智能控制與最優(yōu)控制結(jié)課報(bào)告

最優(yōu)控制與智能控制基礎(chǔ)文獻(xiàn)總結(jié)報(bào)告PAGE1最優(yōu)控制與智能控制基礎(chǔ)文獻(xiàn)總結(jié)報(bào)告電氣傳動系統(tǒng)的智能控制學(xué)生姓名：班級學(xué)號：aaaaaaa任課教師：aaa提交日期：2012.06.14成績：電氣傳動系統(tǒng)的智能控制一、研究背景及意義智能控制是自動控制學(xué)科發(fā)展里程中一個(gè)嶄新的階段。目前,智能控制的研究與應(yīng)用已深入到眾多的領(lǐng)域。同樣它的發(fā)展也給電氣傳動系統(tǒng)的控制策略帶來了新思想、新方法。與其它學(xué)科一樣,智能控制是由于科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要,從解決重大工程和技術(shù)問題的實(shí)踐中產(chǎn)生和發(fā)展起來的。隨著自動化程度的提高和普及,受控對象日趨復(fù)雜,對于許多難以獲得數(shù)學(xué)模型或模型復(fù)雜的過程,應(yīng)用經(jīng)典和現(xiàn)代控制理論往往不能取得令人滿意的控制效果,甚至完全無能為力?？墒窃谑謩涌刂浦?熟練的操作人員卻可以駕馭自如。由此,人們很自然地產(chǎn)生了在自動控制技術(shù)中借鑒熟練人員經(jīng)驗(yàn)的想法。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展為實(shí)現(xiàn)這一愿望提供了可能,計(jì)算機(jī)在邏輯推理、判斷、識別、決策、學(xué)習(xí)等方面的功能可以承擔(dān)按照熟練操作人員和專家的經(jīng)驗(yàn)與方法進(jìn)行控制的工作。另一方面,許多探索如何實(shí)現(xiàn)人腦思維功能的學(xué)術(shù)領(lǐng)域,如人工智能、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯等的研究取得了可喜的進(jìn)展,這些研究成果從不同的角度提出了各種仿照人的知識、思維進(jìn)行控制的方法,如專家控制器、神經(jīng)元控制、模糊控制等等,它們統(tǒng)稱為智能控制。與傳統(tǒng)的經(jīng)典、現(xiàn)代控制方法相比,智能控制具有一系列的特點(diǎn)。首先,智能控制突破了傳統(tǒng)控制理論中必須基于數(shù)學(xué)模型的框架,它按實(shí)際效果進(jìn)行控制,不依賴于或不完全依賴于控制對象的數(shù)學(xué)模型。其次,繼承了人腦思維的非線性,智能控制器也往往具有非線性特性同時(shí),它還可以利用計(jì)算機(jī)控制的便利,根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)切換控制器的結(jié)構(gòu),用變結(jié)構(gòu)的方法改善系統(tǒng)的性能。此外,某些智能控制方法還具有在線辨識、決策或總體自尋優(yōu)的能力。在復(fù)雜的系統(tǒng)中,智能控制還具有分層信息處理和決策的功能。智能控制方法的這些獨(dú)到之處,使它以一個(gè)嶄新的面貌區(qū)別于各種傳統(tǒng)的控制方法與理論。因此,許多人認(rèn)為,智能控制將是繼經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制之后的第三代自動控制技術(shù)。二、智能控制在電氣傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用目前,電氣傳動系統(tǒng)智能控制策略的研究引起了廣泛的興趣,不少人希望它能使電氣傳動系統(tǒng)的控制性能、自動化水平躍上一個(gè)新的臺階。但也有一些專家懷疑,電氣傳動系統(tǒng)是否適于采用智能控制。他們指出,智能控制的初衷是為了對付那些難以建模的復(fù)雜對象,而電氣傳動系統(tǒng)相對而言具有比較明確的數(shù)學(xué)模型,引入智能控制是否畫蛇添足。在這種情況下,搞清智能控制對于電氣傳動系統(tǒng)的意義和作用,具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前的交、直流傳動系統(tǒng)已經(jīng)擁有較為成熟的控制方案,如直流雙閉環(huán)系統(tǒng)、交流電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)等。