智能控制初步介紹

——產(chǎn)生與發(fā)展智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展第1頁主要內(nèi)容智能控制產(chǎn)生和發(fā)展智能控制定義、特點(diǎn)智能控制主要分支智能控制結(jié)構(gòu)理論體系智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展第2頁智能控制產(chǎn)生和發(fā)展瓦特瓦特蒸汽機(jī)智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展第3頁智能控制產(chǎn)生和發(fā)展瓦特離心調(diào)速器智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展第4頁智能控制產(chǎn)生和發(fā)展在公元1788年前后，瓦特采取離心調(diào)速器，改進(jìn)了蒸氣機(jī)，促進(jìn)了工業(yè)大生產(chǎn)進(jìn)程。這種采取機(jī)械式調(diào)整原理實(shí)現(xiàn)動力機(jī)速度自動控制是自動化發(fā)展中第一個里程碑。離心調(diào)速器開啟了近代自動化控制先河，實(shí)現(xiàn)了自動化控制，標(biāo)志著近代自動化控制技術(shù)誕生，對工業(yè)革命影響巨大而深遠(yuǎn)。離心調(diào)速器結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，至今仍在大范圍使用，含有不可或缺作用！智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展第5頁智能控制產(chǎn)生和發(fā)展1868年，以離心式調(diào)速器為背景，物理學(xué)家麥克斯韋爾(Maxwell)研究了反饋系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，發(fā)表了當(dāng)前公認(rèn)控制理論最早理論論文--“論調(diào)速器(OnGovernors)”。源自物理學(xué)與數(shù)學(xué)自動控制理論(在當(dāng)初稱為自動調(diào)整原理，簡稱調(diào)整原理)開始逐步形成。1892年，俄國李亞普諾夫(Lyapunov)博士論文--“論運(yùn)動穩(wěn)定性普通問題”，提出了李亞普諾夫(Lyapunov)穩(wěn)定理論。1922年，美國N.Minorsky研制出用于船舶駕駛伺服結(jié)構(gòu)，提出了PID控制律。1942年尼克爾斯Nichols提出了回路整定技術(shù)(PID整定表和設(shè)計(jì)用尼可爾斯圖)。智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展第6頁智能控制產(chǎn)生和發(fā)展長久以來，自動控制科學(xué)已對整個科學(xué)技術(shù)理論和實(shí)踐作出了主要貢獻(xiàn)，并為人類社會帶來了巨大利益。然而，當(dāng)代科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展和重大進(jìn)步，對控制和系統(tǒng)科學(xué)提出了更新更高要求，自動控制理論和工程正面臨新發(fā)展機(jī)遇和嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)控制理論：經(jīng)典反饋控制、當(dāng)代控制、大系統(tǒng)理論等，在應(yīng)用中碰到不少難題。多年來，自動控制一直在尋找新出路。現(xiàn)在看來，出路之一就是實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)智能化，以期處理面臨難題。智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展第7頁智能控制產(chǎn)生和發(fā)展自動控制發(fā)展過程控制復(fù)雜性進(jìn)展方向開環(huán)控制確定性反饋控制最優(yōu)控制隨機(jī)控制自適應(yīng)、魯棒控制自學(xué)習(xí)控制智能控制智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展第8頁智能控制產(chǎn)生和發(fā)展控制理論發(fā)展三個階段第一階段：經(jīng)典控制理論（形成于20世紀(jì)40到60年代）。第二階段：當(dāng)代控制理論（形成于20世紀(jì)60到70年代）第三階段：智能控制理論（20世紀(jì)70年代至今）智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展第9頁智能控制產(chǎn)生和發(fā)展經(jīng)典控制理論單輸入單輸出反饋系統(tǒng)傳遞函數(shù)波特圖奈奎斯特圖根軌跡圖主要代表人物：Bode,Evans,Nyquist，

