智能控制导论蔡志兴教学PPT课件

1、1课程总目标学完本课程后，你应具有以下能力：掌握智能控制的基本概念；了解智能控制的基本理论，掌握智能控制的基本技术；学会智能控制算法和系统的设计方法掌握递阶控制的一般结构及控制算法掌握专家系统的基本概念，主要类型及其结构。掌握模糊控制器的组成、工作原理和设计方法；掌握神经网络的基本概念、神经网络控制器的工作原理和设计方法；掌握学习控制的基本概念、学习控制的方案及控制算法；掌握进化控制与免疫控制的基本概念、基本结构熟悉复合智能控制和其他智能控制；第1页/共51页2第第1 1章章 概论概论智能系统与智能软件研究所1.1 智能控制的产生与发展1.2 智能控制的基本知识1.3 智能控制的结构理论1.4

2、 本书概要第2页/共51页31.1 智能控制的产生与发展1.1.1 1.1.1 自动控制的机遇与挑战自动控制的机遇与挑战 传统控制理论在应用中面临的难题传统控制理论在应用中面临的难题 存在挑战的主要原因存在挑战的主要原因 自动控制的主要任务自动控制的主要任务 人工智能的产生和发展正在为自动控制系统的智能化提供有力支持人工智能的产生和发展正在为自动控制系统的智能化提供有力支持第3页/共51页4第1节 智能控制的产生与发展第4页/共51页5传统控制理论在应用中面临的难题包括以下几个方面：第5页/共51页6综上所述可以看出，自动控制既面临严峻挑战有存在良好发展机遇。第6页/共51页7第7页/共51页

3、8第8页/共51页91.1.2 智能控制的发展和学科的建立 自动控制的发展过程1.1 智能控制的产生与发展 进展方向开环控制确定性反馈控制最优控制随机控制自适应/鲁棒控制自学习控制智能控制控制复杂性第9页/共51页101.1.2 智能控制的发展和学科的建立 6060年代年代 6060年代初期，自学习和自适应方法被开发出来用于解决控制系统的随年代初期，自学习和自适应方法被开发出来用于解决控制系统的随机特性问题机特性问题 6060年代中期，自动控制与人工智能开始交接。年代中期，自动控制与人工智能开始交接。 7070年代年代 模糊控制是智能控制的又一活跃研究领域模糊控制是智能控制的又一活跃研究领域

4、8080年代年代 萨里迪斯教授建立了智能机器理论采用萨里迪斯教授建立了智能机器理论采用“精度随智能降低而提高精度随智能降低而提高”（IPDIIPDI）原理和三级递阶结构原理和三级递阶结构 奥斯特洛姆、迪席尔瓦、周其鉴、蔡自兴、霍门迪梅洛和桑德森等，奥斯特洛姆、迪席尔瓦、周其鉴、蔡自兴、霍门迪梅洛和桑德森等，分别提出和发展了专家控制、基于知识的控制、仿人控制、专家规划分别提出和发展了专家控制、基于知识的控制、仿人控制、专家规划和分级规划等和分级规划等 基于神经元控制的理论和机理已获进一步开发和应用基于神经元控制的理论和机理已获进一步开发和应用1.1 智能控制的产生与发展第10页/共51页11第1

5、1页/共51页12第12页/共51页13第13页/共51页14第14页/共51页15第15页/共51页16第16页/共51页17第17页/共51页181.1.2 智能控制的发展和学科的建立 智能控制学科的形成智能控制学科的形成 19851985年年8 8月，月，IEEEIEEE在美国纽约召开了第一届智能控制学术讨论会在美国纽约召开了第一届智能控制学术讨论会 这次会议之后不久，在这次会议之后不久，在IEEEIEEE控制系统学会内控制系统学会内成立了成立了IEEEIEEE智能控制专业委员会，并了对智智能控制专业委员会，并了对智能控制定义和研究生课程教学大纲的讨论能控制定义和研究生课程教学大纲的讨论

6、 19871987年年1 1月，在美国费城由月，在美国费城由IEEEIEEE控制系统学会与计算机学会联合召开控制系统学会与计算机学会联合召开了智能控制国际会议了智能控制国际会议 智能控制发展的其它方面智能控制发展的其它方面 学术组织学术组织 学术会议学术会议1.1 智能控制的产生与发展第18页/共51页191.2 智能控制的基本知识1.2.1 1.2.1 智能控制的定义与特点智能控制的定义与特点 智能控制的定义智能控制的定义 自动控制自动控制 智能控制智能控制 智能控制系统智能控制系统 智能控制的特点智能控制的特点 同时具有以知识表示的非数学广义模型和以数学模型（含计算智能模同时具有以知识表示

