智能控制的产生与发展

智能控制初步介绍

——产生与发展智能控制的产生与发展第1页主要内容智能控制产生和发展智能控制定义、特点智能控制主要分支智能控制结构理论体系智能控制的产生与发展第2页智能控制产生和发展瓦特瓦特蒸汽机智能控制的产生与发展第3页智能控制产生和发展瓦特离心调速器智能控制的产生与发展第4页智能控制产生和发展在公元1788年前后，瓦特采取离心调速器，改进了蒸气机，促进了工业大生产进程。这种采取机械式调整原理实现动力机速度自动控制是自动化发展中第一个里程碑。离心调速器开启了近代自动化控制先河，实现了自动化控制，标志着近代自动化控制技术诞生，对工业革命影响巨大而深远。离心调速器结构简单，性能可靠，至今仍在大范围使用，含有不可或缺作用！智能控制的产生与发展第5页智能控制产生和发展1868年，以离心式调速器为背景，物理学家麦克斯韦尔(Maxwell)研究了反馈系统稳定性问题，发表了当前公认控制理论最早理论论文--“论调速器(OnGovernors)”。源自物理学与数学自动控制理论(在当初称为自动调整原理，简称调整原理)开始逐步形成。1892年，俄国李亚普诺夫(Lyapunov)博士论文--“论运动稳定性普通问题”，提出了李亚普诺夫(Lyapunov)稳定理论。1922年，美国N.Minorsky研制出用于船舶驾驶伺服结构，提出了PID控制律。1942年尼克尔斯Nichols提出了回路整定技术(PID整定表和设计用尼可尔斯图)。智能控制的产生与发展第6页智能控制产生和发展长久以来，自动控制科学已对整个科学技术理论和实践作出了主要贡献，并为人类社会带来了巨大利益。然而，当代科学技术快速发展和重大进步，对控制和系统科学提出了更新更高要求，自动控制理论和工程正面临新发展机遇和严峻挑战。传统控制理论：经典反馈控制、当代控制、大系统理论等，在应用中碰到不少难题。多年来，自动控制一直在寻找新出路。现在看来，出路之一就是实现控制系统智能化，以期处理面临难题。智能控制的产生与发展第7页智能控制产生和发展自动控制发展过程控制复杂性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智能控制的产生与发展第8页智能控制产生和发展控制理论发展三个阶段第一阶段：经典控制理论（形成于20世纪40到60年代）。第二阶段：当代控制理论（形成于20世纪60到70年代）第三阶段：智能控制理论（20世纪70年代至今）智能控制的产生与发展第9页智能控制产生和发展经典控制理论单输入单输出反馈系统传递函数波特图奈奎斯特图根轨迹图主要代表人物：Bode,Evans,Nyquist，

