第一章 智能概論

1、計(jì)算機(jī)智能控制計(jì)算機(jī)智能控制胡玉琦 1 第一章第一章 概論概論1-1 1-1 引言引言1-21-2 自動(dòng)控制的一般概念自動(dòng)控制的一般概念1-3 1-3 開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制1-4 1-4 控制系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)的分類1-5 1-5 對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求1-61-6 計(jì)算機(jī)控制計(jì)算機(jī)控制1-7 1-7 傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的研究方法傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的研究方法1-8 1-8 自動(dòng)控制理論的發(fā)展史自動(dòng)控制理論的發(fā)展史1-9 1-9 智能控制論智能控制論1-10 1-10 智能控制的幾個(gè)重要分支智能控制的幾個(gè)重要分支1-11 1-11 智能控制系統(tǒng)的構(gòu)成原理智能控制系統(tǒng)的構(gòu)成原

2、理1-12 1-12 智能控制系統(tǒng)研究的數(shù)學(xué)工具智能控制系統(tǒng)研究的數(shù)學(xué)工具2 導(dǎo)彈命中目標(biāo)、人造衛(wèi)星按預(yù)定軌道運(yùn)行、宇宙飛船對(duì)接、返回倉(cāng)返回 例1. 人工控制爐溫人工控制爐溫自動(dòng)控制的一般概念自動(dòng)控制的一般概念人工爐溫控制框圖人工爐溫控制框圖輸入信號(hào)（期望爐溫）輸出信號(hào)（實(shí)際爐溫）腦（計(jì)算、比較）放大、執(zhí)行（手臂、手）被控對(duì)象（電熱絲、爐子）測(cè)量（眼睛）5控制的實(shí)質(zhì)控制的實(shí)質(zhì)：檢測(cè)偏差和糾正偏差檢測(cè)偏差和糾正偏差爐溫自動(dòng)控制爐溫自動(dòng)控制6控制過(guò)程：控制過(guò)程：1 爐溫由熱電偶轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓爐溫由熱電偶轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓ub2期望的爐溫由電壓期望的爐溫由電壓ur給定，并與實(shí)際溫度給定，并與實(shí)際溫度

3、ub比較得到溫度偏差信號(hào)比較得到溫度偏差信號(hào)u ur ub3 3 溫度偏差信號(hào)經(jīng)電壓、功率放大后，用以驅(qū)溫度偏差信號(hào)經(jīng)電壓、功率放大后，用以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，并通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)拖動(dòng)調(diào)壓器動(dòng)動(dòng)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，并通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)拖動(dòng)調(diào)壓器動(dòng)觸頭。當(dāng)溫度偏高時(shí)，動(dòng)觸頭向減小電壓的方觸頭。當(dāng)溫度偏高時(shí)，動(dòng)觸頭向減小電壓的方向運(yùn)動(dòng)，反之加大電壓，直到溫度達(dá)到給定值向運(yùn)動(dòng)，反之加大電壓，直到溫度達(dá)到給定值為止，此時(shí)，偏差為止，此時(shí)，偏差u =0=0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。7爐溫自動(dòng)控制流程爐溫自動(dòng)控制流程buu+_實(shí)際溫度電壓放大器功率放大器爐子熱電偶電機(jī)、減速器、調(diào)壓器期望溫度ru8控制的實(shí)質(zhì)控制的實(shí)質(zhì)：檢測(cè)

4、偏差和糾正偏差檢測(cè)偏差和糾正偏差從從爐溫爐溫控制系統(tǒng)工作過(guò)程定義變量：控制系統(tǒng)工作過(guò)程定義變量： 給定量位于系統(tǒng)的輸入端，稱為給給定量位于系統(tǒng)的輸入端，稱為給系統(tǒng)輸入量系統(tǒng)輸入量，也，也稱為稱為參考輸入量參考輸入量（信號(hào)）。（信號(hào)）。被控制量位于系統(tǒng)的輸出端，稱為被控制量位于系統(tǒng)的輸出端，稱為系統(tǒng)輸出量系統(tǒng)輸出量。輸出量（全部或一部分）通過(guò)測(cè)量裝置返回系統(tǒng)的輸出量（全部或一部分）通過(guò)測(cè)量裝置返回系統(tǒng)的輸入端，使之與輸入量進(jìn)行比較，產(chǎn)生輸入端，使之與輸入量進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差偏差信號(hào)。信號(hào)。輸出量的返回過(guò)程稱為輸出量的返回過(guò)程稱為反饋反饋。返回的全部或部分輸。返回的全部或部分輸出信號(hào)稱為出信號(hào)稱為

