第一章 智能概論

1、計算機智能(zh nn)控制胡玉琦 1共六十八頁 第一章 概論(giln)1-1 引言(ynyn)1-2 自動控制的一般概念1-3 開環(huán)控制和閉環(huán)控制1-4 控制系統(tǒng)的分類1-5 對控制系統(tǒng)的基本要求1-6 計算機控制1-7 傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的研究方法1-8 自動控制理論的發(fā)展史1-9 智能控制論1-10 智能控制的幾個重要分支1-11 智能控制系統(tǒng)的構成原理1-12 智能控制系統(tǒng)研究的數(shù)學工具2共六十八頁1-1 引言(ynyn) 導彈命中目標、人造衛(wèi)星按預定軌道(gudo)運行、宇宙飛船對接、返回倉返回 共六十八頁例1. 人工控制爐溫(l wn)1-2 自動控制的一般(ybn)概念共六十八頁人工

2、(rngng)爐溫控制框圖5控制(kngzh)的實質：檢測偏差和糾正偏差共六十八頁爐溫(l wn)自動控制6共六十八頁控制過程：1 爐溫由熱電偶轉換為對應的電壓ub2期望的爐溫由電壓ur給定，并與實際溫度ub比較得到溫度偏差信號u ur ub3 溫度偏差信號經(jīng)電壓、功率放大后，用以驅動執(zhí)行電動機，并通過傳動機構(jgu)拖動調壓器動觸頭。當溫度偏高時，動觸頭向減小電壓的方向運動，反之加大電壓，直到溫度達到給定值為止，此時，偏差u =0，電機停止轉動。7共六十八頁爐溫(l wn)自動控制流程8控制的實質：檢測偏差(pinch)和糾正偏差(pinch)共六十八頁從爐溫控制系統(tǒng)工作過程定義變量： 給

3、定量位于系統(tǒng)的輸入端，稱為給系統(tǒng)輸入量，也稱為參考輸入量（信號）。被控制量位于系統(tǒng)的輸出端，稱為系統(tǒng)輸出量。輸出量（全部(qunb)或一部分）通過測量裝置返回系統(tǒng)的輸入端，使之與輸入量進行比較，產(chǎn)生偏差信號。輸出量的返回過程稱為反饋。返回的全部或部分輸出信號稱為反饋信號。共六十八頁顯然： 反饋(fnku)控制建立在偏差基礎上，其控制方式是“檢測偏差再糾正偏差”?？刂葡到y(tǒng)的工作(gngzu)原理：檢測輸出量（被控制量）的實際值；將輸出量的實際值與給定值（輸入量）進行比較得出偏差；用偏差值產(chǎn)生控制調節(jié)作用去消除偏差，使得輸出量維持期望的輸出。系統(tǒng)能在存在無法預計擾動的情況下，自動減少系統(tǒng)的輸出量與

4、參考輸入量之間的偏差，故稱之為反饋控制。共六十八頁例2.車床主軸的直流電動機(dngj)轉速控制系統(tǒng)共六十八頁共六十八頁共六十八頁例3.雷達(lid)導引隨動控制系統(tǒng)控制目標：輸出軸始終緊緊(jn jn)跟蹤輸入軸變化。由于輸入軸的位置無法預先確定位置隨動系統(tǒng)。共六十八頁圖16 隨動系統(tǒng)(xtng)的原理圖 共六十八頁小結(xioji)自動控制要解決(jiju)的基本問題 如何使被控制量按照給定量的變化規(guī)律變化，就是一個控制系統(tǒng)要解決的基本問題。解決方法 閉環(huán)控制=反饋控制=偏差控制16共六十八頁自動控制系統(tǒng)在沒有人直接參與的情況下，利用控制裝置對被控對象進行控制操縱，使被控量按照參考輸入保持

