智能控制 智能控制概述

1、智 能 控 制鄭州大學(xué)電氣(dinq)工程學(xué)院陳鐵軍 師黎 曾慶山共四十四頁課程(kchng)總目標(biāo)學(xué)完本課程后，你應(yīng)具有以下能力：掌握智能控制的基本概念；了解(lioji)智能控制的基本理論，掌握智能控制的基本技術(shù)；學(xué)會智能控制算法和系統(tǒng)的設(shè)計方法掌握模糊控制器的組成、工作原理和設(shè)計方法；熟悉和會編寫模糊控制系統(tǒng)仿真或應(yīng)用程序；掌握神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本概念、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的工作原理和設(shè)計方法；熟悉和會編寫神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真或應(yīng)用程序；掌握專家系統(tǒng)的基本概念、專家控制系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計方法；熟悉和會編寫專家控制系統(tǒng)仿真或應(yīng)用程序；共四十四頁課程(kchng)安排共48個學(xué)時理論教學(xué)34學(xué)時實(shí)踐教

2、學(xué)12學(xué)時（實(shí)驗(yàn)4學(xué)時，綜合設(shè)計(shj)8學(xué)時,課外科技活動 2學(xué)時）共四十四頁參考書目1、Fuzzy control 2、An Introduction to Fuzzy Control3、4、共四十四頁智能控制概述 智能控制是自動控制發(fā)展(fzhn)的一個新階段，是人工智能、控制論、系統(tǒng)論和信息論等多種學(xué)科的綜合與集成，是當(dāng)前的一個研究熱點(diǎn)。智能控制(kngzh)的基本概念智能控制系統(tǒng)的特點(diǎn)智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)理論智能控制與傳統(tǒng)控制的關(guān)系智能控制的研究對象智能控制的類型智能控制的發(fā)展概述共四十四頁智能(zh nn)控制的基本概念 智能控制已經(jīng)出現(xiàn)了相當(dāng)長的一段時間，并且已取得了初步的應(yīng)用成

3、果.但是究竟什么是“智能”，什么是“智能控制”等問題，至今仍沒有(mi yu)統(tǒng)一的定義。歸納起來，主要有如下四種說法： 共四十四頁智能(zh nn)控制的基本概念智能控制(kngzh)的定義一: 智能控制是由智能機(jī)器自主地實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的過程。而智能機(jī)器則定義為，在結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化的、熟悉的或陌生的環(huán)境中，自主地或與人交互地執(zhí)行人類規(guī)定的任務(wù)的一種機(jī)器。 共四十四頁定義二: K.J.奧斯托羅姆則認(rèn)為，把人類具有的直覺推理和試湊法等智能加以形式化或機(jī)器模擬，并用于控制系統(tǒng)的分析(fnx)與設(shè)計中，以期在一定程度上實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的智能化，這就是智能控制。他還認(rèn)為自調(diào)節(jié)控制、自適應(yīng)控制就是智能控制的低級

4、體現(xiàn)。智能(zh nn)控制的基本概念共四十四頁定義三: 智能控制是一類無需人的干預(yù)(gny)就能夠自主地驅(qū)動智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的自動控制，也是用計算機(jī)模擬人類智能的一個重要領(lǐng)域。智能(zh nn)控制的基本概念共四十四頁定義四: 智能控制實(shí)際只是研究與模擬人類智能活動及其控制與信息傳遞過程的規(guī)律，研制具有仿人智能的工程(gngchng)控制與信息處理系統(tǒng)的一個新興分支學(xué)科。智能(zh nn)控制的基本概念共四十四頁智能控制(kngzh)的特點(diǎn)同時具有以知識表示的非數(shù)學(xué)廣義模型和以數(shù)學(xué)模型表示的混合過程,，也往往是那些含有復(fù)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)學(xué)過程，并以知

5、識進(jìn)行推理，以啟發(fā)引導(dǎo)求解過程;智能(zh nn)控制的核心在高層控制，即組織級; 共四十四頁智能控制器具有非線性特性;智能控制(kngzh)具有變結(jié)構(gòu)特點(diǎn);智能控制器具有總體自尋優(yōu)特性;智能控制系統(tǒng)應(yīng)能滿足多樣性目標(biāo)的高性能要求;智能控制是一門邊緣交叉學(xué)科;智能控制是一個新興的研究領(lǐng)域.智能控制(kngzh)的特點(diǎn) 共四十四頁智能控制(kngzh)的結(jié)構(gòu)理論 智能控制的理論結(jié)構(gòu)明顯地具有多學(xué)科交叉的特點(diǎn)，許多研究人員試圖建立起智能控制這一新(y xn)學(xué)科，他們提出了一些有關(guān)智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的思想。按照（傅京孫）和Saridis提出的觀點(diǎn)，可以把智能控制看作是人工智能、自動控制和運(yùn)籌學(xué)三個主

