仿人智能控制课题论文报告

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1、目录1、引言22、PID控制原理与设计2(1) 开环控制系统2(2) 闭环控制系统3(3) 阶跃响应3(4) PID控制的原理和特点33、仿人智能控制原理与设计54、系统仿真设计与分析6(1) 伺服控制系统仿真6(2) 定值控制系统仿真7(3) 伺服控制下系统仿真结果8(4) 定值控制下系统仿真结果10(5) 系统仿真心得体会111、引言工业生产对象大多在不同程度上存在着纯滞后，例如流量控制系统因传输管 道引起的纯滞后、流体成分在线分析引起的纯滞后等等。在这些过程中，纯T滞 后使得被调量不能及时反映控制信号的动作，控制信号的作用只有在延迟T以后 才能反映到被调量；另一方面，当对象受到干扰而引起

2、被调量改变时，控制器产 生的控制作用不能立即对干扰产生抑制作用。因此，含有纯滞后环节的闭环控制 系统必然存在较大的超调量和较长的调节时间。纯滞后对象也因此而成为难控的 对象，而且，纯滞后T占整个动态过程的时间越长，难控的程度越大。纯滞后系 统的控制一直受到许多学者的关注，成为重要的研究课题之一。最初，Ziegle Nichols对纯滞后系统提出了常规PID控制器参数的整定方法，解决了t/T = 0.15 0.6的纯滞后对象的控制问题，然而对于具有更大纯滞后的系统，该方法显得力 不从心。1959年，O.J.Smith发表了题为 “A Controller to Overcome Dead Tim

3、e ” 的论文，提出了著名的Smith预估器来控制含有纯滞后环节的对象，从理论上解 决了纯滞后系统的控制问题。之后，许多学者对Smith预估器进行了改进，得到 了更好的结果。但由于不可能获得实际系统的精确数学模型，使得该方法很难得 到实际应用。因此，研究一种适合于大纯滞后、特大纯滞后对象的实用控制方法 就显得相当重要。本文首先简要介绍了常规PID控制器控制纯滞后对象的方法，然后介绍了作 者提出的仿人智能控制器在超大纯滞后对象中的应用，最后给出了t=10, t=20, t=30的超大纯滞后对象的仿真结果，及作出相应对比。结果表明该方法对于超大 纯滞后系统具有较好的控制性能。2、PID控制原理与设

4、计自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制 器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。不同的控制系统，其传感器、 变送器、执行机构是不一样的，其中PID控制，其参数的自动调整是通过智能化 调整或自校正、自适应算法得以实现。(1) 开环控制系统开环控制系统(open-loop control system)是指被控对象的输出(被控制量)对控 制器(controller )的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来 以形成任何闭环回路。(2) 闭环控制系统闭环控制系统(closed-loop control system)的特点是系统被控对象的输出(被 控

5、制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有 正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈(Negative Feedback)，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又 称负反馈控制系统。闭环控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈的闭 环控制系统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作出 各种正确的动作。如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系 统。(3) 阶跃响应阶跃响应是指将一个阶跃输入(step function)加到系统上时，系统的输出。 稳态误差是指系统的响应进入稳态后，系统的期望输出与

6、实际输出之差。控制系 统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。稳是指系统的稳定性stability), 个 系统要能正常工作，首先必须是稳定的，从阶跃响应上看应该是收敛的；准是指 控制系统的准确性、控制精度，通常用稳态误差来(Steady-state error)描述，它表 示系统输出稳态值与期望值之差；快是指控制系统响应的快速性，通常用上升时 间来定量描述。(4) PID控制的原理和特点在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制， 简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构 简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之

7、一。当被控 对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它 技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这 时应用PID控制技术最为方便。即，当我们不完全了解一个系统和被控对象，或 不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制， 实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微 分计算出控制量进行控制的。采用不同的PID参数，控制系统的效果大不相同，系统的闭环特性很大程 度上取决于PID控制器的性能，因此控制器参数的调节和优化决定着PID控制 系统最终能达到的控制性能。工业中常见的PID控

8、制器的控制形式为：W(0 =心总十右j已(门肝4冇号$其中u(t)为控制器的输出信号，e(t)的定义为 = Kf)-W),(r(t)为系统的参考输入信号)；Kp为比例环节比例系数；Td为微分环节时间常数；Ti为积 分环节时间常数。其结构如图2.1所示。图2.1 PID控制结果模型比例(P)控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例 关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(Steady-state error)。积分(I)控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自 动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差

