智能控制技術概述.

1、智能控制智能控制 中國礦業(yè)大學中國礦業(yè)大學 張勇張勇 目錄目錄智能控制應用領域智能控制應用領域智能控制的提出智能控制的提出智能控制的發(fā)展智能控制的發(fā)展智能控制的概念智能控制的概念 智智 能能 控控 制制 智能醫(yī)療智能醫(yī)療 工業(yè)工業(yè) 智能交通智能交通 航天航空航天航空 軍事領域軍事領域 智能家電智能家電 智能家居智能家居 智能電網(wǎng)智能電網(wǎng)智能控制代表著當今科學和技術發(fā)展的最新方向之一。目前，智能控制技術已經(jīng)智能控制代表著當今科學和技術發(fā)展的最新方向之一。目前，智能控制技術已經(jīng)日漸完善，并得到廣泛應用，例如智能家電、智能家居、智能電網(wǎng)、智能交通，日漸完善，并得到廣泛應用，例如智能家電、智能家居、智

2、能電網(wǎng)、智能交通，航空航天、軍事以及工業(yè)、醫(yī)療等領域。航空航天、軍事以及工業(yè)、醫(yī)療等領域。一、智能控制應用領域一、智能控制應用領域智能家電已成新寵智能家電已成新寵智能家電已成新寵。在日本，幾乎所有家用電器制造廠商都使用模糊技術。松下和日立公司已生產(chǎn)了智能洗衣機，松下和日立公司已生產(chǎn)了智能洗衣機，擁有更加人性化的設計，擁有更加人性化的設計，可以自可以自動調(diào)整洗衣服得各項參數(shù)動調(diào)整洗衣服得各項參數(shù)，根據(jù)衣服來調(diào)整洗滌所需水位根據(jù)衣服來調(diào)整洗滌所需水位及洗滌及洗滌時間。根據(jù)不同衣物的面料調(diào)整洗衣過程，更好保護衣物。時間。根據(jù)不同衣物的面料調(diào)整洗衣過程，更好保護衣物。 目前，很多目前，很多大型家電集團

3、已開發(fā)了國產(chǎn)模糊控制洗衣機大型家電集團已開發(fā)了國產(chǎn)模糊控制洗衣機 ，如：，如：“小天鵝小天鵝”，“海爾海爾”等名牌智能洗衣機等名牌智能洗衣機。智能洗衣機智能洗衣機智能電視智能電視索尼和三洋生產(chǎn)的一些電視機使用模糊邏輯來自動調(diào)整屏索尼和三洋生產(chǎn)的一些電視機使用模糊邏輯來自動調(diào)整屏幕的顏色、對比度和亮度。幕的顏色、對比度和亮度。智能電網(wǎng)智能電網(wǎng)-能源價值鏈的變革能源價值鏈的變革汽車與智能交通汽車與智能交通汽車中也使用了大量的智能控制技術來完成控制功能。如汽車中也使用了大量的智能控制技術來完成控制功能。如Nissan豪華汽車豪華汽車中使用了模糊控制的反咬死剎車系統(tǒng)，基于模糊邏輯的無級變速器。其他中使

4、用了模糊控制的反咬死剎車系統(tǒng)，基于模糊邏輯的無級變速器。其他汽車生產(chǎn)廠家也已開發(fā)了模糊發(fā)動機控制和自動駕駛控制系統(tǒng)等。汽車生產(chǎn)廠家也已開發(fā)了模糊發(fā)動機控制和自動駕駛控制系統(tǒng)等。汽車與智能交通汽車與智能交通 日本仙臺的地鐵使用模糊控制技術，使地鐵機車啟動和停車非常平穩(wěn)，乘客不必抓住扶手也能保持平衡。工工 業(yè)業(yè)最早的實用工業(yè)過程模糊控制是丹麥最早的實用工業(yè)過程模糊控制是丹麥F. L. Smith公司研制的水泥窯公司研制的水泥窯模糊邏模糊邏輯計算機控制系統(tǒng)輯計算機控制系統(tǒng)，它已作為商品投放市場，是，它已作為商品投放市場，是模糊控制模糊控制在工業(yè)過程中成在工業(yè)過程中成功應用的范例之一。功應用的范例之一

