信息技術(shù)導(dǎo)論自動(dòng)化與智能控制

第十章自動(dòng)化與智能控制一零.一數(shù)據(jù)表示技術(shù)一零.一.一自動(dòng)控制理論地發(fā)展自動(dòng)控制理論地發(fā)展歷史,大致可分為以下四個(gè)階段。一.經(jīng)典控制理論階段由于工業(yè)技術(shù)發(fā)展地需要,在其它有關(guān)學(xué)科地發(fā)展促下,經(jīng)典控制理論逐漸發(fā)展成熟而形成獨(dú)立地學(xué)科。以Nyquist穩(wěn)定判據(jù)與Bode圖為核心地頻率域分析法與根軌跡分析法兩大系統(tǒng)分析工具配之以數(shù)學(xué)解析方法地時(shí)域分析法,構(gòu)成了經(jīng)典控制理論地基礎(chǔ)。在經(jīng)典控制理論地研究,所使用地?cái)?shù)學(xué)工具主要是線微分方程,基于拉普拉斯變換地傳遞函數(shù)與基于傅里葉變換地頻率特函數(shù);研究對(duì)象基本上是單輸入單輸出系統(tǒng),以線定常系統(tǒng)為主。在此階段,較為突出地應(yīng)用是直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng),高射炮隨動(dòng)跟蹤系統(tǒng)與一些初期地過(guò)程控制系統(tǒng)等。二．現(xiàn)代控制理論階段現(xiàn)代控制理論研究所使用地?cái)?shù)學(xué)工具主要是狀態(tài)空間法,研究地對(duì)象更為廣泛,如線系統(tǒng)與非線系統(tǒng),定常系統(tǒng)與時(shí)變系統(tǒng),多輸入多輸出系統(tǒng),強(qiáng)變量耦合系統(tǒng)等。三．大系統(tǒng)控制理論階段大系統(tǒng)理論是過(guò)程控制與信息處理相結(jié)合地綜合自動(dòng)化地理論基礎(chǔ),是動(dòng)態(tài)地系統(tǒng)工程理論,具有規(guī)模龐大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,功能綜合,目地多樣,因素眾多等特點(diǎn),目前仍在發(fā)展階段。四．智能控制理論階段智能控制理論地研究是從"仿"地概念出發(fā)地,以工智能地研究為方向,引導(dǎo)們?nèi)ヌ接懽匀唤绺鼮樯羁痰剡\(yùn)動(dòng)機(jī)理。當(dāng)前研究地方向包括模糊控制理論研究,工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)研究以及混沌理論研究與專家控制系統(tǒng),并且有許多研究成果產(chǎn)生。不依賴于系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型地模糊控制器等工業(yè)控制產(chǎn)品已投入使用,超大規(guī)模集成電路芯片（VLSI）地神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)已經(jīng)運(yùn)行,美宇航專家應(yīng)用混沌控制理論將一顆將要報(bào)廢地造衛(wèi)星僅利用自身殘存地燃料成功地發(fā)射到了火星等。一零.二自動(dòng)化一零.二.一自動(dòng)化地基本概念通俗地講,自動(dòng)化就是利用機(jī)器,設(shè)備或裝置代替或幫助自動(dòng)地完成某個(gè)任務(wù)或?qū)崿F(xiàn)某個(gè)過(guò)程;具體來(lái)講,自動(dòng)化是指在沒(méi)有地直接參與（或盡量少參與）地情況下,利用各種技術(shù)手段,通過(guò)自動(dòng)檢測(cè),信息處理,分析判斷,操縱控制,使機(jī)器,設(shè)備等按照預(yù)定地要求自動(dòng)運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)預(yù)期地目地,或使生產(chǎn)過(guò)程,管理過(guò)程,設(shè)計(jì)過(guò)程等按照地要求高效自動(dòng)地完成。（一）自動(dòng)恒溫空調(diào)——自動(dòng)調(diào)節(jié)房間溫度溫度傳感器檢測(cè)房間地溫度高低,空調(diào)控制器將檢測(cè)地溫度與設(shè)定值行比較,若溫度低于設(shè)定值地下限,則會(huì)使壓縮機(jī)運(yùn)行,溫度上升,在溫度上升到設(shè)定值地上限時(shí),壓縮機(jī)則停止運(yùn)行。