智能控制第一講

關(guān)于智能控制第一講智能控制概述

智能控制是自動(dòng)控制發(fā)展的一個(gè)新階段，是人工智能、控制論、系統(tǒng)論和信息論等多種學(xué)科的綜合與集成，是當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

智能控制的基本概念智能控制系統(tǒng)的特點(diǎn)智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)理論智能控制與傳統(tǒng)控制的關(guān)系智能控制的研究對(duì)象智能控制的類(lèi)型智能控制的發(fā)展概述智能控制的學(xué)科基礎(chǔ)第2頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天智能控制的基本概念

智能控制已經(jīng)出現(xiàn)了相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間，并且已取得了初步的應(yīng)用成果.但是究竟什么是“智能”，什么是“智能控制”等問(wèn)題，至今仍沒(méi)有統(tǒng)一的定義。歸納起來(lái)，主要有如下四種說(shuō)法：

第3頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天智能控制的基本概念智能控制的定義一:智能控制是由智能機(jī)器自主地實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的過(guò)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(lèi)規(guī)定的任務(wù)的一種機(jī)器。

第4頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天定義二:K.J.奧斯托羅姆則認(rèn)為，把人類(lèi)具有的直覺(jué)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(jí)體現(xiàn)。智能控制的基本概念第5頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天定義三:智能控制是一類(lèi)無(wú)需人的干預(yù)就能夠自主地驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的自動(dòng)控制，也是用計(jì)算機(jī)模擬人類(lèi)智能的一個(gè)重要領(lǐng)域。智能控制的基本概念第6頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天定義四:

智能控制實(shí)際只是研究與模擬人類(lèi)智能活動(dòng)及其控制與信息傳遞過(guò)程的規(guī)律，研制具有仿人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)的一個(gè)新興分支學(xué)科。智能控制的基本概念第7頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天智能控制的特點(diǎn)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)模型表示的混合過(guò)程,，也往往是那些含有復(fù)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)學(xué)過(guò)程，并以知識(shí)進(jìn)行推理，以啟發(fā)引導(dǎo)求解過(guò)程;智能控制的核心在高層控制，即組織級(jí);

第8頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天智能控制器具有非線性特性;智能控制具有變結(jié)構(gòu)特點(diǎn);智能控制器具有總體自尋優(yōu)特性;智能控制系統(tǒng)應(yīng)能滿足多樣性目標(biāo)的高性能要求;智能控制是一門(mén)邊緣交叉學(xué)科;智能控制是一個(gè)新興的研究領(lǐng)域.智能控制的特點(diǎn)

第9頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天智能控制的結(jié)構(gòu)理論

智能控制的理論結(jié)構(gòu)明顯地具有多學(xué)科交叉的特點(diǎn)，許多研究人員試圖建立起智能控制這一新學(xué)科，他們提出了一些有關(guān)智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的思想。按照（傅京孫）等人提出的觀點(diǎn)，可以把智能控制看作是人工智能、自動(dòng)控制和運(yùn)籌學(xué)三個(gè)主要學(xué)科相結(jié)合的產(chǎn)物。稱(chēng)之為三元結(jié)構(gòu)。

第10頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天智能控制的結(jié)構(gòu)理論IC=AI∩AC∩ORIC─

智能控制(IntelligentControl);OR─運(yùn)籌學(xué)(OperationResearch）Al─人工智能(ArtificialIntelligence);AC一自動(dòng)控制(AutomaticControl);∩一表示交集.第11頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天智能控制的結(jié)構(gòu)理論人工智能（AI）：是一個(gè)知識(shí)處理系統(tǒng)，具有記憶、學(xué)習(xí)、信息處理、形式語(yǔ)言、啟發(fā)式推理等功能。自動(dòng)控制（AC）：描述系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性，是一種動(dòng)態(tài)反饋。運(yùn)籌學(xué)（OR）：是一種定量?jī)?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12頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天智能控制的結(jié)構(gòu)理論

