第一章：智能控制概論

1、智能控制技術(shù)機(jī)電教研室機(jī)電教研室2006年年9月月 李 陽(yáng) 2121世紀(jì)中心科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)移趨勢(shì)世紀(jì)中心科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)移趨勢(shì) 1.1.信息科學(xué)技術(shù)信息科學(xué)技術(shù) 目前是發(fā)展高峰期，預(yù)計(jì)其中心科學(xué)技術(shù)的目前是發(fā)展高峰期，預(yù)計(jì)其中心科學(xué)技術(shù)的 地位還可持續(xù)三十年。地位還可持續(xù)三十年。2.2.生命科學(xué)技術(shù)生命科學(xué)技術(shù) 現(xiàn)在已開(kāi)始注重其發(fā)展與應(yīng)用，預(yù)計(jì)現(xiàn)在已開(kāi)始注重其發(fā)展與應(yīng)用，預(yù)計(jì)2121世紀(jì)世紀(jì) 3030年代開(kāi)始將逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橹行目茖W(xué)技術(shù)。年代開(kāi)始將逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橹行目茖W(xué)技術(shù)。3.3.認(rèn)知科學(xué)技術(shù)認(rèn)知科學(xué)技術(shù) 智能化趨勢(shì)現(xiàn)已顯露，預(yù)計(jì)智能化趨勢(shì)現(xiàn)已顯露，預(yù)計(jì)2121世紀(jì)世紀(jì)7070年代開(kāi)年代開(kāi) 始將成為科學(xué)技術(shù)發(fā)

2、展的中心。始將成為科學(xué)技術(shù)發(fā)展的中心。 結(jié)論結(jié)論: :智能化是中心科學(xué)技術(shù)的發(fā)展方向智能化是中心科學(xué)技術(shù)的發(fā)展方向參考書目 智能控制技術(shù)韋巍 機(jī)械工業(yè)出版社 1999年5月 智能控制基礎(chǔ)理論及應(yīng)用 張化光、孟祥萍 機(jī)械工業(yè)出版社 2005年2月 模糊控制原理與應(yīng)用 諸靜 機(jī)械工業(yè)出版社 2005年1月本課程的主要內(nèi)容1. 智能控制概論2. 模糊控制理論基礎(chǔ)4.人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)3.模糊控制系統(tǒng)第一章：智能控制概論 1. 1. 控制理論和應(yīng)用發(fā)展的概況控制理論和應(yīng)用發(fā)展的概況 2. 2. 傳統(tǒng)控制理論的局限性傳統(tǒng)控制理論的局限性 3.3.智能與智能控制的定義智能與智能控制的定義 4. 4. 智能控制

3、與傳統(tǒng)控制的關(guān)系和差別智能控制與傳統(tǒng)控制的關(guān)系和差別 5.5.智能控制的組成智能控制的組成 6. 6. 智能控制研究的主要內(nèi)容智能控制研究的主要內(nèi)容 7.7.智能控制的分類智能控制的分類 8.8.智能控制的特點(diǎn)智能控制的特點(diǎn) 9 9、智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域：、智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域： 自動(dòng)控制（自動(dòng)化）是一門交叉學(xué)科自動(dòng)控制（自動(dòng)化）學(xué)科控制與決策信息采集與處理系統(tǒng)建模與分析機(jī)器人技術(shù)計(jì)算機(jī)控制先進(jìn)制造技術(shù)數(shù)學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)信息論運(yùn)籌學(xué)控制論認(rèn)知心理學(xué)神經(jīng)腦科學(xué)生物醫(yī)學(xué)物理管理科學(xué)支持基礎(chǔ)主要應(yīng)用領(lǐng)域1. 控制理論和應(yīng)用發(fā)展的概況控制理論和應(yīng)用發(fā)展的概況控制理論的發(fā)展始于Watt飛球調(diào)節(jié)蒸汽機(jī)以后

