智能控制技術(shù)及其應(yīng)用 課件 第一章 緒論

現(xiàn)代智能控制實(shí)用技術(shù)叢書

ModernintelligentcontrolpracticaltechnogySeries智能控制技術(shù)及其應(yīng)用簡(jiǎn)介

《現(xiàn)代智能控制實(shí)用技術(shù)叢書》共分為四本，其內(nèi)容按照信號(hào)傳輸?shù)逆湕l編寫：

傳感器

調(diào)制與解調(diào)

信息的傳輸與通信技術(shù)

智能控制技術(shù)的應(yīng)用

本書系統(tǒng)地對(duì)信息傳輸與現(xiàn)代通信技術(shù)的密切關(guān)系、通信技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史，現(xiàn)代通信技術(shù)的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了介紹；

簡(jiǎn)述了世界通用的有線通信的載波技術(shù)、無(wú)線通信的微波接力通信的基本概念、基本原理，以及各類通信系統(tǒng)的組成、特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)、不足及適用領(lǐng)域。智能控制技術(shù)及其應(yīng)用簡(jiǎn)介

本書還對(duì)現(xiàn)代通信技術(shù)的“高速公路”，即光導(dǎo)纖維通信、５Ｇ通信、衛(wèi)星通信系統(tǒng)技術(shù)，以及近距離小容量的通信手段———無(wú)線保真（ＷｉＦｉ）、藍(lán)牙和可見光通信技術(shù)進(jìn)行原理、功能及應(yīng)用的闡述。

對(duì)未來(lái)的通信技術(shù)，即量子通信技術(shù)的概況進(jìn)行介紹，并預(yù)測(cè)量子通信技術(shù)將在計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信傳輸技術(shù)、衛(wèi)星通信技術(shù)等方面應(yīng)用的可期待前景。

本書可作為大專院?；蚋叩仍盒Ｖ悄芸刂祁愊嚓P(guān)專業(yè)的參考書籍，也可供從事智能控制信息的傳輸方面的設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用領(lǐng)域工作的工程技術(shù)人員作為參考資料。智能控制技術(shù)及其應(yīng)用

叢書序

自動(dòng)控制、智能控制、智慧控制是相對(duì)ＡＩ控制技術(shù)的普遍話題。在當(dāng)今的生產(chǎn)、生活和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中具有重要的作用。

在控制技術(shù)中離不開將甲地的信息傳送到乙地，以便遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)（遙測(cè)）、視頻顯示和數(shù)據(jù)記錄（遙信）、狀況或數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)（遙調(diào)）和智能控制（遙控），統(tǒng)稱為智能控制的四遙工程。

信息是物理現(xiàn)象、過程或系統(tǒng)所固有的。信息本身不是物質(zhì)，不具有能量，但信息的傳輸卻依靠物質(zhì)和能量。

而信號(hào)則是信息的某種表現(xiàn)形式，是傳輸信息的載體。信號(hào)是物理性的，并且隨時(shí)間而變化，這是信號(hào)的本質(zhì)所在。

在無(wú)線電通信中，電磁波信號(hào)承載著各種各樣的信息。所以信號(hào)是有能量的物質(zhì)，它描述了物理量的變化過程，在數(shù)學(xué)上，信號(hào)可以表示為關(guān)于一個(gè)或幾個(gè)獨(dú)立變量的函數(shù)，也可以表示隨時(shí)間或空間變化的圖形。

智能控制技術(shù)及其應(yīng)用

叢書序

實(shí)際的信號(hào)中往往包含著多種信息成分，其中有些是我們關(guān)心的有用信息，有些是我們不關(guān)心的噪聲或冗余信息。傳感器的作用就是把未知的被測(cè)信息轉(zhuǎn)化為可觀察的信號(hào)，提取所研究對(duì)象的有關(guān)信息，將原始信息轉(zhuǎn)換成信號(hào)。將有效信息轉(zhuǎn)換成便于傳輸?shù)男盘?hào)，或?qū)⑿盘?hào)放大，或?qū)⑤^低頻率的原始信息“調(diào)制”到較高頻率的信號(hào)；滿足遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊?，或?qū)⒃寄M信息處理為數(shù)字信號(hào)等。這就是智能控制發(fā)送部分的“職責(zé)”———信息的收集與調(diào)制。然后，將調(diào)制后的信號(hào)置于所選取的傳輸通道上進(jìn)行傳輸，使調(diào)制后的信號(hào)傳輸至信宿端———乙地在乙地接收到經(jīng)傳輸線路傳送來(lái)的信號(hào)后，然后進(jìn)行調(diào)制器的反向操作“解調(diào)”。即將高頻信號(hào)或數(shù)字信號(hào)還原成原始信息。智能控制技術(shù)及其應(yīng)用

叢書序

原始信息通過揚(yáng)聲器器（還原的音Ⅳ頻信號(hào)）、顯示器（還原的圖像或視頻信號(hào)）、打（還原的計(jì)算結(jié)果）或進(jìn)行力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)等轉(zhuǎn)換，對(duì)原始信息控制目的物進(jìn)行作用，從而達(dá)到智能控制的目的。本套叢書就是對(duì)智能控制系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)的一些關(guān)鍵技術(shù)的原理、特性、基本計(jì)算公式和方法、基本結(jié)構(gòu)的組成、各個(gè)部分參數(shù)的選取，以及主要應(yīng)用場(chǎng)合及其優(yōu)勢(shì)和不足等問題進(jìn)行討論和分析。本套叢書則沿著“有效信息的取得”、“有效信息的調(diào)制”、“調(diào)制信號(hào)的傳輸“、“調(diào)制信號(hào)的解調(diào)”以及“智能控制系統(tǒng)的舉例應(yīng)用”這一線索展開，對(duì)比較典型的智能控制系統(tǒng)，應(yīng)用于實(shí)踐的設(shè)計(jì)計(jì)算及控制的邏輯關(guān)系進(jìn)行舉例論述。本套叢書雖然經(jīng)歷了十多年的知識(shí)積累，但仍然覺得時(shí)間倉(cāng)促，加之水平有限，錯(cuò)誤與疏漏之處在所難免，懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正。編撰者

蘇遵惠

智能控制技術(shù)及其應(yīng)用

智能控制技術(shù)及其應(yīng)用

叢書序

前言第一章緒論第一節(jié)控制的分類第二節(jié)智能控制

第三節(jié)

智能控制技術(shù)的建立與發(fā)展第二章中小學(xué)校教室智能照明系統(tǒng)

的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

第一節(jié)光源燈具和安裝現(xiàn)場(chǎng)的

技術(shù)指標(biāo)要求

第二節(jié)教室照明的智能控制要求第三章醫(yī)療機(jī)構(gòu)智能照明系統(tǒng)的

設(shè)計(jì)與實(shí)踐第四章

城市道路照明智能控制系統(tǒng)的

設(shè)計(jì)與實(shí)踐

第五章

公路隧道照明智能控制系統(tǒng)的

設(shè)計(jì)與實(shí)踐第六章

自動(dòng)駕駛汽車的智能控制第七章

人臉識(shí)別技術(shù)在智能控制

領(lǐng)域的應(yīng)用第一節(jié)人臉識(shí)別技術(shù)概述

第二節(jié)人臉識(shí)別技術(shù)的流程和算法

第三節(jié)

智能控制理論在在人臉識(shí)別

中的應(yīng)用

第四節(jié)

人臉識(shí)別技術(shù)的主要應(yīng)用

領(lǐng)域及發(fā)展前景

附錄附錄Ａ本書名詞術(shù)語(yǔ)及解釋附錄Ｂ與本書相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)參考文獻(xiàn)重點(diǎn)目錄

