基于離散模型的協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

（包頭職業技術學院，包頭014030）

0 引言

進入本世紀以來，伴隨者現代自動控制技術的高速發展，離散模型智能控制系統已經逐漸發展成現代科學技術主要研究的內容之一，離散模型智能控制系統已經在我們的日常生活、工業中有著越來越廣泛的應用，尤其是電力系統智能控制領域，眾所周知電力系統在民用、工業上占有者舉足輕重的地位，所以電力系統智能化自動控制的主要研究內容之一就是對多個電力系統控制裝置、多個自動控制系統之的協作和對多智能控制的研究。

1 離散模型的協同合作智能控制裝置國內外研究現狀及趨勢

1.1 智能控制與傳統控制區別

智能控制就是指不需要人的直接干預能夠獨立自主的驅動智能控制器或智能設備實現控制目標的一種自動控制方式，智能控制式基于人工智能、控制理論、運籌學和信息論等諸多學科建立起來的，智能控制是基于傳統的控制方式發展起來的，智能控制主要是解決應用傳統控制方式不能解決的復雜大系統的控制。智能控制針對傳統的控制方式是不需要確定被控對象和干擾的模型的，傳統的控制方式認定被控對象的模型必須是已知的或者是經過辨識是可以得到的。傳統的控制理論往往是針對線性系統進行研究的，雖然對一些非線性的控制對象有著可以應用的控制方法，但總的來說傳統控制理論往往對非線性控制系統的控制結果不夠理想，而智能控制是專門針對復雜的非線性的控制對象提出來的。傳統的控制系統，一般要求對控制任務和要求的輸出是一個恒定的值，因此傳統的控制理論對控制任務要求比較簡單和單一的系統控制效果較好，但傳統控制系統對系統比較復雜或者控制任務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雜的任務要求。智能控制相對于傳統控制理論而言有著混合控制的特點，控制系統能根據知識來表示非數學的廣義模型和數學表示的混合控制過程，并且有補償和自我修復的能力，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控制方法解決不了的問題，一個智能控制系統具有學習能力，智能控制系統對一個系統的進行識別、記憶和學習，并能夠積累經驗對自己本身性能進一步進行改善，一個智能控制系統還應該具有適應能力，可以適應控制對象的變化這種變化包括對象的動力學特性變化、系統環境變化和系統運行條件的變化，一個智能控制系統還具有組織功能，根據復雜任務和各個分散的信息具有組織和協調的功能，智能控制使控制系統有了自行決策和組織的能力，智能系統還要具有在線實時響應能力，保證各個系統協同工作。

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驗實現對系統的一種控制方法，模糊控制是不需要對被控對象進行建模的，這種控制方法用來解決不確定系統一種有效的方法。模糊控制的控制器結構如圖1 所示。

圖1 模糊控制器一般結構

1.2.2 神經網絡控制

神經網絡控制部分的能表達出和部分人腦的的功能，神經網絡控制從人處理信息機制的角度建立了控制模型，雖然神經網絡控制模擬了人的某些處理信息的功能，但和人的神經網絡的信息處理部分還有著較大的區別。

1.2.3 專家控制

專家控制就是在模擬人的思維活動的規律，這種控制方式能夠進行推理，適應變化，具有一定程度的靈活性，相對經典的控制方法，它可以對復雜的系統進行故障診斷，控制算法和參數可以根據實際情況進行組合和改變。專家控制的結構如圖2 所示。

圖2 專家系統簡化結構圖

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 間接專家控制系統框圖

圖4 直接接專家控制系統框圖

1.3 智能控制在國外發展現狀

隨著智能控制應用發展的日益成熟，智能控制廣泛應用于多個領域，生產過程中的局部級的智能控制將引入工藝過程中的莫伊單元進行控制器設計，全局級的智能控制主要針對整個操作工藝的控制，過程的故障診斷、規劃過程操作處理異常等，在機械制造行業中，智能控制利用模糊、神經網絡的方法對制造過程進行動態環境建模，利用傳感器融合技術來進行信息的預處理和綜合。電力系統中發電機、變壓器、電動機等電機電器設化設計、故障診斷及控制中，取得了良好的控制效果。1958 年，美國麻省理工學院懷特克教授首先提出飛機自動駕駛儀的模型智能控制方案，智能控制理論取得較大進展。近些年來，由于計算機的迅速發展，特別是微處理器件的廣泛普及，為智能控制技術的實際應用創造了有利條件。1974 年，吉爾巴特和溫斯頓最早應用智能控制，在24 英寸的光學跟蹤望遠鏡上利用智能控制技術，提高了跟蹤精度。Courtial 和Landau將智能控制技術應用于電力領域，對晶閘管供電直流電力拖動系統進行智能控制，將智能控制的應用推向新階段。

