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1、自动控制方法大综述自动控制方法大综述第1页，共64页，编辑于2022年，星期二经典控制经典控制特点特点 单输入、单输出的线性定常单输入、单输出的线性定常（参数不随时间而变化）系统（参数不随时间而变化）系统特点简单实用，理论不完善特点简单实用，理论不完善采用试探法设计系统采用试探法设计系统 经验经验 结果结果 分析分析第2页，共64页，编辑于2022年，星期二自动控制理论的发展过程自动控制理论的发展过程第3页，共64页，编辑于2022年，星期二系统分析：系统分析：在系统的结构、参数已知的情况下，计在系统的结构、参数已知的情况下，计算出它的性能。算出它的性能。系系统统校校正正：在在系系统统分分析析
2、的的基基础础上上，引引入入某某些些参参数数可可以以根根据据需需要要而而改改变变的的辅辅助助装装置置，来来改改善善系系统统的的性性能能，这这里里所用的辅助装置又叫所用的辅助装置又叫校正装置校正装置 （G G1 1(S)(S)。系统校正系统校正第4页，共64页，编辑于2022年，星期二系统校正的几种常见方法系统校正的几种常见方法1 1、串联校正、串联校正如果如果校正元件校正元件与系统的不可变部分与系统的不可变部分串联串联起来，如图所示，起来，如图所示，则称这种形式的校正为串联校正。则称这种形式的校正为串联校正。+-R(s)C(s)H(s)串联校正系统方框图串联校正系统方框图图中的图中的G G0 0
3、（s s）与）与G Gc c（s s）分别表示不可变部分及校正）分别表示不可变部分及校正元件的传递函数。元件的传递函数。第5页，共64页，编辑于2022年，星期二H(s)R(s)C(s)+-+-反馈校正系统方框图反馈校正系统方框图2 2、反馈校正、反馈校正如如果果从从系系统统的的某某个个元元件件的的输输出出取取得得反反馈馈信信号号，构构成成反反馈馈回回路路，并并在在反反馈馈回回路路内内设设置置传传递递函函数数为为Gc(s)的的校校正正元元件件，则则称这种校正形式为反馈校正，如下图所示。称这种校正形式为反馈校正，如下图所示。第6页，共64页，编辑于2022年，星期二3 3、前馈控制、前馈控制 如
4、果干扰可测，从如果干扰可测，从干扰向输入方向引入干扰向输入方向引入的以消除或的以消除或减小干扰对系统影响的补偿通道。减小干扰对系统影响的补偿通道。第7页，共64页，编辑于2022年，星期二4 4、顺馈控制、顺馈控制 以消除或减小系统误差为目的，从以消除或减小系统误差为目的，从输入方向引入输入方向引入的补偿通道的补偿通道。第8页，共64页，编辑于2022年，星期二5 5、校正类型比较：、校正类型比较：串联校正串联校正:分析简单，应用范围广，易于理解和接受分析简单，应用范围广，易于理解和接受.反馈校正反馈校正:最常见的就是比例反馈和微分反馈，微分反馈又最常见的就是比例反馈和微分反馈，微分反馈又 叫
5、速度反馈。叫速度反馈。顺馈校正：顺馈校正：以消除或减小系统误差为目的。以消除或减小系统误差为目的。前馈校正：前馈校正：以消除或减小干扰对系统影响。以消除或减小干扰对系统影响。第9页，共64页，编辑于2022年，星期二前馈与反馈控制特点比较前馈与反馈控制特点比较反馈控制的特点反馈控制的特点 ：基于偏差来消除偏差；“不及时”的控制；存在稳定性问题；对各种扰动均有校正作用；控制规律通常是P、PI、PD或PID等典型规律第10页，共64页，编辑于2022年，星期二前馈控制的特点前馈控制的特点 ：基于扰动来消除扰动对被控量的影响；基于扰动来消除扰动对被控量的影响；动作动作“及时及时”；只要系统中各环节是
6、稳定的，则控制系统必然稳定；只要系统中各环节是稳定的，则控制系统必然稳定；具有指定性补偿的局限性；具有指定性补偿的局限性；控制规律取决于被控对象的特性控制规律取决于被控对象的特性第11页，共64页，编辑于2022年，星期二前馈控制器设计原理前馈控制器设计原理 不变性原理是实现前馈控制的理论基础。不变性原理是实现前馈控制的理论基础。“不变性不变性”是指控制系统的是指控制系统的被控量与扰动量完全无关被控量与扰动量完全无关，或在一定准确度下无关或在一定准确度下无关前馈模型前馈模型 过程过程扰动通道扰动通道与与控制通道控制通道特性之比决定的，即：特性之比决定的，即：第12页，共64页，编辑于2022年
