智能控制導(dǎo)論 第4版 課件 第12章 人工智能的發(fā)展簡(jiǎn)史與展望

智能控制導(dǎo)論IntroductiontoIntelligentControl智能控制導(dǎo)論第4版蔡自興編著

國(guó)家精品課程配套教材中國(guó)水利水電出版社2024

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教材第12章人工智能的發(fā)展簡(jiǎn)史與展望12.1智能控制發(fā)展簡(jiǎn)史12.1.1國(guó)內(nèi)外智能控制發(fā)展過程12.1.2我國(guó)智能控制科技成果12.1.3我國(guó)智能控制教育與人才培養(yǎng)12.1.4我國(guó)智能控制的存在問題12.2智能控制的展望12.2.1智能控制研究展望12.2.2智能控制應(yīng)用展望12.2.3智能控制發(fā)展展望12.3小結(jié)12.1智能控制發(fā)展簡(jiǎn)史12.1.1國(guó)內(nèi)外智能控制發(fā)展過程

國(guó)際智能控制的奠基者、國(guó)際模式識(shí)別之父傅京孫（King-sunFu）于1965年把人工智能的啟發(fā)式推理規(guī)則用于學(xué)習(xí)控制，1971年又論述了人工智能與自動(dòng)控制的交接關(guān)系，成為“智能控制二元交集結(jié)構(gòu)”的基礎(chǔ)，開啟智能控制的先河。

國(guó)際模糊集合的創(chuàng)始人扎德（Zadeh）于1965年發(fā)表《模糊集合》論文，奠定了模糊邏輯的基礎(chǔ)；1972年又發(fā)表《模糊控制的基本原理》論文，開啟模糊控制的研究與應(yīng)用，推動(dòng)智能控制發(fā)展。

智能遞階控制的先行者薩里迪斯（Saridis）提出智能控制的3級(jí)遞階控制結(jié)構(gòu)，認(rèn)為智能控制系統(tǒng)由組織級(jí)、協(xié)調(diào)級(jí)和執(zhí)行級(jí)組成，并提出智能控制的“精度隨智能降低而提高”的原理，為智能控制的分類和遞階控制理論做出特別貢獻(xiàn)。12.1.1國(guó)內(nèi)外智能控制發(fā)展過程（續(xù)）

麥卡洛克（McCulloch）和皮特茨（Pitts）于1943年提出的“似腦機(jī)器”思想。在20世紀(jì)70年代由沃博斯（Werbos）開發(fā)的反向傳播算法和霍普菲爾德（Hopfield）開發(fā)的一種遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及20世紀(jì)80年代由珀克（Parker）和魯姆爾哈特（Rumelhart）發(fā)現(xiàn)的反向傳播（BP）算法，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到持續(xù)發(fā)展，并獲得日益廣泛的應(yīng)用。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其深度學(xué)習(xí)算法已獲得普遍應(yīng)用，有力促進(jìn)人工智能和智能控制的發(fā)展。

各種智能控制系統(tǒng)包括專家控制、模糊控制、遞階控制、學(xué)習(xí)控制、神經(jīng)控制、進(jìn)化控制、免疫控制和智能規(guī)劃系統(tǒng)等已先后開發(fā)成功，并被應(yīng)用于各類工業(yè)過程控制系統(tǒng)、智能機(jī)器人系統(tǒng)和智能制造系統(tǒng)等。12.1.2我國(guó)智能控制科技成果

自國(guó)際智能控制學(xué)科誕生后，我國(guó)就基本上保持緊密跟蹤狀態(tài)，許多研究與國(guó)際智能控制前沿研究保持同步并有所創(chuàng)新。我國(guó)學(xué)者先后提出一些新的智能控制理論、方法和技術(shù)。1．形成智能控制學(xué)科2．基礎(chǔ)理論與方法研究頗具特色3．專著論文發(fā)表豐碩4．科技及其應(yīng)用研究成果顯著

（1）在過程控制中的應(yīng)用

（2）在機(jī)器人控制中的應(yīng)用

（3）在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

（4）在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用（5）在智能制造中的應(yīng)用。12.1.3我國(guó)智能控制教育與人才培養(yǎng)