7、的非数学广义模型和以数学模型（含计算智能模型与算法）表示的混合控制过程型与算法）表示的混合控制过程 智能控制的核心在高层控制，即组织级智能控制的核心在高层控制，即组织级 智能控制的实现，需要硬件、软件和智能的结合，以及新思想、新方智能控制的实现，需要硬件、软件和智能的结合，以及新思想、新方法和新技术法和新技术 智能控制是一门边缘交叉学科智能控制是一门边缘交叉学科 智能控制是一个新兴的研究领域智能控制是一个新兴的研究领域第19页/共51页20 定义1:自动控制 自动控制是能按规定程序对机器或装置进行操作或控制的过程。简单说，不需要人工干预的控制就是自动控制。第20页/共51页21 定义2:智能控

8、制 智能控制是采用智能化理论和技术驱动智能机器实现其目标的过程。或者说，智能控制是一类无需人的干预就能独立地驱动智能机器实现其目标的自动控制。第21页/共51页22第22页/共51页23智能控制是一类无需人的干预就能够自主地驱动智能机器实现其目标的自动控制，也是用计算机模拟人类智能的一个重要领域。智能控制的基本概念第23页/共51页24 定义3:智能控制系统 用于驱动智能机器以实现其目标而无需操作人员干预的系统称为智能控制系统。 智能控制系统的理论基础是人工智能、控制论、运筹学和信息论等学科的交叉。第24页/共51页251.2.2 智能控制器的一般结构 智能控制器的一般结构图1.2 智能控制的

9、基本知识动作事件过程与环境用户接 口任务描述与环境建模知识表示 信号优化 信号预处理信号辨识规划与推理 决策与协调传统控制传感器驱动器123第25页/共51页261.2.3 智能控制系统的分类 递阶控制系统递阶控制系统 专家控制系统专家控制系统 模糊控制系统模糊控制系统 学习控制系统学习控制系统 神经控制系统神经控制系统 仿生控制系统仿生控制系统 集成智能控制系统集成智能控制系统 组合智能控制系统组合智能控制系统1.2 智能控制的基本知识第26页/共51页271.3 智能控制的结构理论1.3.1 1.3.1 二元交集结构理论二元交集结构理论 傅京孙曾研究的领域傅京孙曾研究的领域 含有拟人控制器

10、的控制系统含有拟人控制器的控制系统 含有人机控制器的控制系统含有人机控制器的控制系统 自主机器人系统自主机器人系统 傅京孙用智能控制系统描述自动控制系统与人工智能的交接作用，并把它傅京孙用智能控制系统描述自动控制系统与人工智能的交接作用，并把它称为二元交集结构称为二元交集结构AIACIC智能控制的二元结构第27页/共51页281.3.1 二元交集结构理论 二元结构理论的解释二元结构理论的解释 当采用人机组合控制器时，需要比较高层当采用人机组合控制器时，需要比较高层的智能决策；它可由拟人控制器的智能决策；它可由拟人控制器（anthropomorphic controlleranthropomor

11、phic controller）来作出。来作出。 对于较低层的智能作用，在设计这种智能控对于较低层的智能作用，在设计这种智能控制系统时，要尽可能多地把设计者和操作人制系统时，要尽可能多地把设计者和操作人员所具有的与指定任务有关的智能转移到机员所具有的与指定任务有关的智能转移到机器控制器上器控制器上 对于自主机器人系统，对机器人进行无人干对于自主机器人系统，对机器人进行无人干预的自动控制与操作。这一控制系统至少应预的自动控制与操作。这一控制系统至少应执行执行3 3个主要功能，即感知、模拟和问题求解个主要功能，即感知、模拟和问题求解（包括规划（包括规划） 1.3 智能控制的结构理论第28页/共51

