《智能控制基礎(chǔ)》第5章仿人智能控制-清華大學(xué)出版社

智能限制技術(shù)第5章仿人智能限制

二零一一年三月仿人智能限制 仿人智能限制器的原型算法最初是在1979年由重慶高校周其鑒教授等人提出來的，1983年在國際學(xué)術(shù)刊物上正式發(fā)表。經(jīng)過二十多年來的探討發(fā)展，仿人智能限制已經(jīng)形成了比較完善的基本理論體系和較系統(tǒng)的限制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，并在實(shí)踐中得到了成功應(yīng)用。它從新的角度比較干脆地模擬人的智能，建立了智能限制技術(shù)的一個(gè)新分支。第5章主要內(nèi)容5.1仿人智能限制的原理5.2仿人智能限制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)5.3仿人智能限制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)5.4仿人智能限制實(shí)例5.1仿人智能限制的原理5.1.1仿人智能限制的基本思想5.1.2仿人智能限制的算法原型5.1.3仿人智能限制器算法原型中的智能屬性5.1仿人智能限制的原理5.1.1仿人智能限制的基本思想 智能限制的本質(zhì)就是模擬人的智能方式或行為，而由于人腦的智能優(yōu)勢(shì)，很多手動(dòng)限制的效果是目前自動(dòng)限制還無法達(dá)到的。如空中格斗的飛機(jī)操縱，困莫非路上的汽車駕駛，運(yùn)用自如的雜技與體操表演，以及一些困難的工業(yè)過程和大系統(tǒng)的限制。對(duì)于困難而未知的被控對(duì)象，能嫻熟操作該對(duì)象的專家手動(dòng)限制是一般限制機(jī)器所無法比擬的。 仿人智能限制（Human-SimulatedIntelligentControl，HSIC）主導(dǎo)思想就是，在對(duì)人體限制結(jié)構(gòu)宏觀模擬的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討人的“身體-動(dòng)覺智能”，即人的限制行為功能，并加以模擬。5.1仿人智能限制的原理5.1.1仿人智能限制的基本思想 仿人智能限制探討的基本方法是：從分級(jí)遞階智能限制系統(tǒng)的最低層運(yùn)行限制級(jí)著手，充分利用已有的限制理論成果和計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果，干脆對(duì)人的限制閱歷、技巧和各種直覺推理邏輯進(jìn)行測(cè)量、概括和總結(jié)；并將其組織成各種簡潔好用、精度高、能實(shí)時(shí)運(yùn)行的限制算法，并干脆應(yīng)用于實(shí)際限制系統(tǒng)，進(jìn)而建立起系統(tǒng)的仿人智能限制理論體系。 這種計(jì)算機(jī)限制算法，以人對(duì)限制對(duì)象的視察、記憶、決策等智能的仿照作為基礎(chǔ)，依據(jù)被調(diào)量與給定值的誤差以及誤差的變更趨勢(shì)來確定限制策略。從人工智能問題求解的基本觀點(diǎn)來看，一個(gè)限制系統(tǒng)的運(yùn)行，事實(shí)上就是限制機(jī)構(gòu)對(duì)限制問題的一個(gè)求解過程。因此，仿人智能限制探討的主要目標(biāo)不是被控對(duì)象，而是限制器本身如何對(duì)限制專家的結(jié)構(gòu)和行為進(jìn)行模擬。因而從仿人智能限制的角度來看，智能限制系統(tǒng)是人體限制系統(tǒng)的一種同態(tài)變換。5.1仿人智能限制的原理5.1.1仿人智能限制的基本思想 仿人智能限制理論認(rèn)為，智能限制是對(duì)限制問題求解的二次映射的信息處理過程，即從“認(rèn)知”到“推斷”的定性推理過程和從“推斷”到“操作”的定量限制過程。仿人智能限制不僅具有其他智能限制如模糊限制、專家限制等技術(shù)方法的并行、邏輯限制和語言限制的特點(diǎn)，而且還具有以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)限制的解析定量限制的特點(diǎn)。 仿人智能限制在結(jié)構(gòu)和功能上具有以下基本特征： （1）分層遞階的信息處理和決策機(jī)構(gòu)（高階產(chǎn)生式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)）； （2）在線的特征辨識(shí)和特征記憶； （3）開、閉環(huán)限制相結(jié)合、定性決策與定量限制結(jié)合的多模態(tài)限制； （4）啟發(fā)式和直覺推理邏輯的綜合運(yùn)用。5.1仿人智能限制的原理5.1.1仿人智能限制的基本思想 仿人智能限制在結(jié)構(gòu)上具有分級(jí)遞階的限制結(jié)構(gòu)，遵循“智能增加而相應(yīng)精度降低”（IPDI）原則。不同于Saridis的分級(jí)遞階結(jié)構(gòu)理論，仿人智能限制認(rèn)為：其最低層運(yùn)行限制級(jí)不僅僅由常規(guī)限制器構(gòu)成，還要具有確定的智能，以滿足實(shí)時(shí)、高速、高精度的限制要求。正如1992年美國國家自然科學(xué)基金會(huì)與美國電力科學(xué)探討院聯(lián)合發(fā)起的探討智能限制倡議書中所強(qiáng)調(diào)那樣：“探討工作應(yīng)開拓新途徑去提出問題，去設(shè)計(jì)智能限制器，而不是把傳統(tǒng)的限制方法（如較低層的PID限制器）與高層的以規(guī)則為基礎(chǔ)的限制器簡潔而松散地聯(lián)系在一起”。5.1仿人智能限制的原理5.1.2仿人智能限制的算法原型 仿人智能限制器的基本算法以嫻熟操作者的視察、決策等智力行為做基礎(chǔ)，依據(jù)被調(diào)量的誤差及誤差的變更趨勢(shì)來確定限制策略，因他接近于人的思維方式。當(dāng)限制系統(tǒng)的限制誤差區(qū)域增大時(shí)，仿人限制器輸出猛烈的限制作用，抑制誤差的增加；而當(dāng)誤差有回零趨勢(shì)，起先下降時(shí)，仿人限制器減小限制作用，等待觀測(cè)系統(tǒng)的變更；同時(shí)限制器不斷地記錄誤差的極值，校正限制器的限制點(diǎn)以適應(yīng)變更的要求。