《智能控制技术》 第一章 绪论

1、1智能控制技术中国计量学院自动化教研室 2智能控制技术第1章 绪论1.1 智能控制理论的产生与发展1.2 智能控制的几个重要分支1.3 智能控制系统的一般构成1.4 本课程概要31.1 智能控制理论的产生与发展一、自动控制理论的产生任何一种理论的产生都是由当时的生产力发展水平和人们的认识水平所决定的，是社会发展的客观要求。控制理论作为一门科学，产生可以追述到18世纪中叶的第一次技术革命。1.1 智能控制理论的产生与发展4一、自动控制理论的产生1765年 瓦特发明蒸汽机1872年 劳斯稳定判据1890年 赫尔维茨稳定判据1892年 里亚普诺夫稳定性1932年 乃奎斯特反馈放大器稳定性1948年

2、维那控制论-或关于在动物和机器中控制和通讯的科学总结了控制论的基本方法，推广了反馈的基本概念，为控制论的产生奠定了基础。1.1 智能控制理论的产生与发展5二、自动控制理论的发展：三个阶段第一阶段：20世纪40年代60年代 经典控制理论形成和发展阶段研究对象研究对象：单输入-单输出线性系统（SISO）数学工具数学工具：拉普拉斯变换（ Z变换）数学模型数学模型：系统的传递函数主要内容主要内容：建立典型系统的传递函数，通过根轨迹法研究参数变化对传递函数零极点分布的影响，用频域法研究了系统的稳定判据，以及系统的校正方法。主要成果主要成果：把PID控制广泛成功的应用到单输入单输出的线性控制系统中。1.1

3、 智能控制理论的产生与发展6二、自动控制理论的发展：三个阶段第二阶段：20世纪60年代70年代 现代控制理论形成和发展阶段研究对象研究对象：多输入-多输出线性系统（MIMO），部分非线性系统数学工具数学工具：微积分方程，矩阵论，泛函等数学模型数学模型：系统的状态空间表达式主要内容主要内容：通过状态空间表达式，给出了系统的标准型进行系统的能控性和能观性分析，用里亚普若夫方程进行系统稳定性分析，求解最优控制理论与方法，自适应控制，系统辩识等。主要成果主要成果：形成了极大值原理，动态规划，滤波，能控，能观性以及自适应控制一大批成果，为空间科学的发展奠定了基础。1.1 智能控制理论的产生与发展7二、自

4、动控制理论的发展：三个阶段经典控制理论和现代控制理论合称为传统控制。经典控制理论和现代控制理论合称为传统控制。第三阶段 20世纪70年代末现在 智能控制理论发展阶段 为什么会提出智能控制？1.1 智能控制理论的产生与发展8三、智能控制理论的产生和发展1.1 智能控制理论的产生与发展1、传统控制的局限性传统控制是基于被控对象精确模型的控制。即对象能用数学模型精确描述，如传递函数，差分方程，微分方程等，但是有些对象如中药治病，炒菜等很难建立一个精确的模型。 传统控制难以完成复杂的控制任务。（特别是具有强烈非线性的系统）。传统控制利用的信息比较单一。例如：中药治病，炒菜系统，可以利用的信息包括了数据

5、，声音，语言，文字等。 9三、智能控制理论的产生和发展1.1 智能控制理论的产生与发展对传统控制无法实现的控制任务，人类（拥有智能）却往往能根据直觉进行操作和判断，达到理想效果。 能不能通过模拟大脑的思维，来实现控制目的，这就是把人的思维过程引入到控制中来，这就是智能控制的基本思想和方法。10三、智能控制理论的产生和发展1.1 智能控制理论的产生与发展智能：从信息的角度来看，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。可以看出，智能的核心是一种思维的活动。研究智能控制理论与技术的目的，是要设计制造出具有高度智能水平的人工系

6、统(智能系统)，以便在那些必要的场合能够用人工系统替代人去执行各种任务。11三、智能控制理论的产生和发展1.1 智能控制理论的产生与发展2、智能控制的发展1966 Mendel 提出了人工智能控制的概念1971 傅京逊 提出IC=AIAC1974 Mamdani 把模糊控制器用于工业过程1977 Saridis 分层递阶的智能控制结构1987 IEEE 智能控制国际会议 标志着智能控制作为一门学科正式形成。80年代以来，神经网络、模糊控制等都取得很大的进展，有很多成功的实际应用。12三、智能控制理论的产生和发展1.1 智能控制理论的产生与发展3、智能控制的定义傅京逊用智能控制系统描述自动控制系

