第4講控制方法與相關(guān)技術(shù)(2)

1、1自動(dòng)化概論 An Introduction to Automation金陵科技學(xué)院智控學(xué)院金陵科技學(xué)院智控學(xué)院20201515年年9 9月月2第4 4講 控制方法與相關(guān)技術(shù)（2）3線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng) 線性系統(tǒng)可以用線性方程來(lái)描述其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，否則線性系統(tǒng)可以用線性方程來(lái)描述其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，否則就是非線性系統(tǒng)。線性系統(tǒng)滿足就是非線性系統(tǒng)。線性系統(tǒng)滿足“均勻性均勻性” ” 和和“疊加疊加性性”。 均勻性：均勻性：當(dāng)輸入信號(hào)按一定比例放大或縮小時(shí)，當(dāng)輸入信號(hào)按一定比例放大或縮小時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出也放大或縮小同樣比例。對(duì)應(yīng)的輸出也放大或縮小同樣比例。 疊加性：疊加性：多個(gè)輸入同時(shí)作用于系統(tǒng)所產(chǎn)生的輸出多個(gè)輸

2、入同時(shí)作用于系統(tǒng)所產(chǎn)生的輸出等于這些輸入分別作用于系統(tǒng)所產(chǎn)生的輸出之和。等于這些輸入分別作用于系統(tǒng)所產(chǎn)生的輸出之和。 4非線性系統(tǒng)及其控制控制（輸出）量與輸入量之間為線性關(guān)系的稱為線性系統(tǒng)?？刂疲ㄝ敵觯┝颗c輸入量之間為線性關(guān)系的稱為線性系統(tǒng)。（Linear System)Linear System)理想放大器理想放大器線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)5非線性系統(tǒng)及其控制控制（輸出）量與輸入量之間不符合線性關(guān)系的稱為非線控制（輸出）量與輸入量之間不符合線性關(guān)系的稱為非線性系統(tǒng)（性系統(tǒng)（Nonlinear System)Nonlinear System)非線性系統(tǒng)二階非線性系統(tǒng)相跡圖非線性系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)遠(yuǎn)比線性

3、系統(tǒng)復(fù)雜。非線性系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)遠(yuǎn)比線性系統(tǒng)復(fù)雜。6第一代控制理論經(jīng)典控制理論2020世紀(jì)前半葉工業(yè)生產(chǎn)對(duì)廣泛應(yīng)用各種自動(dòng)控制裝置的需世紀(jì)前半葉工業(yè)生產(chǎn)對(duì)廣泛應(yīng)用各種自動(dòng)控制裝置的需求以及求以及“二戰(zhàn)二戰(zhàn)”期間對(duì)改進(jìn)武器系統(tǒng)性能的需求（如雷達(dá)期間對(duì)改進(jìn)武器系統(tǒng)性能的需求（如雷達(dá)跟蹤、火炮控制、艦船控制、飛機(jī)導(dǎo)航等）推動(dòng)了跟蹤、火炮控制、艦船控制、飛機(jī)導(dǎo)航等）推動(dòng)了第一代第一代控制理論控制理論經(jīng)典控制理論的成熟與發(fā)展；經(jīng)典控制理論的成熟與發(fā)展；7第一代控制理論經(jīng)典控制理論1.1.線性線性可以用線性方程來(lái)描述其運(yùn)動(dòng)規(guī)律?？梢杂镁€性方程來(lái)描述其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。實(shí)際系統(tǒng)都屬于非線性系統(tǒng)，但大部分系統(tǒng)的非線性

4、不嚴(yán)重，實(shí)際系統(tǒng)都屬于非線性系統(tǒng)，但大部分系統(tǒng)的非線性不嚴(yán)重，因此可以近似看作線性系統(tǒng)來(lái)處理。因此可以近似看作線性系統(tǒng)來(lái)處理。2.2.定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)定常系統(tǒng)和時(shí)變系統(tǒng)定常系統(tǒng)制系統(tǒng)的所有參數(shù)是固定常系統(tǒng)制系統(tǒng)的所有參數(shù)是固定的，不隨時(shí)間而改變；時(shí)變系統(tǒng)則正好相反，有隨時(shí)間定的，不隨時(shí)間而改變；時(shí)變系統(tǒng)則正好相反，有隨時(shí)間而改變的參數(shù)。而改變的參數(shù)。實(shí)際系統(tǒng)都屬于時(shí)變系統(tǒng)，但當(dāng)參數(shù)變化較慢、且變化幅度實(shí)際系統(tǒng)都屬于時(shí)變系統(tǒng)，但當(dāng)參數(shù)變化較慢、且變化幅度不大時(shí)，我們可以近似看作定常系統(tǒng)。不大時(shí)，我們可以近似看作定常系統(tǒng)。83.3.單變量系統(tǒng)和多變量系統(tǒng)單變量系統(tǒng)和多變量系統(tǒng) 單變量系統(tǒng)是說(shuō)系統(tǒng)

