王培進(jìn),張景輝

(煙臺(tái)大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264005)

前饋控制和反饋控制是2種最基本的控制原理[1],如圖1和圖2。反饋控制是指閉環(huán)反饋控制,在實(shí)際應(yīng)用中最為常見(jiàn)的控制模式。反饋控制其實(shí)是用過(guò)去的情況來(lái)指導(dǎo)現(xiàn)在和將來(lái)。在控制系統(tǒng)中,如果返回信息的作用是抵消輸入信息,稱為負(fù)反饋,它可以使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定;若其作用是增強(qiáng)輸入信息,則稱為正反饋,它可以使信號(hào)得到加強(qiáng)。自動(dòng)控制系統(tǒng)中的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)都是負(fù)反饋控制系統(tǒng)(圖2)。

圖1 前饋控制原理

閉環(huán)反饋控制的特點(diǎn)是:被控量變化在前,控制在后,是基于被控量的控制。控制的根本目的是抑制干擾、消除干擾,保持被控量的穩(wěn)定和達(dá)到給定的期望值。如果沒(méi)有干擾,當(dāng)被控量達(dá)到給定值后,會(huì)一直保持不變。由于干擾的存在,使被控量遠(yuǎn)離給定值,因而施加控制,讓其回歸到給定值附近,偏差越小越好,一般符合給定的偏差要求(控制精度)即可。由此可見(jiàn),反饋控制既可以抑制可見(jiàn)干擾,也可以抑制不可見(jiàn)干擾,這是它的優(yōu)點(diǎn)。它的缺點(diǎn)是只有被控量變化了,才施加控制,控制動(dòng)作有點(diǎn)滯后。

圖2 閉環(huán)反饋控制原理

前饋控制與反饋控制恰好相反,是控制在前,變化在后,是基于干擾量的控制。前饋控制是在蘇聯(lián)學(xué)者所倡導(dǎo)不變性原理的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的。20世紀(jì)50年代以后,在工程上,前饋控制系統(tǒng)逐漸得到了廣泛的應(yīng)用。前饋控制的優(yōu)點(diǎn)是克服干擾速度快。但是,前饋控制實(shí)現(xiàn)的前提是干擾量必須是可測(cè)的,而且如果已知干擾量對(duì)被控量干擾的數(shù)學(xué)模型,控制效果最好。實(shí)際控制系統(tǒng)有許多干擾因素是不可見(jiàn)、不可測(cè)的,建立數(shù)學(xué)模型也比較困難。因此,前饋控制一般不單獨(dú)使用,可以與反饋控制一起構(gòu)成前饋-反饋控制系統(tǒng),即復(fù)合控制策略。

此外,從輸出信息是否反饋看,分開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制。開(kāi)環(huán)控制是最簡(jiǎn)單的一種控制方式,它的特點(diǎn)是:按照控制信息傳遞的路徑,控制量與被控制量之間只有前向通路而沒(méi)有反饋通路。也就是說(shuō),控制作用的傳遞路徑不是閉合的,故稱為開(kāi)環(huán)。在開(kāi)環(huán)控制中,控制器只管施加控制作用,至于控制的效果沒(méi)有反饋。如果有反饋,也僅僅是顯示,反饋的信息沒(méi)有給控制器。開(kāi)環(huán)控制雖然不能克服干擾的影響,但是當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后,如果沒(méi)有干擾的作用,采用開(kāi)環(huán)控制,控制器輸出保持不變,執(zhí)行機(jī)構(gòu)無(wú)動(dòng)作,一方面有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定,另一方面減少執(zhí)行機(jī)構(gòu)的損耗,延長(zhǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的壽命。因此,開(kāi)環(huán)控制也有其優(yōu)點(diǎn),在實(shí)際控制過(guò)程中,根據(jù)被控系統(tǒng)的狀態(tài),采用開(kāi)閉環(huán)切換控制策略,是最佳控制策略。

1 傳統(tǒng)復(fù)合控制策略及缺點(diǎn)

