仿人智能控制系统西安工程大学控制工程与智能检测实验教学示范中心

5仿人控制1仿人控制原理与原型算法2仿人控制器的智能属性3仿人控制的特征模型和决策模态4仿人控制器的设计与实现5仿人控制器的设计与实现示例5仿人控制1.仿人控制的基本原理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与功能，并把它用于控制系统，实现控制目标。

仿人控制研究的主要目标：控制器本身如何对控制专家结构和行为的模拟。

仿人控制理论的具体研究方法：从递阶控制系统的最底层（执行级）入手，充分应用已有各种控制理论和计算机仿真结果直接对人的控制经验、技巧和各种直觉推理能力进行测辨和总结，编制成各种实用、精度高、能实时运行的控制算法，并把它们直接应用于实际控制系统，进而建立起系统的仿人控制理论体系，最后发展成智能控制理论。1仿人控制原理与原型算法1.仿人控制的基本原理1仿人控制原理与原型算法任务适应层+_扰动受控对象反馈参数校正层直接控制层公共数据库ERUY（4）启发式和直觉推理问题求解.仿人控制在结构和功能上具有以下基本特征：（1）递阶信息处理和决策机构；（2）在线特征辨识和特征记忆；（3）开闭环结合和定性与定量结合的多模态控制；1仿人控制原理与原型算法2.仿人控制的原型算法误差相平面上的特征和控制模态

当系统误差处于误差相平面的第一与第三象限，即或且时，仿人智能控制器工作于比例控制模态；当误差处于误差相平面的第二与第四象限，即或时，仿人智能控制器工作于保持控制模态。

2仿人控制器的智能属性（1）一般传统控制器的输入输出关系是一种单映射关系，而仿人控制器原型是一种双映射关系，即一种变模态控制，一种开闭环交替的控制模式。

（2）在仿人控制原型算法中，控制策略与控制模态的选择和确定是按照误差变化趋势的特征进行的，而确定误差变化趋势特征的集合反映在误差相平面上的全部特征，构成整个控制决策的依据，即特征模型。

（3）仿人控制器原型在维持模态时对误差极值的记忆和利用，与人的记忆方式及对记忆的利用相似，即两者具有相似的特征记忆作用。

根据受控系统输出偏差e、偏差导数以及它们的适当组合构成的特征变量,划分动态特征模式,并通过这些特征模式描述系统的动态行为特征,或用这些特征模式直观地反映系统的动态过程,以期为智能控制决策提供依据。

3仿人控制的特征模型和决策模态1.人控制的特征模式与特征辨识（1）描述动态系统特征状态的特征基元和特征模式受控系统动态过程的输入和输出数据(序列)包含受控过程的全部信息。由系统输出偏差e、偏差导数、偏差二阶导数构成描述受控系统特征状态的特征信息源,并用集合E表示:3仿人控制的特征模型和决策模态1.人控制的特征模式与特征辨识(2)特征模型的定义及形式化描述特征模型Φ是一种智能控制系统动态特性的定量与定性综合描述的模型,是根据不同的控制问题求解和控制指标要求而对系统动态信息空间∑的一种划分；划分出的每个子区域表示系统的一种特征状态φi。特征模型Φ为全部特征状态的集合,即:Φ={φ1，φ2，…，φr}，φi∈Σ

特征状态由一些特征基元qi的组合来描述。3仿人控制的特征模型和决策模态1.人控制的特征模式与特征辨识3.特征辨识与特征记忆特征辨识:智能控制系统根据特征模型对采样信息进行在线处理和模式识别，确定系统当前所处状态的过程。特征记忆：智能控制对反映前期决策与控制效果的特征量及反映控制任务要求和受控对象性质的特征量的记忆。令特征记忆量的集合为:在仿人智能控制系统中,往往利用特征记忆来消除偏差,改善控制品质,直接影响控制输出。

