智能控制概述课件

智能控制理论与技术智能控制理论与技术1本课程的主要内容1.智能控制概论2.模糊控制3.神经元网络控制4.模糊-神经网络控制本课程的主要内容1.智能控制概论2.模糊控制3.神经元网2

1.控制理论和应用发展的概况2.传统控制理论的局限性3.智能控制的组成、定义与研究内容4.智能控制与传统控制的关系和差别5.智能与智能控制的定义6.智能控制研究的主要内容

7.智能控制的分类智能控制概论1.控制理论和应用发展的概况智能控制概论31.控制理论和应用发展的概况控制理论的发展始于Watt飞球调节蒸汽机以后的100年。20年代以返馈控制理论为代表，形成经典控制理论，著名的控制科学家有：Black,Nyquist,Bode.2.随着航空航天事业的发展,50~60年代形成以多变量控制为特征的现代控制理论,主要代表有:Kalman的滤波器,Pontryagin的极大值原理,Bellman的动态规划,和Lyapunov的稳定性理论.3.70年代初,以分解和协调为基础,形成了大系统控制理论,用于复杂系统的控制,重要理论有递阶控制理论、分散控制理论、队论等。主要用于资源管理、交通控制、环境保护等。以上控制理论我们称之为传统控制理论。1.控制理论和应用发展的概况控制理论的发展始于Watt飞球4

传统控制方法包括经典控制和现代控制，是基于被控对象精确模型的控制方式，缺乏灵活性和应变能力，适于解决线性、时不变性等相对简单的控制问题，难以解决对复杂系统的控制。传统控制方法包括经典控制和现代控制，是基于52.传统控制理论的局限性

随着复杂系统的不断涌现，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：1、控制对象的复杂性2、环境的复杂性3、控制任务或目标的复杂性2.传统控制理论的局限性随着复杂系统的不断涌6模型的不确定性高度非线性分布式的传感器和执行机构动态突变多时间标度复杂的信息模式庞大的数据量和严格的性能指标1、控制对象的复杂性模型的不确定性1、控制对象的复杂性72、环境的复杂性环境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。2、环境的复杂性3、控制任务或目标的复杂性8

对于复杂系统为被控对象，传统控制的实际应用遇到很多难解决的问题，主要表现以下几点：（1）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，无法获得精确的数学模型。（2）某些复杂的和包含不确定性的控制过程无法用传统的数学模型来描述，即无法解决建模问题。（3）传统控制理论的推导往往需要进行一些比较苛刻的线性化假设，而这些假设往往与实际系统不符合。（4）实际控制任务复杂，而传统的控制任务要求低，对复杂的控制任务，如机器人控制、CIMS、社会经济管理系统等复杂任务无能为力。对于复杂系统为被控对象，传统控制的实际应用遇到很多难9在生产实践中，复杂控制问题可通过熟练操作人员的经验和控制理论相结合去解决，由此，产生了智能控制。智能控制将控制理论的方法和人工智能技术灵活地结合起来，其控制方法适应对象的复杂性和不确定性。智能控制是一门交叉学科，著名美籍华人傅京逊教授1971年首先提出智能控制是人工智能与自动控制的交叉，即二元论。美国学者G.N.Saridis1977年在此基础上引入运筹学，提出了三元论的智能控制概念。3.智能控制的组成、定义与研究内容在生产实践中，复杂控制问题可通过熟练操作人员的经10二元论

智能控制（IC）是自动控制（AC）和人工智能（AI）的交集。强调智能和控制的结合二元论智能控制（IC）是自动控制（AC）和人工智能（AI11考虑更高层次上的调度、规划和管理，应把运筹学（OR）结合进去。即：三元论考虑更高层次上的调度、规划和管理，应把运筹学（OR）12式中各子集的含义为IC——智能控制（IntelligentControl）AI——人工智能（ArtificialIntelligence）AC——自动控制（AutomaticControl）OR——运筹学（OperationalResearch）式中各子集的含义为13基于三元论的智能控制

基于三元论的智能控制14三元论除了“智能”与“控制”外还强调了更高层次控制中调度、规划和管理的作用，为递阶智能控制提供了理论依据。所谓智能控制，即设计一个控制器（或系统），使之具有学习、抽象、推理、决策等功能，并能根据环境（包括被控对象或被控过程）信息的变化作出适应性反应，从而实现由人来完成的任务。三元论除了“智能”与“控制”外还强调了更高层次控154.智能控制的发展

智能控制是自动控制发展的最新阶段，主要用于解决传统控制难以解决的复杂系统的控制问题。控制科学的发展过程如图所示。

从二十世纪60年代起，由于空间技术、计算机技术及人工智能技术的发展，控制界学者在研究自组织、自学习控制的基础上，为了提高控制系统的自学习能力，开始注意将人工智能技术与方法应用于控制中。4.智能控制的发展智能控制是自动控制发展的最新16开环控制确定性反馈控制最优控制随机控制自适应控制鲁棒控制自学习控制智能控制控制科学的发展过程

