智能控制簡明教程第1章緒論

智能控制IntelligentControl主講王從慶南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院

智能控制簡明教程第2版

課程安排1.課內(nèi)學(xué)時：30學(xué)時2.課內(nèi)實驗：4學(xué)時教學(xué)方式線下教學(xué)+學(xué)習(xí)通

智能控制簡明教程第2版考核成績構(gòu)成：平時成績:10%;階段成績（實驗）:20%;期末成績:70%

智能控制簡明教程第2版主要參考書：1.智能控制簡明教程王從慶2.智能控制技術(shù)北工大易繼全等3.智能控制及應(yīng)用南航大姜長生4.模糊控制、神經(jīng)控制和智能控制論

哈爾濱工業(yè)大學(xué)李士勇

5.智能控制理論和方法

電子科大李大厚

智能控制簡明教程第2版主要內(nèi)容：

第一章

緒論第二章模糊邏輯基礎(chǔ)第三章模糊控制原理第四章神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)

第五章神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制第六章卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

南京航空航天大學(xué)NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics智能控制簡明教程第2版學(xué)習(xí)要求課程思政課外閱讀參考書和參考文獻計算機練習(xí)，結(jié)合Matlab應(yīng)用考核：課堂練習(xí)、課外作業(yè)、期終考試智能控制簡明教程第2版課程思政教學(xué)內(nèi)容思政元素融入方式智能控制的發(fā)展引導(dǎo)同學(xué)樹立正確的人生觀和價值觀課程講解模型未知、參數(shù)變化、非線性克服困難、勇于探索的科學(xué)精神問題導(dǎo)入模糊推理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)大國工匠精神，職業(yè)使命感課程講解智能控制在航天等領(lǐng)域應(yīng)用科技報國的家國情懷和使命擔(dān)當(dāng)課程講解模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID實驗精益求精，嚴(yán)謹認真，團隊意識總結(jié)點評智能控制簡明教程第2版第一章

緒

論

傳統(tǒng)控制方法包括經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制，是基于被控對象精確模型的控制方式。1.1控制理論的發(fā)展過程智能控制簡明教程第2版控制理論發(fā)展過程開環(huán)控制對象的復(fù)雜性進展方向確定性反饋控制最優(yōu)控制隨機控制自適應(yīng)控制魯棒控制自學(xué)習(xí)控制自組織控制智能控制1.控制理論和應(yīng)用發(fā)展的概況控制理論的發(fā)展始于Watt飛球調(diào)節(jié)蒸汽機以后的100年。20年代以反饋控制理論為代表，形成經(jīng)典控制理論，著名的控制科學(xué)家有：Black,Nyquist,Bode.2.隨著航空航天事業(yè)的發(fā)展,50~60年代形成以多變量控制為特征的現(xiàn)代控制理論,主要代表有:Kalman的濾波器,Pontryagin

的極大值原理,Bellman的動態(tài)規(guī)劃,Lyapunov的穩(wěn)定性理論.3.70年代初,以分解和協(xié)調(diào)為基礎(chǔ),形成了大系統(tǒng)控制理論,用于復(fù)雜系統(tǒng)的控制,重要理論有遞階控制理論、分散控制理論、隊論等。主要用于資源管理、交通控制、環(huán)境保護等。以上控制理論我們稱之為傳統(tǒng)控制理論。智能控制簡明教程第2版階段第一階段第二階段第三階段形成時間40-50年代60-70年代80年代以來理論基礎(chǔ)經(jīng)典控制理論現(xiàn)代控制理論智能控制理論研究對象單因素控制多因素控制多層次眾多因素控制分析方法傳遞函數(shù)、頻域法狀態(tài)方程，時域法計算智能，多級控制研究重點反饋控制最優(yōu)，隨機，自適應(yīng)控制大系統(tǒng)理論，智能控制核心裝置自動調(diào)節(jié)器計算機智能機器系統(tǒng)應(yīng)用單機自動化機組自動化綜合自動化標(biāo)志調(diào)節(jié)原理狀態(tài)空間法智能控制簡明教程第2版經(jīng)典控制理論研究的主要對象多為線性定常系統(tǒng)，主要解決單輸入、單輸出問題，研究方法主要采用以傳遞函數(shù)，頻率特性，根軌跡為基礎(chǔ)的頻域分析法。