仿人智能限制器的算法原型為： 其中u為限制輸出，Kp為比例系數(shù)，k為抑制系數(shù)；e為誤差；為誤差變更率；em,i為誤差第i次峰值。5.1仿人智能限制的原理5.1.2仿人智能限制的算法原型 如圖5-1表現(xiàn)了誤差相平面上的特征及相應(yīng)的限制模態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)誤差處于誤差相平面的第一與第三象限，即或且時(shí)，仿人智能限制器工作于比例限制模態(tài)；而當(dāng)誤差處于誤差相平面的其次與第四象限，即或時(shí)，仿人智能限制器工作于保持限制模態(tài)。圖5-1誤差相平面上的限制模態(tài)5.2仿人智能限制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)5.2仿人智能限制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)5.2.1仿人智能限制的瞬態(tài)性能指標(biāo)5.2.2仿人智能限制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法5.2仿人智能限制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)5.2.1仿人智能限制的瞬態(tài)性能指標(biāo) 一個(gè)動(dòng)態(tài)限制系統(tǒng)的限制性能，主要從快速性、穩(wěn)定性和精確性這三方面去描述和衡量。特殊是對(duì)它們的定量描述，構(gòu)成了表現(xiàn)限制系統(tǒng)性能優(yōu)良度的主要指標(biāo)，追求好的性能指標(biāo)是限制器和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。 因?yàn)橄拗葡到y(tǒng)是動(dòng)態(tài)的，在傳統(tǒng)限制理論中，性能指標(biāo)可以依據(jù)特定的階躍輸入的瞬態(tài)響應(yīng)來定義，或依據(jù)系統(tǒng)的頻域響應(yīng)來定義，也可以從系統(tǒng)誤差在某種條件下的泛函積分的最小值來建立用于評(píng)價(jià)的性能指標(biāo)。5.2仿人智能限制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)5.2.1仿人智能限制的瞬態(tài)性能指標(biāo) 在系統(tǒng)的性能指標(biāo)中，階躍響應(yīng)的超調(diào)量MP表明白系統(tǒng)限制的平穩(wěn)程度，即系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性，上升時(shí)間Tr和調(diào)整時(shí)間Ts是衡量系統(tǒng)快速程度的參數(shù)，而穩(wěn)態(tài)誤差Es則描述了系統(tǒng)的靜態(tài)精度。但在經(jīng)典的時(shí)域設(shè)計(jì)中，除線性二階系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以用公式干脆計(jì)算外，其它都還難以干脆計(jì)算。一般說來，經(jīng)典時(shí)域性能指標(biāo)只能作為最終調(diào)整的工具，而在設(shè)計(jì)中三方面的性能指標(biāo)又難以兼顧。 經(jīng)典的頻域性能指標(biāo)可以干脆用于高階系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其中帶寬、截止頻率、諧振峰值和諧振頻率的確定，描述了系統(tǒng)的快速性；增益裕度、相位交界頻率、相位裕度和增益交界頻率等，則定量描述了系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性。但傳統(tǒng)限制理論的設(shè)計(jì)，由于限制器結(jié)構(gòu)為單模態(tài)的輸入輸出映射關(guān)系，無法實(shí)現(xiàn)快速性、穩(wěn)定性和精確性這三方面性能指標(biāo)的兼顧。5.2仿人智能限制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)5.2.1仿人智能限制的瞬態(tài)性能指標(biāo) 誤差泛函積分評(píng)價(jià)指標(biāo)是一種更為一般的廣義的性能指標(biāo)評(píng)價(jià)函數(shù)，它是限制系統(tǒng)瞬時(shí)誤差函數(shù)e(t)的泛函積分，如： （1）誤差積分最小的性能指標(biāo)： （1）誤差平方積分最小的性能指標(biāo)： （1）時(shí)間乘以誤差平方積分最小的性能指標(biāo)： （1）時(shí)間乘以誤差確定值積分最小的性能指標(biāo)：5.2仿人智能限制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)5.2.1仿人智能限制的瞬態(tài)性能指標(biāo) 這些積分評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合反映了系統(tǒng)上述三方面的性能，但由它設(shè)計(jì)出的最優(yōu)限制器也只能做到在多個(gè)時(shí)域性能指標(biāo)中進(jìn)行折中，而無法實(shí)現(xiàn)他們之間的兼顧。 傳統(tǒng)限制中以經(jīng)典的時(shí)域性能指標(biāo)和最優(yōu)限制的誤差泛函積分評(píng)價(jià)指標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行的設(shè)計(jì)特殊重要，但也存在著很大的局限性。經(jīng)典的時(shí)域性能指標(biāo)特殊直觀，但不能干脆用于設(shè)計(jì)，只能作為設(shè)計(jì)結(jié)束后的評(píng)價(jià)。傳統(tǒng)的單模態(tài)限制方式在設(shè)計(jì)時(shí)無法兼顧全部的指標(biāo)。