智能控制技術(shù)

1、 智能控制技術(shù) Intelligent Control 組長(zhǎng)： 何寶樂(lè) 13074038 組員： 宋傳程13074039 李長(zhǎng)春13074044 俞金煥13074050 虞連一13074057第1頁(yè)什么是“智能”? 什么是“智能控制”？ 人智能表現(xiàn)在其所含有記憶、學(xué)習(xí)、模仿、適應(yīng)、聯(lián)想、語(yǔ)言表示、文字識(shí)別、邏輯推理、歸納總結(jié)、綜合決議等各種能力。當(dāng)自動(dòng)控制方式顯著地含有這些智能特征時(shí)，就稱(chēng)其為“智能控制”。 第2頁(yè)讓我們先來(lái)簡(jiǎn)單從圖片認(rèn)識(shí)一下智能控制日本Honda企業(yè)推出經(jīng)過(guò)改進(jìn)機(jī)器人“ASIM”。這種能用雙腿直立機(jī)器人相當(dāng)聰明，人手指到哪里，它就走到哪里，碰到人時(shí)候會(huì)主動(dòng)向人打招呼，并能和主

2、人流利地對(duì)話。 第3頁(yè)世界最先進(jìn)夢(mèng)幻機(jī)器人組合來(lái)自日本SONY企業(yè)7位雙足娛樂(lè)型機(jī)器人“QRIO”。這7位機(jī)器人身高60厘米，體重7千克。即使身材不那么高大，但卻舉世聞名。其中四位歌舞演出堪稱(chēng)一絕。下面是其中四個(gè)“舞者”來(lái)北京演出時(shí)場(chǎng)面： 第4頁(yè)水下機(jī)器人，它工作方式是：由水面母船上工作人員，經(jīng)過(guò)連接潛水器臍帶提供動(dòng)力，操縱或控制潛水器，經(jīng)過(guò)水下電視、聲吶等專(zhuān)用設(shè)備進(jìn)行觀察，還能經(jīng)過(guò)機(jī)械手，進(jìn)行水下作業(yè)。第5頁(yè)6月10日，勇氣號(hào)發(fā)射成功；同月25日，機(jī)遇號(hào)發(fā)射成功。年美國(guó)東部標(biāo)按時(shí)間1月3日和24日火星車(chē)分別登上火星。上面采取了大量先進(jìn)智能控制技術(shù)。第6頁(yè)智能控制形成發(fā)展含義特點(diǎn)應(yīng)用第7頁(yè)智能

3、控制問(wèn)題提出 以1932年美國(guó)AT&T企業(yè)貝爾試驗(yàn)室工程師H.Nyquist發(fā)表相關(guān)反饋放大器穩(wěn)定性論文為標(biāo)志，控制理論學(xué)科已走過(guò)80多年發(fā)展歷程。 在經(jīng)典控制理論中，系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型采取傳遞函數(shù)表示，分析方法主要是基于根軌跡法和頻率法；在當(dāng)代控制理論中，系統(tǒng)分析數(shù)學(xué)模型主要是狀態(tài)空間分析描述法。第8頁(yè) 當(dāng)代控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型難以經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)數(shù)學(xué)工具來(lái)描述。就是說(shuō)，采取數(shù)學(xué)工具或計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)傳統(tǒng)控制理論，已無(wú)法處理這類(lèi)系統(tǒng)控制問(wèn)題。 從生產(chǎn)實(shí)踐中能夠看到，許多復(fù)雜生產(chǎn)過(guò)程難以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，能夠經(jīng)過(guò)熟練操作工人、技術(shù)人員或教授操作得到滿(mǎn)意控制效果。 怎樣有效地將熟練操作工人、技術(shù)人員或教授經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和控制理論

4、結(jié)合，去處理復(fù)雜系統(tǒng)控制問(wèn)題，就是智能控制研究目標(biāo)。第9頁(yè)智能控制興起1）自動(dòng)控制發(fā)展與挫折本世紀(jì)40 50 年代, 以頻率法為代表單變量系統(tǒng)控制理論逐步發(fā)展起來(lái), 而且成功地用在雷達(dá)及火力控制系統(tǒng)上, 形成了今天所說(shuō)“古典控制理論”。60 70 年代, 數(shù)學(xué)家們?cè)诳刂评碚摪l(fā)展中占了主導(dǎo)地位, 形成了以狀態(tài)空間法為代表“當(dāng)代控制理論”。他們引入了能控、能觀、滿(mǎn)秩等概念, 使得控制理論建立在嚴(yán)密準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型之上, 從而造成了理論與實(shí)踐之間巨大分歧。70 年代后, 又出現(xiàn)了“大系統(tǒng)理論”。不過(guò), 因?yàn)檫@種理論處理實(shí)際問(wèn)題能力更弱,它很快被人們放到了一邊。第10頁(yè)2）人工智能發(fā)展斯坦福大學(xué)人工智能研