5、只有一個(gè)輸入和一個(gè)輸出，又稱單變量系統(tǒng)是說(shuō)系統(tǒng)只有一個(gè)輸入和一個(gè)輸出，又稱為為“單輸入單輸出系統(tǒng)單輸入單輸出系統(tǒng) ” ”；多變量系統(tǒng)則指輸入或輸；多變量系統(tǒng)則指輸入或輸出不止一個(gè)，也叫出不止一個(gè)，也叫“多輸入多輸出系統(tǒng)多輸入多輸出系統(tǒng)” ” 。 4.4.連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)和離散時(shí)間系統(tǒng)連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)和離散時(shí)間系統(tǒng) 連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)是指系統(tǒng)中的所有變量均為時(shí)間的連續(xù)連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)是指系統(tǒng)中的所有變量均為時(shí)間的連續(xù)函數(shù)（連續(xù)信號(hào)）；離散時(shí)間系統(tǒng)則主要指包含計(jì)算機(jī)函數(shù)（連續(xù)信號(hào)）；離散時(shí)間系統(tǒng)則主要指包含計(jì)算機(jī)等數(shù)字設(shè)備的系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)的輸入輸出數(shù)據(jù)都是離散信等數(shù)字設(shè)備的系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)的輸入輸出數(shù)據(jù)都是離散信號(hào)，但計(jì)

6、算機(jī)操縱的機(jī)器或設(shè)備（受控對(duì)象）一般屬于號(hào)，但計(jì)算機(jī)操縱的機(jī)器或設(shè)備（受控對(duì)象）一般屬于連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)。連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)。 90t t離散信號(hào)離散信號(hào)0t t連續(xù)信號(hào)連續(xù)信號(hào)A/DD/A數(shù)字?jǐn)?shù)字控制器控制器受控受控對(duì)象對(duì)象檢測(cè)裝置檢測(cè)裝置計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)r(t)e(t)u(t) y(t)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)原理圖計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)原理圖10第一代控制理論經(jīng)典控制理論自動(dòng)化系統(tǒng)處理的受控對(duì)象是最簡(jiǎn)單的一類系統(tǒng)，即單輸自動(dòng)化系統(tǒng)處理的受控對(duì)象是最簡(jiǎn)單的一類系統(tǒng)，即單輸入單輸出線性定常系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的描述一般采用微分入單輸出線性定常系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的描述一般采用微分方程（針對(duì)連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)）或差分方程（針對(duì)離散時(shí)間系方

7、程（針對(duì)連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)）或差分方程（針對(duì)離散時(shí)間系統(tǒng)）；統(tǒng)）；采用的控制器結(jié)構(gòu)一般很簡(jiǎn)單（如采用的控制器結(jié)構(gòu)一般很簡(jiǎn)單（如PIDPID控制），需要設(shè)置和控制），需要設(shè)置和調(diào)整的參數(shù)很少，是以簡(jiǎn)單的控制結(jié)構(gòu)來(lái)獲取相對(duì)滿意的調(diào)整的參數(shù)很少，是以簡(jiǎn)單的控制結(jié)構(gòu)來(lái)獲取相對(duì)滿意的控制性能?？刂菩阅?。11自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析方法由前面討論可知：由前面討論可知：1.1.畫(huà)出自動(dòng)控制系統(tǒng)框圖畫(huà)出自動(dòng)控制系統(tǒng)框圖2.2.對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)（元件）的輸入輸出特性進(jìn)行分析對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)（元件）的輸入輸出特性進(jìn)行分析3.3.建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型4.4.在此基礎(chǔ)上，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行理論研究和分析在此基礎(chǔ)上，對(duì)自動(dòng)控制

8、系統(tǒng)進(jìn)行理論研究和分析自動(dòng)化控制的要求：自動(dòng)化控制的要求：穩(wěn)定性穩(wěn)定性_ _系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)受到擾動(dòng)時(shí)恢復(fù)平衡狀態(tài)能力系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)受到擾動(dòng)時(shí)恢復(fù)平衡狀態(tài)能力準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性_ _穩(wěn)態(tài)時(shí)，系統(tǒng)輸出期望值與實(shí)際輸出值之差穩(wěn)態(tài)時(shí)，系統(tǒng)輸出期望值與實(shí)際輸出值之差快速性快速性_ _反映控制過(guò)程的持續(xù)時(shí)間反映控制過(guò)程的持續(xù)時(shí)間12數(shù)學(xué)基礎(chǔ)主要是以微積分為主要內(nèi)容的高等數(shù)學(xué)、面向工數(shù)學(xué)基礎(chǔ)主要是以微積分為主要內(nèi)容的高等數(shù)學(xué)、面向工程應(yīng)用的復(fù)變函數(shù)和積分變換。程應(yīng)用的復(fù)變函數(shù)和積分變換。由于直接針對(duì)這樣的時(shí)間域方程進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)比較困難，由于直接針對(duì)這樣的時(shí)間域方程進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)比較困難，所以通常要先變換為復(fù)

9、數(shù)域的代數(shù)方程或頻率特性的形式。所以通常要先變換為復(fù)數(shù)域的代數(shù)方程或頻率特性的形式。分析和設(shè)計(jì)主要通過(guò)作圖，直觀簡(jiǎn)便，物理概念清楚，參分析和設(shè)計(jì)主要通過(guò)作圖，直觀簡(jiǎn)便，物理概念清楚，參數(shù)調(diào)整的方針明確，最具代表性、實(shí)際應(yīng)用最多的是數(shù)調(diào)整的方針明確，最具代表性、實(shí)際應(yīng)用最多的是“頻頻率分析法率分析法”，即根據(jù)頻率響應(yīng)特性分析反饋系統(tǒng)的性能；，即根據(jù)頻率響應(yīng)特性分析反饋系統(tǒng)的性能；主要缺點(diǎn)是只能用于主要缺點(diǎn)是只能用于單輸入單輸出線性定常單輸入單輸出線性定常系統(tǒng)，設(shè)計(jì)過(guò)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)過(guò)程需要多次嘗試，設(shè)計(jì)結(jié)果不具備最優(yōu)性；程需要多次嘗試，設(shè)計(jì)結(jié)果不具備最優(yōu)性； 13PID控制的優(yōu)、缺點(diǎn) PIDPID控制

