智能控制導(dǎo)論 第4版 課件 第10章 智能控制算法和編程

智能控制導(dǎo)論IntroductiontoIntelligentControl智能控制導(dǎo)論第4版蔡自興編著

國(guó)家精品課程配套教材中國(guó)水利水電出版社2024

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教材第四篇智能控制的算法與算力第10章智能控制算法和編程Ch.10IntelligentControl:AlgorithmandProgramming

10.1智能控制算法的定義、特點(diǎn)與分類(lèi)10.2智能控制算法的MATLAB仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)10.3基于Python的深度學(xué)習(xí)框架設(shè)計(jì)10.4小結(jié)10.1智能控制算法的定義、特點(diǎn)與分類(lèi)Thedefinition,characteristics,andclassificationofintelligentcontrolalgorithms

本節(jié)簡(jiǎn)介智能控制算法的定義、特點(diǎn)與分類(lèi)，了解智能控制算法的基本概念，建立智能控制算法的一般認(rèn)識(shí)。10.1.1智能控制算法的定義與特點(diǎn)1.智能控制算法的定義定義10.1智能控制算法

是求解智能控制問(wèn)題的一系列指令描述，代表著用系統(tǒng)方法描述智能控制問(wèn)題求解的策略機(jī)制。簡(jiǎn)而言之，智能控制算法是智能控制問(wèn)題求解的指令描述。本章集中討論智能控制的算法和編程問(wèn)題。10.1.1智能控制算法的定義與特點(diǎn)（續(xù)）2.智能控制算法的特點(diǎn)一般來(lái)說(shuō)，智能控制語(yǔ)言應(yīng)具備如下特點(diǎn)：

（1）同時(shí)具有符號(hào)處理和數(shù)值運(yùn)算能力，即非數(shù)值處理能力和數(shù)值處理能力。（2）適于結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)，易于編程。能夠?qū)⑾到y(tǒng)分解成若干易于理解和處理的子系統(tǒng)，從而能夠比較容易實(shí)現(xiàn)問(wèn)題求解。（3）遞歸功能和回溯功能。（4）良好的人機(jī)交互能力。（5）能夠進(jìn)行推理。（6）具有將過(guò)程與說(shuō)明式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)混合起來(lái)的能力，又要有辨別數(shù)據(jù)、確定控制模式匹配機(jī)制的能力。10.1.1智能控制算法的定義與特點(diǎn)（續(xù)）3.符號(hào)和邏輯處理編程語(yǔ)言的特點(diǎn)（1）具有表結(jié)構(gòu)形式。LISP處理對(duì)象和基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都是符號(hào)表達(dá)式，具有一組用于表處理的基本函數(shù)，能對(duì)表進(jìn)行比較自由的操作。PROLOG處理對(duì)象的項(xiàng)，是表的特例。這類(lèi)語(yǔ)言特別適用于符號(hào)處理。（2）便于表示知識(shí)和邏輯計(jì)算。PROLOG是以一階謂詞為基礎(chǔ)的，而一階邏輯是一種描述關(guān)系的形式語(yǔ)言，很接近于自然語(yǔ)言的描述方式。（3）具有識(shí)別數(shù)據(jù)、確定控制匹配模式和進(jìn)行自動(dòng)演繹的能力。（4）能夠建立框架結(jié)構(gòu)，便于聚集各種知識(shí)和信息，并作為一個(gè)整體存取。（5）具有以最適合特定任務(wù)的方式把程序與說(shuō)明數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)的能力。

（6）具有并行處理的能力。10.1.1智能控制算法的定義與特點(diǎn)（續(xù)）4.解釋型腳本語(yǔ)言Python的特點(diǎn)（1）可讀性Python的設(shè)計(jì)思想理念可以使用優(yōu)雅、明確、簡(jiǎn)單三個(gè)詞來(lái)總結(jié)，代碼具有極佳的可讀性。（2）簡(jiǎn)單Python是一種代表簡(jiǎn)單主義思想的語(yǔ)言。Python的這種偽代碼本質(zhì)是最大的優(yōu)點(diǎn)之一。（3）易學(xué)Python具有相對(duì)少的關(guān)鍵字，語(yǔ)法定義明確，簡(jiǎn)單易學(xué)。（4）免費(fèi)與開(kāi)源Python是自由開(kāi)放源碼軟件FLOSS之一。可以自由使用它的源代碼。（5）高層語(yǔ)言