7、，星期二前馈控制属于开环控制方式前馈控制属于开环控制方式 ；完全补偿难以满足，因为：完全补偿难以满足，因为：要准确掌握过程扰动通道特性Wf（s）及控制通道特性Wo（s）是不容易的；即使前馈模型Wm（s）能准确求出，有时工程上也难以实现；对每一个扰动至少使用一套测量变送仪表和一个前馈控制器，这将会使控制系统庞大而复杂。前馈控制的局限性前馈控制的局限性 第13页，共64页，编辑于2022年，星期二PIDPID控制器模型控制器模型第14页，共64页，编辑于2022年，星期二比例比例系数系数Kp Kp 的大小决定系统的的大小决定系统的快速性快速性，越大，系统响应，越大，系统响应速度越快，调节精度越高。
8、速度越快，调节精度越高。积分积分系数系数Ki Ki 作用是作用是消除系统的静态误差消除系统的静态误差。KiKi太大，系统太大，系统振荡次数增加，振荡次数增加，KiKi太小系统调节精度降低。太小系统调节精度降低。微分微分系统系统Kd Kd 改善系统的改善系统的动态特性动态特性。KdKd过大，则超调量较过大，则超调量较大，调整时间过长。大，调整时间过长。第15页，共64页，编辑于2022年，星期二几种改良的几种改良的PIDPID控制器控制器1 1、积分分离、积分分离PIDPID控制算法控制算法2 2、抗积分饱和、抗积分饱和PIDPID控制算法控制算法3 3、不完全微分、不完全微分PIDPID控制算
9、法控制算法4 4、微分先行、微分先行PIDPID控制算法控制算法5 5、带死区的、带死区的PIDPID控制算法控制算法第16页，共64页，编辑于2022年，星期二1 1 积分分离积分分离PIDPID控制算法控制算法在在PID控控制制中中，引引入入积积分分环环节节的的目目的的主主要要是是为为了了消消除除静静差差，提提高高控控制制精精度度。但但在在过过程程的的启启动动、结结束束或或大大幅幅度度增增减减设设定定值值时时，短短时时间间内内系系统统输输出出有有很很大大的的偏偏差差，会会造造成成PID中中积积分分运运算算的的过过度度积积累累，使使控控制制量量超超过过执执行行机机构构可可能能允允许许的的最最
10、大大动动作作范范围围，引引起起系系统统较较大大的的超超调调和和振振荡荡，这这在在生生产产中中是是绝绝对不允许的。对不允许的。积分分离控制基本思路和具体实现的步骤是：积分分离控制基本思路和具体实现的步骤是：1 1）根据实际情况，人为设定阈值）根据实际情况，人为设定阈值0 0；2 2）当）当 errorerror(k k)时，采用时，采用P P或或PDPD控制；控制；3 3）当当 errorerror(k k)时时，采采用用PIPI或或PIDPID控控制制，以以保保证证系系统统的的控制精度。控制精度。第17页，共64页，编辑于2022年，星期二2 抗积分饱和抗积分饱和PID控制算法控制算法若若系系
11、统统存存在在一一个个方方向向的的偏偏差差，PID的的输输出出由由于于积积分分作作用用的的不不断断累累加加导导致致u(k)达达到到极极限限位位置置。此此后后若若PID控控制制器器的的计计算算输输出出继继续续增增大大，实实际际执执行行装装置置的的控控制制输输出出u(k)也也不不会会再再增增大大，即即进进入入了了饱饱和和区区。当当出出现现反反向向偏偏差差，u(k)逐逐渐渐从从饱饱和和区区退退出出。进进入入饱饱和和区区愈愈深深则则退退饱饱和和时时间间愈愈长长，此此时时，系系统统就就像像失失去去了了控控制制。这这种种现现象象称称为为积积分分饱饱和和现现象象或或积积分失控现象。分失控现象。（1）积分饱和现
12、象）积分饱和现象第18页，共64页，编辑于2022年，星期二在在计计算算u u(k k)时时，首首先先判判断断上上一一时时刻刻的的控控制制量量u u(k k-1)-1)是是否否己己超超出出限限制制范范围围。若若超超出出，则则只只累累加加负负偏偏差差；若若未未超超出出，则则按按普普通通PIDPID算算法法进进行行调调节节。这这种种算算法法可可以以避避免免控控制制量量长长时时间间停留在饱和区。停留在饱和区。（2）抗积分饱和算法）抗积分饱和算法第19页，共64页，编辑于2022年，星期二在在PIDPID控控制制中中微微分分信信号号的的引引入入可可改改善善系系统统的的动动态态特特性性，但但也也易易引引