Routh，……智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展第10頁智能控制產(chǎn)生和發(fā)展當(dāng)代控制理論含有多個相互耦合回路多變量系統(tǒng)狀態(tài)空間法最優(yōu)控制能控性和能觀性卡爾曼濾波主要代表人物：卡爾曼(Kalman),龐特里亞金(Pontryagin),貝爾曼(Bellman),奧斯特隆姆(Astrom)，……智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展第11頁智能控制產(chǎn)生和發(fā)展智能控制理論復(fù)雜系統(tǒng)含糊控制進(jìn)化計(jì)算……神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要代表人物：Zadeh，Hopfield，J.Holland，……智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展第12頁智能控制產(chǎn)生和發(fā)展傳統(tǒng)控制理論面臨難題準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型和復(fù)雜性、非線性、時變性、不確定性、不完全性之間矛盾，造成無法取得準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型；苛刻系統(tǒng)假設(shè)在應(yīng)用中往往與實(shí)際不相吻合；復(fù)雜、不確定性對象,以傳統(tǒng)方法無法處理建模問題；為了提升性能,傳統(tǒng)控制系統(tǒng)可能變得很復(fù)雜,從而增加了設(shè)備初投資和維修費(fèi)用,降低系統(tǒng)可靠性；應(yīng)用要求進(jìn)行創(chuàng)新，提出新控制思想，進(jìn)行新集成開發(fā)，處理未知環(huán)境中復(fù)雜系統(tǒng)控制問題。智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展第13頁智能控制產(chǎn)生和發(fā)展智能控制發(fā)展1965年,著名美籍華裔科學(xué)家傅京孫(K.S.Fu)教授首先把人工智能啟發(fā)式推理規(guī)則用于學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)；然后,他又于1971年敘述了人工智能與自動控制交接關(guān)系。因?yàn)楦迪壬饕暙I(xiàn),他已成為國際公認(rèn)智能控制先行者和奠基人。含糊控制是智能控制又一活躍研究領(lǐng)域。扎德(Zadeh)于1965年發(fā)表了他著名論文“含糊集合”(fuzzysets),開辟了含糊控制新領(lǐng)域。1967年,利昂茲(Leondes)等人首次正式使用“智能控制”一詞。這一術(shù)語出現(xiàn)要比“人工智能”晚,比“機(jī)器人”晚47年。智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展第14頁智能控制產(chǎn)生和發(fā)展薩里迪斯(Saridis)對智能控制系統(tǒng)分類作出貢獻(xiàn)。他把智能控制發(fā)展道路上最遠(yuǎn)點(diǎn)標(biāo)識為人工智能。他認(rèn)為,人工智能能夠提供最高層控制結(jié)構(gòu),進(jìn)行最高層決議。另外，奧斯特洛姆(?str?m)、迪席爾瓦(deSilva)、周其鑒、蔡自興、霍門迪梅洛(HomendeMello)和桑德森(Sanderson)等于80年代分別提出和發(fā)展了教授控制、基于知識控制、仿人控制、教授規(guī)劃和分級規(guī)劃等。智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展第15頁智能控制產(chǎn)生和發(fā)展兩次學(xué)術(shù)會議1985年8月美國紐約，IEEE召開了第一屆智能控制學(xué)術(shù)討論會，成立IEEE智能控制專業(yè)委員會。1987年1月美國費(fèi)城，第一次智能控制國際會議。標(biāo)志著智能控制作為一門獨(dú)立學(xué)科，正式在國際上建立。智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展第16頁智能控制產(chǎn)生和發(fā)展國內(nèi)發(fā)展情況全球智能控制與自動化大會19931997北京西安合肥上海杭州大連重慶濟(jì)南北京沈陽成立中國人工智能學(xué)會智能控制與智能管理專業(yè)委員會及智能機(jī)器人專業(yè)委員會，中國自動化學(xué)會智能自動化專業(yè)委員會等學(xué)術(shù)團(tuán)體?！赌Ｊ阶R別與人工智能》、《智能系統(tǒng)學(xué)報(bào)》等學(xué)術(shù)刊物標(biāo)志著智能控制作為一門獨(dú)立新學(xué)科在我國已經(jīng)建立起來了智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展第17頁智能控制產(chǎn)生和發(fā)展智能控制作為一門新學(xué)科科學(xué)意義為處理傳統(tǒng)控制無法處理問題找到了一條新路徑；促進(jìn)自動控制向著更高水平發(fā)展；激發(fā)學(xué)術(shù)界思想解放，推進(jìn)科技創(chuàng)新；為實(shí)現(xiàn)腦力勞動和體力勞動自動化做出貢獻(xiàn)；為各種學(xué)派合作樹立了典范智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展第18頁智能控制定義、特點(diǎn)智能控制定義智能機(jī)器能夠在定形或不定形，熟悉或不熟悉環(huán)境中自主地或與操作人員交互作用以執(zhí)行各種擬人任務(wù)機(jī)器叫做智能機(jī)器。自動控制自動控制是能按要求程序?qū)C(jī)器或裝置進(jìn)行自動操作或控制過程。