使用Python語(yǔ)言編程時(shí)，不需考慮內(nèi)存一類(lèi)的細(xì)節(jié)。（6）可移植性

基于開(kāi)源本質(zhì)，Python已被成功移植到許多平臺(tái)上。

（7）可解釋性

用Python語(yǔ)言寫(xiě)的程序可以直接從源代碼運(yùn)行程序。（8）面向?qū)ο缶幊?/p>

既支持面向過(guò)程的編程也支持面向?qū)ο蟮木幊?。?）可擴(kuò)展性

可把部分程序用C或C++編寫(xiě)，然后在Python程序中使用它們。（10）豐富的庫(kù)：10.1.2智能控制算法的分類(lèi)

智能控制算法豐富多彩，既有顯式算法，也有隱式算法。根據(jù)算法原理的相似和差異，將智能控制算法歸納分類(lèi)如下：（1）反饋型智能控制算法（2）專(zhuān)家控制算法（3）學(xué)習(xí)控制算法（4）仿生算法（5）馬爾可夫隨機(jī)搜索算法（6）MATLAB智能控制工具箱

（7）Python編程和開(kāi)源算法（8）復(fù)合智能控制算法10.2智能控制算法的MATLAB仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)MATLAB工具箱是MATLAB軟件的智能算法工具包，可實(shí)現(xiàn)多種算法，安裝對(duì)應(yīng)的MATLAB工具箱后即可直接調(diào)用對(duì)應(yīng)的算法和函數(shù)，便于使用。MATLAB工具箱包括MATLAB遺傳算法工具箱、MATLAB模糊控制工具箱、MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱、MATLABsvm工具箱、MATLAB小波工具箱、MATLABmpt工具箱等。10.2.1MATLAB模糊控制工具箱簡(jiǎn)介MATLAB模糊邏輯工具箱的模糊推理系統(tǒng)(fuzzyinferencesystem，F(xiàn)IS)包括五個(gè)部分，即規(guī)則編輯器、FIS編輯器、隸屬函數(shù)編輯器、規(guī)則觀察器、界面觀察器,如圖14.1所示。10.2.1MATLAB模糊控制工具箱簡(jiǎn)介（續(xù)）MATLAB工具箱的圖形用戶接口(GUI)工具的5個(gè)基本組成部分可以相互作用并交換信息。它們中任意一個(gè)可以對(duì)工作空間和磁盤(pán)進(jìn)行讀和寫(xiě)，只讀型觀察器仍可與工作空間或磁盤(pán)交換圖形。對(duì)于任意模糊推理系統(tǒng)，可以打開(kāi)任意或所有5個(gè)GUI組件。若對(duì)一個(gè)系統(tǒng)打開(kāi)一個(gè)以上編輯器，各種GUI窗口可知其他GUI窗口的存在。編輯器可同時(shí)打開(kāi)任意數(shù)量的不同的FIS系統(tǒng)。FIS編輯器、隸屬度函數(shù)編輯器和規(guī)則編輯器都可讀寫(xiě)或修改FIS數(shù)據(jù)。圖10.1MATLAB模糊邏輯工具箱的5個(gè)組成部分10.2.1MATLAB模糊控制工具箱簡(jiǎn)介（續(xù)）

下面將根據(jù)模糊控制器的設(shè)計(jì)步驟，簡(jiǎn)要介紹如何利用MATLAB工具箱的圖形用戶接口工具來(lái)設(shè)計(jì)模糊控制器。

首先，在MATLAB的命令窗口（commandwindow）中輸入“fuzzy”命令即可打開(kāi)FIS編輯器，見(jiàn)圖14.2。然后，定義與每個(gè)變量相關(guān)的隸屬度函數(shù)，為此打開(kāi)隸屬度函數(shù)編輯器?？梢杂孟铝?種方法之一打開(kāi)隸屬度函數(shù)編輯器：(1)打開(kāi)Edit下拉式菜單并選擇MembershipFunctions…；(2)雙擊相應(yīng)變量的圖標(biāo)；(3)在命令行鍵入mfedit。最后，為調(diào)用規(guī)則編輯器，打開(kāi)Edit下拉式菜單并選擇MembershipFunctions…,或在命令行鍵入ruleedit。圖10.2FIS編輯器窗口10.2.2模糊控制算法的仿真程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)圖10.3水箱液位模糊控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖一個(gè)水箱液位模糊控制系統(tǒng)

