第一講 緒論 智能控制

智能控制理論與技術(shù)徐華中Email：wutxhz@163.comTel材：劉金琨著，智能控制（第2版），電子工業(yè)出版社，2012年參考書:鞏敦衛(wèi)，智能控制技術(shù)簡明教程，國防工業(yè)出版社，2010年韓璞，智能控制理論及應(yīng)用，中國電力出版社2013年孫增圻，智能控制理論與技術(shù)（第2版），清華大學(xué)出版社，2011年第一章緒論1.1.1自動控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展

1788年英國Watt發(fā)明了控制蒸汽機(jī)速度的離心式調(diào)速器，這種采用機(jī)械式調(diào)節(jié)原理實(shí)現(xiàn)的動力機(jī)速度自動控制是自動化發(fā)展中的第一個(gè)里程碑。

1.1智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展1.1.1自動控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展1868年，以離心式調(diào)速器為背景，物理學(xué)家麥克斯韋爾(Maxwell)研究了反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，發(fā)表了目前公認(rèn)的控制理論最早的理論論文——“論調(diào)速器(OnGovernors)”。隨后，源自物理學(xué)與數(shù)學(xué)的自動控制理論(在當(dāng)時(shí)稱為自動調(diào)節(jié)原理，簡稱調(diào)節(jié)原理)開始逐步形成。第一章緒論1.1.1自動控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展

1892年，俄國李亞普諾夫(Lyapunov)的博士論文——“論運(yùn)動穩(wěn)定性的一般問題”，提出了李亞普諾夫(Lyapunov)穩(wěn)定理論。

1922年，美國N.Minorsky研制出用于船舶駕駛的伺服結(jié)構(gòu)，提出了PID控制律。

1942年尼克爾斯Nichols提出了回路整定技術(shù)(PID整定表和設(shè)計(jì)用的尼可爾斯圖)。第一章緒論1.1.1自動控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展經(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第一章緒論1.1.1自動控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展現(xiàn)代控制理論具有多個(gè)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第一章緒論1.1.1自動控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展

現(xiàn)代控制理論面臨的困難和挑戰(zhàn)激發(fā)了對大系統(tǒng)、復(fù)雜系統(tǒng)乃至復(fù)雜巨系統(tǒng)的研究，并由此產(chǎn)生了70年代的大系統(tǒng)理論；而對系統(tǒng)論的進(jìn)一步研究，使得系統(tǒng)和系統(tǒng)工程的方法受到控制科學(xué)家與工程師的日益重視。20世紀(jì)80年代產(chǎn)生了多變量魯棒控制理論，該理論引人了一些有效方法，使存在不確定性因素的情況下，控制系統(tǒng)依然能實(shí)現(xiàn)期望的閉環(huán)特性。第一章緒論2023/10/24

自動控制（自動化）是一門交叉學(xué)科自適應(yīng)控制非線性控制自動化科學(xué)研究混雜控制幾何控制ANN控制離散動態(tài)控制理論模糊控制社會、經(jīng)濟(jì)、人口、環(huán)境等復(fù)雜系統(tǒng)社會控制論經(jīng)濟(jì)控制論人口控制論系統(tǒng)科學(xué)思想系統(tǒng)工程方法第一章緒論控制科學(xué)的結(jié)構(gòu)1.1.2智能控制的提出傳統(tǒng)的自動控制方法是基于被控對象精確模型的控制方式，缺乏靈活性和應(yīng)變能力，適于解決線性、時(shí)不變性等相對簡單的控制問題，難以解決對復(fù)雜系統(tǒng)的控制。在傳統(tǒng)控制的實(shí)際應(yīng)用遇到很多難解決的問題。第一章緒論2023/10/24理論與實(shí)際應(yīng)用存在很大差距PID在實(shí)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(jì)算機(jī)；●實(shí)際應(yīng)用情況的復(fù)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。2023/10/24

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：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(jī)構(gòu)、動態(tài)突變、多時(shí)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)。

2023/10/242.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(gè)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(shí)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)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2023/10/24（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(jì)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(diǎn)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(jī)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)生了模擬人類思維和活動的智能控制。2023/10/24◆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(dá)到行為的子目標(biāo)，以支持系統(tǒng)實(shí)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1.1.3智能控制的概念

2023/10/24高級智能：理解和覺察能力，在復(fù)雜和險(xiǎn)惡環(huán)境環(huán)境中進(jìn)行選擇的能力，力求生存和進(jìn)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。2023/10/24

◆按人類的認(rèn)知的過程定義(A.Meystel)

智能是系統(tǒng)的一個(gè)特征，當(dāng)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(shí)，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FACSG2023/10/24◆按機(jī)器智能定義(Saridis)

機(jī)器智能是把信息進(jìn)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(jī)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(dá)到最優(yōu)或次優(yōu)的結(jié)果。機(jī)器智能2023/10/24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1.1.3智能控制的概念

智能控制是一門交叉學(xué)科，著名美籍華人傅京遜教授1971年首先提出智能控制是人工智能與自動控制的交叉，即二元論。美國學(xué)者G.N.Saridis1977年在此基礎(chǔ)上引入運(yùn)籌學(xué)，提出了三元論的智能控制概念，即IC=AC∩AI∩OR式中各子集的含義為IC——智能控制（IntelligentControl）AI——人工智能（ArtificialIntelligence）AC——自動控制（AutomaticControl）OR——運(yùn)籌學(xué)（OperationalResearch）第一章緒論基于三元論的智能控制