最優(yōu)限制的誤差泛函積分評(píng)價(jià)指標(biāo)雖然可干脆參與設(shè)計(jì)，但只能在各經(jīng)典的時(shí)域性能指標(biāo)中折中。特殊應(yīng)當(dāng)指出的是，傳統(tǒng)限制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必需基于對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型。圖5-4志向的系統(tǒng)閉環(huán)誤差響應(yīng)5.2仿人智能限制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)5.2.1仿人智能限制的瞬態(tài)性能指標(biāo) 仿人智能限制器基于特征模型、特征辨識(shí)的多模態(tài)限制方式為實(shí)現(xiàn)各經(jīng)典時(shí)域性能指標(biāo)之間的兼顧建立了基礎(chǔ)。在仿人智能限制器的設(shè)計(jì)中，為設(shè)計(jì)特征模型和限制模態(tài)集，并整定它們中的參數(shù)，須要建立一種能夠依據(jù)系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)推斷系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)與目標(biāo)狀態(tài)的差距以及當(dāng)前運(yùn)行趨勢(shì)好壞的指標(biāo)，并作為設(shè)計(jì)用的目標(biāo)函數(shù)。這就是一種能夠評(píng)價(jià)系統(tǒng)運(yùn)行瞬態(tài)品質(zhì)的性能指標(biāo)，能夠兼顧各時(shí)域性能指標(biāo)，其動(dòng)態(tài)過渡過程在誤差-時(shí)間相空間中將畫出一條志向的誤差時(shí)相軌跡。這條志向誤差時(shí)相軌跡構(gòu)成了設(shè)計(jì)和實(shí)時(shí)限制過程中的瞬態(tài)性能指標(biāo)。圖5-5具有志向性能的系統(tǒng)誤差時(shí)相軌跡5.2仿人智能限制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)5.2.1仿人智能限制的瞬態(tài)性能指標(biāo) 圖5-5顯示了與圖5-4對(duì)應(yīng)的志向的系統(tǒng)閉環(huán)階躍響應(yīng)的誤差時(shí)相軌跡，仿人智能限制器特征模型與限制決策模態(tài)集的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)符合志向的誤差時(shí)相軌跡。 將能評(píng)價(jià)智能限制系統(tǒng)運(yùn)行的瞬態(tài)品質(zhì)，并能兼顧系統(tǒng)快速性、穩(wěn)定性和精確性指標(biāo)要求的志向誤差時(shí)相軌跡，稱為智能限制系統(tǒng)的瞬態(tài)性能指標(biāo)。 無論是定值限制還是伺服限制，一個(gè)動(dòng)態(tài)限制過程總會(huì)在（）空間中畫出一條軌跡，品質(zhì)好的限制畫出的是一條志向的軌跡。5.2仿人智能限制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)5.2.1仿人智能限制的瞬態(tài)性能指標(biāo) 假如我們以這條志向軌跡作為設(shè)計(jì)智能限制器的目標(biāo)，應(yīng)當(dāng)說軌跡上的每一點(diǎn)都可視為限制過程中須要實(shí)現(xiàn)的瞬態(tài)指標(biāo)。這條志向的誤差時(shí)相軌跡可以分別向（）、（）和（）三個(gè)平面投影，設(shè)計(jì)者可以依據(jù)分析的側(cè)重點(diǎn)，考慮這三條投影曲線中的一條或者幾條作為設(shè)計(jì)用的瞬態(tài)指標(biāo)，以簡化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。 又可以按滯后狀況分別考慮： （1）在系統(tǒng)無純滯后時(shí)，考慮這條軌跡在（）相平面上的投影，設(shè)計(jì)可在（）相平面上進(jìn)行。 （2）當(dāng)系統(tǒng)有純滯后時(shí)，可以考慮這條志向軌跡對(duì)（e-t）平面的投影，設(shè)計(jì)就可以在（e-t）平面上進(jìn)行。5.2仿人智能限制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)5.2.1仿人智能限制的瞬態(tài)性能指標(biāo) 如圖5-6中曲線（a）+（b）表明白一個(gè)志向的定值限制過程；曲線（b）則為一個(gè)志向的伺服限制的動(dòng)態(tài)過程。假如以這樣的運(yùn)動(dòng)軌跡作為設(shè)計(jì)智能限制器的目標(biāo)，志向的狀況就是，限制器迫使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性在該軌跡上滑動(dòng)。但由于被控對(duì)象具有不確定性和未知性，事實(shí)上運(yùn)動(dòng)的軌跡只可能處在這條志向曲線四周的一曲柱中（對(duì)（）相平面而言應(yīng)是一曲帶）。因此設(shè)計(jì)的任務(wù)就變成依據(jù)這一曲柱在誤差時(shí)相空間的位置劃分出特征狀態(tài)空間，并以迫使系統(tǒng)狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)軌跡始終運(yùn)動(dòng)在曲柱體內(nèi)為目標(biāo)，設(shè)計(jì)出與特征狀態(tài)對(duì)應(yīng)的限制與決策模態(tài)。圖5-6設(shè)計(jì)HSIC的誤差相平面5.2仿人智能限制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)5.2.2仿人智能限制的設(shè)計(jì)方法 限制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是在離線的狀況下進(jìn)行的。