智能機電產(chǎn)品設計創(chuàng)新實踐 課件 第6章 智能控制系統(tǒng)設計

6.1智能控制系統(tǒng)總體設計

6.2智能控制系統(tǒng)軟硬件設計

6.3典型的智能控制算法

6.4兩輪自平衡小車智能控制要素分析6.1智能控制系統(tǒng)總體設計廣義的智能控制系統(tǒng)一般以控制理論、計算機科學、人工智能和運籌學等學科知識為基礎，涉及模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡、專家系統(tǒng)、遺傳算法等理論，以及自適應控制、自組織控制和自學習控制等技術。從硬件角度來看，智能控制系統(tǒng)通常由傳感器、微控制器、執(zhí)行器和人機界面等組成。傳感器可視為人體感覺器官的延伸，主要用于檢測機電一體化系統(tǒng)自身作業(yè)與作業(yè)對象、作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)，是智能控制系統(tǒng)獲取自然和生產(chǎn)領域中的信息的主要途徑與手段，所以性能優(yōu)良的傳感器是現(xiàn)代化生產(chǎn)的基礎，也是智能控制的前提。傳感器一般由敏感元件、轉換元件及基本轉換電路3個部分組成(見圖6-1)，敏感元件是直接感受被測物理量，并以確定關系將其輸出為另一物理量的元件(如彈性敏感元件將力、力矩轉換為位移或應變輸出)；轉換元件將敏感元件輸出的非電參數(shù)轉換成電參數(shù)(電阻、電感和電容)以及電信號(如電流或電壓等)；基本轉換電路則將該電信號轉換成便于傳輸、處理的電量?，F(xiàn)代傳感器具有微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化和網(wǎng)絡化等特點。微控制器是將微型計算機的主要部分集成在一個芯片上的單芯片微型計算機，誕生于20世紀70年代中期。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，微控制器成本越來越低，而性能越來越強大，其應用已無處不在，遍及各個領域。例如電機控制、條碼閱讀器/掃描器、消費類電子游戲設備、電話、HVAC(供熱通風與空氣調節(jié))、樓宇安全與門禁控制、工業(yè)控制與自動化以及白色家電(洗衣機、微波爐)等。在一個智能控制系統(tǒng)中，微控制器是最重要的一部分，相當于人的大腦，為整個系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)處理、運算和存儲等功能。執(zhí)行器(如智能機器人的機械臂末端執(zhí)行器)是智能控制系統(tǒng)中必不可少的一個重要組成部分，它的作用是接收控制器送來的控制信號并執(zhí)行相應的操作。人機界面主要是計算機領域使用的術語，但通常也可作為人機之間的連接。人機界面是人機系統(tǒng)的關鍵，它可實現(xiàn)信息的內部形式與人類可以接受形式之間的轉換。凡參與人機信息交流的領域都存在著人機界面，在工業(yè)與商業(yè)領域有大量應用，人機界面的操作可簡單地劃分為輸入(Input)與輸出(Output)兩種：輸入是指由人來進行機械或設備的操作，如機械式的開關、鍵盤、語音輸入、人臉識別和指紋識別等；而輸出是指由裝置發(fā)出來通知，如工作狀態(tài)數(shù)值、故障、警告、操作說明提示和語音提示等。好的人機接口會幫助使用者更簡單、正確、迅速地操作裝置，也能使裝置發(fā)揮最大的效能，延長裝置的使用壽命。6.2智能控制系統(tǒng)軟硬件設計6.2.1智能控制系統(tǒng)硬件電路的設計硬件電路是控制系統(tǒng)軟件運行的載體，是控制算法和機械運動控制之間的紐帶，電路設計對整個智能機電產(chǎn)品的設計起著至關重要的作用?？刹捎肁ltiumdesigner、Multisim和Proteus等EDA(電子設計自動化)軟件進行硬件電路原理圖和PCB(印制電路板)的設計。關于這些軟件的使用和仿真方法，本創(chuàng)新實踐系列教材——《電子設計創(chuàng)新實踐》一書中已有詳細介紹，這里向大家介紹一些硬件電路原理圖和PCB設計方面的流程。