智能控制系統(tǒng)ppt

智能控制華東理工大學(xué)自動(dòng)化系2020第一節(jié)：開篇緒論控制理論的發(fā)展回顧智能控制的產(chǎn)生及其發(fā)展智能控制的基本概念及研究?jī)?nèi)容控制理論的發(fā)展回顧經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論智能控制經(jīng)典控制理論：產(chǎn)生及發(fā)展

1788年，瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)時(shí)用飛球調(diào)節(jié)器控制蒸汽機(jī)。飛球調(diào)節(jié)器用于調(diào)節(jié)蒸氣流，以便確保引擎工作時(shí)速度大致均勻。這個(gè)裝置利用了一個(gè)飛球結(jié)構(gòu)去感知蒸汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度并且利用一系列的連接調(diào)節(jié)進(jìn)入機(jī)器的蒸汽的流動(dòng)。1、自動(dòng)控制技術(shù)的早期發(fā)展

（1）Maxwell

1868年的論文“論調(diào)節(jié)器”,開創(chuàng)了控制理論研究的先河。

把調(diào)節(jié)器和調(diào)節(jié)對(duì)象合在一起,看作一個(gè)系統(tǒng),導(dǎo)出了調(diào)節(jié)器的微分方程，并在平衡點(diǎn)附近進(jìn)行線性化處理，指出穩(wěn)定性取決于特征方程的根是否具有負(fù)的實(shí)部。

如何判別問題并未解決,只解決了三階系統(tǒng)的判別問題.Maxwell是一位天才的科學(xué)家，在許多方面都有極高的造詣。他同時(shí)還是物理學(xué)中電磁理論的創(chuàng)立人.

2、穩(wěn)定性理論早期發(fā)展(2)Routh穩(wěn)定判據(jù)（1877）

發(fā)表論文“TreatiseontheStabilityofMotion”，獲得劍橋AdamsPrize。給出了線性系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件系統(tǒng)特征方程式的根都具有負(fù)實(shí)部。（3）Hurwitz穩(wěn)定判據(jù)（1895）瑞士數(shù)學(xué)家A.Hurwitz在不了解Routh工作的情況下，獨(dú)立給出了跟據(jù)多項(xiàng)式的系數(shù)決定多項(xiàng)式的根是否都具有負(fù)實(shí)部的另一種方法。Hurwitz的條件同Routh的條件在本質(zhì)上是一致的。因此這一穩(wěn)定性判據(jù)現(xiàn)在也被稱為Routh-Hurwitz穩(wěn)定性判據(jù)。

3、頻率分析方法

1928年－1945年以美國(guó)AT&T公司Bell實(shí)驗(yàn)室(BellLabs)的科學(xué)家們?yōu)楹诵?，建立了控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的頻域方法。（1）Black提出了負(fù)反饋放大器。（1928）（2）Nyquist給出了系統(tǒng)穩(wěn)定性的Nyquist穩(wěn)定判據(jù)(1932）（3）Bode引入了半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系，使頻率特性的繪制工作更加適用于工程設(shè)計(jì)。（1940年）（4）1942年，H.Harris引入了傳遞函數(shù)的概念。

二戰(zhàn)期間，由于軍事上的需要,（包括雷達(dá)系統(tǒng)，火炮控制系統(tǒng)等）使得頻率法得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。4、控制論的產(chǎn)生

控制論的創(chuàng)始人維納（Wiener)系統(tǒng)地總結(jié)了前人的成果，發(fā)表了著名的“控制論——或關(guān)于在動(dòng)物和機(jī)器中控制和通訊的科學(xué)”，為控制理論這門學(xué)科的誕生奠定了基礎(chǔ)。（1948年）

Cybernetics,源于希臘語(yǔ)，是舵手的意思。

控制論的產(chǎn)生背景：（1）哲學(xué)背景，方法論（維納是羅素的弟子）（2）多學(xué)科交流交叉。與其他學(xué)科專家的交流，如馮.諾曼，瓦.麥克卡洛（神經(jīng)生理學(xué)家），匹茨（數(shù)理邏輯學(xué)家）等?？刂普撘鸬臓?zhēng)議：褻瀆了人的尊嚴(yán)