建立什么樣的模型、以何種程度反映實(shí)際被控對(duì)象來進(jìn)行限制器的設(shè)計(jì)，是限制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法首先應(yīng)當(dāng)解決的關(guān)鍵問題之一。然而，大多數(shù)的實(shí)際被控對(duì)象都具有非線性、時(shí)變性和不確定性，要建立精確而又便于智能限制設(shè)計(jì)方法利用的模型特殊困難。但是，限制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的“類等效”模型簡化方法為設(shè)計(jì)者供應(yīng)了一個(gè)特殊有效的途徑。 具有可調(diào)參數(shù)的限制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型簡化理論表明，盡管在很多狀況下被控對(duì)象的全特性不確知，但其所具有的非線性、時(shí)變性和不確定性對(duì)限制的影響總可以用一些典型的非線性環(huán)節(jié)加上被控對(duì)象的“類等效”的簡化線性模型，在結(jié)構(gòu)和參數(shù)上的變更來近似模擬。依據(jù)對(duì)被控對(duì)象的定性了解，建立起對(duì)象的結(jié)構(gòu)模型，并依據(jù)對(duì)某些反映被控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的主要特征量如某些非線性特征、純滯后、等效時(shí)滯和增益等的模糊估計(jì)，可以有效確定被控對(duì)象的模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)可能變更的大致范圍。5.2仿人智能限制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)5.2.2仿人智能限制的設(shè)計(jì)方法 設(shè)一個(gè)帶有純滯后環(huán)節(jié)的高階線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)形式為

則描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的時(shí)域和頻域的主要特征量有： 增益K：表示系統(tǒng)對(duì)直流輸入信號(hào)的放大實(shí)力，確定了穩(wěn)定系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)穩(wěn)態(tài)值，即 純滯后τ：表示系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)的不應(yīng)期。 等效時(shí)滯D：表示系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的滯后特性，由積分定義表示為5.2仿人智能限制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)5.2.2仿人智能限制的設(shè)計(jì)方法 其中，u(t)表示單位階躍輸入函數(shù)，g(t)為G(s)的單位階躍響應(yīng)。D是系統(tǒng)中全部積分（滯后）因素和全部微分（超前）因素之差，它與傳遞函數(shù)的關(guān)系為 等效支配點(diǎn)：確定系統(tǒng)的基本性狀是單調(diào)、振蕩、穩(wěn)定或不穩(wěn)定。 主要頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)，包括帶寬頻率、截止頻率、穿越頻率、轉(zhuǎn)角頻率及其響應(yīng)的相位角，可以反映系統(tǒng)對(duì)不同頻率信號(hào)的通過實(shí)力，以及系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性。 被控對(duì)象的“類等效”簡化模型應(yīng)當(dāng)在增益、純滯后、等效時(shí)滯、等支配極點(diǎn)和某些主要頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)上與對(duì)象一樣。因此，“類等效”簡化模型最大的特點(diǎn)是，它在反映對(duì)象主要?jiǎng)討B(tài)特性的一些主要特征量上與實(shí)際對(duì)象一樣。5.2仿人智能限制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)5.2.2仿人智能限制的設(shè)計(jì)方法 依據(jù)系統(tǒng)“類等效”的定義，可以通過對(duì)被控對(duì)象的定性了解，建立起對(duì)象的結(jié)構(gòu)模型，并依據(jù)對(duì)主要特征量（如某些非線性特征。純滯后、等效時(shí)滯和增益等）的模糊估計(jì)，可以確定對(duì)象模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)可能變更的大致范圍。 例如：帶純滯后過程的被控對(duì)象的傳遞函數(shù)可以簡化為： 仿人智能限制器設(shè)計(jì)的任務(wù)就是接受盡可能簡潔的結(jié)構(gòu)和盡可能少的限制模態(tài)和參數(shù)，能夠在以上對(duì)象模型參數(shù)變更的范圍內(nèi)，都能達(dá)到限制指標(biāo)的要求?？梢哉f這樣的模型處理解決了在沒有對(duì)象精確數(shù)學(xué)模型的條件下的仿人智能限制器設(shè)計(jì)時(shí)的對(duì)象模型問題。