6.1智能控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

6.2智能控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

6.3典型的智能控制算法

6.4兩輪自平衡小車智能控制要素分析6.1智能控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)廣義的智能控制系統(tǒng)一般以控制理論、計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能和運(yùn)籌學(xué)等學(xué)科知識為基礎(chǔ)，涉及模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、遺傳算法等理論，以及自適應(yīng)控制、自組織控制和自學(xué)習(xí)控制等技術(shù)。從硬件角度來看，智能控制系統(tǒng)通常由傳感器、微控制器、執(zhí)行器和人機(jī)界面等組成。傳感器可視為人體感覺器官的延伸，主要用于檢測機(jī)電一體化系統(tǒng)自身作業(yè)與作業(yè)對象、作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)，是智能控制系統(tǒng)獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中的信息的主要途徑與手段，所以性能優(yōu)良的傳感器是現(xiàn)代化生產(chǎn)的基礎(chǔ)，也是智能控制的前提。傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件及基本轉(zhuǎn)換電路3個(gè)部分組成(見圖6-1)，敏感元件是直接感受被測物理量，并以確定關(guān)系將其輸出為另一物理量的元件(如彈性敏感元件將力、力矩轉(zhuǎn)換為位移或應(yīng)變輸出)；轉(zhuǎn)換元件將敏感元件輸出的非電參數(shù)轉(zhuǎn)換成電參數(shù)(電阻、電感和電容)以及電信號(如電流或電壓等)；基本轉(zhuǎn)換電路則將該電信號轉(zhuǎn)換成便于傳輸、處理的電量。現(xiàn)代傳感器具有微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化和網(wǎng)絡(luò)化等特點(diǎn)。微控制器是將微型計(jì)算機(jī)的主要部分集成在一個(gè)芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī)，誕生于20世紀(jì)70年代中期。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，微控制器成本越來越低，而性能越來越強(qiáng)大，其應(yīng)用已無處不在，遍及各個(gè)領(lǐng)域。例如電機(jī)控制、條碼閱讀器/掃描器、消費(fèi)類電子游戲設(shè)備、電話、HVAC(供熱通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié))、樓宇安全與門禁控制、工業(yè)控制與自動化以及白色家電(洗衣機(jī)、微波爐)等。在一個(gè)智能控制系統(tǒng)中，微控制器是最重要的一部分，相當(dāng)于人的大腦，為整個(gè)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)處理、運(yùn)算和存儲等功能。執(zhí)行器(如智能機(jī)器人的機(jī)械臂末端執(zhí)行器)是智能控制系統(tǒng)中必不可少的一個(gè)重要組成部分，它的作用是接收控制器送來的控制信號并執(zhí)行相應(yīng)的操作。人機(jī)界面主要是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域使用的術(shù)語，但通常也可作為人機(jī)之間的連接。人機(jī)界面是人機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵，它可實(shí)現(xiàn)信息的內(nèi)部形式與人類可以接受形式之間的轉(zhuǎn)換。凡參與人機(jī)信息交流的領(lǐng)域都存在著人機(jī)界面，在工業(yè)與商業(yè)領(lǐng)域有大量應(yīng)用，人機(jī)界面的操作可簡單地劃分為輸入(Input)與輸出(Output)兩種：輸入是指由人來進(jìn)行機(jī)械或設(shè)備的操作，如機(jī)械式的開關(guān)、鍵盤、語音輸入、人臉識別和指紋識別等；而輸出是指由裝置發(fā)出來通知，如工作狀態(tài)數(shù)值、故障、警告、操作說明提示和語音提示等。好的人機(jī)接口會幫助使用者更簡單、正確、迅速地操作裝置，也能使裝置發(fā)揮最大的效能，延長裝置的使用壽命。6.2智能控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)6.2.1智能控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)硬件電路是控制系統(tǒng)軟件運(yùn)行的載體，是控制算法和機(jī)械運(yùn)動控制之間的紐帶，電路設(shè)計(jì)對整個(gè)智能機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)起著至關(guān)重要的作用。