5、錢學(xué)森的工程控制論(1954)

書內(nèi)未觸及到人類這種動(dòng)物的尊嚴(yán)，寫的全是技術(shù)科學(xué)。包括前蘇聯(lián)在內(nèi)的世界各國(guó)科學(xué)界立即接受了這一新學(xué)科，從而吸引了大批數(shù)學(xué)家、工程技術(shù)學(xué)家從事控制論的研究，推動(dòng)了五六十年代該學(xué)科發(fā)展的高潮。龐特里亞金的極大原理和卡爾曼的可觀、可控性定理和遞推濾波器等，都是在此期間內(nèi)出現(xiàn)的。

古典控制理論：特點(diǎn)1、研究對(duì)象：線性定常系統(tǒng)（LTI)2、研究方法：頻域分析方法，包括傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡等。著眼于系統(tǒng)的輸出，（外部描述法，黑箱）。3、數(shù)學(xué)工具：拉氏變換。4、解決問題：?jiǎn)屋斎雴屋敵觯⊿ISO問題）古典控制理論與生產(chǎn)過程的局部自動(dòng)化相適應(yīng)?，F(xiàn)代控制理論產(chǎn)生背景1、經(jīng)典控制理論在設(shè)計(jì)與分析單輸入單輸出的，線性時(shí)不變的集中參數(shù)系統(tǒng)時(shí)是行之有效的;然而對(duì)于解決多輸入多輸出系統(tǒng)的控制問題顯得無(wú)能為力。2、隨著空間技術(shù)的發(fā)展，控制系統(tǒng)日趨復(fù)雜，其精度要求越來(lái)越高，這種理論就日益暴露出它的局限性來(lái)。因此，人們又開始尋找新的理論了?，F(xiàn)代控制理論：產(chǎn)生與發(fā)展1、Lyapunov

判別系統(tǒng)穩(wěn)定性方法(1892)

俄羅斯偉大的數(shù)學(xué)力學(xué)家A.M.Lyapunov發(fā)表了其具有深遠(yuǎn)歷史意義的博士論文“運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的一般問題”(TheGeneralProblemoftheStabilityofMotion,1892)。用適當(dāng)?shù)哪芰亢瘮?shù)（Lyapunov函數(shù)）的正定性及其導(dǎo)數(shù)的負(fù)定性來(lái)鑒別系統(tǒng)的穩(wěn)定性。是判別系統(tǒng)穩(wěn)定性的普遍方法，是現(xiàn)代控制理論的重要組成部分。2、龐特里亞金（Pontryagin）發(fā)表了極大值原理（1956年）這一原理是研究最優(yōu)控制的主要方法。1953年，費(fèi)爾德鮑曼(A.A.Feldbaum)提出了最優(yōu)控制。1956年龐特里亞金（Pontryagin）的提出極大值原理。3、貝爾曼動(dòng)態(tài)規(guī)劃的提出（1957）美國(guó)的貝爾曼創(chuàng)立動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論，它是使整個(gè)生產(chǎn)過程達(dá)到預(yù)期最佳目的的一種數(shù)學(xué)方法4、著名的卡爾曼濾波的提出（1959）（1）Kalman提出了關(guān)于控制系統(tǒng)能控性和能觀性理論，這兩個(gè)重要概念是最優(yōu)控制和最優(yōu)估計(jì)的基礎(chǔ)。（2）著名的Kalman濾波理論。A指揮阿波羅登月B和平站回收時(shí)至今日，任何航行(包括每一架噴氣客機(jī))都離不開卡爾曼濾波?，F(xiàn)代控制理論特點(diǎn)1、研究?jī)?nèi)容：（1）最優(yōu)控制：兩種最重要的方法：龐特里亞金最大值原理、和貝爾曼動(dòng)態(tài)規(guī)劃。（2）最佳濾波（或稱最佳估計(jì)）：Kalman濾波理論的提出奠定了現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)。2、解決問題：多輸入多輸出問題.(MIMO)3、研究方法:時(shí)域中的狀態(tài)空間法。著眼于系統(tǒng)的狀態(tài)4、數(shù)學(xué)工具：矩陣和向量空間理論是其主要數(shù)學(xué)基礎(chǔ)現(xiàn)代控制理論與古典控制理論之比較

