第一章：智能控制概論

1、智能控制技術(shù)機電教研室機電教研室2006年年9月月 李 陽 2121世紀(jì)中心科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)移趨勢世紀(jì)中心科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)移趨勢 1.1.信息科學(xué)技術(shù)信息科學(xué)技術(shù) 目前是發(fā)展高峰期，預(yù)計其中心科學(xué)技術(shù)的目前是發(fā)展高峰期，預(yù)計其中心科學(xué)技術(shù)的 地位還可持續(xù)三十年。地位還可持續(xù)三十年。2.2.生命科學(xué)技術(shù)生命科學(xué)技術(shù) 現(xiàn)在已開始注重其發(fā)展與應(yīng)用，預(yù)計現(xiàn)在已開始注重其發(fā)展與應(yīng)用，預(yù)計2121世紀(jì)世紀(jì) 3030年代開始將逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橹行目茖W(xué)技術(shù)。年代開始將逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橹行目茖W(xué)技術(shù)。3.3.認(rèn)知科學(xué)技術(shù)認(rèn)知科學(xué)技術(shù) 智能化趨勢現(xiàn)已顯露，預(yù)計智能化趨勢現(xiàn)已顯露，預(yù)計2121世紀(jì)世紀(jì)7070年代開年代開 始將成為科學(xué)技術(shù)發(fā)

2、展的中心。始將成為科學(xué)技術(shù)發(fā)展的中心。 結(jié)論結(jié)論: :智能化是中心科學(xué)技術(shù)的發(fā)展方向智能化是中心科學(xué)技術(shù)的發(fā)展方向參考書目 智能控制技術(shù)韋巍 機械工業(yè)出版社 1999年5月 智能控制基礎(chǔ)理論及應(yīng)用 張化光、孟祥萍 機械工業(yè)出版社 2005年2月 模糊控制原理與應(yīng)用 諸靜 機械工業(yè)出版社 2005年1月本課程的主要內(nèi)容1. 智能控制概論2. 模糊控制理論基礎(chǔ)4.人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)3.模糊控制系統(tǒng)第一章：智能控制概論 1. 1. 控制理論和應(yīng)用發(fā)展的概況控制理論和應(yīng)用發(fā)展的概況 2. 2. 傳統(tǒng)控制理論的局限性傳統(tǒng)控制理論的局限性 3.3.智能與智能控制的定義智能與智能控制的定義 4. 4. 智能控制

3、與傳統(tǒng)控制的關(guān)系和差別智能控制與傳統(tǒng)控制的關(guān)系和差別 5.5.智能控制的組成智能控制的組成 6. 6. 智能控制研究的主要內(nèi)容智能控制研究的主要內(nèi)容 7.7.智能控制的分類智能控制的分類 8.8.智能控制的特點智能控制的特點 9 9、智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域：、智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域： 自動控制（自動化）是一門交叉學(xué)科自動控制（自動化）學(xué)科控制與決策信息采集與處理系統(tǒng)建模與分析機器人技術(shù)計算機控制先進制造技術(shù)數(shù)學(xué)計算機科學(xué)信息論運籌學(xué)控制論認(rèn)知心理學(xué)神經(jīng)腦科學(xué)生物醫(yī)學(xué)物理管理科學(xué)支持基礎(chǔ)主要應(yīng)用領(lǐng)域1. 控制理論和應(yīng)用發(fā)展的概況控制理論和應(yīng)用發(fā)展的概況控制理論的發(fā)展始于Watt飛球調(diào)節(jié)蒸汽機以后

4、的100年。1. 經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論: 20世紀(jì)50年代以返饋控制理論為代表，形成經(jīng)典控制理論,著名的控制科學(xué)家有：Black, Nyquist, Bode. 該階段主要研究的自動控制系統(tǒng)都為線性定長系統(tǒng),受控對象幾乎全是單輸入、單輸出系統(tǒng)，并且完全依賴于數(shù)學(xué)模型。 研究方法主要有：傳遞函數(shù)、頻率特性、Bode圖法、根軌跡法、勞斯判據(jù)、奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)等。 2.現(xiàn)代控制理論 隨著航空航天事業(yè)的發(fā)展, 60年代末形成以多變量 控制為特征的現(xiàn)代控制理論,主要代表有:Kalman 的濾波器, Pontryagin 的極大值原理,Bellman 的 動態(tài)規(guī)劃,和Lyapunov 的穩(wěn)定性理論。

