神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊控制及專家系統(tǒng)第一章output

主要教學參考書教材：王耀南，智能控制系統(tǒng)——模糊邏輯、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡控制，湖南大學出版社，1996主要參考書:[1]王永驥，涂健，神經(jīng)元網(wǎng)絡控制，機械工業(yè)出版社，1998[2]諸靜，模糊控制原理與應用，機械工業(yè)出版社，1995[3]C.H.Chen,Fuzzylogicandneuralnetworkhandbook,NewYork:McGraw-Hill,c1996[4]SimonHaykin,Neuralnetworks:acomprehensivefoundation,Beijing:TsinghuaUniversityPress,2001[5]KevinM.Passino,StephenYurkovich,Fuzzycontrol,Beijing:TsinghuaUniversityPress,2001當前1頁，總共52頁。[6]SpyrosG.Tzafestas,Methodsandapplicationsofintelligentcontrol,Dordrecht:KluwerAcademicPub.,1997[7]Zi-XingCai,Intelligentcontrol:principles,techniquesandapplications,Singapore:WorldScientific,1997[8]王偉，人工神經(jīng)網(wǎng)絡原理——入門與應用，北京航空航天大學出版社，1995[9]閻平凡，張長水，人工神經(jīng)網(wǎng)絡與模擬進化計算，清華大學出版社，2000[10]楊輝，王金章，模糊控制技術及其應用，江西科學技術出版社，1997[11]劉增良，劉有才，模糊邏輯與神經(jīng)網(wǎng)絡——理論研究與探索，北京航空航天大學出版社，1996[12]張乃堯，閻平凡，神經(jīng)網(wǎng)絡與模糊控制，清華大學出版社，1996[13]史忠科，神經(jīng)網(wǎng)絡控制理論，西北工業(yè)大學出版社，1997主要教學參考書當前2頁，總共52頁。先修內(nèi)容現(xiàn)代控制理論或線性系統(tǒng)線性代數(shù)或矩陣分析MATLAB語言當前3頁，總共52頁。第一部分概述（3）第二部分模糊控制（12）第三部分神經(jīng)網(wǎng)絡（10）第四部分集成智能控制系統(tǒng)（7）課程安排第一章緒論第二章模糊控制的數(shù)學基礎第三章

模糊控制的基礎理論第四章模糊控制系統(tǒng)與模糊控制器第五章常用人工神經(jīng)網(wǎng)絡原理及學習算法第六章神經(jīng)網(wǎng)絡控制器設計第七章集成智能控制系統(tǒng)理論第八章其他智能控制總學時:32學時，1-8周，每周4學時

當前4頁，總共52頁。當前5頁，總共52頁。當前6頁，總共52頁。當前7頁，總共52頁。當前8頁，總共52頁。智能家居開關圖示

當前9頁，總共52頁。

世界上最小機器人身高只有16.5厘米、體重僅有350克，但能在90種不同背景音樂的伴奏下行走、跳舞，還能聽懂10個語言命令、完成200多種動作、說出約180個短語！當前10頁，總共52頁。

資料圖片：一種能鉆入血管的機器人想象圖

當前11頁，總共52頁。

北京一家企業(yè)展出的機器人在演奏架子鼓當前12頁，總共52頁。

懂得“甜言蜜語”的會話機器人逗得女客商笑逐顏開當前13頁，總共52頁。

哈工大計算機學院展出的機器人隨著音樂表演團體操

當前14頁，總共52頁。

一名客商在和漢服裝扮的機器人交流當前15頁，總共52頁。高精度仿真機器人當前16頁，總共52頁。

空中機器人比賽當前17頁，總共52頁。

水中機器人比賽當前18頁，總共52頁。

舞蹈機器人比賽當前19頁，總共52頁。

中國載人航天工程是我國航天史上迄今為止規(guī)模最大、系統(tǒng)組成最復雜、技術難度和安全可靠性要求最高的跨世紀國家重點工程，包括：航天員、空間應用、載人飛船、運載火箭、發(fā)射場、測控通信、著陸場、空間實驗室等八大系統(tǒng)組成。在工程實施方面主要又包括：衛(wèi)星、神舟載人飛船和嫦娥探月三大系統(tǒng)。載人航天當前20頁，總共52頁。

