第一章：智能控制概論-課件

智能控制概論山東大學控制科學與工程學院智能控制概論山東大學控制科學與工程學院1主要參考書目：1、孫增圻等編著．智能控制理論與技術(shù)．北京：清華大學出版社，20042、楊汝清等編著．智能控制工程．上海：上海交通大學出版社，20013、李少遠、王景成編著．智能控制．北京：機械工業(yè)出版社，20054、張化光、孟祥萍主編．智能控制基礎理論及應用．北京：機械工業(yè)出版社，20055、易繼鍇、候媛彬編著．智能控制技術(shù)．北京：北京工業(yè)大學出版社，2001年主要參考書目：1、孫增圻等編著．智能控制理論與技術(shù)．北京：清2本課程的主要內(nèi)容1.智能控制概論2.模糊邏輯控制3.神經(jīng)網(wǎng)絡控制4.遺傳算法控制5.其它智能控制本課程的主要內(nèi)容1.智能控制概論3第一章智能控制概論目錄自動控制的機遇與挑戰(zhàn)控制科學的歷史回顧傳統(tǒng)控制理論在應用中面臨的難題自動控制面臨的挑戰(zhàn)及其原因“計算機科學面臨工業(yè)控制應用挑戰(zhàn)”的研究計劃智能控制的進展自動化與人工智能智能控制的發(fā)展第一章智能控制概論目錄4什么是智能控制智能控制的定義智能控制與傳統(tǒng)控制的關(guān)系和差別智能控制的結(jié)構(gòu)理論二元結(jié)構(gòu)三元結(jié)構(gòu)智能控制的研究領(lǐng)域智能控制的研究對象智能控制的主要分支智能控制的主要應用領(lǐng)域第一章智能控制概論什么是智能控制第一章智能控制概論51.1自動控制的機遇與挑戰(zhàn)下面介紹現(xiàn)階段自動控制所面臨的機遇和挑戰(zhàn),主要內(nèi)容有:控制科學的歷史回顧傳統(tǒng)控制理論在應用中面臨的難題自動控制面臨的挑戰(zhàn)及其原因“計算機科學面臨工業(yè)控制應用挑戰(zhàn)”的研究計劃1.1自動控制的機遇與挑戰(zhàn)下面介紹現(xiàn)階段自動控制所面臨的機遇61.1.1控制科學發(fā)展的歷史回顧在科學技術(shù)發(fā)展史上,控制科學同其他技術(shù)科學一樣,它的產(chǎn)生與發(fā)展主要由人類的生產(chǎn)發(fā)展需求和人類當時的知識與技術(shù)水平所決定.控制科學的發(fā)展反過來亦促進了人類文明的發(fā)展,尤其是近代工業(yè)文明的發(fā)展.控制科學與工程的歷史可以上溯到古羅馬的亞歷山大運用反饋控制來調(diào)節(jié)水鐘以及中國漢代的指南車.1.1.1控制科學發(fā)展的歷史回顧在科學技術(shù)發(fā)展史上,控制科71.1.1控制科學發(fā)展的歷史回顧傳統(tǒng)控制科學發(fā)展的主要歷史足跡:18世紀英國J.Watt蒸汽機中的飛球調(diào)節(jié)19世紀英國J.K.Maxwell的飛球調(diào)節(jié)穩(wěn)定性研究19世紀的常微分方程穩(wěn)定性理論19世紀末俄國Lyapunov的運動穩(wěn)定性理論19世紀的復變函數(shù)理論19世紀的積分變換及頻譜分析理論Hurwitz,Routh的穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù)20世紀30年代Black,Nyquist,Bode關(guān)于反饋放大器的研究,以及頻域穩(wěn)定性判據(jù)與頻域方法1.1.1控制科學發(fā)展的歷史回顧傳統(tǒng)控制科學發(fā)展的主要歷史81.1.1控制科學發(fā)展的歷史回顧1942年,Harris提出傳遞函數(shù)的概念20世紀40年代Wiener的控制論20世紀50年代錢學森的工程控制論以20世紀50年代的Pontriagin的極大值原理、Kalman的線性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性理論與濾波理論、Bellman的最優(yōu)控制的動態(tài)規(guī)劃方法為基礎的現(xiàn)代控制理論方法20世紀60年代中期的隨機系統(tǒng)理論20世紀60年代興起的數(shù)字控制理論與計算機控制技術(shù)1.1.1控制科學發(fā)展的歷史回顧1942年,Harris提91.1.1控制科學發(fā)展的歷史回顧自適應控制20世紀50年代末的模型參考自適應控制方法、70年代初Astrom的自校正方法為代表的自適應控制方法20世紀60年代末英國學派的多變量頻域理論20世紀70年代英國、法國學派的大系統(tǒng)理論70年代初,以分解和協(xié)調(diào)為基礎,形成了大系統(tǒng)控制理論,用于復雜系統(tǒng)的控制,重要理論有遞階控制理論、分散控制理論等.主要用于資源管理、交通控制、環(huán)境保護等.1.1.1控制科學發(fā)展的歷史回顧自適應控制101.1.1控制科學發(fā)展的歷史回顧以20世紀70年代末Zames的H∞控制方法和80年代的時域結(jié)構(gòu)性魯棒控制方法為代表的魯棒控制方法20世紀70年代末的非線性系統(tǒng)理論的幾何學派和80年代的代數(shù)學派20世紀80年代開始的離散事件系統(tǒng)的分析、控制與綜合Moler利用Matlab軟件環(huán)境進行控制系統(tǒng)分析控制科學的發(fā)展主要遵循對控制對象與環(huán)境的復雜性的處理,如模型描述的復雜性,對象特性和環(huán)境擾動因素的不確定性.可以說,對控制中復雜性的研究和探索是推動控制科學發(fā)展主要動力.1.1.1控制科學發(fā)展的歷史回顧以20世紀70年代末Zam11經(jīng)典控制理論單輸入單輸出反饋系統(tǒng)傳遞函數(shù)波特圖奈奎斯特圖根軌跡圖1.1.1控制科學發(fā)展的歷史回顧經(jīng)典控制理論單輸入傳遞函數(shù)波特圖奈奎斯特圖根軌跡圖1.112現(xiàn)代控制理論具有多個相互耦合回路的多變量系統(tǒng)狀態(tài)空間法最優(yōu)控制能控性和能觀性卡爾曼濾波1.1.1控制科學發(fā)展的歷史回顧現(xiàn)代控制理論具有多個相互耦合回路的多變量系統(tǒng)狀態(tài)空間法最優(yōu)控131.1.1控制科學發(fā)展的歷史回顧從前面討論的控制科學的發(fā)展足跡可以看出:控制科學是一門理論與應用俱重的學科,它的理論基礎來源于幾乎所有現(xiàn)代科學的分支,如數(shù)學\物理\力學\計算機\生命科學\認知科學等其應用領(lǐng)涉及幾乎所有與人類的生產(chǎn)\生活\科學探索\軍事等領(lǐng)域.1.1.1控制科學發(fā)展的歷史回顧從前面討論的控制科學的發(fā)展141.1.1控制科學發(fā)展的歷史回顧下圖很好地對控制科學與其它學科的關(guān)系,其應用領(lǐng)域作了很好地總結(jié).1.1.1控制科學發(fā)展的歷史回顧下圖很好地對控制科學與其它151.1.2傳統(tǒng)控制理論在應用中面臨的難題在控制領(lǐng)域,理論與實際應用存在很大差距,PID在實際應用中仍占統(tǒng)治地位.原因:自動控制學科高度的交叉性、應用的廣泛性;所需數(shù)學工具難以被多數(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、計算機;實際應用情況的復雜性、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.1.1.2傳統(tǒng)控制理論在應用中面臨的難題在控制領(lǐng)域,理論與161.1.2傳統(tǒng)控制理論在應用中面臨的難題隨著復雜系統(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.什么叫復雜系統(tǒng)？其特征表現(xiàn)?這種復雜性主要體現(xiàn)在:控制對象的復雜性模型的不確定性高度非線性龐大的數(shù)據(jù)量和嚴格的性能指標環(huán)境的復雜性變化的不確定性難以辨識1.1.2傳統(tǒng)控制理論在應用中面臨的難題隨著復雜系統(tǒng)的不斷171.1.2傳統(tǒng)控制理論在應用中面臨的難題傳統(tǒng)控制理論在應用中面臨的難題包括:傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的設計與分析是建立在精確的系統(tǒng)數(shù)學模型基礎上的,而實際系統(tǒng)由于存在復雜性、非線性、時變性和不確定性等,一般無法獲得精確的數(shù)學模型.雖然,近年控制理論致力于研究對建模要求較低,對建模誤差具有較好適應性的魯棒控制理論.但魯棒控制對建模誤差的魯棒性僅僅是局部的、小(微)攝動的,而遠非人們所期望的全局的,大范圍的.運用傳統(tǒng)控制理論研究這類系統(tǒng)時,必須提出并遵循一些比較苛刻的假設,而這些假設與實際系統(tǒng)不盡相吻合.1.1.2傳統(tǒng)控制理論在應用中面臨的難題傳統(tǒng)控制理論在應用181.1.2傳統(tǒng)控制理論在應用中面臨的難題由于實際應用情況的復雜性、多變性、不確定性,對于某些復雜的和包含不確定性的對象,根本無法以傳統(tǒng)數(shù)學模型(如常微分方程、差分方程等)來表示,即無法解決建模問題.傳統(tǒng)數(shù)學模型不能反映人的智能過程:推理、分析、學習.丟失許多有用的信息由于嚴格依賴于描述被控對象的數(shù)學模型,而過于復雜的數(shù)學模型將導致求解相應的控制規(guī)律變得十分困難,或者實現(xiàn)復雜的控制規(guī)律使得在現(xiàn)有時間、空間、物資基礎條件上十分困難.1.1.2傳統(tǒng)控制理論在應用中面臨的難題由于實際應用情況的191.1.2傳統(tǒng)控制理論在應用中面臨的難題傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)所處理的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.為了提高性能,傳統(tǒng)控制系統(tǒng)可能變得很復雜,從而增加了設備的初投資和維修費用,降低系統(tǒng)的可靠性.1.1.2傳統(tǒng)控制理論在應用中面臨的難題傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)所處201.1.3自動控制面臨的挑戰(zhàn)及其原因在自動控制發(fā)展的現(xiàn)階段,存在一些至關(guān)重要的挑戰(zhàn)是基于下列原因的:科學技術(shù)間的相互影響和相互促進;例如,計算機、AI和超大規(guī)模集成電路等技術(shù).當前和未來應用的需求;例如,空間技術(shù)、海洋工程和機器人技術(shù)等應用要求.基本概念和時代思潮發(fā)展水平的推動;例如,高速信息公路、非傳統(tǒng)模型和ANN的連接機制等.1.1.3自動控制面臨的挑戰(zhàn)及其原因在自動控制發(fā)展的現(xiàn)階段211.1.4“計算機科學面臨工業(yè)控制應用挑戰(zhàn)”

