芻議智能控制系統(tǒng)仿真技術(shù)

戚偉麗

摘 要：智能控制系統(tǒng)的仿真與其他系統(tǒng)的仿真存在一定的差異，其核心問(wèn)題就是智能化控制系統(tǒng)所采用的控制方式更加的模糊，其變量和控制動(dòng)作之間的配合往往存在一定的不確定性，因此在仿真中會(huì)因?yàn)榭刂埔氐母淖兌绊懫浞抡娴男Ч?，所以在仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中應(yīng)突出對(duì)觀測(cè)量和控制量之間、系統(tǒng)設(shè)定值之間的關(guān)系進(jìn)行分析，找到更加適應(yīng)其控制要求的計(jì)算方式和數(shù)學(xué)模型，這樣才能獲得更好的仿真效果。在實(shí)際的應(yīng)用中可以利用現(xiàn)有的工具對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，重新編程或者設(shè)定數(shù)學(xué)模型等，以此保證仿真的更加準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞：仿真技術(shù) 系統(tǒng)概述 相關(guān)概念 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）02（a）-0017-01

仿真系統(tǒng)就是在系統(tǒng)測(cè)試中利用一個(gè)系統(tǒng)對(duì)另一個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行仿真，觀察仿真系統(tǒng)的各種參數(shù)或者因素在系統(tǒng)過(guò)程形成的運(yùn)行狀態(tài)和關(guān)系等，檢驗(yàn)其控制方式或者組織方式是否有效。無(wú)論是何種仿真模型，其目的都是替代真實(shí)系統(tǒng)，進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)和分析，而數(shù)學(xué)模型和實(shí)物模型相比，可以利用計(jì)算機(jī)模擬更加極端的條件，可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行更加極端的測(cè)試，因此在實(shí)際應(yīng)用中仿真技術(shù)已經(jīng)成為科學(xué)研究中的重要方法之一。

1 智能控制仿真系統(tǒng)概述

控制仿真是系統(tǒng)仿真模擬的重要技術(shù)之一，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展及語(yǔ)言技術(shù)的發(fā)展，控制仿真系統(tǒng)已經(jīng)形成了一個(gè)相對(duì)完整的科學(xué)體系。一些專(zhuān)門(mén)的仿真軟件和語(yǔ)言等也針對(duì)不同的控制系統(tǒng)提出了更多的解決方案。如MATLAB工具箱就是一種常見(jiàn)的控制系統(tǒng)仿真軟件和工具。多數(shù)的研究都集中在線性系統(tǒng)的仿真上，對(duì)智能系統(tǒng)的仿真還缺乏深入的研究。如果在仿真中僅僅給出圖表結(jié)果，對(duì)于智能控制仿真的過(guò)程則不夠完整。因此在這樣的條件下，如果可以利用系統(tǒng)仿真驗(yàn)證智能算法的有效性，則必須對(duì)現(xiàn)有的工具進(jìn)行開(kāi)發(fā)與改進(jìn)，才能獲得更好的仿真效果。同時(shí)MATLAB工具箱本身仍有一定的局限性，完全實(shí)現(xiàn)智能化控制模擬，則需要進(jìn)行系統(tǒng)程序的重新編制才能滿(mǎn)足智能控制系統(tǒng)仿真的需求。

所以在實(shí)際的應(yīng)用中可以利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，按照仿真的思路給出一套基于系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的仿真技術(shù)來(lái)完成對(duì)智能系統(tǒng)的仿真。如從計(jì)算步長(zhǎng)、采樣周期、控制周期之間的關(guān)系等入手，進(jìn)行分析與研究，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)智能控制系統(tǒng)的仿真分析。這樣才能在實(shí)際的應(yīng)用中獲得更加良好的效果，并可以實(shí)現(xiàn)靈活的仿真。

2 應(yīng)用術(shù)語(yǔ)和概念

系統(tǒng)控制量即代表控制對(duì)象施加的控制動(dòng)作的量，其改變會(huì)直接影響被控制對(duì)象的輸出情況，也稱(chēng)之為控制量。這個(gè)變量在控制系統(tǒng)中是十分重要的，其取值也往往在物理量閾值范圍?？刂戚敵隽浚彩潜豢刂频牧?，其大小會(huì)隨著控制量的改變而發(fā)生改變。其取值的范圍也在物理量論域。

系統(tǒng)參考值或者系統(tǒng)設(shè)定值，控制系統(tǒng)的核心思路是通過(guò)設(shè)備對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行控制，因此在任何智能控制系統(tǒng)中都會(huì)設(shè)定系統(tǒng)參考值或者設(shè)定值，是希望系統(tǒng)可以達(dá)到或者控制系統(tǒng)輸出的量，其可以表明系統(tǒng)控制的必要范圍。系統(tǒng)偏差，任何系統(tǒng)在運(yùn)行中都會(huì)出現(xiàn)偏差，其代表系統(tǒng)輸出量和設(shè)定值之間的差異，即系統(tǒng)偏差。在智能控制系統(tǒng)中，偏差的取值范圍也應(yīng)在物理量論域內(nèi)，因?yàn)槠涫莾蓚€(gè)物理量差值。