5、。二、智能控制的產(chǎn)生二、智能控制的產(chǎn)生控制理論的發(fā)展過程可以分為如下控制理論的發(fā)展過程可以分為如下3個階段個階段古典（經(jīng)典）控制理論古典（經(jīng)典）控制理論時期，時間大約為時期，時間大約為2020世紀世紀30305050年代年代現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論時期，時間大約為時期，時間大約為2020世紀世紀50507070年代年代大系統(tǒng)理論與智能控制大系統(tǒng)理論與智能控制時期，時間為時期，時間為2020世紀世紀7070年代末至年代末至今今 研究對象：研究對象：單輸入單輸出線性單輸入單輸出線性系統(tǒng)系統(tǒng)數(shù)學模型：常系數(shù)線性微分方程；傳遞函數(shù)數(shù)學模型：常系數(shù)線性微分方程；傳遞函數(shù)分析與綜合方法：代數(shù)判據(jù)；根軌跡方

6、法；頻率分析與綜合方法：代數(shù)判據(jù)；根軌跡方法；頻率響應響應法法代表人物：代表人物：奈奎斯特、伯德和伊文斯奈奎斯特、伯德和伊文斯應用：應用：PIDPID控制器設計控制器設計局限性：局限性：難以有效地應用于難以有效地應用于時變系統(tǒng)和多變量系統(tǒng)時變系統(tǒng)和多變量系統(tǒng)，也難以，也難以揭示系統(tǒng)揭示系統(tǒng)更為深刻的特性更為深刻的特性在現(xiàn)實世界中是廣泛存在的在現(xiàn)實世界中是廣泛存在的經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論背景：背景：古典控制理論已經(jīng)成熟；計算機技術飛速發(fā)展；古典控制理論已經(jīng)成熟；計算機技術飛速發(fā)展；所需要控制的系統(tǒng)不再是簡單的單輸入單輸出線性系統(tǒng)所需要控制的系統(tǒng)不再是簡單的單輸入單輸出線

7、性系統(tǒng)研究對象：研究對象：多輸入多輸出系統(tǒng)多輸入多輸出系統(tǒng)，線性，線性/ /非線性；非線性；定常定常/時變；時變；連續(xù)連續(xù)/離散離散數(shù)學模型：非線性微分方程（常系數(shù)數(shù)學模型：非線性微分方程（常系數(shù)/ / 變系數(shù)）；狀態(tài)方變系數(shù)）；狀態(tài)方程；傳遞函數(shù)矩陣程；傳遞函數(shù)矩陣分析方法：狀態(tài)空間描述法分析方法：狀態(tài)空間描述法綜合方法：綜合方法：狀態(tài)反饋狀態(tài)反饋；輸出反饋；動態(tài)反饋；輸出反饋；動態(tài)反饋現(xiàn)代控制理論現(xiàn)代控制理論代表人物：代表人物：前蘇聯(lián)數(shù)學家龐特里亞金、美國數(shù)學家貝爾前蘇聯(lián)數(shù)學家龐特里亞金、美國數(shù)學家貝爾曼、匈牙利數(shù)學家卡爾曼、瑞典的奧斯特隆姆、法國的曼、匈牙利數(shù)學家卡爾曼、瑞典的奧斯特隆姆