的研究計劃20世紀90年代,IEEE控制系統(tǒng)學會和國際自動控制聯(lián)合會(IFAC)理論委員會合作進行了題為“計算機科學面臨工業(yè)控制應用的挑戰(zhàn)”的研究計劃.該合作研究計劃指出:開發(fā)大型的實時控制與信號處理系統(tǒng)是工程界面臨的最具挑戰(zhàn)的任務之一;這涉及硬件、軟件和智能(尤其是算法)的結(jié)合,而系統(tǒng)集成又需要先進的工程管理技術(shù).1.1.4“計算機科學面臨工業(yè)控制應用挑戰(zhàn)”

的研究計劃2221.1.4“計算機科學面臨工業(yè)控制應用挑戰(zhàn)”

的研究計劃設立這一迎接挑戰(zhàn)的研究計劃是由下列動機所決定的:工業(yè)部門往往無法有效地把數(shù)字技術(shù)的最新進展用于控制和信號處理,以便提高實時系統(tǒng)的智能水平.控制學術(shù)界又常常不理解如何在工業(yè)上進行控制系統(tǒng)硬件、軟件和智能三者的集成開發(fā).自動控制界和計算機科學界在工業(yè)和學術(shù)兩方面的對話與有效合作仍然是一個需要進一步解決的問題.1.1.4“計算機科學面臨工業(yè)控制應用挑戰(zhàn)”

的研究計劃設231.1.4“計算機科學面臨工業(yè)控制應用挑戰(zhàn)”

的研究計劃綜上所述,自動控制既面臨嚴峻挑戰(zhàn),又存在良好發(fā)展機遇.為了解決面臨的難題,一方面要推進控制硬件、軟件和智能的結(jié)合,實現(xiàn)控制系統(tǒng)的智能化;另一方面要實現(xiàn)自動控制科學與計算機科學、信息科學、系統(tǒng)科學以及AI的結(jié)合,為自動控制提供新思想,新方法和新技術(shù),創(chuàng)立邊緣交叉新學科,推動智能控制(IntelligentControl,IC)的發(fā)展.1.1.4“計算機科學面臨工業(yè)控制應用挑戰(zhàn)”

的研究計劃綜241.2智能控制的進展在本節(jié)主要介紹:自動化與人工智能智能控制的發(fā)展1.2智能控制的進展在本節(jié)主要介紹:251.2.1自動化與人工智能自動化與人工智能(ArtificialIntelligence,AI)是20世紀所發(fā)展起來的兩大新興學科,其最終目的是分別模擬、輔助并部分取代人類在生產(chǎn)實踐及學習、生活中所需要的體力勞動(生產(chǎn)與機器操作)與腦力勞動(智能活動).下面將分別介紹自動化與AI兩者在發(fā)展中形成的不同分工與合作.機械化與自動化自動化的發(fā)展與人工智能的關(guān)系1.2.1自動化與人工智能自動化與人工智能(Artific261.2.1自動化與人工智能1.機械化與自動化機械化(mechanization)就是使用機器代替原先由動物或人類執(zhí)行的體力勞動.當人類把比較初級的生產(chǎn)技術(shù)(如杠桿裝置和動力)用于一個過程時,就使該過程機械化.而自動化(automation)則包含更多的內(nèi)容.當反饋信息自動地引起機器進行調(diào)節(jié)并使之重新達到正常狀態(tài)時,自動裝置才真正實現(xiàn)自動化.機器或系統(tǒng)的內(nèi)部調(diào)整是由伺服機構(gòu)進行的.1.2.1自動化與人工智能1.機械化與自動化271.2.1自動化與人工智能2.自動化的發(fā)展與人工智能的關(guān)系自動化的發(fā)展過程與AI有著非常直接的關(guān)系.圖1表示出自動化的進展與AI的某些關(guān)系.圖1自動化的進展與AI1.2.1自動化與人工智能2.自動化的發(fā)展與人工智能的關(guān)281.2.1自動化與人工智能該圖反映出隨著工業(yè)化的進程,機械化與自動化生產(chǎn)發(fā)展過程中智能的作用越來越重要.第一次工業(yè)革命中大功率動力機和動力系統(tǒng)的產(chǎn)生和應用,使人類開始實現(xiàn)部分體力勞動的機械化與自動化.在初期的自動機器中,只采用開環(huán)控制和單一操作.當采用外部反饋控制和專用程序時,分別出現(xiàn)了自動化機器和數(shù)控機器.1.2.1自動化與人工智能該圖反映出隨著工業(yè)化的進程,機械291.2.1自動化與人工智能隨著計算機系統(tǒng)可編程能力的提高,控制系統(tǒng)已具有可編程能力、目標自設定能力以及自編程和自學習能力;與此相適應的是具有不同程度AI和有機器人參與的自動化.AI技術(shù)已為高級自動化系統(tǒng)輸了新鮮血液.1.2.1自動化與人工智能隨著計算機系統(tǒng)可編程能力的提高,301.2.1自動化與人工智能總之,自動化與AI有著十分密切的關(guān)系,而AI關(guān)注的是智能行為,首先是那些含有復雜性、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.與傳統(tǒng)計算機程序設計不同的是,AI是以知識為基礎的、總是涉及搜索并應用啟發(fā)方法引導求解過程獲得滿意的解答.1.2.1自動化與人工智能總之,自動化與AI有著十分密切的311.2.2智能控制的發(fā)展下面分別介紹IC發(fā)展與形成過程.自動控制的發(fā)展過程智能控制的發(fā)展智能控制學科的形成1.2.2智能控制的發(fā)展下面分別介紹IC發(fā)展與形成過程.321.2.2智能控制的發(fā)展1.自動控制的發(fā)展過程IC是AI和自動控制的重要部分和研究領(lǐng)域,并被認為是通向自主機器遞階道路上自動控制的頂層.圖2表示自動控制的發(fā)展過程和通向IC路徑上控制復雜性增加的過程.從圖2可知,這條路徑的最遠點是IC,至少在當前是如此.IC涉及高級決策并與AI密切相關(guān).1.2.2智能控制的發(fā)展1.自動控制的發(fā)展過程331.2.2智能控制的發(fā)展1.2.2智能控制的發(fā)展341.2.2智能控制的發(fā)展2.智能控制的發(fā)展IC思潮第一次出現(xiàn)于上世紀60年代,幾種IC的思想和方法得到提出和發(fā)展。1.2.2智能控制的發(fā)展2.智能控制的發(fā)展35(1)啟蒙期

