基于離散模型的協(xié)同合作智能控制裝置的可行性研究

王德志 WANG De-zhi；李瑜 LI Yu

（包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，包頭014030）

0 引言

進(jìn)入本世紀(jì)以來(lái)，伴隨者現(xiàn)代自動(dòng)控制技術(shù)的高速發(fā)展，離散模型智能控制系統(tǒng)已經(jīng)逐漸發(fā)展成現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)主要研究的內(nèi)容之一，離散模型智能控制系統(tǒng)已經(jīng)在我們的日常生活、工業(yè)中有著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，尤其是電力系統(tǒng)智能控制領(lǐng)域，眾所周知電力系統(tǒng)在民用、工業(yè)上占有者舉足輕重的地位，所以電力系統(tǒng)智能化自動(dòng)控制的主要研究?jī)?nèi)容之一就是對(duì)多個(gè)電力系統(tǒng)控制裝置、多個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)之的協(xié)作和對(duì)多智能控制的研究。

1 離散模型的協(xié)同合作智能控制裝置國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)

1.1 智能控制與傳統(tǒng)控制區(qū)別

智能控制就是指不需要人的直接干預(yù)能夠獨(dú)立自主的驅(qū)動(dòng)智能控制器或智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的一種自動(dòng)控制方式，智能控制式基于人工智能、控制理論、運(yùn)籌學(xué)和信息論等諸多學(xué)科建立起來(lái)的，智能控制是基于傳統(tǒng)的控制方式發(fā)展起來(lái)的，智能控制主要是解決應(yīng)用傳統(tǒng)控制方式不能解決的復(fù)雜大系統(tǒng)的控制。智能控制針對(duì)傳統(tǒng)的控制方式是不需要確定被控對(duì)象和干擾的模型的，傳統(tǒng)的控制方式認(rèn)定被控對(duì)象的模型必須是已知的或者是經(jīng)過(guò)辨識(shí)是可以得到的。傳統(tǒng)的控制理論往往是針對(duì)線性系統(tǒng)進(jìn)行研究的，雖然對(duì)一些非線性的控制對(duì)象有著可以應(yīng)用的控制方法，但總的來(lái)說(shuō)傳統(tǒng)控制理論往往對(duì)非線性控制系統(tǒng)的控制結(jié)果不夠理想，而智能控制是專門針對(duì)復(fù)雜的非線性的控制對(duì)象提出來(lái)的。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，一般要求對(duì)控制任務(wù)和要求的輸出是一個(gè)恒定的值，因此傳統(tǒng)的控制理論對(duì)控制任務(wù)要求比較簡(jiǎn)單和單一的系統(tǒng)控制效果較好，但傳統(tǒng)控制系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)比較復(fù)雜或者控制任務(wù)比較繁瑣往往控制效果較差，采用智能控制方法可以解決或者滿足復(fù)雜的任務(wù)要求。智能控制相對(duì)于傳統(tǒng)控制理論而言有著混合控制的特點(diǎn)，控制系統(tǒng)能根據(jù)知識(shí)來(lái)表示非數(shù)學(xué)的廣義模型和數(shù)學(xué)表示的混合控制過(guò)程，并且有補(bǔ)償和自我修復(fù)的能力，并且智能控制具有判斷決策的能力，具有極高的可靠性。

智能控制主要解決傳統(tǒng)控制方法解決不了的問(wèn)題，一個(gè)智能控制系統(tǒng)具有學(xué)習(xí)能力，智能控制系統(tǒng)對(duì)一個(gè)系統(tǒng)的進(jìn)行識(shí)別、記憶和學(xué)習(xí)，并能夠積累經(jīng)驗(yàn)對(duì)自己本身性能進(jìn)一步進(jìn)行改善，一個(gè)智能控制系統(tǒng)還應(yīng)該具有適應(yīng)能力，可以適應(yīng)控制對(duì)象的變化這種變化包括對(duì)象的動(dòng)力學(xué)特性變化、系統(tǒng)環(huán)境變化和系統(tǒng)運(yùn)行條件的變化，一個(gè)智能控制系統(tǒng)還具有組織功能，根據(jù)復(fù)雜任務(wù)和各個(gè)分散的信息具有組織和協(xié)調(diào)的功能，智能控制使控制系統(tǒng)有了自行決策和組織的能力，智能系統(tǒng)還要具有在線實(shí)時(shí)響應(yīng)能力，保證各個(gè)系統(tǒng)協(xié)同工作。

