2第二章 分级递阶智能控制

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北京科技大学自动化学院
智能科学与技术专业必修课
智能控制及其应用
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第二章 分级递阶智能控制
2.1 2.2
递阶智能控制基本原理 递阶智能控制系统应用举例
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2.1 递阶智能控制基本原理
☞ 分 级 递 阶 智 能 控 制 ( Hierachical Intelligent Control)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,是智能控制最早的理论之一。
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图2.4 分级递阶智能控制系统结构示意图
2.1 递阶智能控制基本原理
二、分级递阶智能控制系统的基本结构 二、分级递阶智能控制系统的基本结构
1.组织级(Organization level) 组织级是递阶智能控制系统的最高级,是智能系统的“大脑”,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际过程和环境的有关信息,选择 合理的控制模式并向低层下达,以实现预定的控制目标。 2.协调级(Coordination level) 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。 协调级可以进一步划分为两个分层: 控制管理分层与控制监督分 层 。控制管理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控制指令;控制监督分层的任务是保证、维持执行 级中各控制器的正常运行,并进行局部参数整定与性能优化。
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2.1 递阶智能控制基本原理
三、递阶智能控制的熵准则 三、递阶智能控制的熵准则 ☞ 对于不确定性问题,通常采用熵(Entropy)函数作为性能的度
量,以熵最小去确定最优控制策略。
☞ 从信息论的角度看,控制系统可以看作是信息系统,信息是对
事物不确定性的度量,增加信息是对不确定性的减少或消除。香农 (C.E.Shannon)提出的信息负熵是对信息不确定性的定量描述,系 统状态的不确定性可以由系统熵的概率密度指数函数获取。 对于离散的随机过程x,熵H(x)的定义为
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2.1 递阶智能控制基本原理
一、递阶控制的基本原理 一、递阶控制的基本原理
全局组织级
… …
局部协调级1

局部协调级m
局部 控制器1

局部 控制器i

局部 控制器j

局部 控制器n
子系统1
… 子系统i

子系统j

子系统n
被控对象或过程 图2.3 递阶控制系统框图
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2.1 递阶智能控制基本原理
一、递阶控制的基本原理 一、递阶控制的基本原理 递阶控制系统主要有以下3种基本的递阶形式: 种基本的递阶形式 ①多重描述(Stratified description):主要从建模角 多重描述 度考虑; ②多层描述(Multilayer description):把一个复杂的 多层描述 决策问题进行纵向分解; ③多级描述(Multilevel description):考虑各子系统 多级描述 之间的关联,将每一层的决策问题横向分解。 这三种递阶形式可以单独或组合存在于一个大系统之中。
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2.1 递阶智能控制基本原理
一、递阶控制的基本原理 一、递阶控制的基本原理 1.大系统的基本控制结构 对于复杂的大系统,由于系统阶次高、子系统相互关联, 系统的评价指标多且有时相互矛盾,因此在分析大系统的控制 问题时,一般把大系统的控制分为互相关联的子系统的控制问 题来处理。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3种基本类型: 集中控制系统 分散控制系统 递阶控制系统
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2.1 递阶智能控制基本原理
三、递阶智能控制的熵准则 三、递阶智能控制的熵准则 ☞ 对于图2.4所示的多级递阶智能控制系统,从最低级执行 级 → 次高级协调级 → 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,此类结构具 有以下特点: 1)越是处于高层的控制器,对系统的影响也越大; 2 ) 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。 可见,递阶智能控制的智能主要体现在高层次上,在高层 次遇到的问题往往具有不确定性。因此,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。这样分级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。
2.2 递阶智能控制系统应用举例
一、机械手分级递阶智能控制系统 一、机械手分级递阶智能控制系统 ☞ 该机械手分级递阶智能控制系统的第一级为组织级;第二级协
调级由一个分配器和视觉系统协调器、机械臂协调器以及传感器协 调器组成;第三级执行级由上臂控制器与手部控制器组成,实现对6 个关节与1个夹手的具体控制。
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2.1 递阶智能控制基本原理
二、分级递阶智能控制系统的基本结构 二、分级递阶智能控制系统的基本结构 3.执行级(Execution level) ☞ 执行级是递阶智能控制系统的最低一级,由多个硬件控制 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,通过执行机构作用于被控对象(过程);同时执 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。
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2.1 递阶智能控制基本原理
二、分级递阶智能控制系统的基本结构 二、分级递阶智能控制系统的基本结构
第一级 组织级 智 能 递 增 组织级控制器 人机接口 最高决策
分配器 第二级 协调级 控制管理 控制监督
协调器