60年代初期，F(xiàn)．W．史密斯提出采用性能模式識別器來學習最優(yōu)控制方法的新思想，試圖利用模式識別技術(shù)來解決復雜系統(tǒng)的控制問題。1965年，美國著名控制論專家扎德創(chuàng)立了模糊集合論，為解決復雜系統(tǒng)的控制問題提供了強有力的數(shù)學工具。1966年J．M．門德爾首先主張將人工智能用于空間飛行器的學習控制系統(tǒng)的設計，并提出了“人工智能控制”的概念。1971年著名學者傅京遜從發(fā)展學習控制的角度首次正式提出智能控制這個新興的學科領(lǐng)域。這些標志著智能控制的思想已經(jīng)萌芽。1.2.2智能控制的發(fā)展(1)啟蒙期1.2.2智能控制的發(fā)展36(2)形成期從70年代初開始，傅京孫等人從控制論角度進一步總結(jié)了人工智能技術(shù)與自適應、自組織、自學習控制的關(guān)系，正式提出了智能控制就是人工智能技術(shù)與控制理論的交叉，并創(chuàng)立了人—機交互式分級遞階智能控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。1974年，英國工程師曼德尼將模糊集合和模糊語言用于鍋爐和蒸汽機的控制，創(chuàng)立了基于模糊語言描述控制規(guī)則的模糊控制器，取得良好的控制效果。1979年，他又成功地研制出具有了較高智能的自組織模糊控制器。模糊控制的形成和發(fā)展，對智能控制理論的形成起了十分重要的推動作用。1.2.2智能控制的發(fā)展(2)形成期1.2.2智能控制的發(fā)展37(3)發(fā)展期

1982年Fox等人實現(xiàn)了加工車間調(diào)度專家系統(tǒng)；1983年Saridis把智能控制用于機器人系統(tǒng)；1984年LISP公司研制成功用于分布式的實時過程控制專家系統(tǒng)；1986年M．Lattlmer等人開發(fā)的混合專家系統(tǒng)控制器是一個實驗型的基于知識的實時控制專家系統(tǒng)，用來處理軍事和現(xiàn)代化工業(yè)中出現(xiàn)的控制問題。1987年4月，美國Foxboro公司公布了新一代的IA系列智能自動控制系統(tǒng)，標志著智能控制系統(tǒng)已由研制、開發(fā)階段轉(zhuǎn)向應用階段。80年代中后期，神經(jīng)網(wǎng)絡的研究獲得了重要進展，神經(jīng)網(wǎng)絡理論和應用研究為智能控制的研究起到了重要的促進作用。1.2.2智能控制的發(fā)展(3)發(fā)展期1.2.2智能控制的發(fā)展38(4)高潮期進入90年代以來，智能控制的研究勢頭異常迅猛，每年都有各種以智能控制為專題的大型國際學術(shù)會議在世界各地召開，各種智能控制雜志或?qū)？粩嘤楷F(xiàn)，來自各國政府和企業(yè)的專項科研經(jīng)費不斷增加。1.2.2智能控制的發(fā)展(4)高潮期1.2.2智能控制的發(fā)展391.2.2智能控制的發(fā)展近十年來,隨著AI和機器人技術(shù)的快速發(fā)展,對IC的研究出現(xiàn)一股新的熱潮.各種智能決策系統(tǒng)、專家控制系統(tǒng)、學習控制系統(tǒng)、模糊控制、NNC、主動視覺控制、智能規(guī)劃和故障診斷系統(tǒng)1.2.2智能控制的發(fā)展近十年來,隨著AI和機器人技術(shù)的快401.2.2智能控制的發(fā)展等已被應用于各類工業(yè)過程控制系統(tǒng)、智能機器人系統(tǒng)和智能化生產(chǎn)(制造)系統(tǒng).Transportation.Economics.1.2.2智能控制的發(fā)展等已被應用于各類411.2.2智能控制的發(fā)展3.智能控制學科的形成IC新學科形成的條件逐漸成熟.1985年8月,IEEE在美國紐約召開了第一屆IC學術(shù)討論會.會上討論了IC原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu).之后,IEEE控制系統(tǒng)學會成立了IC專業(yè)委員會.該專業(yè)委員會組織了對IC定義和研究生課程教學大綱的討論.1987年1月,在美國費城由IEEE控制系統(tǒng)學會與計算機學會聯(lián)合召開了IC國際會議.這是有關(guān)IC的第一次國際會議.1.2.2智能控制的發(fā)展3.智能控制學科的形成421.2.2智能控制的發(fā)展大會討論了由于許多新技術(shù)問題的出現(xiàn)以及相關(guān)理論與技術(shù)的發(fā)展,需要重新考慮控制領(lǐng)域及其鄰近學科.這次會議及其后續(xù)相關(guān)事件表明,IC作為一門獨立學科已正式在國際上建立起來.1.2.2智能控制的發(fā)展大會討論了由于許多新技術(shù)問題的出現(xiàn)431.2.2智能控制的發(fā)展在IC的發(fā)展過程中,最近幾年有關(guān)IC的論文或論文集日益增多,但系統(tǒng)專著和教材并不多見.1990年6月,正式出版的蔡自興編著《智能控制》是國內(nèi)外有關(guān)IC的第一本專著和教材.相繼1997年,蔡自興在新加坡出版的另一IC專著《IntelligentControl:Principles,TechniquesandApplications》,并被作為教材使用.另兩本名為《IntellignetControl:AspectsofFuzzyLogicandNeuralNets》和《Fuzzy-NeuralControl:Principles,AlgorithmsandApplications》的專著也先后在國外出版.1.2.2智能控制的發(fā)展在IC的發(fā)展過程中,最近幾年有關(guān)I441.2.2智能控制的發(fā)展自1993年,分別在北京、西安、合肥與上海分別召開的第1~4屆全球華人智能控制與智能自動化大會(CWCICIA),對國際IC的發(fā)展起到較大的推動作用.近10年來,國內(nèi)已成立的學術(shù)團體有中國人工智能學會計算機視覺與智能控制學會,中國智能機器人專業(yè)委員會和中國自動化學會智能自動化專業(yè)委員會等.這些情況表明,IC作為一門獨立的新學科,也已在我國建立起來了.1.2.2智能控制的發(fā)展自1993年,分別在北京、西安、合451.3什么是智能控制下面介紹:智能控制的定義智能控制與傳統(tǒng)控制的關(guān)系和差別1.3什么是智能控制下面介紹:46什么叫智能？??？低級智能：感知環(huán)境、作出決策、控制行為1.3.1智能控制的定義什么叫智能？??？低級智能：感知環(huán)境、作出決策、控制行為1.347

◆按人類的認知的過程定義(A.Meystel)智能是系統(tǒng)的一個特征，當集注（FocusingAttention)、組合搜索(CombinatorialSearch)、歸納（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◆按人類的認知的過程定義(A.Meystel)48◆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，以消除該任務的不確定性或盲目性，達到最優(yōu)或次優(yōu)的結(jié)果。機器智能◆按機器智能定義(Saridis)機器智能是把信491.3.1智能控制的定義粗略地說,智能控制(IC)是一種將智能理論應用于控制領(lǐng)域的模型描述、系統(tǒng)分析、控制設計與實現(xiàn)的控制方法.它首先是一種控制方法,是一種具有智能行為與特征的控制方法.迄今為止,對IC還未有一個統(tǒng)一的定義,下面通過對智能機器的定義,來對IC與智能控制系統(tǒng)(IntelligentControlSystems,ICS)加以定義.1.3.1智能控制的定義粗略地說,智能控制(IC)是一種將501.3.1智能控制的定義定義1(智能機器)能夠在定形或不定形,熟悉或不熟悉的環(huán)境中自主地或與操作人員交互作用以執(zhí)行各種擬人任務(anthropomorphictasks)的機器.或者比較通俗地說,智能機器是那些能夠自主地代替人類從事危險、厭煩、遠距離或高精度等作業(yè)的機器.1.3.1智能控制的定義定義1(智能機器)能夠在定形或不511.3.1智能控制的定義例如,能夠從事這類工作的機器人,就屬于智能機器人.如,在星際探險中的移動機器人,如美國研制的火星探測車.1.3.1智能控制的定義例如,521.3.1智能控制的定義1.3.1智能控制的定義53智能機器人1.3.1智能控制的定義智能機器人1.3.1智能控制的定義541.3.1智能控制的定義具有視覺的越野自主車1.3.1智能控制的定義具有視覺的越野自主車551.3.1智能控制的定義再例如,能夠模擬人的思維,進行博弈的計算機.1997年5月11日,一個名為DeepBlue的IBM計算機系統(tǒng)戰(zhàn)勝當時的國際象棋世界冠軍蓋利卡斯帕羅夫(GarryKasparov).正在與深藍下棋的卡斯帕羅夫

