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文檔簡介
1、智能控制理論與技術(shù)智能控制理論與技術(shù)2v參考書:參考書:v 人工智能及其應(yīng)用人工智能及其應(yīng)用(第二版)蔡自興(第二版)蔡自興 徐光佑清華大學(xué)出版社徐光佑清華大學(xué)出版社v 模糊控制和智能控制理論與應(yīng)用模糊控制和智能控制理論與應(yīng)用 李士勇等李士勇等 哈工大出版社哈工大出版社v 智能控制理論與技術(shù)智能控制理論與技術(shù) 孫增圻等孫增圻等 清華大學(xué)出版社清華大學(xué)出版社v 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用 袁增任編著清華大學(xué)出版社袁增任編著清華大學(xué)出版社v 基于基于MATLAB的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)-模糊系統(tǒng)模糊系統(tǒng) 樓順天編著樓順天編著 西安電子科西安電子科技大學(xué)出版社技大學(xué)出版社v M
2、ATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)音樂手機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)音樂手機(jī) 聞新等編著聞新等編著 科學(xué)出版社科學(xué)出版社v 智能控制技術(shù)智能控制技術(shù) 韋巍編韋巍編 機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版社v 智能控制理論和方法智能控制理論和方法 李人厚編著李人厚編著 西安電子科技大學(xué)出版社西安電子科技大學(xué)出版社v 3第一章第一章 緒論緒論學(xué)習(xí)智能控制的意義學(xué)習(xí)智能控制的意義1智能控制的產(chǎn)生和發(fā)展智能控制的產(chǎn)生和發(fā)展2智能控制的定義和特點(diǎn)智能控制的定義和特點(diǎn)3智能控制的主要形式智能控制的主要形式4智能控制的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢智能控制的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢541.1 學(xué)習(xí)智能控制的意義學(xué)習(xí)智能控制的意義v 智能控制智能控制在自動(dòng)化課程體系中的位置在自動(dòng)
3、化課程體系中的位置智能控制智能控制是一門控制理論課程,研究如何運(yùn)用人工智能的是一門控制理論課程,研究如何運(yùn)用人工智能的方法來方法來構(gòu)造控制系統(tǒng)和設(shè)計(jì)控制器構(gòu)造控制系統(tǒng)和設(shè)計(jì)控制器。與。與自動(dòng)控制原理自動(dòng)控制原理和和現(xiàn)代控制原理現(xiàn)代控制原理一起構(gòu)成了自動(dòng)控制課程體系的理論基礎(chǔ)。一起構(gòu)成了自動(dòng)控制課程體系的理論基礎(chǔ)。v 智能控制智能控制在控制理論中的位置在控制理論中的位置智能控制智能控制是目前控制理論的最高級(jí)形式,代表了控制理論是目前控制理論的最高級(jí)形式,代表了控制理論的發(fā)展趨勢,能有效地處理復(fù)雜的控制問題。其相關(guān)技術(shù)可以的發(fā)展趨勢,能有效地處理復(fù)雜的控制問題。其相關(guān)技術(shù)可以推廣應(yīng)用于控制之外的領(lǐng)
4、域:金融、管理、土木、設(shè)計(jì)等等。推廣應(yīng)用于控制之外的領(lǐng)域:金融、管理、土木、設(shè)計(jì)等等。51.2 智能控制的產(chǎn)生和發(fā)展智能控制的產(chǎn)生和發(fā)展v 產(chǎn)生的背景產(chǎn)生的背景經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論智能控制理論對由微分方程和差分方程描述的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行控制研究的是單變量常系數(shù)線性系統(tǒng)只適用于單輸入單輸出控制系統(tǒng)(SISO) 控制對象由單輸入單輸出系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)槎噍斎硕噍敵鱿到y(tǒng);系統(tǒng)信息的獲得由借助傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)榻柚鸂顟B(tài)模型;研究方法由積分變換轉(zhuǎn)向矩陣?yán)碚?、幾何方法,由頻率方法轉(zhuǎn)向狀態(tài)空間的研究;由機(jī)理建模向統(tǒng)計(jì)建模轉(zhuǎn)變,開始采用參數(shù)估計(jì)和系統(tǒng)辨識(shí)理論適用大型、復(fù)雜、高維、非線性和不確定性嚴(yán)重的對象不依賴對象模型,