1.硬件電路原理圖的設計步驟(1)方案分析。設計方案分析過程決定了電路原理圖如何設計，同時也影響PCB如何規(guī)劃。根據(jù)設計要求進行方案比較，考慮元器件的選擇，是項目開發(fā)的基礎性環(huán)節(jié)。(2)電路仿真。在設計電路原理圖之前，若對某一部分電路的設計不太確定，可通過電路仿真來驗證。電路仿真還可以用于確定電路中某些重要器件參數(shù)。(3)設計硬件電路原理圖的元件。電路設計軟件通常會提供豐富的元件庫，但不可能包括所有元件，必要時需動手設計元件，建立自己的元件庫。(4)繪制硬件電路原理圖。導入所有需要的元件后，開始硬件電路原理圖的繪制。根據(jù)電路復雜程度決定是否使用層次原理圖。完成硬件電路原理圖繪制后，用軟件自帶的電器檢查工具進行查錯，找到出錯原因并修改，再重新查錯直到?jīng)]有原則性錯誤為止。(5)設計元件封裝。和元件庫一樣，電路設計軟件也不可能提供所有元件的封裝，必要時需自行設計并建立新的元件封裝庫。(6)設計PCB圖。完成硬件電路原理圖設計之后，開始PCB圖的繪制，首先繪出PCB的輪廓，確定工藝要求(如使用幾層板等)；然后將硬件電路原理圖傳輸?shù)絇CB中，在網(wǎng)絡表、設計規(guī)則等的引導下布局和布線；最后利用設計規(guī)則查錯。PCB圖的設計是電路設計的另一個關鍵環(huán)節(jié)，它將決定該產(chǎn)品的使用性能，需要考慮的因素很多，不同的電路有不同的設計要求。(7)文檔整理。對硬件電路原理圖、PCB圖及器件清單等文件予以保存，以便以后維護和修改。2.硬件電路的設計原則(1)合理布局電路。應該把有相互關系的元件盡量放得近一些，時鐘發(fā)生器、晶振、CPU的時鐘輸入端都易產(chǎn)生噪聲，應把它們放得近些。對于易產(chǎn)生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路、開關電路等，應盡量使其遠離單片機的邏輯控制電路和存儲電路(使用ROM、RAM芯片)，條件允許的情況下，應將這些電路另外制成電路板，即將電路分為核心板和驅動板兩部分，有利于抗干擾，提高電路工作的可靠性。(2)合理設計去耦電容。盡量在關鍵元件，如ROM、RAM等芯片旁邊安裝去耦電容。實際上，印制電路板走線、引腳連線和接線等都可能產(chǎn)生較大的電感效應。大的電感可能會在Ucc走線上引起嚴重的開關噪聲尖峰。防止Ucc走線上開關噪聲尖峰的有效方法是在Ucc與電源地之間安放一個0.1?μF的電子去耦電容。如果印刷電路板上使用的是表面貼裝元件，可以用片狀電容緊靠元件放置。除此以外，電容的引線不要太長，特別是高頻旁路電容不能帶引線。(3)合理布局地線。在單片機控制系統(tǒng)中，地線的種類很多，有系統(tǒng)地、屏蔽地、邏輯地和模擬地等，地線是否布局合理，將決定電路板的抗干擾能力。在設計地線和接地點時，應該考慮以下問題：邏輯地和模擬地要分開布線，不能合用，將它們各自的地線分別與相應的電源地線相連；模擬地應盡量加粗，而且要盡量加大引出端的接地面積；輸入輸出的模擬信號與單片機電路之間盡量進行光耦隔離；在設計邏輯電路的印制電路板時，地線應構成閉環(huán)形式，提高電路的抗干擾能力；應盡量選擇粗地線，因為地線越細，電阻越大，這會造成接地電位隨電流的變化而變化，導致信號電平不穩(wěn)、電路的抗干擾能力下降；在布線空間允許的情況下，要保證主要地線的寬度在2～3mm及以上，元件引腳上的接地線應該在1.5mm左右。(4)合理布局功能模塊和元器件。按電路圖將電路劃分成不同的功能模塊，如電源部分、驅動部分和CPU部分，再根據(jù)PCB尺寸和安裝整體要求移動各相關模塊，這樣就能保證相同模塊內的元器件間走線最短。各組件排列、分布要合理和均勻，力求達到整齊、美觀、結構嚴謹?shù)墓に囈蟆?5)合理布局元器件。對各部件的位置安排作合理、仔細的考慮，主要是從電磁場兼容性、抗干擾性，走線情況(走線短、交叉少)，電源，地的路徑和去耦等角度進行考慮。例如：同一級電路的接地點應盡量靠近，并且本級電路的電源濾波電容也應接在該級接地點上。特別是本級晶體管基極、發(fā)射極的接地點不能離得太遠，否則因兩個接地點間的銅箔太長會引起干擾與自激，采用這樣“一點接地法”的電路，工作較穩(wěn)定，不易自激；電阻、二極管、管狀電容器等組件有“立式”和“臥式”兩種安裝方式。