智能控制及应用教学PPT智能控制概论

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1、智能控制及应用本课程的主要内容1. 智能控制概论2. 模糊控制3. 神经网络控制4.遗传算法2 自动控制（自动化）是一门交叉学科智能控制概论3 1. 控制理论和应用发展的概况控制理论和应用发展的概况 2. 传统控制理论的局限性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智能与智能控制的定义 6. 智能控制研究的主要内容智能控制研究的主要内容 7. 智能控制的分类智能控制的分类41. 控制理论和应用发展的概况控制理论和应用发展的概况 古代具有反馈控制原理的控

2、制装置。古代具有反馈控制原理的控制装置。 铜壶滴漏铜壶滴漏水水钟钟： 约约在在公公元元前前三三世世纪纪中中叶叶，希希腊腊发发明明家家、数数学学家家斯斯提提西西比比乌乌斯斯（Ctesibius）首首先先在在水水钟钟受受水水壶壶中中使使用用了了浮浮子子，注注入入的的水水由由浮浮子子节节制制。这这种种节节制制方方式式已已含含有有负负反反馈馈的的思思想想 。5 控制理论的发展始于控制理论的发展始于1788年年Watt的飞球调节蒸汽机。的飞球调节蒸汽机。蒸汽源蒸汽源蒸汽机蒸汽机(对象对象)负荷负荷离心式离心式调速器调速器(调节器调节器)进汽阀进汽阀转速转速测测量量转速的转速的稳定性稳定性6 1882年年

3、，Lyapunov的的博博士士论论文文建建立立了了从从概概念念到到方方法法的的有有关关稳稳定定性性理理论论的的完完整整体体系系。但但在在以以后后的的半半个个世世纪纪，他他的的理理论论未未被被控控制制科科学学界界重重视视，直直到到20世世纪纪50年代才掀起年代才掀起Lyapunov热。热。 如如今今，Lyapunov理理论论在在系系统统稳稳定定与与镇镇定定、二二次次型型最最优优，模模型型参参考考自自适适应应，大大系系统统等等许许多多领领域域得得到到广广泛应用与发展。泛应用与发展。 经经过过100年年, MaxWell对对具具有有调调速速器器的的蒸蒸汽汽发发动动机机系系统统进进行行研研究究，用用线

4、线性性常常微微分分方方程程描描述述系系统统及及进进行行稳定性分析稳定性分析。71.20世世纪纪20年年代代以以反反馈馈控控制制理理论论为为代代表表，形形成成了了经经典典控控制制理理论论，著著名名的的控控制制科科学学家家有有：Black, Nyquist, Bode。他他们们研研究究了了反反馈馈放放大大器器，奠奠定定了了自自动动控控制制理论的基础。理论的基础。2.随随着着航航空空航航天天事事业业的的发发展展, 20世世纪纪5060年年代代形形成成以以多多变变量量控控制制为为特特征征的的现现代代控控制制理理论论, 主主要要代代表表有有: Kalman 的滤波器的滤波器, 能控性、能观性能控性、能观

5、性, Pontryagin的极大值原理的极大值原理, Bellman 的动态规划的动态规划, Lyapunov 的稳定性理论。的稳定性理论。 典典型型应应用用成成果果：Apollo按按最最优优轨轨线线飞飞向向月月球球及及登登月月艇软着陆。艇软着陆。控制理论的形成控制理论的形成83. 20世世纪纪70年年代代初初, 以以分分解解和和协协调调为为基基础础, 形形成成了了大大系系统统控控制制理理论论, 用用于于复复杂杂系系统统的的控控制制, 重重要要理理论论有有递递阶阶控控制制理理论论、分分散散控控制制理理论论、排排队队论论等等。主主要要用用于资源管理、交通控制、环境保护等。于资源管理、交通控制、环

