智能控制概述课件.ppt

LOGO智能控制理论与技术智能控制理论与技术2/5/2023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2/5/2023 1.控制理论和应用发展的概况控制理论和应用发展的概况 2.传统控制理论的局限性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智能与智能控制的定义 6.智能控制研究的主要内容智能控制研究的主要内容 7.智能控制的分类智能控制的分类智能控制概论2/5/20231.1.控制理论和应用发展的概况控制理论和应用发展的概况控制理论的发展始于控制理论的发展始于WattWatt飞球调节蒸汽机以后的飞球调节蒸汽机以后的100100年。年。1.20年代以返馈控制理论为代表，形成经典控制理论，著名的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：控制科学家有：Black,Nyquist,Bode.2.随着航空航天事业的发展随着航空航天事业的发展,5060年代形成以多变量控制为特年代形成以多变量控制为特 征的现代控制理论征的现代控制理论,主要代表有主要代表有:Kalman 的滤波器的滤波器,Pontryagin 的极大值原理的极大值原理,Bellman 的的 动态规划动态规划,和和Lyapunov 的稳定性理论的稳定性理论.3.70年代初年代初,以分解和协调为基础以分解和协调为基础,形成了大系统控制理论形成了大系统控制理论,用于复用于复 杂系统的控制杂系统的控制,重要理论有递阶控制理论、分散控制理论、队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。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。2/5/2023 传统控制方法包括经典控制和现代控制，是基于被控传统控制方法包括经典控制和现代控制，是基于被控传统控制方法包括经典控制和现代控制，是基于被控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，适于对象精确模型的控制方式，缺乏灵活性和应变能力，适于对象精确模型的控制方式，缺乏灵活性和应变能力，适于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，难以解决对解决线性、时不变性等相对简单的控制问题，难以解决对解决线性、时不变性等相对简单的控制问题，难以解决对解决线性、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。复杂系统的控制。复杂系统的控制。复杂系统的控制。2/5/20232.2.传统控制理论的局限性传统控制理论的局限性 随着随着复杂系统复杂系统的不断涌现，传统控制理论越来越多地的不断涌现，传统控制理论越来越多地显示它的局限性显示它的局限性。什么叫复杂系统？其特征表现为：什么叫复杂系统？其特征表现为：1 1、控制对象的复杂性、控制对象的复杂性2 2、环境的复杂性、环境的复杂性3 3、控制任务或目标的复杂性、控制任务或目标的复杂性2/5/2023 模型的不确定性模型的不确定性 高度非线性高度非线性 分布式的传感器和执行机构分布式的传感器和执行机构 动态突变动态突变 多时间标度多时间标度 复杂的信息模式复杂的信息模式 庞大的数据量和严格的性能指标庞大的数据量和严格的性能指标1 1、控制对象的复杂性、控制对象的复杂性2/5/20232 2、环境的复杂性、环境的复杂性 环境变化的不确定性环境变化的不确定性 难以辨识难以辨识 必须与被控对象集合起来作为一个整体来考虑必须与被控对象集合起来作为一个整体来考虑3 3、控制任务或目标的复杂性、控制任务或目标的复杂性 控制目标和任务的多重性控制目标和任务的多重性 时变性时变性 任务集合处理的复杂性任务集合处理的复杂性。2/5/2023 对于复杂系统为被控对象，传统控制的实际应用遇到很对于复杂系统为被控对象，传统控制的实际应用遇到很对于复杂系统为被控对象，传统控制的实际应用遇到很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：多难解决的问题，主要表现以下几点：多难解决的问题，主要表现以下几点：多难解决的问题，主要表现以下几点：（1 1 1 1）实际系统由于存在）实际系统由于存在）实际系统由于存在）实际系统由于存在复杂性、非线性、时变性复杂性、非线性、时变性复杂性、非线性、时变性复杂性、非线性、时变性、不确定性不确定性不确定性不确定性和和和和不完全不完全不完全不完全性性性性等，无法获得等，无法获得等，无法获得等，无法获得精确的数学模型精确的数学模型精确的数学模型精确的数学模型。（2 2 2 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）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）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）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，即描述，即描述，即描述，即无法解决建模问题无法解决建模问题无法解决建模问题无法解决建模问题。（3 3 3 3）传统控制理论的推导往往需要进行一些比较苛刻的）传统控制理论的推导往往需要进行一些比较苛刻的）传统控制理论的推导往往需要进行一些比较苛刻的）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线性化假设线性化假设线性化假设，而这些假设往往与实际系统不符合。而这些假设往往与实际系统不符合。而这些假设往往与实际系统不符合。而这些假设往往与实际系统不符合。（4 4 4 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）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）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）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、务，如机器人控制、务，如机器人控制、务，如机器人控制、CIMSCIMSCIMSCIMS、社会经济管理系统等复杂任务无能为力、社会经济管理系统等复杂任务无能为力、社会经济管理系统等复杂任务无能为力、社会经济管理系统等复杂任务无能为力。