13、进进高高频频干干扰扰，在在误误差差扰扰动动突突变变时时尤尤其其明明显显。若若在在控控制制算算法法中中加加入入低低通通滤滤波波器器，则则可可使使系系统统性性能得到改善。能得到改善。3 3 不完全微分不完全微分PIDPID控制算法控制算法不完全微分不完全微分PID的结构如图。的结构如图。上上图图将将低低通通滤滤波波器器直直接接加加在在微分环节微分环节上，上，左左图图是是将将低低通通滤滤波波器器加加在在整整个个PID控制器之后控制器之后。第20页，共64页，编辑于2022年，星期二微微分分先先行行PID控控制制的的特特点点是是只只对对输输出出量量y(t)进进行行微微分分，而而对对给给定定值值r(t)
14、不进行微分。不进行微分。这这种种输输出出量量先先行行微微分分控控制制适适用用于于给给定定值值r(t)频频繁繁升升降降的的场场合合，可可以以避避免免给给定定值值升升降降时时引引起起系系统统振振荡荡，从从而而明明显显地地改改善善了了系统的动态特性。结构如下图所示。系统的动态特性。结构如下图所示。4 微分先行微分先行PIDPID控制算法控制算法第21页，共64页，编辑于2022年，星期二5 5 带死区的带死区的PIDPID控制算法及仿真控制算法及仿真 在在计计算算机机控控制制系系统统中中，某某些些系系统统为为了了避避免免控控制制作作用用过过于于频频繁繁，消消除除由由于于频频繁繁动动作作所所引引起起的
15、的振振荡荡，可可采采用用带带死死区区的的PID控制算法，控制算式为：控制算法，控制算式为：式式中中，e(k)为为位位置置跟跟踪踪偏偏差差，e0是是一一个个可可调调参参数数，其其具具体体数数值值可可根根据据实实际际控控制制对对象象由由实实验验确确定定。若若e0值值太太小小，会会使使控控制制动动作作过过于于频频繁繁，达达不不到到稳稳定定被被控控对对象象的的目目的的；若若e0太太大大，则则系系统统将将产产生生较大的滞后。较大的滞后。第22页，共64页，编辑于2022年，星期二现代控制现代控制建模建模分析分析设计设计状态空间状态空间表达式表达式建立建立求解求解转换转换可控可控性性可观可观性性稳定稳定性
16、性状态反馈状态反馈状态观测器状态观测器最优控制最优控制第23页，共64页，编辑于2022年，星期二现代控制理论具有以下特点：现代控制理论具有以下特点：.控制对象结构的转变控制对象结构的转变 单输入单输出向多输入多输出单输入单输出向多输入多输出,非线性、非定常非线性、非定常2 2研究工具的转变研究工具的转变 （1 1）积分变换法积分变换法向向矩阵理论、几何方法矩阵理论、几何方法转变，转变，由由频率法频率法转向转向状态空间状态空间的研究；的研究；（2 2）计算机技术发展，由手工计算转向计算机计算）计算机技术发展，由手工计算转向计算机计算3 3建模手段的转变建模手段的转变 由由机理建模机理建模向向统
17、计建模统计建模转变转变第24页，共64页，编辑于2022年，星期二现代控制方法现代控制方法鲁棒控制鲁棒控制跟踪控制跟踪控制预见控制预见控制重复控制重复控制滑模控制滑模控制第25页，共64页，编辑于2022年，星期二鲁棒控制鲁棒控制鲁棒系统设计的目标就是要在鲁棒系统设计的目标就是要在模型不精确和存在其他变模型不精确和存在其他变化因素的条件化因素的条件下，使控制系统仍能保持其稳定性下，使控制系统仍能保持其稳定性(鲁棒稳鲁棒稳定性定性)和控制性能和控制性能(鲁棒性能鲁棒性能)。模型的不精确性、降阶近似、非线性线性化带来的误模型的不精确性、降阶近似、非线性线性化带来的误 差、系统参数和特性随时间的变化
18、或漂移。差、系统参数和特性随时间的变化或漂移。第26页，共64页，编辑于2022年，星期二鲁棒控制鲁棒控制鲁棒控制（鲁棒控制（Robust ControlRobust Control）方面的研究始于）方面的研究始于2020世纪世纪5050年代。上世纪年代。上世纪6060年代，状态空间结构理论的形成，与最年代，状态空间结构理论的形成，与最优控制、卡尔曼滤波以及分离性理论一起，使现代控制优控制、卡尔曼滤波以及分离性理论一起，使现代控制理论成了一个严密完整的体系。随着现代控制理论的发理论成了一个严密完整的体系。随着现代控制理论的发展，从上世纪展，从上世纪8080年代以来，对控制系统的鲁棒性研究引年代
19、以来，对控制系统的鲁棒性研究引起了众多学者的高度重视。在过去的起了众多学者的高度重视。在过去的2020年中，鲁棒控制年中，鲁棒控制一直是国际自控界的研究热点。一直是国际自控界的研究热点。第27页，共64页，编辑于2022年，星期二主要的鲁棒控制理论主要的鲁棒控制理论KharitonovKharitonov区间理论区间理论结构奇异值理论结构奇异值理论(理论理论)等等H H 控制理论控制理论鲁棒控制理论最突出成就是鲁棒控制理论最突出成就是H H 控制和控制和方法方法。鲁棒控制理论主要研究分析和综合这两方面问题鲁棒控制理论主要研究分析和综合这两方面问题综合方面综合方面要研究的是：要研究的是：采用什么