5.3仿人智能限制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 仿人智能限制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)要從系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)動(dòng)身，確定系統(tǒng)的目標(biāo)軌跡，建立受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型和各限制級(jí)的特征模型，然后設(shè)計(jì)限制器的解耦和限制規(guī)則，確定限制模態(tài)和限制參數(shù)，最終進(jìn)行仿真試驗(yàn)以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的可行性和系統(tǒng)調(diào)試。 仿人智能限制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的一般步驟如下。 1．確定系統(tǒng)的目標(biāo)軌跡 依據(jù)用戶對(duì)被控對(duì)象限制性能指標(biāo)如上升時(shí)間、超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)精度等的要求，確定志向的單位階躍響應(yīng)，并把它變換到時(shí)相空間中去，構(gòu)成志向的誤差時(shí)相軌跡。以這條志向軌跡作為設(shè)計(jì)仿人智能限制器的目標(biāo)軌跡。 該軌跡上的每一點(diǎn)都可視為限制過程中的瞬態(tài)指標(biāo)。這條志向軌跡可以分別向、和三個(gè)平面投影，依據(jù)要求的側(cè)重點(diǎn)，選擇這三條投影曲線中的一條或幾條，作為設(shè)計(jì)仿人智能限制器特征模型及限制與校正模態(tài)的目標(biāo)軌跡，以簡化設(shè)計(jì)目標(biāo)。5.3仿人智能限制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2．建立數(shù)學(xué)的對(duì)象模型 依據(jù)被控對(duì)象或系統(tǒng)的生產(chǎn)流程、結(jié)構(gòu)機(jī)理、工藝特點(diǎn)和限制要求等，結(jié)合自動(dòng)限制及相關(guān)基礎(chǔ)理論和專業(yè)學(xué)問或閱歷，建立相應(yīng)的過程物理與數(shù)學(xué)模型，作為進(jìn)一步設(shè)計(jì)與分析的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。 例如，對(duì)于一個(gè)有平衡實(shí)力的化工和熱工過程，可接受一階環(huán)節(jié)加純滯后環(huán)節(jié)這樣的數(shù)學(xué)模型來描述：

其中，G(s)為開環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，為一階慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，gij(s)為純滯后環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，比例系數(shù)Kij、時(shí)間常數(shù)Tij和τij要經(jīng)過試驗(yàn)來選定，i,j=1,2,…,n。5.3仿人智能限制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3．建立各限制級(jí)的特征模型和限制算法 依據(jù)目標(biāo)軌跡在誤差相平面上的位置或誤差時(shí)間平面上的位置以及限制器的不同級(jí)別（運(yùn)行限制級(jí)、參數(shù)矯正級(jí)、任務(wù)適用級(jí)），確定特征基元集，劃分出特征狀態(tài)集合，從而建立不同級(jí)別的特征模型。 4．設(shè)計(jì)限制器部分 限制器的結(jié)構(gòu)是否合理將確定系統(tǒng)是否能合理地實(shí)現(xiàn)限制目標(biāo)、是否能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。不同的被控對(duì)象和應(yīng)用環(huán)境，其限制器和限制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也有所不同。例如，在變截面彈簧鋼軋機(jī)限制裝置中，其主要限制回路由兩個(gè)電液位置伺服單元組成，而且兩個(gè)回路間存在著耦合關(guān)系，構(gòu)成一個(gè)多變量限制系統(tǒng)。電液伺服限制系統(tǒng)具有參數(shù)變更、交叉耦合和外部干擾引起的不確定性等問題，仿人智能限制在處理多變量系統(tǒng)耦合問題上起到了很好的作用。5.3仿人智能限制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 圖5-7所示為該限制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖，其中G11和G22是主回路的傳遞函數(shù)，G12和G21是主回路之間相互耦合的傳遞函數(shù)，HSIC1和HSIC2是按單回路設(shè)計(jì)的仿人智能限制器，其主要作用是保證單回路的限制性能。HSIC1和HSIC2的輸出經(jīng)協(xié)調(diào)算法協(xié)調(diào)以保證整個(gè)限制系統(tǒng)的性能。每個(gè)HSIC算法的結(jié)構(gòu)可依據(jù)電液伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)和限制要求，設(shè)置成遞階限制結(jié)構(gòu)，即干脆運(yùn)行限制級(jí)（MC），自校正級(jí)（ST）和任務(wù)適用級(jí)（TA）。圖5-7軋鋼機(jī)限制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖5.3仿人智能限制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 5．設(shè)計(jì)限制模態(tài)級(jí)與限制規(guī)則 針對(duì)系統(tǒng)處于特征模型中某特征狀態(tài)與志向軌跡之間的差距，以及志向軌跡的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，仿照人的限制決策行為，設(shè)計(jì)限制規(guī)則或校正模態(tài)，并設(shè)計(jì)出模態(tài)中的具體參數(shù)。 