山大《運動控制系統(tǒng)》課件第1章 自動控制系統(tǒng)的構造方法-8智能控制系統(tǒng)設計簡介

1、1第122-131講本講主要內(nèi)容： 第三節(jié) 智能控制系統(tǒng)設計簡介第一章 自動控制系統(tǒng)的構造方法第三節(jié) 智能控制系統(tǒng)設計簡介 對于經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制理論，現(xiàn)在人們一般稱為傳統(tǒng)控制，傳統(tǒng)的控制主要控制那些數(shù)學模型確定的被控對象。 隨著社會的進步與發(fā)展，人們所控制的被控對象出現(xiàn)了兩大特點：不確定性和復雜性。 不確定性主要表現(xiàn)為對被控對象的要求指標和內(nèi)部結(jié)構的不確定性；復雜性主要表現(xiàn)為突變、雜亂的信息結(jié)構和多層、分散的決策機構，這些都很難用精確的數(shù)學方法加以描述。對于這樣的被控對象采用某個固定的算法所構成的自動控制系統(tǒng)很難達到預期的控制目的。第三節(jié) 智能控制系統(tǒng)設計簡介 人們發(fā)現(xiàn)許多不確定的復雜的生產(chǎn)

2、過程控制，在一些熟練的操作工和技術人員手中，可以獲得比較滿意的控制效果。面對不確定的復雜性的控制對象的控制問題，人們自然就產(chǎn)生這樣的一種想法：把人工智能的方法引入到控制系統(tǒng)構造中，將控制理論的分析和理論的指導性與人工智能的靈活的框架結(jié)合起來。 第三節(jié) 智能控制系統(tǒng)設計簡介 人工智能是用除了數(shù)學式子以外的方法，它包括了判斷、理解、推理、預測、識別、規(guī)劃、決策、學習和問題求解等，它是把人們的思維過程模型化，并利用計算機來模仿人的智能的一門學科。在控制系統(tǒng)中使用人工智能，這相當于把人的知識經(jīng)驗直接參與了生產(chǎn)過程的控制，于是就產(chǎn)生了一種新型的自動控制系統(tǒng)智能控制系統(tǒng)。一、智能控制基本概念及控制系統(tǒng)結(jié)構

3、1. 智能控制系統(tǒng)的定義 常見的定義是：一個自動控制系統(tǒng)具有從周圍環(huán)境自學習的能力，自動進行信息處理或人機交互地完成擬人任務以減少被控對象的不確定性，能規(guī)劃、產(chǎn)生并能安全、可靠地執(zhí)行控制作用，這樣的自動控制系統(tǒng)稱為智能控制系統(tǒng)。這里的被控對象可以是某一生產(chǎn)過程也可以是某一社會經(jīng)濟活動。一、智能控制基本概念及控制系統(tǒng)結(jié)構 一般情況下智能控制系統(tǒng)應具有：學習功能、適應功能和組織功能等三大功能。 一、智能控制基本概念及控制系統(tǒng)結(jié)構 一般情況下智能控制系統(tǒng)應具有：學習功能、適應功能和組織功能等三大功能。 一、智能控制基本概念及控制系統(tǒng)結(jié)構 智能控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)一樣也有三要素，所不同的是都冠以智能

4、二字，即智能信息、智能反饋和智能控制決策。在智能控制系統(tǒng)中信息反映了人的直覺、經(jīng)驗和智慧，它是“智能”的載體。智能反饋能根據(jù)實際情況選擇反饋的極性和反饋的強弱。智能控制決策在決策方式上是一種模仿人的決策、推理的過程，定性、定量決策都有。智能信息、智能反饋和智能控制決策一、智能控制基本概念及控制系統(tǒng)結(jié)構 2. 智能控制系統(tǒng)結(jié)構 智能控制系統(tǒng)從結(jié)構的復雜程度上可分為簡單智能控制系統(tǒng)和多級遞階智能控制系統(tǒng)。簡單控制系統(tǒng)結(jié)構圖 一、智能控制基本概念及控制系統(tǒng)結(jié)構 2. 智能控制系統(tǒng)的結(jié)構 多級遞階智能控制系統(tǒng)是一般智能控制系統(tǒng)的通用結(jié)構，按智能程度的高低一般分為三級，如下圖所示，這種三級結(jié)構是一般工業(yè)