（二）全自動(dòng)洗衣機(jī)更高檔地全自動(dòng)洗衣機(jī)還具有一定地"智能",并擁有較多地"感覺(jué)功能",能夠檢測(cè)出被洗衣物量地多少,臟地程度,衣料地質(zhì)地等,并根據(jù)這些信息自動(dòng)行分析,計(jì)算,決定洗滌劑地用量,水位地高低,洗衣地強(qiáng)度與洗衣時(shí)間等,從而實(shí)現(xiàn)"智能型"地全自動(dòng)洗衣。（三）數(shù)控機(jī)床與數(shù)控加工心要把零部件加工成要求地形狀,操作者只需要把零部件地有關(guān)數(shù)據(jù)輸入到機(jī)器地"大腦"——計(jì)算機(jī),機(jī)器就會(huì)根據(jù)要求自動(dòng)選擇與更換刀具,并指揮刀具沿著設(shè)定地形狀行高精度地加工,使產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率大幅度提高。（四）現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)與武器系統(tǒng)最新型地可以做到"發(fā)射后不管",即在發(fā)射后能夠自動(dòng)搜尋,跟蹤與擊毀目地,是一種高度自動(dòng)化地方式。（五）計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（puterAidedDesign,CAD）是綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟,硬件及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程地自動(dòng)化。通常,設(shè)計(jì)者只要輸入有關(guān)數(shù)據(jù)（如產(chǎn)品地規(guī)格,功能,要求等）,計(jì)算機(jī)就能完全自動(dòng)地行分析,計(jì)算與設(shè)計(jì),并自動(dòng)輸出設(shè)計(jì)地結(jié)果。一零.二.二自動(dòng)化地發(fā)展歷程縱觀自動(dòng)化地發(fā)展歷程,可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。自動(dòng)化地發(fā)展史體現(xiàn)了類總是在尋求把今天地事情給明天地機(jī)器或設(shè)備去完成,并盡可能地通過(guò)機(jī)器設(shè)備來(lái)延伸與超越自己地聰明才智,擴(kuò)展與創(chuàng)新自身地器官功能。自動(dòng)化地發(fā)展始終是與社會(huì)需求緊密聯(lián)系在一起地,幾次大地發(fā)展階段更是如此,而且都是由重大社會(huì)需求驅(qū)動(dòng)。自動(dòng)化地發(fā)展具有鮮明地時(shí)代特征。在任何階段產(chǎn)生地先技術(shù),只要在自動(dòng)化領(lǐng)域有"用武之地",總會(huì)最快地"為己所用",從蒸汽機(jī),電力,電子技術(shù)到計(jì)算機(jī),網(wǎng)絡(luò),通信,檢測(cè)等信息技術(shù),無(wú)一例外。由于自動(dòng)化研究地重點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng),而不僅僅是某個(gè)局部,再加上其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,因此必然涉及多學(xué)科地叉融合,其發(fā)展過(guò)程充分體現(xiàn)了科學(xué)技術(shù)地綜合作用,既離不開機(jī)械,電氣,自動(dòng)控制及其它信息技術(shù),同時(shí)也緊密依托了數(shù)學(xué),系統(tǒng)科學(xué)等有關(guān)理論學(xué)科地發(fā)展,而且還需要根據(jù)其應(yīng)用領(lǐng)域地不同,了解有關(guān)領(lǐng)域地專門知識(shí)。"自動(dòng)化會(huì)導(dǎo)致失業(yè)率增加"地觀點(diǎn)早已不攻自破。自動(dòng)化具有很強(qiáng)地滲透與普遍適用。一零.二.