第九章仿人智能控制v2

第九章仿人智能控制9.1 仿人智能控制的原理 9.1.1 根本思想 9.1.2 仿人智能控制行為的特征變量 9.1.3 系統(tǒng)特性的方式識別 9.2 幾種仿人智能控制方案 9.2.1 仿人智能開關(guān)控制 9.2.2 仿人比例控制 9.2.3 仿人智能積分控制9.3專家PID控制2024/1/81ManlikeIC智能控制的一個重要研討方向智能控制，根本上是要仿效人的智能行為進(jìn)展決策和控制。必要的訓(xùn)練之后，人實(shí)現(xiàn)的控制方法接近最優(yōu)。仿人智能控制不需求了解對象的構(gòu)造、參數(shù)，即不依賴于對象的數(shù)學(xué)模型，而是根據(jù)積累的閱歷和知識進(jìn)展在線的推理確定和變換控制戰(zhàn)略。2024/1/82ManlikeIC調(diào)理器參數(shù)的自動整定問題PID需求實(shí)驗(yàn)加試湊方法整定。需求熟練的技巧，并且相當(dāng)費(fèi)時(shí)。傳統(tǒng)PID調(diào)理器無自順應(yīng)才干。研討專家PID或者智能PID非常必要。2024/1/83ManlikeIC9.1.1根本思想PID －比例，積分和微分控制器反響控制，按偏向調(diào)理控制器作用人腦P:比例，線性放大減少I:積分，細(xì)調(diào)D:微分，變化趨勢想象功能，具有非線性放大才干記憶功能，選擇性記憶才干預(yù)見功能，遠(yuǎn)見卓識的預(yù)見才干PID控制造用是優(yōu)良控制的必要條件，非充分條件。2024/1/84ManlikeICPID的改良：1．變增益控制〔增益順應(yīng)〕2.智能積分〔非線性積分〕3．智能采樣控制等等