在流程工業(yè)中,過(guò)程是復(fù)雜的,變量比較多,具有時(shí)滯,并且可能具有不同類型的非線性。因此,傳統(tǒng)的控制策略(如反饋控制策略)不一定最好[2]。因此,為了控制這種類型的系統(tǒng),一般采用復(fù)合控制策略。復(fù)合控制策略是由兩個(gè)及兩個(gè)以上簡(jiǎn)單控制策略組合起來(lái)的控制一個(gè)或同時(shí)控制多個(gè)參數(shù)的控制策略。復(fù)合控制的目的是使系統(tǒng)既具有開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性,又具有閉環(huán)控制系統(tǒng)的精度。常用的復(fù)合控制策略有:前饋-反饋、串級(jí)、前饋-串級(jí)等。

圖3是前饋-反饋控制系統(tǒng)中最典型的結(jié)構(gòu)形式。前饋-反饋控制的優(yōu)點(diǎn):(1) 從前饋控制角度看,由于增加了反饋控制,降低了對(duì)前饋控制模型精度的要求,并能對(duì)沒(méi)有測(cè)量的干擾信號(hào)的擾動(dòng)進(jìn)行校正;(2) 從反饋控制角度看,前饋控制作用對(duì)主要干擾及時(shí)進(jìn)行粗調(diào),大大減少反饋控制的負(fù)擔(dān);(3) 由于被控對(duì)象的慣性,反饋控制作用有延遲,而前饋沒(méi)有延遲,能夠及時(shí)地在被控對(duì)象到達(dá)反饋控制之前就能抵消掉,因此,前饋比反饋更加及時(shí);(4) 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)沒(méi)有穩(wěn)定性的問(wèn)題,補(bǔ)償前后穩(wěn)定性不變。

圖4是串級(jí)控制系統(tǒng)原理。與簡(jiǎn)單的單回路控制系統(tǒng)相比,串級(jí)控制采用了兩個(gè)閉環(huán)反饋回路,一個(gè)閉環(huán)在里面,稱為內(nèi)回路或者副回路;另一個(gè)閉環(huán)在外,稱為外回路或者主回路。副回路在控制過(guò)程中負(fù)責(zé)粗調(diào),主回路則完成細(xì)調(diào),串級(jí)控制就是通過(guò)這兩條回路的配合控制完成普通單回路控制系統(tǒng)很難達(dá)到的控制效果。

圖3 前饋-反饋控制

圖4 串級(jí)控制原理

如圖5,前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)中很常見(jiàn)的一種系統(tǒng),它是將前饋控制和串級(jí)控制結(jié)合起來(lái)的復(fù)合控制系統(tǒng)。這樣既發(fā)揮了前饋控制能夠克服主要干擾被控參數(shù)影響的優(yōu)點(diǎn),又保持了串級(jí)控制能抑制各種干擾的優(yōu)勢(shì),同時(shí)也降低了對(duì)前饋控制器的要求,便于工程上的實(shí)現(xiàn)。

實(shí)現(xiàn)前饋-串級(jí)控制需要測(cè)量3個(gè)量:一個(gè)被控量,2個(gè)主要干擾量。前饋控制器的輸出和主控制器的輸出的和作為副控制器的設(shè)定值,這是其特點(diǎn)。前饋-串級(jí)控制相比于其他復(fù)合控制策略,控制精度更高,穩(wěn)定性更好。

圖5 前饋-串級(jí)控制原理

通常把反饋控制、前饋-反饋控制、串級(jí)控制、前饋-串級(jí)控制等控制策略稱為傳統(tǒng)控制策略。文獻(xiàn)[3]研究了基于PID控制器的各種控制策略仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果,圖6是液位實(shí)際控制曲線。通過(guò)文獻(xiàn)[3]研究結(jié)果及其實(shí)際應(yīng)用結(jié)果看,無(wú)論P(yáng)ID參數(shù)如何優(yōu)化,控制過(guò)程震蕩、超調(diào)不可避免,“穩(wěn)、快、準(zhǔn)”三個(gè)性能指標(biāo)之間的矛盾無(wú)法克服。縱觀其他參考文獻(xiàn)的研究,結(jié)合實(shí)際控制中的應(yīng)用,無(wú)論用PID控制器還是其他控制器,基于傳統(tǒng)控制策略的控制系統(tǒng),在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在如下不足:

圖6 液位實(shí)際控制曲線

(1)在設(shè)計(jì)控制器時(shí),其算式主要體現(xiàn)了被控量變化的偏差、偏差的變化,即依賴被控量變化大小來(lái)施加控制,沒(méi)有考慮被控量變化的方向、速度、趨勢(shì)因素,例如:PID控制器、模糊控制器等。