正文第一章

緒論第一節(jié)控制的分類

智能控制技術(shù)及其應(yīng)用一、按照控制的自動(dòng)化程度分類

(一)人工控制

1、人工控制簡(jiǎn)介

定義

人工控制（manulcontrol）是人需要實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)并做出必要的決定，

從而控制整個(gè)過程處于期望的狀態(tài)。

按照《現(xiàn)代漢語(yǔ)詞典》的解釋：

控制是掌握對(duì)象不使其任意活動(dòng)或超出范圍，或使其按控制者的意愿活動(dòng)。

人工控制的三步驟

1、測(cè)量

觀看參數(shù)檢測(cè)的數(shù)值；

2、比較

判斷當(dāng)前實(shí)際測(cè)量值和理想值是否相等；

3、執(zhí)行

根據(jù)比較結(jié)果進(jìn)行操作。

2、應(yīng)用場(chǎng)合

人工控制廣泛應(yīng)用于小而簡(jiǎn)單的控制場(chǎng)合

。

正文第一章

緒論第一節(jié)控制的分類

智能控制技術(shù)及其應(yīng)用一、按照控制的自動(dòng)化程度分類

(一)人工控制

1、人工控制簡(jiǎn)介

定義

人工控制（manulcontrol）是人需要實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)并做出必要的決定，

從而控制整個(gè)過程處于期望的狀態(tài)。

按照《現(xiàn)代漢語(yǔ)詞典》的解釋：

控制是掌握對(duì)象不使其任意活動(dòng)或超出范圍，或使其按控制者的意愿活動(dòng)。

人工控制的三步驟

1、測(cè)量

觀看參數(shù)檢測(cè)的數(shù)值；

2、比較

判斷當(dāng)前實(shí)際測(cè)量值和理想值是否相等；

3、執(zhí)行

根據(jù)比較結(jié)果進(jìn)行操作。

2、應(yīng)用場(chǎng)合

人工控制廣泛應(yīng)用于小而簡(jiǎn)單的控制場(chǎng)合

。

正文第一章

緒論第一節(jié)控制的分類

智能控制技術(shù)及其應(yīng)用一、按照控制的自動(dòng)化程度分類

(二)自動(dòng)控制

1、定義

自動(dòng)控制（automaticcontrol）是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置，使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。自動(dòng)控制是相對(duì)人工控制概念而言的。

2、作用

有利于將人類從復(fù)雜、危險(xiǎn)、繁瑣的勞動(dòng)環(huán)境中解放出來(lái)，并大大提高控制效率，使得輸出值接近我們理想的目的。從方法的角度看，它以數(shù)學(xué)的系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)。

正文第一章

緒論第一節(jié)控制的分類

智能控制技術(shù)及其應(yīng)用

(二)自動(dòng)控制

3、發(fā)展歷史（1）時(shí)代：40年代--60年代初；

發(fā)展的需求動(dòng)力：市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),資源利用，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高產(chǎn)品質(zhì)量，適應(yīng)批量生產(chǎn)需要。

主要特點(diǎn)為：為單機(jī)自動(dòng)化階段，各種單機(jī)自動(dòng)化加工設(shè)備出現(xiàn)，不斷擴(kuò)大應(yīng)用和向縱深方向發(fā)展。

典型成果和產(chǎn)品：硬件數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床。（2）時(shí)代：60年代中--70年代初期：

發(fā)展的需求動(dòng)力：市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇，要求產(chǎn)品更新快，產(chǎn)品質(zhì)量高，適應(yīng)大中批量生產(chǎn)需要和減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。

主要特點(diǎn)為：以自動(dòng)生產(chǎn)線為標(biāo)志，各種組合機(jī)床、組合生產(chǎn)線出現(xiàn)，軟件數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)并用于機(jī)床，CAD等軟件開始用于實(shí)際工程的設(shè)計(jì)和制造中，硬件加工設(shè)備適合大中批量的生產(chǎn)和加工。

典型成果和產(chǎn)品：用于鉆、鏜、銑等加工的自動(dòng)生產(chǎn)線。

正文第一章

緒論第一節(jié)控制的分類

智能控制技術(shù)及其應(yīng)用

(二)自動(dòng)控制

3、發(fā)展歷史（3）時(shí)代：70年代中期--至今：

發(fā)展的需求動(dòng)力：市場(chǎng)要求自動(dòng)化技術(shù)向其廣度和深度發(fā)展，使其各相關(guān)技術(shù)高度綜合，發(fā)揮整體最佳效能。

主要特點(diǎn)為：CIM已作為一種哲理、一種方法逐步為人們所接受；將分散獨(dú)立的單元集成為一個(gè)優(yōu)化的自動(dòng)化整體技術(shù)。

典型成果和產(chǎn)品：CIMS工廠，柔性制造系統(tǒng)(FMS)。為適應(yīng)宇航技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制理論跨入現(xiàn)代控制理論階段。主要研究具有高性能，高精度的多變量、變參數(shù)的最優(yōu)控制問題，采用的方法是以狀態(tài)為基礎(chǔ)的狀態(tài)空間法。最基本的是基于反饋控制原理的反饋控制系統(tǒng)。

正文第一章

緒論第一節(jié)控制的分類

智能控制技術(shù)及其應(yīng)用

(二)自動(dòng)控制

4、自動(dòng)控制的基本原理

在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中，自動(dòng)控制技術(shù)起著越來(lái)越重要的作用。自動(dòng)控制在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置或控制器使被控對(duì)象的被控制量自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。

自動(dòng)控制理論是研究自動(dòng)控制共同規(guī)律的科學(xué)。其發(fā)展初期，是以反饋理論為基礎(chǔ)的自動(dòng)調(diào)節(jié)原理，主要用于工業(yè)控制。

二戰(zhàn)期間為了設(shè)計(jì)和制造飛機(jī)及船用自動(dòng)駕駛儀，火炮定位、雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)以及基于反饋原理的軍用設(shè)備，促進(jìn)、完善并形成完整的自動(dòng)控制理論體系，就是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的經(jīng)典控制理論，主要研究單輸入-單輸出，線形定常數(shù)系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)。

正文第一章

緒論第一節(jié)控制的分類

智能控制技術(shù)及其應(yīng)用

(二)自動(dòng)控制

5、自動(dòng)化技術(shù)產(chǎn)生的價(jià)值

自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了單元技術(shù)的綜合，以計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（ComputerIntegratedManufacturingSystem，CIMS））為代表的自動(dòng)化技術(shù)顯示出其巨大的效益。

（1）使產(chǎn)品質(zhì)量提高了200-500%

（2）使生產(chǎn)率提高了40-70%

（3）使設(shè)備利用率提高了200-300%

（4）使生產(chǎn)周期縮短了30-60%

（5）使在制品減少了30-60%

（6）使工程設(shè)計(jì)費(fèi)用減少了15-30%

（7）使人力費(fèi)用減少了5-20%

（8）提高工程師的工作能力300-3500%

由此可見，自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用，其效益明顯提高。

正文第一章

緒論第一節(jié)控制的分類

智能控制技術(shù)及其應(yīng)用

(二)自動(dòng)控制

6、自動(dòng)化技術(shù)的典型應(yīng)用

（1）調(diào)速器：蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速的改良，應(yīng)用于飛機(jī)的陀螺自動(dòng)駕駛儀等。