1.3.1智能控制的定義再例如,能夠模擬人的思維,進行博弈561.3.1智能控制的定義基于智能機器的定義,智能控制(IC)的定義為：定義2智能控制是驅(qū)動智能機器自主地實現(xiàn)其目標的過程.或者說,智能控制是一類無需人的干預就能夠獨立地驅(qū)動智能機器實現(xiàn)其目標的自動控制.對自主機器人的控制就是一例.1.3.1智能控制的定義基于智能機器的定義,智能控制(IC571.3.1智能控制的定義相對于智能機器與智能控制(IC),傳統(tǒng)的自動控制的定義為：定義3(自動控制)自動控制是能按規(guī)定程序?qū)C器或裝置進行自動操作或控制的過程.簡單地說,不需要人工干預的控制就是自動控制.例如,一個裝置能夠自動接收所測得的過程物理變量,自動進行計算,然后對過程進行自動調(diào)節(jié)就是自動控制裝置.反饋控制、最優(yōu)控制、隨機控制、自適應控制和自學習控制等均屬自動控制.1.3.1智能控制的定義相對于智能機器與智能控制(IC),581.3.1智能控制的定義下面是關(guān)于智能控制系統(tǒng)(ICS)的定義.定義4用于驅(qū)動自主智能機器以實現(xiàn)其目標而無需操作人員干預的系統(tǒng)叫智能控制系統(tǒng).這類系統(tǒng)必須具有智能調(diào)度和執(zhí)行等能力.1.3.1智能控制的定義下面是關(guān)于智能控制系統(tǒng)(ICS)的591.3.2智能控制與傳統(tǒng)控制的關(guān)系和差別IC與傳統(tǒng)控制的差別:涉及的范圍:IC的范圍包括了比傳統(tǒng)控制的范圍更一般的范圍.控制的目標:智能的目標尋求在巨大的不確定環(huán)境中,獲得整體的優(yōu)化.1.3.2智能控制與傳統(tǒng)控制的關(guān)系和差別IC與傳統(tǒng)控制的差601.4智能控制的結(jié)構(gòu)理論自從傅京孫1971年提出把IC作為AI和自動控制的交接領(lǐng)域以來,許多研究人員試圖建立起IC這一新學科.他們提出一些有關(guān)ICS結(jié)構(gòu)的思想,有助于對IC的進一步認識.IC具有一門邊緣交叉學科,十分明顯的跨學科(多元)結(jié)構(gòu)特點.在實際應用中,各種IC與各種相關(guān)的基礎理論與方法的集成顯得非常重要的.IC的發(fā)展需要各相關(guān)學科的配合與支援,同時也要求IC工程師是個知識工程師.1.4智能控制的結(jié)構(gòu)理論自從傅京孫1971年提出把IC作為611.4.1二元結(jié)構(gòu)傅京孫曾對幾個與學習控制(learningcontrol)有關(guān)的領(lǐng)域進行了研究.這些研究領(lǐng)域是:含有擬人控制器的控制系統(tǒng);含有人-機控制器的控制系統(tǒng);自主機器人系統(tǒng).1.4.1二元結(jié)構(gòu)傅京孫曾對幾個與學習控制(learnin621.4智能控制的結(jié)構(gòu)理論在此,我們主要討論IC的二元交集結(jié)構(gòu)和三元交集結(jié)構(gòu)兩種思想,它們分別由下列各交集(通集)表示:IC=AIACIC=AIACOR1.4智能控制的結(jié)構(gòu)理論在此,我們主要討論IC的二元交集結(jié)631.4.1二元結(jié)構(gòu)我們可以用式IC=AIAC以及下圖來表示這種交接作用,并把它稱為二元交集結(jié)構(gòu).1.4.1二元結(jié)構(gòu)我們可以用式641.4.2三元結(jié)構(gòu)薩里迪斯(Saridis)于1977年提出SI三元IC結(jié)構(gòu),擴展了傅京孫的二元結(jié)構(gòu),即把IC看作為AI、自動控制和運籌學的交接,如下圖所示.1.4.2三元結(jié)構(gòu)薩里迪斯(Saridis)于1977年提651.4.2三元結(jié)構(gòu)我們可以用式IC=AIACOR來描述這種結(jié)構(gòu).Saridis認為,構(gòu)成二元交集結(jié)構(gòu)的兩元互相支配,無助于IC的有效和成功應用.必須把遠籌學的概念引入IC,使它成為三元交集中的一個子集.這種三元結(jié)構(gòu)后來成為IEEE第一次IC研討會的主題之一.1.4.2三元結(jié)構(gòu)我們可以用式661.4.2三元結(jié)構(gòu)ICS研究的數(shù)學工具智能控制人工智能運籌學自動控制信號處理形式語言啟發(fā)記憶學習規(guī)劃調(diào)度管理管理協(xié)調(diào)動力學動態(tài)反饋優(yōu)化動力學動態(tài)反饋1.4.2三元結(jié)構(gòu)ICS研究的數(shù)學工具智能控制人工智能運籌671.智能控制的研究對象智能控制主要應用在以下情況：實際系統(tǒng)由于存在復雜性、非線性、時變性、不確定性和不完全性等，一般無法獲得精確的數(shù)學模型。應用傳統(tǒng)控制理論進行控制必須提出并遵循一些比較苛刻的線性化假設，而這些假設在應用中往往與實際情況不相吻合。1.5智能控制的研究領(lǐng)域1.智能控制的研究對象1.5智能控制的研究領(lǐng)域68對于某些復雜的和包含不確定性的控制過程，根本無法用傳統(tǒng)數(shù)學模型來表示，即無法解決建模問題。為了提高控制性能，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)可能變得很復雜，從而增加了設備的投資，減低了系統(tǒng)的可靠性。1.5智能控制的研究領(lǐng)域?qū)τ谀承碗s的和包含不確定性的控制過程，根本無法用傳統(tǒng)數(shù)學模691.5智能控制的研究領(lǐng)域2.智能控制的主要分支IC的主要分支一般包括模糊控制系統(tǒng)專家控制系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)分級遞階控制系統(tǒng)遺傳算法控制系統(tǒng)集成(或者復合)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ICS或裝置,從而建立起混合或集成的ICS1.5智能控制的研究領(lǐng)域2.智能控制的主要分支701965年L．A．扎德教授創(chuàng)立了模糊集合理論，為模糊控制奠定了基礎。70年代中期以E．H．曼德尼為代表的一批學者提出了模糊控制的概念，標志著模糊控制的正式誕生，并在控制領(lǐng)域得到了較快的發(fā)展和實際的應用，成為智能控制領(lǐng)域中的一個重要分支，在其后的20年中已有很多模糊控制在實際中獲得應用成功的例子。

模糊控制1.5智能控制的研究領(lǐng)域1965年L．A．扎德教授創(chuàng)立了模糊集合理論，為模糊71與常規(guī)控制方法相比，模糊控制有以下特點：①模糊控制完全是在操作人員控制經(jīng)驗基礎上實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，無需建立數(shù)學模型，是解決不確定性系統(tǒng)的一種有效途徑。②模糊控制具有較強的魯棒性，被控對象參數(shù)的變化對模糊控制的影響不明顯，可用于非線性、時變、時滯系統(tǒng)的控制。③由離線計算得到控制查詢表，提高了控制系統(tǒng)的實時性。④控制的機理符合人們對過程控制作用的直觀描述和思維邏輯，為智能控制應用打下了基礎。1.5智能控制的研究領(lǐng)域與常規(guī)控制方法相比，模糊控制有以下特點：1.5智能控制的研72模糊控制器的一般結(jié)構(gòu)

1.5智能控制的研究領(lǐng)域模糊控制器的一般結(jié)構(gòu)1.5智能控制的研究領(lǐng)域73為了部分地表現(xiàn)出人腦的某些智能特性，人們從結(jié)構(gòu)和信息處理機制模擬的角度建立了生物神經(jīng)網(wǎng)絡的模型，即人工神經(jīng)網(wǎng)絡。人工神經(jīng)網(wǎng)絡雖然反映了人腦功能的基本特性，但遠不是自然神經(jīng)網(wǎng)絡的逼真描寫，而只是它的某種簡化、抽象和模擬。

