1、1,智 能 控 制,第一页，共四十七页。,2,课程(kchng)总目标,学完本课程后，你应具有以下能力：掌握智能(zh nn)控制的基本概念；了解智能控制的基本理论，掌握智能控制的基本技术；学会智能控制算法和系统的设计方法掌握神经网络的基本概念、神经网络控制器的工作原理和设计方法；熟悉和会编写神经网络控制系统仿真或应用程序；掌握模糊控制器的组成、工作原理和设计方法；熟悉和会编写模糊控制系统仿真或应用程序；掌握专家系统的基本概念、专家控制系统的工作原理和设计方法；熟悉和会编写专家控制系统仿真或应用程序；,第二页，共四十七页。,3,参考书目,1、Fuzzy control 2、An Introdu
2、ction to Fuzzy Control3、孙增圻等.智能控制理论与技术 4、蔡自兴.智能控制基础与应用5、李人厚.智能控制理论与方法6、李士勇.模糊控制神经控制和智能控制论 7、诸静等.模糊控制原理与应用 8、蒋宗礼.人工神经网络导论 9、张立明.人工神经网络的模型及其应用 10、阎平凡,张长水.人工神经网络与模拟进化(jnhu)计算,第三页，共四十七页。,4,智能控制概述 智能控制是自动控制发展的一个(y)新阶段，是人工智能、控制论、系统论和信息论等多种学科的综合与集成，是当前的一个(y)研究热点。,控制理论和应用发展的概况传统控制理论的局限性智能与智能控制的基本概念智能控制系统的特点
3、智能控制系统的结构理论智能控制与传统控制的关系智能控制的研究对象(duxing)智能控制的类型,第四页，共四十七页。,5,控制理论和应用发展(fzhn)的概况,控制理论的发展(fzhn)始于Watt飞球调节蒸汽机以后的100年。,1.20年代以反馈控制(kngzh)理论为代表，形成经典控制理论，著名的 控制科学家有：Black,Nyquist,Bode.,2.随着航空航天事业的发展,5060年代形成以多变量控制为特 征的现代控制理论,主要代表有:Kalman的滤波器,Pontryagin 的极值原理,Bellman 的动态规划,和Lyapunov的稳定性理论.,3.70年代初,以分解和协调为基
4、础,形成了大系统控制理论,用于 复杂系统的控制,重要理论有递阶控制理论、分散控制理论、队论等。主要用于资源管理、交通控制、环境保护等。,以上控制理论我们称之为传统控制理论。,第五页，共四十七页。,6,理论与实际应用存在(cnzi)很大差距,PID在实际应用中仍占统治(tngzh)地位。,原因：实际应用情况的复杂性、多变性、不确定性；所需数学工具难以被多数技术人员所掌握；自动控制需要其它技术支持，如网络、计算机；自动控制学科高度的交叉性、应用的广泛性；国内企业存在管理体制问题(wnt)，技术投入力度不够。,第六页，共四十七页。,7,传统控制(kngzh)理论的局限性,随着复杂系统的不断涌现，传统
5、控制理论越来越多地显示它的局限性。什么叫复杂系统？其特征表现为：1、控制对象的复杂性模型的不确定性高度非线性分布式的传感器和执行机构动态突变(tbin)多时间标度复杂的信息模式庞大的数据量和严格的性能指标。,第七页，共四十七页。,8,2.环境的复杂性 变化的不确定性 难以辨识必须与被控对象集合起来作为一个整体来考虑3.控制任务或目标的复杂性 控制目标和任务的多重性 时变性 任务集合处理的复杂性传统控制理论的局限性 1）传统的控制理论建立在精确的数学模型基础上用微分或差分方程来描述。不能反映人工智能(rn n zh nn)过程：推理、分析、学习。丢失许多有用的信息,第八页，共四十七页。,9,2）
6、不能适应大的系统参数和结构的变化自适应控制和自校正控制通过对系统某些重要参数的估计克服小的、变化较慢的参数不确定性和干扰。鲁棒控制在参数或频率响应处于允许集合内，保证被控系统的稳定。自适应控制、鲁棒控制不能克服数学模型严重的不确定性和工作点剧烈的变化。3）传统的控制系统输入信息模式单一 通常处理较简单的物理量：电量（电压、电流、阻抗）；机械量（位移、速度、加速度）；复杂系统要考虑：视觉、听觉、触觉信号，包括(boku)图形、文字、语言、声音等信息。,为了克服传统控制理论的局限性，产生(chnshng)了模拟人类思维和活动的智能控制。,第九页，共四十七页。,10,智能(zh nn)与智能(zh