7、统与人工智能的交接作用，并把它称为二元交集结构。AIACIC智能控制的二元结构13三、智能控制理论的产生和发展1.1 智能控制理论的产生与发展3、智能控制的定义Saridis于1977年提出另一种智能控制三元结构。ACAIORIC智能控制看做自动控制、人工智能和运筹学三个学科的交集14三、智能控制理论的产生和发展1.1 智能控制理论的产生与发展3、智能控制的定义蔡自兴提出四元智能控制结构。AIICORITACICAIACIT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151.2 智能控制的几个重要分支专家系统和专家控制模糊控制神经网络控制机器学习控制1.2 智能控制的几个重要分

8、支16一、专家系统和专家控制（Expert control） 专家系统尚无统一而精确的定义。专家系统的奠基人费根鲍姆认为“专家系统是一种智能的计算机程序，它运用知识和推理步骤解决只有专家才能解决的复杂问题”。1.2 智能控制的几个重要分支1.2 智能控制的几个重要分支17 专家系统是一个智能计算机程序系统； 具有相关领域内大量的专家知识； 能应用人工智能技术模拟人类专家求解问题的思维过程进行推理，解决相关领域的难题，达到该领域专家的水平。 一、专家系统和专家控制1.2 智能控制的几个重要分支18专家系统包括三个部分： 知识库：事实、判断、规则、经验和模型 推理机制：逻辑推理 控制机制：决定规则

9、何时被激活 举例：医疗诊断专家系统一、专家系统和专家控制1.2 智能控制的几个重要分支19关幼波老中医诊断肝病的“电子计算机中医专家系统”一、专家系统和专家控制1.2 智能控制的几个重要分支20二、模糊控制(Fuzzy control) 在实际生产过程中，人们发现，有经验的操作人员，虽然不懂被控对象或被控过程的数学模型，却能凭借经验采取相应的决策，很好的完成控制工作。 1.2 智能控制的几个重要分支1.2 智能控制的几个重要分支21例如：要用建立数学模型解数学方程的方法来控制倒立摆直立不倒是一件很困难的事情，但人们在用手控制竹竿直立不倒时，一边用眼观测，一边用手控制：a、若竹竿向前倾，则手向前

10、运动；b、若竹竿向前倾一点，则手向前动一点；c、若竹竿向后倾，则手向后运动；d、若竹竿突然向后倒，则手快速向后退。二、模糊控制1.2 智能控制的几个重要分支22模糊控制是以模糊集合论、模糊推理为基础的一种计算机数值控制。包括三个部分：模糊化：将精确数值量转化为模糊量模糊决策：模糊逻辑推理精确化：将模糊量进行精确化计算应用实例：模糊控制洗衣机二、模糊控制1.2 智能控制的几个重要分支23三、神经网络控制(Neural Network Control) 神经网络是由大量人工神经元(处理单元)广泛互联而成的网络，它是在现代神经生物学和认识科学对人类信息处理研究的基础上提出来的，具有很强的自适应性和学

11、习能力、非线性映射能力、各棒性和容错能力。充分地将这些神经网络特性应用于控制领域，可使控制系统的智能化向前迈进一大步。应用实例：解决了旅行商问题 1.2 智能控制的几个重要分支1.2 智能控制的几个重要分支24旅行商问题又译为旅行推销员问题，简称为旅行商问题又译为旅行推销员问题，简称为TSPTSP问题问题，是最基本的路线问题，该问题是在寻求单一旅行者由起点出发，通过所有给定的需求点之后，最后再回到原点的最小路径成本。TSP问题最简单的求解方法是枚举法。 TSP问题应用：物流配送、航线调度等。 三、神经网络控制1.2 智能控制的几个重要分支25四、学习控制(Learning Control) 学

12、习是人类的主要智能之。学习控制正是模拟人类自身各种优良控制调节机制的一种尝试。Tsypkin曾对学习下过一个定义：即作为一种过程，它通过重复各种输入信号，并从外部校正该系统，从而使系统对待定输入具有特定响应。 应用实例：迭代学习控制（机器手控制、试验钻探） 1.2 智能控制的几个重要分支1.2 智能控制的几个重要分支26在不知道如何控制时，通过尝试输入一种控制，得到所对应的输出。根据所尝试的输入和得到的输出，构建改进的控制输入，再得到第二个输出，根据前两个输入又可以构建新的控制，如此循环，最终如果收敛，就能得到所需要的控制输入。核心在于如何用前面已知的输入和输出构建新的输入，即学习算法。例如：uk + 1 = uk + L * ekuk是第k次迭代的输入信号，ek是第k次过程的跟踪误差，L是学习参数，通常叫做学习增益。 四、学习控制1.2 智能控制的几个重要分支271.3 智能控制系统的构成一、智能控制系统的结构 1.3 智能控制系统的构成281.3 智能控制系统的构成二、智能控制系统的功能特点学习功能 适应功能组织功能容错性 系统对各类故障应具有自诊断、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性因素不敏感。实时性 系统应具有相当的在线实时响应