其仿真結(jié)構(gòu)圖圖如圖10.3所示。

10.2.2模糊控制算法的仿真程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（續(xù)）圖10.4水箱液位模糊控制仿真結(jié)果在Simulink環(huán)境下運(yùn)行，得到水箱液位模糊控制系統(tǒng)。從圖中可以看出系統(tǒng)的實(shí)際輸出液位能及時(shí)跟蹤給定的液位方波信號(hào)，超調(diào)量為4.1%，穩(wěn)定性能很好，輸出液位信號(hào)響應(yīng)時(shí)間約6s，穩(wěn)態(tài)誤差控制在5%之內(nèi)，達(dá)到了良好的控制性能指標(biāo)。水箱液位模糊控制的效果優(yōu)于水箱液位PID控制的效果。

圖10.5水箱液位PID控制仿真結(jié)果一個(gè)水箱液位模糊控制系統(tǒng)（續(xù)）10.2.3MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱圖形用戶界面設(shè)計(jì)

MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱圖形用戶界面

圖形用戶界面又稱(chēng)圖形用戶接口(graphicaluserinterface，GUI)是指采用圖形方式顯示計(jì)算機(jī)操作用戶界面。利用MATLAB的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱，可使用戶更加友好與快捷。GUI的Network/DataManager窗口，是一個(gè)獨(dú)立窗口。在MATLAB命令行窗口中輸入nntool后按回車(chē)鍵，出現(xiàn)圖10.6所示的Network/DataManager窗口。圖10.6Network/DataManager窗口

輸出欲

延遲時(shí)間

輸入欲延遲時(shí)間誤差值目標(biāo)輸入值輸入值輸出值構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)10.2.4基于Simulink的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊工具箱及其控制仿真

Simulink是MATLAB中的軟件包，采用模塊描述系統(tǒng)的典型環(huán)節(jié)。因此，是面向結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真軟件，適合用于連續(xù)線性與非線性系統(tǒng)、離散線性與非線性系統(tǒng)以及混合系統(tǒng)，具有可視化特點(diǎn)。應(yīng)用Simulink構(gòu)建設(shè)計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有兩條途徑：(1)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱提供可在Simulink中構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的模塊。(2)在MATLAB工作空間中設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)，能用函數(shù)gensim()很方便地生成相應(yīng)的Simulink模型網(wǎng)絡(luò)。圖10.7神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱子模塊窗口Simulink神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊各子模塊庫(kù)于下：傳遞函數(shù)模塊庫(kù)；網(wǎng)絡(luò)輸入模塊庫(kù)；權(quán)值設(shè)置模塊庫(kù)；控制系統(tǒng)模塊庫(kù)；過(guò)程處理模塊庫(kù)

深度學(xué)習(xí)框架是一款軟件，它屏蔽底層硬件復(fù)雜、繁瑣的使用方式，對(duì)外提供簡(jiǎn)單應(yīng)用的功能函數(shù)，提供了一種快速、高效、可擴(kuò)展的手段來(lái)構(gòu)建和訓(xùn)練各種深度學(xué)習(xí)模型。深度學(xué)習(xí)框架需要具備下列性能：(1)能夠支持多種深度學(xué)習(xí)算法和模型(2)具備良好的可擴(kuò)展性和可移植性(3)能夠提供高效的計(jì)算和存儲(chǔ)機(jī)制(4)能夠提供靈活的部署和集成方式(5)能夠關(guān)注用戶體驗(yàn)和易用性10.3基于Python的深度學(xué)習(xí)框架設(shè)計(jì)10.3.1Python語(yǔ)言簡(jiǎn)介吉多·范羅蘇姆1.Python發(fā)展簡(jiǎn)史

荷蘭人吉多·范羅蘇姆（GuidovanRossum）于1989年開(kāi)始開(kāi)發(fā)了一個(gè)新的腳本解釋程序，作為ABC語(yǔ)言的一種繼承，并以Python（大蟒蛇）作為該編程語(yǔ)言的名稱(chēng)。Python自誕生之日起就是一種天生開(kāi)放的語(yǔ)言。2000年10月，Python2.0發(fā)布。自2004年開(kāi)始，Python語(yǔ)言逐漸引起廣泛關(guān)注，使用用戶率呈線性增長(zhǎng)。2008年12月Python3.0發(fā)布。此后，Python語(yǔ)言成為最受歡迎的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言之一。2.Python版本

