第一章 智能控制概述v1.ppt

1、2020/12/5,IC,1,智 能 控 制 Intelligent Control,任课老师：王永骥 联系电话：87540014 (D2-309) Email: ,2020/12/5,IC,2,参考教材：,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,1998 2.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）,2020/12/5,IC,3,参考教材：,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：

2、理论、应用及软件实现 ，西安交大出版社，2002,2020/12/5,IC,4,智能家电的代表模糊电饭堡,2020/12/5,IC,5,本课程主要内容,1。第一章 概述（2） 2。第四章 遗传算法（4） 3。第五章 神经网络基础（10） 4。第六、七章 模糊控制（12） 5。第九章 仿人智能控制（4）,2020/12/5,IC,6,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,2020/12/5,IC,7,智能机器人,2020/12/5,IC,8,一个问题(Zadeh),汽车倒车 停车场, 2部汽车之间的空位。如何

3、倒车入位？ Zadeh利用模糊控制解决该问题。,2020/12/5,IC,9,智能倒车系统,2020/12/5,IC,10,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,2020/12/5,IC,11,1.1.1什么是智能控制？,自动控制（自动化）是一门交叉学科,2020/12/5,IC,12,2020/12/5,IC,13,1.1.1什么是智能控制？,从信息的角度看

4、，所谓智能，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。 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,2020/12/5,IC,14,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,2020/12/5,IC,15,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，力求生存和进步。,成功和系

5、统的最终目标是由智能系统的外界确定。,2020/12/5,IC,16, 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,2020/12/5,IC,17, 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

6、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,2020/12/5,IC,18,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。,2020/12/5,IC,19,2. 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.

7、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数学与语言方法融为一体。,2020/12/5,IC,20,4. 三元论定义,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。,2020/12/5,IC,21,人工智能 AC,运筹学 OR,自动控制 AC,人工智能(Artificial Intelligent)是一个知识处理系统，具有记忆、学习、信息处理、形式语言、启发式推理等功能。,智能控制 IC,运筹学(Operations Research)是一种定量优化方法，如线性规

8、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(Automatic Control)描述系统的动力学特性，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。,2020/12/5,IC,22,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： 智能信息智能反馈智能决策智能控制 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。,20

9、20/12/5,IC,23,1.1.2智能控制的研究对象,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.,2020/12/5,IC,24,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.,2）60年代现代控制理论：状态空间方法,3）70年代初系统控制理论：复杂系统的控制,以上控制理论为 传统控制理论。,控制科学的发展过程,2020/12/5,IC,26,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型的控制。,2020/12/5,IC,27,2.传统控制理论的局限性,随着复杂系统的不断涌现，

10、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（以飞行控制系统为例） 模型的不确定性、（建模不完整） 高度非线性、强耦合（飞行环境变化） 分布式的传感器和执行机构、（多个测量和执行机构） 多时间标度、（快时变） 复杂的信息模式、（飞行数据，GPS， 惯性导航等.） 庞大的数据量和严格的性能指标。(打击精度，定位精度）,2020/12/5,IC,28,2. 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。,2020/12/5,IC,2

11、9,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。,2020/12/5,IC,30,（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

12、考虑：视觉、听觉、触觉信号，包括图形、文字、语言、声音等信息。,2020/12/5,IC,31,传统控制不足小结,主要表现在以下几点： 难以获得精确的数学模型。 苛刻的线性化假设。 有些系统甚至无法建模。 为提高性能，使系统复杂化，成本提高，稳定性降低。,为了克服传统控制理论的局限性，产生了模拟人类思维和活动的智能控制。,2020/12/5,IC,32,两种控制方案的比较：,2020/12/5,IC,33,1.2.1 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：

13、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。,2020/12/5,IC,34,1.2.2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。,2020/12/5,IC,35,1.3智能控制系统的类型,基于智能理论和技术已有的研究成果，以及当前的 智能控

14、制系统的研究现状，可把智能控制系统分为 以下几类。 1.分级递阶智能控制系统 2.专家控制系统 3.模糊控制系统 4.神经网络控制系统 5.基于规则的仿人智能控制 6.集成智能控制系统 7.组合智能控制系统,2020/12/5,IC,36,1.分级递阶智能控制系统 这种智能控制系统实质上是把传统控制技术和智能控制技术相结合，把辨识和控制方法相结合而构成的一类混合控制技术。是智能控制的最早理论之一。 基于“知识/解析混合”多层智能控制理论 两种分级递阶 控制理论 基于“精度递增伴随智能递减”的 分级递阶智能控制理论,2020/12/5,IC,37,三级分级递阶智能控制系统是由G.N.Saridi

15、s于1977年提出的。 主导作用，主要应用人工智能 连接作用，采用人工智能及OR 底层，采用常规自动控制,2020/12/5,IC,38,2.专家控制系统（Expert Control System，ECS） ECS 是一种已广泛应用于故障诊断、各种工业过程控制和工业设计的智能控制系统。 专家控制系统，采用黑板等， 专家控制系统 复杂且造价较高，目前用得较少 的主要形式 专家式控制器，多采用工业专家 控制器，结构简单，应用日益广泛,2020/12/5,IC,39,3.模糊控制系统 模糊逻辑理论在控制领域的应用称为模糊控制（Fuzzy Control,FC）。 模糊控制的特点是： 一.提供了一种