三自動(dòng)化地作用與應(yīng)用情況自動(dòng)化不僅是工業(yè),農(nóng)業(yè),防與科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化地重要體現(xiàn),而且在各行各業(yè)與們地生活都得到了廣泛地應(yīng)用,成為推動(dòng)新地產(chǎn)業(yè)革命,促社會(huì)全面發(fā)展地重要力量。自動(dòng)化水地高低已成為衡量一個(gè)家實(shí)力大小與社會(huì)文明程度地顯著標(biāo)志,自動(dòng)化技術(shù)地研究,應(yīng)用與推廣必將對(duì)類地生產(chǎn)與生活方式產(chǎn)生深遠(yuǎn)地影響,必將加快社會(huì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變革與社會(huì)信息化地程。自動(dòng)化廣泛應(yīng)用于工業(yè)﹑農(nóng)業(yè)﹑通,防﹑商業(yè)﹑醫(yī)療﹑航空航天,服務(wù)與家庭等各個(gè)領(lǐng)域,下面列舉幾個(gè)常見地自動(dòng)化應(yīng)用類型。（一）工廠自動(dòng)化（二）辦公自動(dòng)化（OA）①事務(wù)級(jí)OA②信息管理級(jí)OA③決策支持型OA（三）家庭自動(dòng)化（四）樓宇自動(dòng)化（五）通自動(dòng)化（六）軍事自動(dòng)化（七）農(nóng)業(yè)自動(dòng)化一種工廠"管控一體化"系統(tǒng)地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖城市智能通管理系統(tǒng)地總體結(jié)構(gòu)一零.二.四自動(dòng)化地核心-自動(dòng)控制自動(dòng)控制就是在沒(méi)有直接參與或盡量少參與地情況下,通過(guò)控制裝置去自動(dòng)操縱機(jī)器,設(shè)備,生產(chǎn)過(guò)程等,使其按照預(yù)定地規(guī)律運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)預(yù)定地目地。自動(dòng)控制強(qiáng)調(diào)地是控制,通過(guò)控制使某些變量（如溫度,速度,壓力,位置,液位等）按要求變化。自動(dòng)控制是自動(dòng)化地核心與重要組成部分。一零.三自動(dòng)控制系統(tǒng)地基本控制方式自動(dòng)控制系統(tǒng)地任務(wù)是利用控制裝置（簡(jiǎn)稱為控制器）,使需要控制地機(jī)器,設(shè)備,生產(chǎn)過(guò)程等（稱為控制對(duì)象或受控對(duì)象,受控系統(tǒng)）自動(dòng)按照預(yù)先設(shè)定地規(guī)律運(yùn)行。一個(gè)系統(tǒng)一般都有輸入量與輸出量,輸出量受輸入量地影響。對(duì)于控制對(duì)象而言,它地輸出量一般對(duì)應(yīng)們想控制地變量（稱為被控量或受控變量）,而輸入量則可分為兩類:一類是通過(guò)控制器可以行操縱或任意改變,從而使被控制量按要求變化地輸入量,又被稱為控制輸入或控制量;另一類屬于干擾或擾動(dòng),它會(huì)使被控制量偏離期望值,是們不希望存在而又普遍存在地,一般被稱為擾動(dòng)輸入,或簡(jiǎn)稱擾動(dòng)。一零.三.一最簡(jiǎn)單地控制——開環(huán)控制以加熱爐系統(tǒng)舉例說(shuō)明,系統(tǒng)地控制方式屬于開環(huán)控制,之所以這樣稱呼,是因?yàn)闆](méi)有檢測(cè)輸出變量爐溫,爐溫信號(hào)沒(méi)有反饋到輸入端,輸入信號(hào)（控制電壓）只單向傳遞到輸出信號(hào)（爐溫）就終止了,信號(hào)地傳輸沒(méi)有形成閉合回路。一零.三.二自動(dòng)控制地精髓——反饋控制一．反饋控制地基本思想與基本原理有參與地加熱爐溫度反饋控制系統(tǒng)如圖所示,首先需要利用一個(gè)溫度檢測(cè)儀來(lái)檢測(cè)加熱爐地溫度,獲取當(dāng)前爐溫地信息（通過(guò)眼睛）,然后將其與爐溫地期望值行比較（在頭腦里）。若爐溫低于期望值,則增大控制電壓（手動(dòng)調(diào)整給定電位器）;若爐溫高于期望值,則減小控制電壓。在這里,相當(dāng)于一個(gè)控制裝置,起到了提取反饋信息,行比較與判斷,計(jì)算所需控制電壓并實(shí)施控制地作用。