智能控制導(dǎo)論 第4版 課件 第12章 人工智能的發(fā)展簡史與展望

智能控制導(dǎo)論IntroductiontoIntelligentControl智能控制導(dǎo)論第4版蔡自興編著

國家精品課程配套教材中國水利水電出版社2024

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教材第12章人工智能的發(fā)展簡史與展望12.1智能控制發(fā)展簡史12.1.1國內(nèi)外智能控制發(fā)展過程12.1.2我國智能控制科技成果12.1.3我國智能控制教育與人才培養(yǎng)12.1.4我國智能控制的存在問題12.2智能控制的展望12.2.1智能控制研究展望12.2.2智能控制應(yīng)用展望12.2.3智能控制發(fā)展展望12.3小結(jié)12.1智能控制發(fā)展簡史12.1.1國內(nèi)外智能控制發(fā)展過程

國際智能控制的奠基者、國際模式識別之父傅京孫（King-sunFu）于1965年把人工智能的啟發(fā)式推理規(guī)則用于學(xué)習(xí)控制，1971年又論述了人工智能與自動控制的交接關(guān)系，成為“智能控制二元交集結(jié)構(gòu)”的基礎(chǔ)，開啟智能控制的先河。

國際模糊集合的創(chuàng)始人扎德（Zadeh）于1965年發(fā)表《模糊集合》論文，奠定了模糊邏輯的基礎(chǔ)；1972年又發(fā)表《模糊控制的基本原理》論文，開啟模糊控制的研究與應(yīng)用，推動智能控制發(fā)展。

智能遞階控制的先行者薩里迪斯（Saridis）提出智能控制的3級遞階控制結(jié)構(gòu)，認(rèn)為智能控制系統(tǒng)由組織級、協(xié)調(diào)級和執(zhí)行級組成，并提出智能控制的“精度隨智能降低而提高”的原理，為智能控制的分類和遞階控制理論做出特別貢獻(xiàn)。12.1.1國內(nèi)外智能控制發(fā)展過程（續(xù)）

麥卡洛克（McCulloch）和皮特茨（Pitts）于1943年提出的“似腦機器”思想。在20世紀(jì)70年代由沃博斯（Werbos）開發(fā)的反向傳播算法和霍普菲爾德（Hopfield）開發(fā)的一種遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及20世紀(jì)80年代由珀克（Parker）和魯姆爾哈特（Rumelhart）發(fā)現(xiàn)的反向傳播（BP）算法，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到持續(xù)發(fā)展，并獲得日益廣泛的應(yīng)用。進入21世紀(jì)以來，深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其深度學(xué)習(xí)算法已獲得普遍應(yīng)用，有力促進人工智能和智能控制的發(fā)展。

各種智能控制系統(tǒng)包括專家控制、模糊控制、遞階控制、學(xué)習(xí)控制、神經(jīng)控制、進化控制、免疫控制和智能規(guī)劃系統(tǒng)等已先后開發(fā)成功，并被應(yīng)用于各類工業(yè)過程控制系統(tǒng)、智能機器人系統(tǒng)和智能制造系統(tǒng)等。12.1.2我國智能控制科技成果

自國際智能控制學(xué)科誕生后，我國就基本上保持緊密跟蹤狀態(tài)，許多研究與國際智能控制前沿研究保持同步并有所創(chuàng)新。我國學(xué)者先后提出一些新的智能控制理論、方法和技術(shù)。1．形成智能控制學(xué)科2．基礎(chǔ)理論與方法研究頗具特色3．專著論文發(fā)表豐碩4．科技及其應(yīng)用研究成果顯著

（1）在過程控制中的應(yīng)用

（2）在機器人控制中的應(yīng)用

（3）在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

（4）在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用（5）在智能制造中的應(yīng)用。12.1.3我國智能控制教育與人才培養(yǎng)

自20世紀(jì)80年代中期開始，我國部分高校開設(shè)了智能控制課程。經(jīng)過40多年的推廣、提升與發(fā)展，現(xiàn)在全國大部分重點高校的智能科學(xué)與技術(shù)、人工智能、機器人、自動化/自動控制、機械電子工程等專業(yè)都開設(shè)了智能控制類本科生和研究生課程。有些課程的教學(xué)與教改取得有益經(jīng)驗，已成為國家級精品課程和國家級精品資源共享課程等。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國已編寫與出版了近50部智能控制教材。這些智能控制課程和智能控制教材對于我國智能控制科技知識的傳播和智能控制學(xué)科科技人才的培養(yǎng)起到不可或缺的重要作用。