經(jīng)典控制理論

現(xiàn)代控制理論控制對(duì)象

單輸入單輸出(SISO)線性時(shí)不變系統(tǒng)（LTI)多輸入多輸出(MIMO)建模手段機(jī)理建模參數(shù)估計(jì),系統(tǒng)辨識(shí)研究方法頻域分析方法時(shí)域中的狀態(tài)空間法數(shù)學(xué)工具拉氏變換矩陣?yán)碚撗芯績(jī)?nèi)容傳遞函數(shù),頻率特性，根軌跡等做系統(tǒng)分析最優(yōu)控制.最佳濾波計(jì)算方法手工計(jì)算轉(zhuǎn)向計(jì)算機(jī)計(jì)算智能控制的產(chǎn)生背景產(chǎn)生背景：現(xiàn)代控制理論是建立在精確的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上的。而對(duì)于絕大多數(shù)的復(fù)雜工業(yè)過程來(lái)講，系統(tǒng)信息具有模糊性、不確定性、偶然性和不完全性。基于精確數(shù)學(xué)模型的現(xiàn)代控制理論無(wú)法解決好他們的控制問題。人類具有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)和適應(yīng)周圍環(huán)境的能力。有些復(fù)雜的系統(tǒng)，憑人的知覺和經(jīng)驗(yàn)?zāi)芎芎玫剡M(jìn)行操作并達(dá)到較理想的效果。這就產(chǎn)生了仿人的控制理論形成的背景。從60年代起，隨著空間技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及人工智能技術(shù)的發(fā)展，控制學(xué)界的學(xué)者開始將人工智能技術(shù)與方法應(yīng)用于控制系統(tǒng)，逐步形成了智能控制理論。智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展1、傅京孫

1965年，著名美籍華裔科學(xué)家，模式識(shí)別領(lǐng)域的知名學(xué)者，美國(guó)普渡大學(xué)教授傅京孫把人工智能的啟發(fā)式推理規(guī)則用于學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)。1971年，他發(fā)表論文闡述了人工智能和自動(dòng)控制的交接關(guān)系。他是國(guó)際公認(rèn)的智能控制的奠基人。美國(guó)工程院院士、模式識(shí)別創(chuàng)始人美國(guó)ＩＥＥＥ計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)頒發(fā)的“傅京孫獎(jiǎng)”

智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展2、(G.N.Saridis)薩里迪斯1979年，薩里迪斯首次提出了分層遞階的智能控制結(jié)構(gòu)形式，對(duì)智能控制系統(tǒng)的三級(jí)結(jié)構(gòu)作了明確的分工和定義。提出了“智能增加而精度降低”這一著名原則。分層遞階智能控制理論已成為智能控制理論中相對(duì)比較成熟的分支。CT:cyberneticstheory;OR:operationresearch;AI:artificialintelligence;智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展3、奧斯特洛姆

1986年發(fā)表的“Expertcontrol”,將人工智能中的專家系統(tǒng)引入到控制中來(lái)，形成了專家控制。近20年來(lái)專家控制在實(shí)際上有很廣闊的應(yīng)用。智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展4、扎德（Zadeh)美國(guó)加州大學(xué)柏克萊分校L.A.Zadeh（扎德）教授