12、页291.3.2 三元交集结构理论 三元结构三元结构 萨里迪斯于萨里迪斯于19771977年提出另一种智能控制三元结构年提出另一种智能控制三元结构 萨里迪斯认为，必须把远筹学的概念引入智能控制，使它成为三元交萨里迪斯认为，必须把远筹学的概念引入智能控制，使它成为三元交集中的一个子集集中的一个子集 对这一问题的讨论，有助于智能控制学科的形成对这一问题的讨论，有助于智能控制学科的形成 1.3 智能控制的结构理论ACAIORIC第29页/共51页301.3.2 三元交集结构理论 分级智能控制系统 1.3 智能控制的结构理论执行级组织器分配器协调器1过程1协调器N硬件控制器N过程N组织级协调级硬件控制

13、器1它代表系统的主导思想，并由人工智能起控制作用是上（第一级）下（第三级）级间的接口，由人工智能和运筹学起控制作用是智能控制系统的最低层级，要求具有很高的精度，并由控制理论进行控制第30页/共51页311.3.3 四元交集结构理论 蔡自兴提出四元智能控制结构 1.3 智能控制的结构理论AIICORITCTICAICTIT智能控制看做自动控制、人工智能、信息论和运筹学四个学科的交集第31页/共51页321.3.3 四元交集结构理论 信息论是解释知识和智能的一种手段信息论是解释知识和智能的一种手段 控制论、系统论和信息论紧密相互作用控制论、系统论和信息论紧密相互作用 信息论已成为控制智能机器的工具

14、信息论已成为控制智能机器的工具 信息熵成为智能控制的测度信息熵成为智能控制的测度 把熵函数和信息流一起引入智能控制系统，表明信把熵函数和信息流一起引入智能控制系统，表明信息论是组成智能控制的不可缺少部分息论是组成智能控制的不可缺少部分 1.3 智能控制的结构理论系统论运筹学系统论 控制论信息论系统工程自动化技术通信技术系统学系统科学哲学 基础科学技术科学工程技术信息论控制通信人和动物机器三论应用部门一般系统论信息科学信息技术人机通信知识，信息，智能，信息论第32页/共51页33智能控制的研究对象智能控制主要应用在以下情况：实际系统由于存在复杂性、非线性、时变性、不确定性和不完全性等，一般无法获

15、得精确的数学模型。应用传统控制理论进行控制必须提出并遵循一些比较苛刻的线性化假设，而这些假设在应用中往往与实际情况不相吻合。第33页/共51页34智能控制的结构理论人工智能（AI）：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。自动控制（AC）：描述系统的动力学特性，是一种动态反馈。运筹学（OR）：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。第34页/共51页35智能控制与传统控制的关系传统控制（Conventional control）：经典反馈控制和现代理论控制。它们的主要特征是基于精确的系统数学模型的控制。适于解决线性、时

16、不变等相对简单的控制问题。智能控制（Intelligent control）以上问题用智能的方法同样可以解决。智能控制是对传统控制理论的发展，传统控制是智能控制的一个组成部分，在这个意义下，两者可以统一在智能控制的框架下。第35页/共51页36分级递阶控制系统 分级递阶智能控制是在自适应控制和自组织控制基础上，由美国普渡大学Saridis提出的智能控制理论。分级递阶智能控制(Hierarchical Intelligent Control)主要由三个控制级组成，按智能控制的高低分为组织级、协调级、执行级，并且这三级遵循“伴随智能递降精度递增”原则，其功能结构如下图所示。第36页/共51页37第

17、37页/共51页38分级递阶控制系统第38页/共51页39分级递阶控制系统组织级(organization level)：组织级通过人机接口和用户(操作员)进行交互，执行最高决策的控制功能，监视并指导协调级和执行级的所有行为，其智能程度最高。协调级(Coordination level)：协调级可进一步划分为两个分层:控制管理分层和控制监督分层。执行级(executive level)：执行级的控制过程通常是执行一个确定的动作。第39页/共51页40专家控制系统（专家控制系统（Expert SystemExpert System） 专家指的是那些对解决专门问题非常熟悉的人们，他专家指的是那些对

18、解决专门问题非常熟悉的人们，他们的这种专门技术通常源于丰富的经验，以及他们处理们的这种专门技术通常源于丰富的经验，以及他们处理问题的详细专业知识。问题的详细专业知识。 专家系统主要指的是一个智能计算机程序系统，专家系统主要指的是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的经验方法来处理该够利用人类专家的知识和解决问题的经验方法来处理该领域的高水平难题领域的高水平难题. .它具有启发性、透明性、灵活性、符它具有启发性、透明性、灵活性、符号操作、不一确定性推理等特点。应用专家系统的概念号操作

