第九章仿人智能控制v2

2023/5/5ManlikeIC1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 仿人智能控制行为的特征变量

9.1.3 系统特性的模式识别 9.2 几种仿人智能控制方案

9.2.1 仿人智能开关控制

9.2.2 仿人比例控制

9.2.3 仿人智能积分控制9.3专家PID控制第一页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC2智能控制的一个重要研究方向智能控制，根本上是要仿效人的智能行为进行决策和控制。必要的训练之后，人实现的控制方法接近最优。仿人智能控制不需要了解对象的结构、参数，即不依赖于对象的数学模型，而是根据积累的经验和知识进行在线的推理确定和变换控制策略。第二页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC3调节器参数的自动整定问题PID需要试验加试凑方法整定。需要熟练的技巧，并且相当费时。传统PID调节器无自适应能力。研究专家PID或者智能PID十分必要。第三页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC49.1.1基本思想PID －比例，积分和微分控制器反馈控制，按偏差调节

控制器作用人脑P:比例，线性放大缩小I:积分，细调D:微分，变化趋势想象功能，具有非线性放大能力记忆功能，选择性记忆能力预见功能，远见卓识的预见能力PID控制作用是优良控制的必要条件，非充分条件。第四页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC5PID的改进：

1．变增益控制（增益适应）2.智能积分（非线性积分）3．智能采样控制等等

第五页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC6仿人控制基本思想：

利用计算机模拟人的控制行为功能，最大限度地识别过程特征信息，进行启发和自觉推理，对缺乏精确数学模型的对象实现有效的控制。第六页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC79.1.2仿人智能控制行为的特征变量

图9.1二阶系统的单位阶跃相应曲线第七页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC8第八页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC9几个不同点的分析点a,b,F的值均等于y，但动态特征不同点a:系统偏差有偏离平衡点的趋势；点b:系统偏差有趋于平衡点的趋势；点F:系统偏差恰好达到极值。第九页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC109.1.3系统特性的模式识别根据输出偏差e和偏差变化Δe以及它们的组合的特征变量，划分动态特征模式，特征模式作为智能控制决策的依据。 偏差:en=r-yn 偏差变化:

Δen=en–en-1

第十页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC113)e*Δe

e*Δe的符号，表征动态偏差变化情况.>0,离开平衡点<0,趋于平衡点

表9－1特征变量的符号变化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<0第十一页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC12en*Δen表征动态偏差变化情况en*Δen>0偏差加大,偏差的绝对值逐渐增大en*Δen<0偏差减小,偏差的绝对值逐渐减小第十二页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC13Δen*Δen-1 表征极值Δen*Δen-1>0无极值Δen*Δen-1<0有极值B点：Δen*Δen-1<0;en*Δen>0C’点：Δen*Δen-1<0;en*Δen<0B点之后，偏差趋于减小，C’点之后，偏差逐渐加大。第十三页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC14与en*Δen联合使用，细化系统特征例如，曲线BC(DE)中间一段，偏差变化较大且偏差较大。具体数值满足en*Δen<0且b<<a偏差变化的姿态第十四页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC15Δen/Δen-1

表征偏差局部变化趋势Δen/Δen-1比值大,前期控制效果差第十五页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC16Δ(Δe) 表征偏差变化的变化率Δ(Δe)>0超调阶段ABC段Δ(Δe)<0回调阶段CDE段特征变量是对系统动态特性的一种定性与定量相结合的描述，它体现了对人的形象思维的一种模拟。第十六页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC179.1.3仿人智能控制器的结构第十七页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC18图9.3多变量仿人智能控制器的结构第十八页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC19

其中，A,B是解析式、逻辑关系式和阈值集的集合;F,H是以IF(特征)THEN(控制模式)的形式写成的直觉推理规则集;V,W是以各种线性、非线性函数写成的模式集，分别存放于RB和DB中。ST产生的M进入DB取代原有的控制参数集,MC产生输出u*，经K输出u=Ku*，去控制被控对象G。第十九页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC209.2几种仿人智能控制方案

