仿人智能控制培训课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2014/4/18,Manlike IC,#,2024/8/26,Manlike IC,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,2024/8/26,Manlike IC,2,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。,2024/8/26,Manlike IC,3,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。,2024/8/26,Manlike IC,4,9.1.1,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。,2024/8/26,Manlike IC,5,PID,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,2024/8/26,Manlike IC,6,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,。,2024/8/26,Manlike IC,7,9.1.2,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,2024/8/26,Manlike IC,8,2024/8/26,Manlike IC,9,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。,2024/8/26,Manlike IC,10,9.1.3,系统特性的模式识别,根据输出,偏差,e,和偏差变化,e,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,:,e,n,=r-y,n,偏差变化,:,e,n,=,e,n,e,n-,1,2024/8/26,Manlike IC,11,3),e,*,e,e,*,e,的符号,，表征动态偏差变化情况.,0,离开,平衡点,0,0,0,0,e,0,0,0,0,e,n,*,e,n,0,0,0,偏差加大, 偏差的绝对值逐渐增大,e,n*,e,n,0,无极值,e,n*,e,n-,1,0,有极值,B,点,：,e,n*,e,n-1,0,C,点：,e,n*,e,n-1,0 ;,e,n*,e,n,0,B,点之后，偏差趋于减小，,C,点之后，偏差逐渐加大。,2024/8/26,Manlike IC,14,与,e,n*,e,n,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,e,n*,e,n,0,且,b, 0,超调阶段,ABC,段,(,e,)0then,u,(,k,),=U,t,0,(,k,),=T,（,全开）,(2)if |,e,(,k,)|,M,e,(,k,)0then,u,(,k,),=U,t,0,(,k,),=,0（,全关）,(3) if,e,(,k,),=0,e,(,k-,1)0,then,u,(,k,),=U,t,0,(,k,),= t,0,(,k-,1),（5）if |,e,(,k,)|0,e,(,k,)0,then,u,(,k,),=U,t,0,(,k,),= K,2,t,0,(,k-,1),（6）if |,e,(,k,)|0,e,(,k,)0,then,u,(,k,),=U,t,0,(,k,),= K,3,t,0,(,k-,1),（7）,if |,e,(,k,)|0,e,(,k,)0,then,u,(,k,),=U,t,0,(,k,),= K,4,t,0,(,k-,1),（8）,if |,e,(,k,)|,E,e,(,k,)0,then,u,(,k,),=U,t,0,(,k,),= t,0,(,k-,1),2024/8/26,Manlike IC,26,（,9） if,E,|,e,(,k,)|0,e,(,k,)0,then,u,(,k,),=U,t,0,(,k,),= K,5,t,0,(,k-,1),（10）if,E,|,e,(,k,)|0,e,(,k,)0,then,u,(,k,),=U,t,0,(,k,),= K,6,t,0,(,k-,1),（11）if,E,|,e,(,k,)|,M,e,(,k,)0,e,(,k,)0,then,u,(,k,),=U,t,0,(,k,),= K,7,t,0,(,k-,1),（12）if,E,|,e,(,k,)|,M,e,(,k,)0,then,u,(,k,),=U,t,0,(,k,),= K,8,t,0,(,k-,1),2024/8/26,Manlike IC,27,参数意义：,E,允许偏差的绝对值,ME,给定常数，,t,0,(,k,)，,t,0,(,k-,1),分别为本次和上次控制量输出时间。,K,i,为依据经验整定的系数。,2024/8/26,Manlike IC,28,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。,2024/8/26,Manlike IC,29,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，,m1,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,。,2024/8/26,Manlike IC,30,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,2024/8/26,Manlike IC,31,9.2.2,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。,2024/8/26,Manlike IC,32,2024/8/26,Manlike IC,33,控制原理：,初始给定,1,，,y,ss0,系统稳态输出值，,e,ss0,静差。系统进入稳态后，增加给定值,e,ss0,-1,e,ss0,。,第二级稳态输出为,y,ss0,+,y,ss1,静差,减小为,e,ss1,。,第三级输入给定为1,e,ss,0,e,ss,1,。,依此下去，有,输出,静差,2024/8/26,Manlike IC,34,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,.,2024/8/26,Manlike IC,35,规则为,：,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。,K,p,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。,2024/8/26,Manlike IC,36,仿人比例温度控制仿真曲线,2024/8/26,Manlike IC,37,仿真结果,1,2024/8/26,Manlike IC,38,仿真结果,2,2024/8/26,Manlike IC,39,温度控制系统硬件框图,PLC,SCR,电炉,PC,Tg,Tc,热电偶,2024/8/26,Manlike IC,40,温度控制实际效果,2024/8/26,Manlike IC,41,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：,2024/8/26,Manlike IC,42,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,2024/8/26,Manlike IC,43,9.2.3,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,2024/8/26,Manlike IC,44,2024/8/26,Manlike IC,45,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。,2024/8/26,Manlike IC,46,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,*,e,0,或,e=,0,且,e,0,时 ，对偏差积分,当,e,*,e,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,2024/8/26,Manlike IC,47,仿人智能控制算法,积分,不积分,扩展：,智能积分,2024/8/26,Manlike IC,48,仿人积分仿真,2024/8/26,Manlike IC,49,仿人积分仿真,2,2024/8/26,Manlike IC,50,仿人积分仿真,3,抗扰动,2024/8/26,Manlike IC,51,仿人,PID,控制算法仿真结果,=0.0375,=0.0001,=1.1812.,2024/8/26,Manlike IC,52,仿人积分实际控制效果,2024/8/26,Manlike IC,53,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,2024/8/26,Manlike IC,54,9.3,专家,PID,控制,一、专家,PID,控制原理,2024/8/26,Manlike IC,55,PID,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。,2024/8/26,Manlike IC,56,图 典型二阶系统单位阶跃响应误差曲线,2024/8/26,Manlike IC,57,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,2024/8/26,Manlike IC,58,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。,2024/8/26,Manlike IC,59,（,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,2024/8/26,Manlike IC,60,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,2024/8/26,Manlike IC,61,（,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,2024/8/26,Manlike IC,62,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。,2024/8/26,Manlike IC,63,图中，,、,、,、,、,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，相当于实施开环控制；,、,、,、,、,区域，误差绝对值朝增大的方向变化。此时，可根据误差的大小分别实施较强或一般的控制作用，以抑制动态误差。,2024/8/26,Manlike IC,64,二、仿真程序及分析,仿真实例,求三阶传递函数的阶跃响应,其中对象采样时间为,1,ms,。,采用专家,PID,设计控制器。在仿真过程中， 取,0.001,，,程序中的五条规则与控制算法的五种情况相对应。,仿真程序：,chap2_1.m,2024/8/26,Manlike IC,65,实时控制试验,基于综合策略的智能,PID,算法程序设计流程图如下,：,返回,2024/8/26,Manlike IC,66,用于控制封闭式电热炉，设定值为,500,时,2024/8/26,Manlike IC,67,用于控制普通式电炉，设定值为,150,时,2024/8/26,Manlike IC,68,本章,小结,人的控制依赖于其丰富的经验，而不是对象的数学模型。人可以在线确定控制策略。,基本原理是模仿人的启发式自觉推理逻辑，通过特征辨识判断系统所处的特征状态，进行多模态控制。,本章介绍了仿人智能开关控制，仿人比例控制，仿人智能积分控制，仿人,PID,及专家,PID,控制等。,仿人智能控制研究的不是被控对象，而是如何设计控制器，模仿专家经验和知识结构，实现优化控制。,