衛(wèi)星測控地面測控站我國已建成了比較完整的陸?；鶞y控網(wǎng)，能完成從近地軌道衛(wèi)星到地球同步衛(wèi)星的測控任務。我國的測控技術的某些方面己處于國際先進水平。測控是工程控制科學與通信技術結合的一體化工程，其特點有：1）多任務測控；2)深空跟蹤；3）衛(wèi)星測控設備；4）測控和通信。當前21頁，總共52頁。第一部分概論第一章緒論（3學時）1.1控制理論發(fā)展的幾個階段1.2智能控制的基本設計方法1.1.1.古典控制論（經(jīng)典控制論階段）1.1.2.現(xiàn)代控制理論（20世紀60年代）1.1.3.智能控制理論（20世紀70年代）1.2.1模糊控制（Fuzzycontrol)1.2.2神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)（Neuralnetworkcontrol)1.2.3專家控制系統(tǒng)（湖南大學出版社）當前22頁，總共52頁。1.1控制理論發(fā)展的幾個階段19世紀對具有調速器的蒸汽發(fā)動機系統(tǒng)進行線性常微分方程的描述及穩(wěn)定性分析19世紀勞斯判據(jù)（1872）胡爾維茨（1890）李亞譜諾夫（1892）20世紀乃式判據(jù)（1932）1.1.1古典控制論（經(jīng)典控制論階段）1.1.2現(xiàn)代控制理論（20世紀60年代）1.1.3智能控制理論（20世紀70年代）Fig.1-1當前23頁，總共52頁。1.1.1.古典控制論（經(jīng)典控制論階段）50年代前后的控制理論被稱為“自動調節(jié)原理”對象I：

單入、單出（SISO）、線性定常系統(tǒng)頻域理論：傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡分布波德伊凡思BootLotusBodeplot伊凡思的根軌跡法BodeEvans勞斯（）—赫爾維茨（Hurwitz）代數(shù)判據(jù)奈奎斯特（H.Nyquist）穩(wěn)定性判據(jù)對象II：非線性系統(tǒng)描述函數(shù)分析龐加萊（Poincare）的相平面分析法1.1控制理論發(fā)展的幾個階段當前24頁，總共52頁。1.1.2.現(xiàn)代控制理論（20世紀60年代）對象MIMO非線性——時變線性——定常時域理論狀態(tài)方程（1）能控性能觀測性（2）李亞譜諾夫的穩(wěn)定性理論（直接法）和李亞譜諾夫函數(shù)（亦稱V函數(shù)）（無須求解）（3）統(tǒng)計函數(shù)理論相關函數(shù)的系統(tǒng)動態(tài)特定測量方法（即系統(tǒng)識別）和卡爾漫濾波理論（4）系統(tǒng)最佳控制系統(tǒng)性能指標泛函最小模型精確對象參數(shù)發(fā)生變化數(shù)學模型不準確線性系統(tǒng)理論最優(yōu)控制理論系統(tǒng)辨識隨機控制理論缺陷設計方法越來越數(shù)學化依賴理解化的精確的對象數(shù)學模型實際生產(chǎn)過程中有許多需要靠操作人員的知識和邏輯思維來解決的問題，現(xiàn)代控制理論顯得無能為力?？刂扑惴ㄝ^為理想化（高維、強耦合、時變、非線性及分布參數(shù)等系統(tǒng)、缺乏實用、簡便及有效的分析和綜合方法）1.1控制理論發(fā)展的幾個階段自適應控制魯棒控制改變自動控制律的參數(shù)或結構考慮對象參數(shù)的變化（一定范圍內(nèi)）不改變控制器的參數(shù)或結構極大值原理（蘇聯(lián)學者龐特里亞金）哈密爾頓—雅可比（Hamilton-Jacobi）貝爾曼（Bellman）當前25頁，總共52頁。1.1.3.智能控制理論（20世紀70年代）隨著計算機技術得飛速進展系統(tǒng)信息的模糊性、不確定性、偶然性和不完全性采用人工智能的邏輯推理啟發(fā)式知識，專家系統(tǒng)等模型可以不知道或不確知原因導致（1）傅京孫教授人—機控制器、機器人（2）教授空間飛行器1967,Leondes和Mendel（3）70年代，傅京孫，Glorioso和Saridi等人或提出建立智能控制理論的構思（4）1985年8月，美國紐約PRI。IEEE召開的智能控制專題討論會，標志著智能控制作為一個新的學科分支被控制界公認。（5）1987年開始，每年一次智能控制國際研討會首次提出“人工智能控制”得概念低層次控制中——常規(guī)控制器高層次智能決策——擬人化功能與經(jīng)典控制論和現(xiàn)代控制論不同：