5、反饋信號(hào)反饋信號(hào)。顯然：顯然： 反饋控制反饋控制建立在建立在偏差基礎(chǔ)偏差基礎(chǔ)上，其控制上，其控制方式是方式是“檢測(cè)偏差再糾正偏差檢測(cè)偏差再糾正偏差”?？刂葡到y(tǒng)的工作原理控制系統(tǒng)的工作原理：n檢測(cè)輸出量（被控制量）的實(shí)際值；檢測(cè)輸出量（被控制量）的實(shí)際值；n將輸出量的實(shí)際值與給定值（輸入量）進(jìn)行比將輸出量的實(shí)際值與給定值（輸入量）進(jìn)行比較得出偏差；較得出偏差；n用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差，使得用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差，使得輸出量維持期望的輸出。輸出量維持期望的輸出。n系統(tǒng)能在存在無(wú)法預(yù)計(jì)擾動(dòng)的情況下，自動(dòng)系統(tǒng)能在存在無(wú)法預(yù)計(jì)擾動(dòng)的情況下，自動(dòng)減少系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量之間的偏

6、差減少系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量之間的偏差，故稱之為，故稱之為反饋控制反饋控制。ug12uaijn3ugn功 率放 大 器直 流電 動(dòng) 機(jī)工 作機(jī) 械例例2. 2.車床主軸的直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)車床主軸的直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)功 率放大器uguaijnub測(cè)速發(fā)電機(jī) n干擾轉(zhuǎn)矩n功 率放大器直 流電動(dòng)機(jī)工作機(jī)械加法器ug測(cè) 速發(fā)電機(jī)l例例3. 3.雷達(dá)導(dǎo)引隨動(dòng)控制系統(tǒng)雷達(dá)導(dǎo)引隨動(dòng)控制系統(tǒng)uaijnuecuur12ri減速器控制目標(biāo)：輸出軸始終緊緊跟蹤輸入軸變化。由于輸入軸的位置無(wú)法預(yù)先確定位置隨動(dòng)系統(tǒng)。圖16 隨動(dòng)系統(tǒng)的原理圖 輸 入 軸輸 出 軸rue電 位 器(比 較 器 )放 大 器電

7、動(dòng) 機(jī)減 速 器uac小結(jié)自動(dòng)控制要解決的基本問(wèn)題自動(dòng)控制要解決的基本問(wèn)題 如何使被控制量按照給定量的變化規(guī)律變化，就是一個(gè)控制系統(tǒng)要解決的基本問(wèn)題。解決方法解決方法16自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)在沒(méi)有人直接參與的情在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用控制裝置對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制況下，利用控制裝置對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制操縱，使被控量按照參考輸入保持常值或操縱，使被控量按照參考輸入保持常值或者跟隨參考輸入的變化規(guī)律而變化的系統(tǒng)。者跟隨參考輸入的變化規(guī)律而變化的系統(tǒng)。自動(dòng)控制理論自動(dòng)控制理論研究自動(dòng)控制共同規(guī)律研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的一門科學(xué)，包括：工程控制論、生物、的一門科學(xué)，包括：工程控制論、生物、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)

8、控制論。經(jīng)濟(jì)、社會(huì)控制論。17一.開(kāi)環(huán)控制 控制裝置與被控對(duì)象之間只有順向作用而沒(méi)有反向聯(lián)系的控制。 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)二. 閉環(huán)控制開(kāi)環(huán)和閉環(huán)：開(kāi)環(huán)和閉環(huán)：實(shí)際的控制系統(tǒng)按有無(wú)反饋?zhàn)饔脕?lái)界定實(shí)際的控制系統(tǒng)按有無(wú)反饋?zhàn)饔脕?lái)界定反饋：反饋：輸出量送回至輸入端并與輸入信號(hào)比較的過(guò)程輸出量送回至輸入端并與輸入信號(hào)比較的過(guò)程負(fù)反饋：負(fù)反饋：反饋的信號(hào)是與輸入信號(hào)相減而使偏差越來(lái)越小反饋的信號(hào)是與輸入信號(hào)相減而使偏差越來(lái)越小三.開(kāi)環(huán)控制與反饋控制的比較開(kāi)環(huán)開(kāi)環(huán)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試容易。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試容易。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：不能自動(dòng)修正被控制量的偏離，系統(tǒng)的不能自動(dòng)修正被控制量的偏離，系統(tǒng)的元件參數(shù)變化

9、以及外來(lái)的未知擾動(dòng)對(duì)控制精度元件參數(shù)變化以及外來(lái)的未知擾動(dòng)對(duì)控制精度影響較大，抗干擾能力差。影響較大，抗干擾能力差。閉環(huán)閉環(huán) 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：具有自動(dòng)修正被控制量出現(xiàn)偏離的能力，具有自動(dòng)修正被控制量出現(xiàn)偏離的能力，可以修正元件參數(shù)變化以及外界擾動(dòng)引起的誤差，可以修正元件參數(shù)變化以及外界擾動(dòng)引起的誤差，控制精度高，抗干擾能力強(qiáng)?？刂凭雀撸垢蓴_能力強(qiáng)。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：被控量可能出現(xiàn)振蕩，甚至發(fā)散。被控量可能出現(xiàn)振蕩，甚至發(fā)散。1.1.按輸入信號(hào)分類：按輸入信號(hào)分類：定值控制系統(tǒng)定值控制系統(tǒng)伺服系統(tǒng)（隨動(dòng)系統(tǒng)）伺服系統(tǒng)（隨動(dòng)系統(tǒng)）程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)2.2.按系統(tǒng)是否滿足疊加原理按系統(tǒng)是否滿足疊加原

