智能控制技术-06课件

第7章智能控制技术应用与研究展望1第7章智能控制技术应用与研究展望1我们已经在前面各章中介绍与分析了智能控制的许多应用例子，它们涉及各类智能控制系统。智能控制是否能得到成功的应用？这是许多人关注的问题。尽管智能控制的应用成果还是比较初步的，它们的有效性还有待进一步通过实践来检验，但是，在短短十多年内，智能控制能够在那么广泛的范围内和较大的深度上获得成功应用，已给从事智能控制研究、开发和应用的人们以极大的鼓舞。2022/11/232我们已经在前面各章中介绍与分析了智能控制的许多应用例子，它们智能控制的研究和应用是一副多彩多姿的图象，从实验室到工业现场，从家用电器到火箭制导，从制造业到采矿业，从飞行器到武器控制，从轧钢机到邮件处理机，从工业机器人到康复假肢等等，都有智能控制的用武之地。限于篇幅，本章第一部分仅就智能控制应用的两个方面进行讨论：一为智能控制有哪些主要应用领域，二为智能控制应用研究中目前存在哪些问题。本章的第二部分将展望智能控制的发展。下面对它们分别加以讨论。2022/11/233智能控制的研究和应用是一副多彩多姿的图象，从实验室到工业现场智能控制的应用研究领域与现状本节通过实例简介，说明智能控制的几个主要应用研究领域及其现状。2022/11/234智能控制的应用研究领域与现状本节通过实例简介，说明智能控制的智能机器人规划与控制机器人研究者们所关心的主要研究方向之一是机器人运动的规划与控制。给出一个规定的任务之后，首先必须作出满足该任务要求的运动规划；然后，这个规划再由控制来执行，该控制足以使机器人适当地产生所期望的运动。这里，以复式自主水下运载器（MultipleAutonomousUnderseaVehicle,MAUV）的运动规划与控制系统为例加以说明。2022/11/235智能机器人规划与控制机器人研究者们所关心的主要研究方向之一是为实现MAUV在复杂环境下的实时智能控制，需要研究的问题包括分布式控制、基于智能的系统、实时规划、环境建模、阀值驱动推理，智能传感、智能通讯、交互问题求解、对策和学习等。MAUV系统需要完成的作用则包括预测、探索、潜入、伪装、攻击、逃逸、通讯和合作等。这些作用是在自然的和潜在危险的环境中完成的。2022/11/236为实现MAUV在复杂环境下的实时智能控制，需要研究的问题包括下图给出MAUV的一种智能控制结构，其实际结构采用分段分层框架。各段计算模块由一个通讯系统和一个公共存储器提供服务。MAUV系统的硬件包括SUN工作站、VAXll/785、微型VAX机、多种微机和IRIS图形系统等，其软件是建立在Ironics开发系统和Ironics-Unix开发系统基础上的。2022/11/237下图给出MAUV的一种智能控制结构，其实际结构采用分段分层框2022/11/2382022/11/228生产过程的智能监控许多工业连续生产线，如轧钢、化工、炼油、材料加工、造纸和核反应等，其生产过程需要监视和控制，以保证高性能和高可靠性。为保持物理参数具有一定的精度，确保产品的优质高产，已在一些连续生产线或工业装置上采用了有效的智能控制模式。例如，旋转水泥窑的模糊控制、汽车工业的高级模糊逻辑控制、轧钢机的神经控制、分布式材料加工系统、智能PH值过程控制、工业锅炉的递阶智能控制以及核反器的知识基控制等。2022/11/239生产过程的智能监控许多工业连续生产线，如轧钢、化工、炼油、材其中，工业锅炉的递阶智能控制可作为这方面的典型。下图表示该控制系统的混合控制器方框图。从图可知，其控制模式包括专家控制、多模式控制和自校正PID控制。2022/11/2310其中，工业锅炉的递阶智能控制可作为这方面的典型。下图表示该控2022/11/23112022/11/2211本控制系统的智能控制算法采用偏差e(k)与e(k)的相平面分析方法，并采用产生式规则表示应当采用的控制模式。专家控制用以模拟人类专家的操作经验，并编制出40多条控制规则。自校正PID控制除了数据库、知识库和推理机外，还包括模式识别装置等。工业现场运行结果表明，本控制器的混合结构是相当成功的。专家控制模式对于锅炉燃烧过程是适用的，当负荷增减或燃煤质量变化时，专家控制十分有效。自寻优和自学习算法则实现煤炭的经济烧燃。工业锅炉的效率因引用本专家控制而显著提高。2022/11/2312本控制系统的智能控制算法采用偏差e(k)与e(k)的相平面自动加工系统的智能控制计算机集成加工系统（CIMS）和柔性加工系统（FMS）在近年来获得迅速发展。在一个复杂的加工过程中，不同条件下的多种操作是必要的，以求保证产品质量。环境的不确定性以及系统硬件和软件的复杂性，向当代控制工程师们设计和实现有效的集成控制系统提出了挑战。2022/11/2313自动加工系统的智能控制计算机集成加工系统（CIMS）和柔性加下图表示一种基于Petri网的自动加工智能控制系统的结构。为了把现有的Petri网技术用于现代加工系统，需要开发出一种新技术，把机器智能技术和Petri网理论以及智能离散事件控制器连接起来。我们可把CIMS和FMS系统作为离散事件驱动系统来处理，而基于Petri网的方法则可用来设计这类智能控制器。实际CIMS或FMS系统和Petri网模型的具体分析。2022/11/2314下图表示一种基于Petri网的自动加工智能控制系统的结构。为2022/11/23152022/11/2215智能故障检测与诊断故障检测和诊断与过程监控密切相关。一个高级的过程控制系统应当具有故障自动检测和自诊断能力，以保证系统工作的高度可靠性。过去几年中，因控制不当或未能对故障进行及时诊断而发生过一些重大事故，酿成灾难。例如，发生在前苏联切尔诺贝利核电站的事故等。从那时以来，人们已对特别复杂系统故障诊断的重要性引起前所未有的重视。2022/11/2316智能故障检测与诊断故障检测和诊断与过程监控密切相关。一个高级当然，许多高级的医疗诊断系统也是智能故障诊断系统；不同之处仅仅在于诊断的对象不同。所有智能故障检测与诊断（IFDD）系统的一般任务是根据已观察到的状况、领域知识和经验，推断出系统、部件或器官的故障原因，以便尽可能及时发现和排除故障，以提高系统或装备的可靠性。生产过程故障诊断系统能够了解各部分的特性以及这些特性间的关系，发现一种现象掩盖的另一现象，为用户提供检测数据，并尽可能正确地从不确定信息作出诊断结论。更准确地说，FDD系统的主要任务为：（l）检测出系统或过程在某一时刻是否发生故障，并在故障发生后立即发出故障警报。（2）在故障发生后，迅速确定故障部件或部位、故障原因和程度，以及故障对系统的影响和发展趋势。（3）提供消除有关故障的措施，以便隔离和替换故障部件，抑制和消除有关故障，使系统或过程恢复正常工作状态。2022/11/2317当然，许多高级的医疗诊断系统也是智能故障诊断系统；不同之处仅飞行器的智能控制飞行过程控制一直是自动控制的重要应用研究领域之一。大多数商用飞机都装备有可供选择的自动降落系统的自动驾驶仪。这种自动驾驶系统已被用于包括747S、A380等飞机上；一般使用在晴朗和无风的气候条件下，也可用于有雾或下雨但无风的气候。使用自动驾驶系统代替飞机驾驶员是基于下列二个理由的：首先，自动驾驶系统能够实现飞机的可靠平稳降落，从而提高乘客的舒适感，减少轮胎和降落齿轮的摩损。其次，为驾驶员提供无风气候下的重要训练手段，使他们习惯于一个必须了解和信赖的系统，以便在未来可能遇到的不利气候条件下，能够操作自如。2022/11/2318飞行器的智能控制飞行过程控制一直是自动控制的重要应用研究领域现有的自动降落系统仅在一定的操作安全范围内才能可靠地工作，而且无法在强烈下降气流下运行。当出现严重紊流扰动时，一般的自动驾驶系统也难于对付。为了提高飞行器降落过程的可靠性和平稳性，需要一种新的能够扩展运行范围的制导技术，使它能够在比较宽松的气候条件情况下，作出安全响应。2022/11/2319现有的自动降落系统仅在一定的操作安全范围内才能可靠地工作，而一种基于神经网络的飞行控制器能够提供这种控制，它能够处理紊流和其它可能出现的非线性控制情况。一个训练有素的飞行员在长期实践中发展了他的熟练的直觉；这种称为"飞行感"的直觉使他能够在各种新的和未经预测的飞行条件下作出恰如其分的操作反应。在操作上的这种"飞行感"到底是什么，还难以说清，但是它却使有经验的驾驶员能够比传统的自动驾驶控制器更好地处理非常气候尤其是恶劣气候。神经网络能够较好地处理各种非线性或未识别线性关系，而这些关系往往是驾驶员可能运用的。神经网络在原则上能够产生从一个大的变量集合（如传感器参量）到另一个变量集合（如操作模式或控制动作）的映射。2022/11/2320一种基于神经网络的飞行控制器能够提供这种控制，它能够处理紊流自80年代中叶以来，智能控制已被应用于飞行过程控制，尤其是飞机的俯倾（flare）和降落（landing）控制。一种已经实现的神经网络结构，其输入信号包括飞行高度的指令和飞行高度估计值等。所考虑的输入包括当前飞行高度和高长比误差值以及前一个仿真段的有关值。此外，还提供了前段的倾斜高度指令。可训练适应飞行控制器主要由“教师”（人或控制规律）和可训练控制器组成，而后者则由神经网络（采用BP学习算法）实现。整个飞行控制过程由飞机数学模型来表示。下图所示为一飞行器的飞行智能控制系统的制导、领航和控制结构，其中用虚线表示领航员的作用，以期与计算机的作用进行比较。