4、的100年。1. 經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論: 20世紀(jì)50年代以返饋控制理論為代表，形成經(jīng)典控制理論,著名的控制科學(xué)家有：Black, Nyquist, Bode. 該階段主要研究的自動(dòng)控制系統(tǒng)都為線性定長(zhǎng)系統(tǒng),受控對(duì)象幾乎全是單輸入、單輸出系統(tǒng)，并且完全依賴于數(shù)學(xué)模型。 研究方法主要有：傳遞函數(shù)、頻率特性、Bode圖法、根軌跡法、勞斯判據(jù)、奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)等。 2.現(xiàn)代控制理論 隨著航空航天事業(yè)的發(fā)展, 60年代末形成以多變量 控制為特征的現(xiàn)代控制理論,主要代表有:Kalman 的濾波器, Pontryagin 的極大值原理,Bellman 的 動(dòng)態(tài)規(guī)劃,和Lyapunov 的穩(wěn)定性理論。

5、現(xiàn)代控制理論主要研究： 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述和能控性、能觀性分析。改變系統(tǒng)的控制量，使系統(tǒng)按某一最佳運(yùn)行方式工作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能指標(biāo)泛涵最小的“系統(tǒng)最優(yōu)控制”。建立在統(tǒng)計(jì)函數(shù)理論上，應(yīng)用相關(guān)函數(shù)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性測(cè)量方法和卡爾曼濾波。李亞普諾夫穩(wěn)定性理論和李亞普諾夫函數(shù)。研究環(huán)境條件有大范圍變化，仍保證系統(tǒng)最佳運(yùn)行狀態(tài)；或環(huán)境改變并不確定的情況下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最佳控制。3. 先進(jìn)控制理論 對(duì)于現(xiàn)有大范圍內(nèi)多參數(shù)時(shí)變、大時(shí)滯以及具有非線性強(qiáng)耦合的多輸入多輸出系統(tǒng)，建立數(shù)學(xué)模型非?？针y。為此研究了多種先進(jìn)的控制策略及其理論，主要有：自適應(yīng)控制魯棒控制變結(jié)構(gòu)控制模型預(yù)測(cè)控制解耦控制最優(yōu)控制以上控制理論我們稱之為

6、傳統(tǒng)控制理論。 應(yīng)用上： 工廠全球化、開(kāi)放化。出現(xiàn)柔性制造、虛擬工廠、CIMS、CIPS（Computer Integrated Processing Systems) . 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)越來(lái)越成熟、機(jī)器人、智能自動(dòng)化技術(shù)。綠色自動(dòng)化技術(shù)越來(lái)越發(fā)展。智能制造(IM)。企業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展趨向：企業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展趨向：?jiǎn)渭a(chǎn)大批量生產(chǎn)多 品種小批量 變品種變批量企業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)企業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)理論與實(shí)際應(yīng)用存在很大差距PID在實(shí)際應(yīng)用中仍占統(tǒng)治地位。原因： 自動(dòng)控制學(xué)科高度的交叉性、應(yīng)用的廣泛性； 所需數(shù)學(xué)工具難以被多數(shù)技術(shù)人員所掌握； 自動(dòng)控制需要其它技術(shù)支持，如網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)； 實(shí)際應(yīng)用情況的復(fù)雜性

7、、多變性、不確定性； 國(guó)內(nèi)企業(yè)存在管理體制問(wèn)題，技術(shù)投入力度不夠。2.傳統(tǒng)控制理論的局限性傳統(tǒng)控制理論的局限性 隨著復(fù)雜系統(tǒng)的不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)控制理論越來(lái)越多地顯示它的局限性。什么叫復(fù)雜系統(tǒng)？其特征表現(xiàn)為：1. 控制對(duì)象的復(fù)雜性 模型的不確定性、 高度非線性、 分布式的轉(zhuǎn)感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)、 動(dòng)態(tài)突變、 多時(shí)間標(biāo)度、 復(fù)雜的信息模式、 龐大的數(shù)據(jù)量和嚴(yán)格的性能指標(biāo)。 2. 環(huán)境的復(fù)雜性 變化的不確定性 難以辨識(shí) 必須與被控對(duì)象集合起來(lái)作為一個(gè)整體來(lái)考慮。3. 控制任務(wù)或目標(biāo)的復(fù)雜性 控制目標(biāo)和任務(wù)的多重性 時(shí)變性 任務(wù)集合處理的復(fù)雜性。傳統(tǒng)控制理論的局限性（1）傳統(tǒng)的控制理論建立在精確的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)