立式指的是組件體垂直于電路板安裝、焊接，其優(yōu)點是節(jié)省空間；臥式指的是組件體平行并緊貼于電路板安裝、焊接，其優(yōu)點是組件安裝的機械強度較好。選用不同的組件安裝方式，印刷電路板上的組件孔距是不一樣的。(6)合理規(guī)劃布線順序。電源、模擬小信號、高速信號、時鐘信號、同步信號等關鍵信號優(yōu)先布線，布線時，從單板上連接關系最復雜的器件著手，從單板上連線最密集的區(qū)域開始；總地線必須嚴格按照高頻－中頻－低頻(從弱電到強電)的順序排列，切不可隨便亂接，尤其是對于變頻頭、再生頭、調頻頭的接地線安排，要求更為嚴格，否則會產(chǎn)生自激，導致電路無法正常工作；信號線與其回路構成的環(huán)面積應較小，環(huán)面積越小，對外的輻射越少，受到的外界干擾也越小。(7)合理設置線寬和間距。印制板導線的最小寬度主要由導線與絕緣基板間的黏附強度和流過它們的電流值決定。對于集成電路尤其是數(shù)字電路，通常選0.2～0.3?mm的線寬，只要電路板允許，還是要盡可能用較寬的線，尤其是對電源線和地線來說，強電流引線(公共地線、功放電源引線等)應盡可能寬些，以降低布線電阻及其電壓降，可減小寄生耦合產(chǎn)生的自激；阻抗高的走線盡量短，阻抗低的走線可長一些，因為阻抗高的走線容易發(fā)射和吸收信號，引起電路不穩(wěn)定；導線的最小間距主要由最壞情況下的線間絕緣電阻和擊穿電壓決定，對于集成電路，尤其是數(shù)字電路，只要工藝允許，可使間距小于5～8?mm；加大平行布線的間距，遵循3W規(guī)則(當線中心間距不少于3倍線寬時，可保證70%的電場不互相干擾)，為了減少線間串擾，應保證線間距足夠大。(8)合理設計走線策略。印刷電路中不允許有交叉電路，對于可能交叉的引線，可以用“鉆”和“繞”兩種辦法解決。讓某引線從別的電阻、電容、三極管腳下的空隙處穿過去，或從可能交叉的某條引線的一端“繞”過去；為簡化設計也允許用導線跨接，解決交叉電路問題；輸入輸出的導線應該盡量避免相鄰平行，最好添加線間地線，以免發(fā)生導線間反饋耦合現(xiàn)象；相鄰層的走線方向應呈正交結構，避免將不同的信號線在相鄰層走成同一方向，以減少不必要的層間串擾；印制電路板導線的拐角一般取圓弧形，而在高頻電路中使用直角或夾角會影響電氣性能。6.2.2智能控制系統(tǒng)軟件流程圖的設計1.軟件流程圖概述軟件流程圖(或簡稱流程圖)是使用圖形來表述程序設計思路的方法，流程圖可以直觀、形象地描述程序的流程和架構，讓人直觀地理解程序設計的思路。流程圖和編程軟件無關，只與程序架構和邏輯思路有關。在“互聯(lián)網(wǎng)+”時代，軟件流程圖成為每個軟件項目經(jīng)理和工程師必備的基礎技能之一，一份清晰的軟件流程圖可以幫助相關人員快速了解工作流程和標準，同時當軟件出現(xiàn)缺陷時也可根據(jù)軟件流程圖快速尋找原因、補足漏洞。2.軟件流程圖繪制規(guī)范軟件流程圖是人們對解決問題的方法、思路或算法的一種圖形化描述。為了消除由于多樣化而造成的混亂，軟件流程圖的繪制需要遵循一定的規(guī)范，這包括符號規(guī)范、結構規(guī)范和路徑規(guī)范等。流程圖規(guī)范化可以使邏輯結構清晰、便于描述，也更容易理解。流程圖繪制規(guī)范包括符號規(guī)范、結構規(guī)范和路徑規(guī)范等幾個方面。1)符號規(guī)范各種軟件流程圖符號都有特定的含義，彼此之間不可亂用，常用的軟件流程圖符號使用規(guī)范如表6-1所示。2)結構規(guī)范軟件流程圖有3種典型結構，分別是順序結構、選擇結構和循環(huán)結構，如圖6-2所示。大多數(shù)軟件流程圖都可以由上述3種結構組成。(1)順序結構。順序結構表示各步驟按先后順序執(zhí)行，這是一種最簡單的基本結構。如圖6-2(a)所示，A、B、C是三個連續(xù)的步驟，按順序執(zhí)行，即完成上一個框中指定的操作，才能執(zhí)行下一個動作。(2)選擇結構。