可采用Altiumdesigner、Multisim和Proteus等EDA(電子設(shè)計(jì)自動化)軟件進(jìn)行硬件電路原理圖和PCB(印制電路板)的設(shè)計(jì)。關(guān)于這些軟件的使用和仿真方法，本創(chuàng)新實(shí)踐系列教材——《電子設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)踐》一書中已有詳細(xì)介紹，這里向大家介紹一些硬件電路原理圖和PCB設(shè)計(jì)方面的流程。1.硬件電路原理圖的設(shè)計(jì)步驟(1)方案分析。設(shè)計(jì)方案分析過程決定了電路原理圖如何設(shè)計(jì)，同時(shí)也影響PCB如何規(guī)劃。根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行方案比較，考慮元器件的選擇，是項(xiàng)目開發(fā)的基礎(chǔ)性環(huán)節(jié)。(2)電路仿真。在設(shè)計(jì)電路原理圖之前，若對某一部分電路的設(shè)計(jì)不太確定，可通過電路仿真來驗(yàn)證。電路仿真還可以用于確定電路中某些重要器件參數(shù)。(3)設(shè)計(jì)硬件電路原理圖的元件。電路設(shè)計(jì)軟件通常會提供豐富的元件庫，但不可能包括所有元件，必要時(shí)需動手設(shè)計(jì)元件，建立自己的元件庫。(4)繪制硬件電路原理圖。導(dǎo)入所有需要的元件后，開始硬件電路原理圖的繪制。根據(jù)電路復(fù)雜程度決定是否使用層次原理圖。完成硬件電路原理圖繪制后，用軟件自帶的電器檢查工具進(jìn)行查錯(cuò)，找到出錯(cuò)原因并修改，再重新查錯(cuò)直到?jīng)]有原則性錯(cuò)誤為止。(5)設(shè)計(jì)元件封裝。和元件庫一樣，電路設(shè)計(jì)軟件也不可能提供所有元件的封裝，必要時(shí)需自行設(shè)計(jì)并建立新的元件封裝庫。(6)設(shè)計(jì)PCB圖。完成硬件電路原理圖設(shè)計(jì)之后，開始PCB圖的繪制，首先繪出PCB的輪廓，確定工藝要求(如使用幾層板等)；然后將硬件電路原理圖傳輸?shù)絇CB中，在網(wǎng)絡(luò)表、設(shè)計(jì)規(guī)則等的引導(dǎo)下布局和布線；最后利用設(shè)計(jì)規(guī)則查錯(cuò)。PCB圖的設(shè)計(jì)是電路設(shè)計(jì)的另一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它將決定該產(chǎn)品的使用性能，需要考慮的因素很多，不同的電路有不同的設(shè)計(jì)要求。(7)文檔整理。對硬件電路原理圖、PCB圖及器件清單等文件予以保存，以便以后維護(hù)和修改。2.硬件電路的設(shè)計(jì)原則(1)合理布局電路。應(yīng)該把有相互關(guān)系的元件盡量放得近一些，時(shí)鐘發(fā)生器、晶振、CPU的時(shí)鐘輸入端都易產(chǎn)生噪聲，應(yīng)把它們放得近些。對于易產(chǎn)生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路、開關(guān)電路等，應(yīng)盡量使其遠(yuǎn)離單片機(jī)的邏輯控制電路和存儲電路(使用ROM、RAM芯片)，條件允許的情況下，應(yīng)將這些電路另外制成電路板，即將電路分為核心板和驅(qū)動板兩部分，有利于抗干擾，提高電路工作的可靠性。(2)合理設(shè)計(jì)去耦電容。盡量在關(guān)鍵元件，如ROM、RAM等芯片旁邊安裝去耦電容。實(shí)際上，印制電路板走線、引腳連線和接線等都可能產(chǎn)生較大的電感效應(yīng)。大的電感可能會在Ucc走線上引起嚴(yán)重的開關(guān)噪聲尖峰。防止Ucc走線上開關(guān)噪聲尖峰的有效方法是在Ucc與電源地之間安放一個(gè)0.1?μF的電子去耦電容。如果印刷電路板上使用的是表面貼裝元件，可以用片狀電容緊靠元件放置。除此以外，電容的引線不要太長，特別是高頻旁路電容不能帶引線。(3)合理布局地線。在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，地線的種類很多，有系統(tǒng)地、屏蔽地、邏輯地和模擬地等，地線是否布局合理，將決定電路板的抗干擾能力。在設(shè)計(jì)地線和接地點(diǎn)時(shí)，應(yīng)該考慮以下問題：邏輯地和模擬地要分開布線，不能合用，將它們各自的地線分別與相應(yīng)的電源地線相連；模擬地應(yīng)盡量加粗，而且要盡量加大引出端的接地面積；輸入輸出的模擬信號與單片機(jī)電路之間盡量進(jìn)行光耦隔離；在設(shè)計(jì)邏輯電路的印制電路板時(shí)，地線應(yīng)構(gòu)成閉環(huán)形式，提高電路的抗干擾能力；應(yīng)盡量選擇粗地線，因?yàn)榈鼐€越細(xì)，電阻越大，這會造成接地電位隨電流的變化而變化，導(dǎo)致信號電平不穩(wěn)、電路的抗干擾能力下降；在布線空間允許的情況下，要保證主要地線的寬度在2～3mm及以上，元件引腳上的接地線應(yīng)該在1.5mm左右。(4)合理布局功能模塊和元器件。按電路圖將電路劃分成不同的功能模塊，如電源部分、驅(qū)動部分和CPU部分，再根據(jù)PCB尺寸和安裝整體要求移動各相關(guān)模塊，這樣就能保證相同模塊內(nèi)的元器件間走線最短。