(2)控制過(guò)程一直是連續(xù)的、閉環(huán)反饋控制,沒(méi)有開(kāi)、閉環(huán)切換,只要有偏差存在,控制器就有輸出,執(zhí)行器就有控制動(dòng)作,被控量震蕩難免,執(zhí)行器壽命也會(huì)縮短。

(3)控制過(guò)程的采樣周期、控制周期是固定的,因?yàn)榛谒闶骄幒玫某绦?在執(zhí)行過(guò)程中是不能更改的。這種固定的采樣周期、控制周期,使控制過(guò)程顯得機(jī)械、剛性,缺少靈活性。

(4)各種智能控制方法雖然模擬了人工控制思想,但在控制過(guò)程中缺少挖掘控制經(jīng)驗(yàn)與技巧功能,缺少分段控制策略,即:在不同的控制階段采用不同的控制策略和方法。

(5)沒(méi)有依據(jù)被控量、干擾量動(dòng)態(tài)變化特性施加控制。

(6)在控制過(guò)程中,難以協(xié)調(diào)“穩(wěn)、快、準(zhǔn)”三個(gè)控制性能指標(biāo)之間的矛盾,控制過(guò)程出現(xiàn)震蕩、超調(diào)在所難免。

要克服上述缺點(diǎn),必須向人的控制智慧學(xué)習(xí)。事實(shí)上,人腦是世界上最優(yōu)秀的控制器。自動(dòng)化系統(tǒng)把人“解放了”,在控制算法方面,提出了很多智能控制算法,但在控制策略方面,卻沒(méi)有很好地學(xué)習(xí)人的控制智慧。研究的核心點(diǎn)就是將人的控制智慧和上述傳統(tǒng)控制策略相結(jié)合,提出基于人控制智慧的仿人思維智能控制策略。

2 仿人思維控制理論簡(jiǎn)介

仿人思維控制理論揭示人的控制思維機(jī)理和控制智慧,克服當(dāng)前控制理論在設(shè)計(jì)控制器時(shí)存在的不足,并用計(jì)算機(jī)模擬、實(shí)現(xiàn),解決難以建模的系統(tǒng)控制問(wèn)題。在人工控制過(guò)程中,基于控制思維體現(xiàn)出來(lái)的控制智慧主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面[4-12]:

(1)實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)、閉環(huán)切換

一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的控制專家,能夠根據(jù)被控量變化情況,在控制過(guò)程中隨時(shí)進(jìn)行開(kāi)、閉環(huán)控制切換。在初始控制階段,采用閉環(huán)反饋控制;當(dāng)被控量達(dá)到給定控制要求且相對(duì)穩(wěn)定時(shí),轉(zhuǎn)換為開(kāi)環(huán)控制,保持控制量輸出不變,執(zhí)行器無(wú)動(dòng)作,采取“等一等、看一看”的控制策略。只有當(dāng)被控量因干擾量的影響遠(yuǎn)離給定值時(shí),又轉(zhuǎn)換為閉環(huán)控制,直到被控量達(dá)到給定控制要求再轉(zhuǎn)換為開(kāi)環(huán)控制。這種開(kāi)環(huán)、閉環(huán)切換控制策略能夠增加被控量的穩(wěn)定性,也能延長(zhǎng)執(zhí)行器的壽命。

(2)分段控制,不同階段采用不同控制方法

將人工控制過(guò)程劃分為三個(gè)階段:初始控制階段、調(diào)整學(xué)習(xí)階段、抗干擾控制階段。在初始控制階段,被控量偏差大,要求輸出較大控制量,快速消除偏差,抽象邏輯推理控制思維發(fā)揮主導(dǎo)作用,動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。當(dāng)被控量達(dá)到給定的控制精度要求范圍之內(nèi)時(shí),則進(jìn)入調(diào)整學(xué)習(xí)階段。在該階段,采取“等一等、看一看、調(diào)一調(diào)”的控制策略,同時(shí)積累控制經(jīng)驗(yàn),形象直覺(jué)推理控制思維逐漸發(fā)揮主導(dǎo)作用。當(dāng)被控量符合控制要求時(shí),進(jìn)入抗干擾控制階段?？刂频母灸康木褪且种聘蓴_、消除干擾,如果沒(méi)有干擾,被控量一直是穩(wěn)定的且保持當(dāng)前值不變。在抗干擾階段,邊克服干擾,邊繼續(xù)積累控制經(jīng)驗(yàn),形象直覺(jué)推理控制思維將發(fā)揮核心作用。