9、的或简称有差系统(System with Steady-state Error)。为了消除稳态误差，在控制 器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积 分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动 控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI) 控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。微分(D)控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成 正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。 其原因是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后(delay)组件，具有抑制误

10、差 的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化 “超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器 中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需 要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制 器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量 的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改 善系统在调节过程中的动态特性。从PID控制器的3个参数KP、Ti、Td的作用可以看出3个参数直接影响控 制效果的好坏，所以要取得较好的控制效果，就必须对比

11、例、积分、微分3种控 制作用进行调节。总之，比例主要用于偏差的“粗调”，保证控制系统的“稳”； 积分主要用于偏差的“细调”，保证控制系统的“准”；微分主要用于偏差的“细 调”，保证控制系统的“快”。而本次simulink下的仿真实验正是为了能够准确地将PID控制器与仿人智 能控制器做出很好的对比。3、仿人智能控制原理与设计“仿人智能控制(Human-Simulated Intelligent Control，简称 HSIC)理论 及其应用研究是由重庆大学周其鉴教授最早倡导和提出，并由李祖枢教授和涂亚 庆教授进一步发展并完善成为一门新兴的智能控制理论。HSIC的基本思想是： 模仿人的动觉智能原理

12、，认识并建立被控对象运动特征模型，进行直觉推理 和启发完成特征辨别和特征记忆，再根据不同类型特征采用不同的控制模态和策 略实现变结构多模态控制。仿人智能控制以其灵活多变，基于现场应用的策略表 现出了突出的优势,它摒弃了复杂的推理和运算，直接吸取人工操作的专家经验， 模仿人脑的智能识别、智能决策，对复杂不确定性系统进行有效控制。该方法用 计算机模拟人的控制行为，最大限度地识别和利用控制系统动态过程所提供的特 征信息，进行启发和直觉推理，引入一些非线性的控制方式，借助经验和直观判 断采取灵活机动的方法(如突变增益、智能积分等多种途径)，实现对对象的有 效控制，解决控制系统中存在的稳定性和准确性之间

13、调节的矛盾。具体而言，仿 人智能控制就是根据被控对象偏差变化的大小、方向及速率等动态特征，采取变 参数，智能积分、开闭环结合等非线性的方法来实现快速、稳定的控制。女口，设一个具有超大滞后环节的高阶滞后过程对象的数学模型为：5（1 + S）n保持模态a = Kp + Ki t卜卜# 円控制模态式中，K为对象的静态增益；Kp为PI控制的比例系数；Ki为PI控制的积 分系数初始值；为系统设定的变化量；0为模态切换阈值。定值控制：.泸十口匈t間U0艸整制模态式中，自沁为系统误差的第一次峰值。根据上述仿人智能控制器的设计方法，设计出的HSIC控制器模型框图如图3.1所示:图3.1 HSIC控制器模型由于

14、被控对象的静态增益K=5,当伺服输入阶跃信号，的幅值由0变化为1时，则伺服控制中保持模态下仿人智能控制器的输出为 ；在后文展示的定值控制系统中令系统输入为0,则在扰动为 阶跃信号(幅值由0变为1),可以近似初始认为，则定值控制中保持模态下仿人智能控制器的输出为，由此可见，两种控制系统中保持模态下仿人智能控制器的输出是相同的，在实际系统参数调节过程中只需调节 0、Kp、Ki即可。4、系统仿真设计与分析(1) 伺服控制系统仿真伺服控制作用下，系统的仿真模型如图4.1所示，该模型中包括了无控制器 作用时的闭环系统模型、含PID控制器的闭环系统模型、含仿人智能控制器HSIC 的闭环系统模型。图4.1伺

15、服控制下系统仿真模型在该系统中阶跃信号发生器Step，的最终值被设为1,阶跃动作时刻为t=1s, 则在t=10s, t=20s, t=30s三种不同的滞后时间下，且系统输出响应最优时，PID 控制器、HSIC控制器参数调节情况分别如表1、表2所示。表1 PID调节参数（伺服控制）PID参数滞后时间PIDv= 100.07420.0120r 20s0.002450.0050v= 30s0.00250.00350表2 HSIC调节参数（伺服控制）HSIC参数滞后时间r= 100.10.0250.0138t = 20e0.050.00830.00815r= 30s0.050.00830.0058（2）定值控制系统仿真定值控制作用下，系统的仿真模型如图4.2所示，该模型中包括了无控制器 作用时的闭环系统模型、含PID控制器的闭环系统模型、含仿人智能控制器HSIC 的闭环系统模型。图4