各組件排列、分布要合理和均勻，力求達(dá)到整齊、美觀、結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓に囈蟆?5)合理布局元器件。對各部件的位置安排作合理、仔細(xì)的考慮，主要是從電磁場兼容性、抗干擾性，走線情況(走線短、交叉少)，電源，地的路徑和去耦等角度進(jìn)行考慮。例如：同一級電路的接地點(diǎn)應(yīng)盡量靠近，并且本級電路的電源濾波電容也應(yīng)接在該級接地點(diǎn)上。特別是本級晶體管基極、發(fā)射極的接地點(diǎn)不能離得太遠(yuǎn)，否則因兩個(gè)接地點(diǎn)間的銅箔太長會引起干擾與自激，采用這樣“一點(diǎn)接地法”的電路，工作較穩(wěn)定，不易自激；電阻、二極管、管狀電容器等組件有“立式”和“臥式”兩種安裝方式。立式指的是組件體垂直于電路板安裝、焊接，其優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省空間；臥式指的是組件體平行并緊貼于電路板安裝、焊接，其優(yōu)點(diǎn)是組件安裝的機(jī)械強(qiáng)度較好。選用不同的組件安裝方式，印刷電路板上的組件孔距是不一樣的。(6)合理規(guī)劃布線順序。電源、模擬小信號、高速信號、時(shí)鐘信號、同步信號等關(guān)鍵信號優(yōu)先布線，布線時(shí)，從單板上連接關(guān)系最復(fù)雜的器件著手，從單板上連線最密集的區(qū)域開始；總地線必須嚴(yán)格按照高頻－中頻－低頻(從弱電到強(qiáng)電)的順序排列，切不可隨便亂接，尤其是對于變頻頭、再生頭、調(diào)頻頭的接地線安排，要求更為嚴(yán)格，否則會產(chǎn)生自激，導(dǎo)致電路無法正常工作；信號線與其回路構(gòu)成的環(huán)面積應(yīng)較小，環(huán)面積越小，對外的輻射越少，受到的外界干擾也越小。(7)合理設(shè)置線寬和間距。印制板導(dǎo)線的最小寬度主要由導(dǎo)線與絕緣基板間的黏附強(qiáng)度和流過它們的電流值決定。對于集成電路尤其是數(shù)字電路，通常選0.2～0.3?mm的線寬，只要電路板允許，還是要盡可能用較寬的線，尤其是對電源線和地線來說，強(qiáng)電流引線(公共地線、功放電源引線等)應(yīng)盡可能寬些，以降低布線電阻及其電壓降，可減小寄生耦合產(chǎn)生的自激；阻抗高的走線盡量短，阻抗低的走線可長一些，因?yàn)樽杩垢叩淖呔€容易發(fā)射和吸收信號，引起電路不穩(wěn)定；導(dǎo)線的最小間距主要由最壞情況下的線間絕緣電阻和擊穿電壓決定，對于集成電路，尤其是數(shù)字電路，只要工藝允許，可使間距小于5～8?mm；加大平行布線的間距，遵循3W規(guī)則(當(dāng)線中心間距不少于3倍線寬時(shí)，可保證70%的電場不互相干擾)，為了減少線間串?dāng)_，應(yīng)保證線間距足夠大。(8)合理設(shè)計(jì)走線策略。印刷電路中不允許有交叉電路，對于可能交叉的引線，可以用“鉆”和“繞”兩種辦法解決。讓某引線從別的電阻、電容、三極管腳下的空隙處穿過去，或從可能交叉的某條引線的一端“繞”過去；為簡化設(shè)計(jì)也允許用導(dǎo)線跨接，解決交叉電路問題；輸入輸出的導(dǎo)線應(yīng)該盡量避免相鄰平行，最好添加線間地線，以免發(fā)生導(dǎo)線間反饋耦合現(xiàn)象；相鄰層的走線方向應(yīng)呈正交結(jié)構(gòu)，避免將不同的信號線在相鄰層走成同一方向，以減少不必要的層間串?dāng)_；印制電路板導(dǎo)線的拐角一般取圓弧形，而在高頻電路中使用直角或夾角會影響電氣性能。6.2.2智能控制系統(tǒng)軟件流程圖的設(shè)計(jì)1.軟件流程圖概述軟件流程圖(或簡稱流程圖)是使用圖形來表述程序設(shè)計(jì)思路的方法，流程圖可以直觀、形象地描述程序的流程和架構(gòu)，讓人直觀地理解程序設(shè)計(jì)的思路。流程圖和編程軟件無關(guān)，只與程序架構(gòu)和邏輯思路有關(guān)。在“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代，軟件流程圖成為每個(gè)軟件項(xiàng)目經(jīng)理和工程師必備的基礎(chǔ)技能之一，一份清晰的軟件流程圖可以幫助相關(guān)人員快速了解工作流程和標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)當(dāng)軟件出現(xiàn)缺陷時(shí)也可根據(jù)軟件流程圖快速尋找原因、補(bǔ)足漏洞。2.軟件流程圖繪制規(guī)范軟件流程圖是人們對解決問題的方法、思路或算法的一種圖形化描述。為了消除由于多樣化而造成的混亂，軟件流程圖的繪制需要遵循一定的規(guī)范，這包括符號規(guī)范、結(jié)構(gòu)規(guī)范和路徑規(guī)范等。流程圖規(guī)范化可以使邏輯結(jié)構(gòu)清晰、便于描述，也更容易理解。流程圖繪制規(guī)范包括符號規(guī)范、結(jié)構(gòu)規(guī)范和路徑規(guī)范等幾個(gè)方面。1)符號規(guī)范各種軟件流程圖符號都有特定的含義，彼此之間不可亂用，常用的軟件流程圖符號使用規(guī)范如表6-1所示。2)結(jié)構(gòu)規(guī)范軟件流程圖有3種典型結(jié)構(gòu)，分別是順序結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖6-2所示。大多數(shù)軟件流程圖都可以由上述3種結(jié)構(gòu)組成。