（2）火力控制：防空火力控制（anti-aircraft）指揮儀（人工伺服），即通過指揮儀計(jì)算出炮彈飛到飛機(jī)時(shí)所需要的時(shí)間，從而調(diào)整需要的高低角、前置角、方位角參數(shù)，決定定時(shí)爆炸時(shí)間。

（3）指揮儀和伺服系統(tǒng)：采用電位計(jì)控制的記錄筆控制火炮的發(fā)射，使定位可達(dá)到1微米的高精度。促使其產(chǎn)量、利潤(rùn)大幅度提升。

（4）汽車防側(cè)滑系統(tǒng)：通過ABS、ASR電子調(diào)節(jié)單元，按照車輪轉(zhuǎn)速傳感器發(fā)出的信號(hào)，計(jì)算和分析確定車輪的滑動(dòng)率和車輛駕駛速度，調(diào)節(jié)車輪的滑動(dòng)率，避免車輛的側(cè)滑。

（5）數(shù)學(xué)領(lǐng)域的判據(jù)：勞斯以行列式的形式完成了方程式根的性質(zhì)的判據(jù)。成為真正將控制理論用于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一個(gè)例子。成為用于代數(shù)判據(jù)的理論基礎(chǔ)。

正文第一章

緒論第一節(jié)控制的分類

智能控制技術(shù)及其應(yīng)用

(二)自動(dòng)控制

6、自動(dòng)化技術(shù)的典型應(yīng)用

（6）電子振蕩器：布萊克研究了采用正反饋工作的電子振蕩器。

（7）整定法的發(fā)明：尼可爾斯提出了PID的整定法。在控制理論的參數(shù)整定方面發(fā)明了PID的整定表。

（8）控制論的建立：錢學(xué)森的《工程控制論》。魯里葉出版的關(guān)于解決非線性的經(jīng)典著作；波波夫建立的的“絕對(duì)穩(wěn)定性”（“超穩(wěn)定性”）理論，成為非線性理論基礎(chǔ)。逐步完善了現(xiàn)代控制理論。

（9）解耦設(shè)計(jì)：是要求輸入/輸出之間的1對(duì)1的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即響應(yīng)特性。物理系統(tǒng)跟數(shù)學(xué)模型要允許兩者的差別，即有魯棒性。魯棒性不是一般數(shù)學(xué)上的問題。而是實(shí)際提出來(lái)的問題，是解決差異設(shè)計(jì)到底能不能用的問題。在經(jīng)典的控制理論中，是講帶寬、裕度；現(xiàn)代控制理論中是特征值、方差和范數(shù)。實(shí)際計(jì)算工具為伯德（Bode）圖、奈奎斯特圖、尼可爾斯圖。

正文第一章

緒論第一節(jié)控制的分類

智能控制技術(shù)及其應(yīng)用

(三)智能控制

1、智能控制的基本概念

（1）智能控制的基本概念

控制理論發(fā)展至今已有100多年的歷史，經(jīng)歷了“經(jīng)典控制理論”和“現(xiàn)代控制理論”的發(fā)展階段，已進(jìn)入“大系統(tǒng)理論”和“智能控制理論”階段。

智能控制（intelligentcontrols）在無(wú)人干預(yù)的情況下能自主地驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的自動(dòng)控制技術(shù)。

由于世界各國(guó)或各個(gè)科技領(lǐng)域發(fā)展的差異，智能控制無(wú)論在科技領(lǐng)域，還是在工程領(lǐng)域也出現(xiàn)了各自理解的概念和釋義。得出了不同理解和建立系統(tǒng)比較典型的幾種定義。

正文第一章

緒論第一節(jié)控制的分類

智能控制技術(shù)及其應(yīng)用

(三)智能控制

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。

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)的分析與設(shè)計(jì)中，使之在一定程度上實(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(jí)體現(xiàn)。

定義三：

智能控制是一類無(wú)需人的干預(yù)就能夠自主地驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的自動(dòng)控制，也是用計(jì)算機(jī)模擬人類智能的一個(gè)重要領(lǐng)域。

定義四：智能控制實(shí)際只是研究與模擬人類智能活動(dòng)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控制與信息處理系統(tǒng)的一個(gè)新興分支學(xué)科。

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緒論第一節(jié)控制的分類

智能控制技術(shù)及其應(yīng)用

(三)智能控制2、智能控制的產(chǎn)生及發(fā)展進(jìn)程

自1932年奈魁斯特（H.Nyquist）的有關(guān)反饋放大器穩(wěn)定性論文發(fā)表以來(lái)，控制理論的發(fā)展已走過了60多年的歷程。

從20世紀(jì)60年代起，計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)發(fā)展，為了提高控制系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)能力，控制界學(xué)者開始將人工智能技術(shù)應(yīng)用于控制系統(tǒng)。

1965年，美籍華裔科學(xué)家傅京孫教授首先把人工智能的啟發(fā)式推理規(guī)則用于學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)；1966年，Mendel進(jìn)一步在空間飛行器的學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)中應(yīng)用了人工智能技術(shù)并提出了“人工智能控制”的概念。

1967年，Leondes和Mendel首先正式使用“智能控制”一詞。

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緒論第一節(jié)控制的分類

智能控制技術(shù)及其應(yīng)用

(三)智能控制2、智能控制的產(chǎn)生及發(fā)展進(jìn)程

20世紀(jì)70年代中期，以模糊集合論為基礎(chǔ)，智能控制在規(guī)則控制研究上取得了重要進(jìn)展。對(duì)智能控制理論的形成起了十分重要的推動(dòng)作用。

20世紀(jì)80年代，專家系統(tǒng)技術(shù)的逐漸成熟及計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，使得智能控制和決策的研究也取得了較大進(jìn)展。

1986年，K.J.Astrom發(fā)表的著名論文《專家控制》中，將人工智能中的專家系統(tǒng)技術(shù)引入控制系統(tǒng)，組成了另一種類型的智能控制系統(tǒng)——專家控制。目前，專家控制方法已有許多成功應(yīng)用的實(shí)例。

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緒論第一節(jié)控制的分類

智能控制技術(shù)及其應(yīng)用

(三)智能控制3、智能控制理論的建立

許多復(fù)雜的系統(tǒng)，難以建立有效的數(shù)學(xué)模型并用常規(guī)的控制理論進(jìn)行定量計(jì)算和分析，而采用定量方法與定性方法相結(jié)合的控制方式。

其目的是要由機(jī)器用類似人的智慧和經(jīng)驗(yàn)來(lái)引導(dǎo)求解過程。故智能控制的關(guān)鍵問題不是設(shè)計(jì)常規(guī)控制器，而是研制智能機(jī)器的模型。

智能控制的核心在高層控制——組織控制。高層控制是對(duì)實(shí)際環(huán)境或過程進(jìn)行組織決策和規(guī)劃，以實(shí)現(xiàn)問題求解。

1965年傅京孫提出將人工智能的啟發(fā)式推理規(guī)則用于學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)。

1985年在美國(guó)首次召開了智能控制學(xué)術(shù)討論會(huì)。

1987年在美國(guó)召開了智能控制的首屆國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議，標(biāo)志著智能控制作為一個(gè)新的學(xué)科分支得到承認(rèn)。

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緒論第一節(jié)控制的分類

智能控制技術(shù)及其應(yīng)用

(三)智能控制

智能控制與傳統(tǒng)的或常規(guī)的控制的關(guān)系

不是相互排斥，而常規(guī)控制往往包含在智能控制之，智能控制利用常規(guī)控制的方法來(lái)解決“低級(jí)”的控制問題，通過擴(kuò)充常規(guī)控制方法并建立新的理論與方法來(lái)解決復(fù)雜控制問題。