6、境保护等。以上控制理论我们称之为传统控制理论。9 控制理论应用：控制理论应用： 工厂全球化、开放化。出现柔性制造、虚拟工厂、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。现场总线技术越来越成熟。机器人、智能自动化技术。机器人、智能自动化技术。绿色自动化技术越来越发展。绿色自动化技术越来越发展。智能制造智能制造(IM)。企业生产的发展趋向：企业生产的发展趋向： 单件生产单件生产大批量生产大批量生产多品种小批量多品种小批量 变品种变品种变批量变批量10企业自动化系统结构企业自

7、动化系统结构11控制理论与实际应用存在着很大差距控制理论与实际应用存在着很大差距PIDPID在在实际应用中仍占统治地位。实际应用中仍占统治地位。原因：原因： 自动控制学科高度的交叉性、应用的广泛性；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；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；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。国内企业存在管理体制问题，技术投入力度不够。122. 传统控制理论的局

8、限性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。地显示它的局限性。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.控制对象的复杂性控制对象的复杂性 模型的不确定性；模型的不确定性； 高度非线性；高度非线性； 分布式的传感器和执行机构；分布式的传感器和执行机构； 动态突变；动态突变； 复杂的信息模式。复杂的信息模式。 132. 2. 环境的复杂性环境的复杂性 变化的不确定性；变化的不确定性； 难以辨识；难以辨识； 传统控制中，只考虑控制器与对象，忽略环境传统控制中，只考虑控制器与对象，忽略环境

9、影响。影响。 复杂系统的控制必须把环境与对象，控制集合复杂系统的控制必须把环境与对象，控制集合起来作为一个整体来考虑。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；（用数学语言难以控制目标和任务的多重性；（用数学语言难以精确描述）时变性。精确描述）时变性。14传统控制理论的局限性传统控制理论的局限性（1）传传统统的的控控制制理理论论建建立立在在精精确确的的数数学学模模型型基基础础上上用微分或差分方程来描述。用微分或差分方程来描述。n 不能反映人工智能过程：推理、分析、学习。不能反映人工智能过程：推理、分析、学习。n 建模时丢失许多有用

10、的信息。建模时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）不能适应大的系统参数和结构的变化 自自适适应应控控制制和和自自校校正正控控制制通通过过对对系系统统某某些些重重要要参参数数的的估估计计，克克服服小小的的、变变化化较较慢慢的的参参数数不不确确定性和干扰。定性和干扰。 鲁鲁棒棒控控制制在在外外部部干干扰扰和和内内部部参参数数变变化化下下，使使系系统统对对它它们们不不灵灵敏敏，通通过过让让频频率率响响应应处处于于允允许许集集合内，保证被控系统的稳定。合内，保证被控系统的稳定。 15（3） 传统的控制系统输入信息模式单一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：通

11、常处理较简单的物理量： 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。括图形、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。自自适适应应控控制制、鲁鲁棒棒控控制制不不能能克克服服数数学学模模型型严严重重的的不不确定性和工作点剧烈的变化。确定性和工作点剧烈的变化。 163. 智能控制的组成、定义与研究内容智能

12、控制的组成、定义与研究内容 智能控制（智能控制（ICIC）是）是自动控制（自动控制（ACAC）和人工智能（和人工智能（AIAI）的交集。即：的交集。即：强调智能和控制的结合。强调智能和控制的结合。（傅京生）17 考虑更高层次上的调度、规划和管理，应将运考虑更高层次上的调度、规划和管理，应将运筹学（筹学（OR）结合进去。即：）结合进去。即：(Saridis)184. 智能控制与传统控制的关系和差别（不是相互排斥）智能控制与传统控制的关系和差别（不是相互排斥） 涉及的范围：涉及的范围：智能控制的范围比传统控制的范围更广。智能控制的范围比传统控制的范围更广。 有有微微分分/差差分分方方程程描描述述的