Python目前有兩個(gè)版本，分別為Python2.x版和Python3.x版。這兩個(gè)版本是不兼容的，3.x版本不考慮對(duì)2.x版本的向后兼容?！綪ython2與Python3的主要區(qū)別】

打印語(yǔ)句

整數(shù)除法Range函數(shù)

字符編碼

輸入函數(shù)

異常處理

……10.3.1Python簡(jiǎn)介（續(xù)）3.Python的特點(diǎn)（1）簡(jiǎn)單：Python是一種代表簡(jiǎn)單主義思想的語(yǔ)言。（2）易學(xué)：Python具有相對(duì)少的關(guān)鍵字，語(yǔ)法定義明確，簡(jiǎn)單易學(xué)。（3）免費(fèi)、開(kāi)源：Python是自由/開(kāi)放源碼軟件FLOSS之一。。（4）高層語(yǔ)言：使用Python語(yǔ)言編程時(shí)，不需要考慮使用內(nèi)存一類(lèi)的細(xì)節(jié)。（5）可移植性：由于其開(kāi)源本質(zhì)，Python已被成功移植到許多平臺(tái)上。（6）可解釋性：Python語(yǔ)言寫(xiě)的程序可以直接從源代碼運(yùn)行程序。（7）面向?qū)ο缶幊蹋篜ython既支持面向過(guò)程編程也支持面向?qū)ο缶幊?。?）可擴(kuò)展性：可把部分程序用C或C++編寫(xiě)，然后在程序中使用。（9）豐富的庫(kù)：Python標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)非常龐大，可以處理各種工作。（10）代碼規(guī)范：Python采用強(qiáng)制縮進(jìn)方式使得代碼具有極佳的可讀性。10.3.1Python簡(jiǎn)介（續(xù)）10.3.2深度學(xué)習(xí)框架的發(fā)展深度學(xué)習(xí)框架深度學(xué)習(xí)框架的發(fā)展過(guò)程10.3.2深度學(xué)習(xí)框架的發(fā)展（續(xù)）

目前，深度學(xué)習(xí)框架朝著支持超大規(guī)模模型和更好可用性的趨勢(shì)發(fā)展。

首先是大型模型訓(xùn)練。隨著B(niǎo)ERT（來(lái)自Transformers的雙向編碼表示）及其近親GPT-3的誕生，訓(xùn)練大型甚至超大規(guī)模模型的能力成為了深度學(xué)習(xí)框架的理想特性。深度學(xué)習(xí)框架能夠在數(shù)百臺(tái)設(shè)備規(guī)模下有效地進(jìn)行訓(xùn)練。第二個(gè)趨勢(shì)是可用性。深度學(xué)習(xí)框架都采用命令式編程風(fēng)格，語(yǔ)義靈活，調(diào)試方便。同時(shí)，這些框架還提供了用戶級(jí)的裝飾器或API，以通過(guò)一些JIT（即時(shí)）編譯器技術(shù)實(shí)現(xiàn)高性能編程。（1）Tensorflow

TensorFlow命名來(lái)源于本身的原理，Tensor（張量）意味著N維數(shù)組，F(xiàn)low（流）意味著基于數(shù)據(jù)流圖的計(jì)算。Tensorflow運(yùn)行過(guò)程就是張量從圖的一端流動(dòng)到另一端的計(jì)算過(guò)程?！綯ensorFlow優(yōu)勢(shì)】高度的靈活性可移植性自動(dòng)求微分多種語(yǔ)言支持性能高度優(yōu)化10.3.3深度學(xué)習(xí)開(kāi)源框架比較（2）PyTorchZ

Pytorch是Torch的Python版本，由Facebook開(kāi)源的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)框架，專(zhuān)門(mén)針對(duì)GPU加速的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)編程。與Tensorflow的靜態(tài)計(jì)算圖不同，pytorch的計(jì)算圖是動(dòng)態(tài)的，可以根據(jù)計(jì)算需要實(shí)時(shí)改變計(jì)算圖?！綪ytorch優(yōu)勢(shì)】簡(jiǎn)潔速度易用活躍的社區(qū)10.3.3深度學(xué)習(xí)開(kāi)源框架比較（續(xù)）（3）PaddlePaddle

