智能控制-第一章-概论

《智能控制》IntelligentControl1.OpeningRemarks

WelcomeSelf-introducingtheCourse2.TheTextbook&ReferenceBooks智能控制原理与应用清华大学出版社，2007智能控制(第二版）电子工业出版社,2007

IntelligentControl：Principles，Techniquesandapplications3.Requirements4.AbouttheExam第一章概论1.1人工智能1.2智能控制的进展1.3智能控制的定义、特点与一般结构1.4智能控制的结构理论1.5课程概要1.1.1人工智能的定义与发展几种定义智能机器（IntelligentMachine）

人工智能（学科）人工智能（能力）人工智能（拟人思维、行为）人工智能（理性思维、行为）1.1人工智能斯坦福大学的Nilsson提出人工智能是关于知识的科学（知识的表示、知识的获取以及知识的运用）人工智能（学科）是计算机科学中涉及研究、设计和应用智能机器的一个分支。它的近期主要目标在于研究用机器来模仿和执行人脑的某些智力功能，并开发相关理论和技术。人工智能（能力）是智能机器所执行的通常与人类智能有关的功能，如判断、推理、证明、识别、感知、理解、设计、思考、规划、学习和问题求解等思维活动。1.几种定义1.1人工智能2人工智能的起源与发展

孕育期（1956年前）数理逻辑学科（弗雷治、维纳等）

计算的新思想（丘奇、图灵等）

形成期（1956~1970年）1956年，第一次人工智能的研讨会1969年，第一届国际人工智能联合会议1970年，《人工智能》国际杂志创刊1.1人工智能2人工智能的起源与发展发展期（1970年~）进一步研究AI基本原理方法和技术进行实用化研究专家系统与知识工程（Feigenbaum教授)

机器学习计算智能

从“一枝独秀”到“百花齐放”1.1人工智能3中国的AI研究学术组织

1978年把“智能模拟”列入国家科学发展规划1980年4月中国自动化学会模式识别与人工智能专业委员会成立1980年8月“高校人工智能研讨会”1981年9月成立中国人工智能学会（CAAI）1986年5月中国软件行业协会人工智能协会成立1986年11月中国计算机学会人工智能与模式识别专业委员会成立1987年6月中国计算机学软件专业委员会智能学组（知识工程）1993年智能机器人委员会成立1995年智能自动化委员会成立1.1人工智能学术刊物

模式识别与人工智能PatternRecognition&AI

机器人Robot

信息与控制Information&Control

控制与决策Control&Decision

计算机学报J.ofComputer

自动化学报J.ofAutomation

控制理论与应用ControlTheory&Application

计算机研究与发展Research&DevelopmentofComputer

计算机世界ComputerWorld

计算机科学ComputerScience1.1人工智能1.1.2人类智能与人工智能人是一种智能信息处理系统物理符号系统的六种基本功能物理符号系统的假设推论一推论二推论三思维策略初级信息处理生理过程计算机程序计算机语言计算机硬件图1.1人类认知活动与计算机的比较1.1人工智能1、符号处理系统的六种基本功能信息处理系统又叫符号操作系统(SymbolOperationSystem)或物理符号系统(PhysicalSymbolSystem)。所谓符号就是模式(pattern)。

一个完善的符号系统应具有下列6种基本功能：(1)输入符号(input)；(2)输出符号(output);(3)存储符号(store);(4)复制符号(copy);(5)建立符号结构：通过找出各符号间的关系，在符号系统中形成符号结构；(6)条件性迁移(conditionaltransfer):根据已有符号，继续完成活动过程。2、可以把人看成一个智能信息处理系统

如果一个物理符号系统具有上述全部6种功能，能够完成这个全过程，那么它就是一个完整的物理符号系统。人具有上述6种功能；现代计算机也具备物理符号系统的这6种功能。3、物理符号系统的假设