5、常值或者跟隨參考輸入的變化規(guī)律而變化的系統(tǒng)。自動控制理論研究自動控制共同規(guī)律的一門科學，包括：工程控制論、生物(shngw)、經(jīng)濟、社會控制論。17共六十八頁1-3 開環(huán)控制(kngzh)和閉環(huán)控制(kngzh)一.開環(huán)控制 控制裝置與被控對象之間只有順向作用而沒有(mi yu)反向聯(lián)系的控制。 開環(huán)控制系統(tǒng)共六十八頁二. 閉環(huán)控制開環(huán)和閉環(huán)：實際的控制系統(tǒng)按有無反饋作用來界定反饋：輸出量送回至輸入端并與輸入信號(xnho)比較的過程負反饋：反饋的信號是與輸入信號相減而使偏差越來越小共六十八頁三.開環(huán)控制與反饋(fnku)控制的比較開環(huán)優(yōu)點: 系統(tǒng)結構簡單，調試(dio sh)容易。缺點：不能

6、自動修正被控制量的偏離，系統(tǒng)的元件參數(shù)變化以及外來的未知擾動對控制精度影響較大，抗干擾能力差。閉環(huán) 優(yōu)點：具有自動修正被控制量出現(xiàn)偏離的能力，可以修正元件參數(shù)變化以及外界擾動引起的誤差，控制精度高，抗干擾能力強。缺點：被控量可能出現(xiàn)振蕩，甚至發(fā)散。共六十八頁1-4 控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的類型1.按輸入信號分類：定值控制系統(tǒng)伺服系統(tǒng)（隨動系統(tǒng)）程序控制系統(tǒng)2.按系統(tǒng)是否滿足(mnz)疊加原理線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)3.按系統(tǒng)控制器是否采用計算機計算機（數(shù)字）控制系統(tǒng)與模擬系統(tǒng)4.按控制對象的范疇運動控制系統(tǒng)與過程控制系統(tǒng)5.按系統(tǒng)參數(shù)是否隨時間變化時變系統(tǒng)和定常系統(tǒng)共六十八頁穩(wěn)定性（前提

7、）快速性（動態(tài)(dngti)性能）準確性（穩(wěn)態(tài)精度）1-5 對控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的基本要求共六十八頁1 穩(wěn)定性 對一個能正常工作的線性定常系統(tǒng)來說，在動態(tài)響應(xingyng)過程中，可以允許產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，但其振幅度必須是逐漸衰減的，即系統(tǒng)的被控變量在圍繞其平衡位置振蕩若干次后，應能穩(wěn)定到平衡位置，這種系統(tǒng)稱為穩(wěn)定系統(tǒng)。共六十八頁注：穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)正常工作(gngzu)的先決條件。由系統(tǒng)結構和參數(shù)決定，與外界因素無關。 共六十八頁2 快速性 輸出量和輸入量產(chǎn)生偏差時，系統(tǒng)消除這種偏差的快慢程度。表征系統(tǒng)的動態(tài)性能。3 準確性 即穩(wěn)態(tài)精度，用系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差來表征。 穩(wěn)態(tài)誤差是控制

8、系統(tǒng)(kn zh x tn)響應的穩(wěn)態(tài)值與其希望值之差。共六十八頁C()C(t)2t0r(t)t01(t)超調量調整(tiozhng)時間振蕩(zhndng)次數(shù)上升時間峰值時間描述快速性和精確性共六十八頁注：1 不同性質的控制系統(tǒng)，對穩(wěn)定性、精確性和快速性要求各有側重；2 系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確性、快速性相互制約，應根據(jù)(gnj)實際需求合理選擇。共六十八頁1-6 計算機控制引言(ynyn)系統(tǒng)組成控制機與通用機區(qū)別系統(tǒng)特點系統(tǒng)發(fā)展趨勢28共六十八頁 引言(ynyn)計算機用于工程控制：工業(yè)生產(chǎn)制造, 軋機控制、航天器控制。在計算機控制推廣應用的實踐中，總結了系統(tǒng)分析設計(shj)的理論和方法以

9、及工程實現(xiàn)技術，使計算機控制成為以控制理論和計算機技術為基礎的一門新的工程科學技術。29共六十八頁典型的計算機反饋控制系統(tǒng)(kn zh x tn)框圖30共六十八頁31t0T02T03T04T05T06T0C-rA/D計算機D/A被控對象T0m保持器共六十八頁計算機控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的控制過程 (1)實時數(shù)據(jù)采集。對被控制量的瞬時值進行檢測，并且將采樣結果輸入到計算機。 (2)實時決策。對輸入的實時給定值與被控量的數(shù)值進行處理后，按照預先規(guī)定的控制規(guī)律進行運算，則稱實時決策，或簡稱決策。 (3)實時控制。根據(jù)實時決策結果，實時地對執(zhí)行裝置發(fā)出控制信號。 (4) 信息管理。隨著網(wǎng)絡