2024/1/85ManlikeIC仿人控制根本思想： 利用計(jì)算機(jī)模擬人的控制行為功能，最大限制地識別過程特征信息，進(jìn)展啟發(fā)和自覺推理，對缺乏準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型的對象實(shí)現(xiàn)有效的控制。2024/1/86ManlikeIC9.1.2仿人智能控制行為的特征變量圖9.1二階系統(tǒng)的單位階躍相應(yīng)曲線2024/1/87ManlikeIC2024/1/88ManlikeIC幾個不同點(diǎn)的分析點(diǎn)a,b,F的值均等于y，但動態(tài)特征不同點(diǎn)a:系統(tǒng)偏向有偏離平衡點(diǎn)的趨勢；點(diǎn)b:系統(tǒng)偏向有趨于平衡點(diǎn)的趨勢；點(diǎn)F:系統(tǒng)偏向恰好到達(dá)極值。2024/1/89ManlikeIC9.1.3系統(tǒng)特性的方式識別根據(jù)輸出偏向e和偏向變化Δe以及它們的組合的特征變量，劃分動態(tài)特征方式，特征方式作為智能控制決策的根據(jù)。 偏向:en=r-yn 偏向變化:Δen=en–en-12024/1/810ManlikeIC3)e*Δe e*Δe的符號，表征動態(tài)偏向變化情況.>0,分開平衡點(diǎn)<0,趨于平衡點(diǎn)表9－1特征變量的符號變化OA段AB段BC段CD段DE段en>0<0<0>0>0Δe<0<0>0>0<0en*Δen<0>0<0>0<02024/1/811ManlikeICen*Δen表征動態(tài)偏向變化情況en*Δen>0偏向加大,偏向的絕對值逐漸增大en*Δen<0偏向減小,偏向的絕對值逐漸減小2024/1/812ManlikeICΔen*Δen-1 表征極值Δen*Δen-1>0無極值Δen*Δen-1<0有極值B點(diǎn)：Δen*Δen-1<0;en*Δen>0C’點(diǎn)：Δen*Δen-1<0;en*Δen<0B點(diǎn)之后，偏向趨于減小，C’點(diǎn)之后，偏向逐漸加大。2024/1/813ManlikeIC與en*Δen結(jié)合運(yùn)用，細(xì)化系統(tǒng)特征例如，曲線BC(DE)中間一段，偏向變化較大且偏向較大。詳細(xì)數(shù)值滿足en*Δen<0且b<<a偏向變化的姿態(tài)2024/1/814ManlikeICΔen/Δen-1表征偏向部分變化趨勢Δen/Δen-1比值大,前期控制效果差2024/1/815ManlikeICΔ(Δe) 表征偏向變化的變化率Δ(Δe)>0超調(diào)階段ABC段Δ(Δe)<0回調(diào)階段CDE段特征變量是對系統(tǒng)動態(tài)特性的一種定性與定量相結(jié)合的描畫，它表達(dá)了對人的籠統(tǒng)思想的一種模擬。2024/1/816ManlikeIC9.1.3仿人智能控制器的構(gòu)造2024/1/817ManlikeIC圖9.3多變量仿人智能控制器的構(gòu)造2024/1/818ManlikeIC其中，A,B是解析式、邏輯關(guān)系式和閾值集的集合;F,H是以IF(特征)THEN(控制方式)的方式寫成的直覺推理規(guī)那么集;V,W是以各種線性、非線性函數(shù)寫成的方式集，分別存放于RB和DB中。ST產(chǎn)生的M進(jìn)入DB取代原有的控制參數(shù)集,MC產(chǎn)生輸出u*，經(jīng)K輸出u=Ku*，去控制被控對象G。2024/1/819ManlikeIC9.2幾種仿人智能控制方案9.2.1仿人智能開關(guān)控制(Bang-Bang)控制開關(guān)〔on-off)控制—bang-bang控制，簡單，易于實(shí)現(xiàn)。電加熱爐的控制中經(jīng)常運(yùn)用。問題：精度較低，系統(tǒng)振蕩幅度較大。分析：常規(guī)方法，兩態(tài)：開、關(guān)；沒有人工控制根據(jù)變化趨勢調(diào)理的特點(diǎn)。2024/1/820ManlikeIC人工控制，可以根據(jù)誤差和誤差變化率選擇開關(guān)接通的時(shí)間。智能開關(guān)控制即是〞思索實(shí)踐誤差變化規(guī)律和被控對象的特征，純滯后及擾動等要素的開關(guān)控制戰(zhàn)略。〞2024/1/821ManlikeIC智能開關(guān)控制的控制電壓和偏向變化曲線2024/1/822ManlikeIC智能開關(guān)控制的偏向變化分析

過程為大慣性及純滯后系統(tǒng)。采用產(chǎn)生式規(guī)那么設(shè)計(jì)智能開關(guān)控制。2024/1/823ManlikeIC12條規(guī)那么：設(shè)k為當(dāng)前采樣時(shí)辰，e(k)為偏向，Δe(k〕為偏向變化率，U為全開控制量，T為控制周期，t0為開關(guān)接通時(shí)間。(1)

if|e(k)|≥Me(k)>0 thenu(k)=U,t0(k)=T〔全開〕(2)

if|e(k)|≥Me(k)<0 thenu(k)=U,t0(k)=0〔全關(guān)〕 (3)ife(k)=0,e(k-1)<0thenu(k)=U,t0(k)=K1t0(k-1)2024/1/824ManlikeIC〔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)2024/1/825ManlikeIC〔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)2024/1/826ManlikeIC參數(shù)意義： E允許偏向的絕對值,M>E給定常數(shù)，t0(k)，t0(k-1)分別為本次和上次控制量輸出時(shí)間。Ki為根據(jù)閱歷整定的系數(shù)。2024/1/827ManlikeIC仿人智能開關(guān)控制

〔BANG－BANG控制〕(運(yùn)用實(shí)例)液位控制根據(jù)偏向的大小來確定控制電壓。在液位實(shí)踐值遠(yuǎn)小于給定值時(shí)，輸出一個較大的控制電壓，提高液位的上升速率，減少上升時(shí)間；隨著偏向的減小，逐漸減少控制電壓，以減小系統(tǒng)的超調(diào)量和穩(wěn)定時(shí)間。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，選擇3V，2.25V,1.75V,0.05V四種控制電壓。2024/1/828ManlikeIC首先將規(guī)范化后的誤差送入形參err，然后根據(jù)err的值，選擇一個輸出電壓，當(dāng)液位上升后，m[1]的值分階段減小，當(dāng)液位超越了設(shè)定值，err成為負(fù)值，只輸出一個很小的電壓〔0.05V〕，液位下降，從而到達(dá)控制液位的功能。2024/1/829ManlikeIC智能開關(guān)控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果及參數(shù)分析