5、適用于未知或不確定性嚴(yán)重的對象具有人類智能的特征能夠表達(dá)定性的知識(shí)或具有自學(xué)習(xí)能力61.2 智能控制的產(chǎn)生和發(fā)展智能控制的產(chǎn)生和發(fā)展v 智能控制的兩個(gè)發(fā)展方向智能控制的兩個(gè)發(fā)展方向 模擬人類的專家模擬人類的專家控制經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行控制經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行控制控制智能控制智能控制模擬人類的學(xué)習(xí)模擬人類的學(xué)習(xí)能力來進(jìn)行控制能力來進(jìn)行控制71.2 智能控制的產(chǎn)生和發(fā)展智能控制的產(chǎn)生和發(fā)展v 智能控制的三個(gè)發(fā)展階段智能控制的三個(gè)發(fā)展階段 現(xiàn)在現(xiàn)在發(fā)展期發(fā)展期形成期形成期萌芽期萌芽期19601960197019701980198081.2 智能控制的產(chǎn)生和發(fā)展智能控制的產(chǎn)生和發(fā)展1)萌芽期()萌芽期(19601970)
6、n19601960年代初,年代初,F(xiàn).W.SmithsF.W.Smiths首先采用性能模式識(shí)別器來學(xué)習(xí)最優(yōu)控制方法首先采用性能模式識(shí)別器來學(xué)習(xí)最優(yōu)控制方法n19651965年,加利福尼亞大學(xué)的扎德年,加利福尼亞大學(xué)的扎德(L.A. Zadeh)(L.A. Zadeh)教授提出了模糊集合理論教授提出了模糊集合理論n19651965年,美國的年,美國的FeigenbaumFeigenbaum著手研制世界上第一個(gè)專家系統(tǒng)著手研制世界上第一個(gè)專家系統(tǒng)n19651965年,普渡大學(xué)傅京孫教授將人工智能中的直覺推理方法用于學(xué)習(xí)控年,普渡大學(xué)傅京孫教授將人工智能中的直覺推理方法用于學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)。制系統(tǒng)。n1
7、9661966年年MendelMendel在空間飛行器學(xué)習(xí)系統(tǒng)中應(yīng)用了人工智能技術(shù),并提出了在空間飛行器學(xué)習(xí)系統(tǒng)中應(yīng)用了人工智能技術(shù),并提出了“人工智能控制人工智能控制”的概念。的概念。n19671967年,年,LeondesLeondes等人首先正式使用等人首先正式使用“智能控制智能控制”一詞,并把記憶、目一詞,并把記憶、目標(biāo)分解等一些簡單的人工智能技術(shù)用于學(xué)習(xí)控制系統(tǒng),提高了系統(tǒng)處理不標(biāo)分解等一些簡單的人工智能技術(shù)用于學(xué)習(xí)控制系統(tǒng),提高了系統(tǒng)處理不確定性問題的能力。這標(biāo)志著智能控制的思想已經(jīng)萌芽。確定性問題的能力。這標(biāo)志著智能控制的思想已經(jīng)萌芽。91.2 智能控制的產(chǎn)生和發(fā)展智能控制的產(chǎn)生
8、和發(fā)展2)形成期()形成期(19701980)n19701970年代初,傅京孫等人從控制論的角度進(jìn)一步總結(jié)了人工智能技術(shù)與年代初,傅京孫等人從控制論的角度進(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,正式提出智能控制是人工智能技術(shù)自適應(yīng)、自組織、自學(xué)習(xí)控制的關(guān)系,正式提出智能控制是人工智能技術(shù)與控制理論的交叉,并在核反應(yīng)堆、城市交通的控制中成功地應(yīng)用了智能與控制理論的交叉,并在核反應(yīng)堆、城市交通的控制中成功地應(yīng)用了智能控制系統(tǒng)??刂葡到y(tǒng)。n19701970年代中期,智能控制在模糊控制的應(yīng)用上取得了重要的進(jìn)展。年代中期,智能控制在模糊控制的應(yīng)用上取得了重要的進(jìn)展。19741974年
9、英國倫敦大學(xué)瑪麗皇后分校的年英國倫敦大學(xué)瑪麗皇后分校的E.H.MamdaniE.H.Mamdani教授把模糊理論用于控制領(lǐng)教授把模糊理論用于控制領(lǐng)域,把扎德教授提出的域,把扎德教授提出的IFIFTHENTHEN型模糊規(guī)則用于模糊推理,再把這種推型模糊規(guī)則用于模糊推理,再把這種推理用于蒸汽機(jī)的自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)中通過實(shí)驗(yàn)取得良好的結(jié)果。理用于蒸汽機(jī)的自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)中通過實(shí)驗(yàn)取得良好的結(jié)果。n19771977年,薩里迪斯年,薩里迪斯(Saridis)(Saridis)提出了智能控制的三元結(jié)構(gòu)定義,即把智提出了智能控制的三元結(jié)構(gòu)定義,即把智能控制看作為人工智能、自動(dòng)控制和運(yùn)籌學(xué)的交叉。能控制看作為人工智能、自動(dòng)控制
