模糊控制 课件 第1章 绪论

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1、2019/6/19,1,第1章 绪论,1.1 智能控制简介 1.2 模糊控制理论的产生 1.3 模糊控制理论的发展概况 1.4 模糊控制理论的应用概况 1.5 模糊逻辑与计算机 1.6 模糊逻辑与人工智能 1.7 模糊控制所面临的任务,2019/6/19,2,1. 控制理论和应用发展的概况 2. 传统控制理论的局限性 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,1.1 智能控制简介,2019/6/19,3,1.1 智能控制简介,2019/6/19,4

2、,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。,4060年代以反馈控制理论为代表，形成经典控制理论，著名的控制科学家有：N.Wiener, Nyquist, H.W.Bode, W.R. Evans.,2. 随着航空航天事业的发展,6070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、分散控制理论等。 主要用于资源管

3、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。,1.1 智能控制简介,2019/6/19,5,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) . 现场总线技术越来越成熟。 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,1.1 智能控制简介,2019/6/19,6,企业自动化系统结构,1.1 智能控制简介,2019/6/19,7,1.1 智能控制简介,2019/6/19,8,1.1 智能控制简介,2019/6/19,9,1.1 智能控制简介,2019/6

4、/19,10,1.1 智能控制简介,2019/6/19,11,1.1 智能控制简介,2019/6/19,12,1.1 智能控制简介,2019/6/19,13,1.1 智能控制简介,2019/6/19,14,1.1 智能控制简介,2019/6/19,15,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。,1.1 智能控制简介,2019/6/19,16,2. 传统控

5、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 地显示出它的局限性。,1.1 智能控制简介,什么叫复杂系统？ 特征表现为： 控制对象的复杂性 环境的复杂性 控制任务或目标的复杂性,2019/6/19,17,控制对象的复杂性 模型的不确定性 控制模型和干扰模型 不确定性有两层含义：模型未知或知之甚少；模型的结构和参数可能在很大范围内变化 高度非线性 分布式的传感器和执行机构 动态突变 多尺度特征 复杂的信息模式 庞大的数据量和严格的性能指标,1.1 智能控制简介,2019/6/19,18,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。,控制任务或

6、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,1.1 智能控制简介,2019/6/19,19,(2) 传统控制理论的局限性,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,1.1 智能控制简介,2019/6/19,20,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，以补偿的方法来克服小的、变化较慢的参数不确定性和干扰。 鲁棒控制在一定的外部干扰和内部参数变化作用下，以提高系统的不灵敏度为宗旨来抵御不确定性的（鲁棒的区域是有限的）。 自适应控制、鲁棒控制不

7、能克服数学模型严重的不确定性和工作点剧烈的变化。,1.1 智能控制简介,(2) 传统控制理论的局限性,2019/6/19,21,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、声音等信息。信息融合、分析和推理。,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。,1.1 智能控制简介,(2) 传统控制理论的局限性,2019/6/19,22,与传统的控制理论相比，智能控制对于环境和任务的复杂性有更大的适配程度。它不仅仅是对建立的模型，而且对于环境和任务能

8、抽取多级的描述精度，进而发展了自学习、自适应和自组织等概念，所以能在更广泛的领域中获得应用。,1.1 智能控制简介,2019/6/19,23,3. 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。,1.1 智能控制简介,2019/6/19,24,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：,1.1 智能控制简介,2019/6/19,25,4. 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

9、混合、数字和模拟系统混合）；,控制的目标：智能控制的目标更加一般化，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 控制重构 多重目标 自组织、自学习能力,系统的结构：控制对象和控制系统的结合。,1.1 智能控制简介,2019/6/19,26,5. 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,1.1 智能控制简介,2019/6/19,27,高级智能：理解和觉

10、察能力，在复杂和险恶环境环境中 进行选择的能力，力求生存和进步。,成功和系统的最终目标是由智能系统的外界确定。,1.1 智能控制简介,2019/6/19,28, 按人类的认知过程定义(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,1.1 智能控制简介,2019/6/19,29, 按机器智能定义(Saridis),机器智能是把信息

11、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，达到最优或次优的结果。,机器智能,1.1 智能控制简介,2019/6/19,30,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。,1.1 智能控制简介,2019/6/19,31,2. 按人类的认知的过程定义,智能控制是一种计算上的

12、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），把表达不完善、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、多种数学编程的控制技术 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。,1.1 智能控制简介,2019/6/19,32, 基于模糊集合、神经元网络、遗传算法、进化算法 学习控制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, 基于多智能体(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,6. 智能控制研究的主要内容, 智

13、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,1.1 智能控制简介,2019/6/19,33,2). 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,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,1.1 智能控制简介,2019/6/19,34,1.2 模糊控制理论的产生,客观世界中普遍存在的模糊现象,天气冷热,雨的大小,风的强弱,2019/6/19,35,1.2 模糊控制理论的产生,客观世界中普遍存在的模糊现象,人的胖瘦,年龄大小,个子高低,2019/6/19

14、,36,1.2 模糊控制理论的产生,At what point short people become tall?,A tall guy,A short guy,2019/6/19,37,1.2 模糊控制理论的产生,Fuzzy 数学诞生的背景 一个古希腊问题：“ 多少粒种子算作一堆？” “秃头问题” Fuzzy概念的广泛存在性，如“找人问题” 何谓Fuzzy概念？如何描述它？ 内涵：符合此概念对象所具有的共同属性 外延：符合此概念的全体对象,如：“人”的内涵=所有人具有的共同属性 如：有语言、会思考、发明创造等 “人”的外延=世界上所有人组成的集合（康托集）,注：康托 集合论是现代数学的基础，

15、康托（德国数学家，1845-1918）,2019/6/19,38,1.2 模糊控制理论的产生,Cantor Set：“把一些明确，彼此有区别的对象的全体” (罗素)理发师悖论： 不给自己能理发的人理发 只给所有自己不能理发的人理发 第三次数学危机：公理化集合论 Cantor集合的缺陷 Fuzzy概念：没有明确外延的概念 如：“胖子”,“比0大得多的数”,2019/6/19,39,1.2 模糊控制理论的产生,Fuzzy Set: 美国控制论专家L.A.Zadeh 1965年（1921年生于苏联） “Information and Control”, “Fuzzy Sets” 随着系统的复杂性的增

16、加，我们描述系统行为的精确性和有效性就随之下降，一旦超过了某阈值，其精确性和有效性(相似程度)几乎变成了互相排斥的特性了。,2019/6/19,40,经典二值（布尔）逻辑 在经典二值（布尔）逻辑体系中，所有的分类都被假定为有明确的边界；（突变） 任一被讨论的对象，要么属于这一类，要么不属于这一类； 一个命题不是真即是假，不存在亦真亦假或非真非伪的情况。（确定）,1.2 模糊控制理论的产生,2019/6/19,41,模糊逻辑 对二值逻辑的扩充。关键的概念是：渐变的隶属关系。 一个集合可以有部分属于它的元素；（渐变） 一个命题可能亦此亦彼，存在着部分真部分伪。（不完全确定）,1.2 模糊控制理论的产生,2019/6/19,42,模糊逻辑是通过模仿人的思维方式来表示和分析不确定、不精确信息的方法和工具。 模糊逻辑本身并不模糊，它并不是“模糊的” 逻辑，而是用来对“模糊”（现象、事件） 进行