10、簡(jiǎn)單實(shí)用，工作原理簡(jiǎn)單，物理意義清楚，一線的控制簡(jiǎn)單實(shí)用，工作原理簡(jiǎn)單，物理意義清楚，一線的工程師很容易理解和接受。工程師很容易理解和接受。PIDPID控制的設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)參數(shù)少，且調(diào)整方針明確?？刂频脑O(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)參數(shù)少，且調(diào)整方針明確。幾個(gè)？幾個(gè)？PIDPID控制是一種通用控制方式，廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合，且不控制是一種通用控制方式，廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合，且不斷改進(jìn)和完善，如偏差小到一定程度才投入積分作用的斷改進(jìn)和完善，如偏差小到一定程度才投入積分作用的“積分分離積分分離” ” 控制、能自動(dòng)計(jì)算控制參數(shù)的參數(shù)自整定控制、能自動(dòng)計(jì)算控制參數(shù)的參數(shù)自整定PIDPID控制、能隨時(shí)根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)調(diào)整控制參數(shù)的自適

11、應(yīng)或智控制、能隨時(shí)根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)調(diào)整控制參數(shù)的自適應(yīng)或智能型能型PIDPID控制等。控制等。PIDPID控制是以簡(jiǎn)單的控制結(jié)構(gòu)來(lái)獲得相對(duì)滿意的控制性能，控制是以簡(jiǎn)單的控制結(jié)構(gòu)來(lái)獲得相對(duì)滿意的控制性能，控制效果有限，且對(duì)時(shí)變、大時(shí)滯、多變量系統(tǒng)等常常無(wú)控制效果有限，且對(duì)時(shí)變、大時(shí)滯、多變量系統(tǒng)等常常無(wú)能為力。能為力。 14PID控制的結(jié)構(gòu)比例作用比例作用誤差誤差e e積分作用積分作用微分作用微分作用控制量控制量u u 比例、積分、微分作用可根據(jù)需要進(jìn)行不同組合，比例、積分、微分作用可根據(jù)需要進(jìn)行不同組合，如如 P P控制、控制、PIPI控制、控制、PDPD控制、控制、PIDPID控制?？刂?。tID

12、PdtteKdttdeKteKtu0)()()()(153. 最優(yōu)控制例如：對(duì)于經(jīng)常需要啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)、停止的大型電力拖動(dòng)的例如：對(duì)于經(jīng)常需要啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)、停止的大型電力拖動(dòng)的卷?yè)P(yáng)機(jī)、軋鋼機(jī)來(lái)說(shuō)，希望電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)、停止所需卷?yè)P(yáng)機(jī)、軋鋼機(jī)來(lái)說(shuō)，希望電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)、停止所需的時(shí)間越短越好。的時(shí)間越短越好。例如：發(fā)酵工業(yè)的過(guò)程控制中，選擇適當(dāng)?shù)臏囟瓤刂埔?guī)律例如：發(fā)酵工業(yè)的過(guò)程控制中，選擇適當(dāng)?shù)臏囟瓤刂埔?guī)律和原料配比使化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的產(chǎn)量最多。和原料配比使化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的產(chǎn)量最多。最優(yōu)控制器的設(shè)計(jì)理論上是求在各種限制條件下的求最值最優(yōu)控制器的設(shè)計(jì)理論上是求在各種限制條件下的求最值（極值）問(wèn)題。（極值）問(wèn)題

13、。163. 最優(yōu)控制最優(yōu)控制也有開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種：最優(yōu)控制也有開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種：在開(kāi)環(huán)最優(yōu)控制中，控制信號(hào)與被控制系統(tǒng)的狀態(tài)無(wú)關(guān)的在開(kāi)環(huán)最優(yōu)控制中，控制信號(hào)與被控制系統(tǒng)的狀態(tài)無(wú)關(guān)的時(shí)間函數(shù)。時(shí)間函數(shù)。在閉環(huán)最優(yōu)控制中，控制信號(hào)則與被控系統(tǒng)的狀態(tài)有關(guān)，在閉環(huán)最優(yōu)控制中，控制信號(hào)則與被控系統(tǒng)的狀態(tài)有關(guān)，是被控系統(tǒng)的狀態(tài)的函數(shù)。是被控系統(tǒng)的狀態(tài)的函數(shù)。174.自適應(yīng)控制（Adaptive Control）指控制器能自動(dòng)適應(yīng)各種情況的變化，包括受控系統(tǒng)特指控制器能自動(dòng)適應(yīng)各種情況的變化，包括受控系統(tǒng)特性的變化、工況的變化、所處環(huán)境的變化、擾動(dòng)的變化性的變化、工況的變化、所處環(huán)境的變化、擾動(dòng)的變化等；等；如

