智能控制实验指导书

《智能控制技术》实验指导书韦中利编写适用专业：自动化电气工程及其自动化江苏科技大学电子信息学院2011年3月1前言智能控制课程是自动化、电气工程及其自动化等专业的主要技术基础课。主要是通过本课程的学习，使学生了解智能控制的基本理论、智能控制系统的分析方法和工程应用，了解智能控制发展前沿动态等。为了使学生更好地理解和深刻地把握这些知识，并在此基础上训练和培养学生使用MATLAB的能力以及进行系统仿真的设计技能，设置了“模糊控制与传统PID控制的性能比较”以及“神经元自适应PID控制仿真研究”2个实验项目，2个皆为综合性实验。模糊控制与传统PID控制的性能比较实验，主要通过本实验的学习，使学生了解传统PID控制、模糊控制等基本知识，掌握传统PID控制器设计、模糊控制器设计等知识，训练学生设计控制器的能力，培养他们利用MATLAB进行仿真的技能，为今后继续模糊控制理论研究以及控制仿真等学习奠定基础。神经元自适应PID控制仿真研究实验，主要是通过本实验的学习，使学生了解传统PID控制、神经元自适应控制等基本知识，掌握传统PID控制器设计、掌握基于二次型性能指标学习算法的单神经元自适应PID控制等知识，训练学生设计控制器的能力，培养他们利用MATLAB进行仿真的技能，为今后继续神经网络控制理论的研究以及控制仿真等学习奠定基础。2实验一：模糊控制与传统PID控制的性能比较实验学时：2实验类型：设计实验要求：必修一、实验目的通过本实验的学习，使学生了解传统PID控制、模糊控制等基本知识，掌握传统PID控制器设计、模糊控制器设计等知识，训练学生设计控制器的能力，培养他们利用MATLAB进行仿真的技能，为今后继续模糊控制理论研究以及控制仿真等学习奠定基础。二、实验内容本实验主要是设计一个典型环节的传统PID控制器以及模糊控制器，并对他们的控制性能进行比较。主要涉及自控原理、计算机仿真、智能控制、模糊控制等知识。通常的工业过程可以等效成二阶系统加上一些典型的非线性环节，如死区、饱和、纯延迟等。这里，我们假设系统为：H(s)=20e0.02s/(1.6s2+4.4s+1)控制执行机构具有0.07的死区和0.7的饱和区，取样时间间隔T=0.01。设计系统的模糊控制，并与传统的PID控制的性能进行比较。三、实验原理、方法和手段1.实验原理：1)对典型二阶环节，根据传统PID控制，设计PID控制器，选择合适的PID控制器参数kp、ki、kd；2)根据模糊控制规则，编写模糊控制器。2.实验方法和手段：1)在PID控制仿真中，经过仔细选择，我们取kp=5，ki=0.1，kd=0.001；2)在模糊控制仿真中，我们取ke=60，ki=0.01，kd=2.5，ku=0.8；3)模糊控制器的输出为：u=ku×fuzzy(ke×e,kd×e’)－ki×∫edt其中积分项用于消除控制系统的稳态误差。4)模糊控制规则如表1-1所示：在MATLAB程序中，Nd用于表示系统的纯延迟（Nd=td/T）,umin用于表示控制3的死区电平，umax用于表示饱和电平。当Nd=0时，表示系统不存在纯延迟。5)根据上述给定内容，编写PID控制器、模糊控制器的MATLAB仿真程序，并记录仿真结果，对结果进行分析。表1-1FC的模糊推理规则表uee’NBNSZRPSPBNBPBPBPSPSZRNSPBPSPSZRZRZRPSPSZRZRNSPSPSZRZRNSNSPBZRZRNSNSNB四、实验组织运行要求根据本实验的综合性、设计性特点以及要求学生自主设计MATLAB仿真程序的要求以及我们实验室的具体实验条件，本实验采用以学生自主训练为主的开放模式组织教学。五、实验条件1.装有MATLAB6.5的计算机；2.智能控制技术教材；3.模糊控制教材；4.智能控制技术实验指导书。六、实验步骤1.学生熟悉实验内容，并根据实验内容、实验要求，查阅、学习相关知识；2.设计典型二阶环节的PID控制器以及模糊控制器；3.编写MATLAB仿真程序4.上机调试程序，修改程序修改控制器的参数等；45.对实验程序仿真，并记录仿真结果；6.对实验结果进行分析，书写实验报告书。七、思考题1.模糊控制器的控制性能是否一定优于传统PID控制器？2.如果选用模糊控制工具箱，如何进行设计、仿真？八、实验报告实验报告书应包括以下内容1.实验预习内容：对本次实验进行认真的预习，并写好预习报告，在预习报告中要写出实验目的、要求，需要用到的仪器设备、物品资料以及简要的实验步骤，形成一个操作提纲；写出模糊控制器传统PID控制器的设计过程，写出MATLAB实验程序的编写。2.实验记录内容：开始实验时，应该将记录本放在近旁，将实验中所做的每一步操作、观察到的现象和所测得的数据及相关条件如实地记录下来；写出实验调试以及参数修改的过程，并记录实验结果的变化以及最终的仿真结果。3.