1.2 智能控制主要方法

1.2.1 模糊控制

所謂的模糊控制就是基于人的控制經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的一種控制方法，模糊控制是不需要對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行建模的，這種控制方法用來(lái)解決不確定系統(tǒng)一種有效的方法。模糊控制的控制器結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 模糊控制器一般結(jié)構(gòu)

1.2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制部分的能表達(dá)出和部分人腦的的功能，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制從人處理信息機(jī)制的角度建立了控制模型，雖然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模擬了人的某些處理信息的功能，但和人的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信息處理部分還有著較大的區(qū)別。

1.2.3 專家控制

專家控制就是在模擬人的思維活動(dòng)的規(guī)律，這種控制方式能夠進(jìn)行推理，適應(yīng)變化，具有一定程度的靈活性，相對(duì)經(jīng)典的控制方法，它可以對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷，控制算法和參數(shù)可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行組合和改變。專家控制的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 專家系統(tǒng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖

專家控制分為直接專家控制和間接專家控制，具體如圖 3、圖 4 所示。

圖3 間接專家控制系統(tǒng)框圖

圖4 直接接專家控制系統(tǒng)框圖

1.3 智能控制在國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

隨著智能控制應(yīng)用發(fā)展的日益成熟，智能控制廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，生產(chǎn)過(guò)程中的局部級(jí)的智能控制將引入工藝過(guò)程中的莫伊單元進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)，全局級(jí)的智能控制主要針對(duì)整個(gè)操作工藝的控制，過(guò)程的故障診斷、規(guī)劃過(guò)程操作處理異常等，在機(jī)械制造行業(yè)中，智能控制利用模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對(duì)制造過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)環(huán)境建模，利用傳感器融合技術(shù)來(lái)進(jìn)行信息的預(yù)處理和綜合。電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)、變壓器、電動(dòng)機(jī)等電機(jī)電器設(shè)化設(shè)計(jì)、故障診斷及控制中，取得了良好的控制效果。1958 年，美國(guó)麻省理工學(xué)院懷特克教授首先提出飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀的模型智能控制方案，智能控制理論取得較大進(jìn)展。近些年來(lái)，由于計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，特別是微處理器件的廣泛普及，為智能控制技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。1974 年，吉爾巴特和溫斯頓最早應(yīng)用智能控制，在24 英寸的光學(xué)跟蹤望遠(yuǎn)鏡上利用智能控制技術(shù)，提高了跟蹤精度。Courtial 和Landau將智能控制技術(shù)應(yīng)用于電力領(lǐng)域，對(duì)晶閘管供電直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行智能控制，將智能控制的應(yīng)用推向新階段。