自20世紀(jì)80年代中期開始，我國(guó)部分高校開設(shè)了智能控制課程。經(jīng)過40多年的推廣、提升與發(fā)展，現(xiàn)在全國(guó)大部分重點(diǎn)高校的智能科學(xué)與技術(shù)、人工智能、機(jī)器人、自動(dòng)化/自動(dòng)控制、機(jī)械電子工程等專業(yè)都開設(shè)了智能控制類本科生和研究生課程。有些課程的教學(xué)與教改取得有益經(jīng)驗(yàn)，已成為國(guó)家級(jí)精品課程和國(guó)家級(jí)精品資源共享課程等。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)已編寫與出版了近50部智能控制教材。這些智能控制課程和智能控制教材對(duì)于我國(guó)智能控制科技知識(shí)的傳播和智能控制學(xué)科科技人才的培養(yǎng)起到不可或缺的重要作用。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，入選國(guó)家級(jí)質(zhì)量工程的智能控制類相關(guān)精品課程共12門。這些智能控制類課程來(lái)之不易，已在改革中不斷發(fā)展壯大，并對(duì)全國(guó)智能控制教學(xué)發(fā)揮了重要的示范與輻射作用。12.1.4我國(guó)智能控制的存在問題

我國(guó)智能控制在發(fā)展過程中出現(xiàn)如下所述的一些問題：1．研究以跟蹤為主創(chuàng)新不夠2．缺乏更高水平的研究成果3．服務(wù)國(guó)民經(jīng)濟(jì)重大戰(zhàn)略不夠4．產(chǎn)業(yè)化規(guī)模和核心技術(shù)有待擴(kuò)大5．急需培養(yǎng)各層次智能控制人才問題12.2智能控制展望12.2.1智能控制研究展望圖12.1相關(guān)科學(xué)技術(shù)與智能控制系統(tǒng)的關(guān)系

圖12.1提出相關(guān)科學(xué)技術(shù)與智能控制系統(tǒng)的關(guān)系，該關(guān)系調(diào)強(qiáng)了發(fā)展智能科學(xué)（包括智能控制）所需要的知識(shí)與智能。1．控制問題的表示

智能控制能使用更多的表示方法，如圖搜索、謂詞演算、語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)、知識(shí)圖譜、過程、黑板、框架、算法等。2．認(rèn)知控制器

隨著認(rèn)知科學(xué)研究的進(jìn)展特別是人腦模型和人機(jī)接口研究的進(jìn)展，將會(huì)開發(fā)出更好的認(rèn)知模型和更先進(jìn)的認(rèn)知控制器。3．對(duì)智能機(jī)器研究的建議12.2.2智能控制應(yīng)用展望圖12.2MAUV的智能控制原理結(jié)構(gòu)圖1．智能機(jī)器人規(guī)劃與控制

以復(fù)式自主水下運(yùn)載器（MultipleAutonomousUnderseaVehicle，MAUV）運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制系統(tǒng)為例加以說明。圖12.2給出MAUV的一種智能控制結(jié)構(gòu)方案，其實(shí)際結(jié)構(gòu)采用分段分層框架。各段計(jì)算模塊由一個(gè)通信系統(tǒng)和一個(gè)公共存儲(chǔ)器提供服務(wù)。MAUV系統(tǒng)的硬件包括計(jì)算機(jī)工作站、工業(yè)型控制機(jī)、微型處理器、多種圖形處理系統(tǒng)等。感知狀況傳感信息

處理數(shù)值目標(biāo)選擇評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)狀況規(guī)劃任務(wù)

優(yōu)先權(quán)任務(wù)分解傳感器內(nèi)部外部環(huán)境事件動(dòng)作驅(qū)動(dòng)器世界模型數(shù)據(jù)庫(kù)12.2.2智能控制應(yīng)用展望（續(xù)）圖12.3工業(yè)鍋爐智能控制的混合控制框圖2．生產(chǎn)過程的智能監(jiān)控

工業(yè)鍋爐的遞階智能控制可作為典型。圖12.3表出示該控制系統(tǒng)的混合控制器方框圖。從圖可知，其控制模式包括專家控制、多模式控制和自校正PID控制。本控制系統(tǒng)的智能控制算法采用偏差e(k)與

e(k)的相平面分析方法，并采用產(chǎn)生式規(guī)則表示應(yīng)當(dāng)采用的控制模式。專家控制用以模擬人類專家的操作經(jīng)驗(yàn)。自校正PID控制除數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)外，還包括模式識(shí)別裝置等。開關(guān)多模型控制器控制器專家控制器自校正PID

控制器Re+-專家

系統(tǒng)過程K321UY圖12.4基于Petri網(wǎng)的自動(dòng)加工智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)3．智能制造系統(tǒng)的智能控制