8、上用微分 或差分方程來(lái)描述。 不能反映人工智能過(guò)程：推理、分析、學(xué)習(xí)。 丟失許多有用的信息（2）不能適應(yīng)大的系統(tǒng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)的變化 自適應(yīng)控制和自校正控制通過(guò)對(duì)系統(tǒng)某些重要參數(shù)的估 計(jì)克服小的、變化較慢的參數(shù)不確定性和干擾。 魯棒控制在參數(shù)或頻率響應(yīng)處于允許集合內(nèi)，保證被 控系統(tǒng)的穩(wěn)定。 自適應(yīng)控制魯棒控制不能克服數(shù)學(xué)模型嚴(yán)重的不確定性和工作點(diǎn)劇烈的變化。 （3） 傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)輸入信息模式單一 通常處理較簡(jiǎn)單的物理量：電量（電壓、電流、阻抗）； 機(jī)械量（位移、速度、加速度）； 復(fù)雜系統(tǒng)要考慮：視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)信號(hào)，包括圖形、文字、語(yǔ)言、聲音等信息。 為了克服傳統(tǒng)控制理論的局限性，產(chǎn)生了模擬人類

9、思維和活動(dòng)的智能控制。3. 智能與智能控制的定義智能與智能控制的定義 按系統(tǒng)的一般行為特征定義(Albus)什么叫智能？有不同的定義： 在不確定環(huán)境中，作出合適動(dòng)作的能力。合適動(dòng)作是指增加成功的概率 ，成功就是達(dá)到行為的子目標(biāo)，以支持系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最終目標(biāo)。??？低級(jí)智能：感知環(huán)境、作出決策、控制行為高級(jí)智能：理解和覺(jué)察能力，在復(fù)雜和險(xiǎn)惡環(huán)境環(huán)境中進(jìn)行 選擇的能力，力求生存和進(jìn)步。成功和系統(tǒng)的最終目標(biāo)是由智能系統(tǒng)的外界確定。 按人類的認(rèn)知的過(guò)程定義(A.Meystel) 智能是系統(tǒng)的一個(gè)特征，當(dāng)集注（Focusing Attention)、組合搜索(Combinatorial Search)、歸納 （

10、Generalization)過(guò)程作用于系統(tǒng)輸入，并產(chǎn)生系統(tǒng)輸出時(shí)，就表現(xiàn)為智能。系統(tǒng)輸入系統(tǒng)輸出智能集中注意力組合搜索歸納FACSG 按機(jī)器智能定義(Saridis) 機(jī)器智能是把信息進(jìn)行分析、組織，并把它轉(zhuǎn)換成知識(shí)的過(guò)程。知識(shí)就是所得到的結(jié)構(gòu)性信息，它可用來(lái)使機(jī)器執(zhí)行特定的任務(wù)，以消除該任務(wù)的不確定性或盲目性，達(dá)到最優(yōu)或次優(yōu)的結(jié)果。信信息息信信息息分析組織處理知知識(shí)識(shí)信信息息機(jī)器智能智能控制的定義 智能控制密切相關(guān)智能系統(tǒng)必是 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)必需具有智能1. 按一般行為特征定義 智能控制是有知識(shí)的“行為舵手”，它把知識(shí)和反饋結(jié)合起來(lái)，形成感知交互式、以目標(biāo)導(dǎo)向的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)可以進(jìn)行規(guī)劃

