学习情境二-运动系统的设计与应用

《人工智能控制技术》学习情境二运动系统的设计与应用情境简介本学习情境主要针对人工智能系统设计与应用所需要的运动系统而设，主要讲述运动控制系统内涵，通过温度等非位移式以及物理位移运动变化系统等学习任务的设计来掌握运动控制所需要的PWM控制、PID反馈理论及控制方法，从而了解根据运动量的不同，选择不同的软硬件方案，将会涉及到STM32单片机的应用，当然过多复杂的编程将不需要，只需要会调用提供的库函数代码来进行实施。学习目标【知识目标】1、了解运动系统的内涵；2、了解智能控制的定义；3、掌握不同运动系统的分类；4、了解运动控制的核心技术——脉冲宽度调制；5、掌握反馈控制的原理及应用。学习目标【能力目标】1、能掌握不同的技术平台实现PWM；2、能根据应用设计出不同的运动控制系统；3、能设计出PID反馈控制系统。2.1、智能控制智能控制，顾名思义，就是智能化的控制，有别于常规控制。智能控制是具有智能信息处理、智能信息反馈和智能控制决策的控制方式，是控制理论发展的高级阶段，主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制问题。2.1.1定义2.1、智能控制定义一：智能控制是由智能机器自主地实现其目标的过程。定义二：K.J.奥斯托罗姆则认为，把人类具有的直觉推理和试凑法等智能加以形式化或机器模拟，并用于控制系统的分析与设计中，使之在一定程度上实现控制系统的智能化，这就是智能控制。定义三：智能控制是一类无需人的干预就能够自主地驱动智能机器实现其目标的自动控制。定义四：智能控制实际只是研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研制具有仿人智能的工程控制与信息处理系统的一个新兴分支学科。2.1.1定义2.1、智能控制2.1.2应用工业过程中的智能控制——智能工厂智能工厂是在数字化工厂的基础上，利用物联网技术和监控技术加强信息管理服务，提高生产过程可控性、减少生产线人工干预，以及合理计划排程。同时，集初步智能手段和智能系统等新兴技术于一体，构建高效、节能、绿色、环保、舒适的人性化工厂。2.1、智能控制2.1.2应用电子电力中的智能控制——智能电网智能电网包括先进的通讯和控制技术应用和电力输送基础设施实现现代化涉及的重点部分如提高可靠性、效率和安全性的实践。智能电网技术正在全部电网系统中应用，包括输电、配电和基于消费者的终端系统。太阳能电站核电站海上风力发电绿色发电远程监控设备，保障发电安全发电效率最大化潮汐发电智能电网-绿色发电智能储电电能消耗感知、预测储电设备控制，削峰填谷智能电网-可靠供电智能电网-安全输变配电安全输变配电电路输送线路安全无人值守变配电站电力输电线路安全控制中心智能变配电•江西省电网对分布在全省范围内的2万台配电变压器安装传感装置，对运行状态进行实时监测，实现用电检查、电能质量监测、负荷管理、线损管理、需求侧管理等高效一体化管理，一年来降低电损1.2亿千瓦时。智能电网-智能用电智能电表功能解释用电信息远程采集智能电表基本功能智能用电互动实现用户与电网之间的双向通信分布式能源接入太阳能等并网，双向计量智能家居家电的用电信息采集和控制多网融合支持信息网接入增值服务社区服务、信息咨询2.1、智能控制2.1.2应用家居生活中的智能控制——智能家居智能家居通过物联网技术将家中的各种设备（如音视频设备、照明系统、窗帘控制、空调控制、安防系统、数字影院系统、影音服务器、影柜系统、网络家电等）连接到一起，提供家电控制、照明控制、电话远程控制、室内外遥控、防盗报警、环境监测、暖通控制、红外转发以及可编程定时控制等多种功能和手段，智能体重秤体重检测给出体重指数交互图给予合理饮食建议智能家居—智能家电智能冰箱自动更新购物清单自动下载菜谱列表给出健康合理建议鱼缸也联网提示喂食周期智能书架RFID技术快速高效的流通处理、库存管理。