10、理線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)3.3.按系統(tǒng)控制器是否采用計(jì)算機(jī)按系統(tǒng)控制器是否采用計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)（數(shù)字）控制系統(tǒng)與模擬系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（數(shù)字）控制系統(tǒng)與模擬系統(tǒng)4.4.按控制對(duì)象的范疇按控制對(duì)象的范疇運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)與過(guò)程控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)與過(guò)程控制系統(tǒng)5.5.按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時(shí)間變化按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時(shí)間變化時(shí)變系統(tǒng)和定常系統(tǒng)時(shí)變系統(tǒng)和定常系統(tǒng)穩(wěn)定性（前提）穩(wěn)定性（前提）快速性（動(dòng)態(tài)性能）快速性（動(dòng)態(tài)性能）準(zhǔn)確性（穩(wěn)態(tài)精度）準(zhǔn)確性（穩(wěn)態(tài)精度）1-5 1-5 對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求1 穩(wěn)定性 對(duì)一個(gè)能正常工作的線性定常系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程中，可以允許產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，但其振

11、幅度必須是逐漸衰減的，即系統(tǒng)的被控變量在圍繞其平衡位置振蕩若干次后，應(yīng)能穩(wěn)定到平衡位置，這種系統(tǒng)稱為穩(wěn)定系統(tǒng)。(a)(b)(c)(d)x(t)10ty(t)10ty(t)10ty(t)10t12注：穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)決定，與外界因素?zé)o關(guān)。 2 快速性 輸出量和輸入量產(chǎn)生偏差時(shí)，系統(tǒng)消除這種偏差的快慢程度。表征系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。3 準(zhǔn)確性 即穩(wěn)態(tài)精度，用系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)表征。 穩(wěn)態(tài)誤差是控制系統(tǒng)響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值與其希望值之差。C()C(t)2t0r(t)t01(t)超調(diào)量調(diào)整時(shí)間 t|c(t)|,c%)|c()|c(cp0sup100maxmax振蕩次數(shù)上升時(shí)間峰值時(shí)

12、間rtptst描述快速性和精確性描述快速性和精確性注：1 不同性質(zhì)的控制系統(tǒng)，對(duì)穩(wěn)定性、精確性和快速性要求各有側(cè)重；2 系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確性、快速性相互制約，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求合理選擇。 計(jì)算機(jī)控制計(jì)算機(jī)控制p引言引言p系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成p控制機(jī)與通用機(jī)區(qū)別控制機(jī)與通用機(jī)區(qū)別p系統(tǒng)特點(diǎn)系統(tǒng)特點(diǎn)p系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)28p 引言引言計(jì)算機(jī)用于工程控制：工業(yè)生產(chǎn)制造, 軋機(jī)控制、航天器控制。在計(jì)算機(jī)控制推廣應(yīng)用的實(shí)踐中，總結(jié)了系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)的理論和方法以及工程實(shí)現(xiàn)技術(shù)，使計(jì)算機(jī)控制成為以控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的一門新的工程科學(xué)技術(shù)。29典型的計(jì)算機(jī)反饋控制系統(tǒng)框圖典型的計(jì)算機(jī)反饋控制系統(tǒng)框圖計(jì)算機(jī)

13、給定值被控量數(shù) 字控制器模/數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)/模轉(zhuǎn)換執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象檢測(cè)裝置3031t0T02T03T04T05T06T0)(*thC-rA/D計(jì)算機(jī)D/A被控對(duì)象T0m保持器計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制過(guò)程 (1)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。對(duì)被控制量的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測(cè)，并且將采樣結(jié)果輸入到計(jì)算機(jī)。 (2)實(shí)時(shí)決策。對(duì)輸入的實(shí)時(shí)給定值與被控量的數(shù)值進(jìn)行處理后，按照預(yù)先規(guī)定的控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，則稱實(shí)時(shí)決策，或簡(jiǎn)稱決策。 (3)實(shí)時(shí)控制。根據(jù)實(shí)時(shí)決策結(jié)果，實(shí)時(shí)地對(duì)執(zhí)行裝置發(fā)出控制信號(hào)。 (4) 信息管理。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制策略的發(fā)展，信息共享和管理也介入到控制系統(tǒng)之中。 測(cè)、算、控、管 實(shí)時(shí)3233控制

