神经网络模糊控制及专家系统第一章

神经网络模糊控制及专家系统第一章当前第1页\共有72页\编于星期四\20点[6]SpyrosG.Tzafestas,Methodsandapplicationsofintelligentcontrol,Dordrecht:KluwerAcademicPub.,1997[7]Zi-XingCai,Intelligentcontrol:principles,techniquesandapplications,Singapore:WorldScientific,1997[8]王伟，人工神经网络原理——入门与应用，北京航空航天大学出版社，1995[9]阎平凡，张长水，人工神经网络与模拟进化计算，清华大学出版社，2000[10]杨辉，王金章，模糊控制技术及其应用，江西科学技术出版社，1997[11]刘增良，刘有才，模糊逻辑与神经网络——理论研究与探索，北京航空航天大学出版社，1996[12]张乃尧，阎平凡，神经网络与模糊控制，清华大学出版社，1996[13]史忠科，神经网络控制理论，西北工业大学出版社，1997主要教学参考书当前第2页\共有72页\编于星期四\20点先修内容现代控制理论或线性系统线性代数或矩阵分析MATLAB语言当前第3页\共有72页\编于星期四\20点第一部分概述（3）第二部分模糊控制（12）第三部分神经网络（10）第四部分集成智能控制系统（7）课程安排第一章绪论第二章模糊控制的数学基础第三章

模糊控制的基础理论第四章模糊控制系统与模糊控制器第五章常用人工神经网络原理及学习算法第六章神经网络控制器设计第七章集成智能控制系统理论第八章其他智能控制总学时:32学时，1-8周，每周4学时

当前第4页\共有72页\编于星期四\20点当前第5页\共有72页\编于星期四\20点当前第6页\共有72页\编于星期四\20点当前第7页\共有72页\编于星期四\20点当前第8页\共有72页\编于星期四\20点智能家居开关图示

当前第9页\共有72页\编于星期四\20点

世界上最小机器人身高只有16.5厘米、体重仅有350克，但能在90种不同背景音乐的伴奏下行走、跳舞，还能听懂10个语言命令、完成200多种动作、说出约180个短语！当前第10页\共有72页\编于星期四\20点

资料图片：一种能钻入血管的机器人想象图

当前第11页\共有72页\编于星期四\20点

北京一家企业展出的机器人在演奏架子鼓当前第12页\共有72页\编于星期四\20点

懂得“甜言蜜语”的会话机器人逗得女客商笑逐颜开当前第13页\共有72页\编于星期四\20点

哈工大计算机学院展出的机器人随着音乐表演团体操

当前第14页\共有72页\编于星期四\20点

一名客商在和汉服装扮的机器人交流当前第15页\共有72页\编于星期四\20点高精度仿真机器人当前第16页\共有72页\编于星期四\20点

空中机器人比赛当前第17页\共有72页\编于星期四\20点

水中机器人比赛当前第18页\共有72页\编于星期四\20点

舞蹈机器人比赛当前第19页\共有72页\编于星期四\20点

中国载人航天工程是我国航天史上迄今为止规模最大、系统组成最复杂、技术难度和安全可靠性要求最高的跨世纪国家重点工程，包括：航天员、空间应用、载人飞船、运载火箭、发射场、测控通信、着陆场、空间实验室等八大系统组成。在工程实施方面主要又包括：卫星、神舟载人飞船和嫦娥探月三大系统。载人航天当前第20页\共有72页\编于星期四\20点