5、生產(chǎn)過程控制的常用結(jié)構。它是仿照人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構建立起來的，因此，多級遞階控制結(jié)構是智能控制系統(tǒng)的一種典型結(jié)構。三級遞階智能控制系統(tǒng)結(jié)構圖 一、智能控制基本概念及控制系統(tǒng)結(jié)構 三級遞階智能控制系統(tǒng)結(jié)構圖 運行控制級是系統(tǒng)的最低層控制級，它根據(jù)人的經(jīng)驗和知識進行對工業(yè)生產(chǎn)過程的直接局部過程閉環(huán)控制并完成子任務。該層一般都是實時控制，因此設計要求該級具有高可靠性、高精度和對計算機高運算速度的要求，而不要求具有更多的智能。它一般屬于簡單智能控制系統(tǒng)。 三級遞階智能控制系統(tǒng)結(jié)構圖 協(xié)調(diào)級是遞階智能控制系統(tǒng)的次高級，它是高層和低層控制級之間的轉(zhuǎn)換接口；它的主要任務是協(xié)調(diào)各控制器之間的控制作用；它主要

6、解決運行級控制模式或控制模式參數(shù)的自校正，使運行控制級按照人們的設計預期目標運行。該級只要求較低的運算精度，但要有較高的決策能力和一定的學習功能。 三級遞階智能控制系統(tǒng)結(jié)構圖 控制規(guī)則組織級是遞階智能控制系統(tǒng)的高層控制級，它應具有一定的學習能力和決策能力，能對隨機輸入進行分析，能辨別控制情況，能了解任務的執(zhí)行情況。當外部環(huán)境和被控對象等發(fā)生較大變化，或者給定任務和控制要求需要變更時，該級能立即對運行控制級和協(xié)調(diào)級中的特征模型、推理方法和控制決策的控制模式進行選擇、修正及自學習生成；該級是智能控制系統(tǒng)的“大腦”。143. 智能控制系統(tǒng)的類型 隨科學技術的發(fā)展，智能控制系統(tǒng)的類型層出不窮，常見類型

7、有如下幾種： 基于模糊邏輯的智能控制系統(tǒng)； 基于神經(jīng)網(wǎng)絡的智能控制系統(tǒng)； 基于模式識別的智能控制系統(tǒng)； 基于多模變結(jié)構的智能控制系統(tǒng)； 學習控制與自學習控制的智能控制系統(tǒng)； 基于混沌理論的智能控制系統(tǒng)。153. 智能控制系統(tǒng)的類型 混沌理論是20世紀70年代科學上的重大發(fā)現(xiàn)，混沌理論是研究混亂、無秩序等混沌現(xiàn)象發(fā)展變化規(guī)律的科學；混沌現(xiàn)象的兩個基本特點是：不可預言性和對于初始值的極端敏感依賴性。163. 智能控制系統(tǒng)的類型 混沌理論是上世紀70年代科學上的重大發(fā)現(xiàn)，混沌理論是研究混亂、無秩序等混沌現(xiàn)象發(fā)展變化規(guī)律的科學；混沌現(xiàn)象的兩個基本特點是：不可預言性和對于初始值的極端敏感依賴性。173.

8、 智能控制系統(tǒng)的類型 混沌理論是上世紀70年代科學上的重大發(fā)現(xiàn)，混沌理論是研究混亂、無秩序等混沌現(xiàn)象發(fā)展變化規(guī)律的科學；混沌現(xiàn)象的兩個基本特點是：不可預言性和對于初始值的極端敏感依賴性。18第三節(jié) 智能控制系統(tǒng)設計簡介二、模糊控制系統(tǒng)的基本原理 模糊數(shù)學是試圖用定量的、精確的方法來研究和處理模糊性事物的一門學科。 模糊集合是模糊數(shù)學中最基本的概念。與普通集合不同的是：對模糊集合來說，元素只是以某種程度從屬于模糊集合。在模糊集合的基礎上，有模糊關系、模糊矩陣和模糊數(shù)。 模糊數(shù)學提出了一整套定量地描述自然語言的方法，使自然語言轉(zhuǎn)化為微機可以理解和加工的機器語言，以提高控制系統(tǒng)的智能性和靈活性。19