14、過(guò)程采樣周期(s)流量1壓力5液面520溫度p系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成 硬件組成硬件組成主機(jī)主機(jī)外部設(shè)備外部設(shè)備過(guò)程輸入輸出設(shè)備（過(guò)程輸入輸出設(shè)備（PIOPIO設(shè)備）設(shè)備）廣義被控對(duì)象廣義被控對(duì)象 34外部接口及設(shè)備微處理機(jī)監(jiān)視及報(bào)警設(shè)備輸入接口常規(guī)外圍設(shè)備操 作 控 制 臺(tái)BUS輸出接口外存儲(chǔ)器輸入通道信號(hào)變換電 路輸出通道信號(hào)變換電 路控制監(jiān)測(cè)對(duì)象35軟件組成軟件組成系統(tǒng)軟件：系統(tǒng)軟件：通用性軟件，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通用性軟件，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)OSOS數(shù)據(jù)庫(kù)系數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)統(tǒng) 公共服務(wù)軟件（各種語(yǔ)言編譯公共服務(wù)軟件（各種語(yǔ)言編譯/ /程序診斷程序診斷/ /網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)通信軟件）。通信軟件）。應(yīng)用軟件：應(yīng)用軟件：在系統(tǒng)軟件支

15、持下實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用功能在系統(tǒng)軟件支持下實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用功能的專用程序，由設(shè)計(jì)人員據(jù)硬件、軟件環(huán)境開(kāi)發(fā)的專用程序，由設(shè)計(jì)人員據(jù)硬件、軟件環(huán)境開(kāi)發(fā)編寫，如編寫，如PLCPLC。控制程序：控制程序：預(yù)先設(shè)計(jì)的控制算法，對(duì)象運(yùn)行工預(yù)先設(shè)計(jì)的控制算法，對(duì)象運(yùn)行工況反映給控制程序，控制程序產(chǎn)生控制信號(hào)驅(qū)況反映給控制程序，控制程序產(chǎn)生控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行裝置，其優(yōu)劣影響控制品質(zhì)動(dòng)執(zhí)行裝置，其優(yōu)劣影響控制品質(zhì)過(guò)程輸入過(guò)程輸入/ /輸出接口程序：輸出接口程序：與通道硬件配合，與通道硬件配合，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與對(duì)象之間的數(shù)據(jù)信息傳遞實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與對(duì)象之間的數(shù)據(jù)信息傳遞36p 控制機(jī)與通用機(jī)區(qū)別控制機(jī)與通用機(jī)區(qū)別結(jié)構(gòu)上結(jié)構(gòu)上技術(shù)性能

16、上：技術(shù)性能上：實(shí)時(shí)響應(yīng)能力實(shí)時(shí)響應(yīng)能力抗干擾、可靠抗干擾、可靠MTBF(MTBF(平均無(wú)故障時(shí)間平均無(wú)故障時(shí)間) )要求要求37p工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)隨著計(jì)算機(jī)本身而發(fā)展隨著計(jì)算機(jī)本身而發(fā)展隨著控制理論而發(fā)展隨著控制理論而發(fā)展工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì) 1 1 以工業(yè)以工業(yè)PCPC為基礎(chǔ)的低成本工業(yè)控制自動(dòng)化將成為為基礎(chǔ)的低成本工業(yè)控制自動(dòng)化將成為主流；主流； 2 2 PLCPLC在向微型化；在向微型化； 3 3 面向測(cè)控管一體化設(shè)計(jì)的集散控制系統(tǒng)（面向測(cè)控管一體化設(shè)計(jì)的集散控制系統(tǒng)（DCSDCS），），網(wǎng)絡(luò)化，有線和無(wú)線結(jié)合；網(wǎng)絡(luò)化，有線和無(wú)線結(jié)合； 現(xiàn)場(chǎng)

17、總線（現(xiàn)場(chǎng)總線（FCSFCS：FieldbusFieldbus ControlControl SystemSystem）；）； 4 4 智能化，智能化， 先進(jìn)的控制算法。先進(jìn)的控制算法。 38 1-7 1-7 傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的研究方法及內(nèi)容傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的研究方法及內(nèi)容研究方法研究方法：建立數(shù)學(xué)模型建立數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)性能分析系統(tǒng)性能分析設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) Ua 解：的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程為輸出量時(shí)及角位移動(dòng)機(jī)輸出軸角速度為輸入變量和分別以電以電樞電壓統(tǒng)，如圖所示，試列寫設(shè)有帶載直流電動(dòng)機(jī)系例消去中間變量得：磁力矩為在恒定磁場(chǎng)中產(chǎn)生的電電樞電流，當(dāng)電動(dòng)機(jī)空載時(shí)，成正比，即而電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)與運(yùn)動(dòng)方程為：流電動(dòng)機(jī)電樞回路

18、的根據(jù)基爾霍夫定律，直iCMi0MCeEUEiRMLaafMdtdJdtdiLa可可得得相相應(yīng)應(yīng)運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)方方程程。為為輸輸出出量量，則則根根據(jù)據(jù)關(guān)關(guān)系系若若以以）（）（，則則由由牛牛頓頓定定律律有有時(shí)時(shí)，當(dāng)當(dāng)電電動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)輸輸出出軸軸帶帶負(fù)負(fù)載載）（）（dtdMRdtdMLUCCCfRdtdfLJRdtdJLdtLaLaaMeMaaaa 22LLaMeMaaa22aM-f-M dtdJ 0MUCCCfRdtdfLJRdJL42)()(.)()()()(.)()(0111101111trbtrdtdbtrdtdbtrdtdbtcatcdtdatcdtdatcdtdammmmmmnnnnnn 已知以