Routh，……智能控制的产生与发展第10页智能控制产生和发展当代控制理论含有多个相互耦合回路多变量系统状态空间法最优控制能控性和能观性卡尔曼滤波主要代表人物：卡尔曼(Kalman),庞特里亚金(Pontryagin),贝尔曼(Bellman),奥斯特隆姆(Astrom)，……智能控制的产生与发展第11页智能控制产生和发展智能控制理论复杂系统含糊控制进化计算……神经网络主要代表人物：Zadeh，Hopfield，J.Holland，……智能控制的产生与发展第12页智能控制产生和发展传统控制理论面临难题准确数学模型和复杂性、非线性、时变性、不确定性、不完全性之间矛盾，造成无法取得准确数学模型；苛刻系统假设在应用中往往与实际不相吻合；复杂、不确定性对象,以传统方法无法处理建模问题；为了提升性能,传统控制系统可能变得很复杂,从而增加了设备初投资和维修费用,降低系统可靠性；应用要求进行创新，提出新控制思想，进行新集成开发，处理未知环境中复杂系统控制问题。智能控制的产生与发展第13页智能控制产生和发展智能控制发展1965年,著名美籍华裔科学家傅京孙(K.S.Fu)教授首先把人工智能启发式推理规则用于学习控制系统；然后,他又于1971年叙述了人工智能与自动控制交接关系。因为傅先生主要贡献,他已成为国际公认智能控制先行者和奠基人。含糊控制是智能控制又一活跃研究领域。扎德(Zadeh)于1965年发表了他著名论文“含糊集合”(fuzzysets),开辟了含糊控制新领域。1967年,利昂兹(Leondes)等人首次正式使用“智能控制”一词。这一术语出现要比“人工智能”晚,比“机器人”晚47年。智能控制的产生与发展第14页智能控制产生和发展萨里迪斯(Saridis)对智能控制系统分类作出贡献。他把智能控制发展道路上最远点标识为人工智能。他认为,人工智能能够提供最高层控制结构,进行最高层决议。另外，奥斯特洛姆(ÅstrÖm)、迪席尔瓦(deSilva)、周其鉴、蔡自兴、霍门迪梅洛(HomendeMello)和桑德森(Sanderson)等于80年代分别提出和发展了教授控制、基于知识控制、仿人控制、教授规划和分级规划等。智能控制的产生与发展第15页智能控制产生和发展两次学术会议1985年8月美国纽约，IEEE召开了第一届智能控制学术讨论会，成立IEEE智能控制专业委员会。1987年1月美国费城，第一次智能控制国际会议。标志着智能控制作为一门独立学科，正式在国际上建立。智能控制的产生与发展第16页智能控制产生和发展国内发展情况全球智能控制与自动化大会19931997北京西安合肥上海杭州大连重庆济南北京沈阳成立中国人工智能学会智能控制与智能管理专业委员会及智能机器人专业委员会，中国自动化学会智能自动化专业委员会等学术团体。《模式识别与人工智能》、《智能系统学报》等学术刊物标志着智能控制作为一门独立新学科在我国已经建立起来了智能控制的产生与发展第17页智能控制产生和发展智能控制作为一门新学科科学意义为处理传统控制无法处理问题找到了一条新路径；促进自动控制向着更高水平发展；激发学术界思想解放，推进科技创新；为实现脑力劳动和体力劳动自动化做出贡献；为各种学派合作树立了典范智能控制的产生与发展第18页智能控制定义、特点智能控制定义智能机器能够在定形或不定形，熟悉或不熟悉环境中自主地或与操作人员交互作用以执行各种拟人任务机器叫做智能机器。自动控制自动控制是能按要求程序对机器或装置进行自动操作或控制过程。简单地说，不需要人工干预控制就是自动控制。智能控制的产生与发展第19页智能控制定义、特点智能控制智能控制是驱动智能机器自主地实现其目标过程。或者说，智能控制是一类无需人干预就能够独立地驱动智能机器实现其目标自动控制。对自主机器人控制就是一例。智能控制系统用于驱动自主智能机器以实现其目标而无需操作人员干预系统叫智能控制系统。这类系统必须含有智能调度和执行等能力。智能控制系统理论基础是人工智能、控制论、运筹学和信息论等学科交叉。智能控制的产生与发展第20页智能控制定义、特点智能控制器普通结构1-智能控制系统；2-多层控制器；3-多传感系统智能控制的产生与发展第21页智能控制定义、特点智能控制特点同时含有以知识表示非数学广义模型和以数学模型(含计算智能模型与算法)表示混合控制过程。智能控制含有分层信息处理和决议机构，关键在高层控制,即组织级。智能控制是一门边缘交叉学科。智能控制是一个新兴研究领域。不论在理论上或实践上它都还很不成熟、很不完善,需要深入探索与开发。智能控制的产生与发展第22页智能控制定义、特点智能控制功效：学习功效一个系统，如能对一个过程或其环境未知特征所固有信息进行学习，并将得到经验用于深入预计、分类、决议或控制，从而使系统性能得到改进。适应功效智能行为实质上是一个从输入到输出映射，一个不依赖模型自适应预计，即使系统某一部分出现故障时，系统也能正常工作。智能控制的产生与发展第23页智能控制定义、特点组织功效对于复杂任务和分散传感信息含有自行组织和协调功效，系统含有对应主动性和灵活性，在任务要求范围内自行决议，主动采取行动，当出现多目标冲突时，各控制器在一定限制条件下自行处理。智能控制的产生与发展第24页智能控制定义、特点智能控制研究对象不确定性模型模型不确定性包含两层意思：一是模型未知或知之甚少；二是模型结构和参数可能在很大范围内改变。高度非线性传统控制理论处理非线性方法复杂，有时只能定性分析。如继电器特征、磁滞回环特征、死区、饱和特征等。智能控制的产生与发展第25页智能控制定义、特点复杂任务要求传统控制，控制任务要求比较单一，如要求输出量恒定或要求输出量跟随期望运动轨迹改变。如在复杂工业过程控制系统中，除了要求对各被控物理量实现定值调整外，还要求实现整个系统自动启停、故障自动诊疗以及紧急情况自动处理等功效，就要用智能控制系统了。能够概括为：智能控制是“三高三性”产物。即“控制系统高度复杂性、高度不确定性及人们要求越来越高控制性能”智能控制的产生与发展第26页智能控制主要分支智能控制几个主要应用研究领域智能机器人规划与控制生产过程智能监控智能故障检测与诊疗自动加工系统智能控制飞行器智能控制医疗过程智能控制智能仪器智能控制智能控制的产生与发展第27页智能控制主要分支智能控制系统分类递阶控制系统教授控制系统含糊控制系统学习控制系统神经控制系统仿生控制系统集成智能控制系统组合智能控制系统智能控制的产生与发展第28页智能控制主要分支智能控制主要研究内容含糊控制以含糊集合理论为基础控制方法，模仿人控制经验而不与常规控制方法相比，含糊控制有以下特点：含糊控制完全是在操作人员控制经验基础上实现对系统控制，无需建立数学模型，是处理不确定性系统一个有效路径。含糊控制含有较强鲁棒性，被控对象参数改变对含糊控制影响不显著，可用于非线性、时变、时滞系统控制。智能控制的产生与发展第29页智能控制主要分支由离线计算得到控制查询表，提升了控制系统实时性。控制机理符合人们对过程控制作用直观描述和思维逻辑，为智能控制应用打下了基础。是依赖控制对象模型。智能控制的产生与发展第30页智能控制主要分支含糊控制器普通结构

