智能控制概述

智能控制概述第1頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC2參考教材：1.易繼鍇候媛彬編,智能控制技術(shù),北京:北京工業(yè)大學出版社,19982.劉金琨編著，智能控制，北京：電子工業(yè)出版社，2000,2002(第二版）3.高雋，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理及仿真實例，機械工業(yè)出版社，2003(神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方面）第2頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC3參考教材：4.諸靜等著，模糊控制原理與應用，機械工業(yè)出版社，2001，2004（第2版）

5.王小平曹立明，遺傳算法：理論、應用及軟件實現(xiàn)，西安交大出版社，2002第3頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC4智能家電的代表—模糊電飯堡第4頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC5本課程主要內(nèi)容1。第一章概述（2）2。第四章遺傳算法（4）3。第五章神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)（10）4。第六、七章模糊控制（12）5。第九章仿人智能控制（4）第5頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC6小型課題研究1）模糊控制（電飯煲、洗衣機、空調(diào)等）2）仿人專家控制（溫度，流量）3）遺傳算法等優(yōu)化算法的控制器參數(shù)整定第6頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC7智能機器人第7頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC8一個問題(Zadeh)汽車倒車停車場,2部汽車之間的空位。如何倒車入位？Zadeh利用模糊控制解決該問題。第8頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC9智能倒車系統(tǒng)第9頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC10第一章智能控制概述1.1 智能控制的基本概念

1.1.1 什么是智能控制

1.1.2 智能控制的研究對象1.2 智能控制系統(tǒng)的特征和性能

1.2.1 智能控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)

1.2.2 智能控制系統(tǒng)的主要功能特性1.3 智能控制系統(tǒng)的類型1.4 智能控制系統(tǒng)的發(fā)展概述1.5 小結(jié)

第10頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC111.1.1 什么是智能控制？自動控制（自動化）是一門交叉學科第11頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC12第12頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC131.1.1 什么是智能控制？從信息的角度看，所謂智能，可具體地定義為：能有效地獲取、傳遞、處理、再生和利用信息，從而在任意給定的環(huán)境下成功地達到預定目的的能力?？刂瓶茖W與工程－－檢測、雙控、系統(tǒng)工程，模式識別與智能控制密切相關(guān)第13頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC14

智能與智能控制的定義◆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，成功就是達到行為的子目標，以支持系統(tǒng)實現(xiàn)最終目標。??？低級智能：感知環(huán)境、作出決策、控制行為第14頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC15高級智能：理解和覺察能力，在復雜和險惡環(huán)境環(huán)境中進行選擇的能力，力求生存和進步。成功和系統(tǒng)的最終目標是由智能系統(tǒng)的外界確定。第15頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC16◆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第16頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC17◆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。機器智能第17頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC18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)必須具有智能1.按一般行為特征定義

智能控制是有知識的“行為舵手”，它把知識和反饋結(jié)合起來，形成感知—交互式、以目標導向的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)可以進行規(guī)劃、決策，產(chǎn)生有效的、有目的的行為，在不確定環(huán)境中，達到既定的目標。第18頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC192.按人類的認知的過程定義

智能控制是一種計算上的有效過程,在非完整的指標下，通過最基本的操作，即歸納（G）、集注（FA）、和組合操作（CS），把不確定的復雜系統(tǒng)引向規(guī)定的目標。3.按機器智能定義

智能控制是認知科學、多種數(shù)學編程和控制技術(shù)的結(jié)合。它把施加于系統(tǒng)的各種算法和數(shù)學與語言方法融為一體。第19頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC204.三元論定義

按照K.S.Fu(傅京孫)和Saridis提出的觀點，可以把智能控制看作是人工智能、自動控制和運籌學三個主要學科相結(jié)合的產(chǎn)物。第20頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC21

人工智能AC

運籌學

OR

自動控制AC人工智能(ArtificialIntelligent)是一個知識處理系統(tǒng)，具有記憶、學習、信息處理、形式語言、啟發(fā)式推理等功能。智能控制IC運籌學(OperationsResearch)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)化決策和多目標優(yōu)化方法等。自動控制(AutomaticControl)描述系統(tǒng)的動力學特性，是一種動態(tài)反饋這種三元結(jié)構(gòu)理論表明，智能控制就是應用人工智能的理論與技術(shù)和運籌學的優(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，實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。第21頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC22智能控制的定義可以有多種不同的描述，但從工程控制角度看，它的三個基本要素是：智能信息－智能反饋－智能決策。從集合論的觀點，可以把智能控制和它的三要素關(guān)系表示如下：

