智能控制概述

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1、2014/2/23IC1智 能 控 制 Intelligent Controln任课老师：王永骥n联系电话：87540014 (D2-309)nEmail: 2014/2/23IC2参考教材：1.易继锴 候媛彬 编, 智能控制技术, 北京:北京工业大学出版社,19982.刘金琨编著，智能控制，北京：电子工业出版社，2000,2002 (第二版）3.高隽，人工神经网络原理及仿真实例，机械工业出版社，2003(神经网络方面）2014/2/23IC3参考教材：4. 诸静等著，模糊控制原理与应用，机械工业出版社，2001，2004（第2版） 5.王小平 曹立明，遗传算法：理论、应用及软件实现 ，西安交

2、大出版社，20022014/2/23IC4智能家电的代表模糊电饭堡2014/2/23IC5本课程主要内容1 1。第一章。第一章 概述（概述（2 2）2 2。第四章。第四章 遗传算法（遗传算法（4 4）3 3。第五章。第五章 神经网络基础（神经网络基础（1010）4 4。第六、七章。第六、七章 模糊控制（模糊控制（1212）5 5。第九章。第九章 仿人智能控制（仿人智能控制（4 4）2014/2/23IC6小型课题研究1）模糊控制（电饭煲、洗衣机、空调等）2）仿人专家控制（温度，流量）3）遗传算法等优化算法的控制器参数整定2014/2/23IC7智能机器人2014/2/23IC8一个问题(Zad

3、eh)n汽车倒车n停车场, 2部汽车之间的空位。如何倒车入位 ？nZadeh利用模糊控制解决该问题。2014/2/23IC9智能倒车系统2014/2/23IC10第一章 智能控制概述1.1智能控制的基本概念1.1.1什么是智能控制1.1.2智能控制的研究对象1.2智能控制系统的特征和性能1.2.1智能控制系统的一般结构1.2.2智能控制系统的主要功能特性1.3智能控制系统的类型1.4智能控制系统的发展概述1.5小结2014/2/23IC111.1.1什么是智能控制？自动控制（自动控制（自动化自动化）是一门交叉学科）是一门交叉学科2014/2/23IC122014/2/23IC131.1.1什么

4、是智能控制？n从信息的角度看，所谓智能智能，可具体地定义为：能有效地获取、传递、处理、再生和利用信息，从而在任意给定的环境下成功地达到预定目的的能力能力。n控制科学与工程检测、双控、系统工程，模式识别 与智能控制密切相关2014/2/23IC14智能与智能控制的定义 按系统的一般行为特征定义(Albus)什么叫智能？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2014/2/23IC15高级智能：理解和觉察能力，在复杂和险恶环境环境中进行选择的能力，力求生存

5、和进步。成功和系统的最终目标是由智能系统的外界确定。2014/2/23IC16 按人类的认知的过程定义(A.Meystel)智能是系统的一个特征，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。系统输入系统输出智能集中 注意力组合 搜索归纳FACSG2014/2/23IC17 按机器智能定义(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 的任务，以消除该任务的不确定性或

6、盲目性，达到最优或次优 的结果。机器智能机器智能2014/2/23IC18智能控制的定义智能控制密切相关智能系统必是控制系统控制系统必须具有智能1. 按一般行为特征定义智能控制是有知识的“行为舵手”，它把知识 和反馈结合起来，形成感知交互式、以目标导 向的控制系统。系统可以进行规划、决策，产生 有效的 、有目的的行为，在不确定环境中，达到 既定的目标。2014/2/23IC192. 按人类的认知的过程定义智能控制是一种计算上的有效过程,在非完整的指标下 ，通过最基本的操作，即归纳（G）、集注（FA）、和 组合操作（CS），把不确定的复杂系统引向规定的目 标。3. 按机器智能定义智能控制是认知科

7、学、多种数学编程和控制技术的结合。 它把施加于系统的各种算法和数学与语言方法融为一体。2014/2/23IC204. 三元论定义 n按照K.S.Fu(傅京孙)和Saridis提出的观点，可以把智能控制看作是人工智能、自动控制和运筹学三个主要学科相结合的产物。2014/2/23IC21人工智能 AC 运筹学 OR 自动控制 AC人工智能人工智能(Artificial Intelligent)(Artificial Intelligent)是一个知识处理系是一个知识处理系 统，具有记忆、学习、信息处理、形式语言、启发统，具有记忆、学习、信息处理、形式语言、启发 式推理等功能。式推理等功能。智能控制

8、智能控制 ICIC运筹学(Operations Research)是一种定量优化方法 ，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。自动控制自动控制(Automatic Control)(Automatic Control)描述系统的动力学特描述系统的动力学特 性，是一种动态反馈性，是一种动态反馈这种三元结构理论表明，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。2014/2/23IC22p智能控制的定义可以有多种不同的描述，但从工程控制角度看，它的三个基本要素是：智能信息智能反

9、馈智能决策。从集合论的观点，可以把智能控制和它的三要素关系表示如下：智能信息智能信息智能反馈智能反馈智能决策智能决策智能控制智能控制p智能控制是以知识为基础的系统，所以知识工程是研究智能控制的重要基础。2014/2/23IC231.1.2智能控制的研究对象p智能控制是自动控制的最新发展阶段，主要用来解决那些用传统控制方法难以解决的复杂系统的控制问题.2014/2/23IC24控制理论和应用发展的概况1）20年代经典控制理论：反馈控制，频域法反馈控制，频域法.2）60年代现代控制理论：状态空间方法状态空间方法3）70年代初系统控制理论：复杂系统的控制复杂系统的控制以上控制理论为以上控制理论为 传