智能控制就是應(yīng)用人工智能的理論與技術(shù)和運(yùn)籌學(xué)的優(yōu)化方法，并將其同控制理論方法與技術(shù)相結(jié)合，在未知環(huán)境下，仿效人的智能，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制?？梢?jiàn)，智能控制代表著自動(dòng)控制學(xué)科發(fā)展的最新進(jìn)程。第13頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天智能控制與傳統(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(duì)簡(jiǎn)單的控制問(wèn)題。智能控制（Intelligentcontrol）以上問(wèn)題用智能的方法同樣可以解決。智能控制是對(duì)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。第14頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天智能控制的研究對(duì)象智能控制主要應(yīng)用在以下情況：實(shí)際系統(tǒng)由于存在復(fù)雜性、非線性、時(shí)變性、不確定性和不完全性等，一般無(wú)法獲得精確的數(shù)學(xué)模型。應(yīng)用傳統(tǒng)控制理論進(jìn)行控制必須提出并遵循一些比較苛刻的線性化假設(shè)，而這些假設(shè)在應(yīng)用中往往與實(shí)際情況不相吻合。第15頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天智能控制的研究對(duì)象對(duì)于某些復(fù)雜的和飽含不確定性的控制過(guò)程，根本無(wú)法用傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型來(lái)表示，即無(wú)法解決建模問(wèn)題。為了提高控制性能，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)可能變得很復(fù)雜，從而增加了設(shè)備的投資，減低了系統(tǒng)的可靠性。第16頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天智能控制的類(lèi)型智能控制系統(tǒng)一般包括分級(jí)遞階控制系統(tǒng)專(zhuān)家控制系統(tǒng)神經(jīng)控制系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)集成或者（復(fù)合）混合控制：幾種方法和機(jī)制往往結(jié)合在一起，用于一個(gè)實(shí)際的智能控制系統(tǒng)或裝置，從而建立起混合或集成的智能控制系統(tǒng)。第17頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天分級(jí)遞階控制系統(tǒng)分級(jí)遞階智能控制是在自適應(yīng)控制和自組織控制基礎(chǔ)上，由美國(guó)普渡大學(xué)Saridis提出的智能控制理論。分級(jí)遞階智能控制(HierarchicalIntelligentControl)主要由三個(gè)控制級(jí)組成，按智能控制的高低分為組織級(jí)、協(xié)調(diào)級(jí)、執(zhí)行級(jí)，并且這三級(jí)遵循“伴隨智能遞降精度遞增”原則，其功能結(jié)構(gòu)如下圖所示。第18頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天第19頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天第20頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天分級(jí)遞階控制系統(tǒng)第21頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天分級(jí)遞階控制系統(tǒng)組織級(jí)(organizationlevel)：組織級(jí)通過(guò)人機(jī)接口和用戶(操作員)進(jìn)行交互，執(zhí)行最高決策的控制功能，監(jiān)視并指導(dǎo)協(xié)調(diào)級(jí)和執(zhí)行級(jí)的所有行為，其智能程度最高。協(xié)調(diào)級(jí)(Coordinationlevel)：協(xié)調(diào)級(jí)可進(jìn)一步劃分為兩個(gè)分層:控制管理分層和控制監(jiān)督分層。執(zhí)行級(jí)(executivelevel)：執(zhí)行級(jí)的控制過(guò)程通常是執(zhí)行一個(gè)確定的動(dòng)作。第22頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天專(zhuān)家控制系統(tǒng)（ExpertSystem）專(zhuān)家指的是那些對(duì)解決專(zhuān)門(mén)問(wèn)題非常熟悉的人們，他們的這種專(zhuān)門(mén)技術(shù)通常源于豐富的經(jīng)驗(yàn)，以及他們處理問(wèn)題的詳細(xì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)。專(zhuān)家系統(tǒng)主要指的是一個(gè)智能計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)，其內(nèi)部含有大量的某個(gè)領(lǐng)域?qū)＜宜降闹R(shí)與經(jīng)驗(yàn)，能夠利用人類(lèi)專(zhuān)家的知識(shí)和解決問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)方法來(lái)處理該領(lǐng)域的高水平難題.它具有啟發(fā)性、透明性、靈活性、符號(hào)操作、不一確定性推理等特點(diǎn)。應(yīng)用專(zhuān)家系統(tǒng)的概念和技術(shù)，模擬人類(lèi)專(zhuān)家的控制知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)而建造的控制系統(tǒng)，稱(chēng)為專(zhuān)家控制系統(tǒng)。