交、直流電氣傳動系統(tǒng)經(jīng)過內(nèi)環(huán)改造后（電流環(huán)、矢量變換）,其轉(zhuǎn)速環(huán)的結(jié)構(gòu)是一樣的,可以建立統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型,而且并不復(fù)雜,采用控制已經(jīng)能夠取得基本滿意的效果。但另一方面也應(yīng)看到,實(shí)際的傳動系統(tǒng)并不如模型那樣一成不變,電機(jī)本身的參數(shù)（如交流機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻）和拖動負(fù)載的參數(shù)（如轉(zhuǎn)動慣量）在某些應(yīng)用場合會隨情況而變化；同時(shí),交流電機(jī)本質(zhì)上是一個(gè)非線性的被控對象,許多拖動負(fù)載含有彈性或間隙等非線性因素?？刂茖ο蟮膮?shù)變化與非線性特性,使得線性的常參數(shù)的PID調(diào)節(jié)器常常顧此失彼,不能使系統(tǒng)在各種工況下都保持設(shè)計(jì)時(shí)的性能指標(biāo),也就是說系統(tǒng)的魯棒性不能盡如人意。智能控制可以充分利用其非線性、變結(jié)構(gòu)、自尋優(yōu)等各種功能來克服電氣傳動系統(tǒng)這些變參數(shù)與非線性因素,從而提高系統(tǒng)的魯棒性?？傊?在電氣傳動系統(tǒng)中引入智能控制方法,并非象許多控制對象那樣是出于建模的困難,而是希望用這些新的方法來克服電氣傳動對象的變參數(shù)、非線性等不利因素,以提高系統(tǒng)的魯棒性為目的。另一方面,如果在電氣傳動系統(tǒng)中嘗試智能控制策略時(shí),完全丟棄已為實(shí)踐所接受的傳統(tǒng)控制方案,生搬硬套在其它領(lǐng)域應(yīng)用的智能控制方法,非但不能切中要害,反而把新方法的缺點(diǎn)也帶了進(jìn)來,極有可能得不償失,最終導(dǎo)致智能控制方法在實(shí)際應(yīng)用中被拒之門外。因此,在電氣傳動系統(tǒng)中引入智能控制方法時(shí),注意取長補(bǔ)短、揚(yáng)長避短,正確處理智能控制對傳統(tǒng)控制繼承與發(fā)展的關(guān)系是非常重要的。前已指出,交流電機(jī)采用矢量控制與電流閉環(huán)改造后,其速度環(huán)的結(jié)構(gòu)和直流電機(jī)是統(tǒng)一的。因此,典型的交、直流統(tǒng)一的智能控制傳動系統(tǒng)（調(diào)速系統(tǒng)）可以如圖1所示。在多環(huán)控制結(jié)構(gòu)中,智能控制器處于最外環(huán),而內(nèi)環(huán)可以仍保留矢量控制、PI調(diào)節(jié)器這些傳統(tǒng)方法。這主要是因?yàn)橥猸h(huán)是決定系統(tǒng)性能的根本因素,而內(nèi)環(huán)主要起改造對象特性以利于外環(huán)控制的作用；各種擾動給內(nèi)環(huán)帶來的誤差可以由外環(huán)控制加以彌補(bǔ)或抑制。另一方面,外環(huán)采樣頻率比內(nèi)環(huán)要低,更有利于智能控制方法的實(shí)現(xiàn)。具體的智能控制方法種類很多,它們各具特色,下面分別介紹兩種最常見的方法模糊控制和神經(jīng)元控制。三、模糊控制的電氣傳動系統(tǒng)模糊控制是一種典型的智能控制方法,它利用模糊集合來刻畫人們?nèi)粘Ｋ褂玫母拍钪械哪：?從而使控制器能更逼真地模仿熟練操作人員和專家的控制經(jīng)驗(yàn)與方法。從控制器的內(nèi)部來看,模糊控制器是一種語言型控制器,它把物理量的大小用符號語言來表示,如NB(負(fù)大)、NS(負(fù)小)、PB(正大)、PM(正中)、ZO(零)等等,用模糊邏輯實(shí)現(xiàn)輸入與輸出符號間的推理。與此相應(yīng),各種傳統(tǒng)控制方法,如PID調(diào)節(jié)器都是數(shù)量型控制器,它們的運(yùn)行方式是對數(shù)字量進(jìn)行數(shù)值計(jì)算.