(1)順序結(jié)構(gòu)。順序結(jié)構(gòu)表示各步驟按先后順序執(zhí)行，這是一種最簡單的基本結(jié)構(gòu)。如圖6-2(a)所示，A、B、C是三個(gè)連續(xù)的步驟，按順序執(zhí)行，即完成上一個(gè)框中指定的操作，才能執(zhí)行下一個(gè)動作。(2)選擇結(jié)構(gòu)。選擇結(jié)構(gòu)又稱分支結(jié)構(gòu)，判斷框內(nèi)給定判斷條件，根據(jù)判斷結(jié)果執(zhí)行下一個(gè)不同的動作，在實(shí)際運(yùn)用中，某一判定結(jié)果可以為空操作，如圖6-2(b)所示；(3)循環(huán)結(jié)構(gòu)。循環(huán)結(jié)構(gòu)又稱為重復(fù)結(jié)構(gòu)，指在一定的條件下，反復(fù)執(zhí)行某一操作的流程結(jié)構(gòu)。循環(huán)結(jié)構(gòu)包括循環(huán)變量、循環(huán)體和循環(huán)終止條件3個(gè)要素。在軟件流程圖的表示中，判斷框內(nèi)寫上條件，兩個(gè)出口分別對應(yīng)著條件成立和條件不成立時(shí)所執(zhí)行的不同指令，其中一個(gè)指令指向循環(huán)體，然后再從循環(huán)體回到判斷框的入口處。循環(huán)結(jié)構(gòu)還可分為直到型結(jié)構(gòu)和當(dāng)型結(jié)構(gòu)。直到型結(jié)構(gòu)執(zhí)行一次循環(huán)體之后，對條件進(jìn)行判斷，當(dāng)條件不滿足時(shí)繼續(xù)執(zhí)行循環(huán)體中的某個(gè)步驟，直到滿足時(shí)停止執(zhí)行；當(dāng)型結(jié)構(gòu)在執(zhí)行循環(huán)體前進(jìn)行條件判斷，當(dāng)條件滿足時(shí)進(jìn)入循環(huán)，否則結(jié)束循環(huán)，如圖6-2(c)所示。3)路徑規(guī)范繪制軟件流程圖時(shí)，除了注意符號規(guī)范、結(jié)構(gòu)規(guī)范，還要注意一些約定俗成的路徑規(guī)范。規(guī)范路徑通常包括有3種流程：主干流程、分支流程(異常流程也屬于分支流程)和子流程。主干流程是對大多數(shù)用戶來說最常用的路徑。分支流程是從主干上分出去的路徑，通常作為異常流程(或次要流程)；或者作為其他情況的發(fā)展路徑。子流程可以看作是節(jié)點(diǎn)路徑，在繪制軟件流程圖的過程中，有一些流程是反復(fù)出現(xiàn)的，如果每次都將其再畫一遍，這會造成重復(fù)勞動，流程圖也不夠簡潔。因此，子流程就是將某幾個(gè)具有邏輯關(guān)系的節(jié)點(diǎn)集合在一起，復(fù)用在需要調(diào)用的各個(gè)地方。除此以外，標(biāo)準(zhǔn)的軟件流程圖繪制還需要遵循以下規(guī)則：(1)各項(xiàng)步驟有選擇或決策結(jié)果的菱形判斷框時(shí)，文字?jǐn)⑹鰬?yīng)簡明清晰，如[是、否]、[通過、不通過]、[Y、N]或其他對應(yīng)文字，以避免懸而未決狀況，也就是說，菱形判斷框一定有兩條箭頭流出。(2)注意各流程圖動線的合理性，并考量是否需建分表或合成簡要總表，分表與總表應(yīng)以符號、顏色等區(qū)隔，使人一目了然。(3)相同流程圖符號宜大小一致；流程圖符號繪制排列順序?yàn)橛缮隙隆⒂勺蠖遥涣鞒烫幚黻P(guān)系為并行關(guān)系的，需要將流程放在同一高度。(4)流程圖一頁放不下時(shí)，可使用連接符號連接下一頁流程圖；同一頁流程圖中，若流程較復(fù)雜，亦可使用連接符號來闡明流程連接性，連接符號內(nèi)請以數(shù)字標(biāo)示，以示區(qū)別。(5)路徑符號應(yīng)避免互相交叉，同一路徑符號的指示箭頭應(yīng)只有一個(gè)。(6)流程圖中若涉及其他已定義流程，可直接使用該已定義流程符號，不必重復(fù)繪制。(7)一個(gè)流程從開始符號開始，以結(jié)束符號結(jié)束。開始符號只能出現(xiàn)一次，而結(jié)束符號可出現(xiàn)多次，若流程足夠清晰，可省略開始、結(jié)束符號。總的來說，軟件流程圖主要用來梳理程序邏輯或者技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)。應(yīng)當(dāng)言簡意賅、開宗明義，避免冗長的描述，再配以適當(dāng)?shù)奈淖株U述。一個(gè)優(yōu)秀的流程圖應(yīng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：只展示一個(gè)核心功能，邏輯清晰；關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)全部覆蓋；關(guān)鍵環(huán)節(jié)邏輯判斷準(zhǔn)確；格式優(yōu)美，頁面簡潔流暢。6.2.3常用的流程圖軟件專業(yè)的流程圖軟件提供了大量的圖形模板和流程圖模板，可以較大程度地簡化用戶的工作。目前市場上流程圖繪制工具主要分為在線工具、跨平臺軟件和單平臺軟件。其中，在線工具以ProcessOn、Drawio為代表，跨平臺軟件Axure可以支持在Windows、MacOS不同操作系統(tǒng)上繪制流程圖；單平臺軟件以Visio和Omnigraffie為代表，Visio是Windows下使用較多的流程圖軟件，Omnigraffie是MacOS用戶常見的選擇。下面列出了幾種常見的流程圖繪制軟件，供大家選用。