第23頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是指由大量與生物神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)細(xì)胞相類(lèi)似的人工神經(jīng)元互連而組成的網(wǎng)絡(luò)；或由大量象生物神經(jīng)元的處理單元并聯(lián)互連而成。這種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有某些智能和仿人控制功能。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

第24頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天學(xué)習(xí)算法是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主要特征，也是當(dāng)前研究的主要課題.學(xué)習(xí)的概念來(lái)自生物模型，它是機(jī)體在復(fù)雜多變的環(huán)境中進(jìn)行有效的自我調(diào)節(jié)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具備類(lèi)似人類(lèi)的學(xué)習(xí)功能。一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)若想改變其輸出值，但又不能改變它的轉(zhuǎn)換函數(shù)，只能改變其輸人，而改變輸人的唯一方法只能修改加在輸人端的加權(quán)系數(shù)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

第25頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過(guò)程是修改加權(quán)系數(shù)的過(guò)程，最終使其輸出達(dá)到期望值，學(xué)習(xí)結(jié)束.常用的學(xué)習(xí)算法有：Hebb學(xué)習(xí)算法、widrow-Hoff學(xué)習(xí)算法、反向傳播學(xué)習(xí)算法一BP學(xué)習(xí)算法、Hopfield反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法等。第26頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天模糊控制系統(tǒng)所謂模糊控制，就是在被控制對(duì)象的模糊模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用模糊控制器近似推理手段，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制的一種方法。模糊模型是用模糊語(yǔ)言和規(guī)則描述的一個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及性能指標(biāo)。第27頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天模糊控制系統(tǒng)模糊控制的基本思想是用機(jī)器去模擬人對(duì)系統(tǒng)的控制。它是受這樣事實(shí)而啟發(fā)的：對(duì)于用傳統(tǒng)控制理論無(wú)法進(jìn)行分析和控制的復(fù)雜的和無(wú)法建立數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)，有經(jīng)驗(yàn)的操作者或?qū)＜覅s能取得比較好的控制效果，這是因?yàn)樗麄儞碛腥辗e月累的豐富經(jīng)驗(yàn)，因此人們希望把這種經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)下的行為過(guò)程總結(jié)成一些規(guī)則，并根據(jù)這些規(guī)則設(shè)計(jì)出控制器。然后運(yùn)用模糊理論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理的知識(shí)，把這些模糊的語(yǔ)言上升為數(shù)值運(yùn)算，從而能夠利用計(jì)算機(jī)來(lái)完成對(duì)這些規(guī)則的具體實(shí)現(xiàn)，達(dá)到以機(jī)器代替人對(duì)某些對(duì)象進(jìn)行自動(dòng)控制的目的。第28頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)