19、c(t )為輸出量，r(t )為輸入量的線性定常系統(tǒng)的微分方程一般表達(dá)式為43( (a an ns s n n+ +a an-1n-1 s s n-1n-1 +a a1 1s s+ +a a0 0)C()C(s s) ) =( =(b bm ms s m m+ +b bm-1m-1 s s m-1m-1 +b b1 1s s+ +b b0 0) )R R( (s s) )01110111.)()()(asasasabsbsbsbsRsCsGnnnnmmmm各種數(shù)學(xué)模型之間的關(guān)系各種數(shù)學(xué)模型之間的關(guān)系線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)微分方程微分方程頻率特性頻率特性拉氏拉氏變換變換傅氏傅氏變換變換

20、閉環(huán)系統(tǒng)的方框圖閉環(huán)系統(tǒng)的方框圖N(s)B(s)G2(s)H(s)G1(s)R(s)E(s)C(s)11sKsK2 sR sC二階系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)2222nnnss sR sC221nKKn21二階系統(tǒng)極點(diǎn)分布2211j,nnss012345678900.20.40.60.811.21.4Time (sec)C(t)pMrtptst%2%5或020040060080010001200140000.20.40.60.811.21.41.61.82不同阻尼比50G(s)R(s)E(s)E(z)C(z)R(z)B(s)Go(s)U(z)Gh(s)Gh(s)D(s)C(s)C-rA/D計(jì)算機(jī)D/A被控對(duì)象

21、T0m保持器1-81-8 自自動(dòng)控制理論動(dòng)控制理論的的發(fā)展發(fā)展史史（1 1）2020世紀(jì)世紀(jì)40 -6040 -60年代，經(jīng)典控制理論階段。年代，經(jīng)典控制理論階段。對(duì)象：?jiǎn)屋斎雴屋敵龅木€性定常系統(tǒng)；對(duì)象：?jiǎn)屋斎雴屋敵龅木€性定常系統(tǒng)；依賴于系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型；依賴于系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型；理論基礎(chǔ)和方法：傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡；理論基礎(chǔ)和方法：傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡；控制原理：負(fù)反饋控制，控制原理：負(fù)反饋控制，“自動(dòng)調(diào)節(jié)原理自動(dòng)調(diào)節(jié)原理”；研究目標(biāo)：閉環(huán)系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能；研究目標(biāo)：閉環(huán)系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能；工程實(shí)用方法：工程實(shí)用方法：PIDPID調(diào)節(jié)原理和調(diào)節(jié)原理和PID

22、PID調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)方調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)方法、前饋補(bǔ)償；法、前饋補(bǔ)償； 51（2 2） 20 20世紀(jì)世紀(jì)6060年代末，現(xiàn)代控制理論階段。年代末，現(xiàn)代控制理論階段。動(dòng)力：航天器等空間技術(shù)的發(fā)展要求高性能、高精動(dòng)力：航天器等空間技術(shù)的發(fā)展要求高性能、高精度的復(fù)雜控制系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)發(fā)展提供了必要的技術(shù)度的復(fù)雜控制系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)發(fā)展提供了必要的技術(shù)手段；手段；對(duì)象：多變量、變參數(shù)、非線性、連續(xù)的或離散的；對(duì)象：多變量、變參數(shù)、非線性、連續(xù)的或離散的；依賴于系統(tǒng)的精確的數(shù)學(xué)模型，但把原來(lái)直接根據(jù)依賴于系統(tǒng)的精確的數(shù)學(xué)模型，但把原來(lái)直接根據(jù)受控系統(tǒng)機(jī)理特性的建模方法，向基于參數(shù)估計(jì)和受控系統(tǒng)機(jī)理特性的建模方法，向基于

23、參數(shù)估計(jì)和系統(tǒng)辨識(shí)理論的建模方法拓展了；系統(tǒng)辨識(shí)理論的建模方法拓展了；描述方法：在時(shí)間域內(nèi)應(yīng)用狀態(tài)方程，利于計(jì)算機(jī)描述方法：在時(shí)間域內(nèi)應(yīng)用狀態(tài)方程，利于計(jì)算機(jī)運(yùn)算；運(yùn)算；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：多環(huán)、自適應(yīng)環(huán)、學(xué)習(xí)環(huán)等；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：多環(huán)、自適應(yīng)環(huán)、學(xué)習(xí)環(huán)等；控制策略：最優(yōu)控制、系統(tǒng)辨識(shí)、自適應(yīng)控制、魯控制策略：最優(yōu)控制、系統(tǒng)辨識(shí)、自適應(yīng)控制、魯棒控制，自校正控制；棒控制，自校正控制；52（3 3）復(fù)雜的任務(wù)要求：）復(fù)雜的任務(wù)要求：傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，控制的任務(wù)要求輸出為定值（調(diào)節(jié)系統(tǒng)）或者要求輸出量跟蹤期望的運(yùn)動(dòng)軌跡（跟蹤系統(tǒng)），因此控制任務(wù)比較單一。但對(duì)于復(fù)雜的控制任務(wù)，如智能機(jī)器人系統(tǒng)、復(fù)雜工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)

