安徽建筑大学智能控制第二章课件

1、 第第2 2章章 递阶控制递阶控制主要内容：主要内容：1 1、递阶智能机器的一般结构、递阶智能机器的一般结构2 2、递阶智能控制系统举例、递阶智能控制系统举例 2.1 2.1 递阶智能机器的一般结构递阶智能机器的一般结构 递阶智能控制（递阶智能控制（Hierachical Intelligent Hierachical Intelligent ControlControl）是在人工智能、自适应控制以及运筹学）是在人工智能、自适应控制以及运筹学等理论的基础上逐渐发展形成的，是智能控制最早等理论的基础上逐渐发展形成的，是智能控制最早的理论之一。的理论之一。 1 1、大系统的基本控制结构、大系统的基

2、本控制结构 复杂大系统的的特点：阶次高、子系统相互关复杂大系统的的特点：阶次高、子系统相互关联，系统的评价目标多且相互矛盾，故分解为互相联，系统的评价目标多且相互矛盾，故分解为互相关联的子系统。关联的子系统。 根据信息交换的方式和子系统关联方式的不同，根据信息交换的方式和子系统关联方式的不同，可将大系统控制分为以下三种基本类型：可将大系统控制分为以下三种基本类型： 集中控制系统集中控制系统 在集中控制系统中，控制中心直接控制每个子系在集中控制系统中，控制中心直接控制每个子系 统，每个子系统只得到整个系统的部分信息，控制目统，每个子系统只得到整个系统的部分信息，控制目标相互独立。标相互独立。 优

3、点优点是系统运行的有效性较高，便于分析与设计。是系统运行的有效性较高，便于分析与设计。 缺点缺点是一旦控制中心出现故障，则整个系统将瘫痪。是一旦控制中心出现故障，则整个系统将瘫痪。分散控制系统分散控制系统 在分散控制系统中，控制中心控制若干分散控制在分散控制系统中，控制中心控制若干分散控制器，而每个分散控制器控制一个独立的控制目标，即器，而每个分散控制器控制一个独立的控制目标，即具体的子系统。具体的子系统。 优点优点是局部故障不至于影响整个系统。是局部故障不至于影响整个系统。 缺点缺点是全局协调运行较困难。是全局协调运行较困难。 递阶控制系统递阶控制系统 当系统由若干个可分的相互关联的子系统构

4、成当系统由若干个可分的相互关联的子系统构成时，可将系统所有决策单元按照一定时，可将系统所有决策单元按照一定优先级和从属优先级和从属关系关系递阶排列，同一级各单元受到上一级的干预，递阶排列，同一级各单元受到上一级的干预，同时又对下一级单元施加影响。若同一级各单元目同时又对下一级单元施加影响。若同一级各单元目标相互冲突，则由上一级单元协调。这是一种多级标相互冲突，则由上一级单元协调。这是一种多级多目标的结构，各单元在不同级间递阶排列，形成多目标的结构，各单元在不同级间递阶排列，形成金字塔形结构。金字塔形结构。 优点优点是全局与局部控制性能都较高，灵活性与是全局与局部控制性能都较高，灵活性与可靠性好

5、，任何子过程的变化对决策的影响都是局可靠性好，任何子过程的变化对决策的影响都是局部性的。部性的。 缺点缺点是系统设计比较复杂。是系统设计比较复杂。 递阶控制系统主要有以下递阶控制系统主要有以下3 3种基本的递阶形式：种基本的递阶形式： 多重描述（多重描述（Stratified descriptionStratified description）：主要）：主要从建模角度考虑；从建模角度考虑； 多层决策（多层决策（Multilayer decisionMultilayer decision）：把一个）：把一个复杂的决策问题进行纵向分解；复杂的决策问题进行纵向分解； 多级耦合（多级耦合（Multil

6、evel couplingMultilevel coupling）：考虑各）：考虑各子系统之间的关联，将每一层的决策问题横向分解。子系统之间的关联，将每一层的决策问题横向分解。 三种递阶形式可以单独或组合存在于一个大系统之中。三种递阶形式可以单独或组合存在于一个大系统之中。 2 2、递阶控制的基本原理、递阶控制的基本原理 最下面一级的每个控制器只控制一个子系统。最下面一级的每个控制器只控制一个子系统。每一级控制器从上一级控制器接受信息，以控制下每一级控制器从上一级控制器接受信息，以控制下一级，各控制器之间的冲突由上一级进行协调。一级，各控制器之间的冲突由上一级进行协调。 协调的目的：协调的目的