控制思想：

首先對機器進行“調(diào)節(jié)”，使之能穩(wěn)定運行；其次則采用“反饋”的方式，使得動力學(xué)系統(tǒng)能夠按照人們的要求精確地工作；最終是實現(xiàn)對系統(tǒng)按指定目標(biāo)進行的控制。智能控制簡明教程第2版經(jīng)典控制：研究單輸入/出系統(tǒng)，頻域法為主，20世紀(jì)40年代建立起來的?，F(xiàn)代控制：研究多輸入/出系統(tǒng)、非線性時變系統(tǒng)，20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的?？柭目煽匦钥捎^性，卡爾曼濾波，龐特里亞極大值原理是現(xiàn)代控制的主要標(biāo)志，采用狀態(tài)空間法，李氏穩(wěn)定法，可達到最優(yōu)性能指標(biāo)。缺點：依賴被控對象的數(shù)學(xué)模型智能控制簡明教程第2版智能控制：20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種新控制方法智能控制的思想：模仿人如何根據(jù)外部環(huán)境調(diào)整自身使之適應(yīng)其變化達到

對難以建?；蚰Ｐ筒淮_定性復(fù)雜系統(tǒng)的控制。

目前關(guān)于智能控制的定義，理論，結(jié)構(gòu)等問題無統(tǒng)一的

系統(tǒng)描述。智能控制簡明教程第2版傅京遜：智能控制：驅(qū)動機器自主實現(xiàn)其目標(biāo)的過程。智能系統(tǒng)：無須人干預(yù)的智能機器系統(tǒng)。智能控制簡明教程第2版1.2智能控制的研究對象

它是控制理論發(fā)展的高級階段，主要用來解決那些用傳統(tǒng)方法難以解決的復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題。如：1.智能機器人2.計算機集成制造系統(tǒng)CIMS3.復(fù)雜工業(yè)過程控制系統(tǒng)4.航空航天控制系統(tǒng)5.社會經(jīng)濟管理系統(tǒng)6.交通運輸系統(tǒng)等智能控制簡明教程第2版企業(yè)自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)管理層現(xiàn)場智能儀器儀表現(xiàn)場總線過程服務(wù)器過程控制器連接WAN企業(yè)自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)綜合管理與控制智能控制簡明教程第2版火星機器人智能控制簡明教程第2版步行機器人智能控制簡明教程第2版這些系統(tǒng)有如下特點：1.不確定性的模型

傳統(tǒng)的控制：建模

辨識參數(shù)

基于模型的控制方法。

智能控制：模型的結(jié)構(gòu)可以未知或參數(shù)變化

非模型控制方法。2.高度的非線性

傳統(tǒng)的控制：采用線性系統(tǒng)理論，用非線性控制方法

非線性問題。

智能控制簡明教程第2版

智能控制：采用人的思維具有非線性的特點，進行決策與控制，可較好解決非線性控制問題。3.復(fù)雜的任務(wù)要求

傳統(tǒng)的控制：系統(tǒng)完成單一任務(wù)。如隨動系統(tǒng)：輸出跟蹤輸入的期望運動軌跡。

智能控制：完成多任務(wù)。如智能機器人系統(tǒng)：決策與規(guī)劃、跟蹤等功能。智能控制簡明教程第2版

1.定義：所謂智能控制系統(tǒng)是指具備一定的智能行為的系統(tǒng)。

激勵輸入

系統(tǒng)

輸出（滿意）

（決策

控制作用）1.3

智能控制系統(tǒng)智能控制簡明教程第2版2.智能控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)（1）典型結(jié)構(gòu)人機交互技術(shù)智能控制簡明教程第2版如智能機器人系統(tǒng)被控對象：機器人手臂傳感器

：關(guān)節(jié)位置傳感器，力傳感器，視覺傳感器，觸覺感覺器通訊接口：人-機接口規(guī)劃與控制：給定任務(wù)推理、決策反饋信息動作規(guī)劃控制作用

經(jīng)驗知識

智能控制簡明教程第2版（2）分層遞階結(jié)構(gòu)組織級協(xié)調(diào)級執(zhí)行級對象識別智能控制簡明教程第2版組織級起主導(dǎo)作用，涉及知識的表示與處理，主要應(yīng)用人工智能；協(xié)調(diào)級在組織級和執(zhí)行級間起連接作用，涉及決策方式及其表示，采用人工智能及運籌學(xué)實現(xiàn)控制；執(zhí)行級是底層，具有很高的控制精度，采用常規(guī)自動控制。組織級協(xié)調(diào)級執(zhí)行級精度智能智能控制簡明教程第2版分層遞階結(jié)構(gòu)功能：組織級：自然語言

