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5 5 仿人控制仿人控制1仿人控制原理与原型算法仿人控制原理与原型算法2仿人控制器的智能属性仿人控制器的智能属性3仿人控制的特征模型和决策模态仿人控制的特征模型和决策模态4仿人控制器的设计与实现仿人控制器的设计与实现5仿人控制器的设计与实现示例仿人控制器的设计与实现示例5 5 仿人控制仿人控制u1.1.仿人控制的基本原理仿人控制的基本原理 在模拟人的控制结构的基础上，进一步研究和模拟人的控制行为与功能，并把它用于控制系统，实现控制目标。仿人控制研究的主要目标：仿人控制研究的主要目标：控制器本身控制器本身如何对控制专家结构和行为的模拟。仿人控制理论的具体研究方法仿人控制理论的具体研究方法：从递阶控制系统的最底层递阶控制系统的最底层（执行级）入手，充分应用已有各种控制理论和计算机仿真结果各种控制理论和计算机仿真结果直接对人的控制经验、技巧和各种直觉推理能力进行测辨和总结人的控制经验、技巧和各种直觉推理能力进行测辨和总结，编制成各种实用、精度高、能实时运行的控制算法，并把它们直接应用于实际控制系统，进而建立起系统的仿人控制理论体系，最后发展成智能控制理论。1仿人控制原理与原型算法仿人控制原理与原型算法u1.1.仿人控制的基本原理仿人控制的基本原理 1仿人控制原理与原型算法仿人控制原理与原型算法任任务务适适应层应层+_扰扰动动受受控控对对象象反馈参参数数校校正层正层直接控制层直接控制层公公 共共 数数据库据库ERUY（4）启发式和直觉推理问题求解.仿人控制在结构和功能上具有以下基本特征：仿人控制在结构和功能上具有以下基本特征：（1）递阶信息处理和决策机构；（2）在线特征辨识和特征记忆；（3）开闭环结合和定性与定量结合的多模态控制；1仿人控制原理与原型算法仿人控制原理与原型算法u2.2.仿人控制的原型算法仿人控制的原型算法 误差相平面上的特征和控制模态误差相平面上的特征和控制模态当系统误差处于误差相平面的当系统误差处于误差相平面的第一与第三象限，第一与第三象限，即 或 且 时，仿人智能控制器工作于比例控制模态；当误差处于误差相平面的第二当误差处于误差相平面的第二与第四象限，与第四象限，即 或 时，仿人智能控制器工作于保持控制模态。2仿人控制器的智能属性仿人控制器的智能属性（1）一般传统控制器的输入输出关系是一种单映射关系单映射关系，而仿人控制器原型是一种双映射关系双映射关系，即一种变模态控制，一种开闭环交替的控制模式。（2）在仿人控制原型算法中，控制策略与控制模态的选择和确定是按照误差变化趋势的特征按照误差变化趋势的特征进行的，而确定误差变化趋势特征的集合反映在误差相平面上的全部特征，构成整个控制决策的依据，即特征模型。（3）仿人控制器原型在维持模态时对误差极值的记忆和利用对误差极值的记忆和利用，与人的记忆方式及对记忆的利用相似，即两者具有相似的特征记忆作用。根据受控系统输出偏差e、偏差导数 以及它们的适当组合构成的特征变量,划分动态特征模式,并通过这些特征模式描述系统的动态行为特征,或用这些特征模式直观地反映系统的动态过程,以期为智能控制决策提供依据。3仿人控制的特征模型和决策模态仿人控制的特征模型和决策模态1.1.人控制的特征模式与特征辨识人控制的特征模式与特征辨识u（1 1）描述动态系统特征状态的特征基元和特征模式描述动态系统特征状态的特征基元和特征模式受控系统动态过程的输入和输出数据(序列)包含受控过程的全部信息。由系统输出偏差e、偏差导数 、偏差二阶导数 构成描述受控系统特征状态的特征信息源,并用集合E表示:3仿人控制的特征模型和决策模态仿人控制的特征模型和决策模态1.1.人控制的特征模式与特征辨识人控制的特征模式与特征辨识u(2)特征模型的定义及形式化描述特征模型的定义及形式化描述 特征模型是一种智能控制系统动态特性的定量与定性综合描述的模型,是根据不同的控制问题求解和控制指标要求而对系统动态信息空间的一种划分；划分出的每个子区域表示系统的一种特征状态i。特征模型为全部特征状态的集合,即:=1，2，r，i 特征状态由一些特征基元qi的组合来描述。