[智能信息]?[智能反饋]?[智能決策]?智能控制智能控制是以知識為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，所以知識工程是研究智能控制的重要基礎(chǔ)。第22頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC231.1.2 智能控制的研究對象智能控制是自動控制的最新發(fā)展階段，主要用來解決那些用傳統(tǒng)控制方法難以解決的復雜系統(tǒng)的控制問題.

第23頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC24

控制理論和應用發(fā)展的概況1）20年代經(jīng)典控制理論：反饋控制，頻域法.

2）60年代現(xiàn)代控制理論：狀態(tài)空間方法3）70年代初系統(tǒng)控制理論：復雜系統(tǒng)的控制以上控制理論為傳統(tǒng)控制理論。第24頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月

開環(huán)控制

確定性反饋控制最優(yōu)控制

隨機控制自適應控制魯棒控制

智能控制控制科學的發(fā)展過程

第25頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC26傳統(tǒng)控制包括經(jīng)典反饋控制和現(xiàn)代控制理論控制，它們的主要特征是基于精確的系統(tǒng)數(shù)學模型的控制。第26頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC272.傳統(tǒng)控制理論的局限性

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)為：控制對象的復雜性（以飛行控制系統(tǒng)為例）

模型的不確定性、（建模不完整）高度非線性、強耦合（飛行環(huán)境變化）分布式的傳感器和執(zhí)行機構(gòu)、（多個測量和執(zhí)行機構(gòu)）多時間標度、（快時變）復雜的信息模式、（飛行數(shù)據(jù)，GPS，慣性導航等..）龐大的數(shù)據(jù)量和嚴格的性能指標。(打擊精度，定位精度）

第27頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC282.環(huán)境的復雜性

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整體來考慮。3.控制任務或目標的復雜性

控制目標和任務的多重性時變性任務集合處理的復雜性。第28頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC29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、學習。丟失許多有用的信息（2）不能適應大的系統(tǒng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)的變化

自適應控制和自校正控制——通過對系統(tǒng)某些重要參數(shù)的估計克服小的、變化較慢的參數(shù)不確定性和干擾。

魯棒控制——在參數(shù)或頻率響應處于允許集合內(nèi)，保證被控系統(tǒng)的穩(wěn)定。

自適應控制魯棒控制不能克服數(shù)學模型嚴重的不確定性和工作點劇烈的變化。第29頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC30（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。

第30頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC31傳統(tǒng)控制不足小結(jié)主要表現(xiàn)在以下幾點：難以獲得精確的數(shù)學模型?？量痰木€性化假設(shè)。有些系統(tǒng)甚至無法建模。為提高性能，使系統(tǒng)復雜化，成本提高，穩(wěn)定性降低。

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。第31頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC32兩種控制方案的比較：控制方案傳統(tǒng)的控制方法智能控制控制過程不精確的模型，固定的控制算法仿人智能控制決策控制模型模型框架控制理論的方法和人工智能的靈活框架結(jié)合起來控制性能缺乏靈活性和應變能力改變控制策略去適應對象的復雜性和不確定性控制對象線性、時不變，簡單系統(tǒng)復雜，包括不確定性的控制過程第32頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC331.2.1智能控制系統(tǒng)的

一般結(jié)構(gòu)

廣義對象：通常意義下的控制對象和所處的環(huán)境。感知信息處理：信息的獲取、辨識、整理及更新。認知部分：接受、存儲信息，做出行動的決策。規(guī)劃和控制部分：系統(tǒng)核心，進行信息自動搜索、推理決策、動作規(guī)劃，產(chǎn)生具體的控制作用：常規(guī)控制器及執(zhí)行器，作用于控制對象。