9、第三節(jié) 智能控制系統(tǒng)設計簡介二、模糊控制系統(tǒng)的基本原理 模糊控制系統(tǒng)是以模糊數(shù)學、模糊語言形式的知識表示和模糊邏輯的規(guī)則推理為理論基礎；采用計算機控制技術構成的一種具有非線性數(shù)字控制的系統(tǒng)。它的組成核心是具有智能性的模糊控制器，因此，模糊控制屬于智能控制的范疇。 模糊控制系統(tǒng)是實現(xiàn)智能控制的一種重要而又有效的形式，在各行各業(yè)得到了廣泛的應用，是目前應用比較成熟的一種智能控制系統(tǒng)。尤其是模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡；遺傳算法及混沌理論等新學科的相融合，是科研機構、大專院校研究的熱點之一。模糊控制與其它智能控制技術和方法的結(jié)合應用，受到了各大自動化工程公司的青睞。20第三節(jié) 智能控制系統(tǒng)設計簡介二、模糊控制

10、系統(tǒng)的基本原理 1.模糊控制系統(tǒng)的組成 因為模糊控制系統(tǒng)屬于計算機數(shù)字控制的一種形式，所以模糊控制系統(tǒng)的組成也應具有常規(guī)計算機控制系統(tǒng)的結(jié)構形式，如下圖所示。21二、模糊控制系統(tǒng)的基本原理 1.模糊控制系統(tǒng)的組成 模糊控制器：它是由計算機實現(xiàn)的模糊知識表示和規(guī)則推理的語言型模糊控制器；是模糊控制系統(tǒng)區(qū)別于其他自動控制系統(tǒng)的主要特征。它在實際中往往是一臺微型計算機，根據(jù)控制系統(tǒng)的需要，既可選用單片機或?qū)Ｓ糜布O備，又可選用PLC或工控機。22二、模糊控制系統(tǒng)的基本原理 2.模糊控制器的結(jié)構設計 所謂模糊控制器的結(jié)構設計就是確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量。模糊控制器的結(jié)構對整個系統(tǒng)的性能有較大

11、的影響，必須根據(jù)被控對象的具體情況，合理選擇。 23二、模糊控制系統(tǒng)的基本原理 2.模糊控制器的結(jié)構設計 在自動控制系統(tǒng)中最為簡單也是最為典型的系統(tǒng)，稱之為單輸入單輸出(SISO)系統(tǒng)，在實際工程中大量的多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)，經(jīng)過解耦變換后可以變成多個SISO系統(tǒng)。因此，對單輸入單輸出(SISO)系統(tǒng)模糊控制器的結(jié)構選擇有如下圖所示幾種常見結(jié)構。eu24三、神經(jīng)網(wǎng)絡控制的基本原理 神經(jīng)網(wǎng)絡具有并行處理機制、模式識別、記憶和自學習能力。它能很好地適應環(huán)境，自動學習修改過程參數(shù)，具有更高的智能。這是自動控制系統(tǒng)使用神經(jīng)網(wǎng)絡控制解決復雜生產(chǎn)過程的主要原因。25三、神經(jīng)網(wǎng)絡控制的基本原理1.神

12、經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)結(jié)構圖 神經(jīng)網(wǎng)絡與傳統(tǒng)的模型控制和模糊控制在表達知識方面有顯著的不同，傳統(tǒng)的模型控制和模糊控制都具有顯式表達知識的特點，而神經(jīng)網(wǎng)絡不善于顯式表達知識，但是它具有很強的逼近非線性函數(shù)的能力，即非線性映射能力。把神經(jīng)網(wǎng)絡用于自動控制正是利用它的這個獨特優(yōu)點。26三、神經(jīng)網(wǎng)絡控制的基本原理2.神經(jīng)網(wǎng)絡在控制中的主要作用 所謂神經(jīng)網(wǎng)絡控制，即基于神經(jīng)網(wǎng)絡的控制或簡稱神經(jīng)控制，是指在控制系統(tǒng)中采用神經(jīng)網(wǎng)絡這一工具對難以精確描述的復雜的非線性對象進行建模，或充當控制器，或優(yōu)化計算，或進行推理，或故障診斷等，以及同時兼有上述某些功能的適當組合，將這樣的系統(tǒng)統(tǒng)稱為基于神經(jīng)網(wǎng)絡的控制系統(tǒng)，稱這種控制方式為神經(jīng)網(wǎng)絡控制。 27三、神經(jīng)網(wǎng)絡控制的基本原理2.神經(jīng)網(wǎng)絡在控制中的主要作用 根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡在控制中的作用可分為以下幾種： 在基于精確模型的各種控制結(jié)構中充當對象的模型； 在反饋控制系統(tǒng)中直接充當控制器的作用； 在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中起優(yōu)化計算作用； 在與其它智能控制方法和優(yōu)化算法，如模糊控制、專家控制及遺傳算法等相融合中，為其提供非參數(shù)化對象模型、優(yōu)化參數(shù)、推理模