神經(jīng)網(wǎng)絡控制

1.5智能控制的研究領(lǐng)域為了部分地表現(xiàn)出人腦的某些智能特性，人們從結(jié)構(gòu)和信息74人工神經(jīng)網(wǎng)絡具有幾個突出的特點：①可以充分逼近任意復雜的非線性關(guān)系；②所有定量或定性的信息都分布貯存于網(wǎng)絡內(nèi)的各神經(jīng)元的連接上，故有很強的魯棒性和容錯性；③采用并行分布處理方法，使得快速進行大量運算成為可能；④可學習和自適應不知道或不確定的系統(tǒng)。

1.5智能控制的研究領(lǐng)域人工神經(jīng)網(wǎng)絡具有幾個突出的特點：1.5智能控制的研究領(lǐng)域75專家系統(tǒng)是人工智能應用領(lǐng)域最成功的分支之一，始于60年代中期。80年代專家系統(tǒng)的概念和方法被引入控制領(lǐng)域，促進了專家控制系統(tǒng)的研究和應用，它在控制領(lǐng)域的應用已涉及到控制系統(tǒng)輔助設計、分析和專家控制等方面。

專家控制系統(tǒng)

1.5智能控制的研究領(lǐng)域?qū)＜蚁到y(tǒng)是人工智能應用領(lǐng)域最成功的分支之一，始于6076專家控制系統(tǒng)具有如下特點：①它在一定程度上模擬人的思維活動規(guī)律，能進行自動推理，善于應付各種變化，具有透明性和靈活性。②它可以不斷監(jiān)督生產(chǎn)過程，實現(xiàn)特定性能指標下的優(yōu)化控制，能處理大量低層信息，可進行操作指導。③相對傳統(tǒng)控制，擴展了許多功能，如復雜系統(tǒng)的高質(zhì)量控制，故障診斷和容錯控制，參數(shù)和算法的自動修改，不同算法的組合等。④深層知識的引入，可以彌補專家經(jīng)驗的不足，可以自然地消除決策沖突。

1.5智能控制的研究領(lǐng)域?qū)＜铱刂葡到y(tǒng)具有如下特點：1.5智能控制的研究領(lǐng)域77

分層遞階智能控制是在研究學習控制系統(tǒng)的基礎上，從工程控制出發(fā)，總結(jié)人工智能與自適應控制、自學習控制及自組織控制的關(guān)系后逐漸形成的。G．N．Saridis最早提出了分層遞階智能控制。

分層遞階智能控制

1.5智能控制的研究領(lǐng)域分層遞階智能控制是在研究學習控制系統(tǒng)的基礎上，78該系統(tǒng)由組織級、協(xié)調(diào)級、執(zhí)行級組成，按照自上而下精確程度漸增、智能程度漸減的原則進行功能分配。在這類多層智能控制系統(tǒng)中，智能主要體現(xiàn)在高層次上，其主要作用是模仿人的功能實現(xiàn)規(guī)劃、決策、學習和任務協(xié)調(diào)等任務。執(zhí)行級仍然采用現(xiàn)有數(shù)學解析控制算法，對數(shù)值進行操作和運算。

1.5智能控制的研究領(lǐng)域該系統(tǒng)由組織級、協(xié)調(diào)級、執(zhí)行級組成，按照自上而下精確程79分層遞階智能控制具有兩個明顯的特點：①對控制來講，自上而下控制精度愈來愈高；②對識別來講，自下而上信息回饋愈來愈粗略。

