仿人智能控制培训课件

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2022/7/221Manlike IC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。2022/7/222Manlike IC调节器参数的自动整定问题P

2、ID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。2022/7/223Manlike IC9.1.1 基本思想 PID比例，积分和微分控制器反馈控制，按偏差调节 控制器作用人脑P: 比例，线性放大缩小 I: 积分，细调D: 微分，变化趋势想象功能，具有非线性放大能力记忆功能，选择性记忆能力预见功能，远见卓识的预见能力PID控制作用是优良控制的必要条件，非充分条件。2022/7/224Manlike ICPID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 2022/7/225Man

3、like IC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 。2022/7/226Manlike IC9.1.2 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2022/7/227Manlike IC2022/7/228Manlike IC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。2022/7/229Manlike IC9.1.3 系统特性的模式识别根据输出偏差e和偏差变

4、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 2022/7/2210Manlike IC3) e*ee*e的符号，表征动态偏差变化情况. 0, 离开平衡点 0000e0000en*en000 偏差加大, 偏差的绝对值逐渐增大en*en0 无极值en*en-10 有极值B点： 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。2022/7/2213Manlike IC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

5、较大。具体数值满足en*en0且b 0 超调阶段 ABC段(e)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)= 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 then u(k)=U,t0(k)= K3 t0(k-1)（7） if |e(k)|0, e(k)0 then u(k)=U,t0(k)= K4 t0(k-1)

6、（8） if |e(k)|E, e(k)0 then u(k)=U,t0(k)= t0(k-1)2022/7/2225Manlike IC（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)= K6 t0(k-1)（11）if E|e(k)|M, e(k)0, e(k)0 then u(k)=U,t0(k)= K7 t0(k-1)（12）if E|e(k)|M, e(k)0 then u(k)=U,t0(k)= K8 t0(k-1)2022/7/2226Manli

7、ke IC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。 2022/7/2227Manlike IC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。 2022/7/2228Manlike IC 首先将标准化后的误差送入形参err，然后根据err

8、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 。2022/7/2229Manlike IC 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 2022/7/2230Manlike IC9.2.2 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。2022/7/2231Manlike IC

9、2022/7/2232Manlike IC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1 ess0ess1。依此下去，有 输出 静差 2022/7/2233Manlike IC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.2022/7/2234Manlike IC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，

10、增大增益裕量。有效解决稳态精度和稳定裕量的关系。2022/7/2235Manlike IC仿人比例温度控制仿真曲线 2022/7/2236Manlike IC仿真结果12022/7/2237Manlike IC仿真结果22022/7/2238Manlike IC 温度控制系统硬件框图 PLCSCR电炉PCTgTc热电偶2022/7/2239Manlike IC温度控制实际效果2022/7/2240Manlike IC 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

11、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：2022/7/2241Manlike IC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 2022/7/2242Manlike IC9.2.3 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 2022/7/2243Manlike

12、 IC2022/7/2244Manlike IC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。2022/7/2245Manlike IC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2022/7/2246Manlike IC仿人智能控制算法 积分 不积分扩展：智能积分2022/7/2247Manlike IC仿人积分仿真2022/7/2248Manlike I

13、C仿人积分仿真22022/7/2249Manlike IC仿人积分仿真3 抗扰动2022/7/2250Manlike IC仿人PID控制算法仿真结果 =0.0375,=0.0001,=1.1812. 2022/7/2251Manlike IC仿人积分实际控制效果2022/7/2252Manlike IC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

14、久，结果很不理想 2022/7/2253Manlike IC9.3 专家PID控制一、专家PID控制原理2022/7/2254Manlike IC 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。2022/7/2255Manlike IC图 典型二阶系统单位阶跃响应误差曲线2022/7/2256Manlike IC 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

15、前两个采样时刻的误差值，则有2022/7/2257Manlike IC 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。2022/7/2258Manlike IC（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20

16、22/7/2259Manlike IC 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2022/7/2260Manlike IC（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2022/7/2261Manlike IC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

17、积分，减少稳态误差。2022/7/2262Manlike IC 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。2022/7/2263Manlike IC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.m2022/7/2264Manlike IC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

18、如下：返回2022/7/2265Manlike IC用于控制封闭式电热炉，设定值为500时2022/7/2266Manlike IC用于控制普通式电炉，设定值为150时2022/7/2267Manlike IC本章小结人的控制依赖于其丰富的经验，而不是对象的数学模型。人可以在线确定控制策略。基本原理是模仿人的启发式自觉推理逻辑，通过特征辨识判断系统所处的特征状态，进行多模态控制。本章介绍了仿人智能开关控制，仿人比例控制，仿人智能积分控制，仿人PID及专家PID控制等。仿人智能控制研究的不是被控对象，而是如何设计控制器，模仿专家经验和知识结构，实现优化控制。2022/7/2268Manlike IC激励学生学习的名言格言220、每一个成功者都有一个开始。勇于开始，才能找到成功的路。221、世界会向那些有目标和远见的人让路（冯两努香港著名推销商）222、绊脚石乃是进身之阶。223、销售世界上第一号的产品不是汽车，而是自己。在你成功地把自己推销给别人之前，你必须百分之百的把自己推销给自己。224、即使爬到最高的山上，一次也只能脚踏实地地迈一步。225、积极思考造成积极人生，消极思考造成消极人生。226、人之所以有一张嘴，而有两只耳朵，原因是听的要比说的多一倍。227、别想一下造出大海，必须先由小河川开始。228、有事者，事竟成；破釜沉舟，百二秦关终归楚；苦心人