實(shí)驗(yàn)取液位為50，其他參數(shù)都為零，電壓分為三級加到伺服閥上，穩(wěn)定以后電壓迅速頻繁地切換，曲線比較穩(wěn)定，但是飼服閥的開口很小才干到達(dá)如此效果2024/1/830ManlikeIC9.2.2仿人比例控制常規(guī)控制，K小，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，靜態(tài)誤差大。仿人控制，不斷調(diào)整給定值，使系統(tǒng)輸出不斷逼近給定值，提高系統(tǒng)精度。2024/1/831ManlikeIC2024/1/832ManlikeIC控制原理： 初始給定＝1，yss0系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出值，ess0靜差。系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，添加給定值ess0->1＋ess0。第二級穩(wěn)態(tài)輸出為yss0+yss1,靜差減小為ess1。第三級輸入給定為1＋ess0＋ess1。依此下去，有 輸出 靜差 2024/1/833ManlikeIC控制算法：積分開關(guān)只在滿足穩(wěn)態(tài)條件時(shí)才閉合，完成一次運(yùn)算后立刻斷開，以后不變.2024/1/834ManlikeIC規(guī)那么為δ：允許靜差的2倍，N正比于算法本質(zhì)：比例加智能積分。未滿足條件時(shí)，僅比例控制；穩(wěn)態(tài)后，積分器每N個周期任務(wù)一次，防止傳統(tǒng)積分帶來的相位裕量減小。Kp可以較小，增大增益裕量。有效處理穩(wěn)態(tài)精度和穩(wěn)定裕量的關(guān)系。2024/1/835ManlikeIC仿人比例溫度控制仿真曲線2024/1/836ManlikeIC仿真結(jié)果12024/1/837ManlikeIC仿真結(jié)果22024/1/838ManlikeIC溫度控制系統(tǒng)硬件框圖PLCSCR電爐PCTgTc熱電偶2024/1/839ManlikeIC溫度控制實(shí)踐效果2024/1/840ManlikeIC仿人智能比例液位控制

