智能控制理論及應(yīng)用

智能控制理論及應(yīng)用第1頁(yè)，課件共20頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一章緒論學(xué)習(xí)智能控制的意義1智能控制的產(chǎn)生和發(fā)展2智能控制的定義和特點(diǎn)3智能控制的主要形式4智能控制的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)5第2頁(yè)，課件共20頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.1學(xué)習(xí)智能控制的意義《智能控制》在自動(dòng)化課程體系中的位置《智能控制》是一門控制理論課程，研究如何運(yùn)用人工智能的方法來(lái)構(gòu)造控制系統(tǒng)和設(shè)計(jì)控制器。與《自動(dòng)控制原理》和《現(xiàn)代控制原理》一起構(gòu)成了自動(dòng)控制課程體系的理論基礎(chǔ)。《智能控制》在控制理論中的位置《智能控制》是目前控制理論的最高級(jí)形式，代表了控制理論的發(fā)展趨勢(shì)，能有效地處理復(fù)雜的控制問(wèn)題。其相關(guān)技術(shù)可以推廣應(yīng)用于控制之外的領(lǐng)域：金融、管理、土木、設(shè)計(jì)等等。第3頁(yè)，課件共20頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.2智能控制的產(chǎn)生和發(fā)展產(chǎn)生的背景經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論智能控制理論對(duì)由微分方程和差分方程描述的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行控制研究的是單變量常系數(shù)線性系統(tǒng)只適用于單輸入單輸出控制系統(tǒng)(SISO)控制對(duì)象由單輸入單輸出系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)槎噍斎硕噍敵鱿到y(tǒng)；系統(tǒng)信息的獲得由借助傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)榻柚鸂顟B(tài)模型；研究方法由積分變換轉(zhuǎn)向矩陣?yán)碚摗缀畏椒?，由頻率方法轉(zhuǎn)向狀態(tài)空間的研究；由機(jī)理建模向統(tǒng)計(jì)建模轉(zhuǎn)變，開始采用參數(shù)估計(jì)和系統(tǒng)辨識(shí)理論適用大型、復(fù)雜、高維、非線性和不確定性嚴(yán)重的對(duì)象不依賴對(duì)象模型，適用于未知或不確定性嚴(yán)重的對(duì)象具有人類智能的特征能夠表達(dá)定性的知識(shí)或具有自學(xué)習(xí)能力第4頁(yè)，課件共20頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.2智能控制的產(chǎn)生和發(fā)展智能控制的兩個(gè)發(fā)展方向

模擬人類的專家控制經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行控制智能控制模擬人類的學(xué)習(xí)能力來(lái)進(jìn)行控制第5頁(yè)，課件共20頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.2智能控制的產(chǎn)生和發(fā)展智能控制的三個(gè)發(fā)展階段