14、何來(lái)自動(dòng)適應(yīng)這些變化呢？首先需要獲取系統(tǒng)工作狀如何來(lái)自動(dòng)適應(yīng)這些變化呢？首先需要獲取系統(tǒng)工作狀態(tài)的相關(guān)變化信息，然后根據(jù)這些信息去調(diào)整控制結(jié)構(gòu)態(tài)的相關(guān)變化信息，然后根據(jù)這些信息去調(diào)整控制結(jié)構(gòu)和控制參數(shù)，以保證系統(tǒng)始終工作正常；和控制參數(shù)，以保證系統(tǒng)始終工作正常；始于上世紀(jì)始于上世紀(jì)5050年代，但一直是研究熱點(diǎn)，屬于年代，但一直是研究熱點(diǎn)，屬于“以變應(yīng)以變應(yīng)變變”，理念很先進(jìn)。，理念很先進(jìn)。 184.自適應(yīng)控制（Adaptive Control）19自適應(yīng)控制的基本特征：能夠辨識(shí)對(duì)象參數(shù)及環(huán)境的變化；能夠辨識(shí)對(duì)象參數(shù)及環(huán)境的變化；能自動(dòng)判斷和評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能好壞；能自動(dòng)判斷和評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能好壞；能自

15、動(dòng)調(diào)整控制策略或控制器參數(shù)。能自動(dòng)調(diào)整控制策略或控制器參數(shù)。自適應(yīng)控制的基本結(jié)構(gòu)自適應(yīng)控制的基本結(jié)構(gòu)控制器控制器 受控對(duì)象受控對(duì)象控制器參數(shù)控制器參數(shù)的計(jì)算調(diào)整的計(jì)算調(diào)整參數(shù)估計(jì)參數(shù)估計(jì)或性能評(píng)價(jià)或性能評(píng)價(jià)給定輸入給定輸入誤差誤差輸出輸出控制量控制量檢測(cè)檢測(cè) 20自適應(yīng)控制常見(jiàn)的三種類型：增益預(yù)調(diào)控制（增益預(yù)調(diào)控制（Gain scheduling controlGain scheduling control）查詢表事先計(jì)算好，早期只調(diào)控制器增益。查詢表事先計(jì)算好，早期只調(diào)控制器增益。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): : 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, , 調(diào)節(jié)快速。調(diào)節(jié)快速。 ( ( 最早用于飛行控制，適應(yīng)高度、速度變化）最早

16、用于飛行控制，適應(yīng)高度、速度變化）控制器控制器 受控對(duì)象受控對(duì)象控制器參數(shù)控制器參數(shù)查詢表查詢表給定輸入給定輸入誤差誤差輸出輸出控制量控制量檢測(cè)檢測(cè) 工作狀態(tài)參數(shù)工作狀態(tài)參數(shù)21 自校正控制（Self-tuning control）參數(shù)估計(jì)參數(shù)估計(jì): : 由輸入輸出數(shù)據(jù)辨識(shí)對(duì)象參數(shù)由輸入輸出數(shù)據(jù)辨識(shí)對(duì)象參數(shù)控制器計(jì)算控制器計(jì)算: : 根據(jù)對(duì)象參數(shù)實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)控制器，有多種現(xiàn)成方法根據(jù)對(duì)象參數(shù)實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)控制器，有多種現(xiàn)成方法 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): : 分析、設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)都比較容易分析、設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)都比較容易缺點(diǎn)缺點(diǎn): :參數(shù)估計(jì)比較費(fèi)時(shí)，自適應(yīng)速度較慢，對(duì)象參數(shù)變化參數(shù)估計(jì)比較費(fèi)時(shí)，自適應(yīng)速度較慢，對(duì)象參數(shù)變化快時(shí)

17、，參數(shù)估計(jì)跟不上。快時(shí)，參數(shù)估計(jì)跟不上。應(yīng)用：各類生產(chǎn)過(guò)程應(yīng)用：各類生產(chǎn)過(guò)程控制器控制器 受控對(duì)象受控對(duì)象控制器參數(shù)控制器參數(shù)計(jì)算調(diào)整計(jì)算調(diào)整參數(shù)辯識(shí)估計(jì)參數(shù)辯識(shí)估計(jì)給定輸入給定輸入誤差誤差輸出輸出控制量控制量檢測(cè)檢測(cè) 22 自校正控制（Self-tuning control）自校正控制是以一個(gè)辨識(shí)器來(lái)代替自適應(yīng)控制器。自校正控制是以一個(gè)辨識(shí)器來(lái)代替自適應(yīng)控制器。智能電壓測(cè)量智能電壓測(cè)量23例：BB探針探針AA投料機(jī)投料機(jī)目標(biāo)目標(biāo)工作池液位穩(wěn)工作池液位穩(wěn)定定控制控制投料間隙時(shí)間投料間隙時(shí)間繼電器、繼電器、PIDPID、自校正、自校正控制比較控制比較24 模型參考自適應(yīng)控制 （Model ref

18、erence adaptive control）目標(biāo)：調(diào)整目標(biāo)：調(diào)整 控制器，使輸出誤差最小控制器，使輸出誤差最小優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 無(wú)須參數(shù)辨識(shí)無(wú)須參數(shù)辨識(shí), 自適應(yīng)速度快，常用于隨動(dòng)系統(tǒng)自適應(yīng)速度快，常用于隨動(dòng)系統(tǒng)缺點(diǎn)：性能分析比較困難，設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，且缺乏統(tǒng)一方法缺點(diǎn)：性能分析比較困難，設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，且缺乏統(tǒng)一方法25智能控制智能控制4.1 4.1 智能控制的基本概念智能控制的基本概念4.2 4.2 專家控制（專家控制（Expert ControlExpert Control）4.3 4.3 模糊控制（模糊控制（Fuzzy ControlFuzzy Control）4.44.4神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制（神經(jīng)