3仿人控制的特征模型和决策模态仿人控制的特征模型和决策模态1.1.人控制的特征模式与特征辨识人控制的特征模式与特征辨识u3.特征辨识与特征记忆特征辨识与特征记忆 特特征征辨辨识识:智能控制系统根据特征模型对采样信息进行在线处理和模式识别，确定系统当前所处状态的过程。特特征征记记忆忆：智能控制对反映前期决策与控制效果的特征量及反映控制任务要求和受控对象性质的特征量的记忆。令特征记忆量的集合为:在仿人智能控制系统中,往往利用特征记忆来消除偏差消除偏差,改善控制品质,直接影响控制输出。控制控制(决策决策)模态集合模态集合是控制输出是控制输出U与误差信息误差信息E和特征记忆信特征记忆信息息 (合记为R)间的一种定量或定性映射关系F的集合,记为:3仿人控制的特征模型和决策模态仿人控制的特征模型和决策模态1.1.仿人控制的多模态控制仿人控制的多模态控制u1.多模态控制多模态控制(决策决策)特征辨识根据特征模型在在线线确定系统当前所处特征运动状态,而控制器按照特征辨识结果选择相应的控制模态控制器按照特征辨识结果选择相应的控制模态。或者Fi IF(条件)THEN(操作或结论)智能控制中这种不断变化的控制策略为多模态控制智能控制中这种不断变化的控制策略为多模态控制(决策决策)。典型的仿人控制模态基元有比例(m1)控制模态基元、微分控制(m2)模态基元、积分控制(m3)模态基元及其组合(如PID)模态基元、极值采样保持(m5)与稳态保持(m4)模态基元、开关控制(m6)模态基元等。3仿人控制的特征模型和决策模态仿人控制的特征模型和决策模态1.1.仿人控制的多模态控制仿人控制的多模态控制u2启发与直觉推理启发与直觉推理.通过特征辩识特征辩识识别出系统的当前状态并采用相应控制模态控制模态的过程,可看成对人的启发式和直觉推理的一种模仿。启启发发与与直直觉觉推推理理规规则则集集是对人决策过程的一种模仿;它根根据据特特征征 辨辨 识识 结结 果果 确确 定定 控控 制制 与与 决决 策策 策策 略略。可 用 产 生 式 规 则“IFTHEN”进行描述。4仿人控制器的设计与实现仿人控制器的设计与实现1.1.仿人控制系统的设计依据仿人控制系统的设计依据 仿人控制器的设计建立在系统特征模型系统特征模型和特征辨识特征辨识的多模态控制方式基础上，为设计受控系统的特征模型特征模型和控制模态集控制模态集，并设定其参数，需要建立一种能够根据系统瞬态响应系统瞬态响应来判断系统当当前状态与目标状态差别以及当前运行趋势的指标前状态与目标状态差别以及当前运行趋势的指标，并以该指标作为设计的目标函数。瞬态性能指标：瞬态性能指标：能评价智能控制系统运行的瞬态品质，并能兼顾系统的快速性、稳定性和精确性指标要求的理想误差时相轨迹称为仿人控制系统的瞬态性能指标。4仿人控制器的设计与实现仿人控制器的设计与实现 仿人控制器的设计建立在系统特征模型系统特征模型和特征辨识特征辨识的多模态控制方式基础上，为设计受控系统的特征模型特征模型和控制模态集控制模态集，并设定其参数，需要建立一种能够根据系统瞬态响应系统瞬态响应来判断系统当当前状态与目标状态差别以及当前运行趋势的指标前状态与目标状态差别以及当前运行趋势的指标，并以该指标作为设计的目标函数。BACD4仿人控制器的设计与实现仿人控制器的设计与实现1.1.仿人控制系统的设计依据仿人控制系统的设计依据4仿人控制器的设计与实现仿人控制器的设计与实现具有理想性能的系统误差时相轨迹具有理想性能的系统误差时相轨迹4仿人控制器的设计与实现仿人控制器的设计与实现2.2.仿人智能控制器设计与实现的一般步骤仿人智能控制器设计与实现的一般步骤 4仿人控制器的设计与实现仿人控制器的设计与实现(2)建立对象的数理模型建立对象的数理模型(1)确定设计目标轨迹确定设计目标轨迹 根据用户对受控对象控制性能指标控制性能指标（如上升时间、超调量、稳态精度等）的要求，确定理想的单位阶跃响应单位阶跃响应过程，并把它变换到（）时相空间相空间中去，构成理想的误差时相轨迹相轨迹。