系統(tǒng)觀測(cè)量是一種變量，即在系統(tǒng)仿真中可以觀察到的用于控制算法決策的系統(tǒng)過(guò)程的變量，可以統(tǒng)一稱(chēng)之為觀測(cè)量?？捎^察的含義是通過(guò)檢測(cè)傳感器可以獲得的相關(guān)的變量，或者可以利用數(shù)學(xué)計(jì)算得到的變量。如系統(tǒng)輸出量、偏差和偏差對(duì)時(shí)間而言，各個(gè)階段的導(dǎo)數(shù)、峰值、振蕩頻率等，觀測(cè)量論域中的帶你也就代表了系統(tǒng)的狀態(tài)。研究仿真系統(tǒng)是則可以認(rèn)為觀測(cè)量與線性系統(tǒng)中的狀態(tài)不同，狀態(tài)變量是觀測(cè)量的子集。

擾動(dòng)量也可稱(chēng)之為干擾量、擾動(dòng)量，是非人為控制的導(dǎo)致輸出量的偏離其目標(biāo)的動(dòng)量，即為系統(tǒng)擾動(dòng)量。擾動(dòng)量不是系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)而是因?yàn)橥獠凯h(huán)境的干擾而出現(xiàn)的。

控制器是在仿真中對(duì)系統(tǒng)變量輸入和輸出進(jìn)行控制的設(shè)備，控制器和被控制對(duì)象即成為控制系統(tǒng)。任何控制方法不管是模糊控制還是其他，其最終都將體現(xiàn)清晰的檢測(cè)量和控制量關(guān)系。不同的控制方法系統(tǒng)觀測(cè)量集合也不同。

另外，向仿真系統(tǒng)的概念還有控制周期、采樣周期等，其與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為核心，相互配合，以此完成對(duì)智能控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。二者之間可以相互配合，當(dāng)然控制周期不一定是采樣周期，而采用周期必須與控制周期配合。

3 控制仿真的原理和步驟

3.1 仿真的模型假定

通常被控制系統(tǒng)的觀測(cè)量與控制之間存在固定的函數(shù)關(guān)系，這個(gè)函數(shù)可以同微分方程求解。無(wú)論何種形式的表現(xiàn)，控制過(guò)程都可以利用改變控制變量來(lái)調(diào)整觀測(cè)量，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)控制的仿真。但是這樣的模型從數(shù)學(xué)角度而言較為復(fù)雜，所以應(yīng)進(jìn)行假定來(lái)限制系統(tǒng)條件。即被控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型可以通過(guò)一組基本觀測(cè)量和控制量進(jìn)行表達(dá)。

3.2 對(duì)仿真結(jié)果的要求

控制系統(tǒng)的仿真必須直觀的給出結(jié)構(gòu)，這樣才能達(dá)到仿真的目的，多數(shù)情況需要給出控制算法后，將獲得的觀測(cè)量作為結(jié)果。即標(biāo)記為時(shí)間-狀態(tài)的曲線，以此說(shuō)明控制系統(tǒng)的主要控制指標(biāo)和參數(shù)，對(duì)控制的影響。如單輸入單輸出恒指系統(tǒng)的階躍上升時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間、超標(biāo)情況、穩(wěn)定誤差、不同干擾源的影響情況等，都可以利用曲線進(jìn)行表達(dá)。

4 智能控制系統(tǒng)仿真的要點(diǎn)分析

4.1 步長(zhǎng)和采樣、控制周期的關(guān)系確定

計(jì)算步長(zhǎng)在設(shè)計(jì)中應(yīng)小于等于采樣周期，這樣有利于編程。最佳采樣周期應(yīng)為步長(zhǎng)的整數(shù)倍。而控制周期應(yīng)為采樣周期的整數(shù)倍。步長(zhǎng)選擇不能過(guò)大，應(yīng)在控制方法穩(wěn)定的區(qū)域內(nèi)。實(shí)際仿真編程可以將步長(zhǎng)、采樣、控制周期等同起來(lái)，但是應(yīng)注意概念差別，步長(zhǎng)為控制精度，而采樣和控制周期則應(yīng)按照控制系統(tǒng)特征進(jìn)行確定。

4.2 擾動(dòng)仿真

針對(duì)擾動(dòng)應(yīng)進(jìn)行定性分析，在仿真中應(yīng)重點(diǎn)對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行分析，其包括階躍、緩慢漂移、周期改變?nèi)齻€(gè)類(lèi)型。其都可利用被擾動(dòng)量疊加擾動(dòng)量的方式進(jìn)行仿真，最終可以獲得準(zhǔn)確的模型。應(yīng)注意多輸入和輸出量系統(tǒng)應(yīng)分析與確定控制的目標(biāo)以及關(guān)鍵因素，使之簡(jiǎn)化為單純輸入和輸出系統(tǒng)，以此獲得擾動(dòng)變量實(shí)現(xiàn)仿真。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，智能控制系統(tǒng)的仿真應(yīng)從過(guò)程、算法、編程細(xì)節(jié)等入手，對(duì)仿真精度進(jìn)行控制，通過(guò)明確假設(shè)、算法設(shè)置、要點(diǎn)控制等措施，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真結(jié)果的優(yōu)化，針對(duì)不同的控制系統(tǒng)選擇不同的仿真模型，使之適應(yīng)系統(tǒng)要求，從而提高仿真的實(shí)際效果。

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