仿人智能控制培訓課件

1、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仿人智能控制行為的特征變量9.1.3系統(tǒng)特性的模式識別9.2幾種仿人智能控制方案9.2.1仿人智能開關控制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2022/7/221Manlike IC智能控制的一個重要研究方向 智能控制，根本上是要仿效人的智能行為進行決策和控制。必要的訓練之后，人實現(xiàn)的控制方法接近最優(yōu)。仿人智能控制不需要了解對象的結(jié)構(gòu)、參數(shù)，即不依賴于對象的數(shù)學模型，而是根據(jù)積累的經(jīng)驗和知識進行在線的推理確定和變換控制策略。2022/7/222Manlike IC調(diào)節(jié)器參數(shù)的自動整定問題P

2、ID需要試驗加試湊方法整定。需要熟練的技巧，并且相當費時。傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器無自適應能力。研究專家PID或者智能PID十分必要。2022/7/223Manlike IC9.1.1 基本思想 PID比例，積分和微分控制器反饋控制，按偏差調(diào)節(jié) 控制器作用人腦P: 比例，線性放大縮小 I: 積分，細調(diào)D: 微分，變化趨勢想象功能，具有非線性放大能力記憶功能，選擇性記憶能力預見功能，遠見卓識的預見能力PID控制作用是優(yōu)良控制的必要條件，非充分條件。2022/7/224Manlike ICPID的改進： 1變增益控制（增益適應） 2. 智能積分（非線性積分） 3智能采樣控制等等 2022/7/225Man

3、like IC仿人控制基本思想： 利用計算機模擬人的控制行為功能，最大限度地識別過程特征信息，進行啟發(fā)和自覺推理，對缺乏精確數(shù)學模型的對象實現(xiàn)有效的控制 。2022/7/226Manlike IC9.1.2 仿人智能控制行為的特征變量 圖9.1 二階系統(tǒng)的單位階躍相應曲線2022/7/227Manlike IC2022/7/228Manlike IC幾個不同點的分析點a,b,F的值均等于y，但動態(tài)特征不同點a: 系統(tǒng)偏差有偏離平衡點的趨勢；點b: 系統(tǒng)偏差有趨于平衡點的趨勢；點F:系統(tǒng)偏差恰好達到極值。2022/7/229Manlike IC9.1.3 系統(tǒng)特性的模式識別根據(jù)輸出偏差e和偏差變

4、化e以及它們的組合的特征變量，劃分動態(tài)特征模式，特征模式作為智能控制決策的依據(jù)。偏差: en=r-yn 偏差變化: en=en en-1 2022/7/2210Manlike IC3) e*ee*e的符號，表征動態(tài)偏差變化情況. 0, 離開平衡點 0000e0000en*en000 偏差加大, 偏差的絕對值逐漸增大en*en0 無極值en*en-10 有極值B點： en*en-10C點： en*en-10 ; en*en0B點之后，偏差趨于減小，C點之后，偏差逐漸加大。2022/7/2213Manlike IC與en*en聯(lián)合使用，細化系統(tǒng)特征例如，曲線BC(DE)中間一段，偏差變化較大且偏差

5、較大。具體數(shù)值滿足en*en0且b 0 超調(diào)階段 ABC段(e)0then u(k)=U,t0(k)=T（全開） (2)if |e(k)|M e(k)0then u(k)=U,t0(k)=0（全關） (3) if e(k)=0, e(k-1)0 then u(k)=U,t0(k)= t0(k-1)（5）if |e(k)|0, e(k)0 then u(k)=U,t0(k)= K2 t0(k-1)（6）if |e(k)|0, e(k)0 then u(k)=U,t0(k)= K3 t0(k-1)（7） if |e(k)|0, e(k)0 then u(k)=U,t0(k)= K4 t0(k-1)

6、（8） if |e(k)|E, e(k)0 then u(k)=U,t0(k)= t0(k-1)2022/7/2225Manlike IC（9） if E|e(k)|0, e(k)0 then u(k)=U,t0(k)= K5 t0(k-1)（10）if E|e(k)|0, e(k)0 then u(k)=U,t0(k)= K6 t0(k-1)（11）if E|e(k)|M, e(k)0, e(k)0 then u(k)=U,t0(k)= K7 t0(k-1)（12）if E|e(k)|M, e(k)0 then u(k)=U,t0(k)= K8 t0(k-1)2022/7/2226Manli