在智能控制系統(tǒng)的研究與應用中，常將幾種常用類型結(jié)合起來，構(gòu)成各種綜合智能控制系統(tǒng)。例如，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡智能控制系統(tǒng)，專家模糊智能控制系統(tǒng)，神經(jīng)網(wǎng)絡專家智能控制系統(tǒng)等等。1.5智能控制的研究領(lǐng)域分層遞階智能控制具有兩個明顯的特點：在智能控制系統(tǒng)的801.5智能控制的研究領(lǐng)域3.智能控制的主要應用領(lǐng)域IC的研究和應用是一副多彩多姿的圖象,從實驗室到工業(yè)現(xiàn)場,從家用電器到火箭制導,從制造業(yè)到采礦業(yè),從飛行器到武器控制,從軋鋼機到郵件處理機,從工業(yè)機器人到康復假肢等等,都有IC的用武之地.1.5智能控制的研究領(lǐng)域3.智能控制的主要應用領(lǐng)域81智能控制概論山東大學控制科學與工程學院智能控制概論山東大學控制科學與工程學院82主要參考書目：1、孫增圻等編著．智能控制理論與技術(shù)．北京：清華大學出版社，20042、楊汝清等編著．智能控制工程．上海：上海交通大學出版社，20013、李少遠、王景成編著．智能控制．北京：機械工業(yè)出版社，20054、張化光、孟祥萍主編．智能控制基礎理論及應用．北京：機械工業(yè)出版社，20055、易繼鍇、候媛彬編著．智能控制技術(shù)．北京：北京工業(yè)大學出版社，2001年主要參考書目：1、孫增圻等編著．智能控制理論與技術(shù)．北京：清83本課程的主要內(nèi)容1.智能控制概論2.模糊邏輯控制3.神經(jīng)網(wǎng)絡控制4.遺傳算法控制5.其它智能控制本課程的主要內(nèi)容1.智能控制概論84第一章智能控制概論目錄自動控制的機遇與挑戰(zhàn)控制科學的歷史回顧傳統(tǒng)控制理論在應用中面臨的難題自動控制面臨的挑戰(zhàn)及其原因“計算機科學面臨工業(yè)控制應用挑戰(zhàn)”的研究計劃智能控制的進展自動化與人工智能智能控制的發(fā)展第一章智能控制概論目錄85什么是智能控制智能控制的定義智能控制與傳統(tǒng)控制的關(guān)系和差別智能控制的結(jié)構(gòu)理論二元結(jié)構(gòu)三元結(jié)構(gòu)智能控制的研究領(lǐng)域智能控制的研究對象智能控制的主要分支智能控制的主要應用領(lǐng)域第一章智能控制概論什么是智能控制第一章智能控制概論861.1自動控制的機遇與挑戰(zhàn)下面介紹現(xiàn)階段自動控制所面臨的機遇和挑戰(zhàn),主要內(nèi)容有:控制科學的歷史回顧傳統(tǒng)控制理論在應用中面臨的難題自動控制面臨的挑戰(zhàn)及其原因“計算機科學面臨工業(yè)控制應用挑戰(zhàn)”的研究計劃1.1自動控制的機遇與挑戰(zhàn)下面介紹現(xiàn)階段自動控制所面臨的機遇871.1.1控制科學發(fā)展的歷史回顧在科學技術(shù)發(fā)展史上,控制科學同其他技術(shù)科學一樣,它的產(chǎn)生與發(fā)展主要由人類的生產(chǎn)發(fā)展需求和人類當時的知識與技術(shù)水平所決定.控制科學的發(fā)展反過來亦促進了人類文明的發(fā)展,尤其是近代工業(yè)文明的發(fā)展.控制科學與工程的歷史可以上溯到古羅馬的亞歷山大運用反饋控制來調(diào)節(jié)水鐘以及中國漢代的指南車.1.1.1控制科學發(fā)展的歷史回顧在科學技術(shù)發(fā)展史上,控制科881.1.1控制科學發(fā)展的歷史回顧傳統(tǒng)控制科學發(fā)展的主要歷史足跡:18世紀英國J.Watt蒸汽機中的飛球調(diào)節(jié)19世紀英國J.K.Maxwell的飛球調(diào)節(jié)穩(wěn)定性研究19世紀的常微分方程穩(wěn)定性理論19世紀末俄國Lyapunov的運動穩(wěn)定性理論19世紀的復變函數(shù)理論19世紀的積分變換及頻譜分析理論Hurwitz,Routh的穩(wěn)定性代數(shù)判據(jù)20世紀30年代Black,Nyquist,Bode關(guān)于反饋放大器的研究,以及頻域穩(wěn)定性判據(jù)與頻域方法1.1.1控制科學發(fā)展的歷史回顧傳統(tǒng)控制科學發(fā)展的主要歷史891.1.1控制科學發(fā)展的歷史回顧1942年,Harris提出傳遞函數(shù)的概念20世紀40年代Wiener的控制論20世紀50年代錢學森的工程控制論以20世紀50年代的Pontriagin的極大值原理、Kalman的線性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性理論與濾波理論、Bellman的最優(yōu)控制的動態(tài)規(guī)劃方法為基礎的現(xiàn)代控制理論方法20世紀60年代中期的隨機系統(tǒng)理論20世紀60年代興起的數(shù)字控制理論與計算機控制技術(shù)1.1.1控制科學發(fā)展的歷史回顧1942年,Harris提901.1.1控制科學發(fā)展的歷史回顧自適應控制20世紀50年代末的模型參考自適應控制方法、70年代初Astrom的自校正方法為代表的自適應控制方法20世紀60年代末英國學派的多變量頻域理論20世紀70年代英國、法國學派的大系統(tǒng)理論70年代初,以分解和協(xié)調(diào)為基礎,形成了大系統(tǒng)控制理論,用于復雜系統(tǒng)的控制,重要理論有遞階控制理論、分散控制理論等.主要用于資源管理、交通控制、環(huán)境保護等.1.1.1控制科學發(fā)展的歷史回顧自適應控制911.1.1控制科學發(fā)展的歷史回顧以20世紀70年代末Zames的H∞控制方法和80年代的時域結(jié)構(gòu)性魯棒控制方法為代表的魯棒控制方法20世紀70年代末的非線性系統(tǒng)理論的幾何學派和80年代的代數(shù)學派20世紀80年代開始的離散事件系統(tǒng)的分析、控制與綜合Moler利用Matlab軟件環(huán)境進行控制系統(tǒng)分析控制科學的發(fā)展主要遵循對控制對象與環(huán)境的復雜性的處理,如模型描述的復雜性,對象特性和環(huán)境擾動因素的不確定性.可以說,對控制中復雜性的研究和探索是推動控制科學發(fā)展主要動力.1.1.1控制科學發(fā)展的歷史回顧以20世紀70年代末Zam92經(jīng)典控制理論單輸入單輸出反饋系統(tǒng)傳遞函數(shù)波特圖奈奎斯特圖根軌跡圖1.1.1控制科學發(fā)展的歷史回顧經(jīng)典控制理論單輸入傳遞函數(shù)波特圖奈奎斯特圖根軌跡圖1.193現(xiàn)代控制理論具有多個相互耦合回路的多變量系統(tǒng)狀態(tài)空間法最優(yōu)控制能控性和能觀性卡爾曼濾波1.1.1控制科學發(fā)展的歷史回顧現(xiàn)代控制理論具有多個相互耦合回路的多變量系統(tǒng)狀態(tài)空間法最優(yōu)控941.1.1控制科學發(fā)展的歷史回顧從前面討論的控制科學的發(fā)展足跡可以看出:控制科學是一門理論與應用俱重的學科,它的理論基礎來源于幾乎所有現(xiàn)代科學的分支,如數(shù)學\物理\力學\計算機\生命科學\認知科學等其應用領(lǐng)涉及幾乎所有與人類的生產(chǎn)\生活\科學探索\軍事等領(lǐng)域.1.1.1控制科學發(fā)展的歷史回顧從前面討論的控制科學的發(fā)展951.1.1控制科學發(fā)展的歷史回顧下圖很好地對控制科學與其它學科的關(guān)系,其應用領(lǐng)域作了很好地總結(jié).1.1.1控制科學發(fā)展的歷史回顧下圖很好地對控制科學與其它961.1.2傳統(tǒng)控制理論在應用中面臨的難題在控制領(lǐng)域,理論與實際應用存在很大差距,PID在實際應用中仍占統(tǒng)治地位.原因:自動控制學科高度的交叉性、應用的廣泛性;所需數(shù)學工具難以被多數(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、計算機;實際應用情況的復雜性、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.1.1.2傳統(tǒng)控制理論在應用中面臨的難題在控制領(lǐng)域,理論與971.1.2傳統(tǒng)控制理論在應用中面臨的難題隨著復雜系統(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.什么叫復雜系統(tǒng)？其特征表現(xiàn)?這種復雜性主要體現(xiàn)在:控制對象的復雜性模型的不確定性高度非線性龐大的數(shù)據(jù)量和嚴格的性能指標環(huán)境的復雜性變化的不確定性難以辨識1.1.2傳統(tǒng)控制理論在應用中面臨的難題隨著復雜系統(tǒng)的不斷981.1.2傳統(tǒng)控制理論在應用中面臨的難題傳統(tǒng)控制理論在應用中面臨的難題包括:傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的設計與分析是建立在精確的系統(tǒng)數(shù)學模型基礎上的,而實際系統(tǒng)由于存在復雜性、非線性、時變性和不確定性等,一般無法獲得精確的數(shù)學模型.雖然,近年控制理論致力于研究對建模要求較低,對建模誤差具有較好適應性的魯棒控制理論.但魯棒控制對建模誤差的魯棒性僅僅是局部的、小(微)攝動的,而遠非人們所期望的全局的,大范圍的.運用傳統(tǒng)控制理論研究這類系統(tǒng)時,必須提出并遵循一些比較苛刻的假設,而這些假設與實際系統(tǒng)不盡相吻合.1.1.2傳統(tǒng)控制理論在應用中面臨的難題傳統(tǒng)控制理論在應用991.1.2傳統(tǒng)控制理論在應用中面臨的難題由于實際應用情況的復雜性、多變性、不確定性,對于某些復雜的和包含不確定性的對象,根本無法以傳統(tǒng)數(shù)學模型(如常微分方程、差分方程等)來表示,即無法解決建模問題.傳統(tǒng)數(shù)學模型不能反映人的智能過程:推理、分析、學習.丟失許多有用的信息由于嚴格依賴于描述被控對象的數(shù)學模型,而過于復雜的數(shù)學模型將導致求解相應的控制規(guī)律變得十分困難,或者實現(xiàn)復雜的控制規(guī)律使得在現(xiàn)有時間、空間、物資基礎條件上十分困難.1.1.2傳統(tǒng)控制理論在應用中面臨的難題由于實際應用情況的1001.1.2傳統(tǒng)控制理論在應用中面臨的難題傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)所處理的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.為了提高性能,傳統(tǒng)控制系統(tǒng)可能變得很復雜,從而增加了設備的初投資和維修費用,降低系統(tǒng)的可靠性.1.1.2傳統(tǒng)控制理論在應用中面臨的難題傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)所處1011.1.3自動控制面臨的挑戰(zhàn)及其原因在自動控制發(fā)展的現(xiàn)階段,存在一些至關(guān)重要的挑戰(zhàn)是基于下列原因的:科學技術(shù)間的相互影響和相互促進;例如,計算機、AI和超大規(guī)模集成電路等技術(shù).當前和未來應用的需求;例如,空間技術(shù)、海洋工程和機器人技術(shù)等應用要求.基本概念和時代思潮發(fā)展水平的推動;例如,高速信息公路、非傳統(tǒng)模型和ANN的連接機制等.1.1.3自動控制面臨的挑戰(zhàn)及其原因在自動控制發(fā)展的現(xiàn)階段1021.1.4“計算機科學面臨工業(yè)控制應用挑戰(zhàn)”

的研究計劃20世紀90年代,IEEE控制系統(tǒng)學會和國際自動控制聯(lián)合會(IFAC)理論委員會合作進行了題為“計算機科學面臨工業(yè)控制應用的挑戰(zhàn)”的研究計劃.該合作研究計劃指出:開發(fā)大型的實時控制與信號處理系統(tǒng)是工程界面臨的最具挑戰(zhàn)的任務之一;這涉及硬件、軟件和智能(尤其是算法)的結(jié)合,而系統(tǒng)集成又需要先進的工程管理技術(shù).1.1.4“計算機科學面臨工業(yè)控制應用挑戰(zhàn)”

的研究計劃21031.1.4“計算機科學面臨工業(yè)控制應用挑戰(zhàn)”

的研究計劃設立這一迎接挑戰(zhàn)的研究計劃是由下列動機所決定的:工業(yè)部門往往無法有效地把數(shù)字技術(shù)的最新進展用于控制和信號處理,以便提高實時系統(tǒng)的智能水平.控制學術(shù)界又常常不理解如何在工業(yè)上進行控制系統(tǒng)硬件、軟件和智能三者的集成開發(fā).自動控制界和計算機科學界在工業(yè)和學術(shù)兩方面的對話與有效合作仍然是一個需要進一步解決的問題.1.1.4“計算機科學面臨工業(yè)控制應用挑戰(zhàn)”

的研究計劃設1041.1.4“計算機科學面臨工業(yè)控制應用挑戰(zhàn)”

的研究計劃綜上所述,自動控制既面臨嚴峻挑戰(zhàn),又存在良好發(fā)展機遇.為了解決面臨的難題,一方面要推進控制硬件、軟件和智能的結(jié)合,實現(xiàn)控制系統(tǒng)的智能化;另一方面要實現(xiàn)自動控制科學與計算機科學、信息科學、系統(tǒng)科學以及AI的結(jié)合,為自動控制提供新思想,新方法和新技術(shù),創(chuàng)立邊緣交叉新學科,推動智能控制(IntelligentControl,IC)的發(fā)展.1.1.4“計算機科學面臨工業(yè)控制應用挑戰(zhàn)”