提高图书管理的效率简化图书管理的流程降低图书管理的劳动强度。2.1、智能控制2.1.3特点一是系统的设计重点不在常规控制器上，而在智能机模型上；二是智能控制的核心在高层控制，即组织级，而高层控制的任务是在于对实际环境或过程进行组织，即决策和规划，实现广义问题求解2.1、智能控制2.1.4发展基于人工智能技术的智能控制方向智能控制的模糊控制方向智能控制的人工神经网络控制方向2.2、运动控制2.2.1定义运动控制是智能控制的执行层面，智能控制侧向于高层控制、实施组织管理，而运动控制便是侧向于完成智能控制所交付的任务，使得控制的对象发生质量或者数量上的变化。运动是一个哲学问题人不能两次踏入同一条河流2.2、运动控制2.2.1定义狭义运动控制物理空间上位移发生变化广义运动控制除了包括狭义运动控制外，还泛指一切发生变化的现象2.2、运动控制2.2.2分类按运动的连续性分类线性型运动开关量型运动2.2、运动控制2.2.2分类按运动的物性分类机械运动非机械运动2.2、运动控制2.2.2分类按运动结果输出的感观性直观型运动隐晦型运动2.2、运动控制2.2.2分类按运动的互联性分类分布式运动局域式运动2.3、运动执行过程运动控制的完美执行需要多个子功能协同工作，如需要传感系统的信息注入后，经智能控制的信息处理后，由运动执行部件进行实施，然后继续传感系统测量信息进行注入，再分析再执行，如此循环。这就依赖于反馈控制。2.4、机械运动机械运动是在实际的生活应用中经常需要的一种运动方式。如图2-5，普遍存在着角位移、直线运动、旋转运动等。如图2-52.4、机械运动在工程领域需要对运动的速度、加速度、路径及路程进行控制机械运动的核心是控制电机，何时启动、何时停止，何时加速、何时减速等，从而完成运动控制。2.4、运动控制的核心部件——电机交流电机直流电机步进电机伺服电机2.4、运动控制的核心部件——步进电机定子绕组定子转子图2-7步进电机的内部结构图2.4、运动控制的核心部件——步进电机工作原理当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。2.4、运动控制的核心部件——步进电机控制方法2.4、运动控制的核心部件——步进电机工作方式（1）三相单三拍三相单三拍的特点：1)每来一个电脉冲，转子转过30。此角称为步距角，θs用表示。2)转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。具体是这样：正转相序为A相→B相→C相→A相；反转相序为A相→C相→B相→A相。2.4、运动控制的核心部件——步进电机工作方式（2）三相单双六拍这种工作方式，因三相绕组中有三次只有一相通电，另外三次为相邻的两相同时通电，一个循环周期共包括六个脉冲，所以称三相单双六拍。三相绕组中的通电顺序为：A相→AB相→B相→BC相→C相→CA相→A相，如此循环。2.4、运动控制的核心部件——步进电机工作方式（3）三相双三拍这种工作方式，因三相绕组中每次都有两相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相双三拍。三相绕组中的通电顺序为：AB相→BC相→CA相→AB相，如此循环，3、反馈步进电机可以实现开环控制方式很多控制需要闭环的工作方式闭环式自动控制技术、乃至于智能控制技术得以迅速发展的基础之一闭环控制核心——反馈控制理论智能控制技术的主要实现方法：基于反馈原理发展出来的模糊控制、基于知识的专家控制、神经网络控制等方法。3.1、反馈定义反馈就是由控制系统把信息输送出去，又把其作用结果返送回来，并对信息的再输出发生影响，起到控制的作用，以达到预定的目的，见图2-11。原因产生结果，结果又构成新的原因、新的结果……反馈在原因和结果之间架起了桥梁。