第一章 智能概论

计算机智能控制胡玉琦

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第一章概论§1-1引言§1-2自动控制的一般概念§1-3开环控制和闭环控制§1-4控制系统的分类§1-5对控制系统的基本要求§1-6计算机控制§1-7传统控制系统的研究方法§1-8自动控制理论的发展史§1-9智能控制论§1-10智能控制的几个重要分支§1-11智能控制系统的构成原理§1-12智能控制系统研究的数学工具2§1-1引言

导弹命中目标、人造卫星按预定轨道运行、宇宙飞船对接、返回仓返回

例1.人工控制炉温§1-2

自动控制的一般概念人工炉温控制框图5控制的实质：检测偏差和纠正偏差炉温自动控制6控制过程：1炉温由热电偶转换为对应的电压ub2期望的炉温由电压ur给定，并与实际温度ub比较得到温度偏差信号△u＝ur

－ub3温度偏差信号经电压、功率放大后，用以驱动执行电动机，并通过传动机构拖动调压器动触头。当温度偏高时，动触头向减小电压的方向运动，反之加大电压，直到温度达到给定值为止，此时，偏差△u

=0，电机停止转动。7炉温自动控制流程8控制的实质：检测偏差和纠正偏差从炉温控制系统工作过程定义变量：给定量位于系统的输入端，称为给系统输入量，也称为参考输入量（信号）。被控制量位于系统的输出端，称为系统输出量。输出量（全部或一部分）通过测量装置返回系统的输入端，使之与输入量进行比较，产生偏差信号。输出量的返回过程称为反馈。返回的全部或部分输出信号称为反馈信号。显然：反馈控制建立在偏差基础上，其控制方式是“检测偏差再纠正偏差”。控制系统的工作原理：检测输出量（被控制量）的实际值；将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较得出偏差；用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维持期望的输出。系统能在存在无法预计扰动的情况下，自动减少系统的输出量与参考输入量之间的偏差，故称之为反馈控制。例2.车床主轴的直流电动机转速控制系统例3.雷达导引随动控制系统控制目标：输出轴始终紧紧跟踪输入轴变化。由于输入轴的位置无法预先确定——位置随动系统。图1―6随动系统的原理图小结自动控制要解决的基本问题如何使被控制量按照给定量的变化规律变化，就是一个控制系统要解决的基本问题。解决方法

闭环控制=反馈控制=偏差控制16自动控制系统——在没有人直接参与的情况下，利用控制装置对被控对象进行控制操纵，使被控量按照参考输入保持常值或者跟随参考输入的变化规律而变化的系统。自动控制理论——研究自动控制共同规律的一门科学，包括：工程控制论、生物、经济、社会控制论。17§1-3开环控制和闭环控制一.开环控制控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制。

开环控制系统二.闭环控制开环和闭环：实际的控制系统按有无反馈作用来界定反馈：输出量送回至输入端并与输入信号比较的过程负反馈：反馈的信号是与输入信号相减而使偏差越来越小三.开环控制与反馈控制的比较开环优点:

系统结构简单，调试容易。缺点：不能自动修正被控制量的偏离，系统的元件参数变化以及外来的未知扰动对控制精度影响较大，抗干扰能力差。闭环

优点：具有自动修正被控制量出现偏离的能力，可以修正元件参数变化以及外界扰动引起的误差，控制精度高，抗干扰能力强。缺点：被控量可能出现振荡，甚至发散。§1-4

控制系统的类型1.按输入信号分类：定值控制系统伺服系统（随动系统）程序控制系统2.按系统是否满足叠加原理线性系统与非线性系统3.按系统控制器是否采用计算机计算机（数字）控制系统与模拟系统4.按控制对象的范畴运动控制系统与过程控制系统5.按系统参数是否随时间变化时变系统和定常系统稳定性（前提）快速性（动态性能）准确性（稳态精度）§1-5对控制系统的基本要求1稳定性对一个能正常工作的线性定常系统来说，在动态响应过程中，可以允许产生振荡现象，但其振幅度必须是逐渐衰减的，即系统的被控变量在围绕其平衡位置振荡若干次后，应能稳定到平衡位置，这种系统称为稳定系统。注：稳定性是控制系统正常工作的先决条件。由系统结构和参数决定，与外界因素无关。