傳統(tǒng)控制與智能控制二者的相關(guān)性與差異性如下表所示。

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智能控制技術(shù)及其應(yīng)用

類型傳統(tǒng)控制智能控制模型確定的模型基礎(chǔ)模型嚴(yán)重的不確定性輸入/輸出設(shè)備信息交換很不方便多方位“立體”的控制系統(tǒng)控制任務(wù)控制單一:使輸出量為定值或“跟隨系統(tǒng)”比較復(fù)雜，具有自動(dòng)規(guī)劃和決策的能力，有自動(dòng)躲避障礙物的運(yùn)動(dòng)功能等。控制理論對(duì)線性問題有較成熟的理論系統(tǒng)解決復(fù)雜非線性問題行之有效。控制策略無(wú)具有足夠人的控制策略、被控對(duì)象及環(huán)境的有關(guān)知識(shí)和能力模態(tài)控制方式無(wú)能以知識(shí)表示的非數(shù)學(xué)廣義模型和以數(shù)學(xué)表示的混合控制變結(jié)構(gòu)能力無(wú)具有變結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，即具有自適應(yīng)、自組織、自學(xué)習(xí)和自協(xié)調(diào)能力。自修復(fù)能力無(wú)有補(bǔ)償及自修復(fù)能力和判斷決策能力。

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智能控制技術(shù)及其應(yīng)用

(三)智能控制4、智能控制器的發(fā)展

智能控制器是以自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，以集成微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、信息傳感技術(shù)、顯示與界面技術(shù)、通訊技術(shù)、電磁兼容技術(shù)等諸多技術(shù)而形成的高科技產(chǎn)品。其核心和關(guān)鍵部件——智能控制器內(nèi)置于設(shè)備、裝置或系統(tǒng)之中，扮演“大腦”的角色。

20世紀(jì)90年代中期之后，智能控制器行業(yè)日益成熟，其發(fā)展受到了雙重動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)：其一是市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)；其二是科技驅(qū)動(dòng)。智能控制器行業(yè)得到了飛速發(fā)展。2012年全球市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)到6800億美元。

從地域分布上歐洲和北美市場(chǎng)是智能控制產(chǎn)品的兩大主要市場(chǎng)，占全球市場(chǎng)的56%，這兩大區(qū)域在生活電器、汽車、電動(dòng)工具等領(lǐng)域的市場(chǎng)發(fā)展日趨成熟，產(chǎn)品普及率高。

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智能控制技術(shù)及其應(yīng)用

(三)智能控制4、智能控制器的發(fā)展

智能控制產(chǎn)品在中國(guó)等國(guó)家的應(yīng)用仍處于初始或發(fā)展階段，市場(chǎng)規(guī)模還不大，但增長(zhǎng)速度較快。

我國(guó)智能控制器行業(yè)自2004年以來(lái)，年均增長(zhǎng)率近20%。汽車電子和大型生活電器是主要應(yīng)用領(lǐng)域，市場(chǎng)占有率分別為31%和10%左右。小型生活電器產(chǎn)品市場(chǎng)空間巨大。特別是電動(dòng)汽車、自動(dòng)駕駛汽車、智能建筑及家居等新興領(lǐng)域的崛起，將帶動(dòng)智能控制器需求的快速增長(zhǎng)。

智能控制產(chǎn)品行業(yè)由于下游廠商需求分散，造成了產(chǎn)品差異較大、產(chǎn)能較分散，因此全球智能控制產(chǎn)品行業(yè)總體集中度較低。

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(三)智能控制5、智能控制的主要特點(diǎn)

智能控制同時(shí)具有以知識(shí)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，并以知識(shí)進(jìn)行推理，以啟發(fā)引導(dǎo)求解過程。

智能控制的核心在高層控制，即組織級(jí)；具有變結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；

其系統(tǒng)應(yīng)能滿足多樣性目標(biāo)的高性能要求；

為一門邊緣交叉學(xué)科；是一個(gè)新興的研究領(lǐng)域。

智能控制器具有非線性特性；具有總體自尋優(yōu)特性。

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(三)智能控制

6、智能控制的結(jié)構(gòu)理論

智能控制（IC）的結(jié)構(gòu)理論包括：IC=AI∩AC∩OR

（∩為“交集”）

（1）人工智能（ArtificialIntelligence，AI）：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；

（2）自動(dòng)控制（AutomaticControl，AC）：描述系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性，是一種動(dòng)態(tài)反饋；

（3）運(yùn)籌學(xué)（OperationResearch，OR）：是一種定量?jī)?yōu)化方法，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；

（4）智能控制的結(jié)構(gòu)理論（IntelligentControl，IC）：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，并將其同控制理論方法與技術(shù)相結(jié)合，在未知環(huán)境下仿效人的智能，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。

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(三)智能控制

6、智能控制的結(jié)構(gòu)理論

（5）智能控制與傳統(tǒng)控制的關(guān)系

傳統(tǒng)控制：經(jīng)典反饋控制和現(xiàn)代理論控制。其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(shí)不變等相對(duì)簡(jiǎn)單的控制問題。

智能控制：以上問題用智能的方法同樣可以解決。智能控制是對(duì)傳統(tǒng)控制理論的發(fā)展，傳統(tǒng)控制是智能控制的一個(gè)組成部分，在這個(gè)意義下，兩者可以統(tǒng)一在智能控制的框架下。

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(三)智能控制

7、智能控制研究對(duì)象的特點(diǎn)

智能控制的研究對(duì)象具備以下的特點(diǎn)：

（1）不確定性的模型：智能控制的研究對(duì)象通常存在嚴(yán)重的不確定性。這里所說的模型

不確定性包含兩層意思：一是模型未知或知之甚少；二是模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)可能在很大范圍內(nèi)變化。

（2）

高度的非線性：對(duì)于具有高度非線性的控制對(duì)象，采用智能控制的方法往往可以較好地解決非線性系統(tǒng)的控制問題。

（3）復(fù)雜的任務(wù)要求：對(duì)于智能控制系統(tǒng)，任務(wù)的要求往往比較復(fù)雜。

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(三)智能控制

8、智能控制系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合

（1）應(yīng)用的實(shí)際系統(tǒng)存在復(fù)雜性、非線性、時(shí)變性、不確定性和不完全性等，一般無(wú)法獲得精確的數(shù)學(xué)模型。

（2）應(yīng)用傳統(tǒng)控制理論進(jìn)行控制必須提出、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。

（3）對(duì)于某些復(fù)雜的和飽含不確定性的控制過程，根本無(wú)法用傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型來(lái)表示，即無(wú)法解決建模問題。

為了提高控制性能，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。

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(三)智能控制

9、智能控制在各行業(yè)中的應(yīng)用案例

（1）工業(yè)過程中的智能控制

生產(chǎn)過程的智能控制主要包括：局部級(jí)和全局級(jí)。

局部級(jí)的智能控制

指將智能引入工藝過程中的某一單元進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)，例如智能PID控制器、專家控制器、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制器等。

全局級(jí)的智能控制

主要針對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化，包括整個(gè)操作工藝的控制、過程的故障診斷、規(guī)劃過程操作處理異常等。（2）機(jī)械制造中的智能控制

智能控制被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械制造行業(yè)，它利用模糊數(shù)學(xué)、

