智能控制 智能控制概述

1、智 能 控 制鄭州大學電氣(dinq)工程學院陳鐵軍 師黎 曾慶山共四十四頁課程(kchng)總目標學完本課程后，你應具有以下能力：掌握智能控制的基本概念；了解(lioji)智能控制的基本理論，掌握智能控制的基本技術；學會智能控制算法和系統(tǒng)的設計方法掌握模糊控制器的組成、工作原理和設計方法；熟悉和會編寫模糊控制系統(tǒng)仿真或應用程序；掌握神經(jīng)網(wǎng)絡的基本概念、神經(jīng)網(wǎng)絡控制器的工作原理和設計方法；熟悉和會編寫神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)仿真或應用程序；掌握專家系統(tǒng)的基本概念、專家控制系統(tǒng)的工作原理和設計方法；熟悉和會編寫專家控制系統(tǒng)仿真或應用程序；共四十四頁課程(kchng)安排共48個學時理論教學34學時實踐教

2、學12學時（實驗4學時，綜合設計(shj)8學時,課外科技活動 2學時）共四十四頁參考書目1、Fuzzy control 2、An Introduction to Fuzzy Control3、4、共四十四頁智能控制概述 智能控制是自動控制發(fā)展(fzhn)的一個新階段，是人工智能、控制論、系統(tǒng)論和信息論等多種學科的綜合與集成，是當前的一個研究熱點。智能控制(kngzh)的基本概念智能控制系統(tǒng)的特點智能控制系統(tǒng)的結構理論智能控制與傳統(tǒng)控制的關系智能控制的研究對象智能控制的類型智能控制的發(fā)展概述共四十四頁智能(zh nn)控制的基本概念 智能控制已經(jīng)出現(xiàn)了相當長的一段時間，并且已取得了初步的應用成

3、果.但是究竟什么是“智能”，什么是“智能控制”等問題，至今仍沒有(mi yu)統(tǒng)一的定義。歸納起來，主要有如下四種說法： 共四十四頁智能(zh nn)控制的基本概念智能控制(kngzh)的定義一: 智能控制是由智能機器自主地實現(xiàn)其目標的過程。而智能機器則定義為，在結構化或非結構化的、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)定的任務的一種機器。 共四十四頁定義二: K.J.奧斯托羅姆則認為，把人類具有的直覺推理和試湊法等智能加以形式化或機器模擬，并用于控制系統(tǒng)的分析(fnx)與設計中，以期在一定程度上實現(xiàn)控制系統(tǒng)的智能化，這就是智能控制。他還認為自調(diào)節(jié)控制、自適應控制就是智能控制的低級

4、體現(xiàn)。智能(zh nn)控制的基本概念共四十四頁定義三: 智能控制是一類無需人的干預(gny)就能夠自主地驅(qū)動智能機器實現(xiàn)其目標的自動控制，也是用計算機模擬人類智能的一個重要領域。智能(zh nn)控制的基本概念共四十四頁定義四: 智能控制實際只是研究與模擬人類智能活動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(gngchng)控制與信息處理系統(tǒng)的一個新興分支學科。智能(zh nn)控制的基本概念共四十四頁智能控制(kngzh)的特點同時具有以知識表示的非數(shù)學廣義模型和以數(shù)學模型表示的混合過程,，也往往是那些含有復雜性、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)學過程，并以知

5、識進行推理，以啟發(fā)引導求解過程;智能(zh nn)控制的核心在高層控制，即組織級; 共四十四頁智能控制器具有非線性特性;智能控制(kngzh)具有變結構特點;智能控制器具有總體自尋優(yōu)特性;智能控制系統(tǒng)應能滿足多樣性目標的高性能要求;智能控制是一門邊緣交叉學科;智能控制是一個新興的研究領域.智能控制(kngzh)的特點 共四十四頁智能控制(kngzh)的結構理論 智能控制的理論結構明顯地具有多學科交叉的特點，許多研究人員試圖建立起智能控制這一新(y xn)學科，他們提出了一些有關智能控制系統(tǒng)結構的思想。按照（傅京孫）和Saridis提出的觀點，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

