智能控制發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用

1、智能控制的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用學(xué)號(hào)0000000姓名*老師鐘春富摘要：描述了智能控制產(chǎn)生的歷史以及全世界對(duì)于智能控制有研究的多個(gè)國(guó)家在智能控制的研究方向以及研究水平，介紹了智能控制的發(fā)展趨勢(shì)以及智能控制發(fā)展面臨的問(wèn)題，詳述了智能控制的主要研究方向，說(shuō)明了智能控制的應(yīng)用方向以及具體應(yīng)用，展望了智能控制的發(fā)展前景以及對(duì)于社會(huì)生產(chǎn)和日常生活的積極意義。關(guān)鍵詞：智能控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)控制、專家控制、智能化。一、智能控制的產(chǎn)生人類的進(jìn)化歸根結(jié)底是智能的進(jìn)化，而智能反過(guò)來(lái)又為人類的進(jìn)步服務(wù)。我們學(xué)習(xí)與研究智能系統(tǒng)、智能機(jī)器人和智能控制等，其目的就在于創(chuàng)造和應(yīng)用智能技術(shù)和智能系統(tǒng)，從而為人類進(jìn)步服務(wù)。因此，可

2、以說(shuō)對(duì)智能控制的鐘情、期待、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，是科技發(fā)展和人類進(jìn)步的必然趨勢(shì)。在科學(xué)技術(shù)發(fā)展史上，控制科學(xué)同其他技術(shù)科學(xué)一樣，它的產(chǎn)生與發(fā)展主要由人類的生產(chǎn)發(fā)展需求和人類當(dāng)時(shí)的知識(shí)水平所決定和限制的。20世紀(jì)以來(lái)，特別是第二次世界大戰(zhàn)以來(lái)，控制科學(xué)與技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，由研究單輸入單輸出被控對(duì)象的經(jīng)典控制理論，發(fā)展成了研究多輸入多輸出被控對(duì)象的現(xiàn)代控制理論。1948年，美國(guó)著名的控制論創(chuàng)始人維納(N.Wiener)在他的控制論中第一次把動(dòng)物和機(jī)器相提并論，引起哲學(xué)界的軒然大波，有人罵控制論是“偽科學(xué)”。直到1954年錢學(xué)森博士在工程控制論中系統(tǒng)地揭示了控制論這一新興學(xué)科對(duì)電子通訊、航空航天和機(jī)械制

3、造工業(yè)等領(lǐng)域的重要意義和深遠(yuǎn)影響后，反控制論的熱潮才逐漸開(kāi)始平息。20世紀(jì)60年代，由于空間技術(shù)，海洋技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的需要，控制領(lǐng)域面臨著被控對(duì)象的復(fù)雜性和不確定性，以及人們對(duì)控制性能要求越來(lái)越高的挑戰(zhàn)。被控對(duì)象的復(fù)雜性和不確定性表現(xiàn)為對(duì)象特性的高度非線性和不確定性，高噪聲干擾，系統(tǒng)工作點(diǎn)動(dòng)態(tài)突變性，以及分散的傳感元件與執(zhí)行元件，分層和分散的決策機(jī)構(gòu)，復(fù)雜的信息模式和龐大的數(shù)據(jù)量。面對(duì)復(fù)雜的對(duì)象，復(fù)雜的環(huán)境和復(fù)雜的任務(wù)，用傳統(tǒng)控制(即經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制)的理論和方法去解決是不可能的。其原因有三：第一，傳統(tǒng)控制理論都是建立在微積分為工具的精確模型上的，而復(fù)雜系統(tǒng)的復(fù)雜性和不確定性都難以用精

4、確的數(shù)學(xué)模型描述，否則就會(huì)使原問(wèn)題丟失很多有用的信息。例如：用筷子夾取食物放入口中，這套看似簡(jiǎn)單的動(dòng)作，如果我們要把這一系列的動(dòng)作和環(huán)境建立出精確的數(shù)學(xué)模型，然后再一步步按模型去操作，可以想象其過(guò)程何等地難以實(shí)現(xiàn)!第二，傳統(tǒng)的控制理論雖然也有辦法對(duì)付控制對(duì)象的不確定性和復(fù)雜性，如自適應(yīng)控制和Robust控制可以克服系統(tǒng)中所包含的不確定性，達(dá)到優(yōu)化控制的目的，但他們僅使用于系統(tǒng)參數(shù)在一定范圍內(nèi)緩慢變化的情況，其優(yōu)化控制的范圍是很弱的。第三，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)要求輸入的信息比較單一，而現(xiàn)代的控制系統(tǒng)要面對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)以各種形式視覺(jué)的、聽(tīng)覺(jué)的、觸覺(jué)的和直接操作的方式，將周圍環(huán)境信息作為輸入的狀況，并將各種信