7、：通过对下层控制器施加干预信号通过对下层控制器施加干预信号来调整该层各控制器的决策，满足整个系统的控制来调整该层各控制器的决策，满足整个系统的控制目标。目标。完成协调作用的决策单元称为协调器。完成协调作用的决策单元称为协调器。 递阶系统协调控制的任务递阶系统协调控制的任务是使大系统中的各子是使大系统中的各子系统相互协调、配合、制约、促进。从而在实现各系统相互协调、配合、制约、促进。从而在实现各子系统的子目标、子任务的基础上，实现整个大系子系统的子目标、子任务的基础上，实现整个大系统的总目标、总任务。统的总目标、总任务。 递阶控制的基本原理：递阶控制的基本原理：把一个总体问题把一个总体问题P P

8、分解成若干分解成若干有限数量的子问题有限数量的子问题P Pi i（i=1, 2 , , ni=1, 2 , , n）。总体问）。总体问题题P P的目标是使复杂系统的总体性能指标取得极值。的目标是使复杂系统的总体性能指标取得极值。 当不考虑各子问题之间的关联时，当不考虑各子问题之间的关联时，有有 考虑到子问题之间因关联产生冲突，考虑到子问题之间因关联产生冲突，引入协调引入协调参数参数，以解决关联产生的目标冲突。用，以解决关联产生的目标冲突。用 代替代替 P Pi i，有，有 P1, P2, , Pn的解的解 P的解的解0*12( ),( ),.,( )nPPP的解的解 P的解的解 ( )iP 递

9、阶控制的协调问题便是选择适当的递阶控制的协调问题便是选择适当的 ，从初值，从初值 通过迭代到达终值通过迭代到达终值 ，使递阶控制达到最优。，使递阶控制达到最优。0*3 3、递阶智能机器的一般结构、递阶智能机器的一般结构 在设计一个复杂系统时，都是从最下层（包括过在设计一个复杂系统时，都是从最下层（包括过程在内的直接控制装置）开始，然后再逐步增加高层程在内的直接控制装置）开始，然后再逐步增加高层的决策控制单元，以增加系统的复杂性并逐步扩展其的决策控制单元，以增加系统的复杂性并逐步扩展其功能，一个复杂系统很自然地隐含了内在的递阶形式。功能，一个复杂系统很自然地隐含了内在的递阶形式。 在递阶控制系统

10、中在递阶控制系统中应用智能控制应用智能控制便形成了递阶智便形成了递阶智能控制。递阶智能控制系统的结构与一般的递阶控制能控制。递阶智能控制系统的结构与一般的递阶控制系统的结构形式基本相同，其差别主要在于递阶智能系统的结构形式基本相同，其差别主要在于递阶智能控制采用智能控制器，它能够利用人工智能的原理与控制采用智能控制器，它能够利用人工智能的原理与方法，使系统具有利用知识、处理知识以及自学习等方法，使系统具有利用知识、处理知识以及自学习等能力。能力。组织级控制器组织级控制器分配器分配器协调器协调器协调器协调器硬件控制器硬件控制器硬件控制器硬件控制器过程过程过程过程智智能能递递增增精精度度递递增增第

11、一级第一级组织级组织级第二级第二级协调级协调级第三级第三级执行级执行级对象对象人机接口人机接口最高决策最高决策控制管理控制管理控制监督控制监督传感器传感器执行器执行器 递阶智能控制系统结构示意图递阶智能控制系统结构示意图 递阶智能控制系统作为一个整体，把用户指令转递阶智能控制系统作为一个整体，把用户指令转为一个物理序列，系统的输出是一组施加于被控过为一个物理序列，系统的输出是一组施加于被控过程的具体指令。系统的操作是由用户指令及与环境程的具体指令。系统的操作是由用户指令及与环境交互作用的传感器的输入信息决定的交互作用的传感器的输入信息决定的。 传感器分为外部传感器和内部传感器，分别提供工传感器