24、、航空航天控制系統(tǒng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)管理系統(tǒng)等傳統(tǒng)的控制理論都無(wú)能為力。 （2 2）高度非線性）高度非線性：傳統(tǒng)控制理論中，線性系統(tǒng)理論比傳統(tǒng)控制理論中，線性系統(tǒng)理論比較成熟，對(duì)于具有高度非線性的控制對(duì)象，雖然也有較成熟，對(duì)于具有高度非線性的控制對(duì)象，雖然也有一些非線性方法可供使用，但目前非線性控制理論還一些非線性方法可供使用，但目前非線性控制理論還很不成熟，有些方法又過(guò)于復(fù)雜，無(wú)法廣泛應(yīng)用；很不成熟，有些方法又過(guò)于復(fù)雜，無(wú)法廣泛應(yīng)用；（1 1）不確定性的模型）不確定性的模型：傳統(tǒng)控制是基于模型的控制，傳統(tǒng)控制是基于模型的控制，傳統(tǒng)控制通常認(rèn)為模型是已知的或通過(guò)辨識(shí)可以得到傳統(tǒng)控制通常認(rèn)為模型是已知的

25、或通過(guò)辨識(shí)可以得到的，對(duì)于不確定性的模型，應(yīng)用智能控制；的，對(duì)于不確定性的模型，應(yīng)用智能控制；（3）20世紀(jì)世紀(jì)70年代后期，智能控制理論年代后期，智能控制理論傳統(tǒng)控制論面臨的挑戰(zhàn)：一、人工智能 人類智能：一些復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程難以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，人類智能：一些復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程難以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，可以通過(guò)熟練的操作人員實(shí)現(xiàn)；騎自行車穿過(guò)人群、可以通過(guò)熟練的操作人員實(shí)現(xiàn)；騎自行車穿過(guò)人群、放風(fēng)箏、下棋、競(jìng)技、解算題、猜謎語(yǔ)、討論、制定放風(fēng)箏、下棋、競(jìng)技、解算題、猜謎語(yǔ)、討論、制定計(jì)劃、寫程序等。計(jì)劃、寫程序等。 人工智能：如果機(jī)器能執(zhí)行這種任務(wù)，就可以認(rèn)為人工智能：如果機(jī)器能執(zhí)行這種任務(wù)，就可以認(rèn)為機(jī)器已經(jīng)具

26、有某種性質(zhì)的機(jī)器已經(jīng)具有某種性質(zhì)的“人工智能人工智能”。人工智能定義人工智能定義1 1：人工智能就是研究如何使計(jì)算機(jī)：人工智能就是研究如何使計(jì)算機(jī)去做過(guò)去只有人才能做的智能的工作（美國(guó)去做過(guò)去只有人才能做的智能的工作（美國(guó)MITMIT的的WinstonWinston教授）。教授）。人工智能定義人工智能定義2 2：人工智能是關(guān)于知識(shí)的學(xué)科，即：人工智能是關(guān)于知識(shí)的學(xué)科，即怎樣表示知識(shí)、獲得知識(shí)、使用知識(shí)的科學(xué)（斯坦怎樣表示知識(shí)、獲得知識(shí)、使用知識(shí)的科學(xué)（斯坦福大學(xué)人工智能研究中心福大學(xué)人工智能研究中心NilsonNilson）。）。說(shuō)明: 1. 1. 定義反映了人工智能學(xué)科的基本思想和基本內(nèi)容，

27、定義反映了人工智能學(xué)科的基本思想和基本內(nèi)容，概括為：人工智能是研究人類智能活動(dòng)的規(guī)律，構(gòu)造具概括為：人工智能是研究人類智能活動(dòng)的規(guī)律，構(gòu)造具有一定智能行為的人工系統(tǒng)。有一定智能行為的人工系統(tǒng)。 2.2.人工智能的研究是從所謂問(wèn)題求解開(kāi)始的，比如：人工智能的研究是從所謂問(wèn)題求解開(kāi)始的，比如：智力游戲、棋弈、數(shù)學(xué)定理證明等。例如：智力游戲、棋弈、數(shù)學(xué)定理證明等。例如：19671967年年A.L.SamuelA.L.Samuel編制了一個(gè)下棋程序，隨著該程序的完善編制了一個(gè)下棋程序，隨著該程序的完善和學(xué)習(xí)性能的提高，四年后戰(zhàn)勝了他，又過(guò)三年戰(zhàn)勝和學(xué)習(xí)性能的提高，四年后戰(zhàn)勝了他，又過(guò)三年戰(zhàn)勝了美國(guó)一個(gè)