選擇結構又稱分支結構，判斷框內給定判斷條件，根據(jù)判斷結果執(zhí)行下一個不同的動作，在實際運用中，某一判定結果可以為空操作，如圖6-2(b)所示；(3)循環(huán)結構。循環(huán)結構又稱為重復結構，指在一定的條件下，反復執(zhí)行某一操作的流程結構。循環(huán)結構包括循環(huán)變量、循環(huán)體和循環(huán)終止條件3個要素。在軟件流程圖的表示中，判斷框內寫上條件，兩個出口分別對應著條件成立和條件不成立時所執(zhí)行的不同指令，其中一個指令指向循環(huán)體，然后再從循環(huán)體回到判斷框的入口處。循環(huán)結構還可分為直到型結構和當型結構。直到型結構執(zhí)行一次循環(huán)體之后，對條件進行判斷，當條件不滿足時繼續(xù)執(zhí)行循環(huán)體中的某個步驟，直到滿足時停止執(zhí)行；當型結構在執(zhí)行循環(huán)體前進行條件判斷，當條件滿足時進入循環(huán)，否則結束循環(huán)，如圖6-2(c)所示。3)路徑規(guī)范繪制軟件流程圖時，除了注意符號規(guī)范、結構規(guī)范，還要注意一些約定俗成的路徑規(guī)范。規(guī)范路徑通常包括有3種流程：主干流程、分支流程(異常流程也屬于分支流程)和子流程。主干流程是對大多數(shù)用戶來說最常用的路徑。分支流程是從主干上分出去的路徑，通常作為異常流程(或次要流程)；或者作為其他情況的發(fā)展路徑。子流程可以看作是節(jié)點路徑，在繪制軟件流程圖的過程中，有一些流程是反復出現(xiàn)的，如果每次都將其再畫一遍，這會造成重復勞動，流程圖也不夠簡潔。因此，子流程就是將某幾個具有邏輯關系的節(jié)點集合在一起，復用在需要調用的各個地方。除此以外，標準的軟件流程圖繪制還需要遵循以下規(guī)則：(1)各項步驟有選擇或決策結果的菱形判斷框時，文字敘述應簡明清晰，如[是、否]、[通過、不通過]、[Y、N]或其他對應文字，以避免懸而未決狀況，也就是說，菱形判斷框一定有兩條箭頭流出。(2)注意各流程圖動線的合理性，并考量是否需建分表或合成簡要總表，分表與總表應以符號、顏色等區(qū)隔，使人一目了然。(3)相同流程圖符號宜大小一致；流程圖符號繪制排列順序為由上而下、由左而右；流程處理關系為并行關系的，需要將流程放在同一高度。(4)流程圖一頁放不下時，可使用連接符號連接下一頁流程圖；同一頁流程圖中，若流程較復雜，亦可使用連接符號來闡明流程連接性，連接符號內請以數(shù)字標示，以示區(qū)別。(5)路徑符號應避免互相交叉，同一路徑符號的指示箭頭應只有一個。(6)流程圖中若涉及其他已定義流程，可直接使用該已定義流程符號，不必重復繪制。(7)一個流程從開始符號開始，以結束符號結束。開始符號只能出現(xiàn)一次，而結束符號可出現(xiàn)多次，若流程足夠清晰，可省略開始、結束符號。總的來說，軟件流程圖主要用來梳理程序邏輯或者技術關鍵點。應當言簡意賅、開宗明義，避免冗長的描述，再配以適當?shù)奈淖株U述。一個優(yōu)秀的流程圖應具有以下優(yōu)點：只展示一個核心功能，邏輯清晰；關鍵節(jié)點全部覆蓋；關鍵環(huán)節(jié)邏輯判斷準確；格式優(yōu)美，頁面簡潔流暢。6.2.3常用的流程圖軟件專業(yè)的流程圖軟件提供了大量的圖形模板和流程圖模板，可以較大程度地簡化用戶的工作。目前市場上流程圖繪制工具主要分為在線工具、跨平臺軟件和單平臺軟件。其中，在線工具以ProcessOn、Drawio為代表，跨平臺軟件Axure可以支持在Windows、MacOS不同操作系統(tǒng)上繪制流程圖；單平臺軟件以Visio和Omnigraffie為代表，Visio是Windows下使用較多的流程圖軟件，Omnigraffie是MacOS用戶常見的選擇。下面列出了幾種常見的流程圖繪制軟件，供大家選用。(1)GitMind：一款國產(chǎn)在線流程圖繪制軟件，支持在Windows、MacOS系統(tǒng)瀏覽器上直接使用。支持繪制流程圖、思維導圖、信息圖、組織架構圖、UML模型圖、泳道圖、分析圖等10多種圖形?？捎脕碇谱黜椖抗芾砹鞒虉D、程序流程圖、公司采購流程圖等專業(yè)流程圖。