16、实现基于自然语言描述规则的控制 规律的新机制； 二.提供了一种改进非线性控制器的替代方法。 模糊控制单元的基本功能结构图如下所示由规则库、模糊化、模糊推理和清晰化四功能模块组成。,2020/12/5,IC,40,模糊化模块： 实现对系统变量论域的模糊划分和对清晰输入值的模糊化处理。,2020/12/5,IC,41,规则库: 用于存储系统的基于语言变量的控制规 则和系统参数。 模糊推理:是一种从输入空间到输出空间的非线性 映射关系。由于在模糊控制器中，控制 规则的形式为 IF THEN 因此，如果，则通过模糊推理推论出。 清晰化: 将系统输出信息转换为清晰化的输出值,2020/12/5,IC,4

17、2,智能控制的倒立摆(fuzzy,expert),2020/12/5,IC,43,4.神经网络控制系统 基于人工神经网络的控制(ANN-Based Control),简称神经网络控制或神经控制。 基于神经网络的控制器，其控制问题可以看作是 一类模式识别问题。要识别的模式是一些关于受控的状态、输出或某个性能评价函数的变化信号 评价函数：用于评价控制效果的函数，该函数学作为一类变化信号输入神经网络，以作为神经网络的习算法或学习准则。,2020/12/5,IC,44,NN 字符识别,2020/12/5,IC,45,5.基于规则的仿人智能控制 从广义上说，各种智能控制方法研究的共同点，就是使工程控制系

18、统具有某种“仿人”的智能，即研究人脑的微观或宏观的结构功能，并把它移植到工程控制系统。K.S.Fu阐述智能控的研究背景时，首先提出的是人作为控制的系统。 仿人智能控制所要研究的主要目标是控制器本身，即直接对人的控制经验、技巧和各种直觉推理逻辑进行测辨、概括和总结，使控制器的结构和功能更好地从宏观上模拟控制专家的功能行为，从而实现对缺乏精确数学模型的对象进行有效的控制。,2020/12/5,IC,46,6.集成智能控制系统 由几种智能控制方法或机理融合在一起而构成的智能控制系统称为集成智能控制系统。如 模糊神经（FNN）控制系统 模糊系统： 具有容易被人理解的表达能力 神经网络： 有极强的自适应

19、学习能力 模糊神经控制系统将模糊系统转换为对应的神经网络，即把两种智能方法融合在一起。 模糊神经网络的结构图如下所示：,2020/12/5,IC,47,2020/12/5,IC,48,基于遗传算法的模糊控制系统 遗传算法是一种基于自然选择和自然遗传机制，根据适者生存而形成的一种创新的人工优化搜索算法，是一种从过去性能学习的方法，有很强的鲁棒性。 鲁棒性 ：系统性能应对环境干扰和不确定因素不 敏感,2020/12/5,IC,49,模糊专家系统 模糊专家系统是一类在知识获取、知识表示和知识处理过程中全部或部分地采用了模糊技术的专家系统的总称。 由于模糊专家系统中的知识表达与推理更接近人类（领域专家

20、）表达知识及解决问题的思维方式，因而容易开发与实现。 模糊专家系统的特点是能在初始信息不完全或不十分准确的情况下，较好的模拟人类专家解决问题的思路和方法，运用不太完善的知识体系，即可能性理论，给出尽可能准确的解答和提示。,2020/12/5,IC,50,7.组合智能控制系统 组合智能控制的目标是将智能控制与常规控制模式有机地结合起来，以便取长补短，获取互补特性，提高整体优势，以期获得人类、人工智能和控制理论高度紧密结合的智能控制系统，如PID模糊控制器、自组织模糊控制器、基于神经网络的自适应控制系统、重复学习控制系统等。,2020/12/5,IC,51,1.4 智能控制的发展概况,由于实际工程

21、系统发展规模越来越大，常规控制理论与技术已越来越难满足工程上对提高自动化水平和扩大自动化范围的要求。 智能控制正是在这种背景下以常规控制为基础的进一步的发展和提高。,2020/12/5,IC,52,1966年，J.M.Mendal首先提出将人工智能技术应用于飞船控制系统的设计； 1971年，傅京逊首次提出智能控制这一概念，并归纳了三种类型的智能控制系统： （1）人作为控制器的控制系统； （2）人机结合作为控制器的控制系统； （3）无人参与的自主控制系统。 智能控制要解决的问题： 对于复杂的环境和复杂的任务，如何将人工智能技术中较少依赖模型的问题的求解方法与常规的控制方法相结合。,2020/12

22、/5,IC,53,G.N.Saridis在学习控制系统研究的基础上，提出了分级递阶智能控制结构，整个结构自上而下分为组织级、协调级和执行级三个层次。 Saridis将K.S.Fu关于智能控制是人工智能与自动控制相结合的提法发展为：智能控制是人工智能、运筹学和控制系统理论三者的结合（三元论）。,2020/12/5,IC,54,动态,1985年8月，IEEE在美国纽约召开了第一届智能控制学术讨论会，智能控制原理和智能控制系统的结构这一提法成为这次会议的主要议题。IEEE控制系统学会下设立一个IEEE智能控制专业委员会。这表志着智能控制这一新兴学科研究领域的正式诞生。 我国有中国人工智能学会，下设若干分委员会：如智能制造，智能机器人 中国自动化学会有智能控制专业委员会；,2020/12/5,IC,55,近年来，智能控制技术在国内外已有了较大的发展，已进入工程化、实用化