19、網(wǎng)絡(luò)控制（Neural Network ControlNeural Network Control）4.5 4.5 對(duì)智能控制的一些展望對(duì)智能控制的一些展望261 1 智能控制的基本概念什么是什么是“智能智能”? ? 什么是什么是“智能控制智能控制”？許多復(fù)雜的被控對(duì)象難以建立有效的數(shù)學(xué)模型和采用常規(guī)許多復(fù)雜的被控對(duì)象難以建立有效的數(shù)學(xué)模型和采用常規(guī)的控制方法去進(jìn)行定量計(jì)算和分析。的控制方法去進(jìn)行定量計(jì)算和分析。模仿人的智能模仿人的智能人的智能表現(xiàn)在其所具有的記憶、學(xué)習(xí)、模仿、適應(yīng)、聯(lián)人的智能表現(xiàn)在其所具有的記憶、學(xué)習(xí)、模仿、適應(yīng)、聯(lián)想、語(yǔ)言表達(dá)、文字識(shí)別、邏輯推理、歸納總結(jié)、綜合決想、語(yǔ)言表

20、達(dá)、文字識(shí)別、邏輯推理、歸納總結(jié)、綜合決策等各種能力。策等各種能力。當(dāng)自動(dòng)控制方式明顯地具有這些智能特征時(shí)，就稱其為當(dāng)自動(dòng)控制方式明顯地具有這些智能特征時(shí)，就稱其為“智能控制智能控制”（Intelligent control Intelligent control ）。）。 27人與智能控制 人本身就是一個(gè)非常完美的智能控制系統(tǒng)，人腦及神人本身就是一個(gè)非常完美的智能控制系統(tǒng)，人腦及神經(jīng)系統(tǒng)相當(dāng)于智能控制器，對(duì)通過(guò)感官獲取的各種信息進(jìn)經(jīng)系統(tǒng)相當(dāng)于智能控制器，對(duì)通過(guò)感官獲取的各種信息進(jìn)行綜合分析、處理和決策，并利用手和腳等執(zhí)行機(jī)構(gòu)作出行綜合分析、處理和決策，并利用手和腳等執(zhí)行機(jī)構(gòu)作出相應(yīng)的反應(yīng)，能

21、適應(yīng)各種復(fù)雜的控制環(huán)境，完成難度很大相應(yīng)的反應(yīng)，能適應(yīng)各種復(fù)雜的控制環(huán)境，完成難度很大的任務(wù)。的任務(wù)。 28傳統(tǒng)自動(dòng)控制與智能控制 廣義地講，幾乎所有的自動(dòng)控制系統(tǒng)都在一定程度上廣義地講，幾乎所有的自動(dòng)控制系統(tǒng)都在一定程度上模仿了人的控制方式，或多或少地具有模仿了人的控制方式，或多或少地具有“智能智能”，但是今，但是今天我們所講的天我們所講的“智能控制智能控制”仍然有別于傳統(tǒng)的自動(dòng)控制方仍然有別于傳統(tǒng)的自動(dòng)控制方式，兩者雖無(wú)明確的界限，但存在明顯的區(qū)別。式，兩者雖無(wú)明確的界限，但存在明顯的區(qū)別。 傳統(tǒng)的自動(dòng)控制是基于數(shù)學(xué)模型、以定量分析為主；傳統(tǒng)的自動(dòng)控制是基于數(shù)學(xué)模型、以定量分析為主；而智能

22、控制則更多地基于知識(shí)，利用專家經(jīng)驗(yàn)、邏輯推理、而智能控制則更多地基于知識(shí)，利用專家經(jīng)驗(yàn)、邏輯推理、學(xué)習(xí)功能、遺傳和進(jìn)化機(jī)制等來(lái)進(jìn)行控制，是以定性分析學(xué)習(xí)功能、遺傳和進(jìn)化機(jī)制等來(lái)進(jìn)行控制，是以定性分析為主、定量與定性相結(jié)合的控制方式為主、定量與定性相結(jié)合的控制方式。 29智能控制的主要特點(diǎn)體現(xiàn)了體現(xiàn)了人的控制策略和控制思想人的控制策略和控制思想，擁有受控對(duì)象及環(huán)境的相，擁有受控對(duì)象及環(huán)境的相關(guān)知識(shí)以及運(yùn)用這些知識(shí)的能力，具有很強(qiáng)的自適應(yīng)、自學(xué)關(guān)知識(shí)以及運(yùn)用這些知識(shí)的能力，具有很強(qiáng)的自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自組織和自協(xié)調(diào)能力、能在復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行綜合分析、習(xí)、自組織和自協(xié)調(diào)能力、能在復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行綜合分析、

23、判斷和決策，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的控制。判斷和決策，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的控制。屬于典型的交叉學(xué)科，涉及人工智能、屬于典型的交叉學(xué)科，涉及人工智能、自動(dòng)控制、運(yùn)籌學(xué)、系統(tǒng)論、信息論自動(dòng)控制、運(yùn)籌學(xué)、系統(tǒng)論、信息論等，在系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)上則必須依托等，在系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)上則必須依托計(jì)算計(jì)算機(jī)技術(shù)機(jī)技術(shù)。基本上屬于基本上屬于“方法方法”范疇，理論分析范疇，理論分析困難，理論體系尚未建立。困難，理論體系尚未建立。30萌芽期（萌芽期（6060年代）年代）形成期（形成期（7070年代）年代）發(fā)展期（發(fā)展期（8080年代）年代）高潮期（高潮期（9090年代至今）年代至今）智能控制的發(fā)展階段：31智能控制系統(tǒng)適用于多變量輸入輸出系