8、、法國的朗道朗道應用：最優(yōu)控制、時滯系統(tǒng)控制、基于網(wǎng)絡的控制應用：最優(yōu)控制、時滯系統(tǒng)控制、基于網(wǎng)絡的控制局限性：局限性：非線性系統(tǒng)的種類、形式非常復雜繁多，非線性系統(tǒng)的種類、形式非常復雜繁多，沒有一套統(tǒng)沒有一套統(tǒng)一的理論來解決一的理論來解決只能就只能就一類非線性系統(tǒng)一類非線性系統(tǒng)進行研究，得到的結(jié)果往往很進行研究，得到的結(jié)果往往很保守保守大系統(tǒng)理論與智能控制大系統(tǒng)理論與智能控制大系統(tǒng)理論是控制理論在廣度上的開拓，智能控制則是控制大系統(tǒng)理論是控制理論在廣度上的開拓，智能控制則是控制理論在理論在深度深度上的挖掘上的挖掘大系統(tǒng)理論用控制和信息的觀點，研究各種大系統(tǒng)理論用控制和信息的觀點，研究各種大系

9、統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案、總體設計中的分解方法和協(xié)調(diào)等問題案、總體設計中的分解方法和協(xié)調(diào)等問題智能控制研究與模擬智能控制研究與模擬人類智能活動及其控制與信息傳遞過程人類智能活動及其控制與信息傳遞過程的規(guī)律，研制的規(guī)律，研制具有某些仿人智能具有某些仿人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)的工程控制與信息處理系統(tǒng)智能控制的概念和原理主要針對智能控制的概念和原理主要針對被控對象、環(huán)境，以及控制被控對象、環(huán)境，以及控制任務的復雜性任務的復雜性提出的提出的被控對象被控對象的復雜性的復雜性模型的不確定性、高度非線性、動態(tài)突變、多時間標度、模型的不確定性、高度非線性、動態(tài)突變、多時間標度、復雜的信息模式、龐大的數(shù)

10、據(jù)量復雜的信息模式、龐大的數(shù)據(jù)量環(huán)境環(huán)境的復雜性的復雜性環(huán)境變化的不確定和難以辨識?，F(xiàn)在的大規(guī)模復雜控制環(huán)境變化的不確定和難以辨識?，F(xiàn)在的大規(guī)模復雜控制與決策問題，必須把外界環(huán)境和被控對象，以及控制器與決策問題，必須把外界環(huán)境和被控對象，以及控制器作為一個整體進行分析和設計作為一個整體進行分析和設計控制任務控制任務的復雜性的復雜性傳統(tǒng)數(shù)學語言描述不精確?？刂迫蝿沼卸嘀匦院蜁r變性，傳統(tǒng)數(shù)學語言描述不精確?？刂迫蝿沼卸嘀匦院蜁r變性，一個復雜任務的確定，需要多次反復，而且還包括任務一個復雜任務的確定，需要多次反復，而且還包括任務所含信息的處理過程所含信息的處理過程 1 1）控制系統(tǒng)的復雜性）控制系統(tǒng)

11、的復雜性智能控制的提出：智能控制的提出：在傳統(tǒng)的控制理論中，系統(tǒng)的描述通常采用微分方程或在傳統(tǒng)的控制理論中，系統(tǒng)的描述通常采用微分方程或差分方程，是一個差分方程，是一個精確模型精確模型，對控制系統(tǒng)的分析和設計，對控制系統(tǒng)的分析和設計也基于這個精確模型也基于這個精確模型迄今為止，還不存在直接采用工程技術術語描述系統(tǒng)，迄今為止，還不存在直接采用工程技術術語描述系統(tǒng)，并基于該描述分析與設計系統(tǒng)的方法，這使得從工程技并基于該描述分析與設計系統(tǒng)的方法，這使得從工程技術術語到數(shù)學描述的轉(zhuǎn)化尤為必要術術語到數(shù)學描述的轉(zhuǎn)化尤為必要在轉(zhuǎn)化過程中，雖然被解決的問題作了很多簡化，但是，在轉(zhuǎn)化過程中，雖然被解決的問題