20、控制结构、用什么设计方法采用什么控制结构、用什么设计方法保证控制系统具有更强的鲁棒性保证控制系统具有更强的鲁棒性，包括如何应对系统存在，包括如何应对系统存在的不确定性和外加干扰的影响。它的不确定性和外加干扰的影响。它弥补了现代控制理论需弥补了现代控制理论需要对象精确数学模型的缺陷要对象精确数学模型的缺陷，使得系统的分析和综合方，使得系统的分析和综合方法更加有效、实用法更加有效、实用第28页，共64页，编辑于2022年，星期二鲁棒控制理论的应用鲁棒控制理论的应用广泛应用于化工、机器人、航空、航天、交通等各广泛应用于化工、机器人、航空、航天、交通等各个领域个领域鲁棒控制系统的设计要由高级专家完成，
21、故其鲁棒控制系统的设计要由高级专家完成，故其缺点在于一旦设计好这个控制器，它的参数可缺点在于一旦设计好这个控制器，它的参数可能就不易于改变能就不易于改变 第29页，共64页，编辑于2022年，星期二跟踪控制跟踪控制可分为路径跟踪和轨迹跟踪可分为路径跟踪和轨迹跟踪路径跟踪：一种不考虑时间的几何位置跟踪路径跟踪：一种不考虑时间的几何位置跟踪轨迹跟踪：希望系统在指定时间到达指定位置。轨迹跟踪：希望系统在指定时间到达指定位置。目的：使系统的输出尽可能的逼近目标轨迹。目的：使系统的输出尽可能的逼近目标轨迹。轨迹控制的应用，特别是轨迹控制的应用，特别是机床行业及机械手机床行业及机械手的控制的控制对轨迹跟踪
22、控制的研究主要从对轨迹跟踪控制的研究主要从提高跟踪精度提高跟踪精度，抑制干扰误抑制干扰误差差等方面着手的。等方面着手的。提高轨迹系统的跟踪精度可以采用最优预见控制技术提高轨迹系统的跟踪精度可以采用最优预见控制技术 或是与鲁棒控制结合。或是与鲁棒控制结合。第30页，共64页，编辑于2022年，星期二预见控制预见控制对目标值的过去、现在、未来和干扰信号的未来情况完全知对目标值的过去、现在、未来和干扰信号的未来情况完全知道的情况下，使目标值与被控制量间的道的情况下，使目标值与被控制量间的偏差达到最小偏差达到最小。由于控制对象一般都包含由于控制对象一般都包含动态项动态项，所以当前时刻施加上的，所以当前
23、时刻施加上的控制输入并不能立即在被控制量控制输入并不能立即在被控制量(输出输出)上表现出来，而是上表现出来，而是有一些延迟。有一些延迟。出发点：出发点：了解目标值信号及干扰信号如何变化。了解目标值信号及干扰信号如何变化。第31页，共64页，编辑于2022年，星期二预见控制原理预见控制原理控制受控对象的输出控制受控对象的输出,使图中斜线形成的面积最小化使图中斜线形成的面积最小化第32页，共64页，编辑于2022年，星期二预测控制预测控制模型预测控制算法是一种基于预测模型的控制算法。模型预测控制算法是一种基于预测模型的控制算法。系统在预测模型的基础上根据系统在预测模型的基础上根据对象的历史信息和未
24、来输入对象的历史信息和未来输入预测预测其未来输出其未来输出，并根据被控变量与给定值之间的误差，并根据被控变量与给定值之间的误差确定当前时刻的控制作用，使之适应动态控制系统的存确定当前时刻的控制作用，使之适应动态控制系统的存储性和因果性特点。储性和因果性特点。线性与非线性系统都可作为预测模型线性与非线性系统都可作为预测模型特点：特点：对模型要求低、综合控制质量好、在线计算方便对模型要求低、综合控制质量好、在线计算方便 三个基本特征：即模型预测，滚动优化和反馈校正三个基本特征：即模型预测，滚动优化和反馈校正第33页，共64页，编辑于2022年，星期二应用应用直接在工业现场产生的一种基于模型的计算机
25、优化控制算法。直接在工业现场产生的一种基于模型的计算机优化控制算法。过程控制应用过程控制应用最成功，也最具有前途的先进控制策略。最成功，也最具有前途的先进控制策略。从工业应用：从工业应用：1 1）取代）取代PIDPID控制器解决一些局部控制问题；控制器解决一些局部控制问题；2 2）处理复杂的多变量控制问题时更具优势。）处理复杂的多变量控制问题时更具优势。各种新的控制算法和策略各种新的控制算法和策略 鲁棒预测控制、自适应预测控制、神经网络预测控制、鲁棒预测控制、自适应预测控制、神经网络预测控制、第34页，共64页，编辑于2022年，星期二滑模控制滑模控制 本质上是一类特殊的本质上是一类特殊的本质