機器語言、決策、規(guī)劃協(xié)調(diào)級：協(xié)調(diào)工作執(zhí)行級：實現(xiàn)一定精度的控制識別：獲取不確定的參數(shù)、測量數(shù)據(jù)智能控制簡明教程第2版分層遞階結(jié)構(gòu)組織級協(xié)調(diào)級執(zhí)行級對象識別智能控制簡明教程第2版1.4智能控制系統(tǒng)的主要特點1.學(xué)習(xí)功能學(xué)習(xí)系統(tǒng)的定義（G.N.Saridis）一個系統(tǒng)如果能對一個過程或其環(huán)境的未知特征所固有的信息進行學(xué)習(xí)，并將收到的經(jīng)驗用于進一步的估計、分類、決策或控制從而使系統(tǒng)的性能得到改善

學(xué)習(xí)系統(tǒng)。智能控制簡明教程第2版

學(xué)習(xí)的目的

決策、控制

性能提高2.適應(yīng)功能不依賴模型的自適應(yīng)估計功能，故障容錯功能3.組織功能任務(wù)協(xié)調(diào)、信息組織、自主決策等智能控制簡明教程第2版1.5智能控制研究的數(shù)學(xué)工具傳統(tǒng)控制理論：微分方程、狀態(tài)方程等

數(shù)值計算方法人工智能：符號處理，一階謂詞邏輯智能控制：模糊集合論，取[0，1]之間值神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)：許多簡單關(guān)系

復(fù)雜關(guān)系：非線性映射

進化算法（演化）：全局優(yōu)化智能控制簡明教程第2版1.6智能控制的發(fā)展概況

20世紀(jì)60年代控制理論和技術(shù)的發(fā)展已漸趨成熟。而人工智能只是一種新興的技術(shù)。1966年

J.M.MENDEL（門德爾）將人工智能用于飛船控制系統(tǒng)的設(shè)計

人工智能控制

1971年

K.S.FU（傅京遜）從學(xué)習(xí)控制的角度，首次提出智能控制的概念。1986年

K.J.ASTROM將人工智能的專家系統(tǒng)技術(shù)引入到控制系統(tǒng)

智能控制系統(tǒng)

20世紀(jì)80年代以來，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NN）、模糊控制（FC）、遺傳算法（GA）等得到迅速發(fā)展。

智能控制簡明教程第2版智能控制與人工智能發(fā)展過程中

著名學(xué)者智能控制簡明教程第2版智能控制的主要形式智能控制BECDA分級遞階智能控制模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制仿人智能控制專家控制F各種方法的綜合集成智能控制簡明教程第2版NN：模擬人腦的功能，不依賴于精確的數(shù)學(xué)模型，具有自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)功能。FC：基于1965年L.A.ZADEH提出的模糊邏輯理論，模仿人的模糊推理和決策。GA：模擬生物的遺傳和長期進化過程中發(fā)展起來的一種搜索和優(yōu)化算法。模擬了生物界“生存競爭，優(yōu)勝劣汰，適者生存”機制，用逐次迭代法搜索尋優(yōu)。智能控制簡明教程第2版NN：NeuralNetworkFC:FuzzyControlGA:GeneticAlgorithm我國從20世紀(jì)80年代開始仿人智能控制研究。智能控制作為一門新興學(xué)科，還處于發(fā)展階段。智能控制簡明教程第2版智能控制理論----------多學(xué)科的交叉

1971傅京遜：人工智能+自動控制

K.S.FUArtificialIntelligence(AI)AutomaticControl(AC)

IntelligentControl(IC)

1977Saridis：人工智能+自動控制+運籌學(xué)運籌學(xué)OperationResearch

OR

自動控制ControlTheory

CT

1982

蔡自興：AI+CT+OR+ITIT

信息論InformationTheory智能控制簡明教程第2版智能控制理論的主要內(nèi)容：1.自適應(yīng)、自組織和自學(xué)習(xí)控制如：參數(shù)自適應(yīng)控制，參考模型自適應(yīng)控制控制

減小系統(tǒng)的不確定性

自學(xué)習(xí)控制：對過程、環(huán)境學(xué)習(xí)智能控制簡明教程第2版學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)

擾動控制器對象教師智能控制簡明教程第2版參數(shù)自適應(yīng)、自組織控制系統(tǒng)控制器對象控制器設(shè)計參數(shù)估計智能控制簡明教程第2版2.知識工程

解決專家控制中的知識獲取、知識表示、知識推理

推理決策（控制作用）

3.模糊控制理論

1965年

Zadeh提出的模糊集合理論，模仿人的推理過程.