6、要學(xué)科相結(jié)合的產(chǎn)物。稱之為三元結(jié)構(gòu)。 共四十四頁智能控制(kngzh)的結(jié)構(gòu)理論IC=AIACOR IC 智能控制(kngzh)( Intelligent Control);OR運(yùn)籌學(xué)(Operation Research）Al人工智能(Artificial Intelligence);AC一自動控制(Automatic Control);一表示交集.共四十四頁智能控制的結(jié)構(gòu)(jigu)理論人工智能（AI）：是一個知識處理系統(tǒng)，具有記憶、學(xué)習(xí)(xux)、信息處理、形式語言、啟發(fā)式推理等功能。自動控制（AC）：描述系統(tǒng)的動力學(xué)特性，是一種動態(tài)反饋。運(yùn)籌學(xué)（OR）：是一種定量優(yōu)化方法，如線性規(guī)劃、

7、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。共四十四頁智能控制的結(jié)構(gòu)(jigu)理論 智能控制就是應(yīng)用人工智能的理論與技術(shù)和運(yùn)籌學(xué)的優(yōu)化方法(fngf)，并將其同控制理論方法(fngf)與技術(shù)相結(jié)合，在未知環(huán)境下，仿效人的智能，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。 可見，智能控制代表著自動控制學(xué)科發(fā)展的最新進(jìn)程。共四十四頁智能控制的結(jié)構(gòu)(jigu)理論 共四十四頁智能控制與傳統(tǒng)(chuntng)控制的關(guān)系傳統(tǒng)控制（Conventional control）：經(jīng)典反饋控制和現(xiàn)代理論控制。它們的主要特征是基于精確的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的控制。適于解決線性、時不變等相對簡單的控制問題。智能控制（Intelligent

8、control）以上(yshng)問題用智能的方法同樣可以解決。智能控制是對傳統(tǒng)控制理論的發(fā)展，傳統(tǒng)控制是智能控制的一個組成部分，在這個意義下，兩者可以統(tǒng)一在智能控制的框架下。共四十四頁智能控制(kngzh)的研究對象智能控制主要應(yīng)用在以下情況：實(shí)際系統(tǒng)由于存在復(fù)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(xué)模型。應(yīng)用傳統(tǒng)控制理論進(jìn)行控制必須(bx)提出并遵循一些比較苛刻的線性化假設(shè)，而這些假設(shè)在應(yīng)用中往往與實(shí)際情況不相吻合。共四十四頁智能控制(kngzh)的研究對象對于某些復(fù)雜的和飽含不確定性的控制過程，根本無法用傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型來表示，即無法解決建模問題。為了提高控制性能(

9、xngnng)，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)可能變得很復(fù)雜，從而增加了設(shè)備的投資，減低了系統(tǒng)的可靠性。共四十四頁智能(zh nn)控制的類型智能控制系統(tǒng)一般包括分級遞階控制系統(tǒng)專家控制系統(tǒng)神經(jīng)控制系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)集成或者（復(fù)合）混合控制：幾種方法和機(jī)制(jzh)往往結(jié)合在一起，用于一個實(shí)際的智能控制系統(tǒng)或裝置，從而建立起混合或集成的智能控制系統(tǒng)。共四十四頁分級(fn j)遞階控制系統(tǒng) 分級遞階智能控制是在自適應(yīng)控制和自組織控制基礎(chǔ)上，由美國普渡大學(xué)Saridis提出(t ch)的智能控制理論。分級遞階智能控制(Hierarchical Intelligent Control)主要由三個控制級組成，

10、按智能控制的高低分為組織級、協(xié)調(diào)級、執(zhí)行級，并且這三級遵循“伴隨智能遞降精度遞增”原則，其功能結(jié)構(gòu)如下圖所示。共四十四頁共四十四頁共四十四頁分級(fn j)遞階控制系統(tǒng)共四十四頁分級(fn j)遞階控制系統(tǒng)組織級(organization level)：組織級通過人機(jī)接口和用戶(操作員)進(jìn)行交互，執(zhí)行最高決策的控制功能，監(jiān)視并指導(dǎo)協(xié)調(diào)級和執(zhí)行級的所有行為，其智能程度最高。協(xié)調(diào)級(Coordination level)：協(xié)調(diào)級可進(jìn)一步劃分為兩個分層:控制管理分層和控制監(jiān)督分層。執(zhí)行級(executive level)：執(zhí)行級的控制過程(guchng)通常是執(zhí)行一個確定的動作。共四十四頁專家(zh