24、統(tǒng)多變量輸入輸出系統(tǒng)現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論各種信息的綜合處理各種信息的綜合處理網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)非線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)32智能控制的主要類型從控制處理角度l專家控制專家控制l模糊控制模糊控制l神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制l學(xué)習(xí)控制學(xué)習(xí)控制l基于規(guī)則的仿人控制基于規(guī)則的仿人控制33什么是專家系統(tǒng)、專家控制什么是專家系統(tǒng)、專家控制? ?2.2.專家控制（Expert ControlExpert Control） “專家專家” ” 是具有某一領(lǐng)域?qū)ｉT(mén)知識(shí)或豐富實(shí)踐是具有某一領(lǐng)域?qū)ｉT(mén)知識(shí)或豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的人，而經(jīng)驗(yàn)的人，而“專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)”則是一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，則是一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，存儲(chǔ)有專家的知識(shí)

25、和經(jīng)驗(yàn)，并用推理的方式針對(duì)問(wèn)存儲(chǔ)有專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，并用推理的方式針對(duì)問(wèn)題給出結(jié)論。題給出結(jié)論。 “ “專家控制專家控制”是將專家或現(xiàn)是將專家或現(xiàn)場(chǎng)操作人員的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)場(chǎng)操作人員的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)成知識(shí)庫(kù)，形成很多條規(guī)則，成知識(shí)庫(kù)，形成很多條規(guī)則，并利用計(jì)算機(jī)、通過(guò)推理來(lái)實(shí)并利用計(jì)算機(jī)、通過(guò)推理來(lái)實(shí)施控制。施控制。 34專家系統(tǒng)、專家控制的產(chǎn)生及發(fā)展l專家系統(tǒng)是人工智能的重要內(nèi)容，由美國(guó)斯坦福大學(xué)專家系統(tǒng)是人工智能的重要內(nèi)容，由美國(guó)斯坦福大學(xué)19651965年提出，最初用于化學(xué)質(zhì)譜分析，后廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)年提出，最初用于化學(xué)質(zhì)譜分析，后廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、教育等領(lǐng)域。業(yè)、醫(yī)療、教育

26、等領(lǐng)域。l瑞典的瑞典的strstrm m于于19831983年首次將專家系統(tǒng)用于常規(guī)控制器年首次將專家系統(tǒng)用于常規(guī)控制器參數(shù)的自動(dòng)整定，并于參數(shù)的自動(dòng)整定，并于19841984年正式提出了專家控制的概念，年正式提出了專家控制的概念，目前已成功應(yīng)用于機(jī)器人控制、飛機(jī)的操縱控制、故障診目前已成功應(yīng)用于機(jī)器人控制、飛機(jī)的操縱控制、故障診斷、各種工業(yè)過(guò)程控制等斷、各種工業(yè)過(guò)程控制等 。 35常見(jiàn)的兩類專家控制系統(tǒng)l直接型專家控制直接型專家控制用于取代常規(guī)的控制器，用于取代常規(guī)的控制器，直接控制受控對(duì)象或生產(chǎn)直接控制受控對(duì)象或生產(chǎn)過(guò)程。過(guò)程。l間接型專家控制間接型專家控制l和常規(guī)控制器相結(jié)合，和常規(guī)控制

27、器相結(jié)合，組成對(duì)受控對(duì)象或生產(chǎn)組成對(duì)受控對(duì)象或生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行間接控制的智過(guò)程進(jìn)行間接控制的智能控制系能控制系統(tǒng)，通常利用統(tǒng)，通常利用偏差和偏差變化率來(lái)調(diào)偏差和偏差變化率來(lái)調(diào)節(jié)常規(guī)控制器的參數(shù)。節(jié)常規(guī)控制器的參數(shù)。專家控制器專家控制器受控對(duì)象受控對(duì)象檢測(cè)檢測(cè)常規(guī)控制器常規(guī)控制器受控對(duì)象受控對(duì)象檢測(cè)檢測(cè)專家控制器專家控制器36關(guān)于專家控制的幾點(diǎn)說(shuō)明l專家控制要求不斷地根據(jù)反饋信息迅速作出決策，對(duì)實(shí)時(shí)專家控制要求不斷地根據(jù)反饋信息迅速作出決策，對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高，因此專家控制器的結(jié)構(gòu)一般比專家系統(tǒng)簡(jiǎn)單，性要求很高，因此專家控制器的結(jié)構(gòu)一般比專家系統(tǒng)簡(jiǎn)單，其核心是知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)構(gòu)。其核心是知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)構(gòu)

28、。l知識(shí)庫(kù)所存儲(chǔ)的知識(shí)既可以是定性的，也可以是定量的，知識(shí)庫(kù)所存儲(chǔ)的知識(shí)既可以是定性的，也可以是定量的，并可以利用知識(shí)獲取系統(tǒng)隨時(shí)對(duì)知識(shí)進(jìn)行補(bǔ)充、修改和更并可以利用知識(shí)獲取系統(tǒng)隨時(shí)對(duì)知識(shí)進(jìn)行補(bǔ)充、修改和更新；因此，專家控制比常規(guī)控制更加靈活，對(duì)復(fù)雜環(huán)境的新；因此，專家控制比常規(guī)控制更加靈活，對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力更強(qiáng)。適應(yīng)能力更強(qiáng)。l如何簡(jiǎn)便有效地獲取專家知識(shí)、如何在控制過(guò)程中自動(dòng)修如何簡(jiǎn)便有效地獲取專家知識(shí)、如何在控制過(guò)程中自動(dòng)修改、更新和擴(kuò)充知識(shí)，并滿足實(shí)時(shí)控制的快速性需求是非改、更新和擴(kuò)充知識(shí)，并滿足實(shí)時(shí)控制的快速性需求是非常關(guān)鍵的。常關(guān)鍵的。 373 3 模糊控制（Fuzzy Contr