10、和運(yùn)籌學(xué)的交叉。n19701970年代后期起,把規(guī)則型模糊推理用于控制領(lǐng)域的研究頗為盛行。年代后期起,把規(guī)則型模糊推理用于控制領(lǐng)域的研究頗為盛行。19791979年,年,MandaniMandani又成功研制出自組織模糊控制器,使得模糊控制器具有又成功研制出自組織模糊控制器,使得模糊控制器具有了較高的智能。了較高的智能。101.2 智能控制的產(chǎn)生和發(fā)展智能控制的產(chǎn)生和發(fā)展3)發(fā)展期()發(fā)展期(1980 )n19821982年,年,F(xiàn)oxFox等人完成了一個(gè)稱為等人完成了一個(gè)稱為ISISISIS的加工車間調(diào)度的專家系統(tǒng)的加工車間調(diào)度的專家系統(tǒng)n19821982年,年,HopfieldHopfie
11、ld引用能量函數(shù)的概念,使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的平衡穩(wěn)定狀態(tài)有了引用能量函數(shù)的概念,使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的平衡穩(wěn)定狀態(tài)有了明確的判據(jù)方法,并利用模擬電路的基本元件構(gòu)作了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的硬件模明確的判據(jù)方法,并利用模擬電路的基本元件構(gòu)作了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的硬件模型,為實(shí)現(xiàn)硬件奠定了基礎(chǔ),使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究取得突破性進(jìn)展型,為實(shí)現(xiàn)硬件奠定了基礎(chǔ),使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究取得突破性進(jìn)展n19851985年,年,IEEEIEEE在紐約召開了第一屆全球智能控制學(xué)術(shù)討論會(huì),標(biāo)志著智能在紐約召開了第一屆全球智能控制學(xué)術(shù)討論會(huì),標(biāo)志著智能控制作為一個(gè)學(xué)科分支正式被學(xué)術(shù)界接受。控制作為一個(gè)學(xué)科分支正式被學(xué)術(shù)界接受。n19861986年,年,Rume
12、lhartRumelhart提出多層網(wǎng)絡(luò)的提出多層網(wǎng)絡(luò)的“遞推遞推”( (或稱或稱“反傳反傳”) )學(xué)習(xí)算法,學(xué)習(xí)算法,簡稱簡稱BPBP算法,從實(shí)踐上證實(shí)了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的運(yùn)算能力,算法,從實(shí)踐上證實(shí)了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的運(yùn)算能力,BPBP算法是算法是最為引人注目,應(yīng)用最廣的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法之一最為引人注目,應(yīng)用最廣的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法之一n19871987年在費(fèi)城舉行的國際智能控制會(huì)議上,提出了智能控制是自動(dòng)控制,年在費(fèi)城舉行的國際智能控制會(huì)議上,提出了智能控制是自動(dòng)控制,人工智能、運(yùn)疇學(xué)相結(jié)合或自動(dòng)控制、人工智能、運(yùn)疇學(xué)和信息論相結(jié)合的人工智能、運(yùn)疇學(xué)相結(jié)合或自動(dòng)控制、人工智能、運(yùn)疇學(xué)和信息
13、論相結(jié)合的說法。此后,每年舉行一次全球智能控制研討會(huì),形成了智能控制的研究熱說法。此后,每年舉行一次全球智能控制研討會(huì),形成了智能控制的研究熱潮。潮。111.3 智能控制的定義和特點(diǎn)智能控制的定義和特點(diǎn)v 智能控制的定義智能控制的定義IEEEIEEE定義:智能控制必須具有模擬人類學(xué)習(xí)和自適應(yīng)的能力。定義:智能控制必須具有模擬人類學(xué)習(xí)和自適應(yīng)的能力。一般來說,一個(gè)智能控制系統(tǒng)要具有對環(huán)境的敏感,進(jìn)行決策和控制的功能,一般來說,一個(gè)智能控制系統(tǒng)要具有對環(huán)境的敏感,進(jìn)行決策和控制的功能,根據(jù)其性能要求的不同可以有各種人工智能的水平。根據(jù)其性能要求的不同可以有各種人工智能的水平。分析、組織數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)