7、nn)控制的基本概念,智能控制已经出现了相当长的一段时间，并且已取得了初步的应用成果.但是究竟什么是“智能”，什么是“智能控制”等问题，至今(zhjn)仍没有统一的定义。,第十页，共四十七页。,11,按系统的一般(ybn)行为特征定义(Albus),什么叫智能(zh nn)？有不同的定义：,在不确定环境中，作出合适动作的能力。合适动作是指增加(zngji)成功的概率，成功就是达到行为的子目标，以支持系统实现最终目标。,！？,低级智能：感知环境、作出决策、控制行为,第十一页，共四十七页。,12,高级智能：理解和觉察能力，在复杂(fz)和险恶环境中进行 选择的能力，力求生存和进步。,第十二页，共四
8、十七页。,13,按人类的认知的过程(guchng)定义（A.Meystel),智能是系统(xtng)的一个特征，当集注（Focusing Attention)、组合搜索(Combinatorial Search)、归纳（Generalization)过程作用于系统输入，并产生系统输出时，就表现为智能。,系统(xtng)输入,系统输出,智能,集中注意力,组合搜索,归纳,第十三页，共四十七页。,14,按机器(j q)智能定义(Saridis),机器智能是把信息进行分析、组织，并把它转换成知识的过程。知识就是所得到的结构性信息，它可用来使机器执行特定(tdng)的任务，以消除该任务的不确定性或盲目性
9、，达到最优或次优的结果。,机器(j q)智能,第十四页，共四十七页。,15,智能(zh nn),控制(kngzh),密切相关,智能(zh nn)系统必是 控制系统,控制系统必需具有智能,第十五页，共四十七页。,16,智能控制的定义一:智能控制是由智能机器自主地实现其目标的过程(guchng)。而智能机器则定义为，在结构化或非结构化的、熟悉的或陌生的环境中，自主地或与人交互地执行人类规定的任务的一种机器。,第十六页，共四十七页。,17,定义二:K.J.奥斯特洛姆则认为，把人类具有的直觉推理(tul)和试凑法等智能加以形式化或机器模拟，并用于控制系统的分析与设计中，以期在一定程度上实现控制系统的智
10、能化，这就是智能控制。他还认为自调节控制、自适应控制就是智能控制的低级体现。,第十七页，共四十七页。,18,定义三:智能控制是一类无需人的干预就能够自主地驱动智能机器实现其目标的自动控制，也是用计算机模拟(mn)人类智能的一个重要领域。,第十八页，共四十七页。,19,定义四:智能控制实际(shj)只是研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研制具有仿人智能的工程控制与信息处理系统的一个新兴分支学科。,第十九页，共四十七页。,20,定义五：（一种通俗但不严格的定义）在控制系统(kn zh x tn)中，如果控制器完成了分不清是机器还是人完成的任务，则称这样的系统为智能控制系统(kn
11、zh x tn)。,第二十页，共四十七页。,21,智能(zh nn)控制的特点,智能控制的核心在高层控制，即组织级;智能控制器具有非线性特性;智能控制器具有总体自寻优特性;智能控制系统应能满足(mnz)多样性目标的高性能要求;智能控制系统应具备学习能力、容错能力、适应能力、组织能力、实时性、鲁棒性、人机协作等性能;,第二十一页，共四十七页。,22,智能控制(kngzh)的结构理论,智能控制的理论结构明显地具有多学科交叉的特点，许多研究人员试图建立起智能控制这一新学科，他们提出了一些有关智能控制系统结构的思想。按照（傅京孙）和Saridis提出的观点，可以把智能控制看作(kn zu)是人工智能、