卫星测控地面测控站我国已建成了比较完整的陆海基测控网，能完成从近地轨道卫星到地球同步卫星的测控任务。我国的测控技术的某些方面己处于国际先进水平。测控是工程控制科学与通信技术结合的一体化工程，其特点有：1）多任务测控；2)深空跟踪；3）卫星测控设备；4）测控和通信。当前第21页\共有72页\编于星期四\20点智能控制室解决方案包括：●基础环境建设：通过照明、温度、声学需要进行环境建设和综合布线，为控制室提供一个可靠、舒适、功能分区的环境。●显示系统解决方案：包括大屏幕拼接墙系统、辅助显示系统、桌面显示系统、信号接入系统等，用于支撑不同用途下操作员、领导、参观者等多种角色的需要。显示系统根据控制室空间环境，信号的种类和使用特点综合设计。●拾音扩音解决方案：包括拾音子系统、处理子系统、扩声子系统，用于支持在会议、报告、指挥等场景下声音传送的需要。●数字会议解决方案：由网络子系统、投影显示子系统、音响子系统、监控子系统、会议发言子系统、灯光效果子系统和中央控制子系统等组成，提供会议报到、发言、表决、翻译、摄像、音响、显示等功能。●集中控制解决方案：提供一体化的方式，对控制室内的设备设施如：灯光、窗帘、大屏、矩阵、信号源进行统一控制的功能，可以大大降低支持人员的工作强度。

当前第22页\共有72页\编于星期四\20点●视频会议解决方案：提供控制室与其他单位之间面对面的信息沟通的通道。●视频整合解决方案：通过视频整合可以将不同时期、采用不同技术分别建立的视频监控系统整合到一个平台上，统一的进行查看●网络通信解决方案：为控制室工作人员提供语音、数据、无线等多种渠道的通信方式，保障通信的质量。●卫星通信解决方案：应急状态下的备份通信方式，可在重大灾害发生时提供关键信息的通信，也可对不具备通信条件的地区进行通信覆盖。●控制台与人体工学解决方案：针对控制室工作岗位的要求，及工作者的工作范围和使用极限，设计专门的可调、耐用、舒适的控制台。当前第23页\共有72页\编于星期四\20点山西电力调度中心当前第24页\共有72页\编于星期四\20点北京电力应急指挥中心当前第25页\共有72页\编于星期四\20点复杂系统智能控制研究开发平台当前第26页\共有72页\编于星期四\20点宿舍安全用电智能控制器智能当前第27页\共有72页\编于星期四\20点主要用于学校学生宿舍、厂矿企业、建筑工地的员工集体宿舍及医院病房等一切禁止使用“电炉、热得快、电饭锅、电水壶”等电器的场所。它不同于断电器等其它用电保护装置（断电器只能过载断电，相当于保险丝的作用，需人工操作才能恢复供电），它能在用电设备接入电路后1秒钟内自动识别出用电器是否属于厂规禁用的用电设备。如果接入的是禁用电器（如热得快、电炉、电饭锅、电取暖器等）它将自动停止供电，只有在撤除非法用电器以后才能自动恢复正常供电；如属于允许使用的用电器（如电脑、电视机、电风扇、照明灯、充电器等）则正常供电，可以说本产品是使用热得快等违规用电行为的“克星”。

当前第28页\共有72页\编于星期四\20点招商银行深圳蛇口支行会议室安装150寸4:31080P高清大屏幕实图

集成智能控制、高清1080P多画面显示、一览无余

笔特尔高清大屏幕智能控制系统

当前第29页\共有72页\编于星期四\20点沟槽式公厕电磁阀智能控制冲水器当前第30页\共有72页\编于星期四\20点Linux家庭智能控制系统当前第31页\共有72页\编于星期四\20点

最近很多人看2012年的新片《亲家过年》其中文章的语音机器人MARY更是让很多网友羡慕不已，有人说这是文章理想中得机器人，其实不然，这是基于linux系统的家庭智能控制系统。智能系统属于linux家庭智能系统，其中这部电影里所展示的只是其中的一小部分，其中还包含电器智能控制，家庭灯光系统控制，安防智能防护和家庭电表水表自动抄表等功能，客户可以采用语音的方式、智能手机客户端、任何能上网电脑、控制家中所有的和电有关的设备，达到舒适的享受生活的乐趣。这种系统多应用于大型企业的管理中，如富士康总控制室门禁，安防，火警报警等很多系统都与这智能控制系统相连接！当前第32页\共有72页\编于星期四\20点美国Infocomm：河东展智能控制系统方案当前第33页\共有72页\编于星期四\20点城市照明智能控制系统当前第34页\共有72页\编于星期四\20点电动轮椅车智能控制器

