芻議智能控制系統仿真技術

戚偉麗

摘 要：智能控制系統的仿真與其他系統的仿真存在一定的差異，其核心問題就是智能化控制系統所采用的控制方式更加的模糊，其變量和控制動作之間的配合往往存在一定的不確定性，因此在仿真中會因為控制要素的改變而影響其仿真的效果，所以在仿真系統的設計中應突出對觀測量和控制量之間、系統設定值之間的關系進行分析，找到更加適應其控制要求的計算方式和數學模型，這樣才能獲得更好的仿真效果。在實際的應用中可以利用現有的工具對其進行改進，重新編程或者設定數學模型等，以此保證仿真的更加準確。

關鍵詞：仿真技術 系統概述 相關概念 設計要點

中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）02（a）-0017-01

仿真系統就是在系統測試中利用一個系統對另一個系統的運行過程進行仿真，觀察仿真系統的各種參數或者因素在系統過程形成的運行狀態和關系等，檢驗其控制方式或者組織方式是否有效。無論是何種仿真模型，其目的都是替代真實系統，進行各種實驗和分析，而數學模型和實物模型相比，可以利用計算機模擬更加極端的條件，可以對系統進行更加極端的測試，因此在實際應用中仿真技術已經成為科學研究中的重要方法之一。

1 智能控制仿真系統概述

控制仿真是系統仿真模擬的重要技術之一，隨著計算機的發展及語言技術的發展，控制仿真系統已經形成了一個相對完整的科學體系。一些專門的仿真軟件和語言等也針對不同的控制系統提出了更多的解決方案。如MATLAB工具箱就是一種常見的控制系統仿真軟件和工具。多數的研究都集中在線性系統的仿真上，對智能系統的仿真還缺乏深入的研究。如果在仿真中僅僅給出圖表結果，對于智能控制仿真的過程則不夠完整。因此在這樣的條件下，如果可以利用系統仿真驗證智能算法的有效性，則必須對現有的工具進行開發與改進，才能獲得更好的仿真效果。同時MATLAB工具箱本身仍有一定的局限性，完全實現智能化控制模擬，則需要進行系統程序的重新編制才能滿足智能控制系統仿真的需求。

所以在實際的應用中可以利用計算機系統為基礎，按照仿真的思路給出一套基于系統數學模型的仿真技術來完成對智能系統的仿真。如從計算步長、采樣周期、控制周期之間的關系等入手，進行分析與研究，以此實現對智能控制系統的仿真分析。這樣才能在實際的應用中獲得更加良好的效果，并可以實現靈活的仿真。

2 應用術語和概念

系統控制量即代表控制對象施加的控制動作的量，其改變會直接影響被控制對象的輸出情況，也稱之為控制量。這個變量在控制系統中是十分重要的，其取值也往往在物理量閾值范圍。控制輸出量，也是被控制的量，其大小會隨著控制量的改變而發生改變。其取值的范圍也在物理量論域。

系統參考值或者系統設定值，控制系統的核心思路是通過設備對系統運行進行控制，因此在任何智能控制系統中都會設定系統參考值或者設定值，是希望系統可以達到或者控制系統輸出的量，其可以表明系統控制的必要范圍。系統偏差，任何系統在運行中都會出現偏差，其代表系統輸出量和設定值之間的差異，即系統偏差。在智能控制系統中，偏差的取值范圍也應在物理量論域內，因為其是兩個物理量差值。

系統觀測量是一種變量，即在系統仿真中可以觀察到的用于控制算法決策的系統過程的變量，可以統一稱之為觀測量。可觀察的含義是通過檢測傳感器可以獲得的相關的變量，或者可以利用數學計算得到的變量。如系統輸出量、偏差和偏差對時間而言，各個階段的導數、峰值、振蕩頻率等，觀測量論域中的帶你也就代表了系統的狀態。研究仿真系統是則可以認為觀測量與線性系統中的狀態不同，狀態變量是觀測量的子集。

擾動量也可稱之為干擾量、擾動量，是非人為控制的導致輸出量的偏離其目標的動量，即為系統擾動量。擾動量不是系統內出現而是因為外部環境的干擾而出現的。

控制器是在仿真中對系統變量輸入和輸出進行控制的設備，控制器和被控制對象即成為控制系統。任何控制方法不管是模糊控制還是其他，其最終都將體現清晰的檢測量和控制量關系。不同的控制方法系統觀測量集合也不同。

另外，向仿真系統的概念還有控制周期、采樣周期等，其與計算機系統為核心，相互配合，以此完成對智能控制系統的數據采集。二者之間可以相互配合，當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

通常被控制系統的觀測量與控制之間存在固定的函數關系，這個函數可以同微分方程求解。無論何種形式的表現，控制過程都可以利用改變控制變量來調整觀測量，以此實現對控制的仿真。但是這樣的模型從數學角度而言較為復雜，所以應進行假定來限制系統條件。即被控制對象的數學模型可以通過一組基本觀測量和控制量進行表達。

3.2 對仿真結果的要求

控制系統的仿真必須直觀的給出結構，這樣才能達到仿真的目的，多數情況需要給出控制算法后，將獲得的觀測量作為結果。即標記為時間-狀態的曲線，以此說明控制系統的主要控制指標和參數，對控制的影響。如單輸入單輸出恒指系統的階躍上升時間、調節時間、超標情況、穩定誤差、不同干擾源的影響情況等，都可以利用曲線進行表達。

4 智能控制系統仿真的要點分析

4.1 步長和采樣、控制周期的關系確定

計算步長在設計中應小于等于采樣周期，這樣有利于編程。最佳采樣周期應為步長的整數倍。而控制周期應為采樣周期的整數倍。步長選擇不能過大，應在控制方法穩定的區域內。實際仿真編程可以將步長、采樣、控制周期等同起來，但是應注意概念差別，步長為控制精度，而采樣和控制周期則應按照控制系統特征進行確定。

4.2 擾動仿真

針對擾動應進行定性分析，在仿真中應重點對擾動進行分析，其包括階躍、緩慢漂移、周期改變三個類型。其都可利用被擾動量疊加擾動量的方式進行仿真，最終可以獲得準確的模型。應注意多輸入和輸出量系統應分析與確定控制的目標以及關鍵因素，使之簡化為單純輸入和輸出系統，以此獲得擾動變量實現仿真。

5 結語

綜上所述，智能控制系統的仿真應從過程、算法、編程細節等入手，對仿真精度進行控制，通過明確假設、算法設置、要點控制等措施，來實現對仿真結果的優化，針對不同的控制系統選擇不同的仿真模型，使之適應系統要求，從而提高仿真的實際效果。

參考文獻

[1] 林敏，張傳海.基于數學手段的復雜系統仿真方法研究概述[C].//系統仿真技術及其應用學術論文集（第15卷）.2014：56-57.

[2] 覃海強，熊慶宇，石欣，等.基于Matlab機械臂力控系統仿真研究[J].計算機工程與應用，2014，50（12）：242-246.

[3] 周紅彬.基于可擴展架構的系統仿真技術研究[J].無線電工程，2014（12）：63-64.