智能控制簡(jiǎn)明教程課件

1、主要內(nèi)容： 第一章 緒論 第二章 模糊邏輯基礎(chǔ) 第三章 模糊控制原理 第四章 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ) 第五章 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 學(xué)習(xí)要求課外閱讀參考書(shū)和參考文獻(xiàn)計(jì)算機(jī)練習(xí)，結(jié)合Matlab應(yīng)用考核：課堂練習(xí)、課外作業(yè)、期終考查第一章 緒 論 傳統(tǒng)控制方法包括經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制，是基于被控對(duì)象精確模型的控制方式。1.1 控制理論的發(fā)展過(guò)程控制科學(xué)發(fā)展過(guò)程開(kāi)環(huán)控制對(duì)象的復(fù)雜性進(jìn)展方向確定性反饋控制最優(yōu)控制隨機(jī)控制自適應(yīng)控制魯棒控制自學(xué)習(xí)控制自組織控制智能控制自主控制1. 控制理論和應(yīng)用發(fā)展的概況控制理論的發(fā)展始于Watt飛球調(diào)節(jié)蒸汽機(jī)以后的100年。20年代以反饋控制理論為代表，形成經(jīng)典控制理論，著名的 控制科

2、學(xué)家有：Black, Nyquist, Bode. 2. 隨著航空航天事業(yè)的發(fā)展,5060年代形成以多變量控制為特 征的現(xiàn)代控制理論,主要代表有:Kalman 的濾波器,Pontryagin 的極大值原理,Bellman 的 動(dòng)態(tài)規(guī)劃,Lyapunov 的穩(wěn)定性理論.3. 70年代初,以分解和協(xié)調(diào)為基礎(chǔ),形成了大系統(tǒng)控制理論,用于復(fù) 雜系統(tǒng)的控制,重要理論有遞階控制理論、分散控制理論、隊(duì) 論等。主要用于資源管理、交通控制、環(huán)境保護(hù)等。以上控制理論稱(chēng)之為傳統(tǒng)控制和現(xiàn)代控制理論。階段第一階段第二階段第三階段形成時(shí)間40-50年代60-70年代80年代以來(lái)理論基礎(chǔ)經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論智能控制理論

3、研究對(duì)象單變量控制多變量控制多層次多變量控制分析方法傳遞函數(shù)、頻域法狀態(tài)方程、時(shí)域法智能算子，多級(jí)控制研究重點(diǎn)反饋控制最優(yōu)、隨機(jī)、自適應(yīng)控制大系統(tǒng)理論，智能控制核心裝置自動(dòng)調(diào)節(jié)器計(jì)算機(jī)智能機(jī)器系統(tǒng) 應(yīng) 用單機(jī)自動(dòng)化機(jī)組自動(dòng)化綜合自動(dòng)化 標(biāo) 志調(diào)節(jié)原理狀態(tài)空間法經(jīng)典控制理論 研究的主要對(duì)象多為線性定常系統(tǒng)，主要解決單輸入、單輸出問(wèn)題，研究方法主要采用以傳遞函數(shù)，頻率特性，根軌跡為基礎(chǔ)的頻域分析法。 控制思想： 首先對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行“調(diào)節(jié)”，使之能穩(wěn)定運(yùn)行；其次則采用“反饋”的方式，使得其動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)能夠按照人們的要求精確地工作；最終是實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)按指定目標(biāo)進(jìn)行的控制。經(jīng)典控制：研究單輸入/出系統(tǒng)，頻域

