智能控制概论1

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1、智能控制导论, 李战明 ,传统控制系统回顾与问题 智能控制系统简介与发展,本课程的主要内容,1. 智能控制概论,2. 模糊控制,3.神经元网络控制,4.遗传算法简介,核心是把人的智慧嵌入控制系统中,使系统具有某种程度的智能,能够处理系统中存在的复杂问题以及不确定性问题。,自动化的哲学魅力-矛盾与度 解决所有这些问题都需要智慧,开环与闭环 大系统与小系统 最优与满意 精确与模糊 可靠与成本 理论与实践 理想与现实 机器与人,科学与技术 有意义与高精度 嵌入式与网络化 万金油与专业技能 经典与现代 模拟与离散 先进性与可靠性 计算机仿真与物理实验 .,1. 控制理论和应用发展的概况 2. 传统控制

2、理论的局限性 3. 智能控制的组成、定义与研究内容 4. 智能控制与传统控制的关系和差别 5. 智能与智能控制的定义 6. 智能控制研究的主要内容 7.智能控制的分类,自动控制（自动化）是一门交叉学科,智能控制概论,1. 控制理论和应用发展的概况,控制理论的发展始于Watt飞球调节蒸汽机以后的100年。,20年代以返馈控制理论为代表，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 的极大值原理,Bellman 的 动态规

3、划,和Lyapunov 的稳定性理论.,3. 70年代初,以分解和协调为基础,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（基于模型的控制）。,巡航,牵引力,点火,Brain Computer Interface, BCI (Brain Machine Interface, BMI) (Human Computer Interface, HCI),A brain-computer interface is a communication system that does

4、not depend on the brains normal output pathways of peripheral nerves and muscles.,Actions from thoughts,以上这些现代化的系统表现出的特点： 系统越来越复杂，规模越来越庞大， 不确定因素越来越多，可靠性要求高， 控制信息多样化，控制模型难获取或不精确。 与人的关系密切，需要更高的智慧才能驾御。,阅读本文（见课外阅读材料）,国家重大基础研究计划： 视听觉信息的认知计算,本重大研究计划的总体科学目标是：围绕国家重大需求，充分发挥信息科学、生命科学和数理科学的交叉优势，从人类的视听觉认知机理出发，研

5、究并构建新的计算模型与计算方法，提高计算机对非结构化视听觉感知信息的理解能力和海量异构信息的处理效率，克服图像、语音和文本（语言）信息处理所面临的瓶颈困难，为确保国家安全与公共安全、推动信息服务及相关产业发展以及提高国民生活和健康水平做出重要贡献。,具体表现为：在视听觉信息处理的基础理论研究方面取得重要进展；在视听觉信息协同计算、自然语言（汉语）理解以及与视听觉认知相关的脑机接口等三项关键技术方面取得重大突破；集成上述相关研究成果，研制具有自然环境感知与智能行为决策能力的无人驾驶车辆验证平台，主要性能指标达到世界先进水平，从而提升我国在视听觉信息处理领域的整体研究实力，培养具有国际影响力的优秀

6、人才与团队，为国家安全和社会发展提供相关研究环境与技术支撑。,“重点支持项目”的研究方向：无人驾驶车辆的关键技术与系统平台,考核目标：在遵守交通法规的前提下，实现面向城市道路的自主驾驶。要求车辆能够安全并入及驶出多车道交通场景，具有保持车道、换道和超车的能力，行驶里程约5公里；在部分路段中能够通过一连串平行停放的车辆和路障，且能行驶到位置指定的停车点。测试环境：测试道路车辆较为密集，有多个十字路口，并能对障碍物进行识别，可重新选择行驶路径。,应用上： 工厂全球化、开放化。出现柔性制造、虚拟工厂、CIMS、CIPS（Computer Integrated Processing Systems)

7、. 现场总线技术越来越成熟、 机器人、智能自动化技术。 绿色自动化技术越来越发展(无电磁污染 有利于健康)。 智能制造(IM)。 企业生产的发展趋向：单件生产大批量生产多 品种小批量 变品种变批量,企业自动化系统结构,严格,控制系统的发展趋势 从计算到算计,复杂系统 不确定性增大 巨型化与网络化 微型化与嵌入式 多媒体信息融合 可靠性与系统冗余 分层递阶结构,系统的精确数学模型难于获得，信息的多样化无法精确描述，传统的基于模型的控制方法在应用中遇到困难。,2.传统控制理论的局限性 理论与实际应用存在很大差距,PID在实际应用中仍占统治地位。,原因： 自动控制学科高度的交叉性、应用的广泛性； 所