5、究中心N ilsson 教授認(rèn)為:“人工智能是關(guān)于知識(shí)科學(xué)怎樣表示知識(shí)以及怎樣取得知識(shí)并使用知識(shí)科學(xué)”。M IT W inston教授指出:“人工智能就是研究怎樣使計(jì)算機(jī)去做過(guò)去只有些人才做智能性工作”。1956 年以前是人工智能萌芽期。英國(guó)數(shù)學(xué)家圖靈(A 1M 1Turing 1912 1954) 為當(dāng)代人工智能作了大量開(kāi)拓性貢獻(xiàn); 1956 年 1961 年是人工智能發(fā)展期, 人們重點(diǎn)研究了諸如用機(jī)器處理數(shù)學(xué)定義, 通用問(wèn)題求解程序等。1961 年以后人工智能進(jìn)入了飛躍期,主要內(nèi)容包括知識(shí)工程、自然語(yǔ)言了解等。人們研究人工智能方法也分為結(jié)構(gòu)模擬派和功效模擬派, 分別從腦結(jié)構(gòu)和腦功效入手進(jìn)行

6、研究。第11頁(yè)3）智能控制興起建立于嚴(yán)密數(shù)學(xué)理論上控制理論發(fā)展受到挫折, 而模擬人類(lèi)智能人工智能卻快速發(fā)展起來(lái)。控制理論從人智能中吸收營(yíng)養(yǎng)求發(fā)展成為必定。尤其是非線性對(duì)控制結(jié)果影響復(fù)雜, 控制工程人員極難深入了解, 更談不上設(shè)計(jì)出適當(dāng)控制算法。不確定性是最難以處理問(wèn)題, 也是造成大系統(tǒng)理論失敗根本原因。不過(guò), 對(duì)這些問(wèn)題用工程控制教授經(jīng)驗(yàn)來(lái)處理則往往是成功。人是最聰明控制器, 模仿人是一個(gè)路徑。薩里迪斯(Saridis) 于1977 年提出了智能控制三元結(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)交點(diǎn)。在智能控制發(fā)展早期, 美國(guó)普渡大學(xué)傅京孫(K1S1Fu) 教授首先提出了學(xué)習(xí)控制

7、概念, 引入了人工智能直覺(jué)推理。以后在人工智能概念模擬基礎(chǔ)上, 發(fā)展了許多智能控制方法, 如自整定、參數(shù)調(diào)整P ID 等。再以后則以發(fā)展實(shí)用智能控制算法為主, 尤以教授系統(tǒng)和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)最為突出。第12頁(yè)1、人作為控制器控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和計(jì)算手及手臂動(dòng)力學(xué)對(duì)象動(dòng)力學(xué)模式識(shí)別傳感器指令輸出人控制器智能控制發(fā)展第13頁(yè)2、人-機(jī)結(jié)合作為控制器控制系統(tǒng)操作員當(dāng)?shù)赜?jì)算機(jī)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制器環(huán)境傳感器控制器對(duì)象-環(huán)境第14頁(yè)3、無(wú)人參加智能控制系統(tǒng)執(zhí) 行執(zhí)行器傳感器環(huán)境問(wèn)題求解規(guī)劃環(huán)境建摸反射響應(yīng)傳感信息分析指令輸入控制器對(duì)象-環(huán)境機(jī)器人車(chē)SRI機(jī)器人系統(tǒng)第15頁(yè)智能控制含義 自動(dòng)控制是能夠按要求程序?qū)C(jī)

8、器或裝置進(jìn)行自動(dòng)操作或控制過(guò)程。簡(jiǎn)單說(shuō)，不需要人工干預(yù)控制就是自動(dòng)控制、如反饋控制，最優(yōu)控制，隨機(jī)控制，自適應(yīng)控制和自學(xué)習(xí)控制等均屬于自動(dòng)控制。1、智能2、智能機(jī)器3、自動(dòng)控制在不確定環(huán)境中作出適當(dāng)動(dòng)作能力，所謂適合動(dòng)作就是模仿生物或人類(lèi)思想行為功效。能夠在定型或不定型，熟悉或不熟悉環(huán)境中自主地或與操作人員交互作用以及執(zhí)行各種擬人任務(wù)機(jī)器叫做智能機(jī)器?；蛘哒f(shuō)，智能機(jī)器是那些能夠自主地代替人類(lèi)從事危險(xiǎn)、厭煩、遠(yuǎn)距離或高精度等作業(yè)機(jī)器。第16頁(yè) 1）智能控制是一類(lèi)無(wú)需人干預(yù)就能獨(dú)立地驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)自動(dòng)控制。 2）或者說(shuō)智能控制是“利用相關(guān)知識(shí)去使被控過(guò)程或?qū)ο蟀匆欢ㄒ蟮竭_(dá)預(yù)定目標(biāo)” 。