12、自动控制和运筹学三个主要学科相结合的产 物。称之为三元结构。,第二十二页，共四十七页。,23,IC=AIACOR IC 智能控制(Intelligent Control);Al人工智能(Artificial Intelligence);AC一自动控制(z dn kn zh)(Automatic Control);OR运筹学(Operation Research）一表示交集.,第二十三页，共四十七页。,24,人工智能（AI）：是一个知识处理(chl)系统，具有记忆、学习、信息处理(chl)、形式语言、启发式推理等功能。自动控制（AC）：描述系统的动力学特性，是一种动态反馈。运筹学（OR）：是一种
13、定量优化方法，如线性规划、网络规划、调度、管理、优化决策和多目标优化方法等。,第二十四页，共四十七页。,25,智能控制就是应用人工智能的理论与技术和运筹学的优化方法，并将其同控制理论方法与技术相结合，在未知环境下，仿效人的智能，实现对系统的控制。可见(kjin)，智能控制代表着自动控制学科发展的最新进程。,第二十五页，共四十七页。,26,智能控制(kngzh)的结构理论,第二十六页，共四十七页。,27,智能(zh nn)控制与传统控制的关系,传统控制（Conventional control）：经典反馈控制和现代理论控制。它们的主要特征是基于精确的系统数学模型的控制。适于解决线性、时不变等相对
14、简单的控制问题。智能控制（Intelligent control）以上问题用智能的方法同样可以解决。智能控制是对传统控制理论的发展，传统控制是智能控制的一个组成部分(z chn b fn)，智能控制的许多解决方案是在传统控制方案基础上的改进，在这个意义下，两者可以统一在智能控制的框架下。,第二十七页，共四十七页。,28,智能(zh nn)控制的研究对象,不确定性的模型高度(god)的非线性复杂的任务要求,第二十八页，共四十七页。,29,智能(zh nn)控制的应用场合,智能控制主要应用在以下情况：实际系统由于存在复杂性、非线性、时变性、不确定性和不完全性等，一般无法获得精确的数学模型。应用传统
15、控制理论进行控制必须提出并遵循(zn xn)一些比较苛刻的线性化假设，而这些假设在应用中往往与实际情况不相吻合。,第二十九页，共四十七页。,30,智能控制(kngzh)的应用场合,对于某些复杂的和包含不确定性的控制过程，根本无法用传统数学模型来表示，即无法解决建模问题。为了提高控制性能，传统控制系统可能变得很复杂，从而增加了设备(shbi)的投资，减低了系统的可靠性。,第三十页，共四十七页。,31,智能(zh nn)控制的类型,智能控制系统一般包括分级递阶控制系统专家控制系统神经控制系统模糊控制系统学习控制系统集成或者（复合）混合控制：几种方法和机制往往结合在一起，用于一个实际(shj)的智能
16、控制系统或装置，从而建立起混合或集成的智能控制系统。,第三十一页，共四十七页。,32,分级(fn j)递阶控制系统,分级递阶智能控制是在自适应控制和自组织控制基础上，由美国普渡大学Saridis提出的智能控制理论。分级递阶智能控制(Hierarchical Intelligent Control)主要由三个控制级组成，按智能控制的高低分为组织级、协调级、执行(zhxng)级，并且这三级遵循“伴随智能递降精度递增”原则，其功能结构如下图所示。,第三十二页，共四十七页。,33,分级(fn j)递阶控制系统,第三十三页，共四十七页。,34,分级(fn j)递阶控制系统,组织级(organization level)：组织级通过人机接口和用户(操作员)进行交互，执行最高决策的控制功能，监视并指导协调级和执行级的所有行为，其智能程度(chngd)最高。协调级(Coordination level)：协调级可进一步划分为两个分层:控制管理分层和控制监督分层。执行级(executive level)：执行级的控制过程通常是执行一个确定的动作。,第三十四页，共四十七页。,35,专家(zhunji)控制