2022/11/2321自80年代中叶以来，智能控制已被应用于飞行过程控制，尤其是飞2022/11/23222022/11/2222医疗过程智能控制早从70年代中叶起，专家系统技术就被成功的应用于各种医疗领域。作为医用智能过程控制的新例子，让我们介绍一个用于控制手术过程中麻醉深度的病人平均动脉血压（MAP）的模糊逻辑控制系统。MAP是衡量麻醉深度的重要参数。在该控制系统的设计和实现时，采用模糊关系函数和语言规则。本系统已在许多不同的外科手术中得到成功应用。2022/11/2323医疗过程智能控制早从70年代中叶起，专家系统技术就被成功的应第一批麻醉深度控制实验始于70年代，它们采用恒增益PID控制器。接着，出现了具有一步自适应增益的控制器，不过仍不能处理手术期间病人的时变参数问题。这个问题可借用自适应控制器来解决，它对病人参数变化具有较好的鲁棒性。更新的研究采用基于规则和模糊逻辑的控制器，以便处理生物系统的时变结构问题。麻醉深度模糊控制系统的方框图如图所示。有两类扰动：因手术、心血管病和用药引起的病人痛苦而出现的噪声；因仪器校准和电灼等引起的血压和人工制品的测量噪声。2022/11/2324第一批麻醉深度控制实验始于70年代，它们采用恒增益PID控制2022/11/23252022/11/2225所开发的计算机程序能够执行数据获取、显示、控制和存储等任务。主程序可在任何时刻起动，使控制器开始工作。在自动控制循环内，MAP进行滤波、控制计算，控制信号修正、数据显示、更新和存储等工作，每l0秒重复一次。计算机显示出实际和期望血压以及吸气和呼气量。在任何时刻均可改变MAP的期望值而无须中断自动控制工作。所有感兴趣的数据都被存入文件，供以后检验。2022/11/2326所开发的计算机程序能够执行数据获取、显示、控制和存储等任务。智能控制应用研究的存在问题目前，智能控制研究已形成一股不小的热潮，并促进智能控制及其它学科与部门的发展。冷静地分析这股热潮，发现有不少问题值得引起注意。2022/11/2327智能控制应用研究的存在问题目前，智能控制研究已形成一股不小的首先，智能控制的应用研究目标和主攻方向不够明确。作为应用研究和应用基础研究，智能自动化在于寻求有别于传统控制的新的实用控制技术。离开了实际应用而纸上谈兵，那就不是真正的应用研究。有些应用研究以鉴定会或发表论文而画上句号。这可能败坏智能控制和研究者自身的声誉。每个部门、每个单位或每个人，应该因地制宜地选定自己的研究方向。顺便说一下，现有的一些研究具有盲目性，很多是低水平重复研究，很难取得较高水准和创新的成果。2022/11/2328首先，智能控制的应用研究目标和主攻方向不够明确。作为应用研究其次，智能自动化要面向复杂系统。对于一些比较简单的系统，引入智能控制并不值得，尤如用大炮打麻雀甚至跳蚤一样。这并不是说不可以搞较为简单的系统；然而，搞简单系统统是为了进一步研究复杂系统；而且，如果简单的智能控制系统的复杂性、故障率和成本高于同类应用传统控制系统，那么，智能控制的优越性就会令人置疑。反之，智能控制的声誉就会更高。值得顺便一提的是，目前"智能"已被滥用，一些毫无智能可言的系统也被冠以"智能"美名，甚至借此招摇撞骗，值得警惕。2022/11/2329其次，智能自动化要面向复杂系统。对于一些比较简单的系统，引入最后，研制新型智能控制硬件和软件，在智能控制研究中，往往缺少较好的软件环境，硬件方面存在的问题更大。例如，大多数基于神经网络的控制系统，还停留在"仿真"水平上，未能真正解决其实现问题，更谈不上实际应用。这方面要做的事不少，例如，提高运行速度、实现实时控制、提高对环境的感觉和解释能力、设计模块化传感器接口以及改善信息识别和处理能力等。在这方面的交流也存在一些问题。由于软件和硬件实现问题是技术关键，以至互相保密，不愿交流；这不利于智能控制的发展。应当研究出一种办法，以便实现合理的和积极的技术交流。2022/11/2330最后，研制新型智能控制硬件和软件，在智能控制研究中，往往缺少智能控制的进一步研究问题毫无疑问，在过去十年中，智能控制已经获得迅速发展，并得到日益广泛的应用。越来越多的研究者从不同方向从事智能控制学科的研究工作；他们相信，智能控制一定会以其新的成果对科学、技术、经济、社会以及人民生活作出重大贡献。不过，智能控制是一门新建立的学科，无论在理论上或应用上，仍然不够完善，有待继续研究与发展。本节打算探讨智能控制的进一步研究问题，展望智能控制的发展。2022/11/2331智能控制的进一步研究问题毫无疑问，在过去十年中，智能控制已经智能控制将起更重要的作用