13、的系系统统；有有混混合合系系统统（离离散散和和连连 续续系系统统混混合合、符符号号和和数数值值系系统统混混合合、数数字字和和模模拟拟系系统统混混合）；合）；控制的目标：控制的目标：智能的目标寻求在巨大的不确定环境中，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：获得整体的优化。因此，智能控制要考虑： 故障诊断；故障诊断； 系统重构；系统重构； 自组织、自学习能力；自组织、自学习能力； 多重目标；多重目标；系统的结构：系统的结构：控制对象和控制系统的结合。控制对象和控制系统的结合。常规控制往往包含在智能控制中常规控制往往包含在智能控制中智能控制也利用常规控制解决低层

14、控制问题智能控制也利用常规控制解决低层控制问题195. 智能与智能控制的定义智能与智能控制的定义 按系统的一般行为特征定义按系统的一般行为特征定义(J.S.Albus)什么叫智能？有不同的定义：什么叫智能？有不同的定义： 在在不不确确定定环环境境中中，作作出出合合适适动动作作的的能能力力。合合适适动动作作是是指指增增加加成成功功的的概概率率 ，成成功功就就是是达达到到行行为为的的子子目目标标，以支持系统实现最终目标以支持系统实现最终目标。！？低级智能：低级智能：感知环境、感知环境、作出决策、作出决策、控制行为控制行为人人造造智智能能系系统统的的合合适适动动作作，就就是是摹摹仿仿生生物物或或人人

15、的的行行为为的的功能。功能。20高高级级智智能能：理理解解和和觉觉察察能能力力，在在复复杂杂和和险险恶恶环环境境中进行选择的能力，力求生存和进步。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所确定。成功和系统的最终目标是由智能系统的外界所确定。21 按人类的认知的过程定义按人类的认知的过程定义(A.Meystel) 智智能能是是系系统统的的一一个个特特征征，当当集集注注（Focusing Attention)、组组合合搜搜索索(Combinatorial Search)、归归纳纳(Generalization)过程作用于系统的输入，并产生系统输出时，就表现为智能。过

16、程作用于系统的输入，并产生系统输出时，就表现为智能。系统输入系统输入系统输出系统输出智能集中集中注意力注意力组合组合搜索搜索归纳归纳FACSG这个定义把人类的认知过程集注，组合搜索，归纳当作智能这个定义把人类的认知过程集注，组合搜索，归纳当作智能22 按机器智能定义按机器智能定义(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。的过程。 知知识识就就是是所所得得到到的的结结构构性性信信息息，它它可可用用来来使使机机器器执执行行特特定定的的任任务务，以以消消除除该该任任务务的的不不确确定定性性或或盲盲目目性性，达达到到最最

17、优优或次优的结果。或次优的结果。机器智能机器智能23智能：有确定的目标智能：有确定的目标 在不确定环境环境中在不确定环境环境中运用运用控制手段控制手段和方法和方法将系统逐步移向目标，达到目标。将系统逐步移向目标，达到目标。 智能智能控制控制密切相关密切相关智能系统必是智能系统必是控制系统控制系统（广义的）（广义的）控制系统必需具有智能控制系统必需具有智能 在在变变化化的的环环境境和和条条件件下下，要要求求系系统统具具有有期期望望的的功功能能，系系统统也也要要有有智智能能，在在控控制制中中要要达达到到高高度度自自治治，系系统统也也必须具备智能。必须具备智能。控制是智能系统的基本部分控制是智能系统

18、的基本部分24智能控制的定义智能控制的定义1) 按一般行为特征定义（按一般行为特征定义（ J.S.Albus） 智智能能控控制制是是有有知知识识的的“行行为为舵舵手手”，它它把把知知识识和和反反馈馈结结合合起起来来，形形成成感感知知交交互互模模式式、以以目目标标导导向向的的控控制系统。制系统。 系系统统可可以以进进行行规规划划、决决策策，产产生生有有效效的的、有有目目的的的的行为，在不确定环境中，达到既定的目标。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按人类的认知的过程定义 智智能能控控制制是是一一种种计计算算上上的的有有效效过过程程, 在在非非完完整整的的指指标标下