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對(duì)制造過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)環(huán)境建模，利用傳感器融合技術(shù)來(lái)進(jìn)行信息的預(yù)處理和綜合。可采用專家系統(tǒng)的“Then-If”逆向推理作為反饋機(jī)構(gòu)，修改控制機(jī)構(gòu)或者選擇較好的控制模式和參數(shù)。利用模糊集合和模糊關(guān)系的魯棒性，將模糊信息集成到閉環(huán)控制的外環(huán)決策選取機(jī)構(gòu)來(lái)選擇控制動(dòng)作。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)功能和并行處理信息的能力，進(jìn)行在線的模式識(shí)別，處理那些可能是殘缺不全的信息。

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(三)智能控制

9、智能控制在各行業(yè)中的應(yīng)用案例

（3）電力電子學(xué)研究領(lǐng)域中的智能控制

電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)、變壓器、電動(dòng)機(jī)等電機(jī)電器設(shè)備的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)行、控制是一個(gè)復(fù)雜的過程，國(guó)內(nèi)外的電氣工作者將人工智能技術(shù)引入到電氣設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)、故障診斷及控制中，取得了良好的控制效果。

遺傳算法是一種先進(jìn)的優(yōu)化算法，采用此方法來(lái)對(duì)電器設(shè)備的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，可以降低成本,縮短計(jì)算時(shí)間，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。

應(yīng)用于電氣設(shè)備故障診斷的

智能控制技術(shù)有：模糊邏輯、專家系統(tǒng)和

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。在

電力電子學(xué)的眾多應(yīng)用領(lǐng)域中，智能控制在電流控制PWM技術(shù)中的應(yīng)用是具有代表性的技術(shù)應(yīng)用方向之一，也是研究的新熱點(diǎn)之一。

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智能控制技術(shù)及其應(yīng)用二、按照控制的信號(hào)反饋分類

按照控制結(jié)果的信號(hào)是否反饋分為“開環(huán)控制”和“閉環(huán)控制”兩類。

（一）開環(huán)控制

（1）簡(jiǎn)介

定義：開環(huán)控制（Open-LoopControl）系統(tǒng)：不將控制的結(jié)果反饋回來(lái)影響當(dāng)前控制的系統(tǒng)。

（2）舉例說明

“打開燈的開關(guān)”：按下開關(guān)的一瞬間控制已經(jīng)結(jié)束，燈是否亮起以對(duì)按開關(guān)的這個(gè)活動(dòng)沒有影響；“籃球的投籃”：籃球出手后，就無(wú)法再對(duì)其控制，無(wú)論球進(jìn)與否，球出手的一瞬間控制活動(dòng)即結(jié)束。很顯然，其特點(diǎn)為不將控制的結(jié)果反饋到原來(lái)的信息輸入端。其控制結(jié)構(gòu)以“電飯煲控制”為例，如圖1-1所示。圖1-1開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

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智能控制技術(shù)及其應(yīng)用二、按照控制的信號(hào)反饋分類

（一）開環(huán)控制

（1）簡(jiǎn)介

定義：閉環(huán)控制（Closed-LoopControl）也稱作反饋控制。指作為被控的輸出量以一定方式返回到作為控制的輸入端，并對(duì)輸入端施加控制影響的一種控制關(guān)系。

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1-2所示?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)以電飯煲為例，其示意圖如圖1-3所示.

圖1-2閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖圖1-3閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

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智能控制技術(shù)及其應(yīng)用

（二）閉環(huán)控制

（2）閉環(huán)控制原理

閉環(huán)控制中，當(dāng)受控客體受干擾的影響，其實(shí)現(xiàn)狀態(tài)與期望狀態(tài)出現(xiàn)偏差時(shí)，控制主體將根據(jù)這種偏差發(fā)出新的指令，以糾正偏差，抵消干擾的作用。

在閉環(huán)控制中控制主體能根據(jù)反饋信息發(fā)現(xiàn)和糾正受控客體運(yùn)行的偏差，故有較強(qiáng)的抗干擾能力，保證預(yù)定目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。其控制原理主要是反饋原理。

如果我們把輸入值用x表示，輸出值用y表示，客體的功能用s表示，控制系統(tǒng)也即反饋系統(tǒng)的作用用R表示，偏差信息用?x表示，則有：

式中R稱反饋因子或控制參數(shù)，它反映閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋功能或控制功能。y=S(X+△X)=S(X+Ry)=SX+SRy

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（二）閉環(huán)控制

（3）閉環(huán)控制應(yīng)用舉例

在發(fā)動(dòng)機(jī)電噴系統(tǒng)中，其閉環(huán)控制是實(shí)時(shí)的氧氣含量傳感器、計(jì)算機(jī)和燃油量控制裝置三者之間的閉合關(guān)系。

氧傳感器“告訴”計(jì)算機(jī)混合氣的空燃比情況，計(jì)算機(jī)發(fā)出命令給燃油量控制裝置，向理論值的方向調(diào)整空氣/燃油比(例如14.7:1)。這一調(diào)整經(jīng)常會(huì)超過一點(diǎn)理論值，氧傳感器察覺出來(lái)，并報(bào)告計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)再發(fā)出命令調(diào)回到14.7:1。

這種閉環(huán)調(diào)整連續(xù)不斷地進(jìn)行檢測(cè)、反饋和調(diào)整。

因每一個(gè)調(diào)整的循環(huán)都很快，所以空氣/燃油比偏離理論值（14.7:1）不會(huì)太多，使發(fā)動(dòng)機(jī)始終在較理想的工況下運(yùn)行，從而保證了汽車具有較好的動(dòng)力性能，還能節(jié)省燃油。

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（二）閉環(huán)控制

（4）閉環(huán)控制基本表現(xiàn)形式

閉環(huán)控制在各種控制實(shí)例中有具體的表現(xiàn)方式：“正反饋”與“負(fù)反饋”是閉環(huán)控制常見的兩種基本形式。其中負(fù)反饋與正反饋從達(dá)到目的的角度講具有相同的意義。

從反饋實(shí)現(xiàn)具體方式來(lái)看，正反饋與負(fù)反饋屬于代數(shù)或者算術(shù)意義上的“加減”反饋方式，即輸出量回饋至輸入端后，和輸入量進(jìn)行加減的統(tǒng)一性整合后，作為新控制輸出，去進(jìn)一步控制輸出量。

實(shí)際上，輸出量對(duì)輸入量反饋遠(yuǎn)不止這些方式。這表現(xiàn)為：運(yùn)算上，不僅僅是加減運(yùn)算，還包括了更廣域的數(shù)學(xué)運(yùn)算；回饋方式上，輸出量對(duì)輸入量反饋，也不一定采取和輸入量進(jìn)行綜合運(yùn)算形成統(tǒng)一的控制輸出，輸出量能通過控制鏈直接施控于輸入量等等。

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（二）閉環(huán)控制

（5）閉環(huán)控制的抗干擾能力

在閉環(huán)控制系統(tǒng)里，即使有干擾，也能通過自己的調(diào)節(jié)保持原來(lái)的狀態(tài)。實(shí)施閉環(huán)控制的抗干擾能力來(lái)自于反饋?zhàn)饔?。因?yàn)樵诮M織形式上增設(shè)了一個(gè)反饋機(jī)構(gòu)，能把造成偏離目標(biāo)的原因以及一貫干擾的因素及時(shí)地反饋給控制單元，使決策控制層作出正確的判斷與決策，隨時(shí)予以修正控制目標(biāo)。

閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)是充分發(fā)揮了反饋的重要作用，排除了難以預(yù)料或不確定的因素，使校正行動(dòng)更準(zhǔn)確，更有力。但它缺乏開環(huán)控制的那種預(yù)防性。如在控制過程中造成不利的后果才采取糾正措施。