于1965年發(fā)表了著名論文“Fuzzysets”,為模糊控制奠定了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。模糊控制主要是模仿人的控制經(jīng)驗(yàn)而不是依賴于控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展5、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 早在1943年，神經(jīng)生理學(xué)家麥克卡洛就提出了腦模型。隨著超大規(guī)模集成電路（VLSI)、光電子學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，80年代中后期，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究獲得了重大進(jìn)展。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和自動(dòng)控制相結(jié)合的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制具有并行處理、魯棒性好、自適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而具有廣泛的應(yīng)用前景。智能控制的發(fā)展80年代中期以來(lái)智能控制的研究發(fā)展迅速。1、1987年，電子電氣工程師學(xué)會(huì)（IEEE，INSTITUTEOFELECTRICALANDELECTRONICSENGINEERS）控制系統(tǒng)學(xué)會(huì)與計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)聯(lián)合召開了智能控制國(guó)際會(huì)議；2、1993年，IEEE控制系統(tǒng)學(xué)會(huì)內(nèi)成立了IEEE智能控制專業(yè)委員會(huì)。3、很多國(guó)際學(xué)術(shù)組織，如IFAC、IASTED等都定期或不定期地舉辦有關(guān)智能控制的國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議或研討會(huì)。4、我國(guó)從1993年起舉辦了全球華人智能控制大會(huì)（現(xiàn)在改名為世界智能控制大會(huì)）。智能控制系統(tǒng)的主要功能特點(diǎn)1、學(xué)習(xí)功能G.N.Saridis對(duì)學(xué)習(xí)功能的定義：一個(gè)系統(tǒng)如果能夠?qū)σ粋€(gè)過程環(huán)境所固有的信息進(jìn)行學(xué)習(xí)，并將得到的經(jīng)驗(yàn)用于進(jìn)一步的估計(jì)、分類、決策或控制，從而使系統(tǒng)的性能得到改善，那么就稱該系統(tǒng)為學(xué)習(xí)系統(tǒng)。具有學(xué)習(xí)性能的控制系統(tǒng)我們稱之為學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)。智能控制系統(tǒng)的主要功能特點(diǎn)2、適應(yīng)功能 這里所說的適應(yīng)比自適應(yīng)控制中的適應(yīng)功能具有更廣泛的含義。 當(dāng)系統(tǒng)的輸入不是已經(jīng)學(xué)習(xí)過的例子時(shí)，由于它具有插補(bǔ)功能，從而能給出合適的輸出。甚至當(dāng)系統(tǒng)中某些部分出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)也能夠正常的工作。如果系統(tǒng)具有更高的智能，他還能自動(dòng)找出故障甚至具備自修復(fù)的功能。智能控制系統(tǒng)的主要功能特點(diǎn)3、組織功能它指的是對(duì)于復(fù)雜的任務(wù)和分散的傳感信息具有自行組織和協(xié)調(diào)的功能。該組織功能也表現(xiàn)為系統(tǒng)具有相應(yīng)的主動(dòng)性和靈活性，具有判斷決策能力。智能控制的研究對(duì)象

智能控制技術(shù)主要用來(lái)解決那些用傳統(tǒng)的方法難以解決的復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題。這些復(fù)雜系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：①控制對(duì)象存在嚴(yán)重的不確定性，控制模型未知或模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)在很大的范圍內(nèi)變化；②控制對(duì)象具有高度的非線性特征；③控制任務(wù)要求復(fù)雜。例如，在智能機(jī)器人系統(tǒng)中，要求系統(tǒng)對(duì)一個(gè)復(fù)雜的任務(wù)具有自行規(guī)劃和決策的能力，有自動(dòng)躲避障礙達(dá)到目的地的能力。

智能控制的研究對(duì)象如：智能機(jī)器人系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)、復(fù)雜的工業(yè)過程控制系統(tǒng)、航天航空控制系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、環(huán)保與能源系統(tǒng)等。關(guān)于《智能控制》課程開設(shè)該課程目的：了解自動(dòng)控制理論發(fā)展的前沿和最新成果，開闊眼界，擴(kuò)大知識(shí)面

激發(fā)投身于控制領(lǐng)域研究的興趣

提高科學(xué)素質(zhì)和能力

本門課程的內(nèi)容1、模糊控制2、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制（3遺傳算法）參考書目（1）模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、和智能控制論，李士勇編著，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社（2）智能控制——基礎(chǔ)和應(yīng)用，蔡自興著，國(guó)防工業(yè)大學(xué)出版社（3）智能控制理論和方法，李仁厚編著，西安電子