第4章专家控制-仿人智能控制

1、第第4章章 专家控制专家控制仿人智能控制仿人智能控制 智能控制基础智能控制基础4.4.1 仿人智能控制的引入4.4.2 仿人智能控制的基本概念4.4.3 仿人智能控制的实现4.4.4 仿人智能控制的应用举例4.4 仿人智能控制仿人智能控制4.4.1仿人智能控制的引入仿人智能控制的引入 v我国重庆大学智能控制研究室周其鉴、李祖我国重庆大学智能控制研究室周其鉴、李祖枢等人在枢等人在1980年前后提出年前后提出 。v现有的人工智能理论只能模拟智能的某个侧现有的人工智能理论只能模拟智能的某个侧面，并不能反映人类智能的全貌。而另一方面，并不能反映人类智能的全貌。而另一方面，人类对于自身信息处理的宏观过程

2、却已面，人类对于自身信息处理的宏观过程却已有了较为一致的认识，可以作为普适的结构。有了较为一致的认识，可以作为普适的结构。因此，从控制问题的实际需求出发，将宏观因此，从控制问题的实际需求出发，将宏观结构的模拟和行为功能的模拟相结合是现阶结构的模拟和行为功能的模拟相结合是现阶段实现仿人智能控制较为合适的选择。段实现仿人智能控制较为合适的选择。 宏观结构宏观结构 基本问题基本问题v特征识别特征识别n基于误差e、误差导数和误差的二阶导数 v多模态控制多模态控制4.4.1 仿人智能控制的引入4.4.2 仿人智能控制的基本概念4.4.3 仿人智能控制的实现4.4.4 仿人智能控制的应用举例4.4 仿人智

3、能控制仿人智能控制4.4.2 仿人智能控制的基本概念仿人智能控制的基本概念v特征基元、特征状态和特征模型特征基元、特征状态和特征模型v特征辨识和特征记忆特征辨识和特征记忆v控制（决策）模态和多模态控制控制（决策）模态和多模态控制特征基元特征基元 v特征元素构成特征元素构成v可以构成描述动态系统运行状态可以构成描述动态系统运行状态 v举例举例,eee E描述系统输出与期望值的接近程度描述系统误差变化的趋势 描述系统动态过程中误差的变化区域 描述动态系统振荡的收敛性 |eee |/|ee |/|误差相平面误差相平面 ,)sgn(:,)sgn(:,|/:|,:,|:|,|:|,|:|,:,|:|,:

4、0eq0eq1eeq 0eeqMeq eqMeq eqeeq 误差时平面误差时平面 特征状态特征状态 v特征基元的特定组合，可以将误差信息空间特征基元的特定组合，可以将误差信息空间 划分为一些区域，每一个区域代表了一种划分为一些区域，每一个区域代表了一种系统运行特征的状态，称为特征状态。系统运行特征的状态，称为特征状态。 0)sgn(|/|011eeeeee)()()()(tetetetettl 特征模型特征模型 v利用特征状态对误差信息空间利用特征状态对误差信息空间 的划分的划分 ，是，是所有特征状态所有特征状态 i的集合的集合 。,关系矩阵关系矩阵 v特征模型特征模型和特征基元集和特征基元

5、集Q之间的关系，也可之间的关系，也可由关系矩阵由关系矩阵P来描述来描述 ： 取正取零取反101ijp1010:0:*1111111iiiipppeeqeeqqp无约束)()()(mim22i11iiqpqpqp=P Q 举例举例v特征状态特征状态 1对应的关系向量在对应的关系向量在 中可表示中可表示为：为：v在在 中可表示为：中可表示为：ee,01000000111pj1te,特征辨识特征辨识 v对控制系统输出的信息进行在线的辨识，确对控制系统输出的信息进行在线的辨识，确定当前系统所处的特征状态，这一过程称作定当前系统所处的特征状态，这一过程称作特征辨识。特征辨识。 特征记忆特征记忆 v被控制

6、器记忆的特征量被称为特征记忆被控制器记忆的特征量被称为特征记忆 v包括反映前期决策和控制效果的特征量和反包括反映前期决策和控制效果的特征量和反映控制任务要求及被控对象性质的特征量映控制任务要求及被控对象性质的特征量 。v例如：例如：1：emi误差的第i次极值2：uH前期控制输出量的保持值3：误差第i次过零的速度4：tem误差极值的间隔时间控制（决策）模态控制（决策）模态 v定量定量i ： v定性定性), e , e(fuiiiU Uiu（操作）（条件）：THEN IFf 模态基元模态基元 v基本的控制环节基本的控制环节 v举例举例nm1：比例控制 nm2： 微分控制nm3： 积分控制nm4：