5、息進(jìn)行融合，分析和推理，再隨環(huán)境與條件的變化，相應(yīng)地采取對(duì)策或行動(dòng)，由此智能控制應(yīng)運(yùn)而生。人們?cè)趯?shí)踐中觀察到人類具有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)和適應(yīng)周圍環(huán)境的能力。有些復(fù)雜的系統(tǒng)，憑人的知覺(jué)和經(jīng)驗(yàn)很好的進(jìn)行操作并達(dá)到理想的結(jié)果，這就產(chǎn)生了，新的、具有遠(yuǎn)大前程的智能控制理論。智能控制理論是對(duì)傳統(tǒng)控制理論的發(fā)展，傳統(tǒng)控制是智能控制的一個(gè)組成部分，是智能控制的低級(jí)階段。因此，智能控制理論無(wú)疑是控制理論發(fā)展的高級(jí)階段。在這個(gè)意義上，傳統(tǒng)控制和智能控制可以統(tǒng)一在智能控制的框架下。1985年IEEE（美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)）在美國(guó)召開(kāi)了第一屆智能控制學(xué)術(shù)會(huì)議，1987年在美國(guó)IEEE控制系統(tǒng)學(xué)會(huì)與計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)召開(kāi)了智能控

6、制的第一次國(guó)際會(huì)議，標(biāo)志著智能控制有了長(zhǎng)足的發(fā)展。隨后一些國(guó)際學(xué)術(shù)組織（如IFAC等）定期或不定期地舉辦各類有關(guān)智能控制的國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議或研討會(huì)，說(shuō)明智能控制理論在不斷的發(fā)展。我國(guó)已經(jīng)分別于1993年、1997年、2000年、2002年組織召開(kāi)了四屆全球智能控制與自動(dòng)化大會(huì)（WCI.CA），已成立的學(xué)術(shù)團(tuán)體有中國(guó)人工智能學(xué)會(huì)，計(jì)算機(jī)視覺(jué)與智能控制學(xué)會(huì)，中國(guó)智能機(jī)器人專業(yè)委員會(huì)和中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)智能自動(dòng)化專業(yè)委員會(huì)等，這些情況表明，智能控制作為一門獨(dú)立的新學(xué)科，已經(jīng)在我國(guó)建立起來(lái)。應(yīng)該指出，在模糊控制、仿人智能控制等方面的研究，我國(guó)已經(jīng)形成了自己的特色，為發(fā)展、完善和推動(dòng)智能控制的研究起到了較大的促

7、進(jìn)作用。智能控制的定義：智能控制至今為止并沒(méi)有一個(gè)公認(rèn)的、統(tǒng)一的定義。我們?yōu)榱颂骄恐悄芸刂频母拍詈图夹g(shù)，開(kāi)發(fā)智能控制新的性能和性能和方法，比較不同研究者和不同國(guó)家的成果，就要求對(duì)智能控制有某些共同的理解下面提出的是被廣泛接受的關(guān)于智能控制的定義。所謂智能控制，即設(shè)計(jì)一個(gè)控制器(或系統(tǒng))，使之具有學(xué)習(xí)、抽象、推理、決策等功能，并能根據(jù)環(huán)境(包括被控對(duì)象或被控過(guò)程)信息的變化作出適應(yīng)性反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)由人來(lái)完成的任務(wù)。智能控制在無(wú)人干預(yù)的情況下能自主地驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的自動(dòng)控制技術(shù)。一個(gè)系統(tǒng)如果具有感知環(huán)境、不斷獲得信息以減小不確定性和計(jì)劃、產(chǎn)生以及執(zhí)行控制行為的能力,即稱為智能控制系統(tǒng).智