协调器
第三级 硬件控制器 执行级

硬件控制器
传感器 执行器
对象
过程

过程
精 度 递 增
0
递阶系统协调控制的任务是通过协调控制,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。
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2.1 递阶智能控制基本原理
二、分级递阶智能控制系统的基本结构 二、分级递阶智能控制系统的基本结构 ☞ 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。 ☞ 在递阶控制系统中应用智能控制便形成了多级递阶智能控 制。多级递阶智能控制系统的结构与一般的多级递阶控制系统 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能力。 ☞ 由萨里迪斯提出的分级递阶智能控制理论按照“精度随智 能 提 高 而 降 低 ” ( IPDI , Increasing Precision with Decreasing Intelligence ) 原 则 分 级 管 理 系 统 , 它 由 组 织 级、协调级、执行级组成,如图2.4所示。
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2.2 递阶智能控制系统应用举例
一、机械手分级递阶智能控制系统 一、机械手分级递阶智能控制系统
第一级 组织级 输入指令 组织级控制器 分配器 第二级 协调级 传感器协调器 手臂协调器 视觉协调器
第三级 执行级
传感器
上臂控制器
手部控制器
摄像机
对象
关节1~3
关节4~6
手指
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图2.5 机械手分级递阶智能控制系统结构示意图
Pi (λ ) 代替Pi,有
[ P1 ( λ ), P2 ( λ ), L , Pn ( λ )] λ 0 → λ * 的解 ⇒ P 的解
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2.1 递阶智能控制基本原理
一、递阶控制的基本原理 一、递阶控制的基本原理
递阶控制的协调问题便是选择适当的 λ ,从初值 λ 通过迭 代到达终值 λ * ,使递阶控制达到最优。
控制中心
子系统1
… 被控对象或过程
Baidu Nhomakorabea
子系统n
图2.1 集中控制系统框图
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2.1 递阶智能控制基本原理
一、递阶控制的基本原理 一、递阶控制的基本原理 ②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。此类结构的 优点在于局部故障不至于影响整个系统,但全局协调运行较困难。 分散控制系统的一般结构如图2.2所示。
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2.1 递阶智能控制基本原理
一、递阶控制的基本原理 一、递阶控制的基本原理 2.递阶控制的基本原理 递阶控制的基本原理是把一个总体问题 P 分解成若干有限 数量的子问题 Pi ( i=1, 2 , … , n )。总体问题 P 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,有 [P1, P2, … , Pn]的解 ⇒ P 的解 考虑到子问题之间因存在关联而可能产生冲突(即耦合作 用),现引入一个协调参数,以解决关联产生的目标冲突。用
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2.2 递阶智能控制系统应用举例
一、机械手分级递阶智能控制系统 一、机械手分级递阶智能控制系统 ☞ 递阶智能控制理论作为较早的智能控制理论,自20世纪70 年代以来,已经被应用于不同设备、系统的专项研究和工业应 用。早期的递阶智能系统有实验室机器人控制器、核电站控制 器等。 ☞ 20世纪80年代以来,工业过程控制、工业机器人控制等开 始逐渐采用递阶智能控制理论。 机械手分级递阶智能控制系统 美国普渡大学(Purdue University)高级自动化研究实 验室(AARL)成功地将分级递阶智能控制理论应用于机器人控 制中,设计了一个PUMA600机械手智能控制系统。图2.5给出了 该机器人的三级递阶结构。
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2.1 递阶智能控制基本原理
一、递阶控制的基本原理 一、递阶控制的基本原理 ①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。其优点是系统 运行的有效性较高,便于分析与设计;缺点是一旦控制中心出现故 障,则整个系统将瘫痪。集中控制系统的一般结构如图2.1所示。
H ( x) = −∑ P( x) ln P( x)
对于连续随机过程x,有
H ( x) = − ∫ P ( x) ln P ( x)dx = − E[ln P ( x)]
式中,P[x]为x的概率密度函数;E[ ]为期望值。 概率密度函数 期望值
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2.1 递阶智能控制基本原理
三、递阶智能控制的熵准则 三、递阶智能控制的熵准则 ☞ 由熵的表达式可知,熵越大就表明不确定性越大,时间序 列越随机,功率谱越平坦。而选择对数度量信息的方便之处在 于两个信息相加的总信息量等于每个信息单独存在时各自信息 量之和。 ☞ 在萨里迪斯的递阶智能控制系统中,对智能控制系统的各 级采用熵作为测度。组织级是智能控制系统的最高层次,可以 采用熵来衡量所需要的知识;协调级连接组织级与执行级,可 以采用熵测量协调的不确定性;而在执行级,熵函数表示系统 的执行代价,等价于系统所消耗的能量。每一级的熵相加成为 总熵,可以用于表示控制作用的总代价。设计和建立递阶智能 控制系统的原则就是使所得总熵为最小。
控制中心 分散控制器1 … 分散控制器i … 分散控制器n
子系统1

子系统i 被控对象或过程

子系统n
图2.2 分散控制系统框图
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2.1 递阶智能控制基本原理
一、递阶控制的基本原理 一、递阶控制的基本原理 ③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成时,可将系 统所有决策单元按照一定优先级和从属关系递阶排列,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,形成金字塔 形结构。 此类结构的优点是全局与局部控制性能都较高,灵活性与 优点 可靠性好,任何子过程的变化对决策的影响都是局部性的。递 阶控制系统的一般结构如图2.3所示。
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2.1 递阶智能控制基本原理
二、分级递阶智能控制系统的基本结构 二、分级递阶智能控制系统的基本结构 ☞ 协调级一般由多个协调控制器和分配器组成,每个协调控 制器既接受组织级的命令,又负责多个执行级控制器的协调。 ☞ 分配器的任务是将组织级给定的基本事件(任务)的顺序 变换成面向协调器的控制动作,并在适当时刻把它们分配给相 应的协调器。在完成任务后,分配器也负责生成反馈信息,送 回给组织级。 ☞ 协调级是组织级与执行级之间的接口,运算精度相对较 低,但有较高的决策能力与一定的学习能力。
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