7、ke IC參數(shù)意義：E允許偏差的絕對值, ME給定常數(shù)，t0(k)，t0(k-1)分別為本次和上次控制量輸出時間。Ki為依據(jù)經(jīng)驗整定的系數(shù)。 2022/7/2227Manlike IC仿人智能開關控制（BANGBANG控制）(應用實例) 液位控制 根據(jù)偏差的大小來確定控制電壓。在液位實際值遠小于給定值時，輸出一個較大的控制電壓，提高液位的上升速率，減少上升時間；隨著偏差的減小，逐步減少控制電壓，以減小系統(tǒng)的超調(diào)量和穩(wěn)定時間。經(jīng)過多次實驗，選擇3V，2.25V, 1.75V, 0.05V四種控制電壓。 2022/7/2228Manlike IC 首先將標準化后的誤差送入形參err，然后根據(jù)err

8、的值，選擇一個輸出電壓，當液位上升后，m1的值分階段減小，當液位超過了設定值，err成為負值，只輸出一個很小的電壓（0.05V），液位下降，從而達到控制液位的功能 。2022/7/2229Manlike IC 智能開關控制實驗結(jié)果及參數(shù)分析 實驗取液位為50，其余參數(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能達到如此效果 2022/7/2230Manlike IC9.2.2 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。2022/7/2231Manlike IC

9、2022/7/2232Manlike IC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)進入穩(wěn)態(tài)后，增加給定值ess0-1ess0。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 ess0ess1。依此下去，有 輸出 靜差 2022/7/2233Manlike IC控制算法：積分開關只在滿足穩(wěn)態(tài)條件時才閉合，完成一次 運算后立即斷開，此后不變.2022/7/2234Manlike IC規(guī)則為：允許靜差的2倍，N正比于算法實質(zhì)：比例加智能積分。未滿足條件時，僅比例控制；穩(wěn)態(tài)后，積分器每N個周期工作一次，避免傳統(tǒng)積分帶來的相位裕量減小。Kp可以較小，

10、增大增益裕量。有效解決穩(wěn)態(tài)精度和穩(wěn)定裕量的關系。2022/7/2235Manlike IC仿人比例溫度控制仿真曲線 2022/7/2236Manlike IC仿真結(jié)果12022/7/2237Manlike IC仿真結(jié)果22022/7/2238Manlike IC 溫度控制系統(tǒng)硬件框圖 PLCSCR電爐PCTgTc熱電偶2022/7/2239Manlike IC溫度控制實際效果2022/7/2240Manlike IC 仿人智能比例液位控制實驗結(jié)果及參數(shù)分析 第二次實驗改取Kp為3，如右圖所示，第一次判穩(wěn)值明顯增大，而且總的上升時間也相對還有所減少，最終的穩(wěn)定效果也還不錯 實驗設定液位為50，由

11、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：2022/7/2241Manlike IC實驗結(jié)果及參數(shù)分析(2) 第三次實驗改取Kp為8，則如左圖所示，由于其值較大，還沒有達到穩(wěn)態(tài)值就達到了設定的值，產(chǎn)生超調(diào)，最后的穩(wěn)定效果雖然可以，但略低于設定的50，效果不如上兩次的實驗，所以Kp值大概應該在1至6之間取值 2022/7/2242Manlike IC9.2.3 仿人智能積分控制 常規(guī)積分的缺點：1) 針對性不強，（處處積分起作用）2) 積分飽和3) 參數(shù)選擇不當時，系統(tǒng)容易振蕩 2022/7/2243Manlike

12、 IC2022/7/2244Manlike IC分析：（a,b)和（b,c）中，控制器積分作用與有經(jīng)驗的操作人員的控制作用相反，導致系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)。2022/7/2245Manlike IC仿人積分控制算法：只在區(qū)間(a,b)、(c,d)和(e,f)上進行積分，其它區(qū)間停止積分。借助于慣性向穩(wěn)態(tài)過渡。當e*e0或e=0且e0時 ，對偏差積分當e*e0或e=0時 ，不對偏差積分。應用示例：電爐溫度控制水輪機速度,勵磁控制2022/7/2246Manlike IC仿人智能控制算法 積分 不積分擴展：智能積分2022/7/2247Manlike IC仿人積分仿真2022/7/2248Manlike I

13、C仿人積分仿真22022/7/2249Manlike IC仿人積分仿真3 抗擾動2022/7/2250Manlike IC仿人PID控制算法仿真結(jié)果 =0.0375,=0.0001,=1.1812. 2022/7/2251Manlike IC仿人積分實際控制效果2022/7/2252Manlike IC仿人智能積分(液位控制) 實驗結(jié)果及參數(shù)分析設定液位為50，Kp為4，Ki為0.6，Kd為0.1，此時曲線上升比較快，超調(diào)量很小，很快進入穩(wěn)定并且穩(wěn)定效果比較好。 將Kp設為1，其余保持上次實驗數(shù)據(jù)，液位50，Ki為0.6，Kd為0.2，實驗效果如右圖所示，超調(diào)量很大，伴有明顯的振蕩，穩(wěn)定時間很