29、ol）和專家控制一樣，模糊控制也要建立專家的經(jīng)驗(yàn)和決策行和專家控制一樣，模糊控制也要建立專家的經(jīng)驗(yàn)和決策行為的模型，不同的是這里采用模糊知識(shí)表示和模糊推理方為的模型，不同的是這里采用模糊知識(shí)表示和模糊推理方法法輸出一個(gè)精確的控制。輸出一個(gè)精確的控制。38u9090年代模糊邏輯及其應(yīng)用形成高潮，應(yīng)用范圍包括工業(yè)控年代模糊邏輯及其應(yīng)用形成高潮，應(yīng)用范圍包括工業(yè)控制、地鐵、電梯、交通、汽車(chē)、空間飛行器、機(jī)器人、核制、地鐵、電梯、交通、汽車(chē)、空間飛行器、機(jī)器人、核反應(yīng)堆、圖象識(shí)別、故障診斷、污水處理、數(shù)據(jù)壓縮、移反應(yīng)堆、圖象識(shí)別、故障診斷、污水處理、數(shù)據(jù)壓縮、移動(dòng)通信、財(cái)政金融等動(dòng)通信、財(cái)政金融等 模

30、糊控制的發(fā)展：模糊控制的發(fā)展：u19651965年美國(guó)的年美國(guó)的ZadehZadeh提出模糊集合理論提出模糊集合理論; ;模糊數(shù)學(xué)模糊數(shù)學(xué)u19741974年英國(guó)的年英國(guó)的MamdaniMamdani首次將模糊理論應(yīng)用于蒸汽機(jī)控制首次將模糊理論應(yīng)用于蒸汽機(jī)控制; ;u19851985年年AT&TAT&T貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出第一個(gè)模糊邏輯芯片貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出第一個(gè)模糊邏輯芯片; ; u8080年代末日本將模糊控制廣泛應(yīng)用于家用電器（洗衣機(jī)、空年代末日本將模糊控制廣泛應(yīng)用于家用電器（洗衣機(jī)、空調(diào)、吸塵器、電冰箱、電飯煲、微波爐、照相機(jī)等），促進(jìn)調(diào)、吸塵器、電冰箱、電飯煲、微波爐、照相機(jī)

31、等），促進(jìn)了模糊控制的推廣和應(yīng)用了模糊控制的推廣和應(yīng)用; ;394 4 神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制 （Neural Network Control） 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是基于人腦神經(jīng)組織的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)模擬人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是基于人腦神經(jīng)組織的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)模擬人腦的功能進(jìn)行控制。的功能進(jìn)行控制。但現(xiàn)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要目的是利用其所具有的強(qiáng)大學(xué)習(xí)功能。但現(xiàn)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要目的是利用其所具有的強(qiáng)大學(xué)習(xí)功能。404 4 神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制 （Neural Network Control） 人工神經(jīng)元及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和發(fā)展：人工神經(jīng)元及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和發(fā)展：u19431943年提出神經(jīng)元模型年提出神經(jīng)元模型u19491949年年 Heb

32、b Hebb 提出神經(jīng)元學(xué)習(xí)規(guī)則（提出神經(jīng)元學(xué)習(xí)規(guī)則（HebbHebb學(xué)習(xí)規(guī)則）學(xué)習(xí)規(guī)則）u1 9 5 81 9 5 8 年 提 出 基 于 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 的 感 知 器 模 型年 提 出 基 于 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 的 感 知 器 模 型 （模擬人腦的感知和學(xué)習(xí)能力）（模擬人腦的感知和學(xué)習(xí)能力）u 難點(diǎn)：缺乏簡(jiǎn)單有效的學(xué)習(xí)方法難點(diǎn)：缺乏簡(jiǎn)單有效的學(xué)習(xí)方法41u19861986年提出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的反向傳播學(xué)習(xí)方法（簡(jiǎn)稱年提出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的反向傳播學(xué)習(xí)方法（簡(jiǎn)稱 BP BP 算算法，法，Back Propagation Back Propagation ） 注注 ，證明了，證明了BPBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能

33、能無(wú)限逼近任意輸入輸出函數(shù)無(wú)限逼近任意輸入輸出函數(shù)u9090年代神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究達(dá)到高潮，并成功應(yīng)用于自動(dòng)控年代神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究達(dá)到高潮，并成功應(yīng)用于自動(dòng)控制、人工智能、信息處理、機(jī)器人、機(jī)械制造等很多領(lǐng)制、人工智能、信息處理、機(jī)器人、機(jī)械制造等很多領(lǐng)域。域。注：注：19741974年哈佛大學(xué)的博士生年哈佛大學(xué)的博士生WerbosWerbos就已提出，但未引起注意就已提出，但未引起注意42討論：針對(duì)不同的控制系統(tǒng)和控制要求，輸入量、權(quán)重、輸出函針對(duì)不同的控制系統(tǒng)和控制要求，輸入量、權(quán)重、輸出函數(shù)都需要研究和設(shè)計(jì)。數(shù)都需要研究和設(shè)計(jì)。模仿人的神經(jīng)：模仿人的神經(jīng)：例如：當(dāng)一個(gè)地方有火的時(shí)候：例如：當(dāng)一