如：洗衣機、空調(diào)、自動照相機等，符合人的思維邏輯，具有智能性。

If

氣溫低then

電機電壓增加年輕人：0.6，年老人：0.9隸屬度智能控制簡明教程第2版例子

模糊控制：用計算機去執(zhí)行人的控制策略

模糊控制洗衣機傳統(tǒng)洗衣機：指令控制指令：10分鐘水流:強甩干:5分鐘智能控制簡明教程第2版

模糊控制洗衣機把家庭主婦的智能、經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為自己的控制策略衣服很臟，洗衣時間長；衣服不太臟，洗衣時間稍短；棉質(zhì)衣服，水流稍弱；化纖類衣服，水流稍強；

……智能控制簡明教程第2版衣服非常臟，洗衣時間較長衣服臟，洗衣時間適中衣服不太臟，洗衣時間稍短……執(zhí)行器傳感器？模糊數(shù)學(xué)？智能控制簡明教程第2版模糊的概念天氣冷熱雨的大小風(fēng)的強弱人的胖瘦年齡大小個子高低智能控制簡明教程第2版經(jīng)典集合對溫度的定義5253501冷舒適514.915智能控制簡明教程第2版模糊集合對溫度的定義525350115103040200.50.30.7舒適冷熱150.9910.0114.9智能控制簡明教程第2版01不太臟臟很臟01短中長洗衣時間隸屬度隸屬度衣服程度0.70.3*52035主婦經(jīng)驗：衣服很臟，洗衣時間長衣服臟，洗衣時間中衣服不太臟，洗衣時間短357輸入控制作用智能控制簡明教程第2版模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模糊化模糊推理反模糊化對象智能控制簡明教程第2版4.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論

已有30年歷史，但近幾年才得到廣泛應(yīng)用，它是一種不依賴模型的自適應(yīng)函數(shù)估計器。智能控制簡明教程第2版模擬人腦神經(jīng)系統(tǒng)智能活動的控制方式pp1xp1xpn···pm輸入輸出它具有

學(xué)習(xí)能力適應(yīng)能力智能控制簡明教程第2版智能控制簡明教程第2版工作原理x1x2y智能控制簡明教程第2版神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點并行處理信息分布存儲高度的容錯性和魯棒性連續(xù)時間的非線性動力學(xué)特性

感知器模型智能控制簡明教程第2版神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能：逼近任意的非線性函數(shù)便于信息的并行、分布式處理和存儲可以實現(xiàn)多輸入、多輸出能進行學(xué)習(xí)，以適應(yīng)環(huán)境的變化智能控制簡明教程第2版5.遺傳算法（GeneticAlgorithm—GA）是一種全局優(yōu)化方法，它模仿生物進化的過程來逐次達到最好的結(jié)果。智能控制簡明教程第2版遺傳算法思想來源:Darwin的進化論Mendel的遺傳學(xué)說物競天擇,適者生存遺傳:作為一種指令遺傳碼封裝在每個細胞中,并以基因的形式包含在染色體中,每個基因有特殊的位置并控制某個特殊的性質(zhì).智能控制簡明教程第2版遺傳算法實現(xiàn)思路:問題編碼，生成初始染色體群復(fù)制（從舊種群中選擇生命力強的個體進行復(fù)制）再生交叉（部分內(nèi)容進行互換）變異（某個或某幾個位置的內(nèi)容進行跳變）循環(huán)進行直到收斂于問題的最優(yōu)解。智能控制簡明教程第2版6.專家控制

專家系統(tǒng)由知識庫、推理機、解釋器、知識獲組成

機器學(xué)習(xí)，透明性，靈活性。

應(yīng)用：復(fù)雜系統(tǒng)控制，如故障診斷，容錯控制7.仿人智能控制8.集成智能控制

模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制基于遺傳算法的模糊控制智能控制簡明教程第2版專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)專家用戶智能控制簡明教程第2版專家系統(tǒng)推理機知識庫綜合數(shù)據(jù)庫知識獲取解釋接口專家用戶QuestionAnswer智能控制簡明