(2)?Visualgraph：屬于專業(yè)圖形系統(tǒng)，在.NET開發(fā)平臺下可以靈活應用，在delphi中也可以使用，簡單易用，業(yè)內應用較廣泛。(3)?Visio：微軟公司推出的非常傳統(tǒng)的流程圖繪制軟件，應用最為廣泛，新手很容易操作。借助Visio可以繪制業(yè)務流程圖、組織結構圖、項目管理圖、營銷圖表、辦公室布局圖、網(wǎng)絡圖、電子線路圖、數(shù)據(jù)庫模型圖、工藝管道圖、因果圖和方向圖等，廣泛應用于電子、機械、通信、建筑、軟件設計和企業(yè)管理等眾多領域。(4)?Aris：IDS公司的流程軟件，具有IDS特有的多維建模和房式結構，集成了流程管理平臺，可以通過流程平臺進行流程分析和流程管理。(5)?Provision：metastorm公司的流程圖軟件，以多維度系統(tǒng)建模見長，能夠集成企業(yè)的多種管理功能，是流程管理專家級的客戶應用工具。(6)?ProcessOn：在線作圖工具，無須下載安裝，便于跨端使用，支持繪制思維導圖、流程圖、UML(統(tǒng)一建模語言)圖、網(wǎng)絡拓撲圖、組織結構圖、原型圖、時間軸等，支持vsdx、XMid、txt、excel等格式文件的導入，支持導出高清png、jpg、pdf等格式文件。它滿足多場景的下載需求，提供基于云服務的流程梳理、創(chuàng)作協(xié)作工具，可實時創(chuàng)建和編輯流程。6.3典型的智能控制算法6.3.1典型的智能控制算法介紹1.?PID控制算法PID是比例、積分、微分的簡稱。在自動控制領域，PID控制是歷史最悠久、生命力最強的基本控制方式。PID控制器的原理是：根據(jù)系統(tǒng)的被調量實測值與設定值之間的偏差，利用偏差的比例、積分、微分3個環(huán)節(jié)的不同組合計算出對廣義被控對象的控制量。圖6-4是常規(guī)的PID控制系統(tǒng)的原理框圖，其中虛線框內的部分是PID控制器，輸入為設定值r(t)與被調量實測值y(t)構成的是控制偏差信號e(t)，計算如式(6-1)所示；輸出為該偏差信號的比例、積分、微分的線性組合u(t)，即PID控制律。式(6-2)中，KP為比例系數(shù)，TI為積分時間常數(shù)，TD為微分時間常數(shù)。根據(jù)被控對象動態(tài)特性和控制要求的不同，式(6-2)中還可以為只包含比例和積分的PI調節(jié)或者只包含比例和微分的PD調節(jié)。1)比例控制比例控制(器)是PID控制中最簡單的一種控制方法。下面用一個經(jīng)典的例子來描述：假設我們有一個水杯，我們希望讓水杯裝滿1?L水。假設初始有0.2?L的水，那么當前時刻的水量和目標水量之間存在一個誤差e?=?0.8，如果單純采用比例控制，則加入的水量u和誤差e之間成正比關系，有假設KP取0.5，當t?=?1時(第一次加水)，u?=?0.5?×?0.8?=?0.4，所以第一次加入0.4?L的水，使得水杯中有0.6?L的水；當t?=?2時，e?=?0.4，所以此時u?=?0.2，即加入了0.2?L水，水杯當前有0.8?L水，循環(huán)上述過程就是比例控制器算法的基本思想。根據(jù)KP取值不同，系統(tǒng)最后都會達到1?L，不會有穩(wěn)態(tài)誤差。但是當情況相對復雜時，單一的比例控制存在穩(wěn)態(tài)誤差，例如這個水杯在加水的過程中，存在漏水的情況，每次加水的過程，都會漏掉0.1?L的水。若KP仍取0.5，那么將會有可能經(jīng)過幾次加水后，出現(xiàn)水杯中水位到達0.8?L時將不會再變化的情況，因為此時誤差e?=?0.2，每次往水缸中加水的量為u?=?0.5?×?0.2?=?0.1，同時每次加水后，缸里又會流出去0.1?L。加入的水和流出的水抵消，水位始終停留在0.8?L且系統(tǒng)已經(jīng)達到穩(wěn)定，由此產(chǎn)生的誤差稱之為穩(wěn)態(tài)誤差。在工程上，機械臂運動、無人機飛行和水下機器人運動等控制過程中，出現(xiàn)的各類阻力和消耗都可以理解為本例中的“漏水”。2)?PI控制(積分控制)為解決單一比例控制存在的穩(wěn)態(tài)誤差，計算加入的水量u時，再引入一個分量，該分量和誤差的積分成正比，即PI控制(器)算法為第一次的誤差