1.4 智能控制在國內發展現狀

在我國電力系統的范圍的分布是非常廣泛的，電力系統本身是比較典型的動態巨維數系統，這個系統具有時變性、非線性的特點，而且在控制過程中系統參數不確定，含有很多并沒有進行建模的動態的部分，在組成電力系統的元件都具有磁滯、延遲、飽和的物理特性，對與具有以上特點的系統進行控制是十分困難的，而且近些年來，電力電子裝備在我國電網中應用日益廣泛，電源電網和負荷的格局發生了深刻變化，大規模新能等電力電子裝備的廣泛接入，致使電網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，導致交直流、上下級電網減的耦合日趨緊密，電網復雜程度顯著增加。近些年來，電網的規模在不斷的擴大，我國的電力企業我國科研人員對電力系統自動化智能控制等展開了研究。目前，電力技術已經進入智能控制，可以在線實現運行規則的調整，通過將智能控制理論引入電力系統，探討具體的操作流程，實現更為精確的控制，滿足電力設備的需求。

另外，隨著智能化技術在發展過程中逐漸成熟，為了對智能電網進行科學智能控制，需要對智能控制技術進行深入研究，故本課題將智能控制理論引入智能電網中，推動電力系統的轉型升級，建立智能化的控制系統，既有助于提高電力系統的可靠性和穩定性，也減少電力事故的發生，保障電力行業的安全。

1.5 智能控制在我國電力系統中發展趨勢

智能控制有四種控制方法即ANN、模糊控制、專家系統和啟發式搜索，這幾種控制方式各有優點和缺點，每個控制方法都能在某個方面和程度上提高電力系統的自動化的性能，但是往往會在電力系統控制設計或者控制動態過程中不能解決或滿足所有的問題和要求。即使得到可行解也是和最優解相差太多，即使用神經網絡的控制方法對可行解的質量進行精化，得到的組合的最優解，也不能解決組合爆炸問題和大規模的問題，專家系統與模糊理論結合的應用研究，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的研究才開始，隨著研究的進一步發展和深入，各種智能控制方法的聯系會更加緊密，各種控制方法利用本身的各自的優勢而組成的綜合智能控制系統也會在電力系統中起到越來越重要的作用。

2 離散模型的協同合作智能控制裝置的實際意義和理論意義

在電力系統智能控制技術應用背景下，如何對電力系統實現高效和先進智能控制是當前主要研究方向。當前，我國還沒有應用案例，相關的文獻也不多見。因此，研究非常有理論和現實意義。離散模型的協同合作智能控制裝置從智能控制角度研究電力系統自動化智能控制系統，將離散模型和智能控制理論應用于電力系統自動化智能控制，這在智能控制技術在過程控制領域中的應用廣泛，但在運動控制領域還有待進一步研究，是智能控制技術在運動控制領域的具體應用及實現。通過研發基于離散模型的協同合作智能控制裝置，有助于提高電力系統自動化智能控制系統的安全性與穩定性，更好地滿足社會的需求，具有重要的理論意義和實際意義。

3 離散模型的協同合作智能控制裝置的研究內容與方案

3.1 離散模型的協同合作智能控制裝置研究內容

①搜集并閱讀與智能控制理論等相關的雜志期刊、學術論文等文獻資料，全面把握國內外研究現狀與趨勢，儲備相關理論依據，對智能控制理論的概念、組成要素、各要素之間的關系及主要功能進行基本概述，為本課題的研究奠定厚實的理論基礎。

②分析電力系統自動化智能控制系統的組成、工作原理，根據實驗系統參數建立系統基于離散模型的數學模型，作為電力系統自動化智能控制系統設計的基礎。通過討論基于離散模型的協同合作智能控制裝置的設計要點，進行協同合作智能控制裝置結構設計和參數選擇，進一步調整關于電力系統自動化智能控制系統的數學模型。