4、法為主，20世紀(jì)40年代建立起來(lái)的?，F(xiàn)代控制：研究多輸入/出系統(tǒng)、非線性時(shí)變系統(tǒng)，20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的?？柭目煽匦钥捎^性、卡爾曼濾波、龐特里亞極大值原理是現(xiàn)代控制的主要標(biāo)志，采用狀態(tài)空間法、李氏穩(wěn)定法，可達(dá)到最優(yōu)性能指標(biāo)。缺點(diǎn)：依賴(lài)被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型智能控制：20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一種新控制方法智能控制的思想： 模仿人如何根據(jù)外部環(huán)境調(diào)整自身使之適應(yīng)其變化達(dá)到對(duì)難以建?；蚰Ｐ筒淮_定性復(fù)雜系統(tǒng)的控制。 目前關(guān)于智能控制的定義、理論、結(jié)構(gòu)等問(wèn)題無(wú)統(tǒng)一的系統(tǒng)描述。傅京遜：智能控制：驅(qū)動(dòng)機(jī)器自主實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的過(guò)程。智能系統(tǒng)：無(wú)須人干預(yù)的智能機(jī)器系統(tǒng)。1.2智能控制的研究對(duì)象 它是控制理論發(fā)

5、展的高級(jí)階段，主要用來(lái)解決那些用傳統(tǒng)方法難以解決的復(fù)雜系統(tǒng)的控制問(wèn)題。 如： 1. 智能機(jī)器人 2. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS 3. 復(fù)雜工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng) 4. 航空航天控制系統(tǒng) 5. 社會(huì)經(jīng)濟(jì)管理系統(tǒng) 6. 交通運(yùn)輸系統(tǒng)等企業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)火星機(jī)器人步行機(jī)器人這些系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：1.不確定性的模型 傳統(tǒng)的控制：建模辨識(shí)參數(shù)基于模型的控制方法。 智能控制：模型的結(jié)構(gòu)可以未知或參數(shù)變化非模型 控制方法。2. 高度的非線性 傳統(tǒng)的控制：采用線性系統(tǒng)理論，用非線性控制方法非線性問(wèn)題。 智能控制：采用人的思維具有非線性的特點(diǎn)，進(jìn)行決策與控制，可較好解決非線性控制問(wèn)題。 3. 復(fù)雜的任務(wù)要求 傳統(tǒng)的控

6、制：系統(tǒng)完成單一任務(wù)。 如隨動(dòng)系統(tǒng)：輸出跟蹤輸入的期望運(yùn)動(dòng)軌跡。 智能控制： 完成多任務(wù)。 如智能機(jī)器人系統(tǒng)：決策與規(guī)劃、跟蹤等功能。1.3 智能控制系統(tǒng) 1. 定義： 所謂智能控制系統(tǒng)是指具備一定的智能行為的系統(tǒng)。 激勵(lì)輸入 系統(tǒng) 輸出（滿(mǎn)意） （決策控制作用） 2. 智能控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)（1）典型結(jié)構(gòu)如智能機(jī)器人系統(tǒng)被控對(duì)象 ：機(jī)器人手臂傳感器 ：關(guān)節(jié)位置傳感器，力傳感器，視覺(jué)傳感器，觸覺(jué)感覺(jué)器通信接口：人-機(jī)接口規(guī)劃與控制：給定任務(wù) 推理、決策 反饋信息 動(dòng)作規(guī)劃 控制作用 經(jīng)驗(yàn)知識(shí) （2）分層遞階結(jié)構(gòu)組織級(jí)協(xié)調(diào)級(jí)執(zhí)行級(jí)對(duì)象識(shí)別組織級(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；