28、保持了了美國(guó)一個(gè)保持了8 8年之久的世界冠軍。該項(xiàng)工作對(duì)年之久的世界冠軍。該項(xiàng)工作對(duì)于機(jī)器的自學(xué)習(xí)機(jī)能，進(jìn)行了較好的探索。于機(jī)器的自學(xué)習(xí)機(jī)能，進(jìn)行了較好的探索。3.3.人工智能是從人的智能行為（感知、學(xué)習(xí)、策略、人工智能是從人的智能行為（感知、學(xué)習(xí)、策略、創(chuàng)造、語(yǔ)言等）中模仿、總結(jié)、提煉的，因此除了創(chuàng)造、語(yǔ)言等）中模仿、總結(jié)、提煉的，因此除了計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)之外，它還涉及自動(dòng)化技術(shù)、機(jī)計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)之外，它還涉及自動(dòng)化技術(shù)、機(jī)器學(xué)、心理學(xué)、邏輯學(xué)、語(yǔ)言學(xué)、哲學(xué)等幾乎是自器學(xué)、心理學(xué)、邏輯學(xué)、語(yǔ)言學(xué)、哲學(xué)等幾乎是自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)的所有學(xué)科。然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)的所有學(xué)科。4.4.人工智能被人們稱

29、為世界三大尖端技術(shù)之一（空人工智能被人們稱為世界三大尖端技術(shù)之一（空間技術(shù)、能源技術(shù)、人工智能），近三十年來(lái)獲間技術(shù)、能源技術(shù)、人工智能），近三十年來(lái)獲得了迅速發(fā)展，在很多學(xué)科領(lǐng)域都獲得了廣泛應(yīng)得了迅速發(fā)展，在很多學(xué)科領(lǐng)域都獲得了廣泛應(yīng)用，人工智能逐步成為一個(gè)獨(dú)立的分支技術(shù)，無(wú)用，人工智能逐步成為一個(gè)獨(dú)立的分支技術(shù)，無(wú)論在理論和實(shí)踐上已自成一個(gè)體系。論在理論和實(shí)踐上已自成一個(gè)體系。565.5.傳統(tǒng)控制理論難以解決的復(fù)雜系統(tǒng)的控制問(wèn)題，傳統(tǒng)控制理論難以解決的復(fù)雜系統(tǒng)的控制問(wèn)題，需將人工智能的方法引入控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)需將人工智能的方法引入控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化，即通過(guò)采用仿人智能控制

30、決策，迫使控的智能化，即通過(guò)采用仿人智能控制決策，迫使控制系統(tǒng)朝著期望的方向逼近。制系統(tǒng)朝著期望的方向逼近。二、智能控制二、智能控制智能控制定義智能控制定義2: 2: 可以把智能控制看作是人工智能、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。這種自動(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。這種結(jié)構(gòu)稱為智能控制的三元結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)稱為智能控制的三元結(jié)構(gòu)。人工智能人工智能(Intelligent Control)(Intelligent Control)是一個(gè)知識(shí)處理系統(tǒng)，具是一個(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。有記憶、學(xué)習(xí)、信息處理、形式

31、語(yǔ)言、啟發(fā)式推理等功能。自動(dòng)控制自動(dòng)控制(Automatic Control)(Automatic Control) 是一種動(dòng)態(tài)反饋。是一種動(dòng)態(tài)反饋。運(yùn)籌學(xué)運(yùn)籌學(xué)(OR)(OR)是一種定量?jī)?yōu)化的方法，如線性規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、是一種定量?jī)?yōu)化的方法，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。調(diào)度、管理、優(yōu)化決策和多目標(biāo)優(yōu)化方法等。 *智能控制定義智能控制定義1: 1: 所謂智能控制是通過(guò)定性與定量相所謂智能控制是通過(guò)定性與定量相結(jié)合的方法結(jié)合的方法, ,針對(duì)對(duì)象環(huán)境和任務(wù)的復(fù)雜性與不確定針對(duì)對(duì)象環(huán)境和任務(wù)的復(fù)雜性與不確定性性, ,有效自主地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜信息的處理、優(yōu)化決策及控有效自主

32、地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜信息的處理、優(yōu)化決策及控制功能制功能. .智能控制的三元結(jié)構(gòu)自動(dòng)控制自動(dòng)控制AC運(yùn)籌學(xué)運(yùn)籌學(xué)OR人工智能人工智能AI智能控制智能控制 ICIC 從另一個(gè)角度給出了智能控制的定義：從另一個(gè)角度給出了智能控制的定義：智能控制就是應(yīng)用人工智能理論與技術(shù)和運(yùn)籌智能控制就是應(yīng)用人工智能理論與技術(shù)和運(yùn)籌學(xué)的優(yōu)化方法學(xué)的優(yōu)化方法, ,并將其同并將其同控制理論方法和技術(shù)控制理論方法和技術(shù)相相結(jié)合結(jié)合, ,在未知環(huán)境下在未知環(huán)境下, ,仿效人的智能對(duì)系統(tǒng)的控仿效人的智能對(duì)系統(tǒng)的控制。制。 這里所指的環(huán)境這里所指的環(huán)境, ,是指廣義的被控對(duì)象是指廣義的被控對(duì)象及其外界條件。及其外界條件。智能控制已初具學(xué)