為0.8，第二次的誤差

為0.4，誤差的積分(離散情況下積分求解其實就是作累加)為

。控制量除了比例部分，還有系數(shù)

所乘的積分項，積分項對前面若干次的誤差進行累計，可以有效地消除穩(wěn)態(tài)誤差：假設在僅有比例項的情況下，系統(tǒng)卡在穩(wěn)態(tài)誤差了，即上例中的0.8，但由于積分項的加入，會讓輸入增大，從而使水缸的水位大于0.8，漸漸到達目標的1.0，這就是積分項的作用。3)?PD控制(微分控制)PD控制(器)就是在比例項的基礎上再加上微分項，因此PD控制可以表示為式(6-5)，其中，TD是一個微分控制項，在水越來越多的過程中，誤差e(t)會越來越小，因此，微分控制項是一個負數(shù)。上述例子中，可以認為當水快到達1?L時，水龍頭的流量還很大，這個微分控制項的絕對值就會很大，從而表示需要用力關小水龍頭。因此，在控制中加入一個負數(shù)項，作用就是防止加水過快而超過目標，減少系統(tǒng)振蕩。對于離散模型控制的場合，公式(6-5)可以寫成式(6-6)，工程上每一項前面的系數(shù)，都需要通過實驗確定，也可以利用Matlab等工具進行仿真來確定。2.模糊控制算法模糊(Fuzzy)控制是用語言歸納操作人員的控制策略，運用語言變量和模糊集合理論形成控制算法的一種控制。模糊控制的最重要特征是不需要建立被控對象的精確數(shù)學模型，只要把現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)總結成較完善的語言控制規(guī)則，實現(xiàn)對具有不確定性、噪聲以及非線性、時變性、時滯等特征的控制對象的控制，因此模糊控制系統(tǒng)具有較強的魯棒性，基本結構如圖6-5所示。在日常生活中，人們經(jīng)常用“太冷了”或“太熱了”來描述氣溫，這是人們對溫度數(shù)值高低的一種看法，表示一個大致的溫度范圍，而不是得到一個確切的溫度數(shù)值。“冷”和“熱”這兩個詞的意思不是很明確，只能表示一種模糊的感覺，無法量化。不過，人們知道，冷了要加熱，熱了要降溫。如果隨機采訪10個人，要求他們用冷、合適和熱這3個詞來表達他們對0～35℃的感覺，可以得到圖6-6。對一個模糊控制系統(tǒng)來說，輸入、處理準則和輸出的情況說明如下：(1)輸入。我們通過身體感受環(huán)境的溫度值，并將溫度值歸為冷、合適、熱3種模糊的感覺。(2)?3條準則。①