1.4 智能控制在國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

在我國(guó)電力系統(tǒng)的范圍的分布是非常廣泛的，電力系統(tǒng)本身是比較典型的動(dòng)態(tài)巨維數(shù)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)具有時(shí)變性、非線性的特點(diǎn)，而且在控制過(guò)程中系統(tǒng)參數(shù)不確定，含有很多并沒(méi)有進(jìn)行建模的動(dòng)態(tài)的部分，在組成電力系統(tǒng)的元件都具有磁滯、延遲、飽和的物理特性，對(duì)與具有以上特點(diǎn)的系統(tǒng)進(jìn)行控制是十分困難的，而且近些年來(lái)，電力電子裝備在我國(guó)電網(wǎng)中應(yīng)用日益廣泛，電源電網(wǎng)和負(fù)荷的格局發(fā)生了深刻變化，大規(guī)模新能等電力電子裝備的廣泛接入，致使電網(wǎng)的不確定性和脆弱性日益突出，特高壓直流輸電工程的不斷搬運(yùn)，導(dǎo)致交直流、上下級(jí)電網(wǎng)減的耦合日趨緊密，電網(wǎng)復(fù)雜程度顯著增加。近些年來(lái)，電網(wǎng)的規(guī)模在不斷的擴(kuò)大，我國(guó)的電力企業(yè)我國(guó)科研人員對(duì)電力系統(tǒng)自動(dòng)化智能控制等展開(kāi)了研究。目前，電力技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入智能控制，可以在線實(shí)現(xiàn)運(yùn)行規(guī)則的調(diào)整，通過(guò)將智能控制理論引入電力系統(tǒng)，探討具體的操作流程，實(shí)現(xiàn)更為精確的控制，滿足電力設(shè)備的需求。

另外，隨著智能化技術(shù)在發(fā)展過(guò)程中逐漸成熟，為了對(duì)智能電網(wǎng)進(jìn)行科學(xué)智能控制，需要對(duì)智能控制技術(shù)進(jìn)行深入研究，故本課題將智能控制理論引入智能電網(wǎng)中，推動(dòng)電力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，建立智能化的控制系統(tǒng)，既有助于提高電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，也減少電力事故的發(fā)生，保障電力行業(yè)的安全。

1.5 智能控制在我國(guó)電力系統(tǒng)中發(fā)展趨勢(shì)

智能控制有四種控制方法即ANN、模糊控制、專家系統(tǒng)和啟發(fā)式搜索，這幾種控制方式各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，每個(gè)控制方法都能在某個(gè)方面和程度上提高電力系統(tǒng)的自動(dòng)化的性能，但是往往會(huì)在電力系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)或者控制動(dòng)態(tài)過(guò)程中不能解決或滿足所有的問(wèn)題和要求。即使得到可行解也是和最優(yōu)解相差太多，即使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方法對(duì)可行解的質(zhì)量進(jìn)行精化，得到的組合的最優(yōu)解，也不能解決組合爆炸問(wèn)題和大規(guī)模的問(wèn)題，專家系統(tǒng)與模糊理論結(jié)合的應(yīng)用研究，還有其他組合研究方式也很多，目前綜合智能控制在電力系統(tǒng)的研究才開(kāi)始，隨著研究的進(jìn)一步發(fā)展和深入，各種智能控制方法的聯(lián)系會(huì)更加緊密，各種控制方法利用本身的各自的優(yōu)勢(shì)而組成的綜合智能控制系統(tǒng)也會(huì)在電力系統(tǒng)中起到越來(lái)越重要的作用。

2 離散模型的協(xié)同合作智能控制裝置的實(shí)際意義和理論意義

在電力系統(tǒng)智能控制技術(shù)應(yīng)用背景下，如何對(duì)電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效和先進(jìn)智能控制是當(dāng)前主要研究方向。當(dāng)前，我國(guó)還沒(méi)有應(yīng)用案例，相關(guān)的文獻(xiàn)也不多見(jiàn)。因此，研究非常有理論和現(xiàn)實(shí)意義。離散模型的協(xié)同合作智能控制裝置從智能控制角度研究電力系統(tǒng)自動(dòng)化智能控制系統(tǒng)，將離散模型和智能控制理論應(yīng)用于電力系統(tǒng)自動(dòng)化智能控制，這在智能控制技術(shù)在過(guò)程控制領(lǐng)域中的應(yīng)用廣泛，但在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域還有待進(jìn)一步研究，是智能控制技術(shù)在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的具體應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)。通過(guò)研發(fā)基于離散模型的協(xié)同合作智能控制裝置，有助于提高電力系統(tǒng)自動(dòng)化智能控制系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性，更好地滿足社會(huì)的需求，具有重要的理論意義和實(shí)際意義。