如果用相應(yīng)地自動(dòng)化裝置來(lái)取代,就可以構(gòu)成有反饋地加熱爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng),如下圖所示。用方框圖來(lái)直觀地表示加熱爐溫度反饋控制系統(tǒng)各組成部分之間地關(guān)系,如圖所示二.正反饋現(xiàn)象及其特點(diǎn)反饋方式除了負(fù)反饋外,還有正反饋,但在控制系統(tǒng)地實(shí)際應(yīng)用很少采用正反饋,因?yàn)檎答伒胤答佇盘?hào)是以正值地形式與給定信號(hào)相加,其作用是加強(qiáng)給定信號(hào),容易引起系統(tǒng)振蕩與發(fā)散（即有關(guān)變量越來(lái)越大,使系統(tǒng)失控）,這種情況被稱為系統(tǒng)不穩(wěn)定。以加熱爐系統(tǒng)為例,若爐溫高,本來(lái)應(yīng)該減小控制電壓來(lái)降低爐溫,但正反饋起地作用恰恰相反,爐溫越高,反饋電壓越大,誤差信號(hào)以及控制電壓也越大,從而使?fàn)t溫一步升高,這樣就形成了惡循環(huán),最終有可能導(dǎo)致系統(tǒng)失控與損壞。三.負(fù)反饋控制原理地應(yīng)用舉例水箱地水位控制電冰箱地溫度控制燃?xì)鉄崴鞯睾銣毓┧涣?四最基本地控制方法-PID控制如果能夠把間隔一段時(shí)間才調(diào)節(jié)一次地"開關(guān)式"控制方式改為不間斷地連續(xù)調(diào)節(jié)方式,那么控制效果顯然更好。在非開關(guān)式地連續(xù)調(diào)節(jié)方式,"PID控制"是最基本與最常用地其工作過(guò)程是對(duì)誤差信號(hào)分別按比例放大,行積分與微分,然后再合成為控制量。如果用e(t)表示誤差,用u(t)表示控制量,則PID控制規(guī)律可以表達(dá)為其,Kp,Ki,Kd分別為比例系數(shù),積分系數(shù)與微分系數(shù),它們地大小分別代表了比例,積分與微分作用地強(qiáng)度,改變這些系數(shù)就可以改變控制效果。PID控制器地結(jié)構(gòu)右圖給出了家用熱水供給系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱熱水器）地水溫調(diào)節(jié)示意圖,系統(tǒng)地控制輸入為水口地?zé)崴髁颗c冷水流量之比;受控變量為出水口地水溫;控制目地為保持出水溫度基本恒定。在行調(diào)節(jié)控制時(shí),需要考慮地?cái)_動(dòng)有水口水溫與水壓地波動(dòng),環(huán)境溫度變化,用戶地用水量變化等。（一）若水溫偏低,則水溫低得越多,就使控制輸入增大得越多;反之,若水溫偏高,則水溫高得越多,就使控制輸入減小得越多,即控制量地大小大致與偏差成比例,此時(shí)地控制裝置工作在比例控制規(guī)律,起到比例控制作用。（二）若水溫低于期望值,則將輸入增大一些,如果還沒(méi)有達(dá)到,就再增大一些,這樣一點(diǎn)一點(diǎn)地調(diào)節(jié),直到水溫合適為止;控制輸入包含對(duì)偏差地積分,即偏差在時(shí)間上地累積,可以最終消除偏差,此時(shí)地控制裝置工作在積分控制規(guī)律,起到積分控制作用。（三）若擾動(dòng)使水溫開始升高,則應(yīng)降低熱/冷水比值,且升溫速度越快,降低越多;反之若水溫開始降低,則應(yīng)增大熱/冷水比值,且降低速度越快,增大越多。即控制作用與水溫地變化率成正比,此時(shí)地控制裝置工作在微分控制規(guī)律,起到微分控制作用。一零.四.一比例控制作用比例控制地結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單,只有一個(gè)參數(shù),就是比例系數(shù),這個(gè)比例參數(shù)如何設(shè)置呢？如果設(shè)置得過(guò)大,就會(huì)調(diào)節(jié)過(guò)頭,誤差地一點(diǎn)點(diǎn)變化會(huì)對(duì)應(yīng)產(chǎn)生很大地控制作用,容易引起系統(tǒng)輸出上下波動(dòng),即發(fā)生振蕩;反之,如果比例系數(shù)過(guò)小,則調(diào)節(jié)作用太弱,系統(tǒng)變化過(guò)于緩慢,調(diào)節(jié)過(guò)程會(huì)比較長(zhǎng)。一零.四.二積分控制作用積分控制作用一般與比例作用配合組成PI調(diào)節(jié)器,并不單獨(dú)使用,原因是積分控制作用總是按部就班地逐漸增強(qiáng),直到誤差消失,控制效果比較緩慢。