11、unji)控制系統(tǒng)（Expert System） 專家指的是那些對解決專門問題非常熟悉的人們，他們的這種專門技術(shù)通常源于豐富的經(jīng)驗(yàn)，以及他們處理問題的詳細(xì)專業(yè)知識。 專家系統(tǒng)主要指的是一個智能計算機(jī)程序系統(tǒng)，其內(nèi)部含有大量的某個領(lǐng)域?qū)＜宜降闹R與經(jīng)驗(yàn)，能夠利用人類專家的知識和解決問題的經(jīng)驗(yàn)方法來處理該領(lǐng)域的高水平難題.它具有啟發(fā)性、透明性、靈活性、符號(fho)操作、不一確定性推理等特點(diǎn)。應(yīng)用專家系統(tǒng)的概念和技術(shù)，模擬人類專家的控制知識與經(jīng)驗(yàn)而建造的控制系統(tǒng)，稱為專家控制系統(tǒng)。 共四十四頁 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是指由大量與生物神經(jīng)系統(tǒng)(shnjngxtng)的神經(jīng)細(xì)胞相類似的人工神經(jīng)元互連而組成的網(wǎng)絡(luò)；

12、或由大量象生物神經(jīng)元的處理單元并聯(lián)互連而成。這種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有某些智能和仿人控制功能。 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(kn zh x tn) 共四十四頁 學(xué)習(xí)算法是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主要特征，也是當(dāng)前研究的主要課題.學(xué)習(xí)的概念來自生物模型，它是機(jī)體在復(fù)雜多變的環(huán)境中進(jìn)行有效的自我調(diào)節(jié)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具備類似人類的學(xué)習(xí)功能。一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)若想改變其輸出值，但又不能改變它的轉(zhuǎn)換函數(shù)，只能改變其輸人，而改變輸人的唯一(wi y)方法只能修改加在輸人端的加權(quán)系數(shù)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(kn zh x tn) 共四十四頁人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(kn zh x tn) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過程(guchng)是修改加權(quán)系數(shù)的過程(guch

13、ng)，最終使其輸出達(dá)到期望值，學(xué)習(xí)結(jié)束.常用的學(xué)習(xí)算法有：Hebb學(xué)習(xí)算法、widrowHoff學(xué)習(xí)算法、反向傳播學(xué)習(xí)算法一BP學(xué)習(xí)算法、Hopfield反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法等。共四十四頁模糊(m hu)控制系統(tǒng) 所謂模糊控制，就是在被控制對象的模糊模型的基礎(chǔ)(jch)上，運(yùn)用模糊控制器近似推理手段，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制的一種方法。 模糊模型是用模糊語言和規(guī)則描述的一個系統(tǒng)的動態(tài)特性及性能指標(biāo)。共四十四頁模糊(m hu)控制系統(tǒng) 模糊控制的基本思想是用機(jī)器去模擬人對系統(tǒng)的控制。它是受這樣事實(shí)而啟發(fā)的：對于用傳統(tǒng)控制理論無法進(jìn)行分析和控制的復(fù)雜的和無法建立數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)，有經(jīng)驗(yàn)的操作者或?qū)＜覅s能取得比

14、較好的控制效果，這是因?yàn)樗麄儞碛?yngyu)日積月累的豐富經(jīng)驗(yàn)，因此人們希望把這種經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)下的行為過程總結(jié)成一些規(guī)則，并根據(jù)這些規(guī)則設(shè)計出控制器。然后運(yùn)用模糊理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理的知識，把這些模糊的語言上升為數(shù)值運(yùn)算，從而能夠利用計算機(jī)來完成對這些規(guī)則的具體實(shí)現(xiàn)，達(dá)到以機(jī)器代替人對某些對象進(jìn)行自動控制的目的。共四十四頁學(xué)習(xí)(xux)控制系統(tǒng) 學(xué)習(xí)是人類的主要智能之一，人類的各項(xiàng)活動也需要學(xué)習(xí)。在人類的進(jìn)化過程中，學(xué)習(xí)功能起著十分重要的作用。學(xué)習(xí)控制正是模擬人類自身各種優(yōu)良的控制調(diào)節(jié)機(jī)制的一種嘗試。 所謂學(xué)習(xí)是一種過程，它通過重復(fù)輸人信號，并從外部校正該系統(tǒng)，從而使系統(tǒng)對特定(td