12、分为外部传感器和内部传感器，分别提供工作环境（外部）和每个子系统（内部）的监控信息。作环境（外部）和每个子系统（内部）的监控信息。 （1 1）递阶智能机器的级联结构）递阶智能机器的级联结构（2 2）组织级）组织级 组织级是递阶智能控制系统的最高级，是智能组织级是递阶智能控制系统的最高级，是智能系统的系统的“大脑大脑”，能够模仿人的行为功能，它具有，能够模仿人的行为功能，它具有相应的学习能力和高级决策能力。组织级监督并指相应的学习能力和高级决策能力。组织级监督并指导协调级和执行级的所有行为，具有最高程度的智导协调级和执行级的所有行为，具有最高程度的智能。组织级能够根据用户对任务的不完全描述与实能

13、。组织级能够根据用户对任务的不完全描述与实际过程和环境的有关信息，选择合理的际过程和环境的有关信息，选择合理的控制模式控制模式并并向低层下达，以实现预定的控制目标。向低层下达，以实现预定的控制目标。 功能为推理、规划、决策和长期记忆信息的功能为推理、规划、决策和长期记忆信息的交换，以及通过外界环境信息和下级反馈信息进交换，以及通过外界环境信息和下级反馈信息进行学习等。行学习等。（3 3）协调级）协调级 协调级是递阶智能控制系统的次高级，其任协调级是递阶智能控制系统的次高级，其任务是协调各控制器的控制作用与各子任务的执行。务是协调各控制器的控制作用与各子任务的执行。它是上（组织）级和下（执行）级

14、间的接口，承它是上（组织）级和下（执行）级间的接口，承上启下，并由人工智能和运筹学共同作用。上启下，并由人工智能和运筹学共同作用。 协调级可以进一步划分为两个分层：协调级可以进一步划分为两个分层：控制管理控制管理分分层与层与控制监督控制监督分层。分层。 控制管理控制管理分层给予下层的信息，决定如何完成组织分层给予下层的信息，决定如何完成组织级下达的任务，以产生施加给下一层的级下达的任务，以产生施加给下一层的控制指令控制指令; 控制监督控制监督分层的任务是保证、维持执行级中各控制分层的任务是保证、维持执行级中各控制器的正常运行，并进行器的正常运行，并进行局部参数整定与性能优化。局部参数整定与性能

15、优化。 协调级一般由协调级一般由多个协调控制器和分配器多个协调控制器和分配器组成，每组成，每个协调控制器既接受组织级的命令，又负责多个执行个协调控制器既接受组织级的命令，又负责多个执行级控制器的协调。级控制器的协调。分配器分配器的任务是将组织级给定的基的任务是将组织级给定的基本事件（任务）变换成面向协调器的控制指令序列，本事件（任务）变换成面向协调器的控制指令序列，并在适当的时刻把它们分配给相应的协调器。在任务并在适当的时刻把它们分配给相应的协调器。在任务完成后，分配器也负责生成反馈信息，送回给组织级。完成后，分配器也负责生成反馈信息，送回给组织级。为了完成上述任务，分配器需具备以下功能：为了

16、完成上述任务，分配器需具备以下功能： 1 1）通信功能）通信功能 它能够向上层的组织级和下它能够向上层的组织级和下面的协调级发送和接受信息。面的协调级发送和接受信息。 2 2）数据处理功能）数据处理功能 它能对组织级来的命令它能对组织级来的命令信息和从协调器来的反馈信息进行描述，并可为信息和从协调器来的反馈信息进行描述，并可为分配器的决策单元提供信息和对它进行修改。分配器的决策单元提供信息和对它进行修改。 3 3）任务处理功能）任务处理功能 它能对要执行的任务进它能对要执行的任务进行识别，为相应的协调器选择合适的控制步骤，行识别，为相应的协调器选择合适的控制步骤，以及为组织级产生必要的反馈信息

17、。以及为组织级产生必要的反馈信息。 4 4）学习能力）学习能力 它能够根据任务不断执行所它能够根据任务不断执行所取得的经验来逐渐减小决策过程的不确定性，以取得的经验来逐渐减小决策过程的不确定性，以达到不断改进任务执行的能力。达到不断改进任务执行的能力。（4 4）执行级）执行级 执行级是递阶智能控制系统的最低一级，由执行级是递阶智能控制系统的最低一级，由多多个个硬件控制器组成，其任务是完成具体的控制任硬件控制器组成，其任务是完成具体的控制任务。执行级控制器直接产生控制信号，通过执行务。执行级控制器直接产生控制信号，通过执行机构作用于被控对象（过程）；同时执行级也通机构作用于被控对象（过程）；同时