10、技術和控制策略的發(fā)展，信息共享和管理(gunl)也介入到控制系統(tǒng)之中。 測、算、控、管 實時32共六十八頁33控制過程采樣周期(s)流量1壓力5液面520溫度共六十八頁系統(tǒng)(xtng)組成 硬件組成(z chn)主機外部設備過程輸入輸出設備（PIO設備）廣義被控對象 34共六十八頁35共六十八頁軟件組成系統(tǒng)軟件：通用性軟件，數(shù)據(jù)結構OS數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)公共服務軟件（各種語言編譯/程序診斷/網(wǎng)絡通信軟件）。應用軟件：在系統(tǒng)軟件支持下實現(xiàn)各種應用功能的專用程序，由設計人員據(jù)硬件、軟件環(huán)境開發(fā)編寫，如PLC?？刂瞥绦颍侯A先設計的控制算法，對象運行工況反映給控制程序，控制程序產(chǎn)生控制信號驅動執(zhí)行裝置，其優(yōu)劣

11、影響控制品質過程輸入/輸出接口程序：與通道硬件配合(pih)，實現(xiàn)計算機與對象之間的數(shù)據(jù)信息傳遞36共六十八頁 控制機與通用機區(qū)別(qbi)結構上技術(jsh)性能上：實時響應能力抗干擾、可靠MTBF(平均無故障時間)要求37共六十八頁工業(yè)(gngy)控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢隨著計算機本身而發(fā)展(fzhn)隨著控制理論而發(fā)展工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢 1 以工業(yè)PC為基礎的低成本工業(yè)控制自動化將成為主流； 2 PLC在向微型化； 3 面向測控管一體化設計的集散控制系統(tǒng)（DCS），網(wǎng)絡化，有線和無線結合； 現(xiàn)場總線（FCS：Fieldbus Control System）； 4 智能化， 先進的控制算法。 3

12、8共六十八頁 1-7 傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的研究方法及內容研究方法：建立數(shù)學模型系統(tǒng)性能(xngnng)分析設計共六十八頁共六十八頁共六十八頁42 已知以c(t )為輸出量，r(t )為輸入量的線性定常系統(tǒng)的微分方程(wi fn fn chn)一般表達式為共六十八頁43(ans n+an-1 s n-1 +a1s+a0)C(s) =(bms m+bm-1 s m-1 +b1s+b0)R(s)共六十八頁各種( zhn)數(shù)學模型之間的關系線性系統(tǒng)傳遞函數(shù)微分方程頻率特性拉氏變換傅氏變換共六十八頁閉環(huán)系統(tǒng)(xtng)的方框圖共六十八頁二階系統(tǒng)(xtng)時域響應共六十八頁二階系統(tǒng)極點(jdin)分布共六十八

13、頁共六十八頁不同(b tn)阻尼比共六十八頁50C-rA/D計算機D/A被控對象T0m保持器共六十八頁1-8 自動控制(kngzh)理論的發(fā)展史（1）20世紀40 -60年代，經(jīng)典控制理論階段。對象：單輸入單輸出的線性定常系統(tǒng)；依賴于系統(tǒng)的精確數(shù)學模型；理論基礎和方法：傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡；控制原理：負反饋控制，“自動調節(jié)原理”；研究目標：閉環(huán)系統(tǒng)達到預期的動態(tài)、靜態(tài)性能(xngnng)；工程實用方法：PID調節(jié)原理和PID調節(jié)器設計方法、前饋補償； 51共六十八頁（2） 20世紀60年代末，現(xiàn)代控制理論階段(jidun)。動力：航天器等空間技術的發(fā)展要求高性能、高精度的復雜控制系統(tǒng)；計