15、ng)輸人具有特定(tdng)響應(yīng)。學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)是一個能在其運(yùn)行過程中逐步獲得受控過程及環(huán)境的非預(yù)知信息，積累控制經(jīng)驗(yàn)，并在一定的評價標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行估值、分類、決策和不斷改善系統(tǒng)品質(zhì)的自動控制系統(tǒng)。 共四十四頁智能(zh nn)控制的發(fā)展趨勢智能控制是自動控制理論發(fā)展的必然趨勢 人工智能為智能控制的產(chǎn)生(chnshng)提高了機(jī)遇共四十四頁智能(zh nn)控制的發(fā)展概述 自動控制理論是人類(rnli)在征服自然、改造自然的斗爭中形成和發(fā)展的?？刂评碚搹男纬砂l(fā)展至今，已經(jīng)經(jīng)歷多年的歷程，分為三個階段。第一階段是以上世紀(jì)40年代興起的調(diào)節(jié)原理為標(biāo)志，稱為經(jīng)典控制理論階段；第二階段以60年代興起的狀態(tài)

16、空間法為標(biāo)志，稱為現(xiàn)代控制理論階段；第三階段則是80年代興起的智能控制理論階段。 共四十四頁智能控制(kngzh)的發(fā)展概述 傅京孫在1971年指出，方了解決智能控制(kngzh)的問題，用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)方法研究發(fā)展新的工具，對復(fù)雜的環(huán)境-對象進(jìn)行建模和識別，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制，或者用人工智能的啟發(fā)式思想建立對不能精確定義的環(huán)境和任務(wù)的控制設(shè)計方法。這兩者都值得一試，而更重要的也許還是把這兩種途徑緊密地結(jié)合起來，協(xié)調(diào)地進(jìn)行研究。也就是說，對于復(fù)雜的環(huán)境和復(fù)雜的任務(wù)，如何，將人工智能技術(shù)中較少依賴模型的問題的求解方法與常規(guī)的控制方法相結(jié)合，這正是智能控制所要解決的問題。 共四十四頁智能(zh nn)控制

17、的發(fā)展概述 Saridis在學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，提出了分級遞階和智能控制結(jié)構(gòu)，整個結(jié)構(gòu)自上而下(z shn r xi)分為組織級、協(xié)調(diào)級和執(zhí)行級三個層次，其中執(zhí)行級是面向設(shè)備參數(shù)的基礎(chǔ)自動化級，在這一級不存在結(jié)構(gòu)性的不確定性，可以用常規(guī)控制理論的方法設(shè)計。協(xié)調(diào)級實(shí)際上是一個離散事件動態(tài)系統(tǒng)，主要運(yùn)用運(yùn)籌學(xué)的方法研究。組織級涉及感知環(huán)境和追求目標(biāo)的高層決策等類似于人類智能的功能，可以借鑒人工智能的方法來研究。因此，Saridis將傅京孫關(guān)于智能控制是人工智能與自動控制相結(jié)合的提法發(fā)展為:智能控制是人工智能、運(yùn)籌學(xué)和控制系統(tǒng)理論三者的結(jié)合。 共四十四頁智能控制(kngzh)的發(fā)展概述 198

18、5年8月，IHE在美國紐約召開了第一屆智能控制學(xué)術(shù)討論會，智能控制原理和智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)(jigu)這一提法成為這次會議的主要議題。這次會議決定，在IEEE控制系統(tǒng)學(xué)會下設(shè)立一個IEEE智能控制專業(yè)委員會。這標(biāo)志著智能控制這一新興學(xué)科研究領(lǐng)域的正式誕生。智能控制作為一門獨(dú)立的學(xué)科，己正式在國際上建立起來。智能技術(shù)在國內(nèi)也受到廣泛重視，中國自動化學(xué)會等于1993年8月在北京召開了第一屆全球華人智能控制與智能自動化大會，1995年8月在天津召開了智能自動化專業(yè)委員會成立大會及首屆中國智能自動化學(xué)術(shù)會議，1997年6月在西安召開了第二屆全球華人智能控制與智能自動化大會。共四十四頁智能控制的發(fā)展(fzhn)概述 近年來，智能控制技術(shù)在國內(nèi)外已有了較大的發(fā)展，己進(jìn)入工程化、實(shí)用化的階段。但作為一門新興的理論技術(shù)，它還處在一個發(fā)展時期。然而(rn r)，隨著人工智能技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，智能控制必將迎來它的發(fā)展新時期。 共四十四頁共四十四頁共四十四頁共四十四頁謝謝(xi xie)