8、能控制技術(shù)是在向人腦學(xué)習(xí)的過(guò)程中不斷發(fā)展起來(lái)的,人腦是一個(gè)超級(jí)智能控制系統(tǒng),具有實(shí)時(shí)推理、決策、學(xué)習(xí)和記憶等功能,能適應(yīng)各種復(fù)雜的控制環(huán)境。隨著計(jì)算機(jī)、材料、能源等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展和生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大,形成了復(fù)雜的控制系統(tǒng),導(dǎo)致了控制對(duì)象、控制器、控制任務(wù)等更加復(fù)雜。與此同時(shí),對(duì)自動(dòng)化程度的要求也更加廣泛,面對(duì)來(lái)自柔性控制系統(tǒng)(FMS)、智能機(jī)器人系(IRS)、數(shù)控系統(tǒng)(CNS)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)等復(fù)雜系統(tǒng)的挑戰(zhàn),經(jīng)典的與現(xiàn)代的控制理論和技術(shù)已不適應(yīng)復(fù)雜系統(tǒng)的控制。智能控制是在控制論、信息論、人工智能、仿生學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)及計(jì)算機(jī)科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)上逐漸形成的一類高級(jí)信息與控制

9、技術(shù)。智能控制突破了傳統(tǒng)控制理論中必須基于數(shù)學(xué)模型的框架,它基本上按實(shí)際效果進(jìn)行控制,不依賴或不完全依賴于控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型,又繼承了人類思維的非線性特性。某些智能控制方法還具有在線辨識(shí)、決策或總體自尋優(yōu)的能力和分層信息處理、決策的功能。二、智能控制的發(fā)展趨勢(shì)智能控制的研究?jī)?nèi)容智能控制是控制理論、人工智能(AI)和計(jì)算機(jī)科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。智能控制系統(tǒng)是在控制論、信息論、人工智能、仿生學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)及計(jì)算機(jī)科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)上逐漸形成的一類高級(jí)信息與控制系統(tǒng)。智能控制突破了傳統(tǒng)控制理論中必須基于微分方程為基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)模型框架，基本上按實(shí)際效果進(jìn)行控制，演繹了以離散型數(shù)據(jù)為樣本的非線性特性。某些智能控制

10、方法還具有在線辨識(shí)、決策或總體自尋優(yōu)的能力和分層信息處理、決策的功能。結(jié)合具體的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，各種智能控制系統(tǒng)正在發(fā)揮巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。最初人們認(rèn)為智能控制是自動(dòng)控制理論(AC)與人工智能(AI)或AC、AI與運(yùn)籌學(xué)(OR)的結(jié)合，但事實(shí)上智能控制是一門仍在不斷豐富和發(fā)展中的具有眾多學(xué)科集成特點(diǎn)的科學(xué)與技術(shù)。它不僅包含了AC、AI、OR、系統(tǒng)理論(ST)和計(jì)算機(jī)科學(xué)(cs)的內(nèi)容，而且還從生物學(xué)、生理學(xué)、心理學(xué)、協(xié)同學(xué)及人類知識(shí)理論等學(xué)科中吸取了豐富的營(yíng)養(yǎng)。目前，關(guān)于智能控制的主要研究?jī)?nèi)容有：自適應(yīng)控制(AdaptiveContrOl)、模糊控制(FuzzyContrOl)、神經(jīng)網(wǎng)控制(N

11、euralNet.basedContr01)、基于知識(shí)的控O(KnowledgeBasedContr01)或?qū)＜铱刂?EXpertContr01)、復(fù)合智能控锘tJ(HybridIntelligentContr01)、學(xué)習(xí)控帶lJ(1eamingContr01)和基于進(jìn)化機(jī)制的控帶lJ(EvolutionaryMechanismBasedContr01)。這些有的已在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的智能控制與智能自動(dòng)化投入實(shí)際應(yīng)用。1、模糊控制利用模糊數(shù)學(xué)的基本思想和理論的控制方法。在傳統(tǒng)的控制領(lǐng)域里，控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模式的精確與否是影響控制優(yōu)劣的最主要關(guān)鍵，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的信息越詳細(xì)，則越能達(dá)到精確控制的目的。然而

12、，對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)，由于變量太多，往往難以正確的描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)，于是工程師便利用各種方法來(lái)簡(jiǎn)化系統(tǒng)動(dòng)態(tài)，以達(dá)成控制的目的，但卻不盡理想。換言之，傳統(tǒng)的控制理論對(duì)于明確系統(tǒng)有強(qiáng)而有力的控制能力，但對(duì)于過(guò)于復(fù)雜或難以精確描述的系統(tǒng)，則顯得無(wú)能為力了。因此便嘗試著以模糊數(shù)學(xué)來(lái)處理這些控制問(wèn)題。模糊控制是采用模糊語(yǔ)言控制律把基于專家知識(shí)的控制策略轉(zhuǎn)換為自動(dòng)控制具體策略的控制，其基本思想是把人類專家對(duì)特定的被控對(duì)象或過(guò)程的控制策略總結(jié)成一系列的“IF(條件).THEN(作用)”的形式表示的控制規(guī)律，通過(guò)模糊推理得到控制作用集，作用與被控對(duì)象或過(guò)程。目前，模糊控制技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，穩(wěn)定性分析問(wèn)題正得到解決，