26、上是一类特殊的本质上是一类特殊的非线性控制非线性控制，其非线性表现为控制作，其非线性表现为控制作，其非线性表现为控制作，其非线性表现为控制作用的不连续性。与其他控制策略的不同之处：系统的用的不连续性。与其他控制策略的不同之处：系统的用的不连续性。与其他控制策略的不同之处：系统的用的不连续性。与其他控制策略的不同之处：系统的“结构结构结构结构”并不固定，而是并不固定，而是并不固定，而是并不固定，而是在动态过程中，根据系统当前的状态有在动态过程中，根据系统当前的状态有在动态过程中，根据系统当前的状态有在动态过程中，根据系统当前的状态有目的地不断变化目的地不断变化目的地不断变化目的地不断变化。滑模控
27、制滑模控制滑模控制滑模控制优点优点优点优点 滑动模态可以设计且与对象参数和扰动无关，滑动模态可以设计且与对象参数和扰动无关，具有快速响应、对参数变化和扰动不灵敏（具有快速响应、对参数变化和扰动不灵敏（具有快速响应、对参数变化和扰动不灵敏（具有快速响应、对参数变化和扰动不灵敏（鲁棒性）鲁棒性）鲁棒性）鲁棒性）无须系统在线辨识、物理实现简单无须系统在线辨识、物理实现简单无须系统在线辨识、物理实现简单无须系统在线辨识、物理实现简单 。第35页，共64页，编辑于2022年，星期二 滑模控制缺点滑模控制缺点滑模控制缺点滑模控制缺点 当状态轨迹到达滑动模态面后，难以严格沿着滑动模态面当状态轨迹到达滑动模态
28、面后，难以严格沿着滑动模态面当状态轨迹到达滑动模态面后，难以严格沿着滑动模态面当状态轨迹到达滑动模态面后，难以严格沿着滑动模态面向平衡点滑动，而是在其两侧来回穿越地趋近平衡点，从向平衡点滑动，而是在其两侧来回穿越地趋近平衡点，从向平衡点滑动，而是在其两侧来回穿越地趋近平衡点，从向平衡点滑动，而是在其两侧来回穿越地趋近平衡点，从而产生抖振而产生抖振而产生抖振而产生抖振滑模控制实际应用中的主要障碍。滑模控制实际应用中的主要障碍。滑模控制实际应用中的主要障碍。滑模控制实际应用中的主要障碍。滑模变结构控制的应用滑模变结构控制的应用滑模变结构控制的应用滑模变结构控制的应用电机、电力系统、机器人、航天器、
29、伺服系统电机、电力系统、机器人、航天器、伺服系统第36页，共64页，编辑于2022年，星期二重复控制重复控制重复控制是基于重复控制是基于内模原理内模原理的一种控制方法。的一种控制方法。用于伺服系统轨迹的高精度控制用于伺服系统轨迹的高精度控制特点：特点：控制精度高，实现简单及控制性能的非参数依赖性控制精度高，实现简单及控制性能的非参数依赖性分类：分类：1 1）连续时延内模重复控制，应用于伺服系统设计）连续时延内模重复控制，应用于伺服系统设计2 2）离散时延内模重复控制）离散时延内模重复控制3 3）有限维重复控制）有限维重复控制4 4）非线性系统重复控制）非线性系统重复控制第37页，共64页，编辑
30、于2022年，星期二重复控制重复控制应用应用 旋转或具有周期性质系统的高精度控制中旋转或具有周期性质系统的高精度控制中高精度轨迹伺服系统、如，计算机硬盘、机器人控制、气象卫星姿高精度轨迹伺服系统、如，计算机硬盘、机器人控制、气象卫星姿态控制、有源振动补偿、噪声补偿控制态控制、有源振动补偿、噪声补偿控制不足不足：学习能力：其学习能力的有限性，重复控制可能会放大非重复频率处的干学习能力：其学习能力的有限性，重复控制可能会放大非重复频率处的干扰信号扰信号优化的设计方法：还缺少能系统、有效解决上述问题的鲁棒重复控制器的优化的设计方法：还缺少能系统、有效解决上述问题的鲁棒重复控制器的设计和优化方法。设计
31、和优化方法。非线性重复控制。重复控制方法在非线性系统中的研究还十分有非线性重复控制。重复控制方法在非线性系统中的研究还十分有限。限。第38页，共64页，编辑于2022年，星期二内模控制内模控制一种基于一种基于过程数学模型过程数学模型进行控制器设计的新型控制策略。进行控制器设计的新型控制策略。第39页，共64页，编辑于2022年，星期二智能控制智能控制自动控制发展的自动控制发展的高级阶段高级阶段研究对复杂的研究对复杂的不确定性不确定性被控对象（过程）采用被控对象（过程）采用人工人工智能智能的方法有效地的方法有效地克服克服系统的不确定性，使系统系统的不确定性，使系统从从无序无序状态到状态到有序有序