一個(gè)連續(xù)控制系統(tǒng)的物理量一般都是數(shù)量型的,因此當(dāng)采用模糊控制時(shí),應(yīng)首先把它轉(zhuǎn)換成模糊語言,而在模糊推理之后,再變回?cái)?shù)字量.所以模糊控制器應(yīng)包括三個(gè)部分:模糊化、模糊推理和清晰化。模糊推理是控制器的核心,由一組if…zhen…所表達(dá)的控制規(guī)則組成,這組規(guī)則集中體現(xiàn)了熟練操作人員和專家的控制經(jīng)驗(yàn)。常將這些控制規(guī)則整理成“控制規(guī)則表”如圖2所示。盡管模糊控制器的內(nèi)部比較復(fù)雜,但從其外部I/O特性來看,卻具有大家所熟悉的簡單形式。輸入量只有被調(diào)量誤差本身的模糊控制器稱作一維模糊控制器,相應(yīng)于圖2規(guī)則表中對應(yīng)于C=ZO的一列,它的I/O特性u=f（e）為典型的多值繼電器模型,如圖3。因此,從控制的角度來看,一維模糊控制器相當(dāng)于變系數(shù)的P調(diào)節(jié)器。整個(gè)圖的模糊控制規(guī)則表是一個(gè)二維模糊控制器,它根據(jù)誤差及其一階導(dǎo)數(shù)的大小選取不同的控制量,因此,它I/O的特性u=f(e,e)與變系數(shù)的PD調(diào)節(jié)器相當(dāng)。模糊控制器的多值繼電器I/O特性源于控制器輸入輸出量的離散化,并非模糊邏輯的本質(zhì)屬性所致。這種不平滑的I/O特性會使傳動系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)出現(xiàn)“震顫”現(xiàn)象。為了克服這一缺陷,許多人從不同的角度提出了“論域縮小法”、“多層模糊控制器”等改進(jìn)方法,這些方法的本質(zhì)都是使模糊控制器的特性趨于平滑,從而改善系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性。此外,由于一般的模糊控制器沒有積分作用,所以在傳動系統(tǒng)有負(fù)載擾動時(shí)會出現(xiàn)靜差。增加了積分效應(yīng)的模糊控制器相當(dāng)于變系數(shù)的調(diào)節(jié)器,可以實(shí)現(xiàn)無靜差控制?？傊?模糊控制本質(zhì)上是一種非線性控制,它可以比線性的調(diào)節(jié)器顯著地提高系統(tǒng)的魯棒性,并更有效地克服傳動系統(tǒng)中各種非線性因素,下面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示了模糊控制系統(tǒng)對轉(zhuǎn)動慣量變化的穩(wěn)定魯棒性,此實(shí)驗(yàn)是在一微機(jī)控制的交流調(diào)速系統(tǒng)(如圖4)上進(jìn)行的。該系統(tǒng)中的速度控制器可用軟件實(shí)現(xiàn)為調(diào)節(jié)器、模糊控制器等各種控制算法。為了對比各種控制方法對系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量的魯棒性,在異步機(jī)的聯(lián)軸器上可裝/拆一個(gè)慣性輪，使系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量有3倍的變化.根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出的結(jié)果如圖5、圖6。各圖中三條曲線分別為:1—速度設(shè)定(r/min),2—實(shí)測轉(zhuǎn)速(r/min),3—定子電流轉(zhuǎn)矩分量給定值。Tm為設(shè)計(jì)時(shí)所采用的機(jī)電時(shí)間常數(shù)。由圖5可見,當(dāng)轉(zhuǎn)動慣量減少為原來的1/3時(shí),采用傳統(tǒng)的控制時(shí)將發(fā)生振蕩再對比圖6可知在相同的變化條件下,采用模糊控制仍能保持整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定,充分展示了模糊控制系統(tǒng)的強(qiáng)穩(wěn)定魯棒性。四、單神經(jīng)元控制的電氣傳動系統(tǒng)近年來,由單神經(jīng)元構(gòu)成的控制器引起了控制界的廣泛興趣。