學(xué)習(xí)是人類(lèi)的主要智能之一，人類(lèi)的各項(xiàng)活動(dòng)也需要學(xué)習(xí)。在人類(lèi)的進(jìn)化過(guò)程中，學(xué)習(xí)功能起著十分重要的作用。學(xué)習(xí)控制正是模擬人類(lèi)自身各種優(yōu)良的控制調(diào)節(jié)機(jī)制的一種嘗試。所謂學(xué)習(xí)是一種過(guò)程，它通過(guò)重復(fù)輸人信號(hào)，并從外部校正該系統(tǒng)，從而使系統(tǒng)對(duì)特定輸人具有特定響應(yīng)。學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)是一個(gè)能在其運(yùn)行過(guò)程中逐步獲得受控過(guò)程及環(huán)境的非預(yù)知信息，積累控制經(jīng)驗(yàn)，并在一定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行估值、分類(lèi)、決策和不斷改善系統(tǒng)品質(zhì)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。第29頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天智能控制的發(fā)展趨勢(shì)智能控制是自動(dòng)控制理論發(fā)展的必然趨勢(shì)

人工智能為智能控制的產(chǎn)生提高了機(jī)遇第30頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天智能控制的發(fā)展概述

自動(dòng)控制理論是人類(lèi)在征服自然、改造自然的斗爭(zhēng)中形成和發(fā)展的。控制理論從形成發(fā)展至今，已經(jīng)經(jīng)歷多年的歷程，分為三個(gè)階段。第一階段是以上世紀(jì)40年代興起的調(diào)節(jié)原理為標(biāo)志，稱(chēng)為經(jīng)典控制理論階段；第二階段以60年代興起的狀態(tài)空間法為標(biāo)志，稱(chēng)為現(xiàn)代控制理論階段；第三階段則是80年代興起的智能控制理論階段。

第31頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天智能控制的發(fā)展概述

傅京孫在1971年指出，方了解決智能控制的問(wèn)題，用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)方法研究發(fā)展新的工具，對(duì)復(fù)雜的"環(huán)境-對(duì)象"進(jìn)行建模和識(shí)別，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制，或者用人工智能的啟發(fā)式思想建立對(duì)不能精確定義的環(huán)境和任務(wù)的控制設(shè)計(jì)方法。這兩者都值得一試，而更重要的也許還是把這兩種途徑緊密地結(jié)合起來(lái)，協(xié)調(diào)地進(jìn)行研究。也就是說(shuō)，對(duì)于復(fù)雜的環(huán)境和復(fù)雜的任務(wù)，如何，將人工智能技術(shù)中較少依賴(lài)模型的問(wèn)題的求解方法與常規(guī)的控制方法相結(jié)合，這正是智能控制所要解決的問(wèn)題。

第32頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天智能控制的發(fā)展概述Saridis在學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，提出了分級(jí)遞階和智能控制結(jié)構(gòu)，整個(gè)結(jié)構(gòu)自上而下分為組織級(jí)、協(xié)調(diào)級(jí)和執(zhí)行級(jí)三個(gè)層次，其中執(zhí)行級(jí)是面向設(shè)備參數(shù)的基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)，在這一級(jí)不存在結(jié)構(gòu)性的不確定性，可以用常規(guī)控制理論的方法設(shè)計(jì)。協(xié)調(diào)級(jí)實(shí)際上是一個(gè)離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，主要運(yùn)用運(yùn)籌學(xué)的方法研究。組織級(jí)涉及感知環(huán)境和追求目標(biāo)的高層決策等類(lèi)似于人類(lèi)智能的功能，可以借鑒人工智能的方法來(lái)研究。因此，Saridis將傅京孫關(guān)于智能控制是人工智能與自動(dòng)控制相結(jié)合的提法發(fā)展為:智能控制是人工智能、運(yùn)籌學(xué)和控制系統(tǒng)理論三者的結(jié)合。

第33頁(yè),共37頁(yè)，2024年2月25日，星期天智能控制的發(fā)展概述1985年8月，IHE在美國(guó)紐約召開(kāi)了第一屆智能控制學(xué)術(shù)討論會(huì)，智能控制原理和智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)這一提法成為這次會(huì)議的主要議題。這次會(huì)議決定，在IEEE控制系統(tǒng)學(xué)會(huì)下設(shè)立一個(gè)IEEE智能控制專(zhuān)業(yè)委