簡單地說，不需要人工干預(yù)控制就是自動控制。智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展第19頁智能控制定義、特點(diǎn)智能控制智能控制是驅(qū)動智能機(jī)器自主地實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)過程?；蛘哒f，智能控制是一類無需人干預(yù)就能夠獨(dú)立地驅(qū)動智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)自動控制。對自主機(jī)器人控制就是一例。智能控制系統(tǒng)用于驅(qū)動自主智能機(jī)器以實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)而無需操作人員干預(yù)系統(tǒng)叫智能控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)必須含有智能調(diào)度和執(zhí)行等能力。智能控制系統(tǒng)理論基礎(chǔ)是人工智能、控制論、運(yùn)籌學(xué)和信息論等學(xué)科交叉。智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展第20頁智能控制定義、特點(diǎn)智能控制器普通結(jié)構(gòu)1-智能控制系統(tǒng)；2-多層控制器；3-多傳感系統(tǒng)智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展第21頁智能控制定義、特點(diǎn)智能控制特點(diǎn)同時含有以知識表示非數(shù)學(xué)廣義模型和以數(shù)學(xué)模型(含計(jì)算智能模型與算法)表示混合控制過程。智能控制含有分層信息處理和決議機(jī)構(gòu)，關(guān)鍵在高層控制,即組織級。智能控制是一門邊緣交叉學(xué)科。智能控制是一個新興研究領(lǐng)域。不論在理論上或?qū)嵺`上它都還很不成熟、很不完善,需要深入探索與開發(fā)。智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展第22頁智能控制定義、特點(diǎn)智能控制功效：學(xué)習(xí)功效一個系統(tǒng)，如能對一個過程或其環(huán)境未知特征所固有信息進(jìn)行學(xué)習(xí)，并將得到經(jīng)驗(yàn)用于深入預(yù)計(jì)、分類、決議或控制，從而使系統(tǒng)性能得到改進(jìn)。適應(yīng)功效智能行為實(shí)質(zhì)上是一個從輸入到輸出映射，一個不依賴模型自適應(yīng)預(yù)計(jì)，即使系統(tǒng)某一部分出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)也能正常工作。智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展第23頁智能控制定義、特點(diǎn)組織功效對于復(fù)雜任務(wù)和分散傳感信息含有自行組織和協(xié)調(diào)功效，系統(tǒng)含有對應(yīng)主動性和靈活性，在任務(wù)要求范圍內(nèi)自行決議，主動采取行動，當(dāng)出現(xiàn)多目標(biāo)沖突時，各控制器在一定限制條件下自行處理。智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展第24頁智能控制定義、特點(diǎn)智能控制研究對象不確定性模型模型不確定性包含兩層意思：一是模型未知或知之甚少；二是模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)可能在很大范圍內(nèi)改變。高度非線性傳統(tǒng)控制理論處理非線性方法復(fù)雜，有時只能定性分析。如繼電器特征、磁滯回環(huán)特征、死區(qū)、飽和特征等。智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展第25頁智能控制定義、特點(diǎn)復(fù)雜任務(wù)要求傳統(tǒng)控制，控制任務(wù)要求比較單一，如要求輸出量恒定或要求輸出量跟隨期望運(yùn)動軌跡改變。如在復(fù)雜工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，除了要求對各被控物理量實(shí)現(xiàn)定值調(diào)整外，還要求實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)自動啟停、故障自動診療以及緊急情況自動處理等功效，就要用智能控制系統(tǒng)了。能夠概括為：智能控制是“三高三性”產(chǎn)物。