5、現(xiàn)代控制理論主要研究： 系統(tǒng)運動狀態(tài)的描述和能控性、能觀性分析。改變系統(tǒng)的控制量，使系統(tǒng)按某一最佳運行方式工作，實現(xiàn)系統(tǒng)性能指標(biāo)泛涵最小的“系統(tǒng)最優(yōu)控制”。建立在統(tǒng)計函數(shù)理論上，應(yīng)用相關(guān)函數(shù)的系統(tǒng)動態(tài)特性測量方法和卡爾曼濾波。李亞普諾夫穩(wěn)定性理論和李亞普諾夫函數(shù)。研究環(huán)境條件有大范圍變化，仍保證系統(tǒng)最佳運行狀態(tài)；或環(huán)境改變并不確定的情況下，實現(xiàn)系統(tǒng)最佳控制。3. 先進控制理論 對于現(xiàn)有大范圍內(nèi)多參數(shù)時變、大時滯以及具有非線性強耦合的多輸入多輸出系統(tǒng)，建立數(shù)學(xué)模型非常空難。為此研究了多種先進的控制策略及其理論，主要有：自適應(yīng)控制魯棒控制變結(jié)構(gòu)控制模型預(yù)測控制解耦控制最優(yōu)控制以上控制理論我們稱之為

6、傳統(tǒng)控制理論。 應(yīng)用上： 工廠全球化、開放化。出現(xiàn)柔性制造、虛擬工廠、CIMS、CIPS（Computer Integrated Processing Systems) . 現(xiàn)場總線技術(shù)越來越成熟、機器人、智能自動化技術(shù)。綠色自動化技術(shù)越來越發(fā)展。智能制造(IM)。企業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展趨向：企業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展趨向：單件生產(chǎn)大批量生產(chǎn)多 品種小批量 變品種變批量企業(yè)自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)企業(yè)自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)理論與實際應(yīng)用存在很大差距PID在實際應(yīng)用中仍占統(tǒng)治地位。原因： 自動控制學(xué)科高度的交叉性、應(yīng)用的廣泛性； 所需數(shù)學(xué)工具難以被多數(shù)技術(shù)人員所掌握； 自動控制需要其它技術(shù)支持，如網(wǎng)絡(luò)、計算機； 實際應(yīng)用情況的復(fù)雜性

7、、多變性、不確定性； 國內(nèi)企業(yè)存在管理體制問題，技術(shù)投入力度不夠。2.傳統(tǒng)控制理論的局限性傳統(tǒng)控制理論的局限性 隨著復(fù)雜系統(tǒng)的不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)控制理論越來越多地顯示它的局限性。什么叫復(fù)雜系統(tǒng)？其特征表現(xiàn)為：1. 控制對象的復(fù)雜性 模型的不確定性、 高度非線性、 分布式的轉(zhuǎn)感器和執(zhí)行機構(gòu)、 動態(tài)突變、 多時間標(biāo)度、 復(fù)雜的信息模式、 龐大的數(shù)據(jù)量和嚴(yán)格的性能指標(biāo)。 2. 環(huán)境的復(fù)雜性 變化的不確定性 難以辨識 必須與被控對象集合起來作為一個整體來考慮。3. 控制任務(wù)或目標(biāo)的復(fù)雜性 控制目標(biāo)和任務(wù)的多重性 時變性 任務(wù)集合處理的復(fù)雜性。傳統(tǒng)控制理論的局限性（1）傳統(tǒng)的控制理論建立在精確的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)

8、上用微分 或差分方程來描述。 不能反映人工智能過程：推理、分析、學(xué)習(xí)。 丟失許多有用的信息（2）不能適應(yīng)大的系統(tǒng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)的變化 自適應(yīng)控制和自校正控制通過對系統(tǒng)某些重要參數(shù)的估 計克服小的、變化較慢的參數(shù)不確定性和干擾。 魯棒控制在參數(shù)或頻率響應(yīng)處于允許集合內(nèi)，保證被 控系統(tǒng)的穩(wěn)定。 自適應(yīng)控制魯棒控制不能克服數(shù)學(xué)模型嚴(yán)重的不確定性和工作點劇烈的變化。 （3） 傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)輸入信息模式單一 通常處理較簡單的物理量：電量（電壓、電流、阻抗）； 機械量（位移、速度、加速度）； 復(fù)雜系統(tǒng)要考慮：視覺、聽覺、觸覺信號，包括圖形、文字、語言、聲音等信息。 為了克服傳統(tǒng)控制理論的局限性，產(chǎn)生了模擬人類

9、思維和活動的智能控制。3. 智能與智能控制的定義智能與智能控制的定義 按系統(tǒng)的一般行為特征定義(Albus)什么叫智能？有不同的定義： 在不確定環(huán)境中，作出合適動作的能力。合適動作是指增加成功的概率 ，成功就是達到行為的子目標(biāo)，以支持系統(tǒng)實現(xiàn)最終目標(biāo)。?。康图壷悄埽焊兄h(huán)境、作出決策、控制行為高級智能：理解和覺察能力，在復(fù)雜和險惡環(huán)境環(huán)境中進行 選擇的能力，力求生存和進步。成功和系統(tǒng)的最終目標(biāo)是由智能系統(tǒng)的外界確定。 按人類的認(rèn)知的過程定義(A.Meystel) 智能是系統(tǒng)的一個特征，當(dāng)集注（Focusing Attention)、組合搜索(Combinatorial Search)、歸納 （