任何一个系统，如果它能表现出智能，那么它就必定能够执行上述6种功能。反之，任何系统如果具有这6种功能，那么它就能够表现出智能；这种智能指的是人类所具有的那种智能。把这个假设称为物理符号系统的假设。4、物理符号系统3个推论推论一既然人具有智能，那么他(她)就一定是个物理符号系统。人之所以能够表现出智能，就是基于他的信息处理过程。推论二既然计算机是一个物理符号系统，它就一定能够表现出智能。这是人工智能的基本条件。推论三既然人是一个物理符号系统，计算机也是一个物理符号系统，那么就能够用计算机来模拟人的活动。2人类智能的计算机模拟1.1人工智能1、机器智能可以模拟人类智能物理符号系统假设的推论一告诉人们，人有智能，所以他是一个物理符号系统；推论三指出，可以编写出计算机程序去模拟人类的思维活动。这就是说，人和计算机这两个物理符号系统所使用的物理符号是相同的，因而计算机可以模拟人类的智能活动过程。2、智能计算机的功能如下棋、证明定理、翻译语言文字和解决难题等。神经计算机(neuralcomputer)能够以类似人类的方式进行“思考”，它力图重建人脑的形象。一些国家对量子计算机的研究也已起步，希望通过对量子计算(quantumcomputing)的研究，产生量子计算机。1.1.3人工智能的各种认知观

符号主义（Symbolism）

认为人类的智能的基本单元是符号，认知过程是符号表示下的符号运算，从而思维就成了符号运算。大多数比较成功的专家系统是建立在符号主义的基础上（知识的表示）。

连接主义（Connectionism）

认为人工神经网络的基本单元是神经元，而不是符号处理过程。认知过程是由神经网络构成的，是并行分布的。行为主义（Actionism）

认为人工智能源于控制论。智能取决于感知和行动，提出智能行为的“感知—动作”模式。行为主义者认为智能不需要知识、不需要表示、不需要推理。1.1人工智能1.2.1

自动控制的机遇与挑战1.传统控制面临的难题及其出路

实际系统存在复杂性、非线性、时变性、不确定性和不完全性等，一般无法获得精确的数学模型。为研究这类系统提出并遵循的一些假设在应用中与实际不符。对于某些复杂的和包含不确定性的对象，无法以传统数学模型来表示。为了提高性能，传统控制系统可能变得很复杂，从而增加了设备的初投资和维修费用，降低系统的可靠性。2.自动控制面临挑战的原因

科学技术间的相互影响和相互促进；当前和未来应用的需求；基本概念和时代思潮发展水平的推动。1.2智能控制的进展3.自动控制工作者面临挑战的任务

扩展视野，发展新的控制概念和控制方法，采用非完全模型控制系统；采用可以在系统工作过程中加以在线改进，使之愈臻正确的系统模型。采用离散事件驱动的动态系统和本质上完全断续的系统。4.面临挑战的控制领域多变量鲁棒控制，自适应控制和容错控制，高度非线性控制和多因素或分散随机控制，时空分布参数系统的控制…...解决上述领域面临问题需要：（1）发展控制理论与方法；（2）与计算机科学相结合。5.自动控制领域所面临难题的解决途径推进控制硬件、软件和智能的结合；实现自动控制科学与其它相关学科（科学）的结合。1.2智能控制的进展机械化（Mechanization)

用机器代替原先由动物或人类执行的体力劳动;自动化（Automation)

由机械化和计算相结合而得到的自校正生产活动的成果:

A=M+AC+(SA∨PA∨FB)1.2.2自动化与人工智能1.2智能控制的进展1.自动化的发展与人工智能的关系图1.2自动化的进展与人工智能1.2智能控制的进展2.人工智能的研究目标它的近期目标在于研究与建造智能计算机及其系统，以模拟和执行人类的某些智力功能；它的远期目标在于用自动机（Automata）模仿人类的思维过程和智能行为，创建智能科学体系。1.2.3

智能控制的发展1.自动控制的发展过程智能控制是人工智能和自动控制的重要部分和研究领域，人工智能的发展促进自动控制向智能控制发展。下图为自动控制的发展过程。1.2智能控制的进展图1-3自动控制的发展过程2.智能控制的发展60年代初期，学习控制的研究十分活跃并获得应用。60年代中期，自动控制与人工智能开始交接。自从70年代以来，模糊控制的应用研究获得广泛开展，并取得一批令人感兴趣的成果。80年代，Saridis