32、状态转移的方法状态转移的方法.特点：特点：非线性控制、变结构、总体自寻优、满足多样非线性控制、变结构、总体自寻优、满足多样性目标的高性能要求性目标的高性能要求人工智能、自动控制人工智能、自动控制和和运筹学运筹学三个主要学科相结三个主要学科相结合的产物合的产物第40页，共64页，编辑于2022年，星期二最优控制最优控制在满足一定约束条件下，寻求最优控制策略，使得性能在满足一定约束条件下，寻求最优控制策略，使得性能指标取极大值或极小值。指标取极大值或极小值。寻找容许的控制作用（规律）寻找容许的控制作用（规律）第41页，共64页，编辑于2022年，星期二基本内容和常用方法包括动态规划、最大值原理和基
33、本内容和常用方法包括动态规划、最大值原理和变分法。变分法。应用应用：时间最短、能耗最小、线性二次型指标最优、跟踪问时间最短、能耗最小、线性二次型指标最优、跟踪问题、调节问题和伺服机构问题题、调节问题和伺服机构问题缺点缺点：理论上还有不完善的地方。理论上还有不完善的地方。即优化算法中的鲁棒性问题和最优化算法的简化即优化算法中的鲁棒性问题和最优化算法的简化和实用性问题和实用性问题第42页，共64页，编辑于2022年，星期二内模控制内模控制内模控制的主要优点：内模控制的主要优点：(1)(1)无需精确的对象模型无需精确的对象模型;(2)(2)在引入滤波器后，系统有可能获得较好的在引入滤波器后，系统有可
34、能获得较好的 鲁棒性鲁棒性;(3)(3)控制器参数调节方便控制器参数调节方便应用应用在工业过程中，内模控制用于强耦合多变量过程、在工业过程中，内模控制用于强耦合多变量过程、强非线性过程和大时滞过程。强非线性过程和大时滞过程。第43页，共64页，编辑于2022年，星期二智能系统功能特征智能系统功能特征学习能力；对未知环境信息识别记忆学习，改学习能力；对未知环境信息识别记忆学习，改善性能善性能适应性；适应变化的能力适应性；适应变化的能力容错性；对故障诊断修复的能力容错性；对故障诊断修复的能力鲁棒性；抗干扰能力鲁棒性；抗干扰能力组织功能；复杂任务分散信息，主动性灵活性组织功能；复杂任务分散信息，主动
35、性灵活性 实时性；在线实时响应能力实时性；在线实时响应能力人机协作；友好的人机界面人机协作；友好的人机界面第44页，共64页，编辑于2022年，星期二传统控制理论的局限性传统控制理论的局限性传统的控制理论建立在精确的数学模型基础上传统的控制理论建立在精确的数学模型基础上用微分或差用微分或差分方程来描述。分方程来描述。不能反映人工智能过程：推理、分析、学习。不能反映人工智能过程：推理、分析、学习。丢失许多有用的信息丢失许多有用的信息不能适应大的系统参数和结构的变化不能适应大的系统参数和结构的变化 小的、变化较慢的参数不确定性和干扰小的、变化较慢的参数不确定性和干扰传统的控制系统输入信息模式单一传
36、统的控制系统输入信息模式单一 如电量、机械量如电量、机械量第45页，共64页，编辑于2022年，星期二智能控制与传统控制的关系智能控制与传统控制的关系传统控制：经典反馈控制和现代理论控制。它们的传统控制：经典反馈控制和现代理论控制。它们的主要特征是基于精确的系统数学模型的控制。适于主要特征是基于精确的系统数学模型的控制。适于解决线性、时不变等相对简单的控制问题。解决线性、时不变等相对简单的控制问题。智能控制（以上问题用智能的方法同样可以解智能控制（以上问题用智能的方法同样可以解决。智能控制是对传统控制理论的发展，传统决。智能控制是对传统控制理论的发展，传统控制是智能控制的一个组成部分，在这个意
37、义控制是智能控制的一个组成部分，在这个意义下，两者可以统一在智能控制的框架下。下，两者可以统一在智能控制的框架下。第46页，共64页，编辑于2022年，星期二智能控制的应用智能控制的应用一般无法获得精确的数学模型一般无法获得精确的数学模型应用传统控制理论进行控制必须提出并遵循一应用传统控制理论进行控制必须提出并遵循一些比较苛刻的线性化假设，而这些假设在应用些比较苛刻的线性化假设，而这些假设在应用中往往与实际情况不相吻合。中往往与实际情况不相吻合。无法解决建模问题。无法解决建模问题。为了提高控制性能，传统控制系统可能变得很为了提高控制性能，传统控制系统可能变得很复杂复杂第47页，共64页，编辑于