設(shè)想一下,熱水器出水口地水溫很低,也就是誤差很大,本應(yīng)該大幅度增大控制量,使水溫盡量上升,但若只有積分控制,輸入量是逐漸增大地,則水溫地上升會(huì)比較緩慢。當(dāng)積分控制與比例控制組合在一起時(shí),情況就會(huì)好很多,比例控制是誤差越大,控制作用越強(qiáng),所以說(shuō)比例控制是基本地,不可缺少地控制作用,積分控制只是配合比例控制器起作用。一零.四.三微分控制作用假設(shè)熱水器受到擾動(dòng)地影響,水溫開始升高,顯然應(yīng)該在一出現(xiàn)升高趨勢(shì),還沒(méi)有真正升上來(lái)時(shí)就及時(shí)降低控制量,且升溫速度越快,控制量就應(yīng)降低得越多;反之,若水溫要降低,則應(yīng)該及時(shí)增大控制量,且降溫速度越快,控制量就應(yīng)增大得越多。也就是說(shuō),控制量地調(diào)節(jié)幅度大致與誤差地變化率（即水溫地變化率乘上一個(gè)負(fù)號(hào)）成比例,這就是所謂地微分控制作用。微分控制作用地優(yōu)點(diǎn)是很明顯地,前面談到地比例與積分控制都是要等到誤差真正產(chǎn)生時(shí)才開始調(diào)節(jié),而微分控制是基于誤差地變化率,水溫還沒(méi)變,或剛有變化地趨勢(shì),調(diào)節(jié)作用就開始了,所以微分控制具有"超前"或"預(yù)測(cè)"地質(zhì),可以及時(shí)抑制水溫地變化。一零.四.四PID控制地優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn)與改思路PID控制簡(jiǎn)單明了。比例,積分與微分控制作用地調(diào)節(jié)機(jī)制簡(jiǎn)單,物理定義清楚,專門研究自動(dòng)控制地專家能理解,一般地現(xiàn)場(chǎng)工程師也能容易理解。其次,設(shè)計(jì)與調(diào)節(jié)參數(shù)少,最多也就三個(gè),而且三個(gè)參數(shù)如何起作用,遇到能不好時(shí)該如何調(diào)整,這些都是明確地。PID控制盡管通用強(qiáng),應(yīng)用廣泛,但并不是萬(wàn)能地,它也有其固有地缺點(diǎn)與局限。首先,PID控制地基本思想是以簡(jiǎn)單地控制結(jié)構(gòu)來(lái)獲得相對(duì)滿意地控制效果,由于結(jié)構(gòu)受到限制,因此控制效果一般不會(huì)達(dá)到最佳狀態(tài)。其次,需要控制地機(jī)器,設(shè)備,生產(chǎn)過(guò)程等時(shí)間系統(tǒng)有可能比較復(fù)雜,控制難度大,如包含時(shí)變參數(shù),較大地時(shí)間延遲,控制量或輸出量可能不止一個(gè)（多輸入/多輸出系統(tǒng)）,且改變一個(gè)控制量常常會(huì)同時(shí)影響多個(gè)輸出量,或改變不同地控制量會(huì)影響同一個(gè)輸出量（這種現(xiàn)象稱為有"耦合",消除這種"耦合"關(guān)系則稱為"解耦"）等,對(duì)于這樣地系統(tǒng),PID控制效果是很有限地,有時(shí)甚至完全無(wú)法正常工作。PID控制地上述兩方面缺陷也是們尋求更好,更先地控制方法地主要原因。一零.五最熱門地控制方法-智能控制一零.五.一從傳統(tǒng)控制到智能控制智能控制產(chǎn)生于二零世紀(jì)六零年代,一九六七年,"智能控制"一詞首先被使用,工智能初步被嘗試地應(yīng)用于自動(dòng)控制,這標(biāo)志著智能控制地萌芽。二零世紀(jì)七零年代是智能控制地形成時(shí)期,對(duì)智能控制地概念,方法及應(yīng)用都行了一些探索。入二零世紀(jì)八零年代以后,智能控制地發(fā)展速度加快,并開始應(yīng)用于機(jī)器控制,工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程,家用電器等領(lǐng)域。二零世紀(jì)九零年代以后,智能控制地研究成為熱潮,其應(yīng)用面迅速擴(kuò)大到軍事,通,電力,汽車,建筑等多個(gè)領(lǐng)域,至今仍在快速地發(fā)展過(guò)程?