12、作了很多簡化，但是，也也失去了原來的被解決問題的很多信息失去了原來的被解決問題的很多信息2 2）傳統(tǒng)控制理論與方法的局限性）傳統(tǒng)控制理論與方法的局限性（1）缺乏合適的系統(tǒng)描述方法）缺乏合適的系統(tǒng)描述方法隨著科學技術的發(fā)展，出現(xiàn)了很多隨著科學技術的發(fā)展，出現(xiàn)了很多必須采用工程技術術必須采用工程技術術語描述語描述的新型的復雜系統(tǒng)的新型的復雜系統(tǒng)家庭陪護機器人、柔性制造系統(tǒng)、智能信息檢索系家庭陪護機器人、柔性制造系統(tǒng)、智能信息檢索系統(tǒng)等統(tǒng)等在計算機的支持下，它們會思考，會推理，能部分在計算機的支持下，它們會思考，會推理，能部分地實現(xiàn)人的智能地實現(xiàn)人的智能對于這些系統(tǒng)，對于這些系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)的數(shù)學語言

13、去描述，并基于該采用傳統(tǒng)的數(shù)學語言去描述，并基于該描述分析和設計，就顯得無能為力描述分析和設計，就顯得無能為力，因此，必須尋求新，因此，必須尋求新的系統(tǒng)描述方法的系統(tǒng)描述方法傳統(tǒng)的控制方法也有辦法對付被控對象和環(huán)境的不確定性和傳統(tǒng)的控制方法也有辦法對付被控對象和環(huán)境的不確定性和復雜性，達到優(yōu)化控制的目的，如復雜性，達到優(yōu)化控制的目的，如自適應控制和魯棒控制。自適應控制和魯棒控制。（2 2）缺乏有效的處理不確定性的方法）缺乏有效的處理不確定性的方法在實際應用中，尤其在工業(yè)過程控制中在實際應用中，尤其在工業(yè)過程控制中被控對象的嚴重非線性、數(shù)學模型的不確定性、系統(tǒng)工作被控對象的嚴重非線性、數(shù)學模型的

14、不確定性、系統(tǒng)工作點變化劇烈點變化劇烈自適應控制（對參數(shù)變化要求較為嚴格）和魯棒控制（魯自適應控制（對參數(shù)變化要求較為嚴格）和魯棒控制（魯棒區(qū)域有限）存在著難以彌補的嚴重缺陷棒區(qū)域有限）存在著難以彌補的嚴重缺陷，應用的有效性，應用的有效性受到很大限制，這就促使人們研究新的控制理論和方法受到很大限制，這就促使人們研究新的控制理論和方法傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)的輸入信息比較單一傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)的輸入信息比較單一現(xiàn)代的復雜系統(tǒng)現(xiàn)代的復雜系統(tǒng)要以要以各種形式各種形式視覺的、聽覺的、觸覺的，以及視覺的、聽覺的、觸覺的，以及直接操作的方式直接操作的方式將將環(huán)境信息環(huán)境信息，包括圖形、文字、語言、聲音，以及，包括圖形、

15、文字、語言、聲音，以及傳感器感知的物理量等，作為系統(tǒng)的輸入傳感器感知的物理量等，作為系統(tǒng)的輸入將各種信息將各種信息融合、分析和推理融合、分析和推理（3 3）傳統(tǒng)控制輸入信息的單一性）傳統(tǒng)控制輸入信息的單一性3 3）與人的經(jīng)驗知識結(jié)合的必要性）與人的經(jīng)驗知識結(jié)合的必要性出發(fā)點：出發(fā)點：人類具有很強的學習和適應環(huán)境的能力人類具有很強的學習和適應環(huán)境的能力，有些復，有些復雜的系統(tǒng)，憑人的知覺和經(jīng)驗能夠很好地進行操作，并達雜的系統(tǒng)，憑人的知覺和經(jīng)驗能夠很好地進行操作，并達到理想的控制效果到理想的控制效果我們在餐桌上用筷子很容易夾到要吃的食物，并輕而我們在餐桌上用筷子很容易夾到要吃的食物，并輕而易舉地放