13、模糊芯片已經(jīng)研制成功，其功能不斷增強(qiáng)，成本不斷下降，模糊開(kāi)發(fā)軟件包不斷涌現(xiàn)，直接應(yīng)用模糊芯片開(kāi)發(fā)產(chǎn)品已成為一種趨勢(shì)。2、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是20世紀(jì)80年代末期發(fā)展起來(lái)的自動(dòng)控制領(lǐng)域的前沿學(xué)科之一。它是智能控制的一個(gè)新的分支，為解決復(fù)雜的非線性、不確定、不確知系統(tǒng)的控制問(wèn)題開(kāi)辟了新途徑。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是(人工)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論與控制理論相結(jié)合的產(chǎn)物，是發(fā)展中的學(xué)科。它匯集了包括數(shù)學(xué)、生物學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)、腦科學(xué)、遺傳學(xué)、人工智能、計(jì)算機(jī)科學(xué)、自動(dòng)控制等學(xué)科的理論、技術(shù)、方法及研究成果。在控制領(lǐng)域，將具有學(xué)習(xí)能力的控制系統(tǒng)稱為學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)，屬于智能控制系統(tǒng)。神經(jīng)控制是有學(xué)習(xí)能力的，屬于學(xué)習(xí)控制，是

14、智能控制的一個(gè)分支。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是模擬人類神經(jīng)中樞系統(tǒng)智能活動(dòng)的一種控制方式。由于它具有自適應(yīng)能力和自學(xué)能力，因此適合于復(fù)雜系統(tǒng)智能控制的研究工具。神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)利用神經(jīng)元之間的聯(lián)結(jié)與權(quán)值進(jìn)行自我學(xué)習(xí)，以逼近理論為依據(jù)進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模。并以直接自校正控制、間接自校正控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)控制等方式實(shí)現(xiàn)智能控制，初步實(shí)現(xiàn)了生物神經(jīng)系統(tǒng)的部分功能。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有的非線性映射能力、并行計(jì)算能力、自學(xué)習(xí)能力以及強(qiáng)魯棒性等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于控制領(lǐng)域，尤其是非線性控制領(lǐng)域。3、專家控制專家式控制系統(tǒng)，或叫做專家控制系統(tǒng)(expertcontrolsystem,ECS)它已廣泛應(yīng)用于故障診斷、工業(yè)設(shè)計(jì)和過(guò)程控制，為解

15、決工業(yè)控制難題提供一種新的方法，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)過(guò)程控制的重要技術(shù)。專家控制是在將專家的理論和技術(shù)同控制理論及方法有機(jī)結(jié)合的基礎(chǔ)上，在未知環(huán)境模仿專家的智能實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的有效控制。根據(jù)專家系統(tǒng)技術(shù)在控制系統(tǒng)中應(yīng)用的復(fù)雜程度，可分為專家控制系統(tǒng)和專家式控制器兩種主要形式。專家控制系統(tǒng)具有全面的專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，完善的知識(shí)處理功能和實(shí)時(shí)控制的可靠功能，知識(shí)庫(kù)龐大，推理復(fù)雜等特點(diǎn)。專家式控制器多為工業(yè)專家控制器，知識(shí)庫(kù)較小，推理機(jī)制簡(jiǎn)單，著重于啟發(fā)式控制知識(shí)的開(kāi)發(fā)，具有實(shí)時(shí)算法和邏輯功能。專家控制的核心是專家系統(tǒng)，它具有處理各種非結(jié)構(gòu)性問(wèn)題，尤其是處理定性的、啟發(fā)式的或不確定性的知識(shí)信息，經(jīng)過(guò)各種推理過(guò)程達(dá)到系

16、統(tǒng)的控制目標(biāo)。智能控制研究所面臨的問(wèn)題與挑戰(zhàn)首先，智能控制的應(yīng)用研究目標(biāo)和主攻方向不夠明確。作為應(yīng)用研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究，智能控制在于尋求有別于傳統(tǒng)控制的、新的實(shí)用控制技術(shù)。離開(kāi)了實(shí)際而紙上談兵，那就不是真正的應(yīng)用研究。其次，智能控制要面向復(fù)雜系統(tǒng)。對(duì)于一些比較簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，引入智能控制并不值得，猶如用大炮打蚊子一樣。如果簡(jiǎn)單的智能控制系統(tǒng)的復(fù)雜性、故障率和成本高于同類應(yīng)用傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，那么智能控制的優(yōu)越性就會(huì)令人質(zhì)疑。最后，研制新型智能控制硬件和軟件。在智能控制研究中，軟件方面存在的問(wèn)題更大。例如，大多數(shù)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)，還停留在“仿真”水平上，未能真正解決實(shí)現(xiàn)問(wèn)題更談不上實(shí)際應(yīng)用。提高系