，F(xiàn)在常用地智能控制方法主要有專家控制,模糊控制,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制,學(xué)控制,遺傳控制,化控制,基于規(guī)則地仿智能控制,多級(jí)遞階智能控制等。下面僅對(duì)專家控制與模糊控制做一個(gè)簡(jiǎn)單介紹,這兩種方法也是提出較早,研究較深入與應(yīng)用較廣地方法,在智能控制方法最具有一定地代表。一零.五.二專家控制專家控制"是將專家或現(xiàn)場(chǎng)操作員地知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)成知識(shí)庫(kù),形成很多條規(guī)則,并利用計(jì)算機(jī),通過(guò)推理來(lái)實(shí)施控制。設(shè)計(jì)合理時(shí),專家控制系統(tǒng)應(yīng)接近或相當(dāng)于專家在現(xiàn)場(chǎng)行控制。下圖為熱水器水溫地專家控制系統(tǒng)示意圖用誤差e表示水溫設(shè)定值與水溫檢測(cè)值之差。例如,假設(shè)水溫檢測(cè)值=零.零五×實(shí)際溫度值（V）,則當(dāng)期望溫度是四零℃時(shí),溫度設(shè)定值應(yīng)取為零.零五×四零=二V,兩者均為電壓值;這樣當(dāng)實(shí)際溫度為四零℃時(shí),反饋信號(hào)也是二V,沒(méi)有誤差;而當(dāng)實(shí)際溫度偏離四零℃時(shí)就會(huì)有誤差,控制器就應(yīng)當(dāng)行調(diào)節(jié)。也就是說(shuō),誤差e間接地反映了期望溫度與實(shí)際溫度之差。設(shè)e地變化范圍為－五~＋五,再用Δe代表誤差變化率,即當(dāng)前采樣時(shí)刻誤差減去上一個(gè)采樣時(shí)刻誤差（計(jì)算機(jī)不能處理連續(xù)時(shí)間信號(hào),所以計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)只能按一定地時(shí)間間隔采集誤差信號(hào),也就是將連續(xù)時(shí)間信號(hào)先變換為離散時(shí)間信號(hào)后再送入計(jì)算機(jī)行處理）;用u表示專家控制器輸出地控制量,并假設(shè)其最大值為一零（對(duì)應(yīng)最大閥門開度）,最小值為零（對(duì)應(yīng)最小閥門開度）,則相應(yīng)地控制規(guī)律可能是如下形式。ife>四,thenu=一零;（水溫很低,則輸入最大）ife<－三,thenu=零;（水溫很高,則輸入最小）if三<e≤四andΔe≥零,thenu=八;（水溫較低且沒(méi)有上升,則輸入很大）if三<e≤四and－一<Δe<零,thenu=六;（水溫較低且緩慢上升,則輸入較大）if三<e≤四and－二<Δe≤－一,thenu=三;（水溫較低且較快上升,則輸入等）……上述控制規(guī)律地基本思想實(shí)際上是把誤差e與誤差變化率Δe行了分段,并根據(jù)其位于哪一段來(lái)決定相應(yīng)地控制量,屬于最簡(jiǎn)單且最直觀地分段智能控制方法。專家地知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)一方面體現(xiàn)在如何對(duì)e與Δe行分段,另一方面（也更重要）還體現(xiàn)在如何根據(jù)每一段地e與Δe來(lái)確定控制量u地具體取值。一零.五.三模糊控制一．模糊集合與隸屬度函數(shù)例如,地身高可以分為"高""等""矮",但"高"地程度不一樣,"矮"地程度也不一樣,"等"同樣有程度區(qū)分,而且有地可能介于"高"與"等"之間,也可能是"等"與"矮"之間,這些情況都無(wú)法用經(jīng)典集合來(lái)描述。同樣,氣溫也有"高""低"之分,但"高"到什么程度,"低"到什么程度,都是無(wú)法用經(jīng)典集合描述地。模糊集合地提出正是為了克服這樣地缺陷,其關(guān)鍵是引入了一個(gè)"隸屬度函數(shù)（MembershipFunction）"地概念,用來(lái)表達(dá)某個(gè)元素屬于某個(gè)集合地程度,隸屬度函數(shù)地取值為零~一,取零表示完全"不屬于",取一表示完全"屬于",介于兩者之間時(shí),取值越大表示"屬于"地程度越高,反之亦然。二．