当前第35页\共有72页\编于星期四\20点安卓星汽车手机智能控制系统有的手机远程启动车辆、手机远程熄火车辆、手机远程监听、手机定位功能、各种报警提示等多项实用功能为众多车主带来方便同时，也为"汽车智能化时代"到来拉开帷幕。当前第36页\共有72页\编于星期四\20点简易月卡型停车场智能控制系统当前第37页\共有72页\编于星期四\20点指纹电梯门禁智能控制系统当前第38页\共有72页\编于星期四\20点分体式太阳能热水器智能控制仪当前第39页\共有72页\编于星期四\20点第一部分概论第一章绪论（3学时）1.1控制理论发展的几个阶段1.2智能控制的基本设计方法1.1.1.古典控制论（经典控制论阶段）1.1.2.现代控制理论（20世纪60年代）1.1.3.智能控制理论（20世纪70年代）1.2.1模糊控制（Fuzzycontrol)1.2.2神经网络控制系统（Neuralnetworkcontrol)1.2.3专家控制系统（湖南大学出版社）当前第40页\共有72页\编于星期四\20点1.1控制理论发展的几个阶段19世纪对具有调速器的蒸汽发动机系统进行线性常微分方程的描述及稳定性分析19世纪劳斯判据（1872）胡尔维茨（1890）李亚谱诺夫（1892）20世纪乃式判据（1932）1.1.1古典控制论（经典控制论阶段）1.1.2现代控制理论（20世纪60年代）1.1.3智能控制理论（20世纪70年代）Fig.1-1当前第41页\共有72页\编于星期四\20点1.1.1.古典控制论（经典控制论阶段）50年代前后的控制理论被称为“自动调节原理”对象I：

单入、单出（SISO）、线性定常系统频域理论：传递函数、频率特性、根轨迹分布波德伊凡思BootLotusBodeplot伊凡思的根轨迹法BodeEvans劳斯（）—赫尔维茨（Hurwitz）代数判据奈奎斯特（H.Nyquist）稳定性判据对象II：非线性系统描述函数分析庞加莱（Poincare）的相平面分析法1.1控制理论发展的几个阶段当前第42页\共有72页\编于星期四\20点1.1.2.现代控制理论（20世纪60年代）对象

MIMO非线性——时变线性——定常时域理论状态方程（1）能控性能观测性（2）李亚谱诺夫的稳定性理论（直接法）和李亚谱诺夫函数（亦称V函数）（无须求解）（3）统计函数理论相关函数的系统动态特定测量方法（即系统识别）和卡尔漫滤波理论（4）系统最佳控制系统性能指标泛函最小模型精确对象参数发生变化数学模型不准确线性系统理论最优控制理论系统辨识随机控制理论缺陷设计方法越来越数学化依赖理解化的精确的对象数学模型实际生产过程中有许多需要靠操作人员的知识和逻辑思维来解决的问题，现代控制理论显得无能为力。控制算法较为理想化（高维、强耦合、时变、非线性及分布参数等系统、缺乏实用、简便及有效的分析和综合方法）1.1控制理论发展的几个阶段自适应控制鲁棒控制

改变自动控制律的参数或结构考虑对象参数的变化（一定范围内）不改变控制器的参数或结构极大值原理（苏联学者庞特里亚金）哈密尔顿—雅可比（Hamilton-Jacobi）贝尔曼（Bellman）当前第43页\共有72页\编于星期四\20点1.1.3.智能控制理论（20世纪70年代）随着计算机技术得飞速进展系统信息的模糊性、不确定性、偶然性和不完全性采用人工智能的逻辑推理启发式知识，专家系统等模型可以不知道或不确知原因导致（1）傅京孙教授人—机控制器、机器人（2）教授空间飞行器

1967,Leondes和Mendel（3）70年代，傅京孙，Glorioso和Saridi等人或提出建立智能控制理论的构思（4）1985年8月，美国纽约PRI。IEEE召开的智能控制专题讨论会，标志着智能控制作为一个新的学科分支被控制界公认。（5）1987年开始，每年一次智能控制国际研讨会首次提出“人工智能控制”得概念低层次控制中——常规控制器高层次智能决策——拟人化功能与经典控制论和现代控制论不同：