即“控制系統(tǒng)高度復(fù)雜性、高度不確定性及人們要求越來越高控制性能”智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展第26頁智能控制主要分支智能控制幾個主要應(yīng)用研究領(lǐng)域智能機(jī)器人規(guī)劃與控制生產(chǎn)過程智能監(jiān)控智能故障檢測與診療自動加工系統(tǒng)智能控制飛行器智能控制醫(yī)療過程智能控制智能儀器智能控制智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展第27頁智能控制主要分支智能控制系統(tǒng)分類遞階控制系統(tǒng)教授控制系統(tǒng)含糊控制系統(tǒng)學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)神經(jīng)控制系統(tǒng)仿生控制系統(tǒng)集成智能控制系統(tǒng)組合智能控制系統(tǒng)智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展第28頁智能控制主要分支智能控制主要研究內(nèi)容含糊控制以含糊集合理論為基礎(chǔ)控制方法，模仿人控制經(jīng)驗(yàn)而不與常規(guī)控制方法相比，含糊控制有以下特點(diǎn)：含糊控制完全是在操作人員控制經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)控制，無需建立數(shù)學(xué)模型，是處理不確定性系統(tǒng)一個有效路徑。含糊控制含有較強(qiáng)魯棒性，被控對象參數(shù)改變對含糊控制影響不顯著，可用于非線性、時變、時滯系統(tǒng)控制。智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展第29頁智能控制主要分支由離線計(jì)算得到控制查詢表，提升了控制系統(tǒng)實(shí)時性?？刂茩C(jī)理符合人們對過程控制作用直觀描述和思維邏輯，為智能控制應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。是依賴控制對象模型。智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展第30頁智能控制主要分支含糊控制器普通結(jié)構(gòu)

智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展第31頁智能控制主要分支神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制部分地表現(xiàn)出人腦一些智能特征，人們從結(jié)構(gòu)和信息處理機(jī)制模擬角度建立了生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，即人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)即使反應(yīng)了人腦功效基本特征，但遠(yuǎn)不是自然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼真描寫，而只是它某種簡化、抽象和模擬。智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展第32頁智能控制主要分支智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展第33頁智能控制主要分支人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)含有幾個突出特點(diǎn)：能夠充分迫近任意復(fù)雜非線性關(guān)系；全部定量或定性信息都分布貯存于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各神經(jīng)元連接上，故有很強(qiáng)魯棒性和容錯性；采取并行分布處理方法，使得快速進(jìn)行大量運(yùn)算成為可能；可學(xué)習(xí)和自適應(yīng)不知道或不確定系統(tǒng)。智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展第34頁智能控制主要分支教授控制系統(tǒng)教授系統(tǒng)是人工智能應(yīng)用領(lǐng)域最成功分支之一，始于60年代中期。伴隨應(yīng)用不停成功，教授系統(tǒng)技術(shù)越來越受人們重視。80年代教授系統(tǒng)概念和方法被引入控制領(lǐng)域，促進(jìn)了教授控制系統(tǒng)研究和應(yīng)用，它在控制領(lǐng)域應(yīng)用已包括到控制系統(tǒng)輔助設(shè)計(jì)、分析和教授控制等方面。智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展第35頁智能控制主要分支教授系統(tǒng)簡化結(jié)構(gòu)圖知識庫推理機(jī)教授知識輸入或提問答案教授系統(tǒng)簡化結(jié)構(gòu)圖智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展第36頁智能控制主要分支教授控制系統(tǒng)含有以下特點(diǎn)：一定程度上模擬人思維活動規(guī)律，能進(jìn)行自動推理，善于應(yīng)付各種改變，含有透明性和靈活性。不停監(jiān)督生產(chǎn)過程，實(shí)現(xiàn)特定性能指標(biāo)下優(yōu)化控制，能處理大量低層信息，可進(jìn)行操作指導(dǎo)。相對傳統(tǒng)控制，擴(kuò)展了許多功效，如復(fù)雜系統(tǒng)高質(zhì)量控制，故障診療和容錯控制，參數(shù)和算法自動修改，不一樣算法組合等。深層知識引入，能夠填補(bǔ)教授經(jīng)驗(yàn)不足，能夠自然地消除決議沖突。