尤如人工智能的智能机器人一样，智能控制涉及许多科技领域，如人工智能、控制论、系统论、信息论、认知心理学、认知生理学、认知工程学、语言学、逻辑学、仿生学、机器人学、VLSI和计算机科学等。相关科学技术的进展已为智能控制学科的发展提供强大的推动力；反之，智能控制的研究与发展也为上述所有领域提供一个合适的试验和应用场所。下图提出相关科学技术与智能控制系统的关系，该关系调强了发展智能科学（包括智能控制）所需要的知识与智能。2022/11/2332智能控制将起更重要的作用尤如人工智能的智能机器人一样，智能2022/11/23332022/11/2233在自动控制领域，智能控制也起到越来越重要的作用。正如我们在第一章中讨论过的，控制方法已经为广泛的复杂系统及其应用打开了新的大门；这些复杂系统往往具有不确定性和强非线性等特征。常规控制在应用中已遇到不少困难，而且控制系统处理这类困难的成功程度取决于系统的智能水平。智能控制已成为克服这些困难的一种比较有效的方法，并在高级机器人、智能规划与调度、自动制造系统、故障检测与诊断、交通运输、医疗以及智能仪器等方面获得广泛应用。2022/11/2334在自动控制领域，智能控制也起到越来越重要的作用。正如我们在第智能控制的进一步研究问题