6．仿真試驗(yàn)與調(diào)試 選擇典型狀況和參數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)的限制系統(tǒng)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，并通過仿真試驗(yàn)調(diào)整系統(tǒng)設(shè)定的參數(shù)，以至修正系統(tǒng)限制結(jié)構(gòu)，最終使仿真試驗(yàn)結(jié)果滿足動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的限制性能要求。假如條件許可，應(yīng)在仿真探討的基礎(chǔ)上，進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)時(shí)試驗(yàn)或工業(yè)試驗(yàn)，以進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性和系統(tǒng)品質(zhì)的優(yōu)越性。 下面以受控對(duì)象不包含純滯后環(huán)節(jié)的伺服系統(tǒng)為例，說明仿人限制算法的基本步驟和實(shí)現(xiàn)過程。這些算法步驟是與仿人智能限制器的設(shè)計(jì)步驟親密相關(guān)的。比照如圖5-6的誤差相平面，限制算法的步驟如下：5.3仿人智能限制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) （1）在限制的初始階段（e1→e2），誤差很大，應(yīng)接受開關(guān)時(shí)限制激發(fā)出e2點(diǎn)的誤差變更速度，對(duì)于不同的對(duì)象（如參數(shù)不同），這一速度是不一樣的。圖中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表明：受控對(duì)象由誤差e1變更到e2時(shí)，誤差變更的速度是不相同的。這一速度反映了對(duì)象的靜態(tài)增益剛好間常數(shù)等參變量的大小； （2）在誤差減小的中間段（e2→e3），接受誤差為e2的誤差變更作為限制的瞬態(tài)目標(biāo)，并通過限制這一誤差變更來限制系統(tǒng)的性能。當(dāng)誤差變更大于此值時(shí)，接受將誤差變更壓低的組合限制模態(tài)；而當(dāng)誤差變更低于此值時(shí)，實(shí)行相應(yīng)措施將誤差變更提高。此階段的限制策略是盡可能保持這一較大的誤差變更減小速度，提高動(dòng)態(tài)過程的可控性，并使誤差較快減??； （3）當(dāng)誤差減小到e3時(shí)，為了使被控量無超調(diào)且無靜差地逐步跟蹤上輸入給定值，應(yīng)實(shí)行壓低誤差變更速度的措施。為了使其逐步減小，可接受分層壓低策略。在e3→e4段和e4→e5段分別設(shè)立誤差減小速度的上下限（，，）作為此時(shí)的瞬態(tài)特征指標(biāo)。因?yàn)樵撾A段（e3→e4→e5），主要是為了降低過大的誤差削減速度，避開超調(diào)，進(jìn)而避開速度過小而出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。應(yīng)逐步使誤差變更速度減小，讓誤差過渡到限制所要求的值；5.3仿人智能限制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) （4）在誤差及誤差變更滿足限制要求時(shí)（，），實(shí)行維持限制量的策略，使之自行衰減達(dá)到平衡，以實(shí)現(xiàn)對(duì)被調(diào)量的無超調(diào)和無靜差限制； （5）為了防止失控現(xiàn)象，從特征模型到限制決策行為模態(tài)的映射應(yīng)為滿射。當(dāng)誤差相軌跡進(jìn)入其次象限時(shí)（第四象限同理）,應(yīng)有相應(yīng)限制決策模式。此外，還必需制定誤差相軌跡進(jìn)入第三象限（與第一象限類似）的限制決策模式。誤差相軌跡進(jìn)入第三象限時(shí)，說明有超調(diào)發(fā)生，對(duì)于不同的超調(diào)及不同的誤差上升速度，應(yīng)實(shí)行不同的限制措施。上述過程對(duì)定值限制也是有效的。定值限制時(shí)，誤差首先進(jìn)入相平面第一象限，當(dāng)誤差變更速度衰減為零時(shí)，起先進(jìn)入相平面第四象限，其設(shè)計(jì)思想與以上（1）～（4）點(diǎn)相同。 值得指出的是，并非全部的仿人智能限制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)都必需完全依據(jù)上面給出的五個(gè)步驟進(jìn)行。在具體應(yīng)用中，相關(guān)步驟可以合并在一起，某些狀況下，有的步驟可以被省略。此外，有些步驟的次序可以互換。 5.4仿人智能限制實(shí)例5.4 仿人智能限制實(shí)例5.4.1仿人智能開關(guān)限制5.4.2仿人智能比例限制5.4.3仿人智能積分限制5.4.4仿人分層遞階智能限制器5.4仿人智能限制實(shí)例5.4.1仿人智能開關(guān)限制 1.仿人智能開關(guān)限制原理 開關(guān)限制方式簡潔且易于實(shí)現(xiàn)，因此在很多電加熱爐的限制中被接受。但常規(guī)的開關(guān)限制常常難以滿足限制精度和節(jié)能的要求，其開關(guān)限制方式在采樣間隔時(shí)間內(nèi)限制量要么是一固定常數(shù)、要么是零，這樣固定不變的限制模式缺乏人工開關(guān)限制的優(yōu)點(diǎn)。人工開關(guān)限制過程中，人會(huì)依據(jù)誤差及誤差變更趨勢(shì)來選擇不同的開關(guān)限制策略，例如在采樣間隔內(nèi)，開關(guān)接通時(shí)間依據(jù)被控對(duì)象的狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，而不是簡潔的在整個(gè)間隔內(nèi)都接通或斷開，這樣可以達(dá)到更高的限制精度和削減滯后時(shí)間。這種以人的學(xué)問和閱歷為基礎(chǔ)，依據(jù)實(shí)際誤差變更規(guī)律及被控對(duì)象或過程的慣性、純滯后及擾動(dòng)等特性，按確定的模式選擇不同限制策略的開關(guān)限制稱為智能開關(guān)限制。5.4仿人智能限制實(shí)例5.4.1仿人智能開關(guān)限制 2.仿人智能開關(guān)限制器實(shí)例 被控對(duì)象為氧化還原爐的溫度，限制量為溝通電壓U(t)的接通時(shí)間t，其輸出限制電壓波形如圖5-8所示。其中T為采樣時(shí)間間隔常數(shù)（采樣周期），t0(1)、t0(2)分別為其中兩個(gè)采樣周期的限制量輸出即開關(guān)接通時(shí)間。