19、下，通通过过最最基基本本的的操操作作，即即归归纳纳（G）、集集注注（FA）、和和组组合合搜搜索索（CS），把把不不确确定定的的复复杂杂系系统统引引向向规规定定的的目目标。标。253) 按按机器智能机器智能定义定义 智能控制是认知科学、多种数学编程和控制技术的结合。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数学与语言方法融为一体。它把施加于系统的各种算法和数学与语言方法融为一体。 智能控制是智能控制是控制理论控制理论、计算机科学计算机科学、心理学心理学、生物学生物学、运筹学运筹学等多学科形成的交叉学科。等多学科形成的交叉学科。 主要解决两类问题主要解决两类问题：

20、 1。难以用数学模型作准确描述的大规模和复杂非。难以用数学模型作准确描述的大规模和复杂非线性系统，往往需要人的因数才能获得有效的控制。线性系统，往往需要人的因数才能获得有效的控制。2。控控制制目目标标需需要要分分解解成成多多个个子子任任务务的的系系统统。由由于于系系统统通通常常具具有有时时变变和和不不确确定定性性，需需要要像像人人那那样样进进行行学学习习、推理和决策。推理和决策。 从目前的应用看，智能控制就是在传统的控制中，从目前的应用看，智能控制就是在传统的控制中，引入逻辑，推理、启发式规则等因数，使系统具有某种引入逻辑，推理、启发式规则等因数，使系统具有某种“智能智能”性。性。266. 智

21、能控制学科的形成智能控制学科的形成 1985年年8月，月，IEEE在美国纽约召开了第一届智能控制学在美国纽约召开了第一届智能控制学术讨论会。集中讨论了智能控制原理和智能控制系统的结构。术讨论会。集中讨论了智能控制原理和智能控制系统的结构。 会议之后不久，在会议之后不久，在IEEE控制系统学会内成立了控制系统学会内成立了IEEE智能控智能控制专业委员会。委员会组织了对智能控制定义和研究生课程制专业委员会。委员会组织了对智能控制定义和研究生课程教学大纲的讨论。教学大纲的讨论。 1987年年1月，在美国费城由月，在美国费城由IEEE控制系统学会与计算机控制系统学会与计算机学会联合召开了智能控制国际会

22、议。这是智能控制的第一次学会联合召开了智能控制国际会议。这是智能控制的第一次国际会议，显示出智能控制的长足进展；同时也说明了：由国际会议，显示出智能控制的长足进展；同时也说明了：由于许多新技术问题的出现以及相关理论与技术的发展，需要于许多新技术问题的出现以及相关理论与技术的发展，需要重新考虑控制领域及其邻近学科。这次会议及其后续相关事重新考虑控制领域及其邻近学科。这次会议及其后续相关事件表明，智能控制作为一门独立学科已正式在国际上建立起件表明，智能控制作为一门独立学科已正式在国际上建立起来。来。 27 近近二二十十年年来来，随随着着人人工工智智能能和和机机器器人人技技术术的的快快速速发发展展，

23、对对智智能能控控制制的的研研究究出出现现一一股股新新的的热热潮潮。各各种种智智能能决决策策系系统统、专专家家控控制制系系统统、学学习习控控制制系系统统、模模糊糊控控制制、神神经经控控制制、主主动动视视觉觉控控制制、智智能能规规划划和和故故障障诊诊断断系系统统等等已已被被应应用用于于各各类类工工业业过过程程控控制制系系统统、智智能能机机器器人人系系统统和和智智能能化生产（制造）系统。化生产（制造）系统。28 基于模糊集合、神经元网络、遗传算法、进化算法等基于模糊集合、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。智能控制器的开发和研究。 智能计算和软计算的开发和研究智能计算和软计算的