第一章緒論人工智能（AI）是一個(gè)用來模擬人思維的知識處理系統(tǒng)，具有記憶、學(xué)習(xí)、信息處理、形式語言、啟發(fā)推理等功能。自動控制（AC）描述系統(tǒng)的動力學(xué)特性，是一種動態(tài)反饋。運(yùn)籌學(xué)（OR）是一種定量優(yōu)化方法，如線性規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、調(diào)度、管理、優(yōu)化決策和多目標(biāo)優(yōu)化方法等。第一章緒論

三元論除了“智能”與“控制”外還強(qiáng)調(diào)了更高層次控制中調(diào)度、規(guī)劃和管理的作用，為遞階智能控制提供了理論依據(jù)。第一章緒論2023/10/24智能控制的定義一:智能控制是由智能機(jī)器自主地實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的過程。而智能機(jī)器則定義為，在結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化的、熟悉的或陌生的環(huán)境中，自主地或與人交互地執(zhí)行人類規(guī)定的任務(wù)的一種機(jī)器。

2023/10/24定義二:K.J.奧斯托羅姆則認(rèn)為，把人類具有的直覺推理和試湊法等智能加以形式化或機(jī)器模擬，并用于控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)中，以期在一定程度上實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的智能化，這就是智能控制。他還認(rèn)為自調(diào)節(jié)控制、自適應(yīng)控制就是智能控制的低級體現(xiàn)。2023/10/24定義三:智能控制是一類無需人的干預(yù)就能夠自主地驅(qū)動智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的自動控制，也是用計(jì)算機(jī)模擬人類智能的一個(gè)重要領(lǐng)域。2023/10/24所謂智能控制，即設(shè)計(jì)一個(gè)控制器（或系統(tǒng)），使之具有學(xué)習(xí)、抽象、推理、決策等功能，并能根據(jù)環(huán)境（包括被控對象或被控過程）信息的變化作出適應(yīng)性反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)由人來完成的任務(wù)。。1.1.4智能控制的發(fā)展(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(xué)習(xí)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(fù)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(fù)雜系統(tǒng)的控制問題提供了強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)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(xué)習(xí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并提出了“人工智能控制”的概念。

1971年著名學(xué)者博京遜從發(fā)展學(xué)習(xí)控制的角度首次正式提出智能控制這個(gè)新興的學(xué)科領(lǐng)域。這些標(biāo)志著智能控制的思想已經(jīng)萌芽。第一章緒論1.1.4智能控制的發(fā)展(2)形成期從70年代初開始，傅京孫等人從控制論角度進(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(jī)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(jī)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。第一章緒論1.1.4智能控制的發(fā)展(3)發(fā)展期

1982年Fox等人實(shí)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(jī)器人系統(tǒng)；1984年LISP公司研制成功用于分布式的實(shí)時(shí)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(gè)實(shí)驗(yàn)型的基于知識的實(shí)時(shí)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。第一章緒論1.1.4智能控制的發(fā)展(3)發(fā)展期

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(biāo)志著智能控制系統(tǒng)已由研制、開發(fā)階段轉(zhuǎn)向應(yīng)用階段。80年代中后期，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究獲得了重要進(jìn)展，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論和應(yīng)用研究為智能控制的研究起到了重要的促進(jìn)作用。第一章緒論1.1.4智能控制的發(fā)展(4)高潮期進(jìn)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(xué)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(xiàng)科研經(jīng)費(fèi)不斷增加。1994年6月IEEE組織（國際電氣電子工程師協(xié)會）在美國奧蘭多召開的全球計(jì)算智能大會，將研究智能控制的重要基礎(chǔ)——模糊系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、進(jìn)化計(jì)算三個(gè)新學(xué)科的內(nèi)容綜合在一起，引起了國際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。第一章緒論1.1.4智能控制的發(fā)展(4)高潮期智能控制在80年代的應(yīng)用和研究主要是面向工業(yè)過程控制，90年代以來，智能控制的應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)大到面向軍事、高技術(shù)領(lǐng)域和日用家電產(chǎn)品等領(lǐng)域。第一章緒論1985年8月，IEEE在美國紐約召開了第一界智能控制學(xué)術(shù)討論會，隨后成立了IEEE智能控制專業(yè)委員會；1987年1月，在美國舉行第一次國際智能控制大會，標(biāo)志智能控制領(lǐng)域的形成。

第一章緒論2023/10/24智能控制與傳統(tǒng)控制的關(guān)系傳統(tǒng)控制（Conventionalcontrol）：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(shí)不變等相對簡單的控制問題。智能控制（Intelligentcontrol）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(gè)組成部分，在這個(gè)意義下，兩者可以統(tǒng)一在智能控制的框架下。2023/10/24智能控制與傳統(tǒng)控制的差別●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)：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。1.2智能控制系統(tǒng)的主要類型

1965年L．A．扎德教授創(chuàng)立了模糊集合理論，為模糊