38、2022年，星期二分类分类分级递阶控制分级递阶控制专家控制专家控制模糊控制模糊控制神经网络控制神经网络控制遗传算法遗传算法学习控制学习控制集成（或者复合）混合控制集成（或者复合）混合控制第48页，共64页，编辑于2022年，星期二分级递阶控制系统分级递阶控制系统自适应控制和自组织控制基础自适应控制和自组织控制基础由三个控制级组成由三个控制级组成 组织级、协调级、执行级组织级、协调级、执行级 比如：机器人三级递阶智能控制系统。比如：机器人三级递阶智能控制系统。高级输入命令高级输入命令 1(1(组织级组织级 ）传感器协调器传感器协调器 机械臂协调器机械臂协调器 视觉协调器视觉协调器 2 2（协调级
39、）（协调级）上臂控制上臂控制 手臂控制手臂控制 3(3(执行级）执行级）第49页，共64页，编辑于2022年，星期二专家控制专家控制一般专家系统由知识库、数据库、推理机、解释器及知识获取器五个一般专家系统由知识库、数据库、推理机、解释器及知识获取器五个部分组成。部分组成。特征：特征：具有专家水平的知识：必须表现专家的技能和高度的技巧以及足够的鲁棒具有专家水平的知识：必须表现专家的技能和高度的技巧以及足够的鲁棒性。性。能进行有效的推理：能够运用专家的经验和知识进行搜索、推理能进行有效的推理：能够运用专家的经验和知识进行搜索、推理具有透明性：在推理时，不仅能够得到答案，而且还能给出推理的依具有透明
40、性：在推理时，不仅能够得到答案，而且还能给出推理的依据据具有灵活性：知识的更新和扩充灵活方便具有灵活性：知识的更新和扩充灵活方便复杂性：人类的知识可以定性或定量的表示，专家系统经常表现为复杂性：人类的知识可以定性或定量的表示，专家系统经常表现为定性推理和定量计算的混合形式，比较复杂定性推理和定量计算的混合形式，比较复杂第50页，共64页，编辑于2022年，星期二专家控制应用专家控制应用1.诊断型专家系统：根据症状，得到故障的原因及排除故障的方案。如各诊断型专家系统：根据症状，得到故障的原因及排除故障的方案。如各种故障诊断系统及医疗诊断系统种故障诊断系统及医疗诊断系统2.解释型专家系统：根据表征
41、现象和信息解释其深层含义。如：卫星图像分析解释型专家系统：根据表征现象和信息解释其深层含义。如：卫星图像分析3.预测型专家系统：根据以往数据预测未来情况。如：天气预报预测型专家系统：根据以往数据预测未来情况。如：天气预报4.设计型专家系统：根据设计要求和指标进行产品的设计，如：电路板线设计型专家系统：根据设计要求和指标进行产品的设计，如：电路板线路设计路设计5.决策型专家系统：对各种可能的决策方案进行综合评判。决策型专家系统：对各种可能的决策方案进行综合评判。6.规划型专家系统：根据任务进行行动规划。如：交通导航调度规划型专家系统：根据任务进行行动规划。如：交通导航调度7.控制专家系统：根据控
42、制过程的状态变化，依据专家经验，合理地选择控制控制专家系统：根据控制过程的状态变化，依据专家经验，合理地选择控制动作，达到优化的目的动作，达到优化的目的第51页，共64页，编辑于2022年，星期二神经网络控制的应用神经网络控制的应用处理组合优化问题处理组合优化问题：成功解决了旅行商问题，另外还有最大匹配 问题，装箱问题和作业调度问题。模式识别模式识别：手写字符，指纹和声音识别，还可用于目标的自动识别，目标跟踪，机器人传感器图像识别及地震信号的鉴别。图像处理图像处理：对图像进行边缘监测，图像分割，图像压缩和图像恢复。机器人控制机器人控制：对机器人轨道控制，操作机器人眼手系统，用于机械手的故障诊断
43、及排除，智能自适应移动机器人的导航，视觉系统。医疗医疗：移植次数优化，医院费用节流，医院质量改进等方面均有应用第52页，共64页，编辑于2022年，星期二神经网络控制神经网络控制神经网络是指由大量与生物神经系统的神经细胞相类神经网络是指由大量与生物神经系统的神经细胞相类似的人工神经元互连而组成的网络；或由大量象生物似的人工神经元互连而组成的网络；或由大量象生物神经元的处理单元并联互连而成神经元的处理单元并联互连而成主要特征：主要特征：学习能力、联想存储能力、高速寻找优化解的学习能力、联想存储能力、高速寻找优化解的能力能力第53页，共64页，编辑于2022年，星期二模糊控制模糊控制模糊控制，就是
44、对难以用已有规律描述的复杂系统，模糊控制，就是对难以用已有规律描述的复杂系统，采用自然语言（如大、中、小）加以叙述，借助定性采用自然语言（如大、中、小）加以叙述，借助定性的、不精确的及模糊的条件语句来表达，的、不精确的及模糊的条件语句来表达，模糊控制是一种基于语言的一种智能控制模糊控制是一种基于语言的一种智能控制第54页，共64页，编辑于2022年，星期二模糊控制模糊控制被控制量偏差给定值 模糊控制器被控对象不必对被控对象建模（用方程表达输入输出关系）不必对被控对象建模（用方程表达输入输出关系）利用领域专家经验设计模糊控制器，相当于利用专利用领域专家经验设计模糊控制器，相当于利用专经验加工偏差