开环控制确定性反馈控制最优控制随机控制自适应控制171966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：人作为控制器的控制系统具有自学习、自适应和自组织的功能；1966年，J.M.Mendal首先提出将人工智能18（2）人—机结合作为控制器的控制系统：机器完成需要连续进行的并需快速计算的常规控制任务，人则完成任务分配、决策、监控等任务；（3）无人参与的自主控制系统：为多层的智能控制系统，需要完成问题求解和规划、环境建模、传感器信息分析和低层的反馈控制任务。如自主机器人。（2）人—机结合作为控制器的控制系统：机器完成需要连续进行的19

1985年8月，IEEE在美国纽约召开了第一界智能控制学术讨论会，随后成立了IEEE智能控制专业委员会；1987年1月，在美国举行第一次国际智能控制大会，标志智能控制领域的形成。

1985年8月，IEEE在美国纽约召开了第一界智能控20

近年来，神经网络、模糊数学、专家系统、进化论等各门学科的发展给智能控制注入了巨大的活力，由此产生了各种智能控制方法。智能控制的几个重要分支为专家控制、模糊控制、神经网络控制和遗传算法。近年来，神经网络、模糊数学、专家系统、进化论等各门学215.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5.智能与智能控制的定义◆按系统的一般行为特征定义(Al22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。高级智能：理解和觉察能力，在复杂和险恶环境环境中进行23◆按人类的认知的过程定义(A.Meystel)

智能是系统的一个特征，当集中注意力（FocusingAttention)、组合搜索(CombinatorialSearch)、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FACSG◆按人类的认知的过程定义(A.Meystel)24◆按机器智能定义(Saridis)

机器智能是把信息进行分析、组织、处理，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◆按机器智能定义(Saridis)机器智能是把信25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需具有智能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。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262.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.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。2.按人类的认知的过程定义智能控制是一种计算上的276.智能控制研究的主要内容●智能控制系统基本结构和机理的研究●混合系统的建模和控制●基于模糊集合、神经元网络、遗传算法、进化算法等智能控制器的开发和研究。●智能计算和软计算的开发和研究●自组织、自学习的结构和方法的研究●基于多代理(Multi-agent)智能控制系统的开发和研究●智能控制系统应用的研究6.智能控制研究的主要内容●智能控制系统基本结构和机理的282）基于连接的智能控制系统——神经元网络控制系统3）混合智能控制系统——模糊神经网络智能控制系统4）基于行为的智能控制系统——由多传感器组成的各种机器人1）基于规则的智能控制系统——模糊控制系统7.智能控制的分类2）基于连接的智能控制系统——神经元网络控制系统3）混合智29智能控制理论与技术智能控制理论与技术30本课程的主要内容1.智能控制概论2.模糊控制3.神经元网络控制4.模糊-神经网络控制本课程的主要内容1.智能控制概论2.模糊控制3.神经元网31

1.控制理论和应用发展的概况2.传统控制理论的局限性3.智能控制的组成、定义与研究内容4.智能控制与传统控制的关系和差别5.智能与智能控制的定义6.智能控制研究的主要内容

7.智能控制的分类智能控制概论1.控制理论和应用发展的概况智能控制概论321.控制理论和应用发展的概况控制理论的发展始于Watt飞球调节蒸汽机以后的100年。20年代以返馈控制理论为代表，形成经典控制理论，著名的控制科学家有：Black,Nyquist,Bode.2.随着航空航天事业的发展,50~60年代形成以多变量控制为特征的现代控制理论,主要代表有:Kalman的滤波器,Pontryagin的极大值原理,Bellman的动态规划,和Lyapunov的稳定性理论.3.70年代初,以分解和协调为基础,形成了大系统控制理论,用于复杂系统的控制,重要理论有递阶控制理论、分散控制理论、队论等。主要用于资源管理、交通控制、环境保护等。以上控制理论我们称之为传统控制理论。1.控制理论和应用发展的概况控制理论的发展始于Watt飞球33

传统控制方法包括经典控制和现代控制，是基于被控对象精确模型的控制方式，缺乏灵活性和应变能力，适于解决线性、时不变性等相对简单的控制问题，难以解决对复杂系统的控制。传统控制方法包括经典控制和现代控制，是基于342.传统控制理论的局限性