智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展第37頁智能控制主要分支直接教授控制系統(tǒng)框圖(b)間接教授控制系統(tǒng)框圖智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展第38頁智能控制主要分支分層遞階智能控制分層遞階智能控制是在研究學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，從工程控制出發(fā)，總結(jié)人工智能與自適應(yīng)控制、自學(xué)習(xí)控制及自組織控制關(guān)系后逐步形成。G．N．Sariidis最早提出了分層遞階智能控制。分層遞階智能控制含有兩個顯著特點(diǎn)：對控制來講，自上而下控制精度愈來愈高；對識別來講，自下而上信息回饋愈來愈粗略。智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展第39頁智能控制主要分支該系統(tǒng)由組織級、協(xié)調(diào)級、執(zhí)行級組成，按照自上而下準(zhǔn)確程度漸增、智能程度漸減標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行功效分配。在這類多層智能控制系統(tǒng)中，智能主要表達(dá)在高層次上，其主要作用是模仿人功效實(shí)現(xiàn)規(guī)劃、決議、學(xué)習(xí)和任務(wù)協(xié)調(diào)等任務(wù)。執(zhí)行級依然采取現(xiàn)有數(shù)學(xué)解析控制算法，對數(shù)值進(jìn)行操作和運(yùn)算。

組織級

協(xié)調(diào)級

執(zhí)行級

對象

識別用戶指令三級遞階控制結(jié)構(gòu)智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展第40頁智能控制主要分支學(xué)習(xí)控制模擬人類本身各種優(yōu)良控制調(diào)整機(jī)制一個嘗試，能在運(yùn)行過程中逐步取得被控過程及環(huán)境非預(yù)知信息，積累控制經(jīng)驗(yàn)，并在一定評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行估值、分類、決議和不停改進(jìn)系統(tǒng)品質(zhì)自動控制系統(tǒng)。學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)經(jīng)過對系統(tǒng)性能評價(jià)和優(yōu)化來調(diào)整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，好優(yōu)化理論和算法是其系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵。遺傳算法有潛力。智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展第41頁智能控制主要分支在智能控制系統(tǒng)研究與應(yīng)用中，常將幾個慣用類型結(jié)合起來，組成各種綜合智能控制系統(tǒng)。比如，含糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能控制系統(tǒng)，教授含糊智能控制系統(tǒng)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)教授智能控制系統(tǒng)等等。智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展第42頁智能控制結(jié)構(gòu)理論體系智能控制結(jié)構(gòu)理論智能控制含有十分顯著跨學(xué)科(多元)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。在此，我們主要討論智能控制二元交集結(jié)構(gòu)、三元交集結(jié)構(gòu)和四元交集結(jié)構(gòu)三種思想，它們分別由以下各交集(通集)表示：IC=AI∩ACIC=AI∩CT∩ORIC=AI∩CT∩IT∩ORAI--人工智能(ArtificialIntelligence)AC--自動控制(AutomaticControl)CT--控制論(ControlTheory)OR--運(yùn)籌學(xué)(OperationResearch)IT--信息論(InformationTheory,Informatics)；IC--智能控制(IntelligentControl)∩表示交集和連詞"與"符號。智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展第43頁智能控制結(jié)構(gòu)理論體系二元結(jié)構(gòu)傅京孫1971年提出把智能控制作為人工智能和自動控制交接領(lǐng)域。他曾對幾個與自學(xué)習(xí)控制（learningcontrol）相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了研究。為了強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)問題求解和決議能力，他用“智能控制系統(tǒng)”來包含這些領(lǐng)域。他指出：智能控制系統(tǒng)描述自動控制系統(tǒng)與人工智能交接作用。ICACAI智能控制二元結(jié)構(gòu)智能控制的產(chǎn)生與發(fā)展第44頁智能控制結(jié)構(gòu)理論體系三元結(jié)構(gòu)薩里迪斯（Saridi