为了巩固智能控制研究与应用成果，提出下列一些智能控制进一步研究的问题。

2022/11/2335智能控制的进一步研究问题为了巩固智能控制研究与应用成果，提l.控制问题的表示

在过去，对控制系统的世界表示问题的重视不够，而且通常考虑采用微积分模型作为处理控制问题的主要工具。往往以隐含的方法来描述目标和控制概念。传统上把控制系统看做表示输入和输出的时间函数的有序对集合。给出最少的受控对象（装置）的信息，它是完成和描述系统未来行为所需要的。不过，传统的表示方法很难在广泛的范围内使用。2022/11/2336l.控制问题的表示在过去，对控制系统的世界表示问题的重视智能控制应用更多的表示方法，如图搜索、谓词演算、语义网络、过程、黑板、框架和剧本等。已经提出和应用一些混合表示方法。还发展了一种统一的知识表示方法，而且把时序逻辑语言XYZ用于控制过程的研究也取得进展很久一段时间内，控制过程设计被理解为系统各参数的综合。后来，越来越清楚地认识到，控制过程设计是系统模型和实际结构的综合。现在，更进一步明确到，这个综合包括任务形式化过程。2022/11/2337智能控制应用更多的表示方法，如图搜索、谓词演算、语义网络、过2.认知控制器当智能控制系统中的知识库很大而且感知多样化时，智能控制器的操作将接近于人的判别。有许多人类判别（识别）的隐喻模型。不过，它们并非为用于智能控制系统而发明的。具有递阶感知和知识库的分级控制系统最接近于（类似）人类的认知活动。此外，对人类认知过程的理解仍然很有限和不完全。在这种情况下，设计认知控制器必将遇到许多困难。随着认知科学研究的进展，将会开发出更好的认知模型的更好的认知控制器。2022/11/23382.认知控制器当智能控制系统中的知识库很大而且感知多样化时3.控制模式

如果某个控制系统仅仅采用顺序控制，那么它就算不上一类智能控制。其它控制模式，诸如交互控制、自主控制、逻辑控制、认知控制以及直接语音控制等，则被认为属于智能控制.交互控制是用得最多和最易实现的。自主控制用于需要高控制性能且含有不确定环境的系统或装置。用于复杂系统的直接语音控制仍是令人感兴趣的研究课题，而且期望有所突破。此外，常常采用混合控制模式。2022/11/23393.控制模式如果某个控制系统仅仅采用顺序控制，那么它就算不展望智能控制的发展让我们来讨论智能控制的发展趋势。为了能够引起兴趣与争论，通常需要预测某些新的甚至意料不到的事物。同时，任何欣然接受这种预测而没有发现受到愚弄的人，能够使这种预测与自己的现有信仰保持一致,因而在一定程度上期待着新事物的出现而又不过于激动。

2022/11/2340展望智能控制的发展让我们来讨论智能控制的发展趋势。为了能够引1.寻求更新的理论框架到底未来的新型智能控制理论是什么，现在我们还难以预料。我们需要深入研究智能控制的基本理论和概念，寻找至今尚未发现的新理论，建立新的智能控制机理。例如，建立控制知识和控制系统的统一描述（表示），完整地和系统地研究智能控制系统的稳定性、鲁棒性和动态特性，构造新一代基于模型的专家控制系统，以及开发新的基于仿生学和拟人学控制机制等。所有这些，对于建立新的智能控制理论框架都是十分重要的问题。2022/11/23411.寻求更新的理论框架到底未来的新型智能控制理论是什么，现在近年来在智能控制领域出现一种十分可喜的现象,即人工智能不同学派的学术观点在智能控制学科上得到很好的融合与相互认同。这为智能控制建立了比较系统和扎实的理论基础和计算框架。尤其是计算智能的不断发展为智能控制提供了新的研究领域,一些新的智能方法即将出现。2022/11/2342近年来在智能控制领域出现一种十分可喜的现象,即人工智能不同学2.进行更好的技术集成

与人工智能相似的是，智能控制技术是人工智能技术与其它信息处理技术，尤其是信息论、系统论、控制论和认识工程学等的集成。从学科结构的观点来看，提出了不同的思想，其中，智能控制的四元交集结构是最有代表性的一种集成思想。在智能控制领域内已集成了许多不同的控制方案，如模糊自学习神经控制就集成了模糊控制、学习控制和神经控制等技术。2022/11/23432.进行更好的技术集成与人工智能相似的是，智能控制技术是人2022/11/23442022/11/22443.开发更成熟的应用方法

为了实现智能控制，必须开发新的硬件和软件。实现智能控制固然需要硬件的保障，不过，软件应是智能控制的核心；因为控制器的智能化是整个智能控制的核心，而这一智能化基本上要靠软件技术来实现。软件工程适应这一需要开发了许多复杂的软件系统和工具，可用于许多智能控制系统。2022/11/23453.开发更成熟的应用方法为了实现智能控制，必须开发新的硬件3.开发更成熟的应用方法