智能控制的产生与发展第31页智能控制主要分支神经网络控制部分地表现出人脑一些智能特征，人们从结构和信息处理机制模拟角度建立了生物神经网络模型，即人工神经网络。人工神经网络即使反应了人脑功效基本特征，但远不是自然神经网络逼真描写，而只是它某种简化、抽象和模拟。智能控制的产生与发展第32页智能控制主要分支智能控制的产生与发展第33页智能控制主要分支人工神经网络含有几个突出特点：能够充分迫近任意复杂非线性关系；全部定量或定性信息都分布贮存于网络内各神经元连接上，故有很强鲁棒性和容错性；采取并行分布处理方法，使得快速进行大量运算成为可能；可学习和自适应不知道或不确定系统。智能控制的产生与发展第34页智能控制主要分支教授控制系统教授系统是人工智能应用领域最成功分支之一，始于60年代中期。伴随应用不停成功，教授系统技术越来越受人们重视。80年代教授系统概念和方法被引入控制领域，促进了教授控制系统研究和应用，它在控制领域应用已包括到控制系统辅助设计、分析和教授控制等方面。智能控制的产生与发展第35页智能控制主要分支教授系统简化结构图知识库推理机教授知识输入或提问答案教授系统简化结构图智能控制的产生与发展第36页智能控制主要分支教授控制系统含有以下特点：一定程度上模拟人思维活动规律，能进行自动推理，善于应付各种改变，含有透明性和灵活性。不停监督生产过程，实现特定性能指标下优化控制，能处理大量低层信息，可进行操作指导。相对传统控制，扩展了许多功效，如复杂系统高质量控制，故障诊疗和容错控制，参数和算法自动修改，不一样算法组合等。深层知识引入，能够填补教授经验不足，能够自然地消除决议冲突。智能控制的产生与发展第37页智能控制主要分支直接教授控制系统框图(b)间接教授控制系统框图智能控制的产生与发展第38页智能控制主要分支分层递阶智能控制分层递阶智能控制是在研究学习控制系统基础上，从工程控制出发，总结人工智能与自适应控制、自学习控制及自组织控制关系后逐步形成。G．N．Sariidis最早提出了分层递阶智能控制。分层递阶智能控制含有两个显著特点：对控制来讲，自上而下控制精度愈来愈高；对识别来讲，自下而上信息回馈愈来愈粗略。智能控制的产生与发展第39页智能控制主要分支该系统由组织级、协调级、执行级组成，按照自上而下准确程度渐增、智能程度渐减标准进行功效分配。在这类多层智能控制系统中，智能主要表达在高层次上，其主要作用是模仿人功效实现规划、决议、学习和任务协调等任务。执行级依然采取现有数学解析控制算法，对数值进行操作和运算。

组织级

协调级

执行级

对象

识别用户指令三级递阶控制结构智能控制的产生与发展第40页智能控制主要分支学习控制模拟人类本身各种优良控制调整机制一个尝试，能在运行过程中逐步取得被控过程及环境非预知信息，积累控制经验，并在一定评价标准下进行估值、分类、决议和不停改进系统品质自动控制系统。学习控制系统经过对系统性能评价和优化来调整系统结构和参数，好优化理论和算法是其系统设计关键。遗传算法有潜力。智能控制的产生与发展第41页智能控制主要分支在智能控制系统研究与应用中，常将几个惯用类型结合起来，组成各种综合智能控制系统。比如，含糊神经网络智能控制系统，教授含糊智能控制系统，神经网络教授智能控制系统等等。智能控制的产生与发展第42页智能控制结构理论体系智能控制结构理论智能控制含有十分显著跨学科(多元)结构特点。在此，我们主要讨论智能控制二元交集结构、三元交集结构和四元交集结构三种思想，它们分别由以下各交集(通集)表示：IC=AI∩ACIC=AI∩CT∩ORIC=AI∩CT∩IT∩ORAI--人工智能(ArtificialIntelligence)AC--自动控制(AutomaticControl)CT--控制论(ControlTheory)OR--运筹学(OperationResearch)IT--信息论(InformationTheory,Informatics)；IC--智能控制(IntelligentControl)∩表示交集和连词"与"符号。智能控制的产生与发展第43页智能控制结构理论体系二元结构傅京孙1971年提出把智能控制作为人工智能和自动控制交接领域。他曾对几个与自学习控制（learningcontrol）相关领域进行了研究。为了强调系统问题求解和决议能力，他用“智能控制系统”来包含这些领域。他指出：智能控制系统描述自动控制系统与人工智能交接作用。ICACAI智能控制二元结构智能控制的产生与发展第44页智能控制结构理论体系三元结构萨里迪斯（Saridi