(1)GitMind：一款國產(chǎn)在線流程圖繪制軟件，支持在Windows、MacOS系統(tǒng)瀏覽器上直接使用。支持繪制流程圖、思維導(dǎo)圖、信息圖、組織架構(gòu)圖、UML模型圖、泳道圖、分析圖等10多種圖形。可用來制作項(xiàng)目管理流程圖、程序流程圖、公司采購流程圖等專業(yè)流程圖。(2)?Visualgraph：屬于專業(yè)圖形系統(tǒng)，在.NET開發(fā)平臺下可以靈活應(yīng)用，在delphi中也可以使用，簡單易用，業(yè)內(nèi)應(yīng)用較廣泛。(3)?Visio：微軟公司推出的非常傳統(tǒng)的流程圖繪制軟件，應(yīng)用最為廣泛，新手很容易操作。借助Visio可以繪制業(yè)務(wù)流程圖、組織結(jié)構(gòu)圖、項(xiàng)目管理圖、營銷圖表、辦公室布局圖、網(wǎng)絡(luò)圖、電子線路圖、數(shù)據(jù)庫模型圖、工藝管道圖、因果圖和方向圖等，廣泛應(yīng)用于電子、機(jī)械、通信、建筑、軟件設(shè)計(jì)和企業(yè)管理等眾多領(lǐng)域。(4)?Aris：IDS公司的流程軟件，具有IDS特有的多維建模和房式結(jié)構(gòu)，集成了流程管理平臺，可以通過流程平臺進(jìn)行流程分析和流程管理。(5)?Provision：metastorm公司的流程圖軟件，以多維度系統(tǒng)建模見長，能夠集成企業(yè)的多種管理功能，是流程管理專家級的客戶應(yīng)用工具。(6)?ProcessOn：在線作圖工具，無須下載安裝，便于跨端使用，支持繪制思維導(dǎo)圖、流程圖、UML(統(tǒng)一建模語言)圖、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D、組織結(jié)構(gòu)圖、原型圖、時(shí)間軸等，支持vsdx、XMid、txt、excel等格式文件的導(dǎo)入，支持導(dǎo)出高清png、jpg、pdf等格式文件。它滿足多場景的下載需求，提供基于云服務(wù)的流程梳理、創(chuàng)作協(xié)作工具，可實(shí)時(shí)創(chuàng)建和編輯流程。6.3典型的智能控制算法6.3.1典型的智能控制算法介紹1.?PID控制算法PID是比例、積分、微分的簡稱。在自動控制領(lǐng)域，PID控制是歷史最悠久、生命力最強(qiáng)的基本控制方式。PID控制器的原理是：根據(jù)系統(tǒng)的被調(diào)量實(shí)測值與設(shè)定值之間的偏差，利用偏差的比例、積分、微分3個(gè)環(huán)節(jié)的不同組合計(jì)算出對廣義被控對象的控制量。圖6-4是常規(guī)的PID控制系統(tǒng)的原理框圖，其中虛線框內(nèi)的部分是PID控制器，輸入為設(shè)定值r(t)與被調(diào)量實(shí)測值y(t)構(gòu)成的是控制偏差信號e(t)，計(jì)算如式(6-1)所示；輸出為該偏差信號的比例、積分、微分的線性組合u(t)，即PID控制律。式(6-2)中，KP為比例系數(shù)，TI為積分時(shí)間常數(shù)，TD為微分時(shí)間常數(shù)。根據(jù)被控對象動態(tài)特性和控制要求的不同，式(6-2)中還可以為只包含比例和積分的PI調(diào)節(jié)或者只包含比例和微分的PD調(diào)節(jié)。1)比例控制比例控制(器)是PID控制中最簡單的一種控制方法。下面用一個(gè)經(jīng)典的例子來描述：假設(shè)我們有一個(gè)水杯，我們希望讓水杯裝滿1?L水。假設(shè)初始有0.2?L的水，那么當(dāng)前時(shí)刻的水量和目標(biāo)水量之間存在一個(gè)誤差e?=?0.8，如果單純采用比例控制，則加入的水量u和誤差e之間成正比關(guān)系，有假設(shè)KP取0.5，當(dāng)t?=?1時(shí)(第一次加水)，u?=?0.5?×?0.8?=?0.4，所以第一次加入0.4?L的水，使得水杯中有0.6?L的水；當(dāng)t?=?2時(shí)，e?=?0.4，所以此時(shí)u?=?0.2，即加入了0.2?L水，水杯當(dāng)前有0.8?L水，循環(huán)上述過程就是比例控制器算法的基本思想。根據(jù)KP取值不同，系統(tǒng)最后都會達(dá)到1?L，不會有穩(wěn)態(tài)誤差。但是當(dāng)情況相對復(fù)雜時(shí)，單一的比例控制存在穩(wěn)態(tài)誤差，例如這個(gè)水杯在加水的過程中，存在漏水的情況，每次加水的過程，都會漏掉0.1?L的水。若KP仍取0.5，那么將會有可能經(jīng)過幾次加水后，出現(xiàn)水杯中水位到達(dá)0.8?L時(shí)將不會再變化的情況，因?yàn)榇藭r(shí)誤差e?=?0.2，每次往水缸中加水的量為u?=?0.5?×?0.2?=?0.1，同時(shí)每次加水后，缸里又會流出去0.1?L。加入的水和流出的水抵消，水位始終停留在0.8?L且系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定，由此產(chǎn)生的誤差稱之為穩(wěn)態(tài)誤差。在工程上，機(jī)械臂運(yùn)動、無人機(jī)飛行和水下機(jī)器人運(yùn)動等控制過程中，出現(xiàn)的各類阻力和消耗都可以理解為本例中的“漏水”。2)?PI控制(積分控制)為解決單一比例控制存在的穩(wěn)態(tài)誤差，計(jì)算加入的水量u時(shí)，再引入一個(gè)分量，該分量和誤差的積分成正比，即PI控制(器)算法為第一次的誤差