17、統(tǒng)的運(yùn)行速度、實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制、提高對(duì)環(huán)境的感覺(jué)和解釋能力、改善信息識(shí)別和處理能力、設(shè)計(jì)模塊化的傳感器接口等方面要做的事情還很多。三、智能控制的應(yīng)用隨著智能控制應(yīng)用方法的日益成熟，智能控制的研究領(lǐng)域必將進(jìn)一步擴(kuò)大。除了高級(jí)機(jī)器人、過(guò)程智能控制和智能故障診斷外，下列領(lǐng)域?qū)⒊蔀樾碌膽?yīng)用領(lǐng)域：交通控制（如高速列車、汽車運(yùn)輸、飛機(jī)飛行控制等），用于CAD、CM、CIMS和CIPS的自動(dòng)加工控制，醫(yī)療過(guò)程控制、商業(yè)、農(nóng)業(yè)、文化教育和娛樂(lè)等。當(dāng)代最高意義上的智能自動(dòng)化要算機(jī)器人學(xué)的進(jìn)步和應(yīng)用。機(jī)器人從爬行到直立行走，現(xiàn)在已能用手使用工具，能看、聽(tīng)、用多種語(yǔ)言說(shuō)話，并能可靠的去干最臟最累最危險(xiǎn)的活。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前

18、世界上有將近100萬(wàn)個(gè)機(jī)器人在各生產(chǎn)線上工作，美國(guó)和日本在核反應(yīng)堆中使用機(jī)器人，印度科學(xué)家在2002年8月27日也宣稱，他們已經(jīng)建造成一種6條腿的機(jī)器人用于核電站工作。據(jù)估計(jì)到2010年，智能機(jī)器人可能進(jìn)入家庭，許多家政勞動(dòng)將由機(jī)器人來(lái)代替。智能型機(jī)器人進(jìn)入社會(huì)服務(wù)業(yè)，可以當(dāng)出租車司機(jī)、醫(yī)院護(hù)士、家庭保姆和銀行出納等。因此，智能機(jī)器人將逐漸代替人類的復(fù)雜勞動(dòng)，解放人類的身體，提高未來(lái)休閑時(shí)代的生活質(zhì)量。按照我國(guó)規(guī)劃，到2010年，70以上的家庭具備互聯(lián)網(wǎng)接入條件，大中城市中60的住宅實(shí)現(xiàn)智能化。到時(shí)候，新興的語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，會(huì)在智能家居中運(yùn)用“生物特征智能識(shí)別技術(shù)”，對(duì)我們臉部、角膜、指紋等特征

19、進(jìn)行技術(shù)識(shí)別，方便我們的生活。遠(yuǎn)程醫(yī)療和健康監(jiān)護(hù)等自動(dòng)化技術(shù)，也將問(wèn)津?qū)こＨ思业娜粘Ｉ?。在手術(shù)過(guò)程中的麻醉深度智能控制系統(tǒng)，已證明其控制質(zhì)量超過(guò)了人工控制。交通事故死亡率成為人類和平時(shí)期非正常死亡概率的第一因素，引入智能交通系統(tǒng)，可以大大緩解這一狀況。智能交通系統(tǒng)是信息自動(dòng)化處理的系統(tǒng)，包括收集最基本的道路信息，建立多種交通模型，需求最優(yōu)的交通誘導(dǎo)，給出行者提供充分的信息。智能交通系統(tǒng)在美國(guó)的一些城市已經(jīng)實(shí)施，它可以減小10的廢棄材料，20的交通延遲，30的停車次數(shù)。有關(guān)資料表明：2010年智能交通將會(huì)在世界性大城市普及，2020年，智能交通將成為生活中的一部分。我國(guó)科技部已經(jīng)正式確定上海、廣州、深圳、青島、重慶等9個(gè)城市為首批全國(guó)智能交通系統(tǒng)應(yīng)用和示范工程試點(diǎn)城市。全世界約有6萬(wàn)種語(yǔ)言，智