如果冷則升高溫度。②

如果熱則降低溫度。③

如果溫度合適則不調節(jié)溫度，保持當前的溫度。(3)輸出。根據(jù)上面的3條準則去調節(jié)溫度大小，從而控制溫度的高低。如果我們想設計一個自動溫度調節(jié)器來代替我們調節(jié)溫度的大小，這個調節(jié)器應該具有怎樣的結構呢？很明顯，如果這個調節(jié)器能完成上面的從輸入到輸出的過程，那么這個調節(jié)器就能代替人來自動調節(jié)溫度。對于輸入來說，這個調節(jié)器要有溫度傳感器，這樣才能像人一樣感受外界溫度的變化，但傳感器只能知道溫度的具體數(shù)值是多少，卻無法得出對溫度高低的看法。我們需要一種將具體溫度值轉化為冷、合適和熱的感受的方法，圖6-6的統(tǒng)計結果可作為設計依據(jù)。例如，現(xiàn)在溫度傳感器傳回來外界溫度是4℃，該溫度對應的感覺是冷；如果外界的溫度是10℃，則8人認為冷而2人認為合適，可以認為是8成冷和2成合適。另一個方面，如果我們告訴輸出設備，采用大火還是小火升溫，輸出設備是聽不懂的，因此需要將大火、小火這些模糊的詞轉化為具體的值進行輸出。不妨假設最大的火是10級，最小的火是0級。再去問問10個人對0～10級火是大火和小火的看法吧，可以得到圖6-7。可以看出，對于0級火，所有人都認為是小火，對于10級火，所有人都認為是大火。隨著火的級數(shù)的增加，認為是大火的人漸漸增多，覺得是小火的人漸漸減少。這樣就建立起了大火、小火這兩種感覺和火的具體級數(shù)的關系，可以利用這種關系將大火、小火轉變?yōu)榫唧w的火的級數(shù)。對于輸出設備，火的級數(shù)是可以精確控制的。上面通過對人調節(jié)溫度過程的類比，總結了人調節(jié)溫度的經(jīng)驗，并將這些經(jīng)驗用于設計自動溫度調節(jié)器，這種調節(jié)器就是一種模糊控制器，可見模糊控制器具有以下特點：(1)不需要知道控制對象的具體數(shù)學模型，只要對被控對象有大體了解，并總結出控制規(guī)則就能快速實現(xiàn)控制。(2)模糊控制的“模糊”體現(xiàn)為，控制規(guī)則的提出是基于人的感覺，而這種感覺具有模糊性，如對溫度的冷、合適、熱的感覺和對火的大小的感覺，這些感覺并不是精確的某一數(shù)值，而是一個范圍，不同的人會有不同的看法。(3)模糊控制器的特異性，由于不同人對相同事物看法的不同，導致對同一被控對象，不同的人會提出不同的控制策略。6.3.2智能控制算法應用——機器學習機器學習專門研究計算機怎樣模擬或實現(xiàn)人類的學習行為，以獲取新的知識或技能，重新組織已有的知識結構使自身的性能不斷改善。我們通過一個生活中的例子來感受一下機器學習：在日常生活中我們都有買西瓜的經(jīng)歷，那么我們如何判斷西瓜的好壞呢？基于日常生活的經(jīng)驗(如根據(jù)西瓜的根蒂、敲打聲和顏色等)來綜合判斷西瓜的好壞，這些經(jīng)驗是我們基于日常生活中買西瓜的經(jīng)歷總結出來的。那么對于機器而言，如何判斷西瓜的好壞呢？這就需要機器學習。首先我們需要獲取一系列有關西瓜的根蒂、色澤和敲聲的數(shù)據(jù)，如表6-2所示。這里要學習的目標是確定‘是否好瓜’，暫且假設‘是否好瓜’可由色澤、根蒂、敲聲3個因素完全確定，換言之，只要某個瓜的這3個屬性取值明確，我們就能判斷出它是不是好瓜。于是我們學習的目標的是“好瓜是某種色澤、某種根蒂、某種敲聲的瓜”的概念，用布爾表達式描述如下：通過表(6-2)的訓練集進行學習，可以把“？”確定下來。機器學習的方法則是利用已有的數(shù)據(jù)集(經(jīng)驗)，得到某種模型(瓜的好壞判斷標準)，該過程稱之為“訓練”，并利用訓練好的模型預測未來，例如判斷一個新瓜的好壞。模型、策略和算法是機器學習的3個要素，具體說明如下：(1)模型。機器學習第一個要考慮的問題就是要學習什么樣的模型。此處引入假設空間的重要概念，模型的假設空間包含所有可能的條件概率分布或函數(shù)。例如，假設函數(shù)是f(x)?=?ax時，假設空間就是a的所有可能取值對應的所有f(x)的函數(shù)集合。假設函數(shù)是f(x)?=?ax2?+?bx時，假設空間就是a和b的所有可能取值對應的所有f(x)的函數(shù)集合。所以對于每一個具體問題，我們首要考慮的問題就是應該選擇哪種假設函數(shù)。(2)策略。有了模型的假設空間，其次要考慮按照什么樣的準則來學習或選擇最優(yōu)的模型，統(tǒng)計學習的目標在于從假設空間中選取最優(yōu)的模型。評價模型的好壞，通常用損失函數(shù)和風險函數(shù)來度量，損失函數(shù)能度量一次預測的好壞，風險函數(shù)能夠度量平均意義下模型預測的好壞。(3)算法。最后要考慮的問題就是用什么樣的計算方法求解最優(yōu)模型。這時，機器學習問題轉化為最優(yōu)化問題，機器學習的算法轉化為求解最優(yōu)化問題的算法。一個好的求解算法既要保證找到全局最優(yōu)解，也要保證求解過程十分高效。6.4兩輪自平衡小車智能控制要素分析1.角度控制——物理分析和比例微分(PD)控制算法角度控制也可稱為直立控制，如本書3.5.1節(jié)所述，兩輪自平衡小車通過車輪的負反饋實現(xiàn)小車平衡的動態(tài)控制。車輪作加速運動，分析小車(非慣性系，以車輪作為坐標原點)上方受到的倒立擺受力，此時也有額外的慣性力產(chǎn)生，該力與車輪的加速度方向相反、大小成正比。其中，PD算法和小車受力分析示意圖如圖6-8和圖6-9所示。倒立擺運動時的回復力為式中，θ很小并進行了線性化。負反饋控制下假設，車輪加速度a與偏角θ成正比，比例為k1。如果比例k1>g，(g是重力加速度)，那么回復力的方向便與位移方向相反了，而為了讓倒立擺能夠盡快回到垂直位置穩(wěn)定下來，還需要增加阻尼力，增加的阻尼力與偏角的速度大小成正比、方向相反，可得按照上述倒立擺的模型，可得出控制小車車輪加速度的算法：式中，θ為小車角度，θ'?為角速度，k1、k2都是比例系數(shù)。根據(jù)上述內容，建立速度的比例微分負反饋控制，根據(jù)基本控制理論討論小車通過閉環(huán)控制保持穩(wěn)定的條件。假設外力干擾使小車模型產(chǎn)生角加速度，用x(t)表示。沿著垂直于小車模型底盤的方向進行受力分析，可以得到小車模型傾角θ、車輪運動加速度a?(t)以及外力引起的角加速度x(t)之間的運動方程，該狀態(tài)下的運動分析如圖6-10所示。在θ很小時，車模運動方程為車模靜止時，有，此時的車模運動方程為反饋控制中，考慮比例控制(控制量與傾斜角度成比例的控制)和微分控制(控制量與角速度成比例的控制，即角速度是傾斜角度的微分)。因此上面系數(shù)k1、k2分別稱為比例控制參數(shù)和微分控制參數(shù)。其中微分控制參數(shù)相當于阻尼力，可以有效抑制車模振蕩。通過微分抑制控制振蕩的思想在后面的速度和方向控制中也同樣適用?？偨Y控制車模直立穩(wěn)定的條件如下：①