研究的主要目標不在于被控對象，而是控制器本身，控制器不再是單一的數(shù)學解析型，而是數(shù)學解析和知識系統(tǒng)相結合的廣義模型，是多種學科知識控制的系統(tǒng)。1.1控制理論發(fā)展的幾個階段當前26頁，總共52頁。先驗智能——有關控制對象及干擾的先驗知識，可以從一開始就考慮在控制系統(tǒng)的設計中反應性智能——在實時監(jiān)控、辨識及診斷基礎上對系統(tǒng)及環(huán)境變化的正確反應能力優(yōu)化智能——包括對系統(tǒng)性能的先驗性優(yōu)化及反應性優(yōu)化組織與協(xié)調智能——表現(xiàn)為對并行耦合任務或子系統(tǒng)之間的有效管理與協(xié)調智能控制系統(tǒng)的特點（1）“智能遞增，精度遞降”的一般組織結構的基本原理（2）開、閉環(huán)控制結合，定性與定量控制結合的多模態(tài)控制（3）具備學習功能、適應功能和組織功能（4）以知識表示的非數(shù)學廣義模型和數(shù)學模型表示的混合控制過程。數(shù)學運算，符號運算的邏輯推理相結合（5）邊緣交叉學科“智能”的分類1.1控制理論發(fā)展的幾個階段Fig.1-21.1.3.智能控制理論（20世紀70年代）當前27頁，總共52頁。1.2智能控制的基本設計方法

基于模糊推理和計算的模糊控制器If—then—,Rule—basedControl基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的神經(jīng)網(wǎng)絡控制器NeuralNetwork基于專家系統(tǒng)的專家智能控制ExpertSystem基于信息論、遺傳算法和以上3種方法的集成型智能控制幾種基本的設計方法當前28頁，總共52頁。1.2智能控制的基本設計方法

1.2.1模糊控制（Fuzzycontrol)1965年Fig.1-3(1)定義模糊子集，建立模糊控制規(guī)則(2)由基本論域轉變?yōu)槟：险撚?3)模糊關系矩陣運算(4)模糊推理合成，求出控制輸出模糊子集(5)進行逆模糊運算，判決，得到精確控制量模糊化推理當前29頁，總共52頁。優(yōu)點：缺陷:無需建立數(shù)學模型魯棒性、對非線性、時變、時滯系統(tǒng)離線計算控制查詢表、提高系統(tǒng)實時性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經(jīng)驗控制可解決不確定系統(tǒng)智能控制基礎信息簡單的模糊處理設計缺乏系統(tǒng)性控制精度降低，動態(tài)品質變差導致提高精度規(guī)則搜索范圍擴大，決策速度降低，不能實時控制導致規(guī)則的選擇、論域的選擇，模糊集的定義，量化因子的選取多采用試湊法復雜性========精確性不相容原理1.2智能控制的基本設計方法

1.2.1模糊控制（Fuzzycontrol)當前30頁，總共52頁。模糊控制研究分支(1)穩(wěn)定性(2)模糊模型及辨識(3)模糊最優(yōu)控制(4)模糊自組織控制(5)模糊自適應控制(6)傳統(tǒng)PID與Fuzzy相結合的多模態(tài)模糊控制器Fig.1-4模糊控制在控制領域中的重要地位與作用1.2智能控制的基本設計方法