10、Generalization)過程作用于系統(tǒng)輸入，并產(chǎn)生系統(tǒng)輸出時，就表現(xiàn)為智能。系統(tǒng)輸入系統(tǒng)輸出智能集中注意力組合搜索歸納FACSG 按機器智能定義(Saridis) 機器智能是把信息進行分析、組織，并把它轉(zhuǎn)換成知識的過程。知識就是所得到的結(jié)構(gòu)性信息，它可用來使機器執(zhí)行特定的任務(wù)，以消除該任務(wù)的不確定性或盲目性，達到最優(yōu)或次優(yōu)的結(jié)果。信信息息信信息息分析組織處理知知識識信信息息機器智能智能控制的定義 智能控制密切相關(guān)智能系統(tǒng)必是 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)必需具有智能1. 按一般行為特征定義 智能控制是有知識的“行為舵手”，它把知識和反饋結(jié)合起來，形成感知交互式、以目標(biāo)導(dǎo)向的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)可以進行規(guī)劃

11、、決策，產(chǎn)生有效的 、有目的的行為，在不確定環(huán)境中，達到既定的目標(biāo)。2. 按人類的認(rèn)知的過程定義 智能控制是一種計算上的有效過程,在非完整的指標(biāo)下，通過最基本的操作，即歸納（G）、集注（FA）、和組合操作（CS），把不確定的復(fù)雜系統(tǒng)引向規(guī)定的目標(biāo)。3. 按機器智能定義 智能控制是認(rèn)知科學(xué)、多種數(shù)學(xué)編程和控制技術(shù)的結(jié)合。它把施加于系統(tǒng)的各種算法和數(shù)學(xué)與語言方法融為一體。4. 智能控制的組成智能控制的組成 智能控制（IC）是自動控制（AC）和人工智能（AI）的交集。即：AIACICAIACIC強調(diào)智能和控制的結(jié)合。 考慮更高層次上的調(diào)度、規(guī)劃和管理，應(yīng)把運籌學(xué)（OR）結(jié)合進去。即：ACORAIIC

12、IC = AI AC IT OR 式中各子集的含義如下：AI 人工智能（Artificial Intelligence）；AC 自動控制（Automatic Control）；OR 運籌學(xué)（Operation Research）；IT 信息論（Information Theory或Informatics）；IC 智能控制（Intelligent Control）；5. 智能控制與傳統(tǒng)控制的關(guān)系和差別智能控制與傳統(tǒng)控制的關(guān)系和差別 涉及的范圍：智能控制的范圍包括了傳統(tǒng)控制的范圍。 有微分/差分方程描述的系統(tǒng)；有混合系統(tǒng)（離散和連 續(xù)系統(tǒng)混合、符號和數(shù)值系統(tǒng)混合、數(shù)字和模擬系統(tǒng)混合）；控制的目標(biāo)：

13、智能的目標(biāo)尋求在巨大的不確定環(huán)境中， 獲得整體的優(yōu)化。因此，智能控制要考慮： 故障診斷 系統(tǒng)重構(gòu) 自組織、自學(xué)習(xí)能力 多重目標(biāo)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：控制對象和控制系統(tǒng)的結(jié)合。智能控制與傳統(tǒng)控制概念上的區(qū)別智能控制與傳統(tǒng)控制概念上的區(qū)別 傳統(tǒng)控制（Conversional control）：經(jīng)典反饋控制和現(xiàn)代理論控制。它們的主要特征是基于精確的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的控制。適于解決線性、時不變等相對簡單的控制問題。 智能控制（Intelligent control）:以上問題用智能的方法同樣可以解決。智能控制是對傳統(tǒng)控制理論的發(fā)展，傳統(tǒng)控制是智能控制的一個組成部分，在這個意義下，兩者可以統(tǒng)一在智能控制的框架下。6.

14、 智能控制研究的主要內(nèi)容智能控制研究的主要內(nèi)容 智能控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和機理的研究混合系統(tǒng)的建模和控制 基于模糊集合、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、進化算法等 智能控制器的開發(fā)和研究。 智能計算和軟計算的開發(fā)和研究 自組織、自學(xué)習(xí)的結(jié)構(gòu)和方法的研究 基于多代理(Multi-agent)智能控制系統(tǒng) 的開發(fā)和研究 智能控制系統(tǒng)應(yīng)用的研究7、智能控制的分類、智能控制的分類 智能控制系統(tǒng)一般包括 分級遞階控制系統(tǒng)分級遞階控制系統(tǒng) 模糊控制系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng) 專家控制系統(tǒng)專家控制系統(tǒng) 神經(jīng)控制系統(tǒng)神經(jīng)控制系統(tǒng) 學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)學(xué)習(xí)控制系統(tǒng) 集成（或者復(fù)合）混合控制：幾種方法和機制往往結(jié)合在一起，用于一個實際的智能控制系統(tǒng)或裝置，從而建立起混合或集成的智能控制系統(tǒng)8、智能控制系統(tǒng)的特點：、智能控制系統(tǒng)的特點： 同時具有以知識表示的非數(shù)學(xué)廣義模型和以數(shù)學(xué)模型表示的混合制過程，也往往是那些含有復(fù)雜性、不完全性、模糊性或不確定性以及不存在已知算法的非數(shù)字過程，并以知識