教授和他的研究小组建立的智能机器理论采用精度随智能降低而提高原理和三级递阶结构。奥斯特洛姆、迪席尔瓦、周其鉴、蔡自兴、霍门迪梅洛和桑德森等于80年代分别提出和发展了专家控制、基于知识的控制、仿人控制、专家规划和分级规划等。80年代末以来，基于神经元控制的理论和机理已获进一步开发和应用。1.2智能控制的进展3.智能控制学科的形成智能控制新学科形成的条件逐渐成熟。1985年8月，IEEE在美国纽约召开了第一届智能控制学术讨论会。会上集中讨论了智能控制原理和智能控制系统的结构。这次会议之后不久，在IEEE控制系统学会内成立了IEEE智能控制专业委员会，该专业委员会组织了对智能控制定义和研究生课程教学大纲的讨论。1987年1月，在美国费城由IEEE控制系统学会与计算机学会联合召开了智能控制国际会议。这是有关智能控制的第一次国际会议，显示出智能控制的长足进展。这次会议及其后续相关事件表明，智能控制作为一门独立学科已正式在国际上建立起来。1.2智能控制的进展4.国际学术组织及其举办的会议

国际学术组织：IFAC、IFIP、IMACS和IASTED等。

会议：CWC-ICIA(全球华人智能控制与智能自动化大会）、智能控制专家讨论会、智能自动化学术会议、智能机器人会议等。1.2智能控制的进展1.3

智能控制的定义、特点与一般结构定义1.13智能机器能够在定形或不定形，熟悉或不熟悉的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的机器叫做智能机器。定义1.14自动控制自动控制是能按规定程序对机器或装置进行自动操作或控制的过程。

1.3.1

智能控制的定义与特点

1.智能控制的定义

定义1.15智能控制智能控制是驱动智能机器自主地实现其目标的过程。例1能够模拟人的思维，进行博弈的计算机

如由IBM公司研制的深蓝（DeepBlue）计算机。例2能够进行深海探测的自主潜水机器人

如2005年8月英国“超级天蝎座”（SuperScorpio）深海潜水机器人成功营救被困的俄潜艇。例3在星际探险中的移动机器人

如美国2004年1月发射的火星探测车勇气号（Spirit）和机遇号（Opportunity），2004年8月发射的水星探测车信使号（Messenger）。定义1.16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的系统叫智能控制系统。智能控制系统的理论基础是人工智能、控制论、运筹学和信息论等学科的交叉。2.

智能控制的特点（1）

同时具有以知识表示的非数学广义模型和以数学模型表示的混合控制过程，也往往是那些含有复杂性、不完全性、模糊性或不确定性以及不存在已知算法的非数字过程，并以知识进行推理，以启发来引导求解过程。

（2）

智能控制的核心在高层控制，即组织级。

（3）

智能控制是一门边缘交叉学科。

（4）智能控制是一个新兴的研究领域。1.3定义、特点与一般结构1.3.2

智能控制器的一般结构1.智能控制器的设计是具有下列特点的组合：具有以微积分(DIC)表示和以技术应用语言(LTA)表示的混合系统方法。采用不精确的和不完全的装置分层（级）模型。含有由多传感器递送的分级和不完全的外系统知识，并在学习过程中不断加以辨识、整理和更新。把任务协商作为控制系统以及控制过程的一部分来考虑。2.智能控制器的一般结构参见下图1-4。1.3定义、特点与一般结构用户图1-4智能控制器的一般结构接口任务描述与环境建模知识表示信号优化驱动器传感器过程与环境信号预处理信号辩识规划与推理决策与协调传统控制321事件动作智能控制系统多层控制器多传感系统1.4

智能控制的结构理论1.4.1

二元结构理论1.二元结构的提出

傅京孙（k.s.Fu)于1971年提出把智能控制作为人工智能和自动控制的交接领域。3.例子拟人控制器、人-机控制器、自主机器人系统2.二元结构的思想图1-5智能控制的二元结构IC=AI

