2045控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院基于径向基函数的神经网络基于径向基函数的神经网络 的的 PID PID 控制器控制器 径向基函数 PID 控制器仿真结构第45页/共65页第四十五页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2046控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院【例8-98-9】 非线性受控对象第46页/共65页第四十六页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2047控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院 系统仿真框图第47页/共65页第四十七页，

19、编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2048控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院8.4 8.4 基于遗传算法的最优基于遗传算法的最优控制器设计控制器设计 遗传算法简介 基于遗传算法的最优化问题求解 基于遗传算法的最优控制问题求解第48页/共65页第四十八页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2049控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院遗传算法简介遗传算法简介简单遗传算法的一般步骤为： 选择 N 个个体构成初始种群 ，并求出种群内各个个体的函数值。染色体可以用二进制数组表示，也可以用实数数组来表示，种群可以由随机数生成函数建立。其

20、实使用遗传算法求解函数 gaopt( ) ，则会自动生成所需的初始种群 。 设置代数为 i=1 ，即设置其为第 1 代。第49页/共65页第四十九页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2050控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院 计算选择函数的值，所谓选择即通过概率的形式从种群中选择若干个体的方式。遗传算法最优化工具箱提供了 3 个选择函数，其中 roulette( )实现了轮盘选择算法，normGeomSelect( )函数实现了归一化几何选择方法，tournSelect( )实现了锦标赛形式的选择方式，normGeomSelect( )函数为默认选择函数。

21、第50页/共65页第五十页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2051控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院 通过染色体个体基因的复制、交叉、变异等创造新的个体，构成新的种群 ，其中复制、交叉和变异都有相应的 MATLAB 函数，gaopt( ) 函数选择其中默认的方法进行这样的处理，构成新的种群。 i= i+1 ，若终止条件不满足，则转移到步骤继续进化处理。第51页/共65页第五十一页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2052控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院和传统最优化算法比较，遗传算法的主要不同点：第52页/共65页第

22、五十二页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2053控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院 遗传算法并不依赖于导数信息或其他辅助信息来进行最优解搜索，而只由目标函数和对应于目标函数的适应度水平来确定搜索的方向。 遗传算法采用的是概率性规则而不是确定性规则，所以每次得出的结果不一定完全相同，有时甚至会有较大的差异。第53页/共65页第五十三页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2054控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院基于遗传算法的最优化基于遗传算法的最优化 问题求解问题求解第54页/共65页第五十四页，编辑于星期五：十四点 七

23、分。2021-11-2055控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院【例8-108-10】第55页/共65页第五十五页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2056控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院编写一个描述目标函数的文件：第56页/共65页第五十六页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2057控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院【例8-118-11】试用遗传算法求解下面的线性规划问题用 MATLAB 函数描述目标函数第57页/共65页第五十七页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2058控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院第58页/共65页第五十八页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2059控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院基于遗传算法的最优基于遗传算法的最优 控制问题求解控制问题求解【例8-12】第59页/共65页第五十九页，编辑于星期五：十四点 七分。2021-11-2060控制系统计算机辅助设计MATLAB语言与应用东北大学信息学院用 MATLAB 函数来描述此最优化问