7、输出保持控制nm5： 峰值误差记忆和控制nm6： 磅磅控制nm7： 输出预补偿控制neKpeKdedtKiHunimieK1maxuau 关系矩阵关系矩阵 v控制模态也可以用关系矩阵表示。控制模态也可以用关系矩阵表示。根据了根据了lij的不同，就可以构成一系列的复合的不同，就可以构成一系列的复合控制模态，例如：控制模态，例如：1： 比例微分保持5： PID控制LMU:eKeKuudpHedtKeKeK4.4.1 仿人智能控制的引入4.4.2 仿人智能控制的基本概念4.4.3 仿人智能控制的实现4.4.4 仿人智能控制的应用举例4.4 仿人智能控制仿人智能控制4.4.3 仿人智能控制的实现仿人智

8、能控制的实现 v目标轨迹的确定目标轨迹的确定 v特征模型的设计特征模型的设计 v控制模态集的设计控制模态集的设计 v直觉推理的实现直觉推理的实现 误差相平面的目标轨迹误差相平面的目标轨迹误差时平面的目标轨迹误差时平面的目标轨迹相平面的特征模型相平面的特征模型v定义特征基元集合v得到特征模型时平面的特征模型时平面的特征模型v定义特征基元集合定义特征基元集合v得到特征模型得到特征模型控制模态集的设计控制模态集的设计 v 对于特征模型对于特征模型 1的的7个特征状态，可以有如下控制模态：个特征状态，可以有如下控制模态：n误差很大时，对应于区域，可采用磅磅模态控制激发误差的变化率。n误差减小的过程中，

9、若误差变化速度低于或等于预定的速度，则对应于区域，可采取比例模态控制，提高或保持误差变化率。n若误差减小的过程中，误差变化速度高于预定的速度，则对应于区域和，需在比例模态的基础上引入微分模态，形成PD模态控制，压低误差变化率。n如果引入微分模态仍不能减小误差变化的速度至预设的范围，则进入区域，此时应引入正反馈抑制误差变化速度。n若误差和误差的变化率都很小，已满足要求，则对应于区域，可采用保持模态控制，使之自行衰减达到平衡。n如果出现误差增大的失控现象，对应于区域，此时，为了使误差尽快回头，可采用PD模态控制。控制模态集控制模态集v11： 磅磅控制模态v12： PD控制模态v13： 保持控制模态

10、max)sgn(ueueKeKudpHuu 直觉推理的实现直觉推理的实现 第一阶段：第一阶段：v特征模型到控制模态的映射，即特征模型到控制模态的映射，即v例如例如n11：n12：n13：:,21s11111217151413121316,IC第二阶段第二阶段 v误差信息误差信息E和特征记忆信息和特征记忆信息 到控制器输出到控制器输出U的映射，即对应模态的映射，即对应模态 i所包含的映射关系。所包含的映射关系。v定义控制器的输入为定义控制器的输入为 v则模态控制映射关系表示为：则模态控制映射关系表示为： ,ER UR,MD4.4.1 仿人智能控制的引入4.4.2 仿人智能控制的基本概念4.4.3

11、 仿人智能控制的实现4.4.4 仿人智能控制的应用举例4.4 仿人智能控制仿人智能控制4.4.4 仿人智能控制的应用举例仿人智能控制的应用举例v力矩受限单摆控制力矩受限单摆控制数学模型数学模型t：时间：时间(s)；：摆的角度：摆的角度(rad)；l：重心的转动半径：重心的转动半径(m)；T：加振力矩：加振力矩(N.m)；Tfr：库仑摩擦力矩：库仑摩擦力矩(N.m)；C：粘性衰减系数：粘性衰减系数(N.m.s)；g：重力加速度：重力加速度(m.s-2)；I：转动惯量：转动惯量(Kg.m2)；：无量纲时间；：无量纲时间；：粘性衰减比；：粘性衰减比；：无量纲加振力矩；：无量纲加振力矩；fr：无量纲库仑摩擦力矩。：无量纲库仑摩擦力矩。0)(0)(0)(0)(sin)(2)( frfrmglIc2IT2ITfrfr2I特征模型和控制策略特征模型和控制策略 v特征模型特征模型为为 ：v多模态控制策略多模态控制策略 为为 v推理规则的集合推理规则的集合