3.2、反馈分类按反馈作用分类——正反馈和负反馈正反馈：使系统的输入对输出的影响增大负反馈：使系统的输入对输出的影响减小人学习或做事：受到表扬时，越做越好受到批评时，越做越差正反馈例子判断反馈类型水脏鱼死动物多了，草就少了判断反馈类型电击救人空调温度控制3.2、反馈分类按反馈目标分类简单控制：系统所给的目标是一个常量程序控制：系统所给的目标是一个随时间而变的函数跟踪控制：系统给的目标是一个随其他变量而变的函数最佳控制：系统给的目标是达到某一函数的极值简单反馈复杂反馈心脏功能（1）吃药维持正常心率——简单控制（2）安装起博器——程序控制炒股（1）低价买高价卖（2）最低价买，最高价卖3.2、反馈分类按实现反馈方法分模拟反馈：对控制系统的模拟信号进行直接检测、处理及输出的反馈过程数字反馈：对控制系统的信号进行数字化后，再进行检测、处理及输出的反馈过程3.3、反馈应用图像识别的形态学处理基础之一——腐蚀腐蚀就是将图像的边界腐蚀掉，或者说使得图像整体上看起来变瘦了。变瘦后得出来的骨架，便可以识别对象，分辨出事物。3.3、反馈应用汽车定速巡航控制汽车定速巡航用于控制汽车的定速行驶，汽车一旦被设定为巡航状态时，发动机的供油量便由电脑控制，电脑会根据道路状况和汽车的行驶阻力不断地调整供油量，使汽车始终保持在所设定的车速行驶，而无需操纵油门。这种调整就是一种反馈。3.3、反馈应用自平衡车其运作原理主要是建立在一种被称为“动态稳定”（DynamicStabilization）的基本原理上。而这种“动态稳定”原理实际上就是一种反馈。以内置的精密固态陀螺仪（Solid-StateGyroscopes）来判断车身所处的姿势状态，透过精密且高速的中央微处理器计算出适当的指令后，驱动马达来做到平衡的效果。4、PID反馈技术PID控制器（比例-积分-微分控制器）是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。PID控制的基础是比例控制积分控制可消除稳态误差，但可能增加超调微分控制可加快大惯性系统响应速度以及减弱超调趋势。PID调整方法PID常用口诀:参数整定找最佳，从小到大顺序查，先是比例后积分，最后再把微分加，曲线振荡很频繁，比例度盘要放大，曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳，曲线偏离回复慢，积分时间往下降，曲线波动周期长，积分时间再加长，曲线振荡频率快，先把微分降下来，动差大来波动慢，微分时间应加长，理想曲线两个波，前高后低四比一，一看二调多分析，调节质量不会低。5、脉冲宽度调制PWM在控制各种对象需要脉冲宽度调制技术，脉冲宽度调制（PWM，PulseWidthModulation）技术是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。5.1、PWM的参数周期T脉宽时间D占空比=D/T5.2、PWM的应用左下图显示了三种不同的PWM信号。a是一个占空比为10%的PWM输出，即在信号周期中，10%的时间通，其余90%的时间断。b和c显示的分别是占空比为50%和90%的PWM输出。这三种PWM输出编码的分别是强度为满席值的10%、50%和90%的三种不同模拟信号值。例如，假设供电电源为9V,占空比为10%，则对应的是一个幅度为0.9V的模拟信号。6.1、实训1定级恒温系统设计与应用红外线治疗仪作为家庭便携式医疗器械，主要是由于其能从不同水平调动人体本身的抗病能力而治疗疾病。某公司现业务需求开发一套有关红外治疗仪的控制系统，能通过参数的设置，实现对红外线发热管进行定温控制而发出对人体有益的红外波长的光线，透过衣服作用于患者的治疗部位，穿过皮肤，直接使肌肉、皮下组织等产生热效应，加速血液物质循环，增加新陈代谢、减少疼痛、增加肌肉松弛、产生按摩效果等。任务描述6.1、实训1定级恒温系统设计与应用任务要求所需要设计的控制系统采用