AC其中,IC---智能控制AI---人工智能AC---自动控制傅京孙院士简历(1930--1985),美籍华裔科学家和教育家,自动控制、模式识别和人工智能专家专家。浙江丽水人，1930年10月出生于南京。1953年在台湾大学电机工程系毕业，1955年获加拿大多伦多大学科学硕士学位，1959年获美国伊利诺大学博士学位。1985年4月29日病逝于华盛顿。-1960年为美国波音飞机公司研究工程师。1961年始任教于普渡大学电机工程系，达23年，历助教、副教授、教授。1971年，被选为美国电气与电子工程师学会(1EEE)荣誉会员。1975年升任普渡大学高斯(Guass)工程讲座教授。其间数度赴纽约IBM公司、柏克莱加州大学IBM华生研究中心、麻省理工学院、史丹佛大学从事研究和教学，结合数学、工程学和计算机知识，创立了“模式识别“(PatternRecognition)学科，作为资讯分析与传输基础依据。1976年当选为美国国家工程学院院士。同年，获麦考艾科学贡献奖。1977年因其研究之模式识别、图像处理及其在遥测、医学各方面的应用，获美国计算机学会杰出论文奖。1978年被选为台湾“中央研究院”院士,受聘北京大学、清华大学、复旦大学等校教授,多次回国讲学交流，推动信息科学研究及其应用。为国际知名学者，句法模式识别科学创始人，曾担任第一届国际模式识别大会总主席和国际模式识别联合会首任主席。1985年初担任普渡大学智能制造工程研究中心主任,是国际CIMS的缔造者。热爱祖国,关心祖国科教发展,为祖国培养高水平创新人才。1.4.2

三元结构理论1.三元结构的提出

萨里迪斯(Saridis)于1977年提出另一种智能控制结构，他把智能控制看作为人工智能、自动控制和运筹学的交接。2.三元结构的思想图1-6智能控制的三元结构

IC=AI

CT

OR在提出三元结构的同时，萨里迪斯还提出分级智能控制系统。参见图1-8。

IPDI原理组织级协调级执行级精度（低）（高）智能（高）（低）1.4智能控制的结构理论萨里迪斯教授简介*1973年在普渡大学EE系获博士学位,后留校任教。*1979年起任伦塞勒理工学院(RPI)太空探索智能机器人系统研究中心(CenterforIntelligentRoboticSystemsforSpaceExploration,CIRSSE),NationalAeronauticsandSpaceAdministration(NASA)主任。*国际智能控制的创导者之一及递阶智能机器和递阶智能控制系统的奠基者。图1-8分级智能控制系统1.4.3

四元结构理论1.四元结构的提出蔡自兴于1986年提出四元智能控制结构，把智能控制看做自动控制、人工智能、信息论和运筹学四个学科的交集。2.四元结构的思想图1-10智能控制的四元结构（a）四元智能控制结构（b）四元结构的简化图IC=AI

CT

IT

OR1.4智能控制的结构理论3.把信息论作为智能控制结构一个子集的理由

信息论是解释知识和智能的一种手段定义1.17知识是人们通过体验、学习或联想而知晓的对客观世界规律性的认识，这些认识包括事实、条件、过程、规则、关系和规律等。定义1.18

信息是知识的交流或对知识的感觉，是对知识内涵的一种量测。定义1.19

智能是一种应用知识对一定环境进行处理的能力或由目标准则衡量的抽象思考能力。定义1.20信息论是研究信息、信息特性测量、信息处理以及人机通信过程效率的数学理论。推论：（1）“知识”比“信息”含义更广，即(信息)∈（知识）；（2）智能是获取和运用知识的能力；（3）可以用信息论在数学上解释机器知识和机器智能。

控制论、系统论和信息论是紧密相互作用的

图1－11钱学森的系统科学体系图（部分）

现代的系统论、信息论和控制论作为科学前沿突出的学科群，无论从哪一方面来看，都是相互作用和相互靠拢的，并给人以鲜明的印象。系统学

运筹学

系统工程

系统论控制论自动化技术

信息论

通讯技术哲学基础科学

技术科学

工程技术系统科学

信息论已成为控制智能机器的工具一般系统论系统论应用部门网络三论控制系统计算机信息科学信息技术