18、执行级也通过传感器测量环境的相关信息，并传递给上一级过传感器测量环境的相关信息，并传递给上一级控制器，给高层决策提供相关依据。控制器，给高层决策提供相关依据。 执行级的智能程度最低，而控制精度最高，其执行级的智能程度最低，而控制精度最高，其理论方法为传统的控制理论。理论方法为传统的控制理论。 递阶智能控制系统，从最低级执行级递阶智能控制系统，从最低级执行级次高级次高级协调级协调级最高级组织级，智能要求逐步提高，越高最高级组织级，智能要求逐步提高，越高的层次越需要高的智能，而精度则递减，此类结构的层次越需要高的智能，而精度则递减，此类结构具有以下特点：具有以下特点： 1 1）越是处于高层的控制器

19、，对系统的影响也越大；）越是处于高层的控制器，对系统的影响也越大； 2 2）越是处于高层，就有越多的不确定性信息，使问）越是处于高层，就有越多的不确定性信息，使问题的描述难于量化。题的描述难于量化。 在高层次上应该采用基于知识的组织级，以便在高层次上应该采用基于知识的组织级，以便于处理信息与利用人的直觉、推理、逻辑和经验。于处理信息与利用人的直觉、推理、逻辑和经验。这样，递阶智能控制系统就能在最高级（组织级）这样，递阶智能控制系统就能在最高级（组织级）的统一组织下，实现对复杂系统的优化控制。的统一组织下，实现对复杂系统的优化控制。 2.2 2.2 递阶智能控制系统举例递阶智能控制系统举例应用实

20、例：红旗自主车的自主驾驶四层递阶控制系统。应用实例：红旗自主车的自主驾驶四层递阶控制系统。1 1、汽车汽车自主驾驶自主驾驶系统的组成系统的组成（1 1）系统总体结构）系统总体结构 环境识别子系统环境识别子系统 驾驶控制子系统驾驶控制子系统 环境识别子系统：环境识别子系统：由道路标志线识别和前方由道路标志线识别和前方车辆识别两个子系统组成。前者能够实时识别当车辆识别两个子系统组成。前者能够实时识别当前及左右共三条车道线，实时输出处理结果；对前及左右共三条车道线，实时输出处理结果；对车道上非标志线的标志及车辆干扰具有免疫力，车道上非标志线的标志及车辆干扰具有免疫力，并较好地解决了对车体震动和光照变

21、化的适应性并较好地解决了对车体震动和光照变化的适应性问题；后者能够实时识别前方车辆距离及相对速问题；后者能够实时识别前方车辆距离及相对速度，具有较好的抗干扰性及适应性。度，具有较好的抗干扰性及适应性。 驾驶控制子系统：驾驶控制子系统：包括行为决策、行为规划包括行为决策、行为规划以及操作控制等主要模块。本子系统对受控对象以及操作控制等主要模块。本子系统对受控对象的非线性、环境的严重不确定性具有很好的适应的非线性、环境的严重不确定性具有很好的适应能力；能够满足系统实时性要求；其方向及速度能力；能够满足系统实时性要求；其方向及速度跟踪精度高；并具有系统监督模块，可实现系统跟踪精度高；并具有系统监督模

22、块，可实现系统状态的在线监督、预警及紧急情况处理。状态的在线监督、预警及紧急情况处理。系统系统总体结构总体结构（2 2）自主驾驶的硬件系统）自主驾驶的硬件系统 主控计算机及接口主控计算机及接口 执行机构执行机构 传感器传感器 主控计算机及接口：主控计算机及接口：担负驾驶控制和环境担负驾驶控制和环境识别的计算工作。接口主要有：识别的计算工作。接口主要有：A/DA/D转换器、转换器、D/AD/A转换器、各种运动控制卡、记数器及数字转换器、各种运动控制卡、记数器及数字量输入输出设备等。量输入输出设备等。 执行机构：执行机构：根据汽车各操纵机构的不同特根据汽车各操纵机构的不同特点分别采用了步进电机驱动