圖12.4表示一種基于Petri網(wǎng)的自動(dòng)加工智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。為了把現(xiàn)有的Petri網(wǎng)技術(shù)用于現(xiàn)代加工系統(tǒng)，需要開發(fā)出一種新技術(shù)，把機(jī)器智能技術(shù)和Petri網(wǎng)理論以及智能離散事件控制器連接起來(lái)。近年來(lái)，智能制造（IntelligentManufacturing，IM）和普適制造（UbiquitousManufacturing，UM）已經(jīng)從概念走向現(xiàn)實(shí)。新一代智能制造及其控制系統(tǒng)將為制造過程的自動(dòng)化、信息化、數(shù)字化和智能化提供更為先進(jìn)和有效的手段?？刂破鳑Q策器監(jiān)控器區(qū)域控制器驅(qū)動(dòng)器1驅(qū)動(dòng)器n…加工過程運(yùn)輸和檢驗(yàn)傳感器1傳感器m…數(shù)據(jù)庫(kù)知識(shí)庫(kù)第一級(jí)第二級(jí)第三級(jí)驅(qū)動(dòng)過程加工傳感12.2.2智能控制應(yīng)用展望（續(xù)）圖12.5一個(gè)智能飛行控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)4．智能故障檢測(cè)與診斷

故障檢測(cè)和診斷與過程監(jiān)控密切相關(guān)。一個(gè)高級(jí)的過程控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有故障自動(dòng)檢測(cè)和自診斷能力，以保證系統(tǒng)工作的高度可靠性。5．飛行器的智能控制

使用自動(dòng)駕駛系統(tǒng)代替飛機(jī)駕駛員，首先自動(dòng)駕駛系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)飛機(jī)的可靠平穩(wěn)降落，從而提高乘客的舒適感，減少輪胎和降落齒輪的摩損；其次，為駕駛員提供無(wú)風(fēng)氣候下的重要訓(xùn)練手段，使他們習(xí)慣于一個(gè)必須了解和信賴的系統(tǒng)，能夠操作自如。12.2.2智能控制應(yīng)用展望（續(xù)）圖12.6麻醉深度模糊控制系統(tǒng)6．醫(yī)療過程智能控制

麻醉深度模糊控制系統(tǒng)方框圖如圖12.6所示。有兩類擾動(dòng)：因手術(shù)、心血管病和用藥引起的病人痛苦而出現(xiàn)的噪聲；因儀器校準(zhǔn)和電灼等引起的血壓和人工制品的測(cè)量噪聲。7．智能儀器

比較高級(jí)的智能儀器具有多功能、高性能、自動(dòng)操作、對(duì)外接口、“硬件軟化”和自動(dòng)測(cè)試與自動(dòng)診斷等功能。目前智能儀器的“智能”程度仍然較低。通常所說的智能儀器實(shí)際上是一種微機(jī)化的自動(dòng)化儀器。12.2.2智能控制應(yīng)用展望（續(xù)）圖12.7集成智能控制系統(tǒng)的相關(guān)學(xué)科關(guān)系1．尋求更新的理論框架

與智能控制的定義和目標(biāo)相比，智能控制研究尚存在一些需要解決的問題，主要表現(xiàn)在宏觀與微觀分離、全局與局部隔開、理論與應(yīng)用脫節(jié)。要加強(qiáng)智能控制的基礎(chǔ)研究，深入研究智能控制的基本理論和概念，尋找至今尚未發(fā)現(xiàn)的新理論，建立新的智能控制機(jī)理。2．進(jìn)行更好的技術(shù)集成12.2.3智能控制發(fā)展展望

圖12.7表示智能控制系統(tǒng)相關(guān)學(xué)科關(guān)系框圖，其中，計(jì)算技術(shù)包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、面向目標(biāo)語(yǔ)言、人機(jī)接口、數(shù)據(jù)庫(kù)與知識(shí)庫(kù)以及推理系統(tǒng)等。計(jì)算和算法是智能控制系統(tǒng)支持結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要部分。3.開發(fā)更佳的應(yīng)用方法

為了實(shí)現(xiàn)智能控制，必須開發(fā)新的硬件和軟件。實(shí)現(xiàn)智能控制固然需要硬件的保障，不過，軟件應(yīng)是智能控制的核心。在智能控制應(yīng)用方法研究中有許多引人注目的課題，譬如，提高運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，提高對(duì)傳感信息和環(huán)境的解釋能力，設(shè)計(jì)與制造新型高速智能控制專用芯片，設(shè)計(jì)新的模塊化傳感器和接口，以及改善信息處理和識(shí)別能力等。

在控制軟件方面，研究課題可能包括開發(fā)面向任務(wù)的獨(dú)立和通用的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，考慮CAD、CAM、CIMS、CIPS、IM（智能制造）和UM（普適制造）等要求，能夠描述各種控制過程，處理緩慢變化信號(hào)和故障，以及實(shí)現(xiàn)智能控制系統(tǒng)的優(yōu)化等。隨著智能控制應(yīng)用方法日益成熟，智能控制的應(yīng)用領(lǐng)域也進(jìn)一步擴(kuò)大。12.2.3智能控制發(fā)展展望（續(xù)）12.3小結(jié)

本章探討人工智能發(fā)展歷史，特別是中