33、科體系，包括基礎(chǔ)理論、技術(shù)智能控制已初具學(xué)科體系，包括基礎(chǔ)理論、技術(shù)方法和實(shí)際應(yīng)用諸方面。方法和實(shí)際應(yīng)用諸方面。在在基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)理論方面，涉及傳統(tǒng)人工智能的知識(shí)方面，涉及傳統(tǒng)人工智能的知識(shí)表示和推理及計(jì)算智能等；表示和推理及計(jì)算智能等；在在技術(shù)方法技術(shù)方法方面，如專家控制、模糊控制、方面，如專家控制、模糊控制、神經(jīng)控制、學(xué)習(xí)控制、仿人控制和進(jìn)化控制等；神經(jīng)控制、學(xué)習(xí)控制、仿人控制和進(jìn)化控制等；但目前還處于但目前還處于開(kāi)創(chuàng)性的研究階段開(kāi)創(chuàng)性的研究階段. . 智能控制是結(jié)合多種學(xué)科知識(shí)來(lái)解決復(fù)雜系統(tǒng)的智能控制是結(jié)合多種學(xué)科知識(shí)來(lái)解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制問(wèn)題?；谶@種認(rèn)識(shí)，人們將各種學(xué)科大膽地應(yīng)用控制問(wèn)題

34、?；谶@種認(rèn)識(shí)，人們將各種學(xué)科大膽地應(yīng)用于控制中引出了許多新理論和新方法。于控制中引出了許多新理論和新方法。1 1、專家系統(tǒng)和專家控制：、專家系統(tǒng)和專家控制：有三部分組成：控制機(jī)制有三部分組成：控制機(jī)制？、推理機(jī)制、知識(shí)庫(kù)。推理機(jī)制、知識(shí)庫(kù)。2 2、模糊控制：、模糊控制：模糊控制主要是模仿人的控制經(jīng)驗(yàn)?zāi)：刂浦饕悄７氯说目刂平?jīng)驗(yàn), ,而不而不是依賴控制對(duì)象的模型。模糊控制器實(shí)現(xiàn)了人的某些智是依賴控制對(duì)象的模型。模糊控制器實(shí)現(xiàn)了人的某些智能。模糊控制有三個(gè)基本組成部分：模糊化、模糊決策、能。模糊控制有三個(gè)基本組成部分：模糊化、模糊決策、精確化計(jì)算。精確化計(jì)算。3 3、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制：、神經(jīng)元網(wǎng)

35、絡(luò)控制：通過(guò)人工模擬人腦的工作機(jī)理、通過(guò)人工模擬人腦的工作機(jī)理、用機(jī)器實(shí)現(xiàn)智能行為用機(jī)器實(shí)現(xiàn)智能行為。4 4、學(xué)習(xí)控制、仿人智能控制系統(tǒng)、遺傳算法、學(xué)習(xí)控制、仿人智能控制系統(tǒng)、遺傳算法智能控制的幾個(gè)重要分支智能控制的幾個(gè)重要分支什么是智能控制系統(tǒng)？什么是智能控制系統(tǒng)？智能控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)某種控制任務(wù)智能控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)某種控制任務(wù)的一種智能系統(tǒng)。的一種智能系統(tǒng)。 從系統(tǒng)的角度看，智能行為是一種從輸入到輸從系統(tǒng)的角度看，智能行為是一種從輸入到輸出的映射關(guān)系。這種映射關(guān)系并不能用常規(guī)的數(shù)學(xué)方法來(lái)出的映射關(guān)系。這種映射關(guān)系并不能用常規(guī)的數(shù)學(xué)方法來(lái)精確地描述，因此它可以看成一種不依賴模型的自適應(yīng)估精確地描述，因此它可以看成一種不依賴模型的自適應(yīng)估計(jì)。計(jì)。 例如：鋼琴家彈奏一支優(yōu)美的樂(lè)曲例如：鋼琴家彈奏一支優(yōu)美的樂(lè)曲智能控制系統(tǒng)的構(gòu)成原理智能控制系統(tǒng)的構(gòu)成原理智能控制系統(tǒng)典型的原理結(jié)構(gòu)圖智能控制系統(tǒng)典型的原理結(jié)構(gòu)圖：其中其中，“廣義對(duì)象廣義對(duì)象”包括控制對(duì)象和外部環(huán)境。如智能機(jī)器人系統(tǒng)中，機(jī)器人包括控制對(duì)象和外部環(huán)境。如智能機(jī)器人系統(tǒng)中，機(jī)器人的手臂、被操作物體；的手臂、被操作物體；“傳感器傳感器”包括關(guān)節(jié)位置傳感器、力傳感器、視覺(jué)傳感包括關(guān)節(jié)位置傳感器、力傳感器、視覺(jué)傳感器、距離傳感器、觸覺(jué)