智能控制-第一章-概論

《智能控制》IntelligentControl1.OpeningRemarks

WelcomeSelf-introducingtheCourse2.TheTextbook&ReferenceBooks智能控制原理與應(yīng)用清華大學出版社，2007智能控制(第二版）電子工業(yè)出版社,2007

IntelligentControl：Principles，Techniquesandapplications3.Requirements4.AbouttheExam第一章概論1.1人工智能1.2智能控制的進展1.3智能控制的定義、特點與一般結(jié)構(gòu)1.4智能控制的結(jié)構(gòu)理論1.5課程概要1.1.1人工智能的定義與發(fā)展幾種定義智能機器（IntelligentMachine）

人工智能（學科）人工智能（能力）人工智能（擬人思維、行為）人工智能（理性思維、行為）1.1人工智能斯坦福大學的Nilsson提出人工智能是關(guān)于知識的科學（知識的表示、知識的獲取以及知識的運用）人工智能（學科）是計算機科學中涉及研究、設(shè)計和應(yīng)用智能機器的一個分支。它的近期主要目標在于研究用機器來模仿和執(zhí)行人腦的某些智力功能，并開發(fā)相關(guān)理論和技術(shù)。人工智能（能力）是智能機器所執(zhí)行的通常與人類智能有關(guān)的功能，如判斷、推理、證明、識別、感知、理解、設(shè)計、思考、規(guī)劃、學習和問題求解等思維活動。1.幾種定義1.1人工智能2人工智能的起源與發(fā)展

孕育期（1956年前）數(shù)理邏輯學科（弗雷治、維納等）

計算的新思想（丘奇、圖靈等）

形成期（1956~1970年）1956年，第一次人工智能的研討會1969年，第一屆國際人工智能聯(lián)合會議1970年，《人工智能》國際雜志創(chuàng)刊1.1人工智能2人工智能的起源與發(fā)展發(fā)展期（1970年~）進一步研究AI基本原理方法和技術(shù)進行實用化研究專家系統(tǒng)與知識工程（Feigenbaum教授)

機器學習計算智能

從“一枝獨秀”到“百花齊放”1.1人工智能3中國的AI研究學術(shù)組織

1978年把“智能模擬”列入國家科學發(fā)展規(guī)劃1980年4月中國自動化學會模式識別與人工智能專業(yè)委員會成立1980年8月“高校人工智能研討會”1981年9月成立中國人工智能學會（CAAI）1986年5月中國軟件行業(yè)協(xié)會人工智能協(xié)會成立1986年11月中國計算機學會人工智能與模式識別專業(yè)委員會成立1987年6月中國計算機學軟件專業(yè)委員會智能學組（知識工程）1993年智能機器人委員會成立1995年智能自動化委員會成立1.1人工智能學術(shù)刊物

模式識別與人工智能PatternRecognition&AI

機器人Robot

信息與控制Information&Control

控制與決策Control&Decision

計算機學報J.ofComputer

自動化學報J.ofAutomation

控制理論與應(yīng)用ControlTheory&Application

計算機研究與發(fā)展Research&DevelopmentofComputer

計算機世界ComputerWorld

計算機科學ComputerScience1.1人工智能1.1.2人類智能與人工智能人是一種智能信息處理系統(tǒng)物理符號系統(tǒng)的六種基本功能物理符號系統(tǒng)的假設(shè)推論一推論二推論三思維策略初級信息處理生理過程計算機程序計算機語言計算機硬件圖1.1人類認知活動與計算機的比較1.1人工智能1、符號處理系統(tǒng)的六種基本功能信息處理系統(tǒng)又叫符號操作系統(tǒng)(SymbolOperationSystem)或物理符號系統(tǒng)(PhysicalSymbolSystem)。所謂符號就是模式(pattern)。

一個完善的符號系統(tǒng)應(yīng)具有下列6種基本功能：(1)輸入符號(input)；(2)輸出符號(output);(3)存儲符號(store);(4)復制符號(copy);(5)建立符號結(jié)構(gòu)：通過找出各符號間的關(guān)系，在符號系統(tǒng)中形成符號結(jié)構(gòu)；(6)條件性遷移(conditionaltransfer):根據(jù)已有符號，繼續(xù)完成活動過程。2、可以把人看成一個智能信息處理系統(tǒng)