9.2.1仿人智能开关控制(Bang-Bang)控制

开关（on-off)控制—bang-bang控制，简单，易于实现。电加热炉的控制中常常应用。问题：精度较低，系统振荡幅度较大。分析：常规方法，两态：开、关；没有人工控制根据变化趋势调节的特点。第二十页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC21人工控制，可以根据误差和误差变化率选择开关接通的时间。智能开关控制即是”考虑实际误差变化规律和被控对象的特征，纯滞后及扰动等因素的开关控制策略。”第二十一页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC22智能开关控制的控制电压和偏差变化曲线第二十二页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC23智能开关控制的偏差变化分析

过程为大惯性及纯滞后系统。采用产生式规则设计智能开关控制。第二十三页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC2412条规则：设k为当前采样时刻，e(k)为偏差，Δe(k）为偏差变化率，U为全开控制量，T为控制周期，t0为开关接通时间。(1)

if|e(k)|≥M

e(k)>0 then

u(k)=U,t0(k)=T（全开）(2)

if|e(k)|≥M

e(k)<0 thenu(k)=U,t0(k)=0（全关）

(3)ife(k)=0,e(k-1)<0then

u(k)=U,t0(k)=K1t0(k-1)第二十四页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC25（4）ife(k)=0，e(k-1)>0

then

u(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)第二十五页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC26（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)第二十六页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC27参数意义： E允许偏差的绝对值,M>E给定常数，t0(k)，t0(k-1)分别为本次和上次控制量输出时间。Ki为依据经验整定的系数。

第二十七页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC28仿人智能开关控制

（BANG－BANG控制）(应用实例)

液位控制根据偏差的大小来确定控制电压。在液位实际值远小于给定值时，输出一个较大的控制电压，提高液位的上升速率，减少上升时间；随着偏差的减小，逐步减少控制电压，以减小系统的超调量和稳定时间。经过多次实验，选择3V，2.25V,1.75V,0.05V四种控制电压。

第二十八页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC29

首先将标准化后的误差送入形参err，然后根据err的值，选择一个输出电压，当液位上升后，m[1]的值分阶段减小，当液位超过了设定值，err成为负值，只输出一个很小的电压（0.05V），液位下降，从而达到控制液位的功能。第二十九页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC30

智能开关控制实验结果及参数分析

实验取液位为50，其余参数都为零，电压分为三级加到伺服阀上，稳定以后电压迅速频繁地切换，曲线比较稳定，但是饲服阀的开口很小才能达到如此效果

第三十页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC319.2.2仿人比例控制

常规控制，K小，系统稳定性好，静态误差大。仿人控制，不断调整给定值，使系统输出不断逼近给定值，提高系统精度。第三十一页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC32第三十二页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC33控制原理：

初始给定＝1，yss0系统稳态输出值，ess0静差。系统进入稳态后，增加给定值ess0->1＋ess0。第二级稳态输出为yss0

+yss1,静差减小为ess1。第三级输入给定为1＋

ess0＋ess1。依此下去，有

输出

静差

第三十三页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC34控制算法：积分开关只在满足稳态条件时才闭合，完成一次运算后立即断开，此后不变.第三十四页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC35规则为δ：允许静差的2倍，N正比于算法实质：比例加智能积分。未满足条件时，仅比例控制；稳态后，积分器每N个周期工作一次，避免传统积分带来的相位裕量减小。Kp可以较小，增大增益裕量。有效解决稳态精度和稳定裕量的关系。第三十五页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC36仿人比例温度控制仿真曲线第三十六页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC37仿真结果1第三十七页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC38仿真结果2第三十八页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC39

温度控制系统硬件框图PLCSCR电炉PCTgTc热电偶第三十九页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC40温度控制实际效果第四十页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC41

仿人智能比例液位控制

实验结果及参数分析

第二次实验改取Kp为3，如右图所示，第一次判稳值明显增大，而且总的上升时间也相对还有所减少，最终的稳定效果也还不错

实验设定液位为50，由于仿人比例控制中的Ki和Kd没有起到作用，故直接取Kp为1，可以看到第一次稳定值比较小，但最后的稳定效果很明显。如右图所示：第四十一页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC42实验结果及参数分析(2)