19、、不一确定性推理等特点。应用专家系统的概念和技术，模拟人类专家的控制知识与经验而建造的控制和技术，模拟人类专家的控制知识与经验而建造的控制系统，称为专家控制系统。系统，称为专家控制系统。 第40页/共51页41 神经网络是指由大量与生物神经网络是指由大量与生物神经系统的神经细胞相类似的人工神经系统的神经细胞相类似的人工神经元互连而组成的网络；或由大神经元互连而组成的网络；或由大量象生物神经元的处理单元并联互量象生物神经元的处理单元并联互连而成。这种神经网络具有某些智连而成。这种神经网络具有某些智能和仿人控制功能。能和仿人控制功能。 人工神经网络控制系统 第41页/共51页42 学习算法是神经网

20、络的主要特征，也是当前研究的主要课题.学习的概念来自生物模型，它是机体在复杂多变的环境中进行有效的自我调节。神经网络具备类似人类的学习功能。一个神经网络若想改变其输出值，但又不能改变它的转换函数，只能改变其输人，而改变输人的唯一方法只能修改加在输人端的加权系数。人工神经网络控制系统 第42页/共51页43人工神经网络控制系统 神经网络的学习过程是修改加权系数的过程，最终使其输出达到期望神经网络的学习过程是修改加权系数的过程，最终使其输出达到期望值，学习结束值，学习结束. .常用的学习算法有：常用的学习算法有：HebbHebb学习算法、学习算法、widrowwidrowHoffHoff学习算法、

21、学习算法、反向传播学习算法一反向传播学习算法一BPBP学习算法、学习算法、HopfieldHopfield反馈神经网络学习算法等。反馈神经网络学习算法等。第43页/共51页44模糊控制系统 所谓模糊控制，就是在被控制对象的模糊模型的基础上，运用模糊所谓模糊控制，就是在被控制对象的模糊模型的基础上，运用模糊控制器近似推理手段，实现系统控制的一种方法。控制器近似推理手段，实现系统控制的一种方法。 模糊模型是用模糊语言和规则描述的一个系统的动态特性及性能指标。模糊模型是用模糊语言和规则描述的一个系统的动态特性及性能指标。第44页/共51页45模糊控制系统 模糊控制的基本思想是用机器去模拟人对系模糊控

22、制的基本思想是用机器去模拟人对系统的控制。它是受这样事实而启发的：对于用传统控统的控制。它是受这样事实而启发的：对于用传统控制理论无法进行分析和控制的复杂的和无法建立数学制理论无法进行分析和控制的复杂的和无法建立数学模型的系统，有经验的操作者或专家却能取得比较好模型的系统，有经验的操作者或专家却能取得比较好的控制效果，这是因为他们拥有日积月累的丰富经验，的控制效果，这是因为他们拥有日积月累的丰富经验，因此人们希望把这种经验指导下的行为过程总结成一因此人们希望把这种经验指导下的行为过程总结成一些规则，并根据这些规则设计出控制器。然后运用模些规则，并根据这些规则设计出控制器。然后运用模糊理论、模糊

23、语言变量和模糊逻辑推理的知识，把这糊理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理的知识，把这些模糊的语言上升为数值运算，从而能够利用计算机些模糊的语言上升为数值运算，从而能够利用计算机来完成对这些规则的具体实现，达到以机器代替人对来完成对这些规则的具体实现，达到以机器代替人对某些对象进行自动控制的目的。某些对象进行自动控制的目的。第45页/共51页46学习控制系统学习控制系统 学习是人类的主要智能之一，人类的各学习是人类的主要智能之一，人类的各项活动也需要学习。在人类的进化过程中，学项活动也需要学习。在人类的进化过程中，学习功能起着十分重要的作用。学习控制正是模习功能起着十分重要的作用。学习控制正是模拟人类自身各种优良的控制调节机制的一种尝拟人类自身各种优良的控制调节机制的一种尝试。试。 所谓学习是一种过程，它通过重复输人信所谓学习是一种过程，它通过重复输人信号，并从外部校正该系统，从而使系统对特定号，并从外部校正该系统，从而使系统对特定输人具有特定响应。学习控制