1.2.1模糊控制（Fuzzycontrol)當前31頁，總共52頁。1.2智能控制的基本設計方法

1.2.1模糊控制（Fuzzycontrol)發(fā)展史當前32頁，總共52頁。1.2智能控制的基本設計方法

1.2.1模糊控制（Fuzzycontrol)Fig.1-5模糊系統(tǒng)相關圖當前33頁，總共52頁。1.2智能控制的基本設計方法

1.2.1模糊控制（Fuzzycontrol)模糊系統(tǒng)研究計劃模糊理論與基本技術人類功能實現(xiàn)與人-機界面人類智能信息處理過程及自然現(xiàn)象、社會現(xiàn)象剖析模糊邏輯模糊推理算法模糊計算機開發(fā)的基礎技術（如：編程語言與體系結構、模擬模糊存儲器等）模糊控制技術識別技術感覺信息處理過程的模型化人-機界面技術高速、不穩(wěn)定系統(tǒng)的智能控制未知結構系統(tǒng)的智能控制實時圖象理解手寫體文字識別智能信息處理技術（如智能評價系統(tǒng)檢索技術）人類行為和社會現(xiàn)象的解釋自然現(xiàn)象的解釋大系統(tǒng)可靠性評價面向經(jīng)營與社會問題的模糊方法論與模糊系統(tǒng)開發(fā)地震預測技術大氣污染寬域預測植物生長模型Fig.1-6模糊工程課題覆蓋圖當前34頁，總共52頁。1.2智能控制的基本設計方法

1.2.1模糊控制（Fuzzycontrol)歷史應用我國1979年開始

當前35頁，總共52頁。1.2智能控制的基本設計方法

1.2.1模糊控制（Fuzzycontrol)1984美國推出“模糊推理決策支持系統(tǒng)”1985-1996日本進入了模糊控制實用化時期——電視攝象機自動聚焦空調全自動洗衣機吸塵器

現(xiàn)代應用硬件產(chǎn)品：開發(fā)了“模糊控制用的通用系統(tǒng)”“模糊控制用的通用控制器”——以模糊推理來決定控制動作的算法作為控制系統(tǒng)核心，并且采用任何一條控制規(guī)則，均具有設定的相應功能的一種調節(jié)裝置。當前36頁，總共52頁。1.2智能控制的基本設計方法

1.2.1模糊控制（Fuzzycontrol)模糊控制工程大致要經(jīng)歷如下4個階段:模糊控制盛行階段模糊專家系統(tǒng)階段實現(xiàn)人與計算機之間的自然語言（通訊階段）模糊人工智能系統(tǒng)階段不是無判別地把所有的熟練操作者的知識收集起來,而是要用它來分析問題,提高宏系統(tǒng)的結構,如外匯兌換交易支持系統(tǒng)\圖象識別\自然語言解釋系統(tǒng),自治式機器人等簡單應用。如電器等，比現(xiàn)有的自動化機械具有更好的功能智能機器人——模糊專家系統(tǒng)在設備管理、醫(yī)療診斷、經(jīng)營支持、安全評價等方面普及隨機應變的詢問和解答能力、推理、判斷能力，難度大，可以從某一方面著手，如針對某一問題的對話決策型系統(tǒng)人——創(chuàng)造性思維人工智能——邏輯處理神經(jīng)網(wǎng)絡——學習功能綜合信息處理外語翻譯論文摘錄輔助設計經(jīng)營支持等結合當前37頁，總共52頁。1.2智能控制的基本設計方法

1.2.2神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)（Neuralnetworkcontrol)起源：生物神經(jīng)元Fig.1-7生物神經(jīng)元示意圖突觸：一個神經(jīng)元末梢與另一神經(jīng)元樹突或細胞體的接觸處稱為突觸。它是神經(jīng)元之間傳遞信息的輸入輸出接口。當前38頁，總共52頁。1.2智能控制的基本設計方法

1.2.2神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)（Neuralnetworkcontrol)信息處理與傳遞：Fig.1-8突觸結構示意圖傳遞信息過程：Fig.1-9傳遞信息過程當前39頁，總共52頁。1.2智能控制的基本設計方法

1.2.2神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)（Neuralnetworkcontrol)一個神經(jīng)元一串脈沖多個神經(jīng)元多個脈沖特點：人腦神經(jīng)網(wǎng)絡信息處理的特點：分布存儲與冗余性并行處理

信息處理與存儲合一

可塑性與自組織性

魯棒性Robust

分散到多個神經(jīng)元記憶容錯性。一旦一些被破壞，不至于丟失記憶成億個神經(jīng)元協(xié)同工作，與目前的“并行處理機”的機理不同大腦皮層的大部分突觸連接時后天由環(huán)境的激勵逐步形成的，隨環(huán)境刺激性質不同而不同。自組織性構成神經(jīng)網(wǎng)絡可塑性形成和改變神經(jīng)元之間突觸連接的現(xiàn)象長期短期一定的誤差和噪聲不會使網(wǎng)絡的性能惡化目前計算機存儲和處理分別屬于兩個獨立的部件，速度會受影響。當前40頁，總共52頁。1.2智能控制的基本設計方法