根据受控对象或系统的生产流程、机电结构、工艺特点和控制生产流程、机电结构、工艺特点和控制要求要求等，结合自动控制和相关基础理论和专业知识或经验，建立相应的过程物理与数学模型，作为进一步设计与分析的数学基础。4仿人控制器的设计与实现仿人控制器的设计与实现2.2.仿人智能控制器设计与实现的一般步骤仿人智能控制器设计与实现的一般步骤 4仿人控制器的设计与实现仿人控制器的设计与实现(3)(3)建立各控制级的特征模型或控制算法建立各控制级的特征模型或控制算法根根据据目目标标轨轨迹迹在在误误差差相相平平面面（）上上的的位位置置或或误误差差时时间间平平面面（）上上的的位位置置，以以及及控控制制器器的的不不同同级级别别（运运行行控控制制级级、参参数数校校正正级级、任任务务适适应应级级），确确定定特特征征基基元元集集划划分分出出特特征征状状态态集集，从而构成不同级别的特征模型，从而构成不同级别的特征模型.4仿人控制器的设计与实现仿人控制器的设计与实现2.2.仿人智能控制器设计与实现的一般步骤仿人智能控制器设计与实现的一般步骤 4仿人控制器的设计与实现仿人控制器的设计与实现(4)(4)设计控制器的结构设计控制器的结构+HSIC1协调算法HSIC2G22G21G12G11R1_R2+_Y2Y1某轧钢机控制系统整体结构框图某轧钢机控制系统整体结构框图4仿人控制器的设计与实现仿人控制器的设计与实现2.2.仿人智能控制器设计与实现的一般步骤仿人智能控制器设计与实现的一般步骤 4仿人控制器的设计与实现仿人控制器的设计与实现(5)(5)控制模态集与控制规则控制模态集与控制规则 针对系统运动状态处于特征模型中某特特征征状状态态时与瞬瞬态态指指标标（理想轨迹）间的差差距距，及理理想想轨轨迹迹的的运运动动趋趋势势，模仿人的控制决策行为，设计控制规则或校正模态控制规则或校正模态，并设计出模态中的具体参数模态中的具体参数。(6)仿真和试验研究仿真和试验研究 选择典型状况和参数对控制系统进行仿真实验，并通过仿仿真真调调整整系系统统设设定定的的参参数数，以至修正系统控制结构，使仿真结果满足动态和静态控制要求。如果条件许可，应在仿真研究的基础上，进行系统实实时时实实验验或或工工业业试试验验，以进一步验证系统设计的正确性和系统品质的优越性。1 1 小车单摆系统仿人控制器的设计小车单摆系统仿人控制器的设计 5人控制器的设计与实现示例人控制器的设计与实现示例(1)(1)小车单摆系统的数学模型小车单摆系统的数学模型-0+r-u +0-+小车小车-单摆系统结构示意图单摆系统结构示意图qMmJlur小车及转动装置的等效质量小车及转动装置的等效质量单摆质量单摆质量单摆以质心为转动轴心时的转动惯量单摆以质心为转动轴心时的转动惯量单摆质心与轴心距离单摆质心与轴心距离控制作用（控制作用（u）小车位移小车位移单摆摆角（角位移）单摆摆角（角位移）1 1 小车单摆系统仿人控制器的设计小车单摆系统仿人控制器的设计 5人控制器的设计与实现示例人控制器的设计与实现示例(2)小车单摆系统仿人控制器的结构设计小车单摆系统仿人控制器的结构设计+协调控制器仿人智能控制器小车控制回路G2单摆控制回路G1小车UC2单摆UC1CC耦合回路+(3)(3)各控制阶段的控制作用、控制模态集和控制规则集各控制阶段的控制作用、控制模态集和控制规则集小小车车单单摆摆系系统统的的单单摆摆摆摆起起定定位位控控制制分分为为两两个个阶阶段段进进行行，即即起摆控制阶段和稳摆控制阶段。起摆控制阶段和稳摆控制阶段。1 1 小车单摆系统仿人控制器的设计小车单摆系统仿人控制器的设计 5人控制器的设计与实现示例人控制器的设计与实现示例(4)仿人控制器参数的确定仿人控制器参数的确定人键盘显示器和打印机小车-单摆系统HSIC控制器干扰期望值小车单摆仿人控制的小车单摆仿人控制的CAD学习训练系统学习训练系统小车单摆摆起倒立试验稳态位置小车单摆摆起倒立试验稳态位置(c)(d)1 1 小车单摆系统仿人控制器的设计小车单摆系统仿人控制器的设计 5人控制器的设计与实现示例人控制器的设计与实现示例(4)仿人控制器参数的确定仿人控制器参数的确定
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