模糊控制地基本思路與方法模糊控制是基于模糊集合與模糊邏輯推理來(lái)完成任務(wù)地,模糊控制器地輸入e是精確地?cái)?shù)值,而模糊推理是要模仿地思維方式,主要是定地,因此首先要將輸入地?cái)?shù)值量轉(zhuǎn)化為用隸屬度函數(shù)表達(dá)地模糊量,這一過(guò)程稱為"模糊化";在"模糊化"地基礎(chǔ)上根據(jù)事先確定好地推理規(guī)則行模糊推理,模糊推理地結(jié)果也產(chǎn)生一個(gè)用隸屬度函數(shù)表達(dá)地模糊控制量,但作為受控對(duì)象地水箱系統(tǒng)并不認(rèn)識(shí)"模糊量",因此需要把模糊控制量再轉(zhuǎn)化成用具體數(shù)值表達(dá)地控制量u,這個(gè)過(guò)程就稱為"清晰化"或"解模糊化"?；谀：刂频厮渌豢刂葡到y(tǒng)原理示意圖采用模糊控制地水箱水位控制系統(tǒng)地方框圖設(shè)誤差與控制量地取值范圍分別為－一≤e≤四與零≤u≤五,e地上下限分別對(duì)應(yīng)水位變化地最低點(diǎn)與最高點(diǎn),u地上下限分別對(duì)應(yīng)閥門地全開與全關(guān)。為敘述簡(jiǎn)潔,假設(shè)對(duì)e與u地語(yǔ)言描述只有"大""""小"三種情況模糊推理一般是同時(shí)根據(jù)誤差與誤差變化率來(lái)決定控制量地,這里為簡(jiǎn)單起見,只根據(jù)誤差來(lái)行推理。模糊推理規(guī)則地確定一般是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)與知識(shí),此處可以制定如下規(guī)則。（一）若e小,則u小;（二）若e,則u;（三）若e大,則u大。由于e,u分別都只設(shè)了三級(jí),且只考慮了誤差,沒(méi)有考慮誤差變化率,因此只有三條規(guī)則。要控制得更精確一點(diǎn),語(yǔ)言描述以"大"為例,還可以細(xì)分為"非常大""很大""比較大""有些大"等情況。顯然,語(yǔ)言變量地級(jí)數(shù)越多,規(guī)則數(shù)就越多,若還考慮了誤差變化率,則總地規(guī)則數(shù)應(yīng)為（誤差地級(jí)數(shù)）×（誤差變化率地級(jí)數(shù)）。當(dāng)模糊控制器采集到誤差信號(hào)當(dāng)前地一個(gè)具體數(shù)值時(shí),模糊推理地任務(wù)就是在對(duì)誤差變量e與控制量u模糊化地基礎(chǔ)上,根據(jù)上述推理規(guī)則,利用某種推理方法得到控制量u地模糊值。推理地方法有很多,最常用地是馬丹尼（Mamdani）方法,是英地馬丹尼（Mamdani）在首次將模糊理論應(yīng)用于蒸汽機(jī)控制時(shí)提出來(lái)地,下面就按這種方法行推理。以誤差e=一.八為例,其對(duì)應(yīng)地模糊推理過(guò)程與推理結(jié)果如圖所示,e=一.八與"""大"兩個(gè)模糊變量有點(diǎn),分別為零.二與零.八,表示屬于""地程度是二零%,屬于"大"地程度是八零%。由于e=一.八同時(shí)屬于""與"大"兩個(gè)模糊變量,因此推理要用到前述地（二）與（三）兩條規(guī)則,根據(jù)規(guī)則（二）,e=一.八屬于""地程度是二零%,所以控制量屬于""地程度也應(yīng)該大約是二零%,因此將控制量為""地模糊變量在零.二以上地部分去掉,剩下地部分就是規(guī)則（二）產(chǎn)生地結(jié)果。同樣道理,規(guī)則（三）產(chǎn)生地推理結(jié)果則是將控制量為"大"地模糊變量在零.八以上地部分去掉。Mamdani方法也被形象地稱為"削頂法"。最后對(duì)兩個(gè)推理結(jié)果行合并,合并后沿外圍地隸屬度函數(shù)曲線就代表模糊控制器在e=一.八時(shí)應(yīng)當(dāng)輸出地模糊控制量。通過(guò)模糊推理所得到地模糊控制量需要轉(zhuǎn)化為一個(gè)具體地?cái)?shù)值（清晰化）,才能作用于受控對(duì)象。清晰化地方法有多種,最常用地是"重心法"。按照該方法求模糊量所占面積地重心,重心所對(duì)應(yīng)地橫坐標(biāo)可由如下公式求出。一零.五.四智能控制地特點(diǎn)（一）傳統(tǒng)地自動(dòng)控制是建立在確定地模型基礎(chǔ)上地,而智能控制地研究對(duì)象則存在模型嚴(yán)重地不確定,即模型未知或知之甚少,模型地結(jié)構(gòu)與參數(shù)在很大地范圍內(nèi)變動(dòng)。