16、入口中易舉地放入口中如果要把這一系列動作和環(huán)境建立精確的模型，然后，如果要把這一系列動作和環(huán)境建立精確的模型，然后，再一步一步地按模型去操作，該過程是多么復雜，而再一步一步地按模型去操作，該過程是多么復雜，而又多么難以實現(xiàn)又多么難以實現(xiàn) 啟發(fā)：啟發(fā)：將人的經(jīng)驗知識和控制理論有機地結(jié)合起來將人的經(jīng)驗知識和控制理論有機地結(jié)合起來，解決，解決復雜系統(tǒng)的控制問題復雜系統(tǒng)的控制問題三、智能控制的發(fā)展三、智能控制的發(fā)展 智能控制思潮出現(xiàn)于智能控制思潮出現(xiàn)于6060年代，智能控制的產(chǎn)生和發(fā)展經(jīng)歷了萌年代，智能控制的產(chǎn)生和發(fā)展經(jīng)歷了萌芽、形成和發(fā)展三個階段。芽、形成和發(fā)展三個階段。 現(xiàn)在現(xiàn)在發(fā)展期發(fā)展期形成期

17、形成期萌芽期萌芽期1960196019701970198019801965年，加利福尼亞大學加利福尼亞大學的扎德的扎德(L.A. (L.A. ZadehZadeh) )教授教授提出了模糊集合理論提出了模糊集合理論；1）萌芽期（）萌芽期（19601970）L.A. ZadehL.A. Zadeh1 9 6 7 年 ， 利 昂 德 斯利 昂 德 斯（C.T.LeondesC.T.Leondes）和門德）和門德爾首先使用爾首先使用“智能智能控制控制”一詞一詞。這標志著智這標志著智能控制的思想已經(jīng)萌芽能控制的思想已經(jīng)萌芽2）形成期（）形成期（19701980）2020世紀世紀7070年代年代可以看做是

18、可以看做是智能控制智能控制的形成期：的形成期：19741974年英國年英國工程師曼德尼（工程師曼德尼（E.H.MamdaniE.H.Mamdani）將）將模糊模糊集合和模集合和模糊語言用于鍋爐和蒸汽機的控制，糊語言用于鍋爐和蒸汽機的控制，取得良好的結(jié)果取得良好的結(jié)果。19771977年，薩里迪斯年，薩里迪斯( (SaridisSaridis) )提出智能控制三元結(jié)構(gòu)定義提出智能控制三元結(jié)構(gòu)定義。19851985年，年，IEEEIEEE在紐約召開了第一屆全球智能控制學術在紐約召開了第一屆全球智能控制學術討論會，標志著智能控制作為一個學科分支正式被學術討論會，標志著智能控制作為一個學科分支正式被學

19、術界接受。界接受。19871987年在費城舉行的國際智能控制會議上，提出了智年在費城舉行的國際智能控制會議上，提出了智能控制是自動控制，人工智能、運疇學相結(jié)合的說法。能控制是自動控制，人工智能、運疇學相結(jié)合的說法。此后，每年舉行一次全球智能控制研討會，形成了智能此后，每年舉行一次全球智能控制研討會，形成了智能控制的研究熱潮?？刂频难芯繜岢?。3）發(fā)展期（）發(fā)展期（1980 ）智能控制的發(fā)展智能控制的發(fā)展 自動控制的發(fā)展過程開環(huán)控制反饋控制最優(yōu)控制隨機控制自適應/魯棒控制自學習控制智能控制進展方向控制復雜性經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論智能控制理論 智能控制智能控制是目前控制理論的最高級形式，是目前控制

20、理論的最高級形式，代表了控制理論的發(fā)展趨勢，能有效地處理復雜代表了控制理論的發(fā)展趨勢，能有效地處理復雜的控制問題。的控制問題。 其相關技術可以推廣應用于控制之外的領域：其相關技術可以推廣應用于控制之外的領域：金融、管理、土木、醫(yī)療等等。金融、管理、土木、醫(yī)療等等。 智能控制的智能控制的目標目標仍然是仍然是實現(xiàn)自動控制實現(xiàn)自動控制，但其，但其實現(xiàn)實現(xiàn)控制控制的核心是的核心是“知識知識”和和“推理思考推理思考”。 其中重要的是其中重要的是模仿人的智能模仿人的智能，包括利用人類現(xiàn)有的控，包括利用人類現(xiàn)有的控制知識和推理方法，當然也制知識和推理方法，當然也結(jié)合了機器學習結(jié)合了機器學習來產(chǎn)生知來產(chǎn)生知識