如果一個物理符號系統(tǒng)具有上述全部6種功能，能夠完成這個全過程，那么它就是一個完整的物理符號系統(tǒng)。人具有上述6種功能；現(xiàn)代計算機也具備物理符號系統(tǒng)的這6種功能。3、物理符號系統(tǒng)的假設(shè)

任何一個系統(tǒng)，如果它能表現(xiàn)出智能，那么它就必定能夠執(zhí)行上述6種功能。反之，任何系統(tǒng)如果具有這6種功能，那么它就能夠表現(xiàn)出智能；這種智能指的是人類所具有的那種智能。把這個假設(shè)稱為物理符號系統(tǒng)的假設(shè)。4、物理符號系統(tǒng)3個推論推論一既然人具有智能，那么他(她)就一定是個物理符號系統(tǒng)。人之所以能夠表現(xiàn)出智能，就是基于他的信息處理過程。推論二既然計算機是一個物理符號系統(tǒng)，它就一定能夠表現(xiàn)出智能。這是人工智能的基本條件。推論三既然人是一個物理符號系統(tǒng)，計算機也是一個物理符號系統(tǒng)，那么就能夠用計算機來模擬人的活動。2人類智能的計算機模擬1.1人工智能1、機器智能可以模擬人類智能物理符號系統(tǒng)假設(shè)的推論一告訴人們，人有智能，所以他是一個物理符號系統(tǒng)；推論三指出，可以編寫出計算機程序去模擬人類的思維活動。這就是說，人和計算機這兩個物理符號系統(tǒng)所使用的物理符號是相同的，因而計算機可以模擬人類的智能活動過程。2、智能計算機的功能如下棋、證明定理、翻譯語言文字和解決難題等。神經(jīng)計算機(neuralcomputer)能夠以類似人類的方式進行“思考”，它力圖重建人腦的形象。一些國家對量子計算機的研究也已起步，希望通過對量子計算(quantumcomputing)的研究，產(chǎn)生量子計算機。1.1.3人工智能的各種認知觀

符號主義（Symbolism）

認為人類的智能的基本單元是符號，認知過程是符號表示下的符號運算，從而思維就成了符號運算。大多數(shù)比較成功的專家系統(tǒng)是建立在符號主義的基礎(chǔ)上（知識的表示）。

連接主義（Connectionism）

認為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本單元是神經(jīng)元，而不是符號處理過程。認知過程是由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的，是并行分布的。行為主義（Actionism）

認為人工智能源于控制論。智能取決于感知和行動，提出智能行為的“感知—動作”模式。行為主義者認為智能不需要知識、不需要表示、不需要推理。1.1人工智能1.2.1

自動控制的機遇與挑戰(zhàn)1.傳統(tǒng)控制面臨的難題及其出路

實際系統(tǒng)存在復雜性、非線性、時變性、不確定性和不完全性等，一般無法獲得精確的數(shù)學模型。為研究這類系統(tǒng)提出并遵循的一些假設(shè)在應(yīng)用中與實際不符。對于某些復雜的和包含不確定性的對象，無法以傳統(tǒng)數(shù)學模型來表示。為了提高性能，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)可能變得很復雜，從而增加了設(shè)備的初投資和維修費用，降低系統(tǒng)的可靠性。2.自動控制面臨挑戰(zhàn)的原因

科學技術(shù)間的相互影響和相互促進；當前和未來應(yīng)用的需求；基本概念和時代思潮發(fā)展水平的推動。1.2智能控制的進展3.自動控制工作者面臨挑戰(zhàn)的任務(wù)