3 離散模型的協(xié)同合作智能控制裝置的研究?jī)?nèi)容與方案

3.1 離散模型的協(xié)同合作智能控制裝置研究?jī)?nèi)容

①搜集并閱讀與智能控制理論等相關(guān)的雜志期刊、學(xué)術(shù)論文等文獻(xiàn)資料，全面把握國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)，儲(chǔ)備相關(guān)理論依據(jù)，對(duì)智能控制理論的概念、組成要素、各要素之間的關(guān)系及主要功能進(jìn)行基本概述，為本課題的研究奠定厚實(shí)的理論基礎(chǔ)。

②分析電力系統(tǒng)自動(dòng)化智能控制系統(tǒng)的組成、工作原理，根據(jù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)建立系統(tǒng)基于離散模型的數(shù)學(xué)模型，作為電力系統(tǒng)自動(dòng)化智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。通過(guò)討論基于離散模型的協(xié)同合作智能控制裝置的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，進(jìn)行協(xié)同合作智能控制裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇，進(jìn)一步調(diào)整關(guān)于電力系統(tǒng)自動(dòng)化智能控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

③針對(duì)電力系統(tǒng)自動(dòng)化智能控制系統(tǒng)存在的不足，使用離散模型與智能控制方法，得到電力系統(tǒng)自動(dòng)化智能控制系統(tǒng)，并建立其數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)基于離散模型的協(xié)同合作智能控制裝置。

④為了驗(yàn)證控制系統(tǒng)的科學(xué)性，使用MATLAB 中的SIMULINK 對(duì)智能控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)研究。將設(shè)計(jì)的模型與被控對(duì)象的輸出曲線進(jìn)行比較，驗(yàn)證在采用協(xié)同合作智能控制裝置之后，被控對(duì)象輸出曲線是否能夠較好的跟蹤參考模型?；诜抡鎸?shí)驗(yàn)，研究證明方案設(shè)計(jì)是否正確，控制效果是否良好。

⑤在理論設(shè)計(jì)和仿真研究正確的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)自動(dòng)化智能控制系統(tǒng)的硬件電路和軟件程序。將電力系統(tǒng)自動(dòng)化智能控制系統(tǒng)應(yīng)用于協(xié)同合作智能控制裝置實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)研究證明離散模型與智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能。

3.2 離散模型的協(xié)同合作智能控制裝置研究方案

①文獻(xiàn)分析法。

搜集并閱讀與智能控制理論等相關(guān)的文獻(xiàn)資料，全面把握國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)，儲(chǔ)備相關(guān)理論依據(jù)，為本課題的研究奠定厚實(shí)的理論基礎(chǔ)。

②經(jīng)驗(yàn)總結(jié)法。

通過(guò)收集、整理基于離散模型的協(xié)同合作智能控制裝置的項(xiàng)目，有針對(duì)性地對(duì)基于離散模型的協(xié)同合作智能控制裝置設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行研究。

③對(duì)比分析法。

在研究時(shí)，綜合對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外基于離散模型的協(xié)同合作智能控制裝置設(shè)計(jì)要點(diǎn)。探索適合我國(guó)的電力系統(tǒng)自動(dòng)化智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)路徑。進(jìn)而，研發(fā)電力系統(tǒng)自動(dòng)化智能控制系統(tǒng)，構(gòu)建協(xié)同合作智能控制裝置。具體的研究方案如圖5 所示。