控制(决策)模态集合Ψ是控制输出U与误差信息E和特征记忆信息

(合记为R)间的一种定量或定性映射关系F的集合,记为:3仿人控制的特征模型和决策模态1.仿人控制的多模态控制1.多模态控制(决策)特征辨识根据特征模型在线确定系统当前所处特征运动状态,而控制器按照特征辨识结果选择相应的控制模态。或者Fi→IF(条件)THEN(操作或结论)智能控制中这种不断变化的控制策略为多模态控制(决策)。典型的仿人控制模态基元有比例(m1)控制模态基元、微分控制(m2)模态基元、积分控制(m3)模态基元及其组合(如PID)模态基元、极值采样保持(m5)与稳态保持(m4)模态基元、开关控制(m6)模态基元等。3仿人控制的特征模型和决策模态1.仿人控制的多模态控制2启发与直觉推理.通过特征辩识识别出系统的当前状态并采用相应控制模态的过程,可看成对人的启发式和直觉推理的一种模仿。启发与直觉推理规则集Ω是对人决策过程的一种模仿;它根据特征辨识结果确定控制与决策策略。可用产生式规则“IF…THEN…”进行描述。4仿人控制器的设计与实现1.仿人控制系统的设计依据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上，为设计受控系统的特征模型和控制模态集，并设定其参数，需要建立一种能够根据系统瞬态响应来判断系统当前状态与目标状态差别以及当前运行趋势的指标，并以该指标作为设计的目标函数。

瞬态性能指标：能评价智能控制系统运行的瞬态品质，并能兼顾系统的快速性、稳定性和精确性指标要求的理想误差时相轨迹称为仿人控制系统的瞬态性能指标。

4仿人控制器的设计与实现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上，为设计受控系统的特征模型和控制模态集，并设定其参数，需要建立一种能够根据系统瞬态响应来判断系统当前状态与目标状态差别以及当前运行趋势的指标，并以该指标作为设计的目标函数。

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⑧⑦BA·C②③④⑤⑥⑨·

D4仿人控制器的设计与实现1.仿人控制系统的设计依据4仿人控制器的设计与实现具有理想性能的系统误差时相轨迹4仿人控制器的设计与实现2.仿人智能控制器设计与实现的一般步骤

4仿人控制器的设计与实现(2)建立对象的数理模型

(1)确定设计目标轨迹

根据用户对受控对象控制性能指标（如上升时间、超调量、稳态精度等）的要求，确定理想的单位阶跃响应过程，并把它变换到（）时相空间中去，构成理想的误差时相轨迹。

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或经验，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。

4仿人控制器的设计与实现2.仿人智能控制器设计与实现的一般步骤

4仿人控制器的设计与实现(3)建立各控制级的特征模型或控制算法根据目标轨迹在误差相平面（）上的位置或误差时间平面（）上的位置，以及控制器的不同级别（运行控制级、参数校正级、任务适应级），确定特征基元集划分出特征状态集，从而构成不同级别的特征模型.

⊙4仿人控制器的设计与实现2.仿人智能控制器设计与实现的一般步骤

4仿人控制器的设计与实现(4)

设计控制器的结构++HSIC1

协调算法HSIC2G22G21G12G11R1_R2++++_Y2Y1

某轧钢机控制系统整体结构框图4仿人控制器的设计与实现2.仿人智能控制器设计与实现的一般步骤

4仿人控制器的设计与实现(5)

控制模态集与控制规则针对系统运动状态处于特征模型中某特征状态时与瞬态指标（理想轨迹）间的差距，及理想轨迹的运动趋势，模仿人的控制决策行为，设计控制规则或校正模态，并设计出模态中的具体参数。(6)仿真和试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，以至修正系统控制结构，使仿真结果满足动态和静态控制要求。如果条件许可，应在仿真研究的基础上，进行系统实时实验或工业试验，以进一步验证系统设计的正确性和系统品质的优越性。1小车－单摆系统仿人控制器的设计5人控制器的设计与实现示例(1)小车－单摆系统的数学模型

θ-0+r

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0-+小车-单摆系统结构示意图qMmJlur小车及转动装置的等效质量单摆质量单摆以质心为转动轴心时的转动惯量单摆质心与轴心距离控制作用（u）小车位移单摆摆角（角位移）1小车－单摆系统仿人控制器的设计5人控制器的设计与实现示例(2)小车－单摆系统仿人控制器的结构设计++

协调控制器仿人智能控制器小车控制回路G2单摆控制回路G1小车UC2单摆UC1CC耦合回路+(3)各控制阶段的控制作用、控制模态集和控制规则集

小车－单摆系统的单摆摆起定位控制分为两个阶段进行，