為0.8，第二次的誤差

為0.4，誤差的積分(離散情況下積分求解其實(shí)就是作累加)為

。控制量除了比例部分，還有系數(shù)

所乘的積分項(xiàng)，積分項(xiàng)對前面若干次的誤差進(jìn)行累計(jì)，可以有效地消除穩(wěn)態(tài)誤差：假設(shè)在僅有比例項(xiàng)的情況下，系統(tǒng)卡在穩(wěn)態(tài)誤差了，即上例中的0.8，但由于積分項(xiàng)的加入，會讓輸入增大，從而使水缸的水位大于0.8，漸漸到達(dá)目標(biāo)的1.0，這就是積分項(xiàng)的作用。3)?PD控制(微分控制)PD控制(器)就是在比例項(xiàng)的基礎(chǔ)上再加上微分項(xiàng)，因此PD控制可以表示為式(6-5)，其中，TD是一個(gè)微分控制項(xiàng)，在水越來越多的過程中，誤差e(t)會越來越小，因此，微分控制項(xiàng)是一個(gè)負(fù)數(shù)。上述例子中，可以認(rèn)為當(dāng)水快到達(dá)1?L時(shí)，水龍頭的流量還很大，這個(gè)微分控制項(xiàng)的絕對值就會很大，從而表示需要用力關(guān)小水龍頭。因此，在控制中加入一個(gè)負(fù)數(shù)項(xiàng)，作用就是防止加水過快而超過目標(biāo)，減少系統(tǒng)振蕩。對于離散模型控制的場合，公式(6-5)可以寫成式(6-6)，工程上每一項(xiàng)前面的系數(shù)，都需要通過實(shí)驗(yàn)確定，也可以利用Matlab等工具進(jìn)行仿真來確定。2.模糊控制算法模糊(Fuzzy)控制是用語言歸納操作人員的控制策略，運(yùn)用語言變量和模糊集合理論形成控制算法的一種控制。模糊控制的最重要特征是不需要建立被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，只要把現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)總結(jié)成較完善的語言控制規(guī)則，實(shí)現(xiàn)對具有不確定性、噪聲以及非線性、時(shí)變性、時(shí)滯等特征的控制對象的控制，因此模糊控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性，基本結(jié)構(gòu)如圖6-5所示。在日常生活中，人們經(jīng)常用“太冷了”或“太熱了”來描述氣溫，這是人們對溫度數(shù)值高低的一種看法，表示一個(gè)大致的溫度范圍，而不是得到一個(gè)確切的溫度數(shù)值。“冷”和“熱”這兩個(gè)詞的意思不是很明確，只能表示一種模糊的感覺，無法量化。不過，人們知道，冷了要加熱，熱了要降溫。如果隨機(jī)采訪10個(gè)人，要求他們用冷、合適和熱這3個(gè)詞來表達(dá)他們對0～35℃的感覺，可以得到圖6-6。對一個(gè)模糊控制系統(tǒng)來說，輸入、處理準(zhǔn)則和輸出的情況說明如下：(1)輸入。我們通過身體感受環(huán)境的溫度值，并將溫度值歸為冷、合適、熱3種模糊的感覺。(2)?3條準(zhǔn)則。①