34、個(gè)地方有火的時(shí)候：人有各種感覺(jué)（輸入）給神經(jīng)元：觸人有各種感覺(jué)（輸入）給神經(jīng)元：觸溫度（熱）、聞溫度（熱）、聞- -有有糊味、看、聽(tīng)等糊味、看、聽(tīng)等神經(jīng)元判斷：是正常在燒菜，還是著神經(jīng)元判斷：是正常在燒菜，還是著火了，還是什么情況火了，還是什么情況人的神經(jīng)元也需要學(xué)習(xí)，然后做出什么動(dòng)作：叫，報(bào)警，人的神經(jīng)元也需要學(xué)習(xí)，然后做出什么動(dòng)作：叫，報(bào)警，躲開(kāi)，等等躲開(kāi)，等等43神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)：l通過(guò)學(xué)習(xí)，可以無(wú)限逼近任意的輸入輸出函數(shù)；通過(guò)學(xué)習(xí)，可以無(wú)限逼近任意的輸入輸出函數(shù)；l具有歸納或泛化能力（經(jīng)樣本訓(xùn)練后，輸入不屬于樣本具有歸納或泛化能力（經(jīng)樣本訓(xùn)練后，輸入不屬于樣本集時(shí)也能產(chǎn)生合適的輸出）；集

35、時(shí)也能產(chǎn)生合適的輸出）；l并行計(jì)算（速度快），分布存儲(chǔ)（容錯(cuò)性好）；并行計(jì)算（速度快），分布存儲(chǔ)（容錯(cuò)性好）；l學(xué)習(xí)過(guò)程收斂較慢（較費(fèi)時(shí)），實(shí)時(shí)應(yīng)用性差；學(xué)習(xí)過(guò)程收斂較慢（較費(fèi)時(shí)），實(shí)時(shí)應(yīng)用性差； l如何確定網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)及每一層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)尚無(wú)明確的如何確定網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)及每一層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)尚無(wú)明確的方法。方法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)：神經(jīng)元芯片神經(jīng)元芯片 計(jì)算機(jī)軟件模擬計(jì)算機(jī)軟件模擬44四、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用典型應(yīng)用領(lǐng)域：典型應(yīng)用領(lǐng)域：l各類控制與優(yōu)化問(wèn)題各類控制與優(yōu)化問(wèn)題l系統(tǒng)辨識(shí)系統(tǒng)辨識(shí)l故障診斷故障診斷l(xiāng)容錯(cuò)技術(shù)容錯(cuò)技術(shù)l信號(hào)處理信號(hào)處理l模式識(shí)別模式識(shí)別l文字識(shí)別文字識(shí)別l專家系統(tǒng)等專

36、家系統(tǒng)等神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于系統(tǒng)辨識(shí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于系統(tǒng)辨識(shí)與控制的優(yōu)點(diǎn)：與控制的優(yōu)點(diǎn)：l無(wú)須數(shù)學(xué)建模，只需在線無(wú)須數(shù)學(xué)建模，只需在線或離線學(xué)習(xí)訓(xùn)練或離線學(xué)習(xí)訓(xùn)練l同時(shí)適用于線性和非線性同時(shí)適用于線性和非線性系統(tǒng)系統(tǒng)l具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和魯棒具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和魯棒性性l容易和其他控制方式結(jié)合容易和其他控制方式結(jié)合45 專家控制NN控制器控制器受控對(duì)象受控對(duì)象檢測(cè)裝置檢測(cè)裝置給定給定輸入輸入反饋信號(hào)反饋信號(hào)控制量控制量誤差誤差輸出輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 在專家或操作人員能夠很好地進(jìn)行控制的情況在專家或操作人員能夠很好地進(jìn)行控制的情況下，為了把人解放出來(lái)，可以用一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控下，為了把人解放出來(lái)，可以用一個(gè)神

37、經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器去模仿人的控制行為，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)制器去模仿人的控制行為，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)學(xué)習(xí)和通過(guò)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練訓(xùn)練就可以逼近操作人員的控制模式。就可以逼近操作人員的控制模式。 46討論：當(dāng)控制行為難以表達(dá)為知識(shí)，規(guī)則，公式時(shí)，采用神經(jīng)網(wǎng)當(dāng)控制行為難以表達(dá)為知識(shí)，規(guī)則，公式時(shí)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器（絡(luò)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器（Neural Network Control)Neural Network Control)。這里的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器需要學(xué)習(xí)（訓(xùn)練）。這里的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器需要學(xué)習(xí)（訓(xùn)練）。針對(duì)特定的控制系統(tǒng)、控制要求進(jìn)行訓(xùn)練，針對(duì)特定的控制系統(tǒng)、控制要求進(jìn)行訓(xùn)練，NNNN控制器效果控制器效果比較好。比較好。475 對(duì)智能控制的一些展望 l各種智能控制方法各有利弊，因此可以將不同的智能控制各種智能控制方法各有利弊，因此可以將不同的智能控制方法有機(jī)結(jié)合在一起，取長(zhǎng)補(bǔ)短，如模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、方法有機(jī)結(jié)合在一起，取長(zhǎng)補(bǔ)短，如模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、基于遺傳算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、基于專家系統(tǒng)的專家模糊基于遺傳算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、基于專家系統(tǒng)的專家模糊控制等?？刂频取智能控制是傳統(tǒng)控制方法的延伸和發(fā)展，是自動(dòng)控制發(fā)展智能控制是傳統(tǒng)控制方法的延伸和發(fā)展