據(jù)統(tǒng)計，入選國家級質(zhì)量工程的智能控制類相關(guān)精品課程共12門。這些智能控制類課程來之不易，已在改革中不斷發(fā)展壯大，并對全國智能控制教學(xué)發(fā)揮了重要的示范與輻射作用。12.1.4我國智能控制的存在問題

我國智能控制在發(fā)展過程中出現(xiàn)如下所述的一些問題：1．研究以跟蹤為主創(chuàng)新不夠2．缺乏更高水平的研究成果3．服務(wù)國民經(jīng)濟重大戰(zhàn)略不夠4．產(chǎn)業(yè)化規(guī)模和核心技術(shù)有待擴大5．急需培養(yǎng)各層次智能控制人才問題12.2智能控制展望12.2.1智能控制研究展望圖12.1相關(guān)科學(xué)技術(shù)與智能控制系統(tǒng)的關(guān)系

圖12.1提出相關(guān)科學(xué)技術(shù)與智能控制系統(tǒng)的關(guān)系，該關(guān)系調(diào)強了發(fā)展智能科學(xué)（包括智能控制）所需要的知識與智能。1．控制問題的表示

智能控制能使用更多的表示方法，如圖搜索、謂詞演算、語義網(wǎng)絡(luò)、知識圖譜、過程、黑板、框架、算法等。2．認(rèn)知控制器

隨著認(rèn)知科學(xué)研究的進展特別是人腦模型和人機接口研究的進展，將會開發(fā)出更好的認(rèn)知模型和更先進的認(rèn)知控制器。3．對智能機器研究的建議12.2.2智能控制應(yīng)用展望圖12.2MAUV的智能控制原理結(jié)構(gòu)圖1．智能機器人規(guī)劃與控制

以復(fù)式自主水下運載器（MultipleAutonomousUnderseaVehicle，MAUV）運動規(guī)劃與控制系統(tǒng)為例加以說明。圖12.2給出MAUV的一種智能控制結(jié)構(gòu)方案，其實際結(jié)構(gòu)采用分段分層框架。各段計算模塊由一個通信系統(tǒng)和一個公共存儲器提供服務(wù)。MAUV系統(tǒng)的硬件包括計算機工作站、工業(yè)型控制機、微型處理器、多種圖形處理系統(tǒng)等。感知狀況傳感信息

處理數(shù)值目標(biāo)選擇評價預(yù)測狀況規(guī)劃任務(wù)

優(yōu)先權(quán)任務(wù)分解傳感器內(nèi)部外部環(huán)境事件動作驅(qū)動器世界模型數(shù)據(jù)庫12.2.2智能控制應(yīng)用展望（續(xù)）圖12.3工業(yè)鍋爐智能控制的混合控制框圖2．生產(chǎn)過程的智能監(jiān)控

工業(yè)鍋爐的遞階智能控制可作為典型。圖12.3表出示該控制系統(tǒng)的混合控制器方框圖。從圖可知，其控制模式包括專家控制、多模式控制和自校正PID控制。本控制系統(tǒng)的智能控制算法采用偏差e(k)與

e(k)的相平面分析方法，并采用產(chǎn)生式規(guī)則表示應(yīng)當(dāng)采用的控制模式。專家控制用以模擬人類專家的操作經(jīng)驗。自校正PID控制除數(shù)據(jù)庫、知識庫和推理機外，還包括模式識別裝置等。開關(guān)多模型控制器控制器專家控制器自校正PID

控制器Re+-專家

系統(tǒng)過程K321UY圖12.4基于Petri網(wǎng)的自動加工智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)3．智能制造系統(tǒng)的智能控制