PaddlePaddle由百度公司在2016年9月推出。至此，百度公司成為繼谷歌、臉書(shū)、IBM之后另一個(gè)將人工智能技術(shù)開(kāi)源的科技巨頭，同時(shí)也是國(guó)內(nèi)首個(gè)開(kāi)源深度學(xué)習(xí)平臺(tái)的科技公司。Paddle的全稱(chēng)是ParallelDistributedDeepLearning，即并行分布式深度學(xué)習(xí)，是在百度公司內(nèi)部已經(jīng)使用多年的框架。【PaddlePaddle優(yōu)勢(shì)】易用代碼更簡(jiǎn)潔更快的速度10.3.3深度學(xué)習(xí)開(kāi)源框架比較（續(xù)）（4）MindSpore

MindSpore是華為公司推出的新一代深度學(xué)習(xí)框架，是源于全產(chǎn)業(yè)的最佳實(shí)踐，最佳匹配昇騰處理器算力，支持終端、邊緣、云全場(chǎng)景靈活部署，開(kāi)創(chuàng)全新的AI編程范式，降低AI開(kāi)發(fā)門(mén)檻?！綧indSpore優(yōu)勢(shì)】編程簡(jiǎn)單端云協(xié)同調(diào)試輕松性能卓越開(kāi)源開(kāi)放10.3.3深度學(xué)習(xí)開(kāi)源框架比較（續(xù)）張量幾何代數(shù)中定義的張量是基于向量和矩陣的推廣，通俗一點(diǎn)理解的話，可以將標(biāo)量視為零階張量，矢量視為一階張量，那么矩陣就是二階張量。舉例來(lái)說(shuō)，可以將任意一張RGB彩色圖片表示成一個(gè)三階張量（三個(gè)維度分別是圖片的高度、寬度和色彩數(shù)據(jù)）。一張普通的水果圖片，按照RGB三原色表示可以拆分為紅色、綠色和藍(lán)色的三張灰度圖片。這種表示方法可用張量形式寫(xiě)出來(lái)。

水果圖片RGB三原色灰度圖與對(duì)應(yīng)的張量10.3.4深度學(xué)習(xí)框架基本功能2.計(jì)算圖有了張量和基于張量的各種操作之后，下一步就是將各種操作整合起來(lái)，輸出需要的結(jié)果。各操作之間的關(guān)系難以理清，有可能引發(fā)各種意想不到的問(wèn)題，計(jì)算圖正是為解決這些問(wèn)題產(chǎn)生的。圖中用不同的占位符（*，+，-，sin）構(gòu)成操作結(jié)點(diǎn)，以字母x、a、b構(gòu)成變量結(jié)點(diǎn)，再以有向線段將這些結(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，組成一個(gè)表征運(yùn)算邏輯關(guān)系的清晰明了的“圖”型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。3.自動(dòng)微分

計(jì)算圖帶來(lái)的另一個(gè)好處是讓模型訓(xùn)練階段的梯度計(jì)算變得模塊化且更為便捷，也就是自動(dòng)微分法。求取模型梯度的方法就變成了在計(jì)算圖中簡(jiǎn)單地從輸入到輸出進(jìn)行一次完整遍歷的過(guò)程。計(jì)算圖表示的函數(shù)示例10.3.4深度學(xué)習(xí)框架基本功能（續(xù)）4.基本深度模型組件深度學(xué)習(xí)的計(jì)算主要包含訓(xùn)練和預(yù)測(cè)（或推理）兩個(gè)階段，訓(xùn)練的基本流程是輸入數(shù)據(jù)→網(wǎng)絡(luò)層前向傳播→計(jì)算損失→網(wǎng)絡(luò)層反向傳播梯度→更新參數(shù)，預(yù)測(cè)的基本流程是輸入數(shù)據(jù)→網(wǎng)絡(luò)層前向傳播→輸出結(jié)果。對(duì)深度學(xué)習(xí)的基本組件做一個(gè)抽象：圖10.14深度學(xué)習(xí)框架基本組件架構(gòu)圖10.3.4深度學(xué)習(xí)框架基本功能（續(xù)）5.計(jì)算加速

深度學(xué)習(xí)框架主要從編程語(yǔ)言、分布式并行計(jì)算和數(shù)據(jù)處理優(yōu)化等方面實(shí)現(xiàn)計(jì)算加速功能。第一種方法是模擬傳統(tǒng)的編譯器。第二種方法就是前文提到的，利用腳本語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)前端建模，用低級(jí)語(yǔ)言如C++實(shí)現(xiàn)后端運(yùn)行。

分布式并行訓(xùn)練，可以降低對(duì)內(nèi)