從理論上講,由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的信息綜合能力,在計(jì)算速度能夠保證的條件下,可以解決任意復(fù)雜的控制問題。遺憾的是,由于缺乏相應(yīng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)硬件的支持,試圖利用串行方法來模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)理以解決實(shí)時(shí)控制問題,顯然還很難滿足實(shí)際需要。但是,針對電氣傳動系統(tǒng)的控制特點(diǎn),采用單個(gè)神經(jīng)元實(shí)現(xiàn)的自適應(yīng)控制,已足以解決它對非線性控制和提高魯棒性的要求。（1）模型在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器中，單神經(jīng)元是最基本的控制部件。其模型如圖7所示。圖中x,w(i=1,2,3)分別為控制器的輸入量及相應(yīng)的權(quán)重，K為比例因子.f.(.)為帶有最大限幅值的S型激發(fā)函數(shù)，如圖8。其中式中用權(quán)重向量和輸入向量x的內(nèi)積除以權(quán)重向量的歐幾里德范數(shù),以保證控制策略的收斂性。（2）學(xué)習(xí)規(guī)則單神經(jīng)元控制器的自適應(yīng)功能是通過改變權(quán)重來實(shí)現(xiàn)的，學(xué)習(xí)規(guī)則就是調(diào)整權(quán)重的算法，它是單神經(jīng)元控制器的核心，其算法如下：式中——學(xué)習(xí)速率——隨過程遞減的學(xué)習(xí)信號針對電氣傳動系統(tǒng),考慮到電機(jī)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)兩種運(yùn)行狀況,采用下列學(xué)習(xí)方式以保證學(xué)習(xí)算法的收斂性。（3）系統(tǒng)構(gòu)成由單神經(jīng)元控制器構(gòu)成的電氣傳動系統(tǒng)框圖如圖9所示可以看出，假若、、。分別為誤差、誤差積分、誤差微分三個(gè)輸入量,用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)規(guī)則自動調(diào)整各輸入量的權(quán)重,單神經(jīng)元就相當(dāng)于變系數(shù)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)器,使系統(tǒng)的動態(tài)性能只依賴于其誤差信號,而不受或少受對象模型參數(shù)的影響,可以實(shí)現(xiàn)性能高、魯棒性強(qiáng)的電氣傳動系統(tǒng)。另外,該控制器利用了神經(jīng)元所特有的非線性特性,突破了線性調(diào)節(jié)器的局限,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制器的平穩(wěn)飽和控制作用。五、電氣傳動智能控制系統(tǒng)的理論問題無論是模糊控制、神經(jīng)元控制還是其它的智能控制方法,目前的理論研究都還很不夠。智能控制器主要憑經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì),對系統(tǒng)的性能缺少客觀的理論預(yù)見性。因此,目前的智能控制與其說是一種理論,還不如說是一類方法更為確切。整個(gè)智能控制的理論框架與體系尚在醞釀之中。對于電氣傳動系統(tǒng),為了支持智能控制器的設(shè)計(jì)和整定,從而保證系統(tǒng)的靜動態(tài)性能,同樣有必要建立比較完整的理論,特別是系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性理論。關(guān)于智能控制系統(tǒng)理論問題的研究主要可分為兩條途徑。第一條途徑是完全擺脫現(xiàn)代控制理論的框架,提出新的描述系統(tǒng)的模型和刻畫性能的概念,在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探索新的分析與綜合方法。這種全新的思想面向了較為復(fù)雜的控制系統(tǒng),但目前尚處于萌芽階段。