14、變換為機(jī)器理解的結(jié)構(gòu)化信息的能力;在復(fù)雜環(huán)境中選取優(yōu)化行為,使系統(tǒng)能在不確定情況下繼續(xù)工作的能力。具有辯識(shí)對象和事件、在客觀世界模型中獲取和表達(dá)知識(shí)、進(jìn)行思考和計(jì)劃未來行動(dòng)的具有感知環(huán)境、作出決策和控制的能力高級(jí)高級(jí)較高較高簡單簡單121.3 智能控制的定義和特點(diǎn)智能控制的定義和特點(diǎn)v 智能控制的特點(diǎn)智能控制的特點(diǎn)n 應(yīng)能為復(fù)雜系統(tǒng)(如非線性、快時(shí)變、多變量、強(qiáng)耦合、不確定性等)應(yīng)能為復(fù)雜系統(tǒng)(如非線性、快時(shí)變、多變量、強(qiáng)耦合、不確定性等)進(jìn)行有效的全局控制,并具有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力;進(jìn)行有效的全局控制,并具有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力;n 是定性決策和定量控制相結(jié)合的多模態(tài)組合控制;是定性決策和定量控制相結(jié)
15、合的多模態(tài)組合控制;n 其基本目的是從系統(tǒng)的功能和整體優(yōu)化的角度來分析和綜合系統(tǒng),以實(shí)其基本目的是從系統(tǒng)的功能和整體優(yōu)化的角度來分析和綜合系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的目標(biāo),并應(yīng)具有自組織能力。現(xiàn)預(yù)定的目標(biāo),并應(yīng)具有自組織能力。n 是同時(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)表示的數(shù)學(xué)模型的混是同時(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)表示的數(shù)學(xué)模型的混合控制過程,系統(tǒng)在信息處理上,既有數(shù)學(xué)運(yùn)算,又有邏輯和知識(shí)推理。合控制過程,系統(tǒng)在信息處理上,既有數(shù)學(xué)運(yùn)算,又有邏輯和知識(shí)推理。131.4 智能控制的主要形式智能控制的主要形式分級(jí)遞階分級(jí)遞階智能控制智能控制模糊控制模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制仿人智能
16、控制仿人智能控制專家控制專家控制各種方法的綜合集成各種方法的綜合集成141.4 智能控制的主要形式智能控制的主要形式l 組織級(jí)起主導(dǎo)作用,涉及知識(shí)的表示與組織級(jí)起主導(dǎo)作用,涉及知識(shí)的表示與處理,主要應(yīng)用人工智能;處理,主要應(yīng)用人工智能;l 協(xié)調(diào)級(jí)在組織級(jí)和執(zhí)行級(jí)間起連接作用,協(xié)調(diào)級(jí)在組織級(jí)和執(zhí)行級(jí)間起連接作用,涉及決策方式及其表示,采用人工智能涉及決策方式及其表示,采用人工智能及運(yùn)籌學(xué)實(shí)現(xiàn)控制;及運(yùn)籌學(xué)實(shí)現(xiàn)控制;l 執(zhí)行級(jí)是底層,具有很高的控制精度,執(zhí)行級(jí)是底層,具有很高的控制精度,采用常規(guī)自動(dòng)控制。采用常規(guī)自動(dòng)控制。組織級(jí)協(xié)調(diào)級(jí)執(zhí)行級(jí)精 度智 能n 基于信息論的分級(jí)遞階智能控制基于信息論的分
17、級(jí)遞階智能控制 三級(jí)分級(jí)遞階智能控制系統(tǒng)是由三級(jí)分級(jí)遞階智能控制系統(tǒng)是由GNSaridis于于1977年提出的。該年提出的。該系統(tǒng)由組織級(jí)、協(xié)調(diào)級(jí)和執(zhí)行級(jí)組成,遵循系統(tǒng)由組織級(jí)、協(xié)調(diào)級(jí)和執(zhí)行級(jí)組成,遵循“精度遞增伴隨智能遞減精度遞增伴隨智能遞減”的原則。的原則。151.4 智能控制的主要形式智能控制的主要形式n 以模糊系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)的模糊控制以模糊系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)的模糊控制 人類最初對事物的認(rèn)識(shí)來看,都是定性的、模糊的和非精確的,因而將人類最初對事物的認(rèn)識(shí)來看,都是定性的、模糊的和非精確的,因而將模糊信息引入智能控制具有現(xiàn)實(shí)的意義。模糊邏輯在控制領(lǐng)域的應(yīng)用稱模糊信息引入智能控制具有現(xiàn)實(shí)的意義。模