擴展視野，發(fā)展新的控制概念和控制方法，采用非完全模型控制系統(tǒng)；采用可以在系統(tǒng)工作過程中加以在線改進，使之愈臻正確的系統(tǒng)模型。采用離散事件驅(qū)動的動態(tài)系統(tǒng)和本質(zhì)上完全斷續(xù)的系統(tǒng)。4.面臨挑戰(zhàn)的控制領(lǐng)域多變量魯棒控制，自適應(yīng)控制和容錯控制，高度非線性控制和多因素或分散隨機控制，時空分布參數(shù)系統(tǒng)的控制…...解決上述領(lǐng)域面臨問題需要：（1）發(fā)展控制理論與方法；（2）與計算機科學相結(jié)合。5.自動控制領(lǐng)域所面臨難題的解決途徑推進控制硬件、軟件和智能的結(jié)合；實現(xiàn)自動控制科學與其它相關(guān)學科（科學）的結(jié)合。1.2智能控制的進展機械化（Mechanization)

用機器代替原先由動物或人類執(zhí)行的體力勞動;自動化（Automation)

由機械化和計算相結(jié)合而得到的自校正生產(chǎn)活動的成果:

A=M+AC+(SA∨PA∨FB)1.2.2自動化與人工智能1.2智能控制的進展1.自動化的發(fā)展與人工智能的關(guān)系圖1.2自動化的進展與人工智能1.2智能控制的進展2.人工智能的研究目標它的近期目標在于研究與建造智能計算機及其系統(tǒng)，以模擬和執(zhí)行人類的某些智力功能；它的遠期目標在于用自動機（Automata）模仿人類的思維過程和智能行為，創(chuàng)建智能科學體系。1.2.3

智能控制的發(fā)展1.自動控制的發(fā)展過程智能控制是人工智能和自動控制的重要部分和研究領(lǐng)域，人工智能的發(fā)展促進自動控制向智能控制發(fā)展。下圖為自動控制的發(fā)展過程。1.2智能控制的進展圖1-3自動控制的發(fā)展過程2.智能控制的發(fā)展60年代初期，學習控制的研究十分活躍并獲得應(yīng)用。60年代中期，自動控制與人工智能開始交接。自從70年代以來，模糊控制的應(yīng)用研究獲得廣泛開展，并取得一批令人感興趣的成果。80年代，Saridis

教授和他的研究小組建立的智能機器理論采用精度隨智能降低而提高原理和三級遞階結(jié)構(gòu)。奧斯特洛姆、迪席爾瓦、周其鑒、蔡自興、霍門迪梅洛和桑德森等于80年代分別提出和發(fā)展了專家控制、基于知識的控制、仿人控制、專家規(guī)劃和分級規(guī)劃等。80年代末以來，基于神經(jīng)元控制的理論和機理已獲進一步開發(fā)和應(yīng)用。1.2智能控制的進展3.智能控制學科的形成智能控制新學科形成的條件逐漸成熟。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。會上集中討論了智能控制原理和智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。這次會議之后不久，在IEEE控制系統(tǒng)學會內(nèi)成立了IEEE智能控制專業(yè)委員會，該專業(yè)委員會組織了對智能控制定義和研究生課程教學大綱的討論。1987年1月，在美國費城由IEEE控制系統(tǒng)學會與計算機學會聯(lián)合召開了智能控制國際會議。這是有關(guān)智能控制的第一次國際會議，顯示出智能控制的長足進展。這次會議及其后續(xù)相關(guān)事件表明，智能控制作為一門獨立學科已正式在國際上建立起來。1.2智能控制的進展4.國際學術(shù)組織及其舉辦的會議

國際學術(shù)組織：IFAC、IFIP、IMACS和IASTED等。

會議：CWC-ICIA(全球華人智能控制與智能自動化大會）、智能控制專家討論會、智能自動化學術(shù)會議、智能機器人會議等。1.2智能控制的進展1.3

智能控制的定義、特點與一般結(jié)構(gòu)定義1.13智能機器能夠在定形或不定形，熟悉或不熟悉的環(huán)境中自主地或與操作人員交互作用以執(zhí)行各種擬人任務(wù)的機器叫做智能機器。定義1.14自動控制自動控制是能按規(guī)定程序?qū)C器或裝置進行自動操作或控制的過程。