控制软件能够为一定类型的控制问题的有效求解提供标准化程序。由于智能控制应用问题的复杂性和广泛性，传统的软件设计方法已显得不适应和不够用。一个问题是，智能控制软件要执行的功能很可能随着控制系统的开发而变化。智能控制技术必须支持智能控制的开发实验，并允许控制系统有组织地从一个较小的核心原型逐渐发展成为一个完整的应用系统。2022/11/23463.开发更成熟的应用方法控制软件能够为一定类型的控制问题的人们可以期望，智能控制技术必将有更广泛和有效的发展。在智能控制应用中，新方法正在被发现，以分类与解决复杂的控制问题。通过开发新技术、新工具和新算法，更成熟的应用方法最终将能允许智能控制被成功地应用到更多的至今尚未涉足的领域。2022/11/2347人们可以期望，智能控制技术必将有更广泛和有效的发展。在智能控结束语智能控制己初具学科体系,包括基础理论、技术方法和实际应用诸方面。在基础理论方面,涉及传统人工智能的知识表示和推理、计算智能(如模糊计算、神经计算和进化计算等)和机器学习等。在技术方法方面,从递阶控制、专家控制、模糊控制、神经控制、学习控制、仿人控制和进化控制等系统加以研究。在实际应用方面,则具有十分广泛的用武之地。各种不同人工智能学派的观点在智能控制学科上得到很好的包涵与融合,为不同学术派别的合作树立了典范。2022/11/2348结束语智能控制己初具学科体系,包括基础理论、技术方法和实际应可以预言，人工智能、智能机器和智能系统，包括智能控制和智能控制系统一定能够得到更大的发展,一定会比传统的计算机有广泛得多的应用领域。我们相信，智能控制一定有个更加美好的未来，尽管这一天可能还相距甚远；而且，这一天的到来需要我们付出更辛勤的劳动和更昂贵的代价，需要几代人的持续奋斗。2022/11/2349可以预言，人工智能、智能机器和智能系统，包括智能控制和智能控科学思维和科技创新需要创造灵感和异想天开的想象力。这种灵感和想象力是激励人们善于探索和勇于开拓的“催化剂”,是创立科学新思想的“触发信号”。科学研究需要脚踏实地;然而,没有“异想天开”的“脚踏实地”最多只能重踏他人和前人走过的脚印,不能为科学技术做出创造性的贡献。愿每一位有志从事智能控制研究和应用的同学们都能异想天开和脚踏实地,为智能控制学科的发展做出创造性贡献。2022/11/2350科学思维和科技创新需要创造灵感和异想天开的想象力。这种灵感和关于《智能控制技术》这门课，我们就介绍到这里，控制智能化的研究是一条没有尽头的路，希望有兴趣和志向的同学将来能在这个领域闯出自己的一片天地。谢谢2022/11/2351关于《智能控制技术》这门课，我们就介绍到这里，控制智能化的研第7章智能控制技术应用与研究展望52第7章智能控制技术应用与研究展望1我们已经在前面各章中介绍与分析了智能控制的许多应用例子，它们涉及各类智能控制系统。智能控制是否能得到成功的应用？这是许多人关注的问题。尽管智能控制的应用成果还是比较初步的，它们的有效性还有待进一步通过实践来检验，但是，在短短十多年内，智能控制能够在那么广泛的范围内和较大的深度上获得成功应用，已给从事智能控制研究、开发和应用的人们以极大的鼓舞。2022/11/2353我们已经在前面各章中介绍与分析了智能控制的许多应用例子，它们智能控制的研究和应用是一副多彩多姿的图象，从实验室到工业现场，从家用电器到火箭制导，从制造业到采矿业，从飞行器到武器控制，从轧钢机到邮件处理机，从工业机器人到康复假肢等等，都有智能控制的用武之地。限于篇幅，本章第一部分仅就智能控制应用的两个方面进行讨论：一为智能控制有哪些主要应用领域，二为智能控制应用研究中目前存在哪些问题。本章的第二部分将展望智能控制的发展。下面对它们分别加以讨论。2022/11/2354智能控制的研究和应用是一副多彩多姿的图象，从实验室到工业现场智能控制的应用研究领域与现状本节通过实例简介，说明智能控制的几个主要应用研究领域及其现状。2022/11/2355智能控制的应用研究领域与现状本节通过实例简介，说明智能控制的智能机器人规划与控制机器人研究者们所关心的主要研究方向之一是机器人运动的规划与控制。给出一个规定的任务之后，首先必须作出满足该任务要求的运动规划；然后，这个规划再由控制来执行，该控制足以使机器人适当地产生所期望的运动。这里，以复式自主水下运载器（MultipleAutonomousUnderseaVehicle,MAUV）的运动规划与控制系统为例加以说明。2022/11/2356智能机器人规划与控制机器人研究者们所关心的主要研究方向之一是为实现MAUV在复杂环境下的实时智能控制，需要研究的问题包括分布式控制、基于智能的系统、实时规划、环境建模、阀值驱动推理，智能传感、智能通讯、交互问题求解、对策和学习等。MAUV系统需要完成的作用则包括预测、探索、潜入、伪装、攻击、逃逸、通讯和合作等。这些作用是在自然的和潜在危险的环境中完成的。2022/11/2357为实现MAUV在复杂环境下的实时智能控制，需要研究的问题包括下图给出MAUV的一种智能控制结构，其实际结构采用分段分层框架。各段计算模块由一个通讯系统和一个公共存储器提供服务。MAUV系统的硬件包括SUN工作站、VAXll/785、微型VAX机、多种微机和IRIS图形系统等，其软件是建立在Ironics开发系统和Ironics-Unix开发系统基础上的。2022/11/2358下图给出MAUV的一种智能控制结构，其实际结构采用分段分层框2022/11/23592022/11/228生产过程的智能监控许多工业连续生产线，如轧钢、化工、炼油、材料加工、造纸和核反应等，其生产过程需要监视和控制，以保证高性能和高可靠性。为保持物理参数具有一定的精度，确保产品的优质高产，已在一些连续生产线或工业装置上采用了有效的智能控制模式。例如，旋转水泥窑的模糊控制、汽车工业的高级模糊逻辑控制、轧钢机的神经控制、分布式材料加工系统、智能PH值过程控制、工业锅炉的递阶智能控制以及核反器的知识基控制等。2022/11/2360生产过程的智能监控许多工业连续生产线，如轧钢、化工、炼油、材其中，工业锅炉的递阶智能控制可作为这方面的典型。下图表示该控制系统的混合控制器方框图。从图可知，其控制模式包括专家控制、多模式控制和自校正PID控制。2022/11/2361其中，工业锅炉的递阶智能控制可作为这方面的典型。下图表示该控2022/11/23622022/11/2211本控制系统的智能控制算法采用偏差e(k)与e(k)的相平面分析方法，并采用产生式规则表示应当采用的控制模式。专家控制用以模拟人类专家的操作经验，并编制出40多条控制规则。自校正PID控制除了数据库、知识库和推理机外，还包括模式识别装置等。工业现场运行结果表明，本控制器的混合结构是相当成功的。专家控制模式对于锅炉燃烧过程是适用的，当负荷增减或燃煤质量变化时，专家控制十分有效。自寻优和自学习算法则实现煤炭的经济烧燃。工业锅炉的效率因引用本专家控制而显著提高。2022/11/2363本控制系统的智能控制算法采用偏差e(k)与e(k)的相平面自动加工系统的智能控制计算机集成加工系统（CIMS）和柔性加工系统（FMS）在近年来获得迅速发展。在一个复杂的加工过程中，不同条件下的多种操作是必要的，以求保证产品质量。环境的不确定性以及系统硬件和软件的复杂性，向当代控制工程师们设计和实现有效的集成控制系统提出了挑战。2022/11/2364自动加工系统的智能控制计算机集成加工系统（CIMS）和柔性加下图表示一种基于Petri网的自动加工智能控制系统的结构。为了把现有的Petri网技术用于现代加工系统，需要开发出一种新技术，把机器智能技术和Petri网理论以及智能离散事件控制器连接起来。我们可把CIMS和FMS系统作为离散事件驱动系统来处理，而基于Petri网的方法则可用来设计这类智能控制器。实际CIMS或FMS系统和Petri网模型的具体分析。2022/11/2365下图表示一种基于Petri网的自动加工智能控制系统的结构。为2022/11/23662022/11/2215智能故障检测与诊断故障检测和诊断与过程监控密切相关。一个高级的过程控制系统应当具有故障自动检测和自诊断能力，以保证系统工作的高度可靠性。过去几年中，因控制不当或未能对故障进行及时诊断而发生过一些重大事故，酿成灾难。例如，发生在前苏联切尔诺贝利核电站的事故等。从那时以来，人们已对特别复杂系统故障诊断的重要性引起前所未有的重视。2022/11/2367智能故障检测与诊断故障检测和诊断与过程监控密切相关。一个高级当然，许多高级的医疗诊断系统也是智能故障诊断系统；不同之处仅仅在于诊断的对象不同。所有智能故障检测与诊断（IFDD）系统的一般任务是根据已观察到的状况、领域知识和经验，推断出系统、部件或器官的故障原因，以便尽可能及时发现和排除故障，以提高系统或装备的可靠性。生产过程故障诊断系统能够了解各部分的特性以及这些特性间的关系，发现一种现象掩盖的另一现象，为用户提供检测数据，并尽可能正确地从不确定信息作出诊断结论。更准确地说，FDD系统的主要任务为：（l）检测出系统或过程在某一时刻是否发生故障，并在故障发生后立即发出故障警报。（2）在故障发生后，迅速确定故障部件或部位、故障原因和程度，以及故障对系统的影响和发展趋势。（3）提供消除有关故障的措施，以便隔离和替换故障部件，抑制和消除有关故障，使系统或过程恢复正常工作状态。2022/11/2368当然，许多高级的医疗诊断系统也是智能故障诊断系统；不同之处仅飞行器的智能控制飞行过程控制一直是自动控制的重要应用研究领域之一。大多数商用飞机都装备有可供选择的自动降落系统的自动驾驶仪。这种自动驾驶系统已被用于包括747S、A380等飞机上；一般使用在晴朗和无风的气候条件下，也可用于有雾或下雨但无风的气候。使用自动驾驶系统代替飞机驾驶员是基于下列二个理由的：首先，自动驾驶系统能够实现飞机的可靠平稳降落，从而提高乘客的舒适感，减少轮胎和降落齿轮的摩损。其次，为驾驶员提供无风气候下的重要训练手段，使他们习惯于一个必须了解和信赖的系统，以便在未来可能遇到的不利气候条件下，能够操作自如。2022/11/2369飞行器的智能控制飞行过程控制一直是自动控制的重要应用研究领域现有的自动降落系统仅在一定的操作安全范围内才能可靠地工作，而且无法在强烈下降气流下运行。当出现严重紊流扰动时，一般的自动驾驶系统也难于对付。为了提高飞行器降落过程的可靠性和平稳性，需要一种新的能够扩展运行范围的制导技术，使它能够在比较宽松的气候条件情况下，作出安全响应。2022/11/2370现有的自动降落系统仅在一定的操作安全范围内才能可靠地工作，而一种基于神经网络的飞行控制器能够提供这种控制，它能够处理紊流和其它可能出现的非线性控制情况。一个训练有素的飞行员在长期实践中发展了他的熟练的直觉；这种称为"飞行感"的直觉使他能够在各种新的和未经预测的飞行条件下作出恰如其分的操作反应。在操作上的这种"飞行感"到底是什么，还难以说清，但是它却使有经验的驾驶员能够比传统的自动驾驶控制器更好地处理非常气候尤其是恶劣气候。神经网络能够较好地处理各种非线性或未识别线性关系，而这些关系往往是驾驶员可能运用的。神经网络在原则上能够产生从一个大的变量集合（如传感器参量）到另一个变量集合（如操作模式或控制动作）的映射。2022/11/2371一种基于神经网络的飞行控制器能够提供这种控制，它能够处理紊流自80年代中叶以来，智能控制已被应用于飞行过程控制，尤其是飞机的俯倾（flare）和降落（landing）控制。一种已经实现的神经网络结构，其输入信号包括飞行高度的指令和飞行高度估计值等。所考虑的输入包括当前飞行高度和高长比误差值以及前一个仿真段的有关值。此外，还提供了前段的倾斜高度指令。可训练适应飞行控制器主要由“教师”（人或控制规律）和可训练控制器组成，而后者则由神经网络（采用BP学习算法）实现。整个飞行控制过程由飞机数学模型来表示。下图所示为一飞行器的飞行智能控制系统的制导、领航和控制结构，其中用虚线表示领航员的作用，以期与计算机的作用进行比较。