③針對電力系統自動化智能控制系統存在的不足，使用離散模型與智能控制方法，得到電力系統自動化智能控制系統，并建立其數學模型，設計基于離散模型的協同合作智能控制裝置。

④為了驗證控制系統的科學性，使用MATLAB 中的SIMULINK 對智能控制系統進行仿真實驗研究。將設計的模型與被控對象的輸出曲線進行比較，驗證在采用協同合作智能控制裝置之后，被控對象輸出曲線是否能夠較好的跟蹤參考模型。基于仿真實驗，研究證明方案設計是否正確，控制效果是否良好。

⑤在理論設計和仿真研究正確的基礎上，設計電力系統自動化智能控制系統的硬件電路和軟件程序。將電力系統自動化智能控制系統應用于協同合作智能控制裝置實驗系統，實驗研究證明離散模型與智能控制系統設計的性能。

3.2 離散模型的協同合作智能控制裝置研究方案

①文獻分析法。

搜集并閱讀與智能控制理論等相關的文獻資料，全面把握國內外研究現狀與趨勢，儲備相關理論依據，為本課題的研究奠定厚實的理論基礎。

②經驗總結法。

通過收集、整理基于離散模型的協同合作智能控制裝置的項目，有針對性地對基于離散模型的協同合作智能控制裝置設計的技術要點進行研究。

③對比分析法。

在研究時，綜合對比分析國內外基于離散模型的協同合作智能控制裝置設計要點。探索適合我國的電力系統自動化智能控制系統設計路徑。進而，研發電力系統自動化智能控制系統，構建協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和多個智能控制系統它們之間既有相同點也有不同點，它們之間的共同點就是，不管是大系統還是多智能系統都是通過建模來進行控制的，通過對核心控制器的設計，一個多智能控制系統是可以形成一個大系統的，根據以前的經驗，我們控制一個大系統的時候，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，這種控制方式的優點是可靠性高，及時在系統運行時部分系統有故障，也不會影響到全局，各個子系統仍可以進行獨立的控制，子系統由于信息量的相對大系統來說是減少的，這就使子系統的編程相對簡單、修改起來也很方便呢，但是這種控制方式的缺點就是，各個子系統中需要整體的協調合作，在集中管理起來有困難，而且也容易造成現場的信息采集不完整，這些缺點就要求我們在每個離散的小系統中，在多個控制器之間要進行信息交流和協同合作共同形成一個穩定的大系統。對多個控制器進行智能協調控制和合作來解決這個問題，在協調控制中，不穩定的智能體最終需要漸進穩定于零點，而在一致性問題中，智能體最終需要漸進穩定于一個任意期望的數值。因此，我們應該把多智能體的協調控制問題和一致性問題歸納成為一類問題來解釋。

在多智能系統的一致性研究起源于上個世紀七十年代，而且在各個應用領域受到了高度重視和廣泛的研究，涉及到的學科領域不僅有控制理論方面的，后來又有矩陣論、代數圖論等多個方面，根據在以往的分散控制系統的經驗中，首先我們先假設每一個子系統都是可以控制的，甚至我們假設每個子系統都是穩定的，或者我們認為通過每個子系統之間的信息都能通過反饋進行通訊，在這個控制的前提下，我們必須通過多個控制器的智能協作形成大系統，所以智能協作的作用是極其重要的，是必須具有的，智能協作尤其是在電力系統中起著非常重要的作用，因此在電力系統中每個小電站都需要互相協調來構成整個電網，這是典型的系統協調作用的應用。

隨著控制理論和計算機技術不斷發展和完善，離散形式的智能控制系統應用也愈來愈廣泛，對于離散多智能系統，由于離散系統相對于連續系統有著更廣泛的應用，逐漸用它來解決工程實際問題。但是由于較強的假設條件在工程上有時很難滿足，所以目前的應用還有限。

基于離散模型的協同合作智能控制裝置能夠較好地改善傳統電力系統存在的不足，全面運用當前電力電子控制技術、自動化控制技術以及網絡通信控制技術等，實現電力系統的遠程監控、智能控制等，進而實現現代電力系統的各式各樣需求。本文致力于提出針對基于離散模型的協同合作智能控制裝置設計方法，以及安全穩定控制策略，具有重要的理論意義和工程實用價值。