的研究計劃綜1051.2智能控制的進展在本節(jié)主要介紹:自動化與人工智能智能控制的發(fā)展1.2智能控制的進展在本節(jié)主要介紹:1061.2.1自動化與人工智能自動化與人工智能(ArtificialIntelligence,AI)是20世紀所發(fā)展起來的兩大新興學科,其最終目的是分別模擬、輔助并部分取代人類在生產(chǎn)實踐及學習、生活中所需要的體力勞動(生產(chǎn)與機器操作)與腦力勞動(智能活動).下面將分別介紹自動化與AI兩者在發(fā)展中形成的不同分工與合作.機械化與自動化自動化的發(fā)展與人工智能的關(guān)系1.2.1自動化與人工智能自動化與人工智能(Artific1071.2.1自動化與人工智能1.機械化與自動化機械化(mechanization)就是使用機器代替原先由動物或人類執(zhí)行的體力勞動.當人類把比較初級的生產(chǎn)技術(shù)(如杠桿裝置和動力)用于一個過程時,就使該過程機械化.而自動化(automation)則包含更多的內(nèi)容.當反饋信息自動地引起機器進行調(diào)節(jié)并使之重新達到正常狀態(tài)時,自動裝置才真正實現(xiàn)自動化.機器或系統(tǒng)的內(nèi)部調(diào)整是由伺服機構(gòu)進行的.1.2.1自動化與人工智能1.機械化與自動化1081.2.1自動化與人工智能2.自動化的發(fā)展與人工智能的關(guān)系自動化的發(fā)展過程與AI有著非常直接的關(guān)系.圖1表示出自動化的進展與AI的某些關(guān)系.圖1自動化的進展與AI1.2.1自動化與人工智能2.自動化的發(fā)展與人工智能的關(guān)1091.2.1自動化與人工智能該圖反映出隨著工業(yè)化的進程,機械化與自動化生產(chǎn)發(fā)展過程中智能的作用越來越重要.第一次工業(yè)革命中大功率動力機和動力系統(tǒng)的產(chǎn)生和應用,使人類開始實現(xiàn)部分體力勞動的機械化與自動化.在初期的自動機器中,只采用開環(huán)控制和單一操作.當采用外部反饋控制和專用程序時,分別出現(xiàn)了自動化機器和數(shù)控機器.1.2.1自動化與人工智能該圖反映出隨著工業(yè)化的進程,機械1101.2.1自動化與人工智能隨著計算機系統(tǒng)可編程能力的提高,控制系統(tǒng)已具有可編程能力、目標自設定能力以及自編程和自學習能力;與此相適應的是具有不同程度AI和有機器人參與的自動化.AI技術(shù)已為高級自動化系統(tǒng)輸了新鮮血液.1.2.1自動化與人工智能隨著計算機系統(tǒng)可編程能力的提高,1111.2.1自動化與人工智能總之,自動化與AI有著十分密切的關(guān)系,而AI關(guān)注的是智能行為,首先是那些含有復雜性、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.與傳統(tǒng)計算機程序設計不同的是,AI是以知識為基礎的、總是涉及搜索并應用啟發(fā)方法引導求解過程獲得滿意的解答.1.2.1自動化與人工智能總之,自動化與AI有著十分密切的1121.2.2智能控制的發(fā)展下面分別介紹IC發(fā)展與形成過程.自動控制的發(fā)展過程智能控制的發(fā)展智能控制學科的形成1.2.2智能控制的發(fā)展下面分別介紹IC發(fā)展與形成過程.1131.2.2智能控制的發(fā)展1.自動控制的發(fā)展過程IC是AI和自動控制的重要部分和研究領(lǐng)域,并被認為是通向自主機器遞階道路上自動控制的頂層.圖2表示自動控制的發(fā)展過程和通向IC路徑上控制復雜性增加的過程.從圖2可知,這條路徑的最遠點是IC,至少在當前是如此.IC涉及高級決策并與AI密切相關(guān).1.2.2智能控制的發(fā)展1.自動控制的發(fā)展過程1141.2.2智能控制的發(fā)展1.2.2智能控制的發(fā)展1151.2.2智能控制的發(fā)展2.智能控制的發(fā)展IC思潮第一次出現(xiàn)于上世紀60年代,幾種IC的思想和方法得到提出和發(fā)展。1.2.2智能控制的發(fā)展2.智能控制的發(fā)展116(1)啟蒙期

60年代初期，F(xiàn)．W．史密斯提出采用性能模式識別器來學習最優(yōu)控制方法的新思想，試圖利用模式識別技術(shù)來解決復雜系統(tǒng)的控制問題。1965年，美國著名控制論專家扎德創(chuàng)立了模糊集合論，為解決復雜系統(tǒng)的控制問題提供了強有力的數(shù)學工具。1966年J．M．門德爾首先主張將人工智能用于空間飛行器的學習控制系統(tǒng)的設計，并提出了“人工智能控制”的概念。1971年著名學者傅京遜從發(fā)展學習控制的角度首次正式提出智能控制這個新興的學科領(lǐng)域。這些標志著智能控制的思想已經(jīng)萌芽。1.2.2智能控制的發(fā)展(1)啟蒙期1.2.2智能控制的發(fā)展117(2)形成期從70年代初開始，傅京孫等人從控制論角度進一步總結(jié)了人工智能技術(shù)與自適應、自組織、自學習控制的關(guān)系，正式提出了智能控制就是人工智能技術(shù)與控制理論的交叉，并創(chuàng)立了人—機交互式分級遞階智能控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。1974年，英國工程師曼德尼將模糊集合和模糊語言用于鍋爐和蒸汽機的控制，創(chuàng)立了基于模糊語言描述控制規(guī)則的模糊控制器，取得良好的控制效果。1979年，他又成功地研制出具有了較高智能的自組織模糊控制器。模糊控制的形成和發(fā)展，對智能控制理論的形成起了十分重要的推動作用。1.2.2智能控制的發(fā)展(2)形成期1.2.2智能控制的發(fā)展118(3)發(fā)展期

1982年Fox等人實現(xiàn)了加工車間調(diào)度專家系統(tǒng)；1983年Saridis把智能控制用于機器人系統(tǒng)；1984年LISP公司研制成功用于分布式的實時過程控制專家系統(tǒng)；1986年M．Lattlmer等人開發(fā)的混合專家系統(tǒng)控制器是一個實驗型的基于知識的實時控制專家系統(tǒng)，用來處理軍事和現(xiàn)代化工業(yè)中出現(xiàn)的控制問題。1987年4月，美國Foxboro公司公布了新一代的IA系列智能自動控制系統(tǒng)，標志著智能控制系統(tǒng)已由研制、開發(fā)階段轉(zhuǎn)向應用階段。80年代中后期，神經(jīng)網(wǎng)絡的研究獲得了重要進展，神經(jīng)網(wǎng)絡理論和應用研究為智能控制的研究起到了重要的促進作用。1.2.2智能控制的發(fā)展(3)發(fā)展期1.2.2智能控制的發(fā)展119(4)高潮期進入90年代以來，智能控制的研究勢頭異常迅猛，每年都有各種以智能控制為專題的大型國際學術(shù)會議在世界各地召開，各種智能控制雜志或?qū)？粩嘤楷F(xiàn)，來自各國政府和企業(yè)的專項科研經(jīng)費不斷增加。1.2.2智能控制的發(fā)展(4)高潮期1.2.2智能控制的發(fā)展1201.2.2智能控制的發(fā)展近十年來,隨著AI和機器人技術(shù)的快速發(fā)展,對IC的研究出現(xiàn)一股新的熱潮.各種智能決策系統(tǒng)、專家控制系統(tǒng)、學習控制系統(tǒng)、模糊控制、NNC、主動視覺控制、智能規(guī)劃和故障診斷系統(tǒng)1.2.2智能控制的發(fā)展近十年來,隨著AI和機器人技術(shù)的快1211.2.2智能控制的發(fā)展等已被應用于各類工業(yè)過程控制系統(tǒng)、智能機器人系統(tǒng)和智能化生產(chǎn)(制造)系統(tǒng).Transportation.Economics.1.2.2智能控制的發(fā)展等已被應用于各類1221.2.2智能控制的發(fā)展3.智能控制學科的形成IC新學科形成的條件逐漸成熟.1985年8月,IEEE在美國紐約召開了第一屆IC學術(shù)討論會.會上討論了IC原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu).之后,IEEE控制系統(tǒng)學會成立了IC專業(yè)委員會.該專業(yè)委員會組織了對IC定義和研究生課程教學大綱的討論.1987年1月,在美國費城由IEEE控制系統(tǒng)學會與計算機學會聯(lián)合召開了IC國際會議.這是有關(guān)IC的第一次國際會議.1.2.2智能控制的發(fā)展3.智能控制學科的形成1231.2.2智能控制的發(fā)展大會討論了由于許多新技術(shù)問題的出現(xiàn)以及相關(guān)理論與技術(shù)的發(fā)展,需要重新考慮控制領(lǐng)域及其鄰近學科.這次會議及其后續(xù)相關(guān)事件表明,IC作為一門獨立學科已正式在國際上建立起來.1.2.2智能控制的發(fā)展大會討論了由于許多新技術(shù)問題的出現(xiàn)1241.2.2智能控制的發(fā)展在IC的發(fā)展過程中,最近幾年有關(guān)IC的論文或論文集日益增多,但系統(tǒng)專著和教材并不多見.1990年6月,正式出版的蔡自興編著《智能控制》是國內(nèi)外有關(guān)IC的第一本專著和教材.相繼1997年,蔡自興在新加坡出版的另一IC專著《IntelligentControl:Principles,TechniquesandApplications》,并被作為教材使用.另兩本名為《IntellignetControl:AspectsofFuzzyLogicandNeuralNets》和《Fuzzy-NeuralControl:Principles,AlgorithmsandApplications》的專著也先后在國外出版.1.2.2智能控制的發(fā)展在IC的發(fā)展過程中,最近幾年有關(guān)I1251.2.2智能控制的發(fā)展自1993年,分別在北京、西安、合肥與上海分別召開的第1~4屆全球華人智能控制與智能自動化大會(CWCICIA),對國際IC的發(fā)展起到較大的推動作用.近10年來,國內(nèi)已成立的學術(shù)團體有中國人工智能學會計算機視覺與智能控制學會,中國智能機器人專業(yè)委員會和中國自動化學會智能自動化專業(yè)委員會等.這些情況表明,IC作為一門獨立的新學科,也已在我國建立起來了.1.2.2智能控制的發(fā)展自1993年,分別在北京、西安、合1261.3什么是智能控制下面介紹:智能控制的定義智能控制與傳統(tǒng)控制的關(guān)系和差別1.3什么是智能控制下面介紹:127什么叫智能？??？低級智能：感知環(huán)境、作出決策、控制行為1.3.1智能控制的定義什么叫智能？??？低級智能：感知環(huán)境、作出決策、控制行為1.3128