2022/11/2372自80年代中叶以来，智能控制已被应用于飞行过程控制，尤其是飞2022/11/23732022/11/2222医疗过程智能控制早从70年代中叶起，专家系统技术就被成功的应用于各种医疗领域。作为医用智能过程控制的新例子，让我们介绍一个用于控制手术过程中麻醉深度的病人平均动脉血压（MAP）的模糊逻辑控制系统。MAP是衡量麻醉深度的重要参数。在该控制系统的设计和实现时，采用模糊关系函数和语言规则。本系统已在许多不同的外科手术中得到成功应用。2022/11/2374医疗过程智能控制早从70年代中叶起，专家系统技术就被成功的应第一批麻醉深度控制实验始于70年代，它们采用恒增益PID控制器。接着，出现了具有一步自适应增益的控制器，不过仍不能处理手术期间病人的时变参数问题。这个问题可借用自适应控制器来解决，它对病人参数变化具有较好的鲁棒性。更新的研究采用基于规则和模糊逻辑的控制器，以便处理生物系统的时变结构问题。麻醉深度模糊控制系统的方框图如图所示。有两类扰动：因手术、心血管病和用药引起的病人痛苦而出现的噪声；因仪器校准和电灼等引起的血压和人工制品的测量噪声。2022/11/2375第一批麻醉深度控制实验始于70年代，它们采用恒增益PID控制2022/11/23762022/11/2225所开发的计算机程序能够执行数据获取、显示、控制和存储等任务。主程序可在任何时刻起动，使控制器开始工作。在自动控制循环内，MAP进行滤波、控制计算，控制信号修正、数据显示、更新和存储等工作，每l0秒重复一次。计算机显示出实际和期望血压以及吸气和呼气量。在任何时刻均可改变MAP的期望值而无须中断自动控制工作。所有感兴趣的数据都被存入文件，供以后检验。2022/11/2377所开发的计算机程序能够执行数据获取、显示、控制和存储等任务。智能控制应用研究的存在问题目前，智能控制研究已形成一股不小的热潮，并促进智能控制及其它学科与部门的发展。冷静地分析这股热潮，发现有不少问题值得引起注意。2022/11/2378智能控制应用研究的存在问题目前，智能控制研究已形成一股不小的首先，智能控制的应用研究目标和主攻方向不够明确。作为应用研究和应用基础研究，智能自动化在于寻求有别于传统控制的新的实用控制技术。离开了实际应用而纸上谈兵，那就不是真正的应用研究。有些应用研究以鉴定会或发表论文而画上句号。这可能败坏智能控制和研究者自身的声誉。每个部门、每个单位或每个人，应该因地制宜地选定自己的研究方向。顺便说一下，现有的一些研究具有盲目性，很多是低水平重复研究，很难取得较高水准和创新的成果。2022/11/2379首先，智能控制的应用研究目标和主攻方向不够明确。作为应用研究其次，智能自动化要面向复杂系统。对于一些比较简单的系统，引入智能控制并不值得，尤如用大炮打麻雀甚至跳蚤一样。这并不是说不可以搞较为简单的系统；然而，搞简单系统统是为了进一步研究复杂系统；而且，如果简单的智能控制系统的复杂性、故障率和成本高于同类应用传统控制系统，那么，智能控制的优越性就会令人置疑。反之，智能控制的声誉就会更高。值得顺便一提的是，目前"智能"已被滥用，一些毫无智能可言的系统也被冠以"智能"美名，甚至借此招摇撞骗，值得警惕。2022/11/2380其次，智能自动化要面向复杂系统。对于一些比较简单的系统，引入最后，研制新型智能控制硬件和软件，在智能控制研究中，往往缺少较好的软件环境，硬件方面存在的问题更大。例如，大多数基于神经网络的控制系统，还停留在"仿真"水平上，未能真正解决其实现问题，更谈不上实际应用。这方面要做的事不少，例如，提高运行速度、实现实时控制、提高对环境的感觉和解释能力、设计模块化传感器接口以及改善信息识别和处理能力等。在这方面的交流也存在一些问题。由于软件和硬件实现问题是技术关键，以至互相保密，不愿交流；这不利于智能控制的发展。应当研究出一种办法，以便实现合理的和积极的技术交流。2022/11/2381最后，研制新型智能控制硬件和软件，在智能控制研究中，往往缺少智能控制的进一步研究问题毫无疑问，在过去十年中，智能控制已经获得迅速发展，并得到日益广泛的应用。越来越多的研究者从不同方向从事智能控制学科的研究工作；他们相信，智能控制一定会以其新的成果对科学、技术、经济、社会以及人民生活作出重大贡献。不过，智能控制是一门新建立的学科，无论在理论上或应用上，仍然不够完善，有待继续研究与发展。本节打算探讨智能控制的进一步研究问题，展望智能控制的发展。2022/11/2382智能控制的进一步研究问题毫无疑问，在过去十年中，智能控制已经智能控制将起更重要的作用