14、算機發(fā)展提供了必要的技術手段；對象：多變量、變參數(shù)、非線性、連續(xù)的或離散的；依賴于系統(tǒng)的精確的數(shù)學模型，但把原來直接根據(jù)受控系統(tǒng)機理特性的建模方法，向基于參數(shù)估計和系統(tǒng)辨識理論的建模方法拓展了；描述方法：在時間域內應用狀態(tài)方程，利于計算機運算；系統(tǒng)結構：多環(huán)、自適應環(huán)、學習環(huán)等；控制策略：最優(yōu)控制、系統(tǒng)辨識、自適應控制、魯棒控制，自校正控制；52共六十八頁（3）復雜的任務要求：傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，控制的任務要求輸出為定值（調節(jié)系統(tǒng)）或者要求輸出量跟蹤期望的運動軌跡（跟蹤系統(tǒng)），因此控制任務比較單一。但對于(duy)復雜的控制任務，如智能機器人系統(tǒng)、復雜工業(yè)過程控制系統(tǒng)、航空航天控制系統(tǒng)、社會經(jīng)濟

15、管理系統(tǒng)等傳統(tǒng)的控制理論都無能為力。 （2）高度非線性：傳統(tǒng)控制理論中，線性系統(tǒng)理論比較成熟，對于具有高度非線性的控制對象，雖然也有一些非線性方法可供使用，但目前非線性控制理論還很不成熟，有些(yuxi)方法又過于復雜，無法廣泛應用；（1）不確定性的模型：傳統(tǒng)控制是基于模型的控制，傳統(tǒng)控制通常認為模型是已知的或通過辨識可以得到的，對于不確定性的模型，應用智能控制；（3）20世紀70年代后期，智能控制理論傳統(tǒng)控制論面臨的挑戰(zhàn)：共六十八頁一、人工智能(rn n zh nn) 人類智能：一些復雜的生產(chǎn)過程難以實現(xiàn)的目標，可以通過熟練的操作人員實現(xiàn)；騎自行車穿過人群、放風箏、下棋、競技、解算題、猜謎語

16、、討論、制定計劃、寫程序等。 人工智能：如果機器能執(zhí)行這種任務，就可以認為(rnwi)機器已經(jīng)具有某種性質的“人工智能”。1-9 智能控制論人工智能定義1：人工智能就是研究如何使計算機去做過去只有人才能做的智能的工作（美國MIT的Winston教授）。人工智能定義2：人工智能是關于知識的學科，即怎樣表示知識、獲得知識、使用知識的科學（斯坦福大學人工智能研究中心Nilson）。共六十八頁說明: 1. 定義反映了人工智能學科的基本思想和基本內容(nirng)，概括為：人工智能是研究人類智能活動的規(guī)律，構造具有一定智能行為的人工系統(tǒng)。 2.人工智能的研究是從所謂問題求解開始的，比如(br)：智力游戲

17、、棋弈、數(shù)學定理證明等。例如：1967年A.L.Samuel編制了一個下棋程序，隨著該程序的完善和學習性能的提高，四年后戰(zhàn)勝了他，又過三年戰(zhàn)勝了美國一個保持了8年之久的世界冠軍。該項工作對于機器的自學習機能，進行了較好的探索。3.人工智能是從人的智能行為（感知、學習、策略、創(chuàng)造、語言等）中模仿、總結、提煉的，因此除了計算機科學和技術之外，它還涉及自動化技術、機器學、心理學、邏輯學、語言學、哲學等幾乎是自然科學和社會科學的所有學科。共六十八頁4.人工智能被人們稱為世界三大尖端技術之一（空間技術、能源技術、人工智能），近三十年來獲得了迅速發(fā)展，在很多學科(xuk)領域都獲得了廣泛應用，人工智能逐步

18、成為一個獨立的分支技術，無論在理論和實踐上已自成一個體系。565.傳統(tǒng)控制理論難以解決的復雜系統(tǒng)的控制問題，需將人工智能的方法引入控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的智能化，即通過采用仿人智能控制決策，迫使(psh)控制系統(tǒng)朝著期望的方向逼近。共六十八頁二、智能(zh nn)控制智能控制定義2: 可以把智能控制看作是人工智能、自動控制和運籌學三個主要學科相結合的產(chǎn)物。這種結構稱為智能控制的三元結構。人工智能(Intelligent Control)是一個知識處理系統(tǒng)，具有記憶、學習、信息處理、形式語言、啟發(fā)式推理等功能。自動控制(Automatic Control) 是一種動態(tài)反饋。運籌學(OR)是一種定