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（二）閉環(huán)控制

（6）閉環(huán)控制的擴(kuò)展——半

閉環(huán)控制系統(tǒng)

“半閉環(huán)控制系統(tǒng)”是在開環(huán)控制系統(tǒng)的伺服機(jī)構(gòu)中裝有角位移檢測(cè)裝置，通過檢測(cè)伺服機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)角，間接檢測(cè)移動(dòng)部件的位移，然后反饋到數(shù)控裝置的比較器中，與輸入原指令位移值進(jìn)行比較，用比較后的差值進(jìn)行控制，使移動(dòng)部件補(bǔ)充位移，直到差值消除為止的控制系統(tǒng)。這種伺服機(jī)構(gòu)所能達(dá)到的精度、速度和動(dòng)態(tài)特性優(yōu)于開環(huán)伺服機(jī)構(gòu)，為大多數(shù)中小型數(shù)控機(jī)床所采用。

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（二）閉環(huán)控制

（7）開環(huán)控制與閉環(huán)控制系統(tǒng)的對(duì)比

開環(huán)控制一般是在瞬間就完成的控制活動(dòng)；

閉環(huán)控制一定會(huì)持續(xù)一定的時(shí)間?？梢越璐伺袛?。如圖1-4為采用單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的“閉環(huán)控制系統(tǒng)方框示意圖”圖1-4采用單片機(jī)的電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖

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智能控制技術(shù)及其應(yīng)用（三）關(guān)于魯棒性和魯棒控制

1、魯棒性的基本概念

魯棒是Robust的音譯，原意是“健壯和強(qiáng)壯”的意思。鑒于“魯棒性”的詞義不易理解，“robustness”又被譯成“抗變換性”。

定義

所謂“魯棒性”，是指控制系統(tǒng)在一定（結(jié)構(gòu)，大?。┑膮?shù)攝動(dòng)下，維持其它某些性能的特性。

魯棒性（Robustness）通俗地講，是系統(tǒng)在面對(duì)意料之外的干擾或變化時(shí)，仍然能夠保持其功能和性能的能力。如圖1-5所示。

圖1-5通信網(wǎng)絡(luò)中魯棒性設(shè)計(jì)的必要性

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智能控制技術(shù)及其應(yīng)用（三）關(guān)于魯棒性和魯棒控制

1、魯棒性的基本概念

魯棒性（Robustness）通俗地講，是系統(tǒng)在面對(duì)意料之外的干擾或變化時(shí)，仍然能夠保持其功能和性能的能力。

在控制系統(tǒng)中，魯棒性表現(xiàn)為系統(tǒng)在參數(shù)攝動(dòng)（即系統(tǒng)參數(shù)在一定范圍內(nèi)的變動(dòng)）下，維持某些性能的特性。根據(jù)性能的不同定義，魯棒性可以分為穩(wěn)定魯棒性和性能魯棒性。

穩(wěn)定魯棒性

關(guān)注系統(tǒng)在面對(duì)擾動(dòng)時(shí)能否保持穩(wěn)定；

性能魯棒性

關(guān)注系統(tǒng)在保持穩(wěn)定性的同時(shí)，能否維持一定的性能水平。

在計(jì)算機(jī)科學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)中，魯棒性是個(gè)關(guān)鍵概念。

在軟件開發(fā)中，一個(gè)魯棒的程序能夠在接收到錯(cuò)誤或異常數(shù)據(jù)時(shí)，通過異常處理機(jī)制，避免程序崩潰或產(chǎn)生異常行為。

在機(jī)器學(xué)習(xí)中，模型在面對(duì)數(shù)據(jù)變化或噪聲時(shí)，仍能準(zhǔn)確地進(jìn)行分類或預(yù)測(cè)，從而提高模型的泛化能力和可靠性。

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1、魯棒性的基本概念

圖1-6控制系統(tǒng)中信號(hào)

(曲線)魯棒性示意圖

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1、魯棒性的基本概念

在實(shí)際通信網(wǎng)絡(luò)中，由多系統(tǒng)組成的網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)特性或參數(shù)的攝動(dòng)常常是不可避免的。產(chǎn)生攝動(dòng)的原因主要有兩個(gè)方面：

其一，是由于測(cè)量的不精確，使特性或參數(shù)的實(shí)際值會(huì)偏離它的設(shè)計(jì)值（標(biāo)稱值）所致；

其二，是系統(tǒng)運(yùn)行過程中受環(huán)境因素的影響而引起特性或參數(shù)的緩慢漂移。

如圖1-6a為標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)（Modularsessions）的曲線，圖1-6b為不對(duì)稱設(shè)計(jì)（Asymmetricsessions）的曲線；在右圖1-6c為離開了例圖ALM（LeftALM）的曲線；右圖1-6d為使例圖不間斷ALM（RightALM）的曲線，即魯棒后的曲線圖。

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智能控制技術(shù)及其應(yīng)用（三）關(guān)于魯棒性和魯棒控制2、魯棒性的工作原理

魯棒性問題與控制系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性，即頻率域內(nèi)表征控制系統(tǒng)穩(wěn)定性裕量的一種性能指標(biāo)；

不變性原理，即自動(dòng)控制理論中研究扼制和消除擾動(dòng)對(duì)控制系統(tǒng)影響的理論，有著密切的聯(lián)系。

內(nèi)模原理，即把外部作用信號(hào)的動(dòng)力學(xué)模型植入控制器，構(gòu)成高精度反饋控制系統(tǒng)的一種設(shè)計(jì)原理的建立，則對(duì)魯棒性問題的研究起了重要的推動(dòng)作用。

從圖1-6可見，當(dāng)系統(tǒng)中存在模型攝動(dòng)或隨機(jī)干擾等不確定性因素時(shí)，能保持其滿意功能品質(zhì)的控制理論和方法即為魯棒控制。

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智能控制技術(shù)及其應(yīng)用（三）關(guān)于魯棒性和魯棒控制

附：關(guān)于“魯棒性”的一些概念

1、魯棒控制器：以閉環(huán)系統(tǒng)魯棒性作為目標(biāo)設(shè)計(jì)得到的固定控制器。

2、控制系統(tǒng)的魯棒性：指控制系統(tǒng)在某種類型的擾動(dòng)下，

包括自身模型的擾動(dòng)，系統(tǒng)維持某些性能指標(biāo)保持不變的特性。

3、穩(wěn)定魯棒性：對(duì)于工程系統(tǒng)最關(guān)心的問題是：控制系統(tǒng)當(dāng)其模型參數(shù)或結(jié)構(gòu)發(fā)生大幅度變化時(shí)，能否仍保持漸近穩(wěn)定。

4、品質(zhì)魯棒性：即在模型擾動(dòng)下，系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)仍然保持在某個(gè)許可范圍內(nèi)。

5、魯棒性理論：研究多變量系統(tǒng)具有穩(wěn)定魯棒性和品質(zhì)魯棒性的各種條件。其發(fā)展和應(yīng)用是控制系統(tǒng)最終能否成功應(yīng)用于實(shí)踐的關(guān)鍵。

如在數(shù)字水印技術(shù)中，

魯棒性是指在經(jīng)過常規(guī)信號(hào)處理操作后，還能夠檢測(cè)出水印的能力！針對(duì)圖像的常規(guī)信號(hào)處理操作包括空間濾波、有損壓縮、打印與復(fù)印、幾何變形等。

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智能控制技術(shù)及其應(yīng)用（三）關(guān)于魯棒性和魯棒控制3、魯棒控制

