第九章仿人智能控制v2

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Biblioteka Baidu开口很小才能 达到如此效果
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第九章仿人智能控制v2
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
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Δ(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。
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l 9.1.3 仿人智能控制器的结构
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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。
u(k)=U,t0(k)= t0(k-1) （5）if |e(k)|<E, e(k)>0, Δe(k)>0
then u(k)=U,t0(k)= K2 t0(k-1) （6）if |e(k)|<E, e(k)>0, Δe(k)<0
then u(k)=U,t0(k)= K3 t0(k-1) （7） if |e(k)|<E, e(k)>0, Δe(k)<0
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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
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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。
then u(k)=U,t0(k)= K4 t0(k-1) （8） if |e(k)|<E, e(k)<0, Δe(k)>0
then u(k)=U,t0(k)= t0(k-1)
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（9） if E≤|e(k)|<M, e(k)>0, Δe(k)>0
then u(k)=U,t0(k)= K5 t0(k-1) （10）if E≤|e(k)|<M, e(k)>0, Δe(k)<0
=0.0375, =0.0001, =1.1812.
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仿人积分实际控制效果
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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。
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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
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9.2 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
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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：
1. 电炉温度控制 2. 水轮机速度,励磁控制
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Δen*Δen-1 表征极值
Δen*Δen-1>0 无极值 Δen*Δen-1<0 有极值 l B点： Δen*Δen-1<0 ; en*Δen>0 l C’点： Δen*Δen-1<0 ; en*Δen<0 l B点之后，偏差趋于减小，C’点之后，偏差
逐渐加大。
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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。
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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。
制根据变化趋势调节的特点。
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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。”
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智能开关控制的控制电压和偏差变化曲线
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静差
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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.
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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。
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
>0
Δe
<0 <0
>0
>0
<0
en*Δen <0
>0
<0
>0
<0
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en*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
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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 。
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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
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调节器参数的自动整定问题
l 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。
l 传统PID调节器无自适应能力。 l 研究专家PID或者智能PID十分必要。
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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
Tg
Tc
PLC
SCR
电炉
热电偶
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温度控制实际效果
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仿人智能比例液位控制 实验结果及参数分析
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：
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仿人智能控制算法
扩展：
积分 不积分
智能积分
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仿人积分仿真
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仿人积分仿真2
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仿人积分仿真3 抗扰动
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仿人PID控制算法仿真结果
then u(k)=U,t0(k)= K6 t0(k-1) （11）if E≤|e(k)|<M, e(k)<0, Δe(k)<0
then u(k)=U,t0(k)= K7 t0(k-1) （12）if E≤|e(k)|<M, e(k)<0, Δe(k)>0
then u(k)=U,t0(k)= K8 t0(k-1)
9.1.3 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
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3) 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
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。
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仿人比例温度控制仿真曲线
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仿真结果1
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仿真结果2
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温度控制系统硬件框图
PC
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图9.3 多变量仿人智能控制器的结构
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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。
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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 。
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逼近给定值，提高系统精度。
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控制原理：
初始给定＝1，yss0系统稳态输出值，ess0静差。 系第第有统二 三级进级稳入输态稳入输态给出定后为为，y增1s＋s加0 e给+sys定0s＋s值1,e静esss1差s。0-减>依小1此＋为下ees去sss01，。。 输出
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几个不同点的分析
l 点a,b,F的值均等于y，但动态特征不同
l 点a: 系统偏差有偏离平衡点的趋势； l 点b: 系统偏差有趋于平衡点的趋势； l 点F:系统偏差恰好达到极值。
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then
u(k)=U,t0(k)=T（全开）
(2) if |e(k)|≥M e(k)<0
then
u(k)=U,t0(k)=0（全关） (3) if e(k)=0, e(k-1)<0 then
u(k)=U,t0(k)=K1 t0(k-1)
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（4）if e(k)=0 ，e(k-1)>0 then
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偏差变化的姿态
l 与en*Δen联合使用，细化系统特征
l 例如，曲线BC(DE)中间一段，偏差变化较大 且偏差较大。
l 具体数值满足
l en*Δen<0且b<
<a
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Δen/Δen-1 表征偏差局部变化趋势
l Δen/Δen-1比值大,前期控制效果差
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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。
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12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
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
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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