19、量優(yōu)化的方法，如線性規(guī)劃、網(wǎng)絡(wnglu)規(guī)劃、調度、管理、優(yōu)化決策和多目標優(yōu)化方法等。 智能控制定義1: 所謂智能控制是通過定性與定量相結合的方法,針對對象環(huán)境和任務的復雜性與不確定性,有效自主地實現(xiàn)復雜信息的處理、優(yōu)化決策及控制功能.共六十八頁智能(zh nn)控制的三元結構自動控制AC運籌學OR人工智能AI智能控制 IC共六十八頁 從另一個角度給出了智能控制的定義：智能控制就是應用人工智能理論與技術和運籌學的優(yōu)化方法,并將其同控制理論方法和技術相結合,在未知環(huán)境下,仿效人的智能對系統(tǒng)的控制。 這里所指的環(huán)境,是指廣義的被控對象及其外界(wiji)條件。共六十八頁智能(zh nn)控制已

20、初具學科體系，包括基礎理論、技術方法和實際應用諸方面。在基礎理論方面，涉及傳統(tǒng)人工智能的知識表示和推理及計算智能等；在技術方法方面，如專家控制、模糊控制、神經(jīng)控制、學習控制、仿人控制和進化控制等；但目前還處于開創(chuàng)性的研究階段.共六十八頁 智能控制是結合多種學科知識來解決復雜系統(tǒng)的控制問題。基于這種認識，人們將各種學科大膽地應用于控制中引出了許多新理論和新方法。1、專家系統(tǒng)和專家控制：有三部分組成：控制機制？、推理機制、知識庫。2、模糊控制：模糊控制主要是模仿人的控制經(jīng)驗,而不是依賴控制對象的模型。模糊控制器實現(xiàn)了人的某些智能。模糊控制有三個基本組成部分：模糊化、模糊決策、精確化計算(j sun

21、)。3、神經(jīng)元網(wǎng)絡控制：通過人工模擬人腦的工作機理、用機器實現(xiàn)智能行為。4、學習控制、仿人智能控制系統(tǒng)、遺傳算法1-10 智能控制(kngzh)的幾個重要分支共六十八頁什么是智能控制系統(tǒng)？智能控制系統(tǒng)是實現(xiàn)某種控制任務的一種智能系統(tǒng)。 從系統(tǒng)的角度看，智能行為是一種從輸入到輸出的映射關系。這種映射關系并不能用常規(guī)的數(shù)學方法來精確地描述，因此它可以看成一種不依賴模型的自適應(shyng)估計。 例如：鋼琴家彈奏一支優(yōu)美的樂曲1-11 智能(zh nn)控制系統(tǒng)的構成原理共六十八頁智能控制系統(tǒng)典型的原理結構圖：其中，“廣義(gungy)對象”包括控制對象和外部環(huán)境。如智能機器人系統(tǒng)中，機器人的手臂、被操作物體；“傳感器”包括關節(jié)位置傳感器、力傳感器、視覺傳感器、距離傳感器、觸覺傳感器等；“感知信息處理”將傳感器得到的原始信息加以處理，如視覺信息要經(jīng)過復雜的處理才能獲得有用的信息；“認知”主要用來接收和儲存信息，送至規(guī)劃和控制部分。“規(guī)劃和控制”是整個系統(tǒng)的核心，它根據(jù)給定的任務要求、反饋的信息及經(jīng)驗知識，進行自動搜索、推理決策、動作規(guī)劃，最終產(chǎn)生具體的控制作用，經(jīng)“執(zhí)行器”作用于被控對象。共六十八頁傳統(tǒng)控制論：微分方程、狀態(tài)方程及各種數(shù)學變換，屬數(shù)值計算的方法。人工智能：符號邏輯推理智能控制：兩方面的交叉和結合，主要形式如下：(1)符號推理和數(shù)值計算結合,例如專家控制：控制器