1.3.1

智能控制的定義與特點

1.智能控制的定義

定義1.15智能控制智能控制是驅(qū)動智能機器自主地實現(xiàn)其目標的過程。例1能夠模擬人的思維，進行博弈的計算機

如由IBM公司研制的深藍（DeepBlue）計算機。例2能夠進行深海探測的自主潛水機器人

如2005年8月英國“超級天蝎座”（SuperScorpio）深海潛水機器人成功營救被困的俄潛艇。例3在星際探險中的移動機器人

如美國2004年1月發(fā)射的火星探測車勇氣號（Spirit）和機遇號（Opportunity），2004年8月發(fā)射的水星探測車信使號（Messenger）。定義1.16智能控制系統(tǒng)用于驅(qū)動自主智能機器以實現(xiàn)其目標而無需操作人員干預的系統(tǒng)叫智能控制系統(tǒng)。智能控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)是人工智能、控制論、運籌學和信息論等學科的交叉。2.

智能控制的特點（1）

同時具有以知識表示的非數(shù)學廣義模型和以數(shù)學模型表示的混合控制過程，也往往是那些含有復雜性、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)字過程，并以知識進行推理，以啟發(fā)來引導求解過程。

（2）

智能控制的核心在高層控制，即組織級。

（3）

智能控制是一門邊緣交叉學科。

（4）智能控制是一個新興的研究領(lǐng)域。1.3定義、特點與一般結(jié)構(gòu)1.3.2

智能控制器的一般結(jié)構(gòu)1.智能控制器的設(shè)計是具有下列特點的組合：具有以微積分(DIC)表示和以技術(shù)應(yīng)用語言(LTA)表示的混合系統(tǒng)方法。采用不精確的和不完全的裝置分層（級）模型。含有由多傳感器遞送的分級和不完全的外系統(tǒng)知識，并在學習過程中不斷加以辨識、整理和更新。把任務(wù)協(xié)商作為控制系統(tǒng)以及控制過程的一部分來考慮。2.智能控制器的一般結(jié)構(gòu)參見下圖1-4。1.3定義、特點與一般結(jié)構(gòu)用戶圖1-4智能控制器的一般結(jié)構(gòu)接口任務(wù)描述與環(huán)境建模知識表示信號優(yōu)化驅(qū)動器傳感器過程與環(huán)境信號預處理信號辯識規(guī)劃與推理決策與協(xié)調(diào)傳統(tǒng)控制321事件動作智能控制系統(tǒng)多層控制器多傳感系統(tǒng)1.4

智能控制的結(jié)構(gòu)理論1.4.1

二元結(jié)構(gòu)理論1.二元結(jié)構(gòu)的提出

傅京孫（k.s.Fu)于1971年提出把智能控制作為人工智能和自動控制的交接領(lǐng)域。3.例子擬人控制器、人-機控制器、自主機器人系統(tǒng)2.二元結(jié)構(gòu)的思想圖1-5智能控制的二元結(jié)構(gòu)IC=AI

AC其中,IC---智能控制AI---人工智能AC---自動控制傅京孫院士簡歷(1930--1985),美籍華裔科學家和教育家,自動控制、模式識別和人工智能專家專家。浙江麗水人，1930年10月出生于南京。1953年在臺灣大學電機工程系畢業(yè)，1955年獲加拿大多倫多大學科學碩士學位，1959年獲美國伊利諾大學博士學位。1985年4月29日病逝于華盛頓。-1960年為美國波音飛機公司研究工程師。1961年始任教于普渡大學電機工程系，達23年，歷助教、副教授、教授。1971年，被選為美國電氣與電子工程師學會(1EEE)榮譽會員。1975年升任普渡大學高斯(Guass)工程講座教授。其間數(shù)度赴紐約IBM公司、柏克萊加州大學IBM華生研究中心、麻省理工學院、史丹佛大學從事研究和教學，結(jié)合數(shù)學、工程學和計算機知識，創(chuàng)立了“模式識別“(PatternRecognition)學科，作為資訊分析與傳輸基礎(chǔ)依據(jù)。1976年當選為美國國家工程學院院士。同年，獲麥考艾科學貢獻獎。1977年因其研究之模式識別、圖像處理及其在遙測、醫(yī)學各方面的應(yīng)用，獲美國計算機學會杰出論文獎。1978年被選為臺灣“中央研究院”院士,受聘北京大學、清華大學、復旦大學等校教授,多次回國講學交流，推動信息科學研究及其應(yīng)用。為國際知名學者，句法模式識別科學創(chuàng)始人，曾擔任第一屆國際模式識別大會總主席和國際模式識別聯(lián)合會首任主席。1985年初擔任普渡大學智能制造工程研究中心主任,是國際CIMS的締造者。熱愛祖國,關(guān)心祖國科教發(fā)展,為祖國培養(yǎng)高水平創(chuàng)新人才。1.4.2