如果冷則升高溫度。②

如果熱則降低溫度。③

如果溫度合適則不調(diào)節(jié)溫度，保持當(dāng)前的溫度。(3)輸出。根據(jù)上面的3條準(zhǔn)則去調(diào)節(jié)溫度大小，從而控制溫度的高低。如果我們想設(shè)計(jì)一個(gè)自動溫度調(diào)節(jié)器來代替我們調(diào)節(jié)溫度的大小，這個(gè)調(diào)節(jié)器應(yīng)該具有怎樣的結(jié)構(gòu)呢？很明顯，如果這個(gè)調(diào)節(jié)器能完成上面的從輸入到輸出的過程，那么這個(gè)調(diào)節(jié)器就能代替人來自動調(diào)節(jié)溫度。對于輸入來說，這個(gè)調(diào)節(jié)器要有溫度傳感器，這樣才能像人一樣感受外界溫度的變化，但傳感器只能知道溫度的具體數(shù)值是多少，卻無法得出對溫度高低的看法。我們需要一種將具體溫度值轉(zhuǎn)化為冷、合適和熱的感受的方法，圖6-6的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可作為設(shè)計(jì)依據(jù)。例如，現(xiàn)在溫度傳感器傳回來外界溫度是4℃，該溫度對應(yīng)的感覺是冷；如果外界的溫度是10℃，則8人認(rèn)為冷而2人認(rèn)為合適，可以認(rèn)為是8成冷和2成合適。另一個(gè)方面，如果我們告訴輸出設(shè)備，采用大火還是小火升溫，輸出設(shè)備是聽不懂的，因此需要將大火、小火這些模糊的詞轉(zhuǎn)化為具體的值進(jìn)行輸出。不妨假設(shè)最大的火是10級，最小的火是0級。再去問問10個(gè)人對0～10級火是大火和小火的看法吧，可以得到圖6-7。可以看出，對于0級火，所有人都認(rèn)為是小火，對于10級火，所有人都認(rèn)為是大火。隨著火的級數(shù)的增加，認(rèn)為是大火的人漸漸增多，覺得是小火的人漸漸減少。這樣就建立起了大火、小火這兩種感覺和火的具體級數(shù)的關(guān)系，可以利用這種關(guān)系將大火、小火轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w的火的級數(shù)。對于輸出設(shè)備，火的級數(shù)是可以精確控制的。上面通過對人調(diào)節(jié)溫度過程的類比，總結(jié)了人調(diào)節(jié)溫度的經(jīng)驗(yàn)，并將這些經(jīng)驗(yàn)用于設(shè)計(jì)自動溫度調(diào)節(jié)器，這種調(diào)節(jié)器就是一種模糊控制器，可見模糊控制器具有以下特點(diǎn)：(1)不需要知道控制對象的具體數(shù)學(xué)模型，只要對被控對象有大體了解，并總結(jié)出控制規(guī)則就能快速實(shí)現(xiàn)控制。(2)模糊控制的“模糊”體現(xiàn)為，控制規(guī)則的提出是基于人的感覺，而這種感覺具有模糊性，如對溫度的冷、合適、熱的感覺和對火的大小的感覺，這些感覺并不是精確的某一數(shù)值，而是一個(gè)范圍，不同的人會有不同的看法。(3)模糊控制器的特異性，由于不同人對相同事物看法的不同，導(dǎo)致對同一被控對象，不同的人會提出不同的控制策略。6.3.2智能控制算法應(yīng)用——機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)器學(xué)習(xí)專門研究計(jì)算機(jī)怎樣模擬或?qū)崿F(xiàn)人類的學(xué)習(xí)行為，以獲取新的知識或技能，重新組織已有的知識結(jié)構(gòu)使自身的性能不斷改善。我們通過一個(gè)生活中的例子來感受一下機(jī)器學(xué)習(xí)：在日常生活中我們都有買西瓜的經(jīng)歷，那么我們?nèi)绾闻袛辔鞴系暮脡哪兀炕谌粘Ｉ畹慕?jīng)驗(yàn)(如根據(jù)西瓜的根蒂、敲打聲和顏色等)來綜合判斷西瓜的好壞，這些經(jīng)驗(yàn)是我們基于日常生活中買西瓜的經(jīng)歷總結(jié)出來的。那么對于機(jī)器而言，如何判斷西瓜的好壞呢？這就需要機(jī)器學(xué)習(xí)。首先我們需要獲取一系列有關(guān)西瓜的根蒂、色澤和敲聲的數(shù)據(jù)，如表6-2所示。這里要學(xué)習(xí)的目標(biāo)是確定‘是否好瓜’，暫且假設(shè)‘是否好瓜’可由色澤、根蒂、敲聲3個(gè)因素完全確定，換言之，只要某個(gè)瓜的這3個(gè)屬性取值明確，我們就能判斷出它是不是好瓜。于是我們學(xué)習(xí)的目標(biāo)的是“好瓜是某種色澤、某種根蒂、某種敲聲的瓜”的概念，用布爾表達(dá)式描述如下：通過表(6-2)的訓(xùn)練集進(jìn)行學(xué)習(xí)，可以把“？”確定下來。機(jī)器學(xué)習(xí)的方法則是利用已有的數(shù)據(jù)集(經(jīng)驗(yàn))，得到某種模型(瓜的好壞判斷標(biāo)準(zhǔn))，該過程稱之為“訓(xùn)練”，并利用訓(xùn)練好的模型預(yù)測未來，例如判斷一個(gè)新瓜的好壞。模型、策略和算法是機(jī)器學(xué)習(xí)的3個(gè)要素，具體說明如下：(1)模型。機(jī)器學(xué)習(xí)第一個(gè)要考慮的問題就是要學(xué)習(xí)什么樣的模型。此處引入假設(shè)空間的重要概念，模型的假設(shè)空間包含所有可能的條件概率分布或函數(shù)。例如，假設(shè)函數(shù)是f(x)?=?ax時(shí)，假設(shè)空間就是a的所有可能取值對應(yīng)的所有f(x)的函數(shù)集合。假設(shè)函數(shù)是f(x)?=?ax2?+?bx時(shí)，假設(shè)空間就是a和b的所有可能取值對應(yīng)的所有f(x)的函數(shù)集合。所以對于每一個(gè)具體問題，我們首要考慮的問題就是應(yīng)該選擇哪種假設(shè)函數(shù)。(2)策略。有了模型的假設(shè)空間，其次要考慮按照什么樣的準(zhǔn)則來學(xué)習(xí)或選擇最優(yōu)的模型，統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)的目標(biāo)在于從假設(shè)空間中選取最優(yōu)的模型。評價(jià)模型的好壞，通常用損失函數(shù)和風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)來度量，損失函數(shù)能度量一次預(yù)測的好壞，風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)能夠度量平均意義下模型預(yù)測的好壞。(3)算法。最后要考慮的問題就是用什么樣的計(jì)算方法求解最優(yōu)模型。這時(shí)，機(jī)器學(xué)習(xí)問題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化問題，機(jī)器學(xué)習(xí)的算法轉(zhuǎn)化為求解最優(yōu)化問題的算法。一個(gè)好的求解算法既要保證找到全局最優(yōu)解，也要保證求解過程十分高效。6.4兩輪自平衡小車智能控制要素分析1.角度控制——物理分析和比例微分(PD)控制算法角度控制也可稱為直立控制，如本書3.5.1節(jié)所述，兩輪自平衡小車通過車輪的負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)小車平衡的動態(tài)控制。車輪作加速運(yùn)動，分析小車(非慣性系，以車輪作為坐標(biāo)原點(diǎn))上方受到的倒立擺受力，此時(shí)也有額外的慣性力產(chǎn)生，該力與車輪的加速度方向相反、大小成正比。其中，PD算法和小車受力分析示意圖如圖6-8和圖6-9所示。倒立擺運(yùn)動時(shí)的回復(fù)力為式中，θ很小并進(jìn)行了線性化。負(fù)反饋控制下假設(shè)，車輪加速度a與偏角θ成正比，比例為k1。如果比例k1>g，(g是重力加速度)，那么回復(fù)力的方向便與位移方向相反了，而為了讓倒立擺能夠盡快回到垂直位置穩(wěn)定下來，還需要增加阻尼力，增加的阻尼力與偏角的速度大小成正比、方向相反，可得按照上述倒立擺的模型，可得出控制小車車輪加速度的算法：式中，θ為小車角度，θ'?為角速度，k1、k2都是比例系數(shù)。根據(jù)上述內(nèi)容，建立速度的比例微分負(fù)反饋控制，根據(jù)基本控制理論討論小車通過閉環(huán)控制保持穩(wěn)定的條件。假設(shè)外力干擾使小車模型產(chǎn)生角加速度，用x(t)表示。沿著垂直于小車模型底盤的方向進(jìn)行受力分析，可以得到小車模型傾角θ、車輪運(yùn)動加速度a?(t)以及外力引起的角加速度x(t)之間的運(yùn)動方程，該狀態(tài)下的運(yùn)動分析如圖6-10所示。在θ很小時(shí)，車模運(yùn)動方程為車模靜止時(shí)，有，此時(shí)的車模運(yùn)動方程為反饋控制中，考慮比例控制(控制量與傾斜角度成比例的控制)和微分控制(控制量與角速度成比例的控制，即角速度是傾斜角度的微分)。因此上面系數(shù)k1、k2分別稱為比例控制參數(shù)和微分控制參數(shù)。其中微分控制參數(shù)相當(dāng)于阻尼力，可以有效抑制車模振蕩。通過微分抑制控制振蕩的思想在后面的速度和方向控制中也同樣適用。總結(jié)控制車模直立穩(wěn)定的條件如下：①