18、糊邏輯在控制領(lǐng)域的應(yīng)用稱為模糊控制。為模糊控制。 它的基本思想是把人類專家對特定的被控對象或過程的控制策略總結(jié)它的基本思想是把人類專家對特定的被控對象或過程的控制策略總結(jié)成一系列以成一系列以“IF(條件)(條件)THEN(作用)(作用)”形式表示的控制規(guī)則,通過形式表示的控制規(guī)則,通過模糊推理得到控制作用集,作用于被控對象或過程。模糊推理得到控制作用集,作用于被控對象或過程。16智能家電的代表智能家電的代表模糊電飯煲模糊電飯煲17智能機(jī)器人智能機(jī)器人181.4 智能控制的主要形式智能控制的主要形式n 基于腦模型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制基于腦模型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用仿生學(xué)的觀點(diǎn)與方法來研究人腦
19、和智能系統(tǒng)中的高人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用仿生學(xué)的觀點(diǎn)與方法來研究人腦和智能系統(tǒng)中的高級(jí)信息處理。級(jí)信息處理。191.4 智能控制的主要形式智能控制的主要形式n基于知識(shí)工程的專家控制系統(tǒng)基于知識(shí)工程的專家控制系統(tǒng)專家控制可定義為:具有模糊專家智能的功能,采用專家系統(tǒng)技術(shù)與控專家控制可定義為:具有模糊專家智能的功能,采用專家系統(tǒng)技術(shù)與控制理論相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。制理論相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。201.4 智能控制的主要形式智能控制的主要形式n基于規(guī)則的仿人智能控制基于規(guī)則的仿人智能控制仿人智能控制的核心思想是在控制過程中,利用計(jì)算機(jī)模擬人的控制行為功仿人智能控制的核心思想是在控制過程中,利用計(jì)算機(jī)模
20、擬人的控制行為功能,最大限度地識(shí)別和利用控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程提供的特征信息,進(jìn)行啟發(fā)和能,最大限度地識(shí)別和利用控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程提供的特征信息,進(jìn)行啟發(fā)和直覺推理,從而實(shí)現(xiàn)對缺乏精確模型的對象迸行有效的控制。其基本原理是直覺推理,從而實(shí)現(xiàn)對缺乏精確模型的對象迸行有效的控制。其基本原理是模仿人的啟發(fā)式直覺推理邏輯,模仿人的啟發(fā)式直覺推理邏輯,即通過特征辯識(shí)判斷系統(tǒng)當(dāng)前所處的特怔狀即通過特征辯識(shí)判斷系統(tǒng)當(dāng)前所處的特怔狀態(tài),確定控制的策略,進(jìn)行多模態(tài)控制。態(tài),確定控制的策略,進(jìn)行多模態(tài)控制。211.4 智能控制的主要形式智能控制的主要形式n各種方法的綜合集成各種方法的綜合集成l模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
21、控制l模糊專家控制模糊專家控制l模糊模糊PIDPID控制控制l神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)魯棒控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)魯棒控制l神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制l 22v魯棒是魯棒是Robust的音譯,也就是健壯、強(qiáng)壯、堅(jiān)的音譯,也就是健壯、強(qiáng)壯、堅(jiān)定、粗野的意思。魯棒性(定、粗野的意思。魯棒性(robustness)就是)就是系統(tǒng)的健壯性。它是在異常和危險(xiǎn)情況下系統(tǒng)生系統(tǒng)的健壯性。它是在異常和危險(xiǎn)情況下系統(tǒng)生存的關(guān)鍵。比如說,計(jì)算機(jī)存的關(guān)鍵。比如說,計(jì)算機(jī)軟件軟件在輸入錯(cuò)誤、磁在輸入錯(cuò)誤、磁盤故障、網(wǎng)絡(luò)過載或有意攻擊情況下,能否不死盤故障、網(wǎng)絡(luò)過載或有意攻擊情況下,能否不死機(jī)、不崩潰,就是該軟件的魯棒性。魯棒控制機(jī)、不崩潰,就是該軟件的魯棒性。魯棒控制(Robust Control)方面的研究始于)方面的研究始于20世紀(jì)世紀(jì)50年代。在過去的年代。在過去的20年中,魯棒控制一直是國年中,魯棒控制一直是國際自控界的研究熱點(diǎn)。際自控界的研究熱點(diǎn)。231.5 智能控制的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢智能控制的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢n 智
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