实验报告部分：使用现行的“实验报告簿”书写实验报告；主要内容包括对实验数据、实验中的特殊现象、实验操作的成败、实验的关键点等内容进行整理、解释、分析总结，回答思考题，提出实验结论或提出自己的看法等。注：以上3部分内容应在同一个实验报告书中完成。九、其它说明注意实验预习部分，做好实验的预习准备工作，也可先到实验室向相关教师咨询探讨实验的开发设计。5实验二：神经元自适应PID控制仿真研究实验学时：2实验类型：设计实验要求：必修一、实验目的通过本实验的学习，使学生了解传统PID控制、神经元自适应控制等基本知识，掌握传统PID控制器设计、掌握基于二次型性能指标学习算法的单神经元自适应PID控制等知识，训练学生设计控制器的能力，培养他们利用MATLAB进行仿真的技能，为今后继续神经网络控制理论的研究以及控制仿真等学习奠定基础。二、实验内容本实验主要是学习应用最优二次型性能指标学习算法进行控制器的设计仿真研究。主要涉及自控原理、计算机仿真、智能控制、神经网络控制等知识，综合性较强。设被控对象过程模型为：yout(k)=0.368yout(k-1)+0.264yout(k-2)+u(k-d)+0.632u(k-d-1)+ξ(k)应用最优二次型性能指标学习算法进行仿真研究，最后要求得出神经元自适应PID跟踪及中权值变化结果。三、实验原理、方法和手段1.实验原理：在最优控制理论中，采用二次型性能指标来计算控制律可以得到所期望的优化效果。在神经元学习算法中，也可借助最优控制中二次型性能指标的思想，在加权系数的调整中引入二次型性能指标，使输出误差和控制增量加权平方和为最小来调整加权系数，从而间接实现对输出误差和控制增量加权平方和为最小来调整加权系数，从而间接实现对输出误差和控制增量加权的约束控制。设性能指标为：))())()(((21)(22kuQkyoutkrinPkE式中，QP,分别为输出误差和控制增量的加权系数，)(kr和)(ky为k时刻参考输6入和输出。神经元的输出为：31)()()1()(iiikxkwKkuku31|)(|/)()(iiiikwkwkw)3,2,1(i)())()(()()(()1()(31110I11iiikxkxkwQKkxkzPbKkwkw)())()(()()(()1()(31220P22iiikxkxkwQKkxkzPbKkwkw)())()(()()(()1()(31330D33iiikxkxkwQKkxkzPbKkwkw)()(1kekx)1()()(2kekekx)2()1(2)()()(23kekekekekx2.实验方法和手段：1)应用最优二次型性能指标学习算法进行仿真研究，ξ(k)为在100个采样时间的外加干扰，ξ(100)=0.10，输入为阶跃响应信号rin(k)=1.0；2)启动时采用开环控制，取u=0.1726，K=0.02，P=2，Q=1，d=6；3)比例、积分、微分三部分加权系数学习速率分别取ηI=4，ηP=120，ηD=159，ω1(0)=0.34，ω2(0)=0.32，ω3(0)=0.33；4)利用MATLAB编写仿真程序，得出神经元自适应PID跟踪及中权值变化结果。四、实验组织运行要求根据本实验的综合性、设计性特点以及要求学生自主设计MATLAB仿真程序的要求以及我们实验室的具体实验条件，本实验采用以学生自主训练为主的开放模式组织教学。五、实验条件1.装有MATLAB6.5的计算机；72.智能控制技术教材；3.神经网络控制教材；4.智能控制技术实验指导书。六、实验步骤1.学生熟悉实验内容，并根据实验内容、实验要求，查阅、学习相关知识；2.设计应用最优二次型性能指标学习算法进行仿真研究的单神经元自适应PID控制器；3.编写MATLAB仿真程序；4.上机调试程序，修改程序、修改控制器的参数等；5.对实验程序仿真，并记录仿真结果；6.对实验结果进行分析，书写实验报告书。七、思考题如果选用神经网络工具箱进行仿真，结果如何？如何进行仿真?八、实验报告实验报告书应包括以下内容1.实验预习内容：对本次实验进行认真的预习，并写好预习报告，在预习报告中要写出实验目的、要求，需要用到的仪器设备、物品资料以及简要的实验步骤，形成一个操作提纲；写出应用最优二次型性能指标学习算法进行仿真研究的设计过程，写出MATLAB实验程序的编写。2.实验记录内容：开始实验时，应该将记录本放在近旁，将实验中所做的每一步操作、观察到的现象和所测得的数据及相关条件如实地记录下来；写出实验调试以及参数修改的过程，并记录实验结果的变化以及最终的仿真结果。3.实验报告部分：使用现行的“实验报告簿”书写实验报告；8主要内容包括对实验数据、实验中的特殊现象、实验操作的成败、实验的关键点等内容进行整理、解释、分析总结，回答思考题，提出实验结论或提出自己的看法等。注：以上3部分内容应在同一个实验报告中完成。九、其它说明注意实验预习部分，做好实验的预习准备工作，也可先到实验室向相关教师咨询探讨实验的开发设计。