能夠精確測量車模傾角θ的大小和角速度θ'?的大小。②

可以控制車輪的加速度。上述控制的實(shí)際結(jié)果是，小車與地面不是嚴(yán)格垂直，而是存在一個(gè)對應(yīng)的傾角。在重力的作用下，小車會朝著一個(gè)方面加速前進(jìn)。為了保持小車的靜止或者勻速運(yùn)動需要消除這個(gè)安裝誤差。在實(shí)際小車制作過程中，需要進(jìn)行機(jī)械調(diào)整和軟件參數(shù)設(shè)置。另外需要通過軟件中的速度控制來實(shí)現(xiàn)速度的穩(wěn)定性。在對小車行進(jìn)過程中的角度進(jìn)行控制中，考慮小車運(yùn)動時(shí)會出現(xiàn)一定的傾角偏差，這使小車在傾斜的方向上產(chǎn)生加速度，這個(gè)結(jié)果可以作為進(jìn)行小車速度控制的依據(jù)。2.速度控制假設(shè)小車在上面直立控制調(diào)節(jié)下已經(jīng)能夠保持平衡了，但是由于安裝誤差，傳感器實(shí)際測量的角度與車模角度有偏差，因此小車實(shí)際不是與地面保持垂直，而是與地面間存在一個(gè)傾角。在重力的作用下，小車就會朝傾斜的方向加速前進(jìn)。此時(shí)，只要通過控制小車的傾角就可以實(shí)現(xiàn)小車速度控制了。具體實(shí)現(xiàn)需要解決3個(gè)問題：①

如何測量小車速度？②

如何通過對小車進(jìn)行直立控制來使小車傾角改變？③

如何根據(jù)速度誤差控制小車傾角？第一個(gè)問題可以通過安裝在電機(jī)輸出軸上的霍爾傳感器得到小車的車輪速度。測速原理如圖6-11所示，主要通過對單片機(jī)的外部中斷I/O口的控制來進(jìn)行不間斷測速，脈沖信號的個(gè)數(shù)可以反映電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而測得速度。第二個(gè)問題可以通過角度控制給定值來解決。給定小車直立控制的設(shè)定值，在角度控制調(diào)節(jié)下，小車將會自動維持在一個(gè)角度。通過前面小車直立控制算法可以知道，小車傾角最終是跟蹤重力加速度方向(Z軸)的角度。因此小車的傾角給定值與重力加速度方向(Z軸)角度相減，便可以最終確定小車的傾角。第三個(gè)問題分析起來相對比較困難，遠(yuǎn)比直觀進(jìn)行速度負(fù)反饋分析復(fù)雜。首先對一個(gè)簡單例子進(jìn)行分析。假設(shè)小車開始保持靜止，然后增加給定速度，為此需要小車往前傾斜以便獲得加速度。在小車直立控制下，為了能夠有一個(gè)向前運(yùn)動的傾角，車輪需要往后運(yùn)動，這樣會引起車輪速