圖12.4表示一種基于Petri網(wǎng)的自動加工智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。為了把現(xiàn)有的Petri網(wǎng)技術(shù)用于現(xiàn)代加工系統(tǒng)，需要開發(fā)出一種新技術(shù)，把機器智能技術(shù)和Petri網(wǎng)理論以及智能離散事件控制器連接起來。近年來，智能制造（IntelligentManufacturing，IM）和普適制造（UbiquitousManufacturing，UM）已經(jīng)從概念走向現(xiàn)實。新一代智能制造及其控制系統(tǒng)將為制造過程的自動化、信息化、數(shù)字化和智能化提供更為先進和有效的手段?？刂破鳑Q策器監(jiān)控器區(qū)域控制器驅(qū)動器1驅(qū)動器n…加工過程運輸和檢驗傳感器1傳感器m…數(shù)據(jù)庫知識庫第一級第二級第三級驅(qū)動過程加工傳感12.2.2智能控制應(yīng)用展望（續(xù)）圖12.5一個智能飛行控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)4．智能故障檢測與診斷

故障檢測和診斷與過程監(jiān)控密切相關(guān)。一個高級的過程控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有故障自動檢測和自診斷能力，以保證系統(tǒng)工作的高度可靠性。5．飛行器的智能控制

使用自動駕駛系統(tǒng)代替飛機駕駛員，首先自動駕駛系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)飛機的可靠平穩(wěn)降落，從而提高乘客的舒適感，減少輪胎和降落齒輪的摩損；其次，為駕駛員提供無風(fēng)氣候下的重要訓(xùn)練手段，使他們習(xí)慣于一個必須了解和信賴的系統(tǒng)，能夠操作自如。12.2.2智能控制應(yīng)用展望（續(xù)）圖12.6麻醉深度模糊控制系統(tǒng)6．醫(yī)療過程智能控制

麻醉深度模糊控制系統(tǒng)方框圖如圖12.6所示。有兩類擾動：因手術(shù)、心血管病和用藥引起的病人痛苦而出現(xiàn)的噪聲；因儀器校準(zhǔn)和電灼等引起的血壓和人工制品的測量噪聲。7．智能儀器

比較高級的智能儀器具有多功能、高性能、自動操作、對外接口、“硬件軟化”和自動測試與自動診斷等功能。目前智能儀器的“智能”程度仍然較低。通常所說的智能儀器實際上是一種微機化的自動化儀器。12.2.2智能控制應(yīng)用展望（續(xù)）圖12.7集成智能控制系統(tǒng)的相關(guān)學(xué)科關(guān)系1．尋求更新的理論框架

與智能控制的定義和目標(biāo)相比，智能控制研究尚存在一些需要解決的問題，主要表現(xiàn)在宏觀與微觀分離、全局與局部隔開、理論與應(yīng)用脫節(jié)。要加強智能控制的基礎(chǔ)研究，深入研究智能控制的基本理論和概念，尋找至今尚未發(fā)現(xiàn)的新理論，建立新的智能控制機理。2．進行更好的技術(shù)集成12.2.3智能控制發(fā)展展望

圖12.7表示智能控制系統(tǒng)相關(guān)學(xué)科關(guān)系框圖，其中，計算技術(shù)包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、面向目標(biāo)語言、人機接口、數(shù)據(jù)庫與知識庫以及推理系統(tǒng)等。計算和算法是智能控制系統(tǒng)支持結(jié)構(gòu)的一個重要部分。3.開發(fā)更佳的應(yīng)用方法

為了實現(xiàn)智能控制，必須開發(fā)新的硬件和軟件。實現(xiàn)智能控制固然需要硬件的保障，不過，軟件應(yīng)是智能控制的核心。在智能控制應(yīng)用方法研究中有許多引人注目的課題，譬如，提高運行速度，實現(xiàn)實時控制，提高對傳感信息和環(huán)境的解釋能力，設(shè)計與制造新型高速智能控制專用芯片，設(shè)計新的模塊化傳感器和接口，以及改善信息處理和識別能力等。

在控制軟件方面，研究課題可能包括開發(fā)面向任務(wù)的獨立和通用的程序設(shè)計語言，考慮CAD、CAM、CIMS、CIPS、IM（智能制造）和UM（普適制造）等要求，能夠描述各種控制過程，處理緩慢變化信號和故障，以及實現(xiàn)智能控制系統(tǒng)的優(yōu)化等。隨著智能控制應(yīng)用方法日益成熟，智能控制的應(yīng)用領(lǐng)域也進一步擴大。12.2.3智能控制發(fā)展展望（續(xù)）12.3小結(jié)

本章探討人工智能發(fā)展歷史，特別是中