(3)依據(jù)被控量變化的大小、方向、速度、趨勢(shì)確定控制策略

人工控制的最大智慧在于能夠根據(jù)被控量當(dāng)前變化的大小、方向、速度、趨勢(shì)四個(gè)因素來(lái)確定下一步控制策略,屬于形象直覺(jué)推理控制思維的范疇。例如,當(dāng)前被控量偏差較小,被控量向設(shè)定值變化,變化速度較慢,變化趨勢(shì)是趨向于穩(wěn)定,則可以采用開(kāi)環(huán)控制策略,保持當(dāng)前控制量輸出不變,“等一等、看一看”。反之,當(dāng)前被控量偏差較大,被控量向遠(yuǎn)離設(shè)定值變化,變化速度較快,變化趨勢(shì)是趨向于偏差增大,則采用閉環(huán)控制策略,加大控制量輸出,盡快減小偏差,改變被控量變化方向,使其從遠(yuǎn)離給定值方向改變?yōu)榻咏o定值方向變化。當(dāng)被控量變化趨勢(shì)發(fā)生改后,由于被控量是在向接近給定值方向變化,此時(shí)可以減小控制量,直到保持控制量輸出不變,轉(zhuǎn)換為開(kāi)環(huán)控制。

將被控量變化的大小、方向、速度、趨勢(shì)定義為被控量變化的四個(gè)特征狀態(tài)變量,其取值是離散的[4]。

(4)采樣周期、控制周期在控制過(guò)程是可變的

在開(kāi)環(huán)控制過(guò)程,控制周期是延長(zhǎng)的,采樣周期也可以加長(zhǎng),這樣可以克服一些瞬間(脈沖)干擾帶來(lái)的影響。在閉環(huán)控制過(guò)程中,采樣周期、控制周期也可以根據(jù)上述四個(gè)特征狀態(tài)變量情況進(jìn)行調(diào)整。

(5)控制過(guò)程實(shí)時(shí)挖掘控制經(jīng)驗(yàn)與技巧,指導(dǎo)控制過(guò)程

人工控制過(guò)程與當(dāng)前控制理論確定的控制過(guò)程區(qū)別之一在于人能夠邊控制、邊總結(jié)控制經(jīng)驗(yàn),然后將控制經(jīng)驗(yàn)用于控制過(guò)程;而依據(jù)當(dāng)前控制理論設(shè)計(jì)的控制器(控制算法),只是機(jī)械地按照給定的算法輸出控制量,缺少控制經(jīng)驗(yàn)挖掘、應(yīng)用這個(gè)智能環(huán)節(jié)。

(6)依據(jù)被控量、控制量、干擾量的動(dòng)態(tài)特性以及它們之間的關(guān)系確定控制策略

對(duì)于一個(gè)被控量,在沒(méi)有干擾的情況下,施加一個(gè)脈沖控制量,觀察其脈沖響應(yīng),可分為三種情況:發(fā)散、收斂、震蕩。這三種情況反映了被控量變化的動(dòng)態(tài)特性,根據(jù)不同變化特性采用不同控制策略。例如,對(duì)于具有收斂特性的被控量就非常容易實(shí)現(xiàn)開(kāi)、閉環(huán)切換控制。

對(duì)于干擾量,可分為四種類型:定常干擾、瞬間(脈沖式)干擾、規(guī)律性干擾、隨機(jī)干擾。對(duì)于不同的干擾類型,采用不同的控制策略。例如,如果干擾是瞬間干擾,被控量又具有收斂特性,當(dāng)干擾來(lái)時(shí),盡管被控量當(dāng)前值發(fā)生了變化,但可以不施加控制動(dòng)作,保持控制量輸出不變。因?yàn)?當(dāng)干擾消失后,被控量會(huì)自動(dòng)恢復(fù)到原來(lái)值。這種控制策略可以避免被控量有變化就采取控制動(dòng)作而引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