7、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，采用人工智能及運(yùn)籌學(xué)實(shí)現(xiàn)控制；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。組織級(jí)協(xié)調(diào)級(jí)執(zhí)行級(jí)精 度智 能分層遞階結(jié)構(gòu)功能：組織級(jí) ：自然語(yǔ)言機(jī)器語(yǔ)言、決策、 規(guī)劃協(xié)調(diào)級(jí) ：協(xié)調(diào)工作執(zhí)行級(jí) ：實(shí)現(xiàn)一定精度的控制識(shí)別 ： 獲取不確定的參數(shù)、測(cè)量數(shù)據(jù) 分層遞階結(jié)構(gòu)組織級(jí)協(xié)調(diào)級(jí)執(zhí)行級(jí)對(duì)象識(shí)別1.4 智能控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)1. 學(xué)習(xí)功能 學(xué)習(xí)系統(tǒng)的定義（G.N. Saridis） 一個(gè)系統(tǒng)如果能對(duì)一個(gè)過(guò)程或其環(huán)境的未知特征所固有的信息進(jìn)行學(xué)習(xí)，并將收到的經(jīng)驗(yàn)用于進(jìn)一步的估計(jì)、分類(lèi)、決策或控制從而使系統(tǒng)的性能得到改善學(xué)習(xí)系統(tǒng)。 學(xué)習(xí)的目的決

8、策、控制性能提高2. 適應(yīng)功能 不依賴(lài)模型的自適應(yīng)估計(jì)功能，故障容 錯(cuò)功能3. 組織功能 任務(wù)協(xié)調(diào)、信息組織、自主決策等1.5 智能控制研究的數(shù)學(xué)工具傳統(tǒng)控制理論：微分方程、狀態(tài)方程等 數(shù)值計(jì)算方法人工智能： 符號(hào)處理，一階謂詞邏輯智能控制： 模糊集合論，取0，1之間值神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)：許多簡(jiǎn)單關(guān)系復(fù)雜關(guān)系： 非線性映射 進(jìn)化算法（演化）：全局優(yōu)化1.6 智能控制的發(fā)展概況 20世紀(jì)60年代 控制理論和技術(shù)的發(fā)展已漸趨成熟。而人工智能只是一種新興的技術(shù)。1966年 J.M.MENDEL（門(mén)德?tīng)枺⑷斯ぶ悄苡糜陲w船控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人工智能控制 1971年 K.S.FU（傅京遜）從學(xué)習(xí)控制的角度，首次提出

9、智能控制的概念。1986年 K.J.ASTROM將人工智能的專(zhuān)家系統(tǒng)技術(shù)引入到控制系統(tǒng)智能控制系統(tǒng) 20世紀(jì)80年代以來(lái)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NN）、模糊控制（FC）、遺傳算法（GA）等得到迅速發(fā)展。 智能控制的主要形式智能控制BECDA分級(jí)遞階智能控制模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制計(jì)算智能控制專(zhuān)家控制F集成智能控制NN：模擬人腦的功能，不依賴(lài)于精確的數(shù)學(xué)模 型，具有自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)功能。FC： 基于1965年L.A.ZADEH提出的模糊邏輯理 論，模仿人的模糊推理和決策。GA：模擬生物的遺傳和長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中發(fā)展起 來(lái)的一種搜索和優(yōu)化算法。 模擬了生物界“生存競(jìng)爭(zhēng)，優(yōu)勝劣汰，適者 生存”機(jī)制， 用逐次選代法搜索尋優(yōu)

10、。NN：Neural NetworkFC: Fuzzy ControlGA: Genetic Algorithm我國(guó)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始仿人智能控制研究。智能控制作為一門(mén)新興學(xué)科，還處于發(fā)展階段。智能控制理論-多學(xué)科的交叉 1971 傅京遜 ：人工智能+自動(dòng)控制 K.S.FU Artificial Intelligence (AI) Automatic Control(AC)Intelligent Control(IC) 1977 Saridis：人工智能+自動(dòng)控制+運(yùn)籌學(xué) 運(yùn)籌學(xué) Operation Research OR 自動(dòng)控制 Control TheoryCT 1982 蔡自興： A