23、和液压驱动两种执点分别采用了步进电机驱动和液压驱动两种执行机构。行机构。 传感器：传感器：包括环境传感器（摄像头）、车包括环境传感器（摄像头）、车体姿态传感器和自动驾驶执行部件传感器。传体姿态传感器和自动驾驶执行部件传感器。传感器信号经过预处理电路板的滤波和放大后，感器信号经过预处理电路板的滤波和放大后，通过计算机接口板进入相应的处理机。通过计算机接口板进入相应的处理机。 自主自主驾驶的硬件系统驾驶的硬件系统 嵌入式实时操作系统。特点如下：嵌入式实时操作系统。特点如下： 1 1）基于）基于PCPC机的开发环境使得嵌入式开发更加机的开发环境使得嵌入式开发更加方便；方便； 2 2）实时多任务的操作

24、系统内核确保了系统的实）实时多任务的操作系统内核确保了系统的实时性；时性； 3 3）可裁减和可重配置的操作系统结构使得目标）可裁减和可重配置的操作系统结构使得目标代码更加精悍，运行效率获得提高；代码更加精悍，运行效率获得提高； 4 4）方便快速的任务间通信手段；）方便快速的任务间通信手段； 5 5）支持多处理机之间的任务协调与通信；）支持多处理机之间的任务协调与通信； 6 6）自主驾驶系统的处理机运行实时操作系统。）自主驾驶系统的处理机运行实时操作系统。软件设计与系统的实时性的特点：软件设计与系统的实时性的特点： 1 1） 任务优先级设置与抢断式任务调度；任务优先级设置与抢断式任务调度； 2

25、2） 基于系统时钟的软件同步机制；基于系统时钟的软件同步机制； 3 3） 分布式共享数据存储。分布式共享数据存储。 2 2、汽车自主驾驶系统的递阶结构、汽车自主驾驶系统的递阶结构n操作控制层操作控制层n行为规划层行为规划层n行为决策层行为决策层n任务规划层任务规划层 操作控制层：操作控制层：把来自行为规划层的规划轨迹把来自行为规划层的规划轨迹转化为各执行机构动作，并控制各执行机构完成转化为各执行机构动作，并控制各执行机构完成相应动作，是整个自主驾驶系统的最底层。包括相应动作，是整个自主驾驶系统的最底层。包括车速控制器、方向控制器、刹车控制器、节气门车速控制器、方向控制器、刹车控制器、节气门控制

26、器、转向控制器及信号灯控制器、转向控制器及信号灯/ /喇叭控制逻辑等。喇叭控制逻辑等。 行为规划层：行为规划层：是行为决策层和操作控制层之间是行为决策层和操作控制层之间的接口，它负责将行为决策层产生的行为符号转换的接口，它负责将行为决策层产生的行为符号转换为操作控制层的传统控制器所能接受的轨迹指令。为操作控制层的传统控制器所能接受的轨迹指令。包括行为执行监督模块、车辆速度产生模块、车辆包括行为执行监督模块、车辆速度产生模块、车辆期望路径产生模块等。期望路径产生模块等。 行为决策层：行为决策层：根据环境感知系统获得的环根据环境感知系统获得的环境信息、车辆当前状态以及任务规划的任务目标，境信息、车

27、辆当前状态以及任务规划的任务目标，采取恰当行为，保证顺利地完成任务。影响因素采取恰当行为，保证顺利地完成任务。影响因素有：道路情况、交通情况、交通信号、任务对安有：道路情况、交通情况、交通信号、任务对安全性和效率的要求、任务目的等。全性和效率的要求、任务目的等。 任务规划层：任务规划层：根据环境感知系统获得的环境根据环境感知系统获得的环境信息、车辆当前状态以及任务规划的任务目标，信息、车辆当前状态以及任务规划的任务目标，采取恰当行为，保证顺利地完成任务。影响因素采取恰当行为，保证顺利地完成任务。影响因素有：道路情况、交通情况、交通信号、任务对安有：道路情况、交通情况、交通信号、任务对安全性和效率的要求、任务目的等。全性和效率的要求、任务目的等。 3 3、汽车汽车自主驾驶系统的结构与控制算法自主驾驶系统的结构与控制算法（1 1）驾驶控制系统的软件结构）驾驶控制系统的软件结构 操作控制层（操作控制层（6 6个软件模块）：个软件模块）：方向伺服控制、方向伺服控制、油门伺服控