14、久，結(jié)果很不理想 2022/7/2253Manlike IC9.3 專家PID控制一、專家PID控制原理2022/7/2254Manlike IC PID專家控制的實質(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精確模型，利用專家經(jīng)驗來設計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)單位階躍響應誤差曲線如圖所示。對于典型的二階系統(tǒng)階躍響應過程作如下分析。2022/7/2255Manlike IC圖 典型二階系統(tǒng)單位階躍響應誤差曲線2022/7/2256Manlike IC 令e(k)表示離散化的當前采樣時刻的誤差值，e(k-1)和 e(k-2) 別表示前一個和

15、前兩個采樣時刻的誤差值，則有2022/7/2257Manlike IC 根據(jù)誤差及其變化，可設計專家PID控制器，該控制器可分為以下五種情況進行設計：（1）當 時，說明誤差的絕對值已經(jīng)很大。不論誤差變化趨勢如何，都應考慮控制器的輸出應按最大（或最小）輸出，以達到迅速調(diào)整誤差，使誤差絕對值以最大速度減小。此時，它相當于實施開環(huán)控制。2022/7/2258Manlike IC（2）當 或 時，說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，如果 ，說明誤差也較大，可考慮由控制器實施較強的控制作用，以達到扭轉(zhuǎn)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20

16、22/7/2259Manlike IC 如果，說明盡管誤差朝絕對值增大方向變化，但誤差絕對值本身并不很大，可考慮控制器實施一般的控制作用，只要扭轉(zhuǎn)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2022/7/2260Manlike IC（3）當 、 或者 時，說明誤差的絕對值朝減小的方向變化，或者已經(jīng)達到平衡狀態(tài)。此時，可考慮采取保持控制器輸出不變。（4）當 、 時，說明誤差處于極值狀態(tài)。如果此時誤差的絕對值較大，即 ，可考慮實施較強的控制作用2022/7/2261Manlike IC如果此時誤差的絕對值較小，即 ，可考慮實施較弱的控制作用（5）當 時，說明誤差的絕對值很小，此時加入

17、積分，減少穩(wěn)態(tài)誤差。2022/7/2262Manlike IC 圖中，、區(qū)域，誤差朝絕對值減小的方向變化。此時，可采取保持等待措施，相當于實施開環(huán)控制；、區(qū)域，誤差絕對值朝增大的方向變化。此時，可根據(jù)誤差的大小分別實施較強或一般的控制作用，以抑制動態(tài)誤差。2022/7/2263Manlike IC二、仿真程序及分析仿真實例求三階傳遞函數(shù)的階躍響應其中對象采樣時間為1ms。 采用專家PID設計控制器。在仿真過程中， 取0.001，程序中的五條規(guī)則與控制算法的五種情況相對應。仿真程序：chap2_1.m2022/7/2264Manlike IC實時控制試驗基于綜合策略的智能PID算法程序設計流程圖

18、如下：返回2022/7/2265Manlike IC用于控制封閉式電熱爐，設定值為500時2022/7/2266Manlike IC用于控制普通式電爐，設定值為150時2022/7/2267Manlike IC本章小結(jié)人的控制依賴于其豐富的經(jīng)驗，而不是對象的數(shù)學模型。人可以在線確定控制策略?；驹硎悄７氯说膯l(fā)式自覺推理邏輯，通過特征辨識判斷系統(tǒng)所處的特征狀態(tài)，進行多模態(tài)控制。本章介紹了仿人智能開關控制，仿人比例控制，仿人智能積分控制，仿人PID及專家PID控制等。仿人智能控制研究的不是被控對象，而是如何設計控制器，模仿專家經(jīng)驗和知識結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)優(yōu)化控制。2022/7/2268Manlike IC激勵學生學習的名言格言220、每一個成功者都有一個開始。勇于開始，才能找到成功的路。221、世界會向那些有目標和遠見的人讓路（馮兩努香港著名推銷商）222、絆腳石乃是進身之階。223、銷售世界上第一號的產(chǎn)品不是汽車，而是自己。在你成功地把自己推銷給別人之前，你必須百分之百的把自己推銷給自己。224、即使爬到最高的山上，一次也只能腳踏實地地邁一步。225、積極思考造成積極人生，消極思考造成消極人生。226、人之所以有一張嘴，而有兩只耳朵，原因是聽的要比說的多一倍。227、別想一下造出大海，必須先由小河川開始。228、有事者，事竟成；破釜沉舟，百二秦關終歸楚；苦心人