另一條途徑則是把智能控制系統(tǒng)視作一類非線性系統(tǒng),用各種非線性理論來研究它。在目前的理論水平下,對電氣傳動智能控制系統(tǒng)的分析可采用后一條途徑?？刂葡到y(tǒng)的魯棒性是指“系統(tǒng)的某種性能在某種擾動下保持不變的程度”。魯棒性是一個(gè)統(tǒng)稱,具體可分為穩(wěn)定魯棒性系統(tǒng)在某種擾動下保持穩(wěn)定的能力、品質(zhì)魯棒性系統(tǒng)保持某一品質(zhì)指標(biāo)的能力等。目前研究最多的是系統(tǒng)的穩(wěn)定魯棒性。魯棒性問題是控制理論界的一個(gè)研究熱點(diǎn),但迄今為止,所得出的實(shí)用結(jié)論仍然十分有限。電氣傳動智能控制系統(tǒng)對于某些參數(shù)變化的穩(wěn)定魯棒性,可使用分離性原理來求取它的穩(wěn)定區(qū)間,比如電氣傳動模糊控制系統(tǒng)對轉(zhuǎn)動慣量變化的穩(wěn)定魯棒性,就可在分離性原理下采用波波夫判據(jù)求得保持系統(tǒng)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)動慣量允許變化范圍。六、小結(jié)對于某一控制對象,為它設(shè)計(jì)一個(gè)智能控制器或者一個(gè)傳統(tǒng)的控制器,無非都是建立一種從系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)、誤差到控制量的映射關(guān)系。智能控制與傳統(tǒng)控制不同的是后者是根據(jù)控制對象的模型來設(shè)計(jì)控制器,而智能控制卻可以不問對象模型,仿照人的智能,只根據(jù)系統(tǒng)誤差及其變化來決定控制器的輸出并自動調(diào)整控制器。電氣傳動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型基本上是明確的,只受參數(shù)變化和非線性因素的影響,可以應(yīng)用智能控制方法起自適應(yīng)變參數(shù)的作用,以彌補(bǔ)線性調(diào)節(jié)器的不足,從而提高系統(tǒng)對各種擾動、非線性因素的適應(yīng)能力。在目前的理論水平下,可以將電氣傳動智能控制系統(tǒng)視作一類非線性系統(tǒng),從而利用現(xiàn)有的非線性理論工具,如李亞普諾夫法或波波夫法來研究它們的穩(wěn)定性和穩(wěn)定魯棒性。參考文獻(xiàn)：[1]巨永鋒.智能控制和智能自動化[J].西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，（7）.[2]張宏.智能控制技術(shù)在工程機(jī)械上的應(yīng)用，建筑機(jī)械化[J].2007，（7）.[3]高建中.智能制造技術(shù)與系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展[J].石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，（12）.[4]蔡自興.智能控制工程研究的進(jìn)展[J].控制工程，2003，[5].12王順晃、舒迪前編.智能控制系統(tǒng)及其應(yīng)用.機(jī)械工業(yè)出版社，2006[5]諸靜等著.模糊控制原理與應(yīng)用.機(jī)械工業(yè)出版社,2004[6]王寧等.使用單個(gè)自適應(yīng)神經(jīng)元的智能控制.華中理工大學(xué)學(xué)報(bào),2007,21(3)[7]王順晃、舒迪前.智能控制系統(tǒng)及其應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.[8]王曉東等.基于單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器直流調(diào)速系統(tǒng)的研究.電氣傳動，2009.(4)[9]馮曉剛等.電力傳動模糊控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究.第八屆全國電氣自動化與電控系統(tǒng)學(xué)術(shù)會議論文集，機(jī)械工業(yè)出版社，1996.[10]TangGuizho