現(xiàn)在發(fā)展期形成期萌芽期196019701980第6頁(yè)，課件共20頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.2智能控制的產(chǎn)生和發(fā)展1）萌芽期（1960－1970）1960年代初，F(xiàn).W.Smiths首先采用性能模式識(shí)別器來(lái)學(xué)習(xí)最優(yōu)控制方法1965年，加利福尼亞大學(xué)的扎德(L.A.Zadeh)教授提出了模糊集合理論1965年，美國(guó)的Feigenbaum著手研制世界上第一個(gè)專家系統(tǒng)1965年，普渡大學(xué)傅京孫教授將人工智能中的直覺(jué)推理方法用于學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)。1966年Mendel在空間飛行器學(xué)習(xí)系統(tǒng)中應(yīng)用了人工智能技術(shù)，并提出了“人工智能控制”的概念。1967年，Leondes等人首先正式使用“智能控制”一詞，并把記憶、目標(biāo)分解等一些簡(jiǎn)單的人工智能技術(shù)用于學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)處理不確定性問(wèn)題的能力。這標(biāo)志著智能控制的思想已經(jīng)萌芽。第7頁(yè)，課件共20頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.2智能控制的產(chǎn)生和發(fā)展2）形成期（1970－1980）1970年代初，傅京孫等人從控制論的角度進(jìn)一步總結(jié)了人工智能技術(shù)與自適應(yīng)、自組織、自學(xué)習(xí)控制的關(guān)系，正式提出智能控制是人工智能技術(shù)與控制理論的交叉，并在核反應(yīng)堆、城市交通的控制中成功地應(yīng)用了智能控制系統(tǒng)。1970年代中期，智能控制在模糊控制的應(yīng)用上取得了重要的進(jìn)展。1974年英國(guó)倫敦大學(xué)瑪麗皇后分校的E.H.Mamdani教授把模糊理論用于控制領(lǐng)域，把扎德教授提出的IF～THEN～型模糊規(guī)則用于模糊推理，再把這種推理用于蒸汽機(jī)的自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)中．通過(guò)實(shí)驗(yàn)取得良好的結(jié)果。1977年，薩里迪斯(Saridis)提出了智能控制的三元結(jié)構(gòu)定義，即把智能控制看作為人工智能、自動(dòng)控制和運(yùn)籌學(xué)的交叉。1970年代后期起，把規(guī)則型模糊推理用于控制領(lǐng)域的研究頗為盛行。1979年，Mandani又成功研制出自組織模糊控制器，使得模糊控制器具有了較高的智能。第8頁(yè)，課件共20頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.2智能控制的產(chǎn)生和發(fā)展3）發(fā)展期（1980－）1982年，F(xiàn)ox等人完成了一個(gè)稱為ISIS的加工車間調(diào)度的專家系統(tǒng)1982年，Hopfield引用能量函數(shù)的概念，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的平衡穩(wěn)定狀態(tài)有了明確的判據(jù)方法，并利用模擬電路的基本元件構(gòu)作了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的硬件模型，為實(shí)現(xiàn)硬件奠定了基礎(chǔ)，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究取得突破性進(jìn)展1985年，IEEE在紐約召開了第一屆全球智能控制學(xué)術(shù)討論會(huì)，標(biāo)志著智能控制作為一個(gè)學(xué)科分支正式被學(xué)術(shù)界接受。1986年，Rumelhart提出多層網(wǎng)絡(luò)的“遞推”(或稱“反傳”)學(xué)習(xí)算法，簡(jiǎn)稱BP算法，從實(shí)踐上證實(shí)了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的運(yùn)算能力，BP算法是最為引人注目，應(yīng)用最廣的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法之一1987年在費(fèi)城舉行的國(guó)際智能控制會(huì)議上，提出了智能控制是自動(dòng)控制，人工智能、運(yùn)疇學(xué)相結(jié)合或自動(dòng)控制、人工智能、運(yùn)疇學(xué)和信息論相結(jié)合的說(shuō)法。此后，每年舉行一次全球智能控制研討會(huì)，形成了智能控制的研究熱潮。第9頁(yè)，課件共20頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.3智能控制的定義和特點(diǎn)智能控制的定義IEEE定義：智能控制必須具有模擬人類學(xué)習(xí)和自適應(yīng)的能力。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)智能控制系統(tǒng)要具有對(duì)環(huán)境的敏感，進(jìn)行決策和控制的功能，根據(jù)其性能要求的不同．可以有各種人工智能的水平。分析、組織數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)變換為機(jī)器理解的結(jié)構(gòu)化信息的能力；在復(fù)雜環(huán)境中選取優(yōu)化行為，使系統(tǒng)能在不確定情況下繼續(xù)工作的能力。具有辯識(shí)對(duì)象和事件、在客觀世界模型中獲取和表達(dá)知識(shí)、進(jìn)行思考和計(jì)劃未來(lái)行動(dòng)的具有感知環(huán)境、作出決策和控制的能力高級(jí)較高簡(jiǎn)單第10頁(yè)，課件共20頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.3智能控制的定義和特點(diǎn)智能控制的特點(diǎn)應(yīng)能為復(fù)雜系統(tǒng)（如非線性、快時(shí)變、多變量、強(qiáng)耦合、不確定性等）進(jìn)行有效的全局控制，并具有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力；是定性決策和定量控制相結(jié)合的多模態(tài)組合控制；其基本目的是從系統(tǒng)的功能和整體優(yōu)化的角度來(lái)分析和綜合系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的目標(biāo)，并應(yīng)具有自組織能力。是同時(shí)具有以知識(shí)表示的非數(shù)學(xué)廣義模型和以數(shù)學(xué)表示的數(shù)學(xué)模型的混合控制過(guò)程，系統(tǒng)在信息處理上，既有數(shù)學(xué)運(yùn)算，又有邏輯和知識(shí)推理。第11頁(yè)，課件共20頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.4智能控制的主要形式智能控制BECDA分級(jí)遞階智能控制模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制仿人智能控制專家控制F各種方法的綜合集成第12頁(yè)，課件共20頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.4智能控制的主要形式組織級(jí)起主導(dǎo)作用，涉及知識(shí)的表示與處理，主要應(yīng)用人工智能；協(xié)調(diào)級(jí)在組織級(jí)和執(zhí)行級(jí)間起連接作用，涉及決策方式及其表示，采用人工智能及運(yùn)籌學(xué)實(shí)現(xiàn)控制；執(zhí)行級(jí)是底層，具有很高的控制精度，采用常規(guī)自動(dòng)控制。組織級(jí)協(xié)調(diào)級(jí)執(zhí)行級(jí)精度智能基于信息論的分級(jí)遞階智能控制

