第九章仿人智能控制v2

2019/8/1ManlikeIC1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2019/8/1ManlikeIC2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。2019/8/1ManlikeIC3调节器参数的自动整定问题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。2019/8/1ManlikeIC49.1.1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。2019/8/1ManlikeIC5PID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2019/8/1ManlikeIC6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。2019/8/1ManlikeIC79.1.2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2019/8/1ManlikeIC82019/8/1ManlikeIC9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。2019/8/1ManlikeIC109.1.3系统特性的模式识别根据输出偏差e和偏差变化Δe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:Δen=en–en-12019/8/1ManlikeIC113)e*Δee*Δe的符号，表征动态偏差变化情况.0,离开平衡点0,趋于平衡点表9－1特征变量的符号变化OA段AB段BC段CD段DE段en00000Δe00000en*Δen000002019/8/1ManlikeIC12en*Δen表征动态偏差变化情况en*Δen0偏差加大,偏差的绝对值逐渐增大en*Δen0偏差减小,偏差的绝对值逐渐减小2019/8/1ManlikeIC13Δen*Δen-1表征极值Δen*Δen-10无极值Δen*Δen-10有极值B点：Δen*Δen-10;en*Δen0C’点：Δen*Δen-10;en*Δen0B点之后，偏差趋于减小，C’点之后，偏差逐渐加大。2019/8/1ManlikeIC14与en*Δen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*Δen0且ba/ee偏差变化的姿态/ee2019/8/1ManlikeIC15Δen/Δen-1表征偏差局部变化趋势Δen/Δen-1比值大,前期控制效果差2019/8/1ManlikeIC16Δ(Δe)表征偏差变化的变化率Δ(Δe)0超调阶段ABC段Δ(Δe)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。2019/8/1ManlikeIC179.1.3仿人智能控制器的结构2019/8/1ManlikeIC18图9.3多变量仿人智能控制器的结构2019/8/1ManlikeIC19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。2019/8/1ManlikeIC209.2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。2019/8/1ManlikeIC21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。”2019/8/1ManlikeIC22智能开关控制的控制电压和偏差变化曲线2019/8/1ManlikeIC23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。1231234()*()0(0,)(,)()*()0(,)(,)ekekktttekekktttt或或2019/8/1ManlikeIC2412条规则：设k为当前采样时刻，e(k)为偏差，Δe(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)|≥Me(k)0thenu(k)=U,t0(k)=T（全开）(2)if|e(k)|≥Me(k)0thenu(k)=U,t0(k)=0（全关）(3)ife(k)=0,e(k-1)0thenu(k)=U,t0(k)=K1t0(k-1)2019/8/1ManlikeIC25（4）ife(k)=0，e(k-1)0thenu(k)=U,t0(k)=t0(k-1)（5）if|e(k)|E,e(k)0,Δe(k)0thenu(k)=U,t0(k)=K2t0(k-1)（6）if|e(k)|E,e(k)0,Δe(k)0thenu(k)=U,t0(k)=K3t0(k-1)（7）if|e(k)|E,e(k)0,Δe(k)0thenu(k)=U,t0(k)=K4t0(k-1)（8）if|e(k)|E,e(k)0,Δe(k)0thenu(k)=U,t0(k)=t0(k-1)2019/8/1ManlikeIC26（9）ifE≤|e(k)|M,e(k)0,Δe(k)0thenu(k)=U,t0(k)=K5t0(k-1)（10）ifE≤|e(k)|M,e(k)0,Δe(k)0thenu(k)=U,t0(k)=K6t0(k-1)（11）ifE≤|e(k)|M,e(k)0,Δe(k)0thenu(k)=U,t0(k)=K7t0(k-1)（12）ifE≤|e(k)|M,e(k)0,Δe(k)0thenu(k)=U,t0(k)=K8t0(k-1)2019/8/1ManlikeIC27参数意义：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。2019/8/1ManlikeIC28仿人智能开关控制（BANG－BANG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。2019/8/1ManlikeIC29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，m[1]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。2019/8/1ManlikeIC30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2019/8/1ManlikeIC319.2.2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。K对象Reuy+-比例反馈控制系统2019/8/1ManlikeIC322019/8/1ManlikeIC33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＋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＋ess0＋ess1。依此下去，有输出静差01()nssiiyyRn0()ssnen2019/8/1ManlikeIC34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.100nneee0neK对象Reuy+-仿人比例控制e0n积分开关2019/8/1ManlikeIC35规则为δ：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。00100,()(1)nnifKKKNekektheneee/T2019/8/1ManlikeIC36仿人比例温度控制仿真曲线2019/8/1ManlikeIC37仿真结果12019/8/1ManlikeIC38仿真结果22019/8/1ManlikeIC39温度控制系统硬件框图PLCSCR电炉PCTgTc热电偶2019/8/1ManlikeIC40温度控制实际效果2019/8/1ManlikeIC41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：2019/8/1ManlikeIC42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2019/8/1ManlikeIC439.2.3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2019/8/1ManlikeIC442019/8/1ManlikeIC45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。2019/8/1ManlikeIC46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*Δe0或Δe=0且e≠0时，对偏差积分当e*Δe0或e=0时，不对偏差积分。应用示例：1.电炉温度控制2.水轮机速度,励磁控制2019/8/1ManlikeIC47仿人智能控制算法积分不积分扩展：智能积分*0*0eeee*000,integration*00wheneeoreandewheneeorenoaction2019/8/1ManlikeIC48仿人积分仿真2019/8/1ManlikeIC49仿人积分仿真22019/8/1ManlikeIC50仿人积分仿真3抗扰动2019/8/1ManlikeIC51仿人PID控制算法仿真结果PK=0.0375,IK=0.0001,DK=1.1812.2019/8/1Manli