◆按人類的認知的過程定義(A.Meystel)智能是系統(tǒng)的一個特征，當集注（FocusingAttention)、組合搜索(CombinatorialSearch)、歸納（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◆按人類的認知的過程定義(A.Meystel)129◆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，以消除該任務的不確定性或盲目性，達到最優(yōu)或次優(yōu)的結(jié)果。機器智能◆按機器智能定義(Saridis)機器智能是把信1301.3.1智能控制的定義粗略地說,智能控制(IC)是一種將智能理論應用于控制領(lǐng)域的模型描述、系統(tǒng)分析、控制設計與實現(xiàn)的控制方法.它首先是一種控制方法,是一種具有智能行為與特征的控制方法.迄今為止,對IC還未有一個統(tǒng)一的定義,下面通過對智能機器的定義,來對IC與智能控制系統(tǒng)(IntelligentControlSystems,ICS)加以定義.1.3.1智能控制的定義粗略地說,智能控制(IC)是一種將1311.3.1智能控制的定義定義1(智能機器)能夠在定形或不定形,熟悉或不熟悉的環(huán)境中自主地或與操作人員交互作用以執(zhí)行各種擬人任務(anthropomorphictasks)的機器.或者比較通俗地說,智能機器是那些能夠自主地代替人類從事危險、厭煩、遠距離或高精度等作業(yè)的機器.1.3.1智能控制的定義定義1(智能機器)能夠在定形或不1321.3.1智能控制的定義例如,能夠從事這類工作的機器人,就屬于智能機器人.如,在星際探險中的移動機器人,如美國研制的火星探測車.1.3.1智能控制的定義例如,1331.3.1智能控制的定義1.3.1智能控制的定義134智能機器人1.3.1智能控制的定義智能機器人1.3.1智能控制的定義1351.3.1智能控制的定義具有視覺的越野自主車1.3.1智能控制的定義具有視覺的越野自主車1361.3.1智能控制的定義再例如,能夠模擬人的思維,進行博弈的計算機.1997年5月11日,一個名為DeepBlue的IBM計算機系統(tǒng)戰(zhàn)勝當時的國際象棋世界冠軍蓋利卡斯帕羅夫(GarryKasparov).正在與深藍下棋的卡斯帕羅夫

1.3.1智能控制的定義再例如,能夠模擬人的思維,進行博弈1371.3.1智能控制的定義基于智能機器的定義,智能控制(IC)的定義為：定義2智能控制是驅(qū)動智能機器自主地實現(xiàn)其目標的過程.或者說,智能控制是一類無需人的干預就能夠獨立地驅(qū)動智能機器實現(xiàn)其目標的自動控制.對自主機器人的控制就是一例.1.3.1智能控制的定義基于智能機器的定義,智能控制(IC1381.3.1智能控制的定義相對于智能機器與智能控制(IC),傳統(tǒng)的自動控制的定義為：定義3(自動控制)自動控制是能按規(guī)定程序?qū)C器或裝置進行自動操作或控制的過程.簡單地說,不需要人工干預的控制就是自動控制.例如,一個裝置能夠自動接收所測得的過程物理變量,自動進行計算,然后對過程進行自動調(diào)節(jié)就是自動控制裝置.反饋控制、最優(yōu)控制、隨機控制、自適應控制和自學習控制等均屬自動控制.1.3.1智能控制的定義相對于智能機器與智能控制(IC),1391.3.1智能控制的定義下面是關(guān)于智能控制系統(tǒng)(ICS)的定義.定義4用于驅(qū)動自主智能機器以實現(xiàn)其目標而無需操作人員干預的系統(tǒng)叫智能控制系統(tǒng).這類系統(tǒng)必須具有智能調(diào)度和執(zhí)行等能力.1.3.1智能控制的定義下面是關(guān)于智能控制系統(tǒng)(ICS)的1401.3.2智能控制與傳統(tǒng)控制的關(guān)系和差別IC與傳統(tǒng)控制的差別:涉及的范圍:IC的范圍包括了比傳統(tǒng)控制的范圍更一般的范圍.控制的目標:智能的目標尋求在巨大的不確定環(huán)境中,獲得整體的優(yōu)化.1.3.2智能控制與傳統(tǒng)控制的關(guān)系和差別IC與傳統(tǒng)控制的差1411.4智能控制的結(jié)構(gòu)理論自從傅京孫1971年提出把IC作為AI和自動控制的交接領(lǐng)域以來,許多研究人員試圖建立起IC這一新學科.他們提出一些有關(guān)ICS結(jié)構(gòu)的思想,有助于對IC的進一步認識.IC具有一門邊緣交叉學科,十分明顯的跨學科(多元)結(jié)構(gòu)特點.在實際應用中,各種IC與各種相關(guān)的基礎理論與方法的集成顯得非常重要的.IC的發(fā)展需要各相關(guān)學科的配合與支援,同時也要求IC工程師是個知識工程師.1.4智能控制的結(jié)構(gòu)理論自從傅京孫1971年提出把IC作為1421.4.1二元結(jié)構(gòu)傅京孫曾對幾個與學習控制(learningcontrol)有關(guān)的領(lǐng)域進行了研究.這些研究領(lǐng)域是:含有擬人控制器的控制系統(tǒng);含有人-機控制器的控制系統(tǒng);自主機器人系統(tǒng).1.4.1二元結(jié)構(gòu)傅京孫曾對幾個與學習控制(learnin1431.4智能控制的結(jié)構(gòu)理論在此,我們主要討論IC的二元交集結(jié)構(gòu)和三元交集結(jié)構(gòu)兩種思想,它們分別由下列各交集(通集)表示:IC=AIACIC=AIACOR1.4智能控制的結(jié)構(gòu)理論在此,我們主要討論IC的二元交集結(jié)1441.4.1二元結(jié)構(gòu)我們可以用式IC=AIAC以及下圖來表示這種交接作用,并把它稱為二元交集結(jié)構(gòu).1.4.1二元結(jié)構(gòu)我們可以用式1451.4.2三元結(jié)構(gòu)薩里迪斯(Saridis)于1977年提出SI三元IC結(jié)構(gòu),擴展了傅京孫的二元結(jié)構(gòu),即把IC看作為AI、自動控制和運籌學的交接,如下圖所示.1.4.2三元結(jié)構(gòu)薩里迪斯(Saridis)于1977年提1461.4.2三元結(jié)構(gòu)我們可以用式IC=AIACOR來描述這種結(jié)構(gòu).Saridis認為,構(gòu)成二元交集結(jié)構(gòu)的兩元互相支配,無助于