圖5 離散模型的協(xié)同合作智能控制裝置研究方法

我們大家所熟悉的大的控制系統(tǒng)和多個(gè)智能控制系統(tǒng)它們之間既有相同點(diǎn)也有不同點(diǎn)，它們之間的共同點(diǎn)就是，不管是大系統(tǒng)還是多智能系統(tǒng)都是通過(guò)建模來(lái)進(jìn)行控制的，通過(guò)對(duì)核心控制器的設(shè)計(jì)，一個(gè)多智能控制系統(tǒng)是可以形成一個(gè)大系統(tǒng)的，根據(jù)以前的經(jīng)驗(yàn)，我們控制一個(gè)大系統(tǒng)的時(shí)候，通常是采用分散控制的控制方法，分散控制就是控制功能分散，而管理是集中的，這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，及時(shí)在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)部分系統(tǒng)有故障，也不會(huì)影響到全局，各個(gè)子系統(tǒng)仍可以進(jìn)行獨(dú)立的控制，子系統(tǒng)由于信息量的相對(duì)大系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是減少的，這就使子系統(tǒng)的編程相對(duì)簡(jiǎn)單、修改起來(lái)也很方便呢，但是這種控制方式的缺點(diǎn)就是，各個(gè)子系統(tǒng)中需要整體的協(xié)調(diào)合作，在集中管理起來(lái)有困難，而且也容易造成現(xiàn)場(chǎng)的信息采集不完整，這些缺點(diǎn)就要求我們?cè)诿總€(gè)離散的小系統(tǒng)中，在多個(gè)控制器之間要進(jìn)行信息交流和協(xié)同合作共同形成一個(gè)穩(wěn)定的大系統(tǒng)。對(duì)多個(gè)控制器進(jìn)行智能協(xié)調(diào)控制和合作來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，在協(xié)調(diào)控制中，不穩(wěn)定的智能體最終需要漸進(jìn)穩(wěn)定于零點(diǎn)，而在一致性問(wèn)題中，智能體最終需要漸進(jìn)穩(wěn)定于一個(gè)任意期望的數(shù)值。因此，我們應(yīng)該把多智能體的協(xié)調(diào)控制問(wèn)題和一致性問(wèn)題歸納成為一類問(wèn)題來(lái)解釋。

在多智能系統(tǒng)的一致性研究起源于上個(gè)世紀(jì)七十年代，而且在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域受到了高度重視和廣泛的研究，涉及到的學(xué)科領(lǐng)域不僅有控制理論方面的，后來(lái)又有矩陣論、代數(shù)圖論等多個(gè)方面，根據(jù)在以往的分散控制系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)中，首先我們先假設(shè)每一個(gè)子系統(tǒng)都是可以控制的，甚至我們假設(shè)每個(gè)子系統(tǒng)都是穩(wěn)定的，或者我們認(rèn)為通過(guò)每個(gè)子系統(tǒng)之間的信息都能通過(guò)反饋進(jìn)行通訊，在這個(gè)控制的前提下，我們必須通過(guò)多個(gè)控制器的智能協(xié)作形成大系統(tǒng)，所以智能協(xié)作的作用是極其重要的，是必須具有的，智能協(xié)作尤其是在電力系統(tǒng)中起著非常重要的作用，因此在電力系統(tǒng)中每個(gè)小電站都需要互相協(xié)調(diào)來(lái)構(gòu)成整個(gè)電網(wǎng)，這是典型的系統(tǒng)協(xié)調(diào)作用的應(yīng)用。

隨著控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展和完善，離散形式的智能控制系統(tǒng)應(yīng)用也愈來(lái)愈廣泛，對(duì)于離散多智能系統(tǒng)，由于離散系統(tǒng)相對(duì)于連續(xù)系統(tǒng)有著更廣泛的應(yīng)用，逐漸用它來(lái)解決工程實(shí)際問(wèn)題。但是由于較強(qiáng)的假設(shè)條件在工程上有時(shí)很難滿足，所以目前的應(yīng)用還有限。

基于離散模型的協(xié)同合作智能控制裝置能夠較好地改善傳統(tǒng)電力系統(tǒng)存在的不足，全面運(yùn)用當(dāng)前電力電子控制技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通信控制技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能控制等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代電力系統(tǒng)的各式各樣需求。本文致力于提出針對(duì)基于離散模型的協(xié)同合作智能控制裝置設(shè)計(jì)方法，以及安全穩(wěn)定控制策略，具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。