9、3）當(dāng)前認(rèn)識(shí)是：假如一個(gè)控制系統(tǒng)或者控制方式，它能夠有效克服被控對(duì)象（或過(guò)程）和環(huán)境所含有高度復(fù)雜性和不確定性，并能夠到達(dá)所期望目標(biāo)，那么就稱(chēng)這種控制方式為智能控制方式。稱(chēng)這么控制系統(tǒng)為智能控制系統(tǒng)。 4、智能控制與智能控制系統(tǒng)第17頁(yè) 智能控制技術(shù)主要用來(lái)處理那些用傳統(tǒng)方法難以處理復(fù)雜系統(tǒng)控制問(wèn)題，如智能機(jī)器人系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)、復(fù)雜工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)、航空航天控制系統(tǒng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)管理系統(tǒng)、交通運(yùn)輸系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、環(huán)境保護(hù)與能源系統(tǒng)智能控制技術(shù)通常經(jīng)過(guò)智能控制系統(tǒng)發(fā)揮作用。 智能控制理論主要包含神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，含糊控制，教授控制和遺傳算法等。第18頁(yè)智能控制幾個(gè)主要分支 鑒于智能

10、控制屬于多學(xué)科交叉集合部位，當(dāng)前還出于初級(jí)發(fā)展階段，所以極難作出恰當(dāng)分類(lèi)，下面試圖按幾個(gè)不一樣方式探討智能控制分類(lèi)。 按系統(tǒng)原理分，可分為： 1、含糊控制 2、教授系統(tǒng)控制 3、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 4、仿人智能控制 5、學(xué)習(xí)控制第19頁(yè)1、含糊控制 含糊控制是建立在扎德教授創(chuàng)建德含糊集合理論基礎(chǔ)上一類(lèi)智能控制。含糊控制關(guān)鍵是含糊推理。它是依據(jù)人控制經(jīng)驗(yàn)，模仿人控制經(jīng)驗(yàn)，所以有些人把含糊控制和教授系統(tǒng)控制均歸類(lèi)為基于規(guī)則控制，但二者理論基礎(chǔ)是不一樣，前者基于含糊控制集合論，后者基于教授系統(tǒng)理論。而且含糊控制規(guī)則狀態(tài)條件和控制作用均采取量化了含糊語(yǔ)言變量，如“大”，“中”?！靶　?，“正常”等。第20

11、頁(yè) 含糊控制自1974年首次成功應(yīng)用于鍋爐和蒸汽機(jī)控制以來(lái)，應(yīng)用越來(lái)越廣泛，并表現(xiàn)出了強(qiáng)大生命力，如地鐵控制，核反應(yīng)堆控制，電機(jī)控制，鍋爐控制，機(jī)器人手臂控制，汽車(chē)緊急制動(dòng)和防撞控制，洗衣機(jī)控制，空調(diào)控制等。近年來(lái)，在基于含糊控制理論基礎(chǔ)上，許多研究者又提出了一些變形含糊控制，如含糊PID復(fù)合控制，自組織含糊控制，教授含糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)含糊控制等，從而深入改進(jìn)了含糊控制性能。第21頁(yè)2、教授系統(tǒng)控制 教授系統(tǒng)控制是把教授系統(tǒng)技術(shù)用于過(guò)程控制系統(tǒng)，并與控制器算法相結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程有效控制。因?yàn)榻淌诮?jīng)驗(yàn)通常以規(guī)則形式表示，所以，有時(shí)也稱(chēng)基于規(guī)則控制，按照教授系統(tǒng)影響被控制形式，教授系統(tǒng)控制能夠分為直

12、接教授系統(tǒng)控制和間接教授系統(tǒng)控制兩種 教授系統(tǒng)控制在智能控制探索過(guò)程中是較早實(shí)現(xiàn)一類(lèi)智能控制。因?yàn)榻淌谙到y(tǒng)控制不需要對(duì)象準(zhǔn)確模型，所以它是處理不確定性系統(tǒng)一個(gè)有效路徑，應(yīng)用也較為廣泛。第22頁(yè)3、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)含有許多優(yōu)異性能，它可塑性、自適應(yīng)性和自組織性使它含有很強(qiáng)自學(xué)習(xí)能力；它并行處理機(jī)制使它求解問(wèn)題時(shí)間很短，含有很好滿(mǎn)足適應(yīng)性要求能力；它分布儲(chǔ)存方式使它魯棒性和容錯(cuò)性都相當(dāng)良好。所以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在控制系統(tǒng)中含有廣泛應(yīng)用前景。第23頁(yè) 類(lèi)似教授系統(tǒng)控制，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠作為賠償步驟直接起控制作用，也能夠作為系統(tǒng)參數(shù)預(yù)計(jì)器和自適應(yīng)機(jī)構(gòu)經(jīng)過(guò)控制器進(jìn)行對(duì)象控制。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在非線