尤如人工智能的智能机器人一样，智能控制涉及许多科技领域，如人工智能、控制论、系统论、信息论、认知心理学、认知生理学、认知工程学、语言学、逻辑学、仿生学、机器人学、VLSI和计算机科学等。相关科学技术的进展已为智能控制学科的发展提供强大的推动力；反之，智能控制的研究与发展也为上述所有领域提供一个合适的试验和应用场所。下图提出相关科学技术与智能控制系统的关系，该关系调强了发展智能科学（包括智能控制）所需要的知识与智能。2022/11/2383智能控制将起更重要的作用尤如人工智能的智能机器人一样，智能2022/11/23842022/11/2233在自动控制领域，智能控制也起到越来越重要的作用。正如我们在第一章中讨论过的，控制方法已经为广泛的复杂系统及其应用打开了新的大门；这些复杂系统往往具有不确定性和强非线性等特征。常规控制在应用中已遇到不少困难，而且控制系统处理这类困难的成功程度取决于系统的智能水平。智能控制已成为克服这些困难的一种比较有效的方法，并在高级机器人、智能规划与调度、自动制造系统、故障检测与诊断、交通运输、医疗以及智能仪器等方面获得广泛应用。2022/11/2385在自动控制领域，智能控制也起到越来越重要的作用。正如我们在第智能控制的进一步研究问题