21、、結(jié)合計算推理來得出結(jié)論。識、結(jié)合計算推理來得出結(jié)論。 所以智能控制的所以智能控制的“智能智能”是人類智能和機器計算智能是人類智能和機器計算智能的結(jié)合的結(jié)合。 智能控制智能控制屬于典型的交叉學科，涉及人工智能、自動控制、人工智能、自動控制、運籌學、系統(tǒng)論、信息論運籌學、系統(tǒng)論、信息論等，在系統(tǒng)的實現(xiàn)上則必須依托依托計算機技術計算機技術。人工智能人工智能 ( AI )運籌學運籌學 ( OR )智能智能控制控制自動控制自動控制 ( AC )30通常意義下的被控對象和外部環(huán)境核心人類知識和控制經(jīng)驗；機器學習獲取的知識根據(jù)當時的輸入信息和有限的知識推理得出最佳控制輸出，是體現(xiàn)智能的重要環(huán)節(jié)。智能控制器

22、智能控制的主要類型l模糊控制l神經(jīng)網(wǎng)絡控制l專家控制系統(tǒng)l仿生智能控制l學習控制系統(tǒng)l遞階智能控制l綜合智能控制系統(tǒng)3132模糊控制器模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖l神經(jīng)網(wǎng)絡控制（神經(jīng)網(wǎng)絡控制（Neural Network ControlNeural Network Control）是模擬人腦神經(jīng)）是模擬人腦神經(jīng)中樞系統(tǒng)智能活動的一種控制方式。神經(jīng)網(wǎng)絡通過神經(jīng)元以中樞系統(tǒng)智能活動的一種控制方式。神經(jīng)網(wǎng)絡通過神經(jīng)元以及相互連接的權(quán)值，初步實現(xiàn)生物神經(jīng)系統(tǒng)的部分功能及相互連接的權(quán)值，初步實現(xiàn)生物神經(jīng)系統(tǒng)的部分功能。l神神經(jīng)網(wǎng)絡具有非線性映射能力、并行計算能力、自學習能力經(jīng)網(wǎng)絡具有非線性映射能力、并行計算

23、能力、自學習能力以及強魯棒性的特點，已廣泛應用于控制領域，尤其是非線以及強魯棒性的特點，已廣泛應用于控制領域，尤其是非線性系統(tǒng)領域性系統(tǒng)領域。l神神經(jīng)網(wǎng)絡在控制系統(tǒng)中的作用有兩種功能模式：神經(jīng)網(wǎng)絡建經(jīng)網(wǎng)絡在控制系統(tǒng)中的作用有兩種功能模式：神經(jīng)網(wǎng)絡建模和神經(jīng)網(wǎng)絡控制。模和神經(jīng)網(wǎng)絡控制。33學習是人類的主要智能之一，在人類的進化過程中，學習起著非學習是人類的主要智能之一，在人類的進化過程中，學習起著非常重要的作用常重要的作用學習作為一種過程，通過重復各種輸入信號，并從外部校正該系學習作為一種過程，通過重復各種輸入信號，并從外部校正該系統(tǒng)，從而使統(tǒng)，從而使系統(tǒng)對特定的輸入具有特定的響應系統(tǒng)對特定的輸入具有特定的響應學習控制正是模擬人類自身各種優(yōu)良的學習控制正是模擬人類自身各種優(yōu)良的控制調(diào)節(jié)機制控制調(diào)節(jié)機制的一種嘗試的一種嘗試在運行過程中，逐步獲得被控對象及其環(huán)境的在運行過程中，逐步