8、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； 实际应用情况的复杂性、多变性、不确定性； 国内企业存在管理体制问题，技术投入力度不够。,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。,什么叫复杂系统？其特征表现为：,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、 复杂的信息模式(多媒体)、 庞大的数据量和严格的性能指标。,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

9、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。 不能反映人工智能过程：推理、分析、学习。 丢失许多有用的信息,（2）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，包括图形、文字、语言、声音等信

10、息。,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智能控制。,聪明,英明,3. 智能控制的组成、定义与研究内容,智能控制（IC）是自动控制（AC）和人工智能（AI）的交集。即：,强调智能和控制的结合。,考虑更高层次上的调度、规划和管理，应把运筹学（OR） 结合进去。即：,4. 智能控制与传统控制的关系和差别, 涉及的范围：智能控制的范围包括了传统控制的范围。 有微分/差分方程描述的系统；有混合系统（离散和连 续系统混合、符号和数值系统混合、数字和模拟系统混合）；,控制的目标：智能的目标寻求在巨大的不确定环境中， 获得整体的优化。因此，智能控制要考虑： 故障诊断； 系统重构； 自组织

11、、自学习能力 多重目标,系统的结构：控制对象和控制系统的结合。,智能控制是传统控制的扩展，用来解决传统控制中难于解 决的问题它不依赖于系统的模型，但不是说它不需要了解 控制对象，人们对系统控制过程中所积累的经验、知识虽 然难于用模型精确描述，但可以理解为系统的行为的另一 种描述方式,5. 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,高级智能：理解和觉察能力，在复杂和险恶环境环境中进行

12、选择的能力，力求生存和进步。,成功和系统的最终目标是由智能系统的外界确定。, 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,FA,CS,G, 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盲目性，

13、达到最优或次优的结果。,机器智能,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,控制系统必需具有智能,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。,2. 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

14、算法和数学与语言方法融为一体。,智能控制系统能够自主获得一个好的目标。 其控制单元、控制目标、对象模型、控制规律不能完全精确定义，原因是在设计阶段这些因素是未知的，或者会发生变化。,智能控制可以延伸到传统控制未涉及的所有领域。 他们之间无明确界限，今天的智能控制也许明天就 简单称之为控制。,智能控制比传统控制的意义更广泛，他更接近于一般 意义上的控制，因为它面对的是更广泛的控制问题。,智能系统必须高度适应大的不确定的变化， 要求它具有学习功能，他在处理变化因素时 要表现出高度的自主性，并能够解决系统存 在的复杂性问题，结构上应该是递阶的。,自适应与学习：智能系统需要有能力适应条件的变化， 虽自

15、适应不一定要求学习能力，但要适应大的未知变化， 学习能力就是必须的。 自主与智能：自主的设定和达到目标是智能控制系统的 重要特征。如果一个系统能够在长期内对不确定的环 境作出合适的响应而不需要外界干预，这个系统就是高 度自主的。 智能控制发展的两个方向：1) 人机结合的智能控制； (吴宏鑫讲座） 2) 智能自主控制,2. 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

16、数学与语言方法融为一体。,6. 智能控制研究的主要内容, 智能控制系统基本结构和机理的研究,混合系统的建模和控制, 基于模糊集合、神经元网络、遗传算法、进化算法等 智能控制器的开发和研究。, 智能计算和软计算的开发和研究, 自组织、自学习的结构和方法的研究, 基于多代理(Multi-agent)智能控制系统 的开发和研究, 智能控制系统应用的研究,7.智能控制的分类,1. 基于规则的智能控制系统,模糊控制系统,混合系统的建模和控制, 智能控制系统基本结构和机理的研究,6. 智能控制研究的主要内容,2）基于连接的智能控制系统,神经元网络控制系统,3）混合智能控制系统,模糊神经网络智能控制系统,4）基于行为的智能控制系统,由多传感器组成的各种机器人,智能控制的发展：,1966年，人工智能用于飞船控制系统设计 1971年，傅京孙首次提出智能控制的概念 1977年，Sarid