實(shí)驗(yàn)結(jié)果及參數(shù)分析第二次實(shí)驗(yàn)改取Kp為3，如右圖所示，第一次判穩(wěn)值明顯增大，而且總的上升時(shí)間也相對還有所減少，最終的穩(wěn)定效果也還不錯實(shí)驗(yàn)設(shè)定液位為50，由于仿人比例控制中的Ki和Kd沒有起到作用，故直接取Kp為1，可以看到第一次穩(wěn)定值比較小，但最后的穩(wěn)定效果很明顯。如右圖所示：2024/1/841ManlikeIC實(shí)驗(yàn)結(jié)果及參數(shù)分析(2)第三次實(shí)驗(yàn)改取Kp為8，那么如左圖所示，由于其值較大，還沒有到達(dá)穩(wěn)態(tài)值就到達(dá)了設(shè)定的值，產(chǎn)生超調(diào)，最后的穩(wěn)定效果雖然可以，但略低于設(shè)定的50，效果不如上兩次的實(shí)驗(yàn)，所以Kp值大約應(yīng)該在1至6之間取值2024/1/842ManlikeIC9.2.3仿人智能積分控制常規(guī)積分的缺陷：1)針對性不強(qiáng)，〔處處積分起作用〕2)積分飽和3)參數(shù)選擇不當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)容易振蕩2024/1/843ManlikeIC2024/1/844ManlikeIC分析：〔a,b)和〔b,c〕中，控制器積分作用與有閱歷的操作人員的控制造用相反，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)。2024/1/845ManlikeIC仿人積分控制算法：只在區(qū)間(a,b)、(c,d)和(e,f)上進(jìn)展積分，其它區(qū)間停頓積分。借助于慣性向穩(wěn)態(tài)過渡。當(dāng)e*Δe>0或Δe=0且e≠0時(shí)，對偏向積分當(dāng)e*Δe<0或e=0時(shí)，不對偏向積分。運(yùn)用例如：電爐溫度控制水輪機(jī)速度,勵磁控制2024/1/846ManlikeIC仿人智能控制算法積分不積分?jǐn)U展：智能積分2024/1/847ManlikeIC仿人積分仿真2024/1/848ManlikeIC仿人積分仿真22024/1/849ManlikeIC仿人積分仿真3抗擾動2024/1/850ManlikeIC仿人PID控制算法仿真結(jié)果=0.0375,=0.0001,=1.1812.2024/1/851ManlikeIC仿人積分實(shí)踐控制效果2024/1/852ManlikeIC仿人智能積分(液位控制)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果及參數(shù)分析設(shè)定液位為50，Kp為4，Ki為0.6，Kd為0.1，此時(shí)曲線上升比較快，超調(diào)量很小，很快進(jìn)入穩(wěn)定并且穩(wěn)定效果比較好。將Kp設(shè)為1，其他堅(jiān)持上次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，液位50，Ki為0.6，Kd為0.2，實(shí)驗(yàn)效果如右圖所示，超調(diào)量很大，伴有明顯的振蕩，穩(wěn)定時(shí)間很久，結(jié)果很不理想2024/1/853ManlikeIC9.3專家PID控制一、專家PID控制原理2024/1/854ManlikeICPID專家控制的本質(zhì)是，基于受控對象和控制規(guī)律的各種知識，無需知道被控對象的準(zhǔn)確模型，利用專家閱歷來設(shè)計(jì)PID參數(shù)。專家PID控制是一種直接型專家控制器。典型的二階系統(tǒng)單位階躍呼應(yīng)誤差曲線如下圖。對于典型的二階系統(tǒng)階躍呼應(yīng)過程作如下分析。2024/1/855ManlikeIC圖典型二階系統(tǒng)單位階躍呼應(yīng)誤差曲線2024/1/856ManlikeIC令e(k)表示離散化的當(dāng)前采樣時(shí)辰的誤差值，e(k-1)和e(k-2)別表示前一個和前兩個采樣時(shí)辰的誤差值，那么有2024/1/857ManlikeIC根據(jù)誤差及其變化，可設(shè)計(jì)專家PID控制器，該控制器可分為以下五種情況進(jìn)展設(shè)計(jì)：〔1〕當(dāng)時(shí)，闡明誤差的絕對值曾經(jīng)很大。不論誤差變化趨勢如何，都應(yīng)思索控制器的輸出應(yīng)按最大〔或最小〕輸出，以到達(dá)迅速調(diào)整誤差，使誤差絕對值以最大速度減小。此時(shí)，它相當(dāng)于實(shí)施開環(huán)控制。2024/1/858ManlikeIC〔2〕當(dāng)或時(shí)，闡明誤差在朝誤差絕對值增大方向變化，或誤差為某一常值，未發(fā)生變化。此時(shí)，假設(shè)，闡明誤差也較大，可思索由控制器實(shí)施較強(qiáng)的控制造用，以到達(dá)改動誤差絕對值朝減小方向變化，并迅速減小誤差的絕對值，控制器輸出為2024/1/859ManlikeIC假設(shè)，闡明雖然誤差朝絕對值增大方向變化，但誤差絕對值本身并不很大，可思索控制器實(shí)施普通的控制造用，只需改動誤差的變化趨勢，使其朝誤差絕對值減小方向變化，控制器輸出為2024/1/860ManlikeIC〔3〕當(dāng)、或者時(shí)，闡明誤差的絕對值朝減小的方向變化，或者曾經(jīng)到達(dá)平衡形狀。此時(shí)，可思索采取堅(jiān)持控制器輸出不變?！?〕當(dāng)、時(shí)，闡明誤差處于極值形狀。假設(shè)此時(shí)誤差的絕對值較大，即，可思索實(shí)施較強(qiáng)的控制造用2024/1/861ManlikeIC假設(shè)此時(shí)誤差的絕對值較小，即