10、统控制理论传统控制理论。开环控制开环控制确定性反馈控制确定性反馈控制最优控制最优控制随机控制随机控制自适应控制自适应控制 鲁棒控制鲁棒控制自学习控制自学习控制智能控制智能控制控制科学的发展过程控制科学的发展过程 2014/2/23IC26p传统控制包括经典反馈控制和现代控制理论控制，它们的主要特征是基于精确的系统数学模精确的系统数学模型型的控制。2014/2/23IC272.传统控制理论的局限性随着复杂系统的不断涌现，传统控制理论越来越多地显示它的随着复杂系统的不断涌现，传统控制理论越来越多地显示它的 局限性局限性。什么叫复杂系统？其特征表现为什么叫复杂系统？其特征表现为：1.1. 控制对象的

11、复杂性控制对象的复杂性（以飞行控制系统飞行控制系统为例）模型的不确定性、（模型的不确定性、（建模不完整建模不完整）高度非线性、强耦合（高度非线性、强耦合（飞行环境变化飞行环境变化）分布式的传感器和执行机构、（分布式的传感器和执行机构、（多个测量和执行机构多个测量和执行机构）多时间标度、（多时间标度、（快时变快时变）复杂的信息模式、（复杂的信息模式、（飞行数据，飞行数据，GPSGPS， 惯性导航等惯性导航等）庞大的数据量和严格的性能指标。庞大的数据量和严格的性能指标。( (打击精度，定位精度打击精度，定位精度）2014/2/232014/2/23ICIC28282. 2. 环境的复杂性环境的复杂

12、性变化的不确定性变化的不确定性难以辨识难以辨识必须与被控对象集合起来作为一个整体来考虑必须与被控对象集合起来作为一个整体来考虑。3 3. . 控制任务或目标的复杂性控制任务或目标的复杂性控制目标和任务的多重性控制目标和任务的多重性时变性时变性任务集合处理的复杂性。任务集合处理的复杂性。2014/2/232014/2/23ICIC2929传统控制理论的局限性传统控制理论的局限性。（1 1）传统的控制理论建立在）传统的控制理论建立在精确的数学模型精确的数学模型基础上基础上用微分用微分或差分方程来描述。或差分方程来描述。不能反映不能反映人工智能人工智能过程：推理、分析、学习。过程：推理、分析、学习。

13、丢失许多有用的信息丢失许多有用的信息 （2 2）不能适应大的系统参数和结构的变化）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自适应控制和自校正控制通过对系统某些重要参数的估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。计克服小的、变化较慢的参数不确定性和干扰。鲁棒控制鲁棒控制在参数或频率响应处于允许集合内，保证被在参数或频率响应处于允许集合内，保证被控系统的稳定。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。和工作点剧烈的变化。2014/2/23IC30（3 3） 传统的控制系

14、统传统的控制系统输入信息模式单一输入信息模式单一通常处理较通常处理较简单的物理量简单的物理量：电量（电压、电流、阻抗）；：电量（电压、电流、阻抗）； 机械量（位移、速度、加速度）；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，包括图形、复杂系统要考虑：视觉、听觉、触觉信号，包括图形、文字、语言、声音等信息。文字、语言、声音等信息。2014/2/23IC31传统控制不足小结主要表现在以下几点：主要表现在以下几点： 难以获得精确的数学模型。难以获得精确的数学模型。 苛刻的线性化假设。苛刻的线性化假设。 有些系统甚至无法建模。有些系统甚至无法建模。 为提高性能，使系统复杂化，成

15、本提高，为提高性能，使系统复杂化，成本提高， 稳定性降低。稳定性降低。为了克服传统控制理论的局限性，产生了模拟人为了克服传统控制理论的局限性，产生了模拟人 类思维和活动的类思维和活动的智能控制智能控制。2014/2/23IC32两种控制方案的比较：控制方案控制方案传统的控制方法传统的控制方法智能控制智能控制控制过程控制过程不精确的模型， 固定的控制算法仿人智能控制决策控制模型控制模型模型框架控制理论的方法和人工智 能的灵活框架结合起来控制性能控制性能缺乏灵活性和应变 能力改变控制策略去适应对象 的复杂性和不确定性控制对象控制对象线性、时不变， 简单系统复杂，包括不确定性的控 制过程2014/2

16、/23IC331.2.1 智能控制系统的 一般结构广义对象：通常意义下的控 制对象和所处的环境。 感知信息处理：信息的获 取、辨识、整理及更新。 认知部分：接受、存储信息 ，做出行动的决策。 规划和控制部分：系统核心 ，进行信息自动搜索、推理 决策、动作规划，产生具体 的控制作用： 常规控制器及执行器，作用 于控制对象。2014/2/23IC341.2.2智能控制系统的主要功能 特性学习能力 改善自我性能的能力。适应性 适应受控对象动力学特性变化、环境变化和运行条件变化的能力。容错性 系统对于各类故障具有自诊断、屏蔽和自恢复的功能。鲁棒性 系统性能应对环境干扰和不确定因素不敏感。组织能力 主动性、灵活性实时性 系统应具有相当的在线实时响应能力。人机协作 友好的人机界面。2014/2/23