6、要學科相結合的產(chǎn)物。稱之為三元結構。 共四十四頁智能控制(kngzh)的結構理論IC=AIACOR IC 智能控制(kngzh)( Intelligent Control);OR運籌學(Operation Research）Al人工智能(Artificial Intelligence);AC一自動控制(Automatic Control);一表示交集.共四十四頁智能控制的結構(jigu)理論人工智能（AI）：是一個知識處理系統(tǒng)，具有記憶、學習(xux)、信息處理、形式語言、啟發(fā)式推理等功能。自動控制（AC）：描述系統(tǒng)的動力學特性，是一種動態(tài)反饋。運籌學（OR）：是一種定量優(yōu)化方法，如線性規(guī)劃、

7、網(wǎng)絡規(guī)劃、調(diào)度、管理、優(yōu)化決策和多目標優(yōu)化方法等。共四十四頁智能控制的結構(jigu)理論 智能控制就是應用人工智能的理論與技術和運籌學的優(yōu)化方法(fngf)，并將其同控制理論方法(fngf)與技術相結合，在未知環(huán)境下，仿效人的智能，實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。 可見，智能控制代表著自動控制學科發(fā)展的最新進程。共四十四頁智能控制的結構(jigu)理論 共四十四頁智能控制與傳統(tǒng)(chuntng)控制的關系傳統(tǒng)控制（Conventional 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)學模型的控制。適于解決線性、時不變等相對簡單的控制問題。智能控制（Intelligent

8、control）以上(yshng)問題用智能的方法同樣可以解決。智能控制是對傳統(tǒng)控制理論的發(fā)展，傳統(tǒng)控制是智能控制的一個組成部分，在這個意義下，兩者可以統(tǒng)一在智能控制的框架下。共四十四頁智能控制(kngzh)的研究對象智能控制主要應用在以下情況：實際系統(tǒng)由于存在復雜性、非線性、時變性、不確定性和不完全性等，一般無法獲得精確的數(shù)學模型。應用傳統(tǒng)控制理論進行控制必須(bx)提出并遵循一些比較苛刻的線性化假設，而這些假設在應用中往往與實際情況不相吻合。共四十四頁智能控制(kngzh)的研究對象對于某些復雜的和飽含不確定性的控制過程，根本無法用傳統(tǒng)數(shù)學模型來表示，即無法解決建模問題。為了提高控制性能(

9、xngnng)，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)可能變得很復雜，從而增加了設備的投資，減低了系統(tǒng)的可靠性。共四十四頁智能(zh nn)控制的類型智能控制系統(tǒng)一般包括分級遞階控制系統(tǒng)專家控制系統(tǒng)神經(jīng)控制系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)學習控制系統(tǒng)集成或者（復合）混合控制：幾種方法和機制(jzh)往往結合在一起，用于一個實際的智能控制系統(tǒng)或裝置，從而建立起混合或集成的智能控制系統(tǒng)。共四十四頁分級(fn j)遞階控制系統(tǒng) 分級遞階智能控制是在自適應控制和自組織控制基礎上，由美國普渡大學Saridis提出(t ch)的智能控制理論。分級遞階智能控制(Hierarchical Intelligent Control)主要由三個控制級組成，

10、按智能控制的高低分為組織級、協(xié)調(diào)級、執(zhí)行級，并且這三級遵循“伴隨智能遞降精度遞增”原則，其功能結構如下圖所示。共四十四頁共四十四頁共四十四頁分級(fn j)遞階控制系統(tǒng)共四十四頁分級(fn j)遞階控制系統(tǒng)組織級(organization level)：組織級通過人機接口和用戶(操作員)進行交互，執(zhí)行最高決策的控制功能，監(jiān)視并指導協(xié)調(diào)級和執(zhí)行級的所有行為，其智能程度最高。協(xié)調(diào)級(Coordination level)：協(xié)調(diào)級可進一步劃分為兩個分層:控制管理分層和控制監(jiān)督分層。執(zhí)行級(executive level)：執(zhí)行級的控制過程(guchng)通常是執(zhí)行一個確定的動作。共四十四頁專家(zh