随着复杂系统的不断涌现，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：1、控制对象的复杂性2、环境的复杂性3、控制任务或目标的复杂性2.传统控制理论的局限性随着复杂系统的不断涌35模型的不确定性高度非线性分布式的传感器和执行机构动态突变多时间标度复杂的信息模式庞大的数据量和严格的性能指标1、控制对象的复杂性模型的不确定性1、控制对象的复杂性362、环境的复杂性环境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。2、环境的复杂性3、控制任务或目标的复杂性37

对于复杂系统为被控对象，传统控制的实际应用遇到很多难解决的问题，主要表现以下几点：（1）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，无法获得精确的数学模型。（2）某些复杂的和包含不确定性的控制过程无法用传统的数学模型来描述，即无法解决建模问题。（3）传统控制理论的推导往往需要进行一些比较苛刻的线性化假设，而这些假设往往与实际系统不符合。（4）实际控制任务复杂，而传统的控制任务要求低，对复杂的控制任务，如机器人控制、CIMS、社会经济管理系统等复杂任务无能为力。对于复杂系统为被控对象，传统控制的实际应用遇到很多难38在生产实践中，复杂控制问题可通过熟练操作人员的经验和控制理论相结合去解决，由此，产生了智能控制。智能控制将控制理论的方法和人工智能技术灵活地结合起来，其控制方法适应对象的复杂性和不确定性。智能控制是一门交叉学科，著名美籍华人傅京逊教授1971年首先提出智能控制是人工智能与自动控制的交叉，即二元论。美国学者G.N.Saridis1977年在此基础上引入运筹学，提出了三元论的智能控制概念。3.智能控制的组成、定义与研究内容在生产实践中，复杂控制问题可通过熟练操作人员的经39二元论

智能控制（IC）是自动控制（AC）和人工智能（AI）的交集。强调智能和控制的结合二元论智能控制（IC）是自动控制（AC）和人工智能（AI40考虑更高层次上的调度、规划和管理，应把运筹学（OR）结合进去。即：三元论考虑更高层次上的调度、规划和管理，应把运筹学（OR）41式中各子集的含义为IC——智能控制（IntelligentControl）AI——人工智能（ArtificialIntelligence）AC——自动控制（AutomaticControl）OR——运筹学（OperationalResearch）式中各子集的含义为42基于三元论的智能控制

基于三元论的智能控制43三元论除了“智能”与“控制”外还强调了更高层次控制中调度、规划和管理的作用，为递阶智能控制提供了理论依据。所谓智能控制，即设计一个控制器（或系统），使之具有学习、抽象、推理、决策等功能，并能根据环境（包括被控对象或被控过程）信息的变化作出适应性反应，从而实现由人来完成的任务。三元论除了“智能”与“控制”外还强调了更高层次控444.智能控制的发展

智能控制是自动控制发展的最新阶段，主要用于解决传统控制难以解决的复杂系统的控制问题。控制科学的发展过程如图所示。

从二十世纪60年代起，由于空间技术、计算机技术及人工智能技术的发展，控制界学者在研究自组织、自学习控制的基础上，为了提高控制系统的自学习能力，开始注意将人工智能技术与方法应用于控制中。4.智能控制的发展智能控制是自动控制发展的最新45开环控制确定性反馈控制最优控制随机控制自适应控制鲁棒控制自学习控制智能控制控制科学的发展过程

开环控制确定性反馈控制最优控制随机控制自适应控制461966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：人作为控制器的控制系统具有自学习、自适应和自组织的功能；1966年，J.M.Mendal首先提出将人工智能47（2）人—机结合作为控制器的控制系统：机器完成需要连续进行的并需快速计算的常规控制任务，人则完成任务分配、决策、监控等任务；（3）无人参与的自主控制系统：为多层的智能控制系统，需要完成问题求解和规划、环境建模、传感器信息分析和低层的反馈控制任务。如自主机器人。（2）人—机结合作为控制器的控制系统：机器完成需要连续进行的48

1985年8月，IEEE在美国纽约召开了第一界智能控制学术讨论会，随后成立了IEEE智能控制专业委员会；1987年1月，在美国举行第一次国际智能控制大会，标志智能控制领域的形成。

1985年8月，IEEE在美国纽约召开了第一界智能控49

近年来，神经网络、模糊数学、专家系统、进化论等各门学科的发展给智能控制注入了巨大的活力，由此产生了各种智能控制方法。智能控制的几个重要分支为专家控制、模糊控制、神经网络控制和遗传算法。近年来，神经网络、模糊数学、专家系统、进化论等各门学505.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5.智能与智能控制的定义◆按系统的一般行为特征定义(Al51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。高级智能：理解和觉察能力，在复杂和险恶环境环境中进行52◆按人类的认知的过程定义(A.Meystel)

智能是系统的一个特征，当集中注意力（FocusingAttention)、组合搜索(CombinatorialSearch)、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FACSG◆按人类的认知的过程定义(A.Meystel