定義：

魯棒控制是指在實(shí)際環(huán)境中為保證安全和要求而設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，使該系統(tǒng)具有不確定性的對(duì)象必須滿足控制品質(zhì)的要求。

魯棒控制方法，對(duì)時(shí)間域或頻率域來(lái)說：

一般假設(shè)過程動(dòng)態(tài)特性的信息和它的變化范圍；

一些算法不需要精確的過程模型，但需要一些離線辨識(shí)；

其系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是以一些最差的情況為基礎(chǔ)，故一般采用魯棒控制方法的系統(tǒng)并不工作在最優(yōu)狀態(tài)，而是工作在動(dòng)態(tài)特性的信息和它的變化范圍之內(nèi)。

魯棒控制對(duì)時(shí)域或頻域的控制方法示意圖如圖1-7所示。

圖1-7魯棒控制對(duì)時(shí)域或頻域

的控制方法示意圖

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智能控制技術(shù)及其應(yīng)用（三）關(guān)于魯棒性和魯棒控制4、魯棒性的漸進(jìn)穩(wěn)定

結(jié)構(gòu)漸近穩(wěn)定：以漸近穩(wěn)定為性能指標(biāo)的一類魯棒性。如果控制系統(tǒng)在其特性或參數(shù)的標(biāo)稱值處是漸近穩(wěn)定的，并且對(duì)標(biāo)稱值的一個(gè)鄰域內(nèi)的每一種情況它也是漸近穩(wěn)定的，則稱此系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)漸近穩(wěn)定的。

結(jié)構(gòu)漸近穩(wěn)定性條件：結(jié)構(gòu)漸近穩(wěn)定的控制系統(tǒng)除了要滿足一般控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求外，還必須滿足另外一些附加的條件。這些條件稱為結(jié)構(gòu)漸近穩(wěn)定性條件，可用代數(shù)的或幾何的語(yǔ)言來(lái)表述，但都具有比較復(fù)雜的形式。

穩(wěn)定裕量：結(jié)構(gòu)漸近穩(wěn)定性的一個(gè)常用的度量是穩(wěn)定裕量，包括增益裕量和相角裕量，它們分別代表控制系統(tǒng)為漸近穩(wěn)定的前提下，其頻率響應(yīng)在增益和相角上所留有的儲(chǔ)備。一個(gè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量越大，其特性或參數(shù)的允許攝動(dòng)范圍一般也越大，因此它的魯棒性也越好。

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智能控制技術(shù)及其應(yīng)用（三）關(guān)于魯棒性和魯棒控制4、魯棒性的漸進(jìn)穩(wěn)定

無(wú)靜差性:以準(zhǔn)確地跟蹤外部參考輸入信號(hào)和完全消除擾動(dòng)的影響為穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)的一類魯棒性。

如果控制系統(tǒng)在其特性或參數(shù)的標(biāo)稱值處是漸近穩(wěn)定的且可實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差控制（又稱輸出調(diào)節(jié)），即系統(tǒng)輸出對(duì)參考輸入的穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差等于零，并且對(duì)標(biāo)稱值的一個(gè)鄰域內(nèi)的每一種情況它也是漸近穩(wěn)定和可實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差控制的，那么稱此控制系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)無(wú)靜差的。

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智能控制技術(shù)及其應(yīng)用三、按照控制的發(fā)展歷程分類

（一）傳統(tǒng)控制

1、PID控制

(比例-積分-微分控制)PID控制適用于一些相對(duì)簡(jiǎn)單、線性系統(tǒng)。

通過調(diào)節(jié)比例、積分和微分參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。

廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制中。

2、根軌跡法

根軌跡法根據(jù)系統(tǒng)特征方程的根隨參數(shù)變化的軌跡來(lái)設(shè)計(jì)控制器參數(shù)%使系統(tǒng)穩(wěn)定且滿足性能指標(biāo)。

3、頻率響應(yīng)法

頻率響應(yīng)法通過分析系統(tǒng)的頻率特性

（如伯德圖、奈奎斯特圖等）

來(lái)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)控制器使系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定裕度和性能。

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（二）經(jīng)典控制方法

1、線性控制理論

線性控制理論（LinearControlTheory）

基本理論基礎(chǔ)

是系統(tǒng)與控制理論中最為成熟和最為基礎(chǔ)的一個(gè)分支，是現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)。

系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由相互關(guān)聯(lián)和相互作用的部分按一定規(guī)律組合而成具有特定功能的整體。如工程系統(tǒng)、生物系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)等。

在系統(tǒng)理論中常常抽去具體系統(tǒng)的物理或社會(huì)含義，將其抽象化為一般意義的系統(tǒng)進(jìn)行研究，有助于揭示系統(tǒng)的一般特性。

基本特征

是整體性。線性系統(tǒng)是實(shí)際理想化模型。

表征

研究的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)可用一組微分方程或差分方程來(lái)表征。當(dāng)描述動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)方程具有線性屬性時(shí)，稱相應(yīng)的系統(tǒng)為線性系統(tǒng)，其為最簡(jiǎn)單且研究得最多的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。

可線性化

實(shí)際的線性系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)世界中是不存在的，但很多實(shí)際系統(tǒng)當(dāng)某些主要關(guān)系特性在一定的范圍和條件下，可以用線性系統(tǒng)來(lái)近似表示，線性系統(tǒng)或可線性化的系統(tǒng)是大量存在的。

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智能控制技術(shù)及其應(yīng)用

1、線性控制理論

線性控制理論（LinearControlTheory）

主要工具

經(jīng)典線性控制理論以拉普拉斯變換為主要工具，模型是傳遞函數(shù)，

分析和綜合方法是頻率響應(yīng)法。

在20世紀(jì)50年代業(yè)已成熟；

計(jì)算機(jī)技術(shù)等推動(dòng)了線性系統(tǒng)理論的進(jìn)一步發(fā)展和在實(shí)際中的廣泛運(yùn)用；

1960年開始從經(jīng)典到現(xiàn)代的過渡，其標(biāo)志之一是卡爾曼（R.E.Kalman）將狀態(tài)空間法引入到系統(tǒng)和控制理論中。并提出了能控性和能觀測(cè)性兩個(gè)表征系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性重要概念，這是線性系統(tǒng)理論中的兩個(gè)最基本的概念，建立了現(xiàn)代線性系統(tǒng)理論。

60年代中期以來(lái)，出現(xiàn)了從幾何方法角度研究線性系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特性的幾何理論及以抽象代數(shù)為工具的代數(shù)理論，還出現(xiàn)了多變量頻域理論，線性系統(tǒng)分析和綜合中的計(jì)算問題，以及利用計(jì)算機(jī)對(duì)線性系統(tǒng)進(jìn)行輔助分析和輔助設(shè)計(jì)的問題，也都得到了廣泛和充分的研究。

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（二）經(jīng)典控制方法

2、采樣控制理論

（1）采樣控制的概念

微型計(jì)算機(jī)的普及使采樣控制顯示其優(yōu)越性。在采樣控制理論中主要采用頻率域方法，它以Z變換為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，即Z變換法。Z變換為連續(xù)控制系統(tǒng)研究中所采用的許多基本概念，如傳遞函數(shù)、頻率響應(yīng)和分析設(shè)計(jì)法；如穩(wěn)定性和過渡過程的分析方法、控制系統(tǒng)校正方法等；都可經(jīng)過適當(dāng)?shù)男拚茝V應(yīng)用于采樣控制系統(tǒng)。

在現(xiàn)代控制理論中，與采樣控制系統(tǒng)屬于同一范疇的離散系統(tǒng)的分析主要采用時(shí)間域方法，是建立在狀態(tài)空間的基礎(chǔ)上，又稱狀態(tài)空間法。