能夠精確測量車模傾角θ的大小和角速度θ'?的大小。②

可以控制車輪的加速度。上述控制的實際結果是，小車與地面不是嚴格垂直，而是存在一個對應的傾角。在重力的作用下，小車會朝著一個方面加速前進。為了保持小車的靜止或者勻速運動需要消除這個安裝誤差。在實際小車制作過程中，需要進行機械調整和軟件參數(shù)設置。另外需要通過軟件中的速度控制來實現(xiàn)速度的穩(wěn)定性。在對小車行進過程中的角度進行控制中，考慮小車運動時會出現(xiàn)一定的傾角偏差，這使小車在傾斜的方向上產(chǎn)生加速度，這個結果可以作為進行小車速度控制的依據(jù)。2.速度控制假設小車在上面直立控制調節(jié)下已經(jīng)能夠保持平衡了，但是由于安裝誤差，傳感器實際測量的角度與車模角度有偏差，因此小車實際不是與地面保持垂直，而是與地面間存在一個傾角。在重力的作用下，小車就會朝傾斜的方向加速前進。此時，只要通過控制小車的傾角就可以實現(xiàn)小車速度控制了。具體實現(xiàn)需要解決3個問題：①

如何測量小車速度？②

如何通過對小車進行直立控制來使小車傾角改變？③

如何根據(jù)速度誤差控制小車傾角？第一個問題可以通過安裝在電機輸出軸上的霍爾傳感器得到小車的車輪速度。測速原理如圖6-11所示，主要通過對單片機的外部中斷I/O口的控制來進行不間斷測速，脈沖信號的個數(shù)可以反映電機的轉速，從而測得速度。第二個問題可以通過角度控制給定值來解決。給定小車直立控制的設定值，在角度控制調節(jié)下，小車將會自動維持在一個角度。通過前面小車直立控制算法可以知道，小車傾角最終是跟蹤重力加速度方向(Z軸)的角度。因此小車的傾角給定值與重力加速度方向(Z軸)角度相減，便可以最終確定小車的傾角。第三個問題分析起來相對比較困難，遠比直觀進行速度負反饋分析復雜。首先對一個簡單例子進行分析。假設小車開始保持靜止，然后增加給定速度，為此需要小車往前傾斜以便獲得加速度。在小車直立控制下，為了能夠有一個向前運動的傾角，車輪需要往后運動，這樣會引起車輪速