傳統(tǒng)的開關(guān)限制策略為圖5-8開關(guān)限制輸出電壓波形5.4仿人智能限制實(shí)例5.4.1仿人智能開關(guān)限制 其中為t0(k)下一個(gè)周期的開關(guān)接通時(shí)間，t0(k-1)為上一個(gè)周期的開關(guān)接通時(shí)間，T為采樣周期，e(k)為當(dāng)前時(shí)刻被控量與給定值的誤差，E為設(shè)定的誤差閾值，誤差超過該閾值則開關(guān)全周期接通或斷開，否則開關(guān)維持原狀態(tài)不變。 這樣的限制策略簡潔易行，能夠滿足精度要求不高的定值限制。但對(duì)于精度要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合，穩(wěn)態(tài)精度低、易圍繞給定值產(chǎn)生波動(dòng)。 智能限制模擬人的限制智能方式，依據(jù)被控對(duì)象與給定值的誤差和誤差的變更來推斷狀態(tài)而給出不同的接通時(shí)間，實(shí)現(xiàn)高精度的開關(guān)限制。5.4仿人智能限制實(shí)例5.4.1仿人智能開關(guān)限制 智能開關(guān)限制的策略如表5-1所示。 表5-1智能開關(guān)的限制輸出量t0(k)

e的范圍

的范圍00T0T0T5.4仿人智能限制實(shí)例5.4.1仿人智能開關(guān)限制 其核心是在誤差小于確定閾值時(shí)不是簡潔地接通或斷開開關(guān)，而是依據(jù)誤差和誤差變更狀況設(shè)置下一周期的開關(guān)接通時(shí)間為，其中Ki為須要依據(jù)試驗(yàn)和閱歷整定的參數(shù)。在表5-1中，當(dāng)誤差、誤差變更均為零時(shí)，Ki=1；其它大致可估計(jì)為：K1>K2>K3>1，K6<K5<K4<1。 這樣的仿人智能開關(guān)類似模糊限制的效果，但又不須要模糊限制困難的模糊推理和模糊化轉(zhuǎn)換，只須要設(shè)定參數(shù)Ki，用簡潔的邏輯硬件就可以實(shí)現(xiàn)，而具有較高的限制精度和魯棒性。5.4仿人智能限制實(shí)例5.4.2仿人智能比例限制 1.仿人智能比例限制的原理 對(duì)于一些被控對(duì)象，雖然簡潔的比例反饋限制能保證其穩(wěn)定，但常有較大的穩(wěn)態(tài)誤差，滿足不了穩(wěn)態(tài)精度的要求。模擬人的限制操作策略，依據(jù)穩(wěn)態(tài)誤差不斷地調(diào)整給定值，使系統(tǒng)輸出不斷靠近期望值，從而可以提高穩(wěn)態(tài)精度，這就是一種仿人智能比例限制的基本原理。 設(shè)被控對(duì)象為線性定常系統(tǒng)，其比例反饋限制系統(tǒng)如圖5-9所示。圖5-9比例反饋限制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖5.4仿人智能限制實(shí)例5.4.2仿人智能比例限制 系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如圖5-10所示。其中，圖5-10(a)為系統(tǒng)的閉環(huán)單位階躍響應(yīng)曲線。為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出值，為穩(wěn)態(tài)誤差。圖5-10單位階躍響應(yīng)曲線(a)常規(guī)比例限制系統(tǒng)(b)仿人智能比例限制系統(tǒng)5.4仿人智能限制實(shí)例5.4.2仿人智能比例限制 仿人智能限制是在系統(tǒng)輸出響應(yīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，再給一個(gè)幅值為的階躍輸入，則此時(shí)給定值變?yōu)?。系統(tǒng)其次級(jí)穩(wěn)態(tài)輸出為，穩(wěn)態(tài)誤差減小為。再給一個(gè)幅度為的階躍輸入，系統(tǒng)第三級(jí)穩(wěn)態(tài)輸出變?yōu)?，穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小為，此時(shí)系統(tǒng)的給定值變?yōu)?。不斷重?fù)下去，系統(tǒng)輸出將靠近給定值而又不會(huì)超出給定值。整個(gè)輸出過程如圖5-10(b)所示。系統(tǒng)最終的輸出為 穩(wěn)態(tài)誤差為

在實(shí)際應(yīng)用中，只要選擇n達(dá)到確定數(shù)量，即可保證穩(wěn)態(tài)精度的要求。5.4仿人智能限制實(shí)例5.4.2仿人智能比例限制 例如若原比例限制靜態(tài)誤差為，，若要求穩(wěn)態(tài)精度為1%，只須取n=2，穩(wěn)態(tài)誤差就會(huì)降低到0.8%，已能滿足性能要求。 當(dāng)原比例限制的穩(wěn)態(tài)輸出時(shí)，這時(shí)，相當(dāng)于給出一個(gè)幅值為負(fù)的階躍輸入，系統(tǒng)輸出再向下同樣會(huì)靠近給定值。5.4仿人智能限制實(shí)例5.4.2仿人智能比例限制 2.仿人智能比例限制算法 仿人智能比例限制器結(jié)構(gòu)如圖5-11所示，圖中積分開關(guān)只有在滿足穩(wěn)態(tài)條件時(shí)，才閉合一次，完成一次的運(yùn)算后又立刻斷開，此后e不變。