2/5/2023 在在在在生生生生产产产产实实实实践践践践中中中中，复复复复杂杂杂杂控控控控制制制制问问问问题题题题可可可可通通通通过过过过熟熟熟熟练练练练操操操操作作作作人人人人员员员员的的的的经经经经验验验验和和和和控控控控制制制制理理理理论论论论相相相相结结结结合合合合去去去去解解解解决决决决，由由由由此此此此，产产产产生生生生了了了了智智智智能能能能控控控控制制制制。智智智智能能能能控控控控制制制制将将将将控控控控制制制制理理理理论论论论的的的的方方方方法法法法和和和和人人人人工工工工智智智智能能能能技技技技术术术术灵灵灵灵活活活活地地地地结结结结合合合合起起起起来来来来，其其其其控控控控制制制制方方方方法法法法适适适适应应应应对象的复杂性和不确定性。对象的复杂性和不确定性。对象的复杂性和不确定性。对象的复杂性和不确定性。智智智智能能能能控控控控制制制制是是是是一一一一门门门门交交交交叉叉叉叉学学学学科科科科，著著著著名名名名美美美美籍籍籍籍华华华华人人人人傅傅傅傅京京京京逊逊逊逊教教教教授授授授1971197119711971年年年年首首首首先提出智能控制是人工智能与自动控制的交叉，即先提出智能控制是人工智能与自动控制的交叉，即先提出智能控制是人工智能与自动控制的交叉，即先提出智能控制是人工智能与自动控制的交叉，即二元论二元论二元论二元论。美美美美国国国国学学学学者者者者G.N.SaridisG.N.SaridisG.N.SaridisG.N.Saridis1977197719771977年年年年在在在在此此此此基基基基础础础础上上上上引引引引入入入入运运运运筹筹筹筹学学学学，提提提提出出出出了了了了三元论三元论三元论三元论的智能控制概念。的智能控制概念。的智能控制概念。的智能控制概念。3.3.智能控制的组成、定义与研究内容智能控制的组成、定义与研究内容2/5/2023二元论二元论 智能控制（智能控制（ICIC）是是自动控制（自动控制（ACAC）和和人工智能（人工智能（AIAI）的交集。的交集。强调智能和控制的结合2/5/2023 考虑更高层次上的调度、规划和管理，应把考虑更高层次上的调度、规划和管理，应把运筹学（运筹学（OROR）结合进去。即：结合进去。即：三元论三元论2/5/2023 式中各子集的含义为式中各子集的含义为式中各子集的含义为式中各子集的含义为 ICICICIC智能控制（智能控制（智能控制（智能控制（Intelligent ControlIntelligent ControlIntelligent ControlIntelligent Control）AIAIAIAI人工智能（人工智能（人工智能（人工智能（Artificial IntelligenceArtificial IntelligenceArtificial IntelligenceArtificial Intelligence）ACACACAC自动控制（自动控制（自动控制（自动控制（Automatic ControlAutomatic ControlAutomatic ControlAutomatic Control）OROROROR运筹学（运筹学（运筹学（运筹学（Operational ResearchOperational ResearchOperational ResearchOperational Research）2/5/2023基于三元论的智能控制基于三元论的智能控制 2/5/2023 三三三三元元元元论论论论除除除除了了了了“智智智智能能能能”与与与与“控控控控制制制制”外外外外还还还还强强强强调调调调了了了了更更更更高高高高层层层层次次次次控控控控制制制制中中中中调调调调度度度度、规规规规划划划划和和和和管管管管理理理理的的的的作作作作用用用用，为为为为递递递递阶阶阶阶智智智智能能能能控控控控制制制制提提提提供了理论依据。供了理论依据。供了理论依据。供了理论依据。所所所所谓谓谓谓智智智智能能能能控控控控制制制制，即即即即设设设设计计计计一一一一个个个个控控控控制制制制器器器器（或或或或系系系系统统统统），使使使使之之之之具具具具有有有有学学学学习习习习、抽抽抽抽象象象象、推推推推理理理理、决决决决策策策策等等等等功功功功能能能能，并并并并能能能能根根根根据据据据环环环环境境境境（包包包包括括括括被被被被控控控控对对对对象象象象或或或或被被被被控控控控过过过过程程程程）信信信信息息息息的的的的变变变变化化化化作作作作出出出出适适适适应应应应性性性性反反反反应，从而实现由人来完成的任务。应，从而实现由人来完成的任务。应，从而实现由人来完成的任务。应，从而实现由人来完成的任务。2/5/20234.4.智能控制的发展智能控制的发展 智智智智能能能能控控控控制制制制是是是是自自自自动动动动控控控控制制制制发发发发展展展展的的的的最最最最新新新新阶阶阶阶段段段段，主主主主要要要要用用用用于于于于解解解解决决决决传传传传统统统统控控控控制制制制难难难难以以以以解解解解决决决决的的的的复复复复杂杂杂杂系系系系统统统统的的的的控控控控制制制制问问问问题题题题。控控控控制制制制科学的发展过程如图所示。科学的发展过程如图所示。科学的发展过程如图所示。科学的发展过程如图所示。从从从从二二二二十十十十世世世世纪纪纪纪60606060年年年年代代代代起起起起，由由由由于于于于空空空空间间间间技技技技术术术术、计计计计算算算算机机机机技技技技术术术术及及及及人人人人工工工工智智智智能能能能技技技技术术术术的的的的发发发发展展展展，控控控控制制制制界界界界学学学学者者者者在在在在研研研研究究究究自自自自组组组组织织织织、自自自自学学学学习习习习控控控控制制制制的的的的基基基基础础础础上上上上，为为为为了了了了提提提提高高高高控控控控制制制制系系系系统统统统的的的的自自自自学学学学习习习习能能能能力力力力，开始注意将人工智能技术与方法应用于控制中。开始注意将人工智能技术与方法应用于控制中。开始注意将人工智能技术与方法应用于控制中。开始注意将人工智能技术与方法应用于控制中。2/5/2023 开环控制开环控制开环控制开环控制 确定性反馈控制确定性反馈控制确定性反馈控制确定性反馈控制最优控制最优控制最优控制最优控制 随机控制随机控制随机控制随机控制自适应控制自适应控制自适应控制自适应控制 鲁棒控制鲁棒控制鲁棒控制鲁棒控制自学习控制自学习控制自学习控制自学习控制 智能控制智能控制智能控制智能控制控制科学的发展过程控制科学的发展过