1.2.2神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)（Neuralnetworkcontrol)人工神經(jīng)元（抽象模擬人腦神經(jīng)元）1993年由MoCulloch和Pitts定義Fig.1-9人工神經(jīng)元模型加于輸入端上的輸入信號突觸連接權的系數(shù)，模擬突觸傳遞強度空間累加閾值神經(jīng)元相應函數(shù)當前41頁，總共52頁。1.2智能控制的基本設計方法

1.2.2神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)（Neuralnetworkcontrol)當前42頁，總共52頁。1.2智能控制的基本設計方法

1.2.2神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)（Neuralnetworkcontrol)人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型（構成）1.前向網(wǎng)絡（前饋網(wǎng)絡）FeedforwordNetwork每個神經(jīng)元只與前一層的神經(jīng)元相連接感知機

2.從輸出到輸入有反饋的前向網(wǎng)絡Fukushima網(wǎng)絡網(wǎng)絡本身是前向型的，但輸出到輸入之間有反饋回路3.層內(nèi)互連前向網(wǎng)絡（混合型網(wǎng)絡）層狀和網(wǎng)狀相結合同一層神經(jīng)元之間有連接如自組織競爭型神經(jīng)網(wǎng)絡當前43頁，總共52頁。1.2智能控制的基本設計方法

1.2.2神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)（Neuralnetworkcontrol)4.互連網(wǎng)絡（相互結合型網(wǎng)絡）局部互連全互連全互連是每個神經(jīng)元都與其它神經(jīng)元互連局部互連指互連只是局部的兩種全互連局部互連Hopfield網(wǎng)絡Boltzmann機分類方法有多種：如可以分類為有教師學習無教師學習當前44頁，總共52頁。1.2智能控制的基本設計方法

1.2.2神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)（Neuralnetworkcontrol)輸出輸入Fig.1-10Hebb學習規(guī)則圖示當前45頁，總共52頁。1.2智能控制的基本設計方法

1.2.2神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)（Neuralnetworkcontrol)例：當前46頁，總共52頁。1.2智能控制的基本設計方法

1.2.2神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)（Neuralnetworkcontrol)思考當前47頁，總共52頁。1.2智能控制的基本設計方法1.2.2神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)（Neuralnetworkcontrol)Fig.1-11當前48頁，總共52頁。1.2智能控制的基本設計方法

1.2.2神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)（Neuralnetworkcontrol)人工神經(jīng)網(wǎng)絡的發(fā)展與現(xiàn)狀50年代末F.Rosenblatt—感知機（Perceptron）第一個完整的人工神經(jīng)網(wǎng)絡

Hebb學習規(guī)則并行處理、分布存儲和學習1969年美MTT的M.Minsky和S.Papert編寫《Perceptron》一書單層感知機線性問題求解多層（隱含層）的非線性問題（悲觀理論？）70年代芬蘭T.Kohonen自組織映射理論美國自適應共振理論日本福島邦彥（K.Fukushima）認知機（Neocognitron）模型日本甘利?。⊿hunIchiAmari）神經(jīng)網(wǎng)絡的數(shù)學理論低谷1943年心理學家和數(shù)學家W.Pitts提出M-P模型1949年心理學家提出連接權的調整正比于兩相連神經(jīng)元之間激活值的乘積當前49頁，總共52頁。1.2智能控制的基本設計方法

1.2.2神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)（Neuralnetworkcontrol)1982年~1984年Hopfield網(wǎng)絡模型引入能量函數(shù)給出穩(wěn)定性判據(jù)1984年Hinton引入模擬退火B(yǎng)oltzmann機BW網(wǎng)絡模型1986年和兩本專著——EBP算法（誤差反向傳播）1987年美R.Hecht-Nielsen——對向傳播（CounterPropagation）1988年美——CNN細胞神經(jīng)網(wǎng)絡模型1987年國際神經(jīng)網(wǎng)絡學會1988年《N