(7)能夠有機(jī)地融合人的思維智能、動(dòng)覺(jué)智能、視覺(jué)智能

控制思維由大腦產(chǎn)生,體現(xiàn)人腦的思維智能;人的眼睛是“傳感器”,具有視覺(jué)智能;人的手、腳是“執(zhí)行器”,具有動(dòng)覺(jué)智能。事實(shí)上,人工控制過(guò)程是三種智能的有機(jī)融合的控制過(guò)程,還可以保證控制系統(tǒng)的安全性。這是一種偉大的控制智慧,是其它任何控制方法所不能比擬的。

(8)能夠協(xié)調(diào)“穩(wěn)、快、準(zhǔn)”三個(gè)控制性能指標(biāo)之間的統(tǒng)一

根據(jù)以上人工控制智慧,人工控制過(guò)程完全可以實(shí)現(xiàn)既快又穩(wěn)又準(zhǔn)的控制性能要求,可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、超調(diào)量少、調(diào)整時(shí)間短、控制精度高且穩(wěn)定的控制目標(biāo)。

根據(jù)上述人的控制智慧,我們提出了如下智能控制策略:仿人思維智能前饋-反饋控制、仿人思維智能串級(jí)控制、仿人思維智能前饋-串級(jí)控制。定義如下幾個(gè)參數(shù):

(1)umax,控制量最大輸出;

(2)umin,控制量最小輸出;

(3)un,當(dāng)前控制量;

(4)Δu,控制量單位變化量Δu=1/(umax-umin);

(5)r, 被控量設(shè)定值;

(6)yn,被控量當(dāng)前值;

(7) 當(dāng)前偏差:en=r-yn;

(8) 偏差的變化:Δen=en-en-1;

(9)ε,控制精度;

(10)εmax,最大允許控制精度;

(11)dn,當(dāng)前干擾量值。

3 仿人思維智能前饋-反饋控制策略

圖7給出了仿人思維智能前饋-反饋控制原理,前饋控制器和反饋控制器輸出作為仿人思維控制器(Human-Thinking Simulated Controller,HTSC)的輸入,仿人思維控制器發(fā)揮如下作用:

圖7 仿人思維智能前饋-反饋控制原理

(1)在初始控制階段,采用我們提出的三步控制法:

第一步:根據(jù)設(shè)定值r大小,輸出一個(gè)較大控制量,被控量將快速向給定值變化。

u0=umax×K0, 0.5

第二步:當(dāng)被控量接近給定值時(shí),減小控制量。

Ifyn≥r×(1-f), 0.1

thenu1=umax×K1, 0

第三步:當(dāng)被控量進(jìn)入控制精度要求范圍,輸出穩(wěn)態(tài)控制量預(yù)估值。

Ify≥r×(1-ε)

thenu2=uH。

穩(wěn)態(tài)控制量預(yù)估值uH可以利用被控量和控制量之間的近似分段線性關(guān)系,由r求得。

三步控制法模擬人的控制思維,可以實(shí)現(xiàn)快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

(2)當(dāng)被控量滿足如下條件,進(jìn)入調(diào)整學(xué)習(xí)階段:

Ify≥r×(1+ε)。

在調(diào)整學(xué)習(xí)階段,仿人思維控制器選擇反饋控制器的輸出作為控制量輸出,使被控量達(dá)到給定的控制精度和趨向穩(wěn)定。

(3)在抗干擾階段,仿人思維控制器依據(jù)被控量的狀態(tài)和干擾量的變化特征來(lái)輸出相應(yīng)的控制量:

如果被控量穩(wěn)定,又符合控制精度要求,|e|≤ε,此時(shí)如果出現(xiàn)的是脈沖式瞬間干擾,而且被控量變化具有收斂特性,則仿人思維控制器保持當(dāng)前控制量輸出不變,采用開(kāi)環(huán)控制。

如果被控量穩(wěn)定,又符合控制精度要求,|e|≤ε,此時(shí)的干擾量變化很小,|dn-dn-1|<ε1,則仿人思維控制器保持當(dāng)前控制量輸出不變,采用開(kāi)環(huán)控制,“等一等,看一看”。

如果 |e|≤ε,干擾量變化超出要求,|dn-dn-1|>ε1,仿人思維控制器接受前饋控制器輸出。

如果 |e|>εand |dn-dn-1|>ε1,仿人思維控制器接受反饋控制器和前饋控制器二者的和作為控制量輸出,閉環(huán)控制。

如果 |e|>εand |dn-dn-1|<ε1,仿人思維控制器接受反饋控制器作為控制量輸出,閉環(huán)控制。

從閉環(huán)控制到開(kāi)環(huán)控制的切換條件:

|e|≤εand |Δe| ≈0, ore=0。

在控制過(guò)程中,仿人思維控制器還承擔(dān)著挖掘控制經(jīng)驗(yàn)與技巧的作用,模擬人的控制智慧?？刂平?jīng)驗(yàn)采用如下表達(dá)形式:

IfX1andX2andX3andX4and ΔDthenu。

X1、X2、X3、X4是被控量變化的大小、方向、速度、趨勢(shì)等四個(gè)特征量,其定義和取值見(jiàn)文獻(xiàn) [4]。ΔD是干擾量變化大小,其定義跟被控量變化大小一致。u是控制量輸出值。當(dāng)積累了豐富的控制經(jīng)驗(yàn)后,仿人思維控制器根據(jù)當(dāng)前被控量變化、干擾量變化直接輸出相應(yīng)的控制量,克服干擾、消除干擾,很好地模擬了人的控制思維。圖7中的控制經(jīng)驗(yàn)庫(kù),根據(jù)人工控制經(jīng)驗(yàn),可以設(shè)置初始的控制經(jīng)驗(yàn),然后在控制過(guò)程中逐步完善?？刂平?jīng)驗(yàn)的挖掘算法見(jiàn)參考文獻(xiàn)[4]。

如前所述,前饋控制優(yōu)點(diǎn)是克服干擾快,在被控量變化前施加控制動(dòng)作,同時(shí)其缺點(diǎn)也是抗干擾能力差,無(wú)論什么因素的干擾,只要有擾動(dòng),前饋控制器就有輸出,執(zhí)行器就有動(dòng)作,被控量產(chǎn)生調(diào)整,引起波動(dòng)。仿人思維控制器的加入,克服了上述缺點(diǎn),能夠根據(jù)干擾量的變化情況、干擾量的類型施加控制,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了開(kāi)閉環(huán)切換,實(shí)現(xiàn)“穩(wěn)、快、準(zhǔn)”三個(gè)控制性能指標(biāo)之間的統(tǒng)一。

4 仿人思維智能串級(jí)控制策略

圖8是仿人思維智能串級(jí)控制原理,與傳統(tǒng)串級(jí)控制策略不同,副回路的輸出給仿人思維控制器,仿人思維控制器輸出給執(zhí)行器。仿人思維控制器發(fā)揮如下作用:

(1)在初始控制階段,仿人思維控制器采用如前所述的三步控制法,提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

(2)在調(diào)整學(xué)習(xí)階段,接受副回路控制器輸出,直至系統(tǒng)達(dá)到給定的控制要求。

(3)在抗干擾階段,仿人思維控制器采取如下控制策略。

如果被控量穩(wěn)定,又符合控制精度要求,|e|≤ε,此時(shí)副回路參數(shù)變化很小,|dn-dn-1|<ε1,則仿人思維控制器保持當(dāng)前控制量輸出不變,采用開(kāi)環(huán)控制,“等一等,看一看”。

如果 |e|≤ε,但副回路變化超出要求,|dn-dn-1|>ε1,仿人思維控制器接受副回路控制器輸出,閉環(huán)控制。

如果 |e|>ε,仿人思維控制器接受副回路控制量輸出,閉環(huán)控制。

在控制過(guò)程中,仿人思維控制器邊控制、邊挖掘控制經(jīng)驗(yàn)與技巧,如前所述。

圖8 仿人思維智能串級(jí)控制原理

5 仿人思維智能前饋-串級(jí)控制策略

圖9是仿人思維智能前饋-串級(jí)控制原理,涉及3個(gè)物理量:1個(gè)被控量、2個(gè)直接影響被控量的干擾量。與傳統(tǒng)前饋-串級(jí)控制策略不同,副回路的輸出和前饋控制器的輸出給仿人思維控制器,仿人思維控制器輸出給執(zhí)行器。仿人思維控制器發(fā)揮如下作用:

(1)在初始控制階段,仿人思維控制器采用如前所述的三步控制法,提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

(2)在調(diào)整學(xué)習(xí)階段,接受副回路控制器和前饋控制器的控制量的和輸出,直至系統(tǒng)達(dá)到給定的控制要求。

(3)在抗干擾階段,仿人思維控制器采取如下控制策略:

如果被控量穩(wěn)定、又符合控制精度要求,|e|≤ε,此時(shí)副回路參數(shù)變化和前饋通道干擾量變化很小,則仿人思維控制器保持當(dāng)前控制量輸出不變,采用開(kāi)環(huán)控制,“等一等,看一看”。

如果 |e|≤ε,副回路參數(shù)變化很小,前饋通道干擾量變化很大,則仿人思維控制器接受前饋控制器的控制量輸出,閉環(huán)控制。

如果 |e|≤ε,副回路參數(shù)變化很大,前饋通道干擾量變化很小,則仿人思維控制器接受副回路控制器的控制量輸出,閉環(huán)控制。

如果 |e|>ε,前饋通道干擾量變化很小,仿人思維控制器接受副回路控制量輸出,閉環(huán)控制。

如果 |e|>ε,雖然副回路參數(shù)和前饋通道干擾量變化很小,這是由不可見(jiàn)干擾造成的不穩(wěn)定,仿人思維控制器接受副回路控制量輸出,閉環(huán)控制。

在控制過(guò)程中,仿人思維控制器邊控制、邊挖掘控制經(jīng)驗(yàn)與技巧,如前所述。當(dāng)積累了豐富控制經(jīng)驗(yàn)后,仿人思維控制器轉(zhuǎn)換為依據(jù)控制經(jīng)驗(yàn)和技巧施加控制動(dòng)作,采取開(kāi)、閉環(huán)切換控制策略,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖9 仿人思維智能前饋-串級(jí)控制原理

6 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用文獻(xiàn)[13]中介紹的實(shí)驗(yàn)裝置。

(1)智能前饋-反饋控制實(shí)驗(yàn)

圖10是傳統(tǒng)前饋-反饋控制實(shí)時(shí)曲線(圖3所示控制原理),圖11是智能前饋-反饋控制實(shí)時(shí)曲線(圖7所示控制原理)。比較圖11與10,很顯然,智能前饋-反饋控制實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、超調(diào)量小和開(kāi)、閉環(huán)切換等控制優(yōu)點(diǎn)。

圖10 傳統(tǒng)前饋-反饋控制曲線

圖11 智能前饋-反饋控制曲線

(2)智能串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)

圖12是傳統(tǒng)串級(jí)控制實(shí)時(shí)曲線(圖4所示控制原理),圖13 是智能串級(jí)控制實(shí)時(shí)曲線(圖8所示控制原理)。比較圖13與12,很顯然,智能串級(jí)控制實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、超調(diào)量小和開(kāi)、閉環(huán)切換等控制優(yōu)點(diǎn)。

圖12 傳統(tǒng)串級(jí)控制曲線

圖13 智能串級(jí)控制曲線

(3)智能前饋-串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖14,同樣實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、超調(diào)量小和開(kāi)、閉環(huán)切換等控制優(yōu)點(diǎn)。

由圖11、13、14,三種智能控制策略均取得了:(1)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、超調(diào)量小;(2)控制量輸出非連續(xù)性波動(dòng),實(shí)現(xiàn)開(kāi)、閉環(huán)切換;(3)實(shí)現(xiàn)“穩(wěn)、快、準(zhǔn)”控制性能指標(biāo)。

圖14 智能前饋-串級(jí)控制曲線

7 總 結(jié)

人工智能與控制相結(jié)合實(shí)現(xiàn)的智能控制,目前僅僅注重智能控制算法的研究,忽視人工控制智慧在控制策略方面的智能。將智能控制算法和控制過(guò)程的智能控制策略相結(jié)合,將是完美的智能控制。

傳統(tǒng)的反饋控制、前饋-反饋控制、串級(jí)控制以及前饋-串級(jí)等控制策略,在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中僅僅依賴控制算法,缺少人工控制智慧。我們將仿人思維控制方法與傳統(tǒng)控制策略相結(jié)合,提出了仿人思維智能前饋-反饋、仿人思維智能串級(jí)、仿人思維智能前饋-串級(jí)控制策略,克服傳統(tǒng)控制策略在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在的不足,其實(shí)質(zhì)就是將智能控制算法和控制過(guò)程的智能控制策略相結(jié)合,取得了很好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程“穩(wěn)、快、準(zhǔn)”的有機(jī)統(tǒng)一。上述智能控制策略已經(jīng)嵌入到我們研制的仿人思維控制儀表中[14],在實(shí)際中將得到應(yīng)用。