三級(jí)分級(jí)遞階智能控制系統(tǒng)是由G．N．Saridis于1977年提出的。該系統(tǒng)由組織級(jí)、協(xié)調(diào)級(jí)和執(zhí)行級(jí)組成，遵循“精度遞增伴隨智能遞減”的原則。第13頁(yè)，課件共20頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.4智能控制的主要形式以模糊系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)的模糊控制

人類最初對(duì)事物的認(rèn)識(shí)來(lái)看，都是定性的、模糊的和非精確的，因而將模糊信息引入智能控制具有現(xiàn)實(shí)的意義。模糊邏輯在控制領(lǐng)域的應(yīng)用稱為模糊控制。它的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)成一系列以“IF（條件）THEN（作用）”形式表示的控制規(guī)則，通過(guò)模糊推理得到控制作用集，作用于被控對(duì)象或過(guò)程。第14頁(yè)，課件共20頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.4智能控制的主要形式基于腦模型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用仿生學(xué)的觀點(diǎn)與方法來(lái)研究人腦和智能系統(tǒng)中的高級(jí)信息處理。第15頁(yè)，課件共20頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.4智能控制的主要形式基于知識(shí)工程的專家控制系統(tǒng)專家控制可定義為：具有模糊專家智能的功能，采用專家系統(tǒng)技術(shù)與控制理論相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。第16頁(yè)，課件共20頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.4智能控制的主要形式基于規(guī)則的仿人智能控制仿人智能控制的核心思想是在控制過(guò)程中，利用計(jì)算機(jī)模擬人的控制行為功能，最大限度地識(shí)別和利用控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程提供的特征信息，進(jìn)行啟發(fā)和直覺(jué)推理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)缺乏精確模型的對(duì)象迸行有效的控制。其基本原理是模仿人的啟發(fā)式直覺(jué)推理邏輯，即通過(guò)特征辯識(shí)判斷系統(tǒng)當(dāng)前所處的特怔狀態(tài)，確定控制的策略，進(jìn)行多模態(tài)控制。第17頁(yè)，課件共20頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.4智能控制的主要形式各種方法的綜合集成模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模糊專家控制模糊PID控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)魯棒控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制……第18頁(yè)，課件共20頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.5智能控制的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)智能控制的基礎(chǔ)理論和方法研究；智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究；知識(shí)系統(tǒng)和專家控制的研究；模糊控制系統(tǒng)的研究；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究；基于進(jìn)化理論的學(xué)習(xí)控制研究；模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的研究；智能控制與其它控制方法結(jié)合的研究目前的主要研究方向和內(nèi)容第19頁(yè)，課件共20頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.5智能控制的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)發(fā)展趨勢(shì)智能控制理論的進(jìn)一步研究，尤其是智能控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的理論研究。