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2、采樣控制理論

（2）采樣控制的內(nèi)容

采樣控制系統(tǒng)按組成原理分為一般采樣控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)。一般采樣控制系統(tǒng)典型的組成方式如圖1-8所示。

采樣器

實(shí)現(xiàn)采樣的裝置。通常接于誤差信號(hào)e(t)的作用點(diǎn)。

采樣器常見形式

采樣周期為常數(shù)的等速采樣。當(dāng)系統(tǒng)中包含幾個(gè)采樣器時(shí)，它們的采樣周期必須相等，相位必須同步。

一切具有開關(guān)功能的裝置，如機(jī)械開關(guān)、數(shù)字電路、掃描裝置等都可用來(lái)作為采樣器。圖1-8一般采樣控制系統(tǒng)組成原理圖

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2、采樣控制理論

（2）采樣控制的內(nèi)容

保持器

最簡(jiǎn)單的保持器是一個(gè)低通濾波器。其將脈沖序列轉(zhuǎn)換成在兩個(gè)相鄰采樣瞬時(shí)之間保持常值的一個(gè)階梯信號(hào)，通常稱為零階保持器。它的傳遞函數(shù)為圖1-9所示，其中T為脈沖序列的周期。圖1-9零階保持器輸入`輸出關(guān)系示意圖

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2、采樣控制理論

（2）采樣控制的內(nèi)容

數(shù)字控制系統(tǒng)

如圖1-10所示，除信號(hào)的采樣和復(fù)原外，

還包含信號(hào)量化和復(fù)原的過程。

量化及“模-數(shù)轉(zhuǎn)換器”

將模擬信號(hào)幅值變換為數(shù)字計(jì)算機(jī)可接收數(shù)碼過程，

相應(yīng)部件稱為模/數(shù)（A-D）轉(zhuǎn)換器。通?！澳?數(shù)轉(zhuǎn)換器”同時(shí)具備保持器的功能，信號(hào)量化的結(jié)果使其可采用數(shù)字計(jì)算機(jī)作為接受裝置。

數(shù)-模轉(zhuǎn)換器

使數(shù)碼恢復(fù)為信號(hào)幅值的裝置則稱為數(shù)-模（D-A）轉(zhuǎn)換器。圖1-10數(shù)字控制系統(tǒng)組成原理圖

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2、采樣控制理論

（3）采樣控制的特性

1）物理特性:采樣過程是單位理想脈沖系列δT(t)被輸入信號(hào)e(t)進(jìn)行幅值調(diào)節(jié)的過程。e(KT)只描述了e(t)在采樣瞬時(shí)的數(shù)值，故δT(t)不能給出連續(xù)函數(shù)e(t)在采樣間隔之間的信息；采樣的拉氏變換F*(s)

與連續(xù)信號(hào)e(t)

的拉氏變換F(t)類似，如e(t)有理數(shù)，F(xiàn)*(s)也總可以表示為有理函數(shù)形式。

2）采樣系統(tǒng)的基本特性：在采樣控制理論中，系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)都是建立在脈沖傳遞函數(shù)基礎(chǔ)上的。脈沖傳遞函數(shù)表征采樣系統(tǒng)的輸出輸入關(guān)系，這個(gè)關(guān)系用系統(tǒng)輸出采樣信號(hào)的Z變換與輸入采樣信號(hào)的Z變換之比來(lái)表示。

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智能控制技術(shù)及其應(yīng)用

2、采樣控制理論

（3）采樣控制的特性

3）系統(tǒng)的穩(wěn)定性

如果已知采樣系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)

G(z)=N(z)/D(z)。

則系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是：

特征方程

D(z)=0

的根均位于z復(fù)數(shù)平面上，圍繞原點(diǎn)的半徑

為1的單位圓內(nèi)。

常用的判斷采樣系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法有代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)、奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)和根軌跡法。

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（二）經(jīng)典控制方法

3、非線性控制理論

（1）非線性控制概念

人類認(rèn)識(shí)客觀世界和改造世界的歷史進(jìn)程，總是由低級(jí)到高級(jí)，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由表及里的縱深發(fā)展過程。

在控制領(lǐng)域方面也是一樣，最先研究的控制系統(tǒng)都是線性的。例如，瓦特蒸汽機(jī)調(diào)節(jié)器、液面高度的調(diào)節(jié)等。因?yàn)閷?duì)線性系統(tǒng)的物理描述和數(shù)學(xué)求解是比較容易的，且已形成了完整的線性理論和分析研究方法。

對(duì)于非線性系統(tǒng)，除極少數(shù)情況外，還沒有一套可行的通用方法，且每種方法只能針對(duì)某一類問題有效，不能普遍適用。故對(duì)非線性控制系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和處理還處于初級(jí)階段。

從對(duì)控制系統(tǒng)的精度要求來(lái)看，用線性系統(tǒng)理論來(lái)處理絕大多數(shù)工程技術(shù)問題，在一定范圍內(nèi)都可以得到滿意的結(jié)果。故一個(gè)系統(tǒng)的非線性因素常常被各種線性關(guān)系所代替。這就是線性系統(tǒng)理論發(fā)展迅速并趨于完善，而非線性系統(tǒng)理論長(zhǎng)期發(fā)展緩慢的主要原因。

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智能控制技術(shù)及其應(yīng)用三、按照控制的發(fā)展歷程分類

（二）經(jīng)典控制方法

3、非線性控制理論

（2）歐姆定律的非線性關(guān)系

歐姆定理不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，而是如下所示的一種非線性關(guān)系。因熱容量與通電時(shí)電阻值的改變量成反比，而通電t時(shí)間后的電阻值為:

動(dòng)力學(xué)中的虎克定理、熱力學(xué)中的第一定律及氣體的內(nèi)摩擦力等也都有類似的情況。

式中：R0—0℃時(shí)的電阻mc—電阻的熱容量α—電阻的溫度系數(shù)t—電流通過電阻的時(shí)間注：電阻為正溫度系數(shù)

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（二）經(jīng)典控制方法

3、非線性控制理論

（2）歐姆定律的非線性關(guān)系

非線性控制系統(tǒng)的研究，到本世紀(jì)四十年代，已取得明顯的進(jìn)展。主要的分析方法有：相平面法、李亞普諾夫法和描述函數(shù)法等，已被廣泛用來(lái)解決實(shí)際的非線性系統(tǒng)問題。

但是這些方法都因局限性，都不能成為分析非線性系統(tǒng)的通用方法。

例如：

相平面法

雖能獲得系統(tǒng)的如穩(wěn)定性、過渡過程等全部特征，但大于三階的系統(tǒng)無(wú)法應(yīng)用。

李亞普諾夫法

則僅限于分析系統(tǒng)的絕對(duì)穩(wěn)定性問題，且要求非線性元件的特性滿足一定條件。雖這些年國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面進(jìn)行研究出一些新的方法，如頻率域的波波夫判據(jù)，廣義圓判據(jù)，輸入輸出穩(wěn)定性理論等。但總的來(lái)說，非線性控制系統(tǒng)理論仍處于發(fā)展階段，遠(yuǎn)非完善，很多問題都還有待研究解決，領(lǐng)域十分寬廣。

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3、非線性控制理論

（3）非線性控制的特性

非線性控制理論為很有前途的控制理論，將成為21世紀(jì)控制理論的主旋律；將為人類提供更先進(jìn)的控制系統(tǒng)；使自動(dòng)化水平有更大的飛越。其