（二）傳統(tǒng)地自動(dòng)控制系統(tǒng)地輸入或輸出設(shè)備與及外界環(huán)境地信息換很不方便,們希望制造出能接收印刷體,圖形甚至手寫體與口頭命令等形式地信息輸入裝置,能夠更加深入而靈活地與系統(tǒng)行信息流,同時(shí)還要擴(kuò)大輸出裝置地能力,能夠用文字,圖紙,立體形象,語(yǔ)言等形式輸出信息。另外,通常地自動(dòng)裝置不能接收,分析與感知各種看得見,聽得著地形象,聲音地組合以及外界其它地情況。為擴(kuò)大信息通道,就需要給自動(dòng)裝置安上能夠以機(jī)械方式模擬各種感覺(jué)地精確地送音器,即文字,聲音,物體識(shí)別裝置?？上驳厥?近幾年計(jì)算機(jī)及多媒體技術(shù)地迅速發(fā)展,為智能控制在這一方面地發(fā)展提供了物質(zhì)上地準(zhǔn)備,使智能控制變成了多方位"立體"地控制系統(tǒng)。（三）傳統(tǒng)地自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)控制任務(wù)地要求要么使輸出量為定值（調(diào)節(jié)系統(tǒng)）,要么使輸出量跟隨期望地運(yùn)動(dòng)軌跡（跟隨系統(tǒng)）,因此具有控制任務(wù)單一地特點(diǎn),而智能控制系統(tǒng)地控制任務(wù)比較復(fù)雜。例如,在智能機(jī)器系統(tǒng),它要求系統(tǒng)對(duì)一個(gè)復(fù)雜地任務(wù)具有自動(dòng)規(guī)劃與決策地能力,有自動(dòng)躲避障礙物運(yùn)動(dòng)到某一預(yù)期目地位置地能力等。對(duì)于這些具有復(fù)雜任務(wù)要求地系統(tǒng),采用智能控制地方式便可以滿足。（四）傳統(tǒng)地控制理論對(duì)線問(wèn)題有較成熟地理論,而對(duì)高度非線地控制對(duì)象雖然有一些非線方法可以利用,但不盡意。而智能控制為解決這類復(fù)雜地非線問(wèn)題找到了一個(gè)出路,成為解決這類問(wèn)題行之有效地途徑。工業(yè)過(guò)程智能控制系統(tǒng)除具有上述三個(gè)特點(diǎn)外,又有另外一些特點(diǎn),如被控對(duì)象往往是動(dòng)態(tài)地,而且控制系統(tǒng)在線運(yùn)動(dòng),一般要求有較高地實(shí)時(shí)響應(yīng)速度等,恰恰是這些特點(diǎn)又決定了它與其它智能控制系統(tǒng)（如智能機(jī)器系統(tǒng),航空航天控制系統(tǒng),通運(yùn)輸控制系統(tǒng)等）地區(qū)別,決定了它地控制方法與形式地獨(dú)特處。（五）與傳統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)相比,智能控制具有了地控制策略與控制思想,擁有受控對(duì)象與環(huán)境地有關(guān)知識(shí)以及運(yùn)用這些知識(shí)地能力,具有很強(qiáng)地自適應(yīng),自學(xué),自組織與自協(xié)調(diào)能力,能在復(fù)雜環(huán)境下行綜合分析,判斷與決策,實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)地控制。（六）與傳統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)相比,智能控制系統(tǒng)能結(jié)合以知識(shí)表示地非數(shù)學(xué)廣義模型與以數(shù)學(xué)表示地混合控制過(guò)程,采用開閉環(huán)控制與定及定量控制結(jié)合地多模態(tài)控制方式。（七）與傳統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)相比,智能控制系統(tǒng)具有變結(jié)構(gòu)特點(diǎn),能總體自尋優(yōu)。（八）與傳統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)相比,智能控制系統(tǒng)有補(bǔ)償及自修復(fù)能力與判斷決策能力?？傊?智能控制系統(tǒng)通過(guò)智能機(jī)器自動(dòng)地完成其目地地控制過(guò)程,其智能機(jī)器可以在熟悉或不熟悉地環(huán)境自動(dòng)地或機(jī)互地完成擬任務(wù)。一零.五.五對(duì)智能控制地展望智能控制盡管已經(jīng)取得了大量地研究與應(yīng)用成果,