第33頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC341.2.2 智能控制系統(tǒng)的主要功能 特性學習能力改善自我性能的能力。適應性 適應受控對象動力學特性變化、環(huán)境變化 和運行條件變化的能力。容錯性 系統(tǒng)對于各類故障具有自診斷、屏蔽和自 恢復的功能。魯棒性 系統(tǒng)性能應對環(huán)境干擾和不確定因素不敏 感。組織能力 主動性、靈活性實時性 系統(tǒng)應具有相當?shù)脑诰€實時響應能力。人－機協(xié)作友好的人機界面。第34頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC351.3 智能控制系統(tǒng)的類型基于智能理論和技術(shù)已有的研究成果，以及當前的 智能控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，可把智能控制系統(tǒng)分為 以下幾類。

1.分級遞階智能控制系統(tǒng)

2.專家控制系統(tǒng)

3.模糊控制系統(tǒng)

4.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

5.基于規(guī)則的仿人智能控制

6.集成智能控制系統(tǒng)

7.組合智能控制系統(tǒng)

第35頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC36

1.分級遞階智能控制系統(tǒng)

這種智能控制系統(tǒng)實質(zhì)上是把傳統(tǒng)控制技術(shù)和智能控制技術(shù)相結(jié)合，把辨識和控制方法相結(jié)合而構(gòu)成的一類混合控制技術(shù)。是智能控制的最早理論之一。基于“知識/解析混合”多層智能控制理論兩種分級遞階控制理論基于“精度遞增伴隨智能遞減”的

分級遞階智能控制理論第36頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC37

三級分級遞階智能控制系統(tǒng)是由G.N.Saridis于1977年提出的。主導作用，主要應用人工智能連接作用，采用人工智能及OR

底層，采用常規(guī)自動控制

組織級

協(xié)調(diào)級

執(zhí)行級第37頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC382.專家控制系統(tǒng)（ExpertControlSystem，ECS）

ECS是一種已廣泛應用于故障診斷、各種工業(yè)過程控制和工業(yè)設(shè)計的智能控制系統(tǒng)。

專家控制系統(tǒng)，采用黑板等，專家控制系統(tǒng)復雜且造價較高，目前用得較少

的主要形式

專家式控制器，多采用工業(yè)專家控制器，結(jié)構(gòu)簡單，應用日益廣泛第38頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC393.模糊控制系統(tǒng)

模糊邏輯理論在控制領(lǐng)域的應用稱為模糊控制（FuzzyControl,FC）。模糊控制的特點是：

一.提供了一種實現(xiàn)基于自然語言描述規(guī)則的控制規(guī)律的新機制；二.提供了一種改進非線性控制器的替代方法。

模糊控制單元的基本功能結(jié)構(gòu)圖如下所示由規(guī)則庫、模糊化、模糊推理和清晰化四功能模塊組成。第39頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC40

模糊化模塊：實現(xiàn)對系統(tǒng)變量論域的模糊劃分和對清晰輸入值的模糊化處理。

第40頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC41

規(guī)則庫:

用于存儲系統(tǒng)的基于語言變量的控制規(guī)則和系統(tǒng)參數(shù)。

模糊推理:

是一種從輸入空間到輸出空間的非線性映射關(guān)系。由于在模糊控制器中，控制規(guī)則的形式為

IF<控制狀態(tài)A>THEN<控制作用B>因此，如果<過程狀態(tài)A*>，則通過模糊推理推論出<控制作用B*>。

清晰化:將系統(tǒng)輸出信息轉(zhuǎn)換為清晰化的輸出值第41頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC42智能控制的倒立擺(fuzzy,expert)第42頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC434.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制(ANN-BasedControl),簡稱神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制或神經(jīng)控制?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制器，其控制問題可以看作是一類模式識別問題。要識別的模式是一些關(guān)于受控的狀態(tài)、輸出或某個性能評價函數(shù)的變化信號評價函數(shù)：用于評價控制效果的函數(shù)，該函數(shù)學作為一類變化信號輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的習算法或?qū)W習準則。第43頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC44NN字符識別第44頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC455.基于規(guī)則的仿人智能控制從廣義上說，各種智能控制方法研究的共同點，就是使工程控制系統(tǒng)具有某種“仿人”的智能，即研究人腦的微觀或宏觀的結(jié)構(gòu)功能，并把它移植到工程控制系統(tǒng)。K.S.Fu闡述智能控的研究背景時，首先提出的是人作為控制的系統(tǒng)。仿人智能控制所要研究的主要目標是控制器本身，即直接對人的控制經(jīng)驗、技巧和各種直覺推理邏輯進行測辨、概括和總結(jié)，使控制器的結(jié)構(gòu)和功能更好地從宏觀上模擬控制專家的功能行為，從而實現(xiàn)對缺乏精確數(shù)學模型的對象進行有效的控制。第45頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC466.集成智能控制系統(tǒng)由幾種智能控制方法或機理融合在一起而構(gòu)成的智能控制系統(tǒng)稱為集成智能控制系統(tǒng)。如模糊神經(jīng)（FNN）控制系統(tǒng)模糊系統(tǒng)：具有容易被人理解的表達能力神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：有極強的自適應學習能力模糊神經(jīng)控制系統(tǒng)將模糊系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為對應的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即把兩種智能方法融合在一起。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖如下所示：第46頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC47第47頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC48基于遺傳算法的模糊控制系統(tǒng)遺傳算法是一種基于自然選擇和自然遺傳機制，根據(jù)適者生存而形成的一種創(chuàng)新的人工優(yōu)化搜索算法，是一種從過去性能學習的方法，有很強的魯棒性。魯棒性：系統(tǒng)性能應對環(huán)境干擾和不確定因素不敏感

第48頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC49

模糊專家系統(tǒng)模糊專家系統(tǒng)是一類在知識獲取、知識表示和知識處理過程中全部或部分地采用了模糊技術(shù)的專家系統(tǒng)的總稱。由于模糊專家系統(tǒng)中的知識表達與推理更接近人類（領(lǐng)域?qū)＜遥┍磉_知識及解決問題的思維方式，因而容易開發(fā)與實現(xiàn)。模糊專家系統(tǒng)的特點是能在初始信息不完全或不十分準確的情況下，較好的模擬人類專家解決問題的思路和方法，運用不太完善的知識體系，即可能性理論，給出盡可能準確的解答和提示。第49頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC507.組合智能控制系統(tǒng)

組合智能控制的目標是將智能控制與常規(guī)控制模式有機地結(jié)合起來，以便取長補短，獲取互補特性，提高整體優(yōu)勢，以期獲得人類、人工智能和控制理論高度緊密結(jié)合的智能控制系統(tǒng)，如PID模糊控制器、自組織模糊控制器、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應控制系統(tǒng)、重復學習控制系統(tǒng)等。第50頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC511.4智能控制的發(fā)展概況由于實際工程系統(tǒng)發(fā)展規(guī)模越來越大，常規(guī)控制理論與技術(shù)已越來越難滿足工程上對提高自動化水平和擴大自動化范圍的要求。智能控制正是在這種背景下以常規(guī)控制為基礎(chǔ)的進一步的發(fā)展和提高。

第51頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC521966年，J.M.Mendal首先提出將人工智能技術(shù)應用于飛船控制系統(tǒng)的設(shè)計；

1971年，傅京遜首次提出智能控制這一概念，并歸納了三種類型的智能控制系統(tǒng)：（1）人作為控制器的控制系統(tǒng)；（2）人—機結(jié)合作為控制器的控制系統(tǒng)；（3）無人參與的自主控制系統(tǒng)。智能控制要解決的問題：對于復雜的環(huán)境和復雜的任務，如何將人工智能技術(shù)中較少依賴模型的問題的求解方法與常規(guī)的控制方法相結(jié)合。第52頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC53G.N.Saridis在學習控制系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，提出了分級遞階智能控制結(jié)構(gòu)，整個結(jié)構(gòu)自上而下分為組織級、協(xié)調(diào)級和執(zhí)行級三個層次。Saridis將K.S.Fu關(guān)于智能控制是人工智能與自動控制相結(jié)合的提法發(fā)展為：智能控制是人工智能、運籌學和控制系統(tǒng)理論三者的結(jié)合（三元論）。

第53頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC54動態(tài)1985年8月，IEEE在美國紐約召開了第一屆智能控制學術(shù)討論會，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議的主要議題。IEEE控制系統(tǒng)學會下設(shè)立一個IEEE智能控制專業(yè)委員會。這表志著智能控制這一新興學科研究領(lǐng)域的正式誕生。我國有中國人工智能學會，下設(shè)若干分委員會：如智能制造，智能機器人…中國自動化學會有智能控制專業(yè)委員會；第54頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14IC55近年來，