為了推斷系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)的條件而不受干擾和振蕩的影響，設(shè)定一個(gè)穩(wěn)定時(shí)間步長N和允許穩(wěn)定誤差波動(dòng)的閾值，當(dāng)連續(xù)N次內(nèi)均滿足，則認(rèn)為系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)執(zhí)行一次運(yùn)算。，e為當(dāng)前時(shí)刻的系統(tǒng)輸出值與給定值的誤差。圖5-11比例反饋限制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖5.4仿人智能限制實(shí)例5.4.2仿人智能比例限制 允許的穩(wěn)定誤差波動(dòng)閾值一般選為系統(tǒng)允許穩(wěn)態(tài)誤差的2倍，N與被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)最大值成正比、與采樣間隔T成反比。若系統(tǒng)還有最大不超過dT的延時(shí)，則需對(duì)N再加上dT以保證時(shí)間推斷正確。 上述限制算法的實(shí)質(zhì)等價(jià)于比例限制加智能積分。當(dāng)系統(tǒng)未滿足穩(wěn)態(tài)條件時(shí)，系統(tǒng)僅有比例限制作用，當(dāng)滿足穩(wěn)態(tài)條件時(shí)，積分才起一次作用。進(jìn)入調(diào)整狀態(tài)后，積分開關(guān)每N個(gè)采樣周期才閉合一次，積分器工作一次。這樣就避開了由于引入積分器而使相位裕量減小。由于不必通過提高增益來改善穩(wěn)態(tài)精度，因而可以將增益K取得較小以增大增益裕量。所以，比例加智能積分的限制器，有效地解決了傳統(tǒng)限制器設(shè)計(jì)中穩(wěn)態(tài)精度與穩(wěn)定裕量的沖突。5.4仿人智能限制實(shí)例5.4.3仿人智能積分限制 1.仿人智能積分限制的原理 限制系統(tǒng)中引進(jìn)積分限制的作用是減小系統(tǒng)的穩(wěn)定誤差。系統(tǒng)階躍響應(yīng)的誤差及誤差積分曲線如圖5-12所示。其中，常規(guī)PID限制中的積分限制作用對(duì)誤差的積分過程如圖5-12(c)所示。這種積分作用在確定程度上模擬了人的記憶特性，它“記憶”了誤差的存在及變更的全部信息。但依據(jù)這種積分作用產(chǎn)生的積分限制作用存在著缺點(diǎn)：圖5-12階躍響應(yīng)誤差及誤差積分曲線5.4仿人智能限制實(shí)例5.4.3仿人智能積分限制 （1）積分限制作用針對(duì)性不強(qiáng)，甚至有時(shí)不符合限制系統(tǒng)的客觀須要； （2）由于這種積分作用只要誤差存在就始終進(jìn)行積分，在實(shí)際應(yīng)用中易導(dǎo)致“積分飽和”’而使系統(tǒng)的快速性下降； （3）這種積分限制的積分參數(shù)不易選擇，易導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。 造成上述積分限制作用不足的緣由在于，這種積分限制作用沒有很好地體現(xiàn)出有閱歷操作人員的限制決策思想。在圖5-12(c)的積分曲線區(qū)間(a,b)和(b,c)段中，積分作用和有閱歷的操作人員的限制作用正好相反。此時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)了超調(diào)，正確的限制策略應(yīng)當(dāng)是使限制量在常值上加一個(gè)負(fù)量限制，以壓低超調(diào)，盡快降低誤差。但在此區(qū)間的積分限制作用卻增加了一個(gè)正量限制，這是由于在(0,a)區(qū)間的積分結(jié)果很難被抵消而變更符號(hào)，故積分限制仍保持為正。這樣的結(jié)果導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)不能快速降低，從而延長了系統(tǒng)的過渡過程時(shí)間。5.4仿人智能限制實(shí)例5.4.3仿人智能積分限制 在上述積分曲線的(c,d)段，積分作用增加一個(gè)正量的限制有利減小回調(diào)。但在(d,e)間的積分作用接著增加，其結(jié)果勢(shì)必造成系統(tǒng)再次出現(xiàn)超調(diào)，這時(shí)的積分作用反而影響了對(duì)系統(tǒng)的有效限制。為了克服上述積分限制作用的缺點(diǎn)，接受如圖5-12(d)中的積分曲線。即在(a,b)、(c,d)及(e,f)等區(qū)間段上進(jìn)行積分，這種積分能夠?yàn)榉e分限制作用剛好地提出正確的附加量，能有效地抑制系統(tǒng)誤差的增加。而在(0,a)、(b,c)及(d,e)等區(qū)間上，停止積分作用，以利于系統(tǒng)干脆借助慣性向穩(wěn)態(tài)過渡。此時(shí)系統(tǒng)并不處于失控狀態(tài)，它還受到比例等限制作用的制約。 這種積分作用較好地模擬了人的記憶特性及仿人智能限制的策略，它有選擇地“記憶”有用信息，而“遺忘”無用信息，所以可以很好地克服一般積分限制的缺點(diǎn)。它具有仿人智能非線性積分的特性，故稱這種積分為仿人智能積分。5.4仿人智能限制實(shí)例5.4.3仿人智能積分限制 2.仿人智能積分限制算法 為了把仿人智能積分作用引入到限制算法中，首先必需解決仿人智能積分的限制邏輯推斷問題，這種推斷條件由圖5-12中的智能積分曲線對(duì)比誤差e和誤差變更的符號(hào)變更，可以歸納得出接入智能積分的條件為： 對(duì)本次采樣時(shí)刻， 當(dāng)誤差及誤差變更具有相同符號(hào)，即時(shí)，對(duì)誤差進(jìn)行積分； 當(dāng)誤差及誤差變更異號(hào)，即時(shí)，不對(duì)誤差進(jìn)行積分。 再考慮到誤差和誤差變更的極值點(diǎn)，即邊界條件，可以把接入智能積分和不接入積分的條件綜合如下： 當(dāng)或且時(shí)，對(duì)誤差進(jìn)行積分； 當(dāng)或時(shí)，不對(duì)誤差進(jìn)行積分。這樣接入積分的限制即為智能積分作用。5.4仿人智能限制實(shí)例5.4.