三元結(jié)構(gòu)理論1.三元結(jié)構(gòu)的提出

薩里迪斯(Saridis)于1977年提出另一種智能控制結(jié)構(gòu)，他把智能控制看作為人工智能、自動控制和運籌學的交接。2.三元結(jié)構(gòu)的思想圖1-6智能控制的三元結(jié)構(gòu)

IC=AI

CT

OR在提出三元結(jié)構(gòu)的同時，薩里迪斯還提出分級智能控制系統(tǒng)。參見圖1-8。

IPDI原理組織級協(xié)調(diào)級執(zhí)行級精度（低）（高）智能（高）（低）1.4智能控制的結(jié)構(gòu)理論薩里迪斯教授簡介*1973年在普渡大學EE系獲博士學位,后留校任教。*1979年起任倫塞勒理工學院(RPI)太空探索智能機器人系統(tǒng)研究中心(CenterforIntelligentRoboticSystemsforSpaceExploration,CIRSSE),NationalAeronauticsandSpaceAdministration(NASA)主任。*國際智能控制的創(chuàng)導者之一及遞階智能機器和遞階智能控制系統(tǒng)的奠基者。圖1-8分級智能控制系統(tǒng)1.4.3

四元結(jié)構(gòu)理論1.四元結(jié)構(gòu)的提出蔡自興于1986年提出四元智能控制結(jié)構(gòu)，把智能控制看做自動控制、人工智能、信息論和運籌學四個學科的交集。2.四元結(jié)構(gòu)的思想圖1-10智能控制的四元結(jié)構(gòu)（a）四元智能控制結(jié)構(gòu)（b）四元結(jié)構(gòu)的簡化圖IC=AI

CT

IT

OR1.4智能控制的結(jié)構(gòu)理論3.把信息論作為智能控制結(jié)構(gòu)一個子集的理由

信息論是解釋知識和智能的一種手段定義1.17知識是人們通過體驗、學習或聯(lián)想而知曉的對客觀世界規(guī)律性的認識，這些認識包括事實、條件、過程、規(guī)則、關(guān)系和規(guī)律等。定義1.18

信息是知識的交流或?qū)χR的感覺，是對知識內(nèi)涵的一種量測。定義1.19

智能是一種應(yīng)用知識對一定環(huán)境進行處理的能力或由目標準則衡量的抽象思考能力。定義1.20信息論是研究信息、信息特性測量、信息處理以及人機通信過程效率的數(shù)學理論。推論：（1）“知識”比“信息”含義更廣，即(信息)∈（知識）；（2）智能是獲取和運用知識的能力；（3）可以用信息論在數(shù)學上解釋機器知識和機器智能。

控制論、系統(tǒng)論和信息論是緊密相互作用的

圖1－11錢學森的系統(tǒng)科學體系圖（部分）

現(xiàn)代的系統(tǒng)論、信息論和控制論作為科學前沿突出的學科群，無論從哪一方面來看，都是相互作用和相互靠攏的，并給人以鮮明的印象。系統(tǒng)學

運籌學

系統(tǒng)工程

系統(tǒng)論控制論自動化技術(shù)

信息論

通訊技術(shù)哲學基礎(chǔ)科學

技術(shù)科學

工程技術(shù)系統(tǒng)科學

信息論已成為控制智能機器的工具一般系統(tǒng)論系統(tǒng)論應(yīng)用部門網(wǎng)絡(luò)三論控制系統(tǒng)計算機信息科學信息技術(shù)