研究的主要目标不在于被控对象，而是控制器本身，控制器不再是单一的数学解析型，而是数学解析和知识系统相结合的广义模型，是多种学科知识控制的系统。1.1控制理论发展的几个阶段当前第44页\共有72页\编于星期四\20点先验智能——有关控制对象及干扰的先验知识，可以从一开始就考虑在控制系统的设计中反应性智能——在实时监控、辨识及诊断基础上对系统及环境变化的正确反应能力优化智能——包括对系统性能的先验性优化及反应性优化组织与协调智能——表现为对并行耦合任务或子系统之间的有效管理与协调智能控制系统的特点（1）“智能递增，精度递降”的一般组织结构的基本原理（2）开、闭环控制结合，定性与定量控制结合的多模态控制（3）具备学习功能、适应功能和组织功能（4）以知识表示的非数学广义模型和数学模型表示的混合控制过程。数学运算，符号运算的逻辑推理相结合（5）边缘交叉学科“智能”的分类1.1控制理论发展的几个阶段Fig.1-21.1.3.智能控制理论（20世纪70年代）当前第45页\共有72页\编于星期四\20点1.2智能控制的基本设计方法

基于模糊推理和计算的模糊控制器If—then—,Rule—basedControl

基于人工神经网络的神经网络控制器NeuralNetwork

基于专家系统的专家智能控制ExpertSystem

基于信息论、遗传算法和以上3种方法的集成型智能控制几种基本的设计方法当前第46页\共有72页\编于星期四\20点1.2智能控制的基本设计方法

1.2.1模糊控制（Fuzzycontrol)1965年Fig.1-3(1)定义模糊子集，建立模糊控制规则(2)由基本论域转变为模糊集合论域(3)模糊关系矩阵运算(4)模糊推理合成，求出控制输出模糊子集(5)进行逆模糊运算，判决，得到精确控制量模糊化推理当前第47页\共有72页\编于星期四\20点优点：缺陷:

无需建立数学模型鲁棒性、对非线性、时变、时滞系统离线计算控制查询表、提高系统实时性控制的机理符合人们对过程控制作用的直观描述和思维逻辑经验控制可解决不确定系统智能控制基础

信息简单的模糊处理设计缺乏系统性控制精度降低，动态品质变差导致提高精度规则搜索范围扩大，决策速度降低，不能实时控制导致规则的选择、论域的选择，模糊集的定义，量化因子的选取多采用试凑法复杂性========精确性不相容原理1.2智能控制的基本设计方法

1.2.1模糊控制（Fuzzycontrol)当前第48页\共有72页\编于星期四\20点模糊控制研究分支(1)稳定性(2)模糊模型及辨识(3)模糊最优控制(4)模糊自组织控制(5)模糊自适应控制(6)传统PID与Fuzzy相结合的多模态模糊控制器Fig.1-4模糊控制在控制领域中的重要地位与作用1.2智能控制的基本设计方法

1.2.1模糊控制（Fuzzycontrol)当前第49页\共有72页\编于星期四\20点1.2智能控制的基本设计方法

1.2.1模糊控制（Fuzzycontrol)发展史当前第50页\共有72页\编于星期四\20点1.2智能控制的基本设计方法

1.2.1模糊控制（Fuzzycontrol)Fig.1-5模糊系统相关图当前第51页\共有72页\编于星期四\20点1.2智能控制的基本设计方法

1.2.1模糊控制（Fuzzycontrol)模糊系统研究计划模糊理论与基本技术人类功能实现与人-机界面人类智能信息处理过程及自然现象、社会现象剖析模糊逻辑模糊推理算法模糊计算机开发的基础技术（如：编程语言与体系结构、模拟模糊存储器等）模糊控制技术识别技术感觉信息处理过程的模型化人-机界面技术高速、不稳定系统的智能控制未知结构系统的智能控制实时图象理解手写体文字识别智能信息处理技术（如智能评价系统检索技术）人类行为和社会现象的解释自然现象的解释大系统可靠性评价面向经营与社会问题的模糊方法论与模糊系统开发地震预测技术大气污染宽域预测植物生长模型Fig.1-6模糊工程课题覆盖图当前第52页\共有72页\编于星期四\20点1.2智能控制的基本设计方法

1.2.1模糊控制（Fuzzycontrol)历史应用我国1979年开始

当前第53页\共有72页\编于星期四\20点1.2智能控制的基本设计方法

1.2.1模糊控制（Fuzzycontrol)1984美国推出“模糊推理决策支持系统”1985-1996日本进入了模糊控制实用化时期

——电视摄象机自动聚焦空调全自动洗衣机吸尘器

现代应用硬件产品：开发了“模糊控制用的通用系统”“模糊控制用的通用控制器”——以模糊推理来决定控制动作的算法作为控制系统核心，并且采用任何一条控制规则，均具有设定的相应功能的一种调节装置。当前第54页\共有72页\编于星期四\20点1.2智能控制的基本设计方法

1.2.1模糊控制（Fuzzycontrol)模糊控制工程大致要经历如下4个阶段:模糊控制盛行阶段模糊专家系统阶段实现人与计算机之间的自然语言（通讯阶段）模糊人工智能系统阶段不是无判别地把所有的熟练操作者的知识收集起来,而是要用它来分析问题,提高宏系统的结构,如外汇兑换交易支持系统\图象识别\自然语言解释系统,自治式机器人等简单应用。如电器等，比现有的自动化机械具有更好的功能智能机器人——模糊专家系统在设备管理、医疗诊断、经营支持、安全评价等方面普及随机应变的询问和解答能力、推理、判断能力，难度大，可以从某一方面着手，如针对某一问题的对话决策型系统人——创造性思维人工智能——逻辑处理神经网络——学习功能综合信息处理外语翻译论文摘录辅助设计经营支持等结合当前第55页\共有72页\编于星期四\20点1.2智能控制的基本设计方法

1.2.2神经网络控制系统（Neuralnetworkcontrol)起源：生物神经元Fig.1-7生物神经元示意图突触：一个神经元末梢与另一神经元树突或细胞体的接触处称为突触。它是神经元之间传递信息的输入输出接口。当前第56页\共有72页\编于星期四\20点1.2智能控制的基本设计方法

1.2.2神经网络控制系统（Neuralnetworkcontrol)信息处理与传递：Fig.1-8突触结构示意图传递信息过程：Fig.1-9传递信息过程当前第57页\共有72页\编于星期四\20点1.2智能控制的基本设计方法

1.2.2神经网络控制系统（Neuralnetworkcontrol)一个神经元一串脉冲多个神经元多个脉冲特点：人脑神经网络信息处理的特点：分布存储与冗余性并行处理

信息处理与存储合一

可塑性与自组织性

鲁棒性Robust

分散到多个神经元记忆容错性。一旦一些被破坏，不至于丢失记忆成亿个神经元协同工作，与目前的“并行处理机”的机理不同大脑皮层的大部分突触连接时后天由环境的激励逐步形成的，随环境刺激性质不同而不同。自组织性构成神经网络可塑性形成和改变神经元之间突触连接的现象长期短期一定的误差和噪声不会使网络的性能恶化目前计算机存储和处理分别属于两个独立的部件，速度会受影响。当前第58页\共有72页\编于星期四\20点1.2智能控制的基本设计方法

1.2.2神经网络控制系统（Neuralnetworkcontrol)人工神经元（抽象模拟人脑神经元）1993年由MoCulloch和Pitts定义Fig.1-9人工神经元模型加于输入端上的输入信号突触连接权的系数，模拟突触传递强度空间累加阈值神经元相应函数当前第59页\共有72页\编于星期四\20点1.2智能控制的基本设计方法

1.2.2神经网络控制系统（Neuralnetworkcontrol)当前第60页\共有72页\编于星期四\20点1.2智能控制的基本设计方法

1.2.2神经网络控制系统（Neuralnetworkcontrol)人工神经网络模型（构成）1.前向网络（前馈网络）FeedforwordNetwork每个神经元只与前一层的神经元相连接感知机

2.从输出到输入有反馈的前向网络Fukushima网络网络本身是前向型的，但输出到输入之间有反馈回路3.层内互连前向网络（混合型网络）层状和网状相结合同一层神经元之间有连接如自组织竞争型神经网络当前第61页\共有72页\编于星期四\20点1.2智能控制的基本设计方法

1.2.2神经网络控制系统（Neuralnetworkcontrol)4.互连网络（相互结合型网络）局部互连全互连全互连是每个神经元都与其它神经元互连局部互连指互连只是局部的两种

全互连局部互连Hopfield网络Boltzmann机分类方法有多种：如可以分类为有教师学习无教师学习当前第62页\共有72页\编于星期四\20点1.2智能控制的基本设计方法

1.2.2神经网络控制系统（Neuralnetworkcontrol)输出输入Fig.1-10Hebb学习规则图示当前第63页\共有72页\编于星期四\20点1.2智能控制的基本设计方法

1.2.2神经网络控制系统（Neuralnetworkcontrol)例：当前第64页\共有72页\编于星期四\20点1.2智能控制的基本设计方法

1.2.2神经网络控制系统（Neuralnetworkcontrol)思考当前第65页\共有72页\编于星期四\20点1.2智能控制的基本设计方法

1.2.2神经网络控制系统（Neuralnetworkcontrol)Fig.1-11当前第66页\共有72页\编于星期四\20点1.2智能控制的基本设计方法

1.2.2神经网络控制系统（Neuralnetworkcontrol)人工神经网络的发展与现状50年代末F.Rosenblatt—感知机（Perceptron）第一个完整的人工神经网络

Hebb学习规则并行处理、分布存储和学习1969年美MTT的M.Minsky和S.Papert编写《Perceptron》一书单层感知机线性问题求解多层（隐含层）的非线性问题（悲观理论？）70年代芬兰T.Kohonen自组织映射理论美国S.A.Grossberg自适应共振理论日本福岛邦彦（K.Fukushima）认知机（Neocognitron）模型日本甘利俊（ShunIchiAmari）神经网络的数学理论低谷1943年心理学家和数学家W.Pitts提出M-P模型1949年心理学家提出连接权的调整正比于两相连神经元之间激活值的乘积当前第67页\共有72页\编于星期四\20点1.2智能控制的基本设计方法

1.2.2神经网络控制系统（Neuralnetworkcontrol)1982年~1984年J.J.HopfieldHopfield网络模型引入能量函数给出稳定性判据1984年Hinton引入模拟退火Boltzmann机

BW网络模型1986年D.E.Rumelhart和两本专著——EBP算法（误差反向传播）1987年美R.Hecht-Nielsen——对向传播（CounterPropagation）1988年美L.O.Chua——CNN细胞神经网络模型1987年国际神经网络学会1988年《NeuralNetwork》创刊1990年《IEEETransactiononNeuralNetwork》

同年北京召开神经网络学术大会人工智能理论和Von.Neumann计算机在视、听、等智能信息处理上受挫脑神经科学的研究成果VLSI技术和光电技术的发展80年代高潮人工神经网络的发展与现状当前第68页\共有72页\编于星期四\20点1.2智能控制的基本设计方法

1.2.2神经网络控制系统（Neuralnetworkcontrol)神经网络用于控制优点：缺陷:

它能以任意精度逼近任意连续非线性函数对复杂不确定问题有自适应和自学习能力信息处理的并行机制——解决大规模实时计算问题信息综合能力——适用于多信息融合和多媒体技术神经计算——解决优化计算和矩阵代数计算便于用VLSI或光学集成系统实现或用计算机技术实现冗余性——容错能力

高度非线性稳定性、收敛性证明困难（加强）学习速度一般比较慢（研究快速学习算法）缺乏系统优化设计