24、开发和研究 自组织、自学习的结构和方法的研究自组织、自学习的结构和方法的研究 基于多代理基于多代理(Multiagent)智能控制系统的开发和研究智能控制系统的开发和研究 智能控制系统应用的研究智能控制系统应用的研究7. 智能控制研究的主要内容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混合系统的建模和控制292）基于连接的智能控制系统）基于连接的智能控制系统神经元网络控制系统神经元网络控制系统3）混合智能控制系统）混合智能控制系统模糊神经网络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）基于行为的智能控制系统

25、由多传感器组成的各种机器人由多传感器组成的各种机器人8.8.智能控制的分类智能控制的分类1）基于规则的智能控制系统）基于规则的智能控制系统 模糊控制系统模糊控制系统30 19651965年年L.A.ZadehL.A.Zadeh教教授授创创立立了了模模糊糊集集理理论论并并得得到到了了较较快快的的发发展展和和实实际际的的应应用用，成成为为智智能能控控制制领领域域中中的的一一个个重重要要分分支支。7070年年代代中中期期以以E.H.MamdaniE.H.Mamdani为为代代表表的的一一批批学学者者提提出出了了模模糊糊控控制制的的概概念念。标标志志着着模模糊糊控控制制的的正正式式诞诞生。生。 模模糊

26、糊控控制制的的基基本本思思想想是是把把人人类类专专家家对对待待定定的的被被控控对对象或过程的控制策略总结成一系列以：象或过程的控制策略总结成一系列以： IF(IF(条件条件) THEN() THEN(作用作用) ) 产产生生式式形形式式表表示示的的控控制制规规则则，通通过过模模糊糊推推理理得得到到控控制制作作用用集集, ,作作用用于于被被控控对对象象或或过过程程。控控制制作作用用集集为为一一组组条件语句。条件语句。模糊控制模糊控制3132神经网络控制系统神经网络控制系统 神经网络的研究已有较长的历史，最早的研究是神经网络的研究已有较长的历史，最早的研究是4040年年代心理学家代心理学家Mccu

27、llochMcculloch和数学家和数学家PittsPitts合作提出的兴奋与合作提出的兴奋与抑制型神经元模型和抑制型神经元模型和HebbHebb提出的神经元连接强度的修改提出的神经元连接强度的修改规则，他们的研究结果至今仍是许多神经网络模型研究规则，他们的研究结果至今仍是许多神经网络模型研究的基础。的基础。 之后，数字计算机进入大发展时期并在人工智能领之后，数字计算机进入大发展时期并在人工智能领域取得显著成就，域取得显著成就，7070年代人工神经网络的研究处于低年代人工神经网络的研究处于低潮。进入潮。进入8080年代后，数字计算机在模拟视听觉的人工智年代后，数字计算机在模拟视听觉的人工智能

28、方面遇到了物理上的极大困难。与此同时，能方面遇到了物理上的极大困难。与此同时，RumelhattRumelhatt和和MccullochMcculloch以及以及HopfieldHopfield等人在神经网络领等人在神经网络领域取得了突破性进展，神经网络的热潮再次掀起。域取得了突破性进展，神经网络的热潮再次掀起。 33 神神经经网网络络的的学学习习过过程程是是修修改改加加权权系系数数的的过过程程，最最终终使使其其输输出出达达到到期期望望值值，学学习习结结束束.常常用用的的学学习习算算法法有有：Hebb学学习习算算法法、widrowHoff学学习习算算法法、反反向向传传播播学学习习算算法法一一BP学学习习算算法法、Hopfield反反馈馈神神经经网网络学习算法等。络学习算法等。 人人工工神神经经网网络络是是在在现现代代神神经经科科学学的的基基础础上上提提出出来来的的。它它虽虽然然反反映映了了人人脑脑功功能能的的基基本本特特性性，但但远远不不是是自自然然神神经经网网络络的的逼逼真真描描写写，而而只只是是它它的的某某种种简简化化抽抽象和模拟。象和模拟。34