11、unji)控制系統(tǒng)（Expert System） 專家指的是那些對解決專門問題非常熟悉的人們，他們的這種專門技術通常源于豐富的經(jīng)驗，以及他們處理問題的詳細專業(yè)知識。 專家系統(tǒng)主要指的是一個智能計算機程序系統(tǒng)，其內(nèi)部含有大量的某個領域?qū)＜宜降闹R與經(jīng)驗，能夠利用人類專家的知識和解決問題的經(jīng)驗方法來處理該領域的高水平難題.它具有啟發(fā)性、透明性、靈活性、符號(fho)操作、不一確定性推理等特點。應用專家系統(tǒng)的概念和技術，模擬人類專家的控制知識與經(jīng)驗而建造的控制系統(tǒng)，稱為專家控制系統(tǒng)。 共四十四頁 神經(jīng)網(wǎng)絡是指由大量與生物神經(jīng)系統(tǒng)(shnjngxtng)的神經(jīng)細胞相類似的人工神經(jīng)元互連而組成的網(wǎng)絡；

12、或由大量象生物神經(jīng)元的處理單元并聯(lián)互連而成。這種神經(jīng)網(wǎng)絡具有某些智能和仿人控制功能。 人工神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)(kn zh x tn) 共四十四頁 學習算法是神經(jīng)網(wǎng)絡的主要特征，也是當前研究的主要課題.學習的概念來自生物模型，它是機體在復雜多變的環(huán)境中進行有效的自我調(diào)節(jié)。神經(jīng)網(wǎng)絡具備類似人類的學習功能。一個神經(jīng)網(wǎng)絡若想改變其輸出值，但又不能改變它的轉(zhuǎn)換函數(shù)，只能改變其輸人，而改變輸人的唯一(wi y)方法只能修改加在輸人端的加權系數(shù)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)(kn zh x tn) 共四十四頁人工神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)(kn zh x tn) 神經(jīng)網(wǎng)絡的學習過程(guchng)是修改加權系數(shù)的過程(guch

13、ng)，最終使其輸出達到期望值，學習結束.常用的學習算法有：Hebb學習算法、widrowHoff學習算法、反向傳播學習算法一BP學習算法、Hopfield反饋神經(jīng)網(wǎng)絡學習算法等。共四十四頁模糊(m hu)控制系統(tǒng) 所謂模糊控制，就是在被控制對象的模糊模型的基礎(jch)上，運用模糊控制器近似推理手段，實現(xiàn)系統(tǒng)控制的一種方法。 模糊模型是用模糊語言和規(guī)則描述的一個系統(tǒng)的動態(tài)特性及性能指標。共四十四頁模糊(m hu)控制系統(tǒng) 模糊控制的基本思想是用機器去模擬人對系統(tǒng)的控制。它是受這樣事實而啟發(fā)的：對于用傳統(tǒng)控制理論無法進行分析和控制的復雜的和無法建立數(shù)學模型的系統(tǒng)，有經(jīng)驗的操作者或?qū)＜覅s能取得比

14、較好的控制效果，這是因為他們擁有(yngyu)日積月累的豐富經(jīng)驗，因此人們希望把這種經(jīng)驗指導下的行為過程總結成一些規(guī)則，并根據(jù)這些規(guī)則設計出控制器。然后運用模糊理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理的知識，把這些模糊的語言上升為數(shù)值運算，從而能夠利用計算機來完成對這些規(guī)則的具體實現(xiàn)，達到以機器代替人對某些對象進行自動控制的目的。共四十四頁學習(xux)控制系統(tǒng) 學習是人類的主要智能之一，人類的各項活動也需要學習。在人類的進化過程中，學習功能起著十分重要的作用。學習控制正是模擬人類自身各種優(yōu)良的控制調(diào)節(jié)機制的一種嘗試。 所謂學習是一種過程，它通過重復輸人信號，并從外部校正該系統(tǒng)，從而使系統(tǒng)對特定(td