13、性系統(tǒng)建模和辨識(shí)、自適應(yīng)控制作用更為顯著。 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)力圖在結(jié)構(gòu)上模擬人大腦，而含糊控制推理在思維方式上模擬人大腦功效，二者對(duì)信息加工處理方面從不一樣側(cè)面表現(xiàn)出人類(lèi)大腦思維過(guò)程容錯(cuò)能力。所以，從控制角度出發(fā)，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與含糊控制相結(jié)合，已成為智能控制一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。近年來(lái)已出現(xiàn)了各種各樣神經(jīng)含糊控制系統(tǒng)或含糊神經(jīng)控制系統(tǒng)。第24頁(yè) 4、仿人工智能控制 仿人工智能控制是把起作用人作為控制步驟（人控制器），對(duì)其特征進(jìn)行研究和模仿，建立數(shù)學(xué)模型，并結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程（對(duì)象）有效控制。第25頁(yè) 5、學(xué)習(xí)控制 學(xué)習(xí)控制是智能控制一部分，學(xué)習(xí)是人類(lèi)主要智能之一。學(xué)習(xí)控制是模擬人類(lèi)本身各種優(yōu)良控制調(diào)

14、整機(jī)制一個(gè)嘗試。學(xué)習(xí)定義：即作為一個(gè)過(guò)程，它經(jīng)過(guò)重復(fù)各種輸入信號(hào)，并從外部校正該系統(tǒng)，從而使系統(tǒng)對(duì)特定輸入存在特定響應(yīng)。第26頁(yè)2、智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于智能步驟模型上 智能控制研究設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)時(shí)，其主要注意力是不放在數(shù)學(xué)公式表示，計(jì)算和處理上，而是集中任務(wù)和世界模型描述，符號(hào)和環(huán)境識(shí)別以及知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)上。也就是說(shuō)，智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)不在于常規(guī)控制器上，而是在于智能步驟或智能機(jī)模型上。智能控制特點(diǎn)1、智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上含有多層次性 智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是分層，而且普通含有多層結(jié)構(gòu)（當(dāng)然也不排除只有單層結(jié)構(gòu)），而其關(guān)鍵在高層控制，即組織級(jí)，其任務(wù)在于對(duì)環(huán)境和過(guò)程進(jìn)行組織，經(jīng)過(guò)決議和規(guī)劃實(shí)

15、現(xiàn)廣義問(wèn)題求解。第27頁(yè) 3、充分利用知識(shí)是智能控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)主要區(qū)分 智能控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)主要區(qū)分在于：智能控制系統(tǒng)必須充分利用被控過(guò)程或?qū)ο笙嚓P(guān)知識(shí)，系統(tǒng)所處環(huán)境知識(shí)，控制理論知識(shí)，控制器本身知識(shí)，執(zhí)行器傳感器知識(shí)，以及邏輯推理知識(shí)，使被控制或?qū)ο蟀匆欢ㄒ蟮竭_(dá)預(yù)定目標(biāo)。尤其邏輯推理知識(shí)應(yīng)用是智能控制與傳統(tǒng)控制區(qū)分主要標(biāo)志。第28頁(yè) 魯棒性就是系統(tǒng)健壯性。它是在異常和危險(xiǎn)情況下系統(tǒng)生存關(guān)鍵。 適應(yīng)性是指系統(tǒng)含有適應(yīng)被控制過(guò)程或?qū)ο髣?dòng)力學(xué)特征改變，環(huán)境改變和運(yùn)行條件改變等； 容錯(cuò)性是指系統(tǒng)能夠判別各類(lèi)故障，并給予屏蔽，甚至還能夠修復(fù)； 適時(shí)性是指系統(tǒng)含有適時(shí)在線響應(yīng)能力； 多樣性則指在復(fù)雜管理控制一體化系統(tǒng)中不但追求控制精度動(dòng)態(tài)特征外，而且還追求產(chǎn)品質(zhì)量耗能，成本等各種目標(biāo)。4、智能控制含有高性能智能控制系統(tǒng)通常要滿(mǎn)足多樣性目標(biāo)高性能要求，其中包含魯棒性，適應(yīng)性，容錯(cuò)性，適時(shí)性等各種性能要求。第29頁(yè)智能控制應(yīng)用第30頁(yè)第31頁(yè) 微電子學(xué)、生命科學(xué)、自動(dòng)化技術(shù)突飛猛進(jìn),為二十一世紀(jì)實(shí)現(xiàn)智能控制和智能自動(dòng)化創(chuàng)造了很好條件.對(duì)這門(mén)新學(xué)科今后發(fā)展方向和道路已經(jīng)取得了一些共識(shí) 智能控制發(fā)展前