11、I+CT+OR+IT IT信息論 Information Theory智能控制理論的主要內(nèi)容：1. 自適應(yīng)、自組織和自學(xué)習(xí)控制 如：參數(shù)自適應(yīng)控制，品質(zhì)自適應(yīng)的組織控制減小系統(tǒng)的不確定性 自學(xué)習(xí)控制：對(duì)過(guò)程、環(huán)境學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)控制系統(tǒng) 擾動(dòng)控制器對(duì)象教師參數(shù)自適應(yīng)、自組織控制系統(tǒng)控制器對(duì)象控制器設(shè)計(jì)參數(shù)估計(jì)2. 知識(shí)工程 解決專(zhuān)家控制中的知識(shí)獲取、知識(shí)表示、知識(shí)推理 推理決策（控制作用） 3. 模糊控制理論 1965年 Zadeh提出的模糊集合理論，模仿人的推理過(guò)程. 如：洗衣機(jī)、空調(diào)、自動(dòng)照相機(jī)等，符合人的思維邏輯，具有智能性。 If 氣溫低 then 電機(jī)電壓增加 年輕人：0.6，年老人：0.9

12、 隸屬度4. 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論 已有30年歷史，但近幾年才得到廣泛應(yīng) 用， 它是一種不依賴(lài)模型的自適應(yīng)函數(shù)估計(jì) 器。 模擬人腦神經(jīng)系統(tǒng)智能活動(dòng)的控制方式pp1xp1x pnpm輸入輸出它具有學(xué)習(xí)能力適應(yīng)能力多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)并行處理信息分布存儲(chǔ)高度的容錯(cuò)性和魯棒性連續(xù)時(shí)間的非線性動(dòng)力學(xué)特性 感知器模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能：逼近任意的非線性函數(shù)便于信息的并行、分布式處理和存儲(chǔ)可以實(shí)現(xiàn)多輸入、多輸出能進(jìn)行學(xué)習(xí)，以適應(yīng)環(huán)境的變化5. 遺傳算法（Genetic AlgorithmGA）是一種全局優(yōu)化方法，它模仿生物進(jìn)化的過(guò)程來(lái)逐次達(dá)到最好的結(jié)果。遺傳算法思想來(lái)源:Darwin的進(jìn)化論Mendel的遺

13、傳學(xué)說(shuō)物競(jìng)天擇,適者生存遺傳:作為一種指令遺傳碼封裝在每個(gè)細(xì)胞中,并以基因的形式包含在染色體中,每個(gè)基因有特殊的位置并控制某個(gè)特殊的性質(zhì).遺傳算法實(shí)現(xiàn)思路:問(wèn)題編碼，生成初始染色體群復(fù)制（從舊種群中選擇生命力強(qiáng)的個(gè)體進(jìn)行復(fù)制）再生交叉（部分內(nèi)容進(jìn)行互換）變異（某個(gè)或某幾個(gè)位置的內(nèi)容進(jìn)行跳變）循環(huán)進(jìn)行直到收斂于問(wèn)題的最優(yōu)解。6. 專(zhuān)家控制 專(zhuān)家系統(tǒng)由知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)、解釋器、知識(shí)獲組成機(jī)器學(xué)習(xí)，透明性，靈活性。 應(yīng)用：復(fù)雜系統(tǒng)控制，如故障診斷，容錯(cuò)控制7. 仿人智能控制8. 集成智能控制 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 基于遺傳算法的模糊控制專(zhuān)家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)專(zhuān)家系統(tǒng)推理機(jī)知識(shí)庫(kù)綜合數(shù)據(jù)庫(kù)知識(shí)獲取解釋接口專(zhuān)家用戶(hù)QuestionAnswer基于知識(shí)工程的專(zhuān)家控制系統(tǒng)統(tǒng)專(zhuān)家控制可定義為：具有模糊專(zhuān)家智能的功能，采用專(zhuān)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)?；谝?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(guò)程中，利用計(jì)算機(jī)模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(guò)程提供的特征信息，進(jìn)行啟發(fā)和直覺(jué)推理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)缺乏精確模型的對(duì)象進(jìn)行有效地控制。 其基本原理是模仿人的啟發(fā)式直覺(jué)推理邏輯，即通過(guò)特征辯識(shí)判斷系