15、ng)輸人具有特定(tdng)響應。學習控制系統(tǒng)是一個能在其運行過程中逐步獲得受控過程及環(huán)境的非預知信息，積累控制經(jīng)驗，并在一定的評價標準下進行估值、分類、決策和不斷改善系統(tǒng)品質(zhì)的自動控制系統(tǒng)。 共四十四頁智能(zh nn)控制的發(fā)展趨勢智能控制是自動控制理論發(fā)展的必然趨勢 人工智能為智能控制的產(chǎn)生(chnshng)提高了機遇共四十四頁智能(zh nn)控制的發(fā)展概述 自動控制理論是人類(rnli)在征服自然、改造自然的斗爭中形成和發(fā)展的。控制理論從形成發(fā)展至今，已經(jīng)經(jīng)歷多年的歷程，分為三個階段。第一階段是以上世紀40年代興起的調(diào)節(jié)原理為標志，稱為經(jīng)典控制理論階段；第二階段以60年代興起的狀態(tài)

16、空間法為標志，稱為現(xiàn)代控制理論階段；第三階段則是80年代興起的智能控制理論階段。 共四十四頁智能控制(kngzh)的發(fā)展概述 傅京孫在1971年指出，方了解決智能控制(kngzh)的問題，用嚴格的數(shù)學方法研究發(fā)展新的工具，對復雜的環(huán)境-對象進行建模和識別，以實現(xiàn)最優(yōu)控制，或者用人工智能的啟發(fā)式思想建立對不能精確定義的環(huán)境和任務的控制設計方法。這兩者都值得一試，而更重要的也許還是把這兩種途徑緊密地結合起來，協(xié)調(diào)地進行研究。也就是說，對于復雜的環(huán)境和復雜的任務，如何，將人工智能技術中較少依賴模型的問題的求解方法與常規(guī)的控制方法相結合，這正是智能控制所要解決的問題。 共四十四頁智能(zh nn)控制

17、的發(fā)展概述 Saridis在學習控制系統(tǒng)研究的基礎上，提出了分級遞階和智能控制結構，整個結構自上而下(z shn r xi)分為組織級、協(xié)調(diào)級和執(zhí)行級三個層次，其中執(zhí)行級是面向設備參數(shù)的基礎自動化級，在這一級不存在結構性的不確定性，可以用常規(guī)控制理論的方法設計。協(xié)調(diào)級實際上是一個離散事件動態(tài)系統(tǒng)，主要運用運籌學的方法研究。組織級涉及感知環(huán)境和追求目標的高層決策等類似于人類智能的功能，可以借鑒人工智能的方法來研究。因此，Saridis將傅京孫關于智能控制是人工智能與自動控制相結合的提法發(fā)展為:智能控制是人工智能、運籌學和控制系統(tǒng)理論三者的結合。 共四十四頁智能控制(kngzh)的發(fā)展概述 198

18、5年8月，IHE在美國紐約召開了第一屆智能控制學術討論會，智能控制原理和智能控制系統(tǒng)的結構(jigu)這一提法成為這次會議的主要議題。這次會議決定，在IEEE控制系統(tǒng)學會下設立一個IEEE智能控制專業(yè)委員會。這標志著智能控制這一新興學科研究領域的正式誕生。智能控制作為一門獨立的學科，己正式在國際上建立起來。智能技術在國內(nèi)也受到廣泛重視，中國自動化學會等于1993年8月在北京召開了第一屆全球華人智能控制與智能自動化大會，1995年8月在天津召開了智能自動化專業(yè)委員會成立大會及首屆中國智能自動化學術會議，1997年6月在西安召開了第二屆全球華人智能控制與智能自動化大會。共四十四頁智能控制的發(fā)展(fzhn)概述 近年來，智能控制技術在國內(nèi)外已有了較大的發(fā)展，己進入工程化、實用化的階段。但作為一門新興的理論技術，它還處在一個發(fā)展時期。然而(rn r)，隨著人工智能技術、計算機技術的迅速發(fā)展，智能控制必將迎來它的發(fā)展新時期。 共四十四頁共四十四頁共四十四頁共四十四頁謝謝(xi xie)