第三次实验改取Kp为8，则如左图所示，由于其值较大，还没有达到稳态值就达到了设定的值，产生超调，最后的稳定效果虽然可以，但略低于设定的50，效果不如上两次的实验，所以Kp值大概应该在1至6之间取值

第四十二页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC439.2.3仿人智能积分控制

常规积分的缺点：1)针对性不强，（处处积分起作用）2)积分饱和3)参数选择不当时，系统容易振荡

第四十三页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC44第四十四页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC45分析：（a,b)和（b,c）中，控制器积分作用与有经验的操作人员的控制作用相反，导致系统出现超调。第四十五页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC46仿人积分控制算法：只在区间(a,b)、(c,d)和(e,f)上进行积分，其它区间停止积分。借助于惯性向稳态过渡。当e*Δe>0或Δe=0且e≠0时，对偏差积分当e*Δe<0或e=0时，不对偏差积分。应用示例：电炉温度控制水轮机速度,励磁控制第四十六页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC47仿人智能控制算法

积分不积分扩展：智能积分第四十七页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC48仿人积分仿真第四十八页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC49仿人积分仿真2第四十九页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC50仿人积分仿真3抗扰动第五十页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC51仿人PID控制算法仿真结果=0.0375,=0.0001,=1.1812.

第五十一页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC52仿人积分实际控制效果第五十二页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC53仿人智能积分(液位控制)

实验结果及参数分析设定液位为50，Kp为4，Ki为0.6，Kd为0.1，此时曲线上升比较快，超调量很小，很快进入稳定并且稳定效果比较好。

将Kp设为1，其余保持上次实验数据，液位50，Ki为0.6，Kd为0.2，实验效果如右图所示，超调量很大，伴有明显的振荡，稳定时间很久，结果很不理想

第五十三页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC549.3专家PID控制一、专家PID控制原理第五十四页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC55PID专家控制的实质是，基于受控对象和控制规律的各种知识，无需知道被控对象的精确模型，利用专家经验来设计PID参数。专家PID控制是一种直接型专家控制器。典型的二阶系统单位阶跃响应误差曲线如图所示。对于典型的二阶系统阶跃响应过程作如下分析。第五十五页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC56图典型二阶系统单位阶跃响应误差曲线第五十六页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC57

令e(k)表示离散化的当前采样时刻的误差值，e(k-1)和e(k-2)别表示前一个和前两个采样时刻的误差值，则有第五十七页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC58

根据误差及其变化，可设计专家PID控制器，该控制器可分为以下五种情况进行设计：（1）当时，说明误差的绝对值已经很大。不论误差变化趋势如何，都应考虑控制器的输出应按最大（或最小）输出，以达到迅速调整误差，使误差绝对值以最大速度减小。此时，它相当于实施开环控制。第五十八页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC59（2）当或时，说明误差在朝误差绝对值增大方向变化，或误差为某一常值，未发生变化。此时，如果，说明误差也较大，可考虑由控制器实施较强的控制作用，以达到扭转误差绝对值朝减小方向变化，并迅速减小误差的绝对值，控制器输出为第五十九页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC60

如果，说明尽管误差朝绝对值增大方向变化，但误差绝对值本身并不很大，可考虑控制器实施一般的控制作用，只要扭转误差的变化趋势，使其朝误差绝对值减小方向变化，控制器输出为第六十页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC61（3）当、或者时，说明误差的绝对值朝减小的方向变化，或者已经达到平衡状态。此时，可考虑采取保持控制器输出不变。（4）当、时，说明误差处于极值状态。如果此时误差的绝对值较大，即，可考虑实施较强的控制作用第六十一页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC62如果此时误差的绝对值较小，即，可考虑实施较弱的控制作用（5）当时，说明误差的绝对值很小，此时加入积分，减少稳态误差。第六十二页，共六十九页。2023/5/5ManlikeIC63

图中，Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅶ、…区域，误差朝绝对值减小的方向变化。此时，可采取保持等待措施