为了巩固智能控制研究与应用成果，提出下列一些智能控制进一步研究的问题。

2022/11/2386智能控制的进一步研究问题为了巩固智能控制研究与应用成果，提l.控制问题的表示

在过去，对控制系统的世界表示问题的重视不够，而且通常考虑采用微积分模型作为处理控制问题的主要工具。往往以隐含的方法来描述目标和控制概念。传统上把控制系统看做表示输入和输出的时间函数的有序对集合。给出最少的受控对象（装置）的信息，它是完成和描述系统未来行为所需要的。不过，传统的表示方法很难在广泛的范围内使用。2022/11/2387l.控制问题的表示在过去，对控制系统的世界表示问题的重视智能控制应用更多的表示方法，如图搜索、谓词演算、语义网络、过程、黑板、框架和剧本等。已经提出和应用一些混合表示方法。还发展了一种统一的知识表示方法，而且把时序逻辑语言XYZ用于控制过程的研究也取得进展很久一段时间内，控制过程设计被理解为系统各参数的综合。后来，越来越清楚地认识到，控制过程设计是系统模型和实际结构的综合。现在，更进一步明确到，这个综合包括任务形式化过程。2022/11/2388智能控制应用更多的表示方法，如图搜索、谓词演算、语义网络、过2.认知控制器当智能控制系统中的知识库很大而且感知多样化时，智能控制器的操作将接近于人的判别。有许多人类判别（识别）的隐喻模型。不过，它们并非为用于智能控制系统而发明的。具有递阶感知和知识库的分级控制系统最接近于（类似）人类的认知活动。此外，对人类认知过程的理解仍然很有限和不完全。在这种情况下，设计认知控制器必将遇到许多困难。随着认知科学研究的进展，将会开发出更好的认知模型的更好的认知控制器。2022/11/23892.认知控制器当智能控制系统中的知识库很大而且感知多样化时3.控制模式

如果某个控制系统仅仅采用顺序控制，那么它就算不上一类智能控制。其它控制模式，诸如交互控制、自主控制、逻辑控制、认知控制以及直接语音控制等，则被认为属于智能控制.交互控制是用得最多和最易实现的。自主控制用于需要高控制性能且含有不确定环境的系统或装置。用于复杂系统的直接语音控制仍是令人感兴趣的研究课题，而且期望有所突破。此外，常常采用混合控制模式。2022/11/23903.控制模式如果某个控制系统仅仅采用顺序控制，那么它就算不展望智能控制的发展让我们来讨论智能控制的发展趋势。为了能够引起兴趣与争论，通常需要预测某些新的甚至意料不到的事物。同时，任何欣然接受这种预测而没有发现受到愚弄的人，能够使这种预测与自己的现有信仰保持一致,因而在一定程度上期待着新事物的出现而又不过于激动。

2022/11/2391展望智能控制的发展让我们来讨论智能控制的发展趋势。为了能够引1.寻求更新的理论框架到底未来的新型智能控制理论是什么，现在我们还难以预料。我们需要深入研究智能控制的基本理论和概念，寻找至今尚未发现的新理论，建立新的智能控制机理。例如