11、、決策，產(chǎn)生有效的 、有目的的行為，在不確定環(huán)境中，達(dá)到既定的目標(biāo)。2. 按人類的認(rèn)知的過(guò)程定義 智能控制是一種計(jì)算上的有效過(guò)程,在非完整的指標(biāo)下，通過(guò)最基本的操作，即歸納（G）、集注（FA）、和組合操作（CS），把不確定的復(fù)雜系統(tǒng)引向規(guī)定的目標(biāo)。3. 按機(jī)器智能定義 智能控制是認(rèn)知科學(xué)、多種數(shù)學(xué)編程和控制技術(shù)的結(jié)合。它把施加于系統(tǒng)的各種算法和數(shù)學(xué)與語(yǔ)言方法融為一體。4. 智能控制的組成智能控制的組成 智能控制（IC）是自動(dòng)控制（AC）和人工智能（AI）的交集。即：AIACICAIACIC強(qiáng)調(diào)智能和控制的結(jié)合。 考慮更高層次上的調(diào)度、規(guī)劃和管理，應(yīng)把運(yùn)籌學(xué)（OR）結(jié)合進(jìn)去。即：ACORAIIC

12、IC = AI AC IT OR 式中各子集的含義如下：AI 人工智能（Artificial Intelligence）；AC 自動(dòng)控制（Automatic Control）；OR 運(yùn)籌學(xué)（Operation Research）；IT 信息論（Information Theory或Informatics）；IC 智能控制（Intelligent Control）；5. 智能控制與傳統(tǒng)控制的關(guān)系和差別智能控制與傳統(tǒng)控制的關(guān)系和差別 涉及的范圍：智能控制的范圍包括了傳統(tǒng)控制的范圍。 有微分/差分方程描述的系統(tǒng)；有混合系統(tǒng)（離散和連 續(xù)系統(tǒng)混合、符號(hào)和數(shù)值系統(tǒng)混合、數(shù)字和模擬系統(tǒng)混合）；控制的目標(biāo)：

13、智能的目標(biāo)尋求在巨大的不確定環(huán)境中， 獲得整體的優(yōu)化。因此，智能控制要考慮： 故障診斷 系統(tǒng)重構(gòu) 自組織、自學(xué)習(xí)能力 多重目標(biāo)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：控制對(duì)象和控制系統(tǒng)的結(jié)合。智能控制與傳統(tǒng)控制概念上的區(qū)別智能控制與傳統(tǒng)控制概念上的區(qū)別 傳統(tǒng)控制（Conversional 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(shí)不變等相對(duì)簡(jiǎn)單的控制問(wèn)題。 智能控制（Intelligent control）:以上問(wèn)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。6.

14、 智能控制研究的主要內(nèi)容智能控制研究的主要內(nèi)容 智能控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和機(jī)理的研究混合系統(tǒng)的建模和控制 基于模糊集合、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、進(jìn)化算法等 智能控制器的開(kāi)發(fā)和研究。 智能計(jì)算和軟計(jì)算的開(kāi)發(fā)和研究 自組織、自學(xué)習(xí)的結(jié)構(gòu)和方法的研究 基于多代理(Multi-agent)智能控制系統(tǒng) 的開(kāi)發(fā)和研究 智能控制系統(tǒng)應(yīng)用的研究7、智能控制的分類、智能控制的分類 智能控制系統(tǒng)一般包括 分級(jí)遞階控制系統(tǒng)分級(jí)遞階控制系統(tǒng) 模糊控制系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng) 專家控制系統(tǒng)專家控制系統(tǒng) 神經(jīng)控制系統(tǒng)神經(jīng)控制系統(tǒng) 學(xué)習(xí)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)制往往結(jié)合在一起，用于一個(gè)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)8、智能控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：、智能控制系統(tǒng)的特點(diǎn)： 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)模型表示的混合制過(guò)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)字過(guò)程，并以知識(shí)