2快速性输出量和输入量产生偏差时，系统消除这种偏差的快慢程度。表征系统的动态性能。3准确性即稳态精度，用系统的稳态误差来表征。稳态误差是控制系统响应的稳态值与其希望值之差。C()C(t)2

t0r(t)t01(t)超调量调整时间振荡次数上升时间峰值时间描述快速性和精确性注：1不同性质的控制系统，对稳定性、精确性和快速性要求各有侧重；2系统的稳定性、精确性、快速性相互制约，应根据实际需求合理选择。§1-6计算机控制引言系统组成控制机与通用机区别系统特点系统发展趋势28引言计算机用于工程控制：工业生产制造,轧机控制、航天器控制。在计算机控制推广应用的实践中，总结了系统分析设计的理论和方法以及工程实现技术，使计算机控制成为以控制理论和计算机技术为基础的一门新的工程科学技术。29典型的计算机反馈控制系统框图3031t0T02T03T04T05T06T0C-r

A/D计算机D/A被控对象T0m保持器计算机控制系统的控制过程

(1)实时数据采集。对被控制量的瞬时值进行检测，并且将采样结果输入到计算机。

(2)实时决策。对输入的实时给定值与被控量的数值进行处理后，按照预先规定的控制规律进行运算，则称实时决策，或简称决策。

(3)实时控制。根据实时决策结果，实时地对执行装置发出控制信号。

(4)信息管理。随着网络技术和控制策略的发展，信息共享和管理也介入到控制系统之中。测、算、控、管实时3233控制过程采样周期(s)流量1压力5液面520温度系统组成

硬件组成主机外部设备过程输入输出设备（PIO设备）广义被控对象

3435软件组成系统软件：通用性软件，数据结构\OS\数据库系统\公共服务软件（各种语言编译/程序诊断/网络通信软件）。应用软件：在系统软件支持下实现各种应用功能的专用程序，由设计人员据硬件、软件环境开发编写，如PLC。控制程序：预先设计的控制算法，对象运行工况反映给控制程序，控制程序产生控制信号驱动执行装置，其优劣影响控制品质过程输入/输出接口程序：与通道硬件配合，实现计算机与对象之间的数据信息传递36控制机与通用机区别结构上技术性能上：实时响应能力抗干扰、可靠MTBF(平均无故障时间)要求37工业控制系统发展趋势随着计算机本身而发展随着控制理论而发展工业控制系统发展趋势

1以工业PC为基础的低成本工业控制自动化将成为主流；

2

PLC在向微型化；

3面向测控管一体化设计的集散控制系统（DCS），网络化，有线和无线结合；现场总线（FCS：Fieldbus

Control

System）；

4智能化，先进的控制算法。

38

§1-7传统控制系统的研究方法及内容研究方法：建立数学模型→系统性能分析→设计42

已知以c(t

)为输出量，r(t

)为输入量的线性定常系统的微分方程一般表达式为43(ansn+an-1sn-1

+…+a1s+a0)C(s)=(bmsm+bm-1sm-1

+…+b1s+b0)R(s)各种数学模型之间的关系线性系统传递函数微分方程频率特性拉氏变换傅氏变换闭环系统的方框图二阶系统时域响应二阶系统极点分布不同阻尼比50C-r

A/D计算机D/A被控对象T0m保持器§1-8自动控制理论的发展史（1）20世纪40-60年代，经典控制理论阶段。对象：单输入单输出的线性定常系统；依赖于系统的精确数学模型；理论基础和方法：传递函数、频率特性、根轨迹；控制原理：负反馈控制，“自动调节原理”；研究目标：闭环系统达到预期的动态、静态性能；工程实用方法：PID调节原理和PID调节器设计方法、前馈补偿；

51（2）20世纪60年代末，现代控制理论阶段。动力：航天器等空间技术的发展要求高性能、高精度的复杂控制系统；计算机发展提供了必要的技术手段；对象：多变量、变参数、非线性、连续的或离散的；依赖于系统的精确的数学模型，但把原来直接根据受控系统机理特性的建模方法，向基于参数估计和系统辨识理论的建模方法拓展了；描述方法：在时间域内应用状态方程，利于计算机运算；系统结构：多环、自适应环、学习环等；控制策略：最优控制、系统辨识、自适应控制、鲁棒控制，自校正控制；52（3）复杂的任务要求：传统的控制系统中，控制的任务要求输出为定值（调节系统）或者要求输出量跟踪期望的运动轨迹（跟踪系统），因此控制任务比较单一。但对于复杂的控制任务，如智能机器人系统、复杂工业过程控制系统、航空航天控制系统、社会经济管理系统等传统的控制理论都无能为力。（2）高度非线性：传统控制理论中，线性系统理论比较成熟，对于具有高度非线性的控制对象，虽然也有一些非线性方法可供使用，但目前非线性控制理论还很不成熟，有些方法又过于复杂，无法广泛应用；（1）不确定性的模型：传统控制是基于模型的控制，传统控制通常认为模型是已知的或通过辨识可以得到的，对于不确定性的模型，应用智能控制；（3）20世纪70年代后期，智能控制理论传统控制论面临的挑战：一、人工智能