45、从而得到控制作用经验加工偏差从而得到控制作用U，使得被控对象，使得被控对象输出符合要求。输出符合要求。第55页，共64页，编辑于2022年，星期二模糊控制的特点模糊控制的特点适用于不易获得精确数学模型的被控对象适用于不易获得精确数学模型的被控对象一种语言变量控制器一种语言变量控制器从属于智能控制的范畴。该系统尤其适于非线性，从属于智能控制的范畴。该系统尤其适于非线性，时变，滞后系统的控制时变，滞后系统的控制抗干扰能力强，响应速度快，并对系统参数的变抗干扰能力强，响应速度快，并对系统参数的变化有较强的鲁棒性。化有较强的鲁棒性。第56页，共64页，编辑于2022年，星期二自适应控制自适应控制研究对
46、象：具有研究对象：具有不确定性不确定性的系统的系统 被控对象及其环境的数学模型不是完全确定的被控对象及其环境的数学模型不是完全确定的 自适应控制器自适应控制器：通过：通过及时修正自己的特性以适应对象和扰动的动态特性变化及时修正自己的特性以适应对象和扰动的动态特性变化，使整个控制系统始终获得满意的性能。使整个控制系统始终获得满意的性能。生物能够通过自觉调整自身参数改变自己的习性，以适应新的环境特性生物能够通过自觉调整自身参数改变自己的习性，以适应新的环境特性 自适应控制的特点：自适应控制的特点：研究具有不确定性的对象或难以确知的对象研究具有不确定性的对象或难以确知的对象 能消除系统结构扰动引起的
47、系统误差能消除系统结构扰动引起的系统误差 对数学模型的依赖很小，仅需要较少的验前知识对数学模型的依赖很小，仅需要较少的验前知识 自适应控制是较为复杂的反馈控制自适应控制是较为复杂的反馈控制 第57页，共64页，编辑于2022年，星期二自适应控制分类自适应控制分类（1 1）前馈自适应控制）前馈自适应控制前馈自适应控制结构图前馈自适应控制结构图 与前馈反馈复合控制系统的结构比较类似与前馈反馈复合控制系统的结构比较类似 不同在于：增加了自适应机构，并且控制器可调不同在于：增加了自适应机构，并且控制器可调 借助于借助于过程扰动信号过程扰动信号的测量，通过的测量，通过自适应机构自适应机构来来改变控制器的
48、状态改变控制器的状态，从而达到改，从而达到改变系统特性的目的。变系统特性的目的。当扰动不可测时，前当扰动不可测时，前馈自适应控制系统的应用馈自适应控制系统的应用就会受到严重的限制。就会受到严重的限制。第58页，共64页，编辑于2022年，星期二（2 2）反馈自适应控制）反馈自适应控制反馈自适应控制结构图反馈自适应控制结构图 根据根据系统内部可测信息系统内部可测信息的变化，来改变控制器的结构或参数，以达到提高控制的变化，来改变控制器的结构或参数，以达到提高控制质量的目的质量的目的.除原有的反馈回路之外，反馈自适应控制系统中新增加的自适应机构形成了另一个反馈回路除原有的反馈回路之外，反馈自适应控制
49、系统中新增加的自适应机构形成了另一个反馈回路.第59页，共64页，编辑于2022年，星期二（3 3）模型参考自适应控制模型参考自适应控制（MRAC）在参考模型始终具有期望的闭环性能的前提下，使系统在运行过程中，力求保持被控过程的在参考模型始终具有期望的闭环性能的前提下，使系统在运行过程中，力求保持被控过程的响应特性与参考模型的动态性能一致。响应特性与参考模型的动态性能一致。表达了期望的闭环性能表达了期望的闭环性能结构或参数结构或参数 根据系统广义误差根据系统广义误差,按照按照一定的规律改变可调机构的结构或参数。一定的规律改变可调机构的结构或参数。主要组成：主要组成：参考模型参考模型 可调机构可
50、调机构 自适应机构自适应机构 模型参考自适应控制系统结构图模型参考自适应控制系统结构图第60页，共64页，编辑于2022年，星期二（4 4）自校正控制）自校正控制自校正控制系统结构图自校正控制系统结构图自校正控制系统又称自校正控制系统又称自优化控制自优化控制或或模型辨识自适应控制模型辨识自适应控制。通过采集的过程输入、输出信息，实现过程模型的在线辨识和参数估计。通过采集的过程输入、输出信息，实现过程模型的在线辨识和参数估计。在获得的过程模型或估计参数的基础上，按照一定的性能优化准则，计算控在获得的过程模型或估计参数的基础上，按照一定的性能优化准则，计算控制参数，使得闭环系统能够达到最优的控制品