人类智能：一些复杂的生产过程难以实现的目标，可以通过熟练的操作人员实现；骑自行车穿过人群、放风筝、下棋、竞技、解算题、猜谜语、讨论、制定计划、写程序等。人工智能：如果机器能执行这种任务，就可以认为机器已经具有某种性质的“人工智能”。§1-9智能控制论人工智能定义1：人工智能就是研究如何使计算机去做过去只有人才能做的智能的工作（美国MIT的Winston教授）。人工智能定义2：人工智能是关于知识的学科，即怎样表示知识、获得知识、使用知识的科学（斯坦福大学人工智能研究中心Nilson）。说明:1.定义反映了人工智能学科的基本思想和基本内容，概括为：人工智能是研究人类智能活动的规律，构造具有一定智能行为的人工系统。

2.人工智能的研究是从所谓问题求解开始的，比如：智力游戏、棋弈、数学定理证明等。例如：1967年A.L.Samuel编制了一个下棋程序，随着该程序的完善和学习性能的提高，四年后战胜了他，又过三年战胜了美国一个保持了8年之久的世界冠军。该项工作对于机器的自学习机能，进行了较好的探索。3.人工智能是从人的智能行为（感知、学习、策略、创造、语言等）中模仿、总结、提炼的，因此除了计算机科学和技术之外，它还涉及自动化技术、机器学、心理学、逻辑学、语言学、哲学等几乎是自然科学和社会科学的所有学科。4.人工智能被人们称为世界三大尖端技术之一（空间技术、能源技术、人工智能），近三十年来获得了迅速发展，在很多学科领域都获得了广泛应用，人工智能逐步成为一个独立的分支技术，无论在理论和实践上已自成一个体系。565.传统控制理论难以解决的复杂系统的控制问题，需将人工智能的方法引入控制系统，从而实现系统的智能化，即通过采用仿人智能控制决策，迫使控制系统朝着期望的方向逼近。二、智能控制智能控制定义2:可以把智能控制看作是人工智能、自动控制和运筹学三个主要学科相结合的产物。这种结构称为智能控制的三元结构。人工智能(IntelligentControl)是一个知识处理系统，具有记忆、学习、信息处理、形式语言、启发式推理等功能。自动控制(AutomaticControl)是一种动态反馈。运筹学(OR)是一种定量优化的方法，如线性规划、网络规划、调度、管理、优化决策和多目标优化方法等。

智能控制定义1:所谓智能控制是通过定性与定量相结合的方法,针对对象环境和任务的复杂性与不确定性,有效自主地实现复杂信息的处理、优化决策及控制功能.智能控制的三元结构自动控制AC运筹学OR人工智能AI智能控制

IC从另一个角度给出了智能控制的定义：智能控制就是应用人工智能理论与技术和运筹学的优化方法,并将其同控制理论方法和技术相结合,在未知环境下,仿效人的智能对系统的控制。这里所指的环境,是指广义的被控对象及其外界条件。智能控制已初具学科体系，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及计算智能等；在技术方法方面，如专家控制、模糊控制、神经控制、学习控制、仿人控制和进化控制等；但目前还处于开创性的研究阶段.

智能控制是结合多种学科知识来解决复杂系统的控制问题。基于这种认识，人们将各种学科大胆地应用于控制中引出了许多新理论和新方法。1、专家系统和专家控制：有三部分组成：控制机制？、推理机制、知识库。2、模糊控制：模糊控制主要是模仿人的控制经验,而不是依赖控制对象的模型。模糊控制器实现了人的某些智能。模糊控制有三个基本组成部分：模糊化、模糊决策、精确化计算。3、神经元网络控制：通过人工模拟人脑的工作机理、用机器实现智能行为。4、学习控制、仿人智能控制系统、遗传算法……§1-10

智能控制的几个重要分支什么是智能控制系统？智能控制系统是实现某种控制任务的一种智能系统。从系统的角度看，智能行为是一种从输入到输出的映射关系。这种映射关系并不能用常规的数学方法来精确地描述，因此它可以看成一种不依赖模型的自适应估计。例如：钢琴家弹奏一支优美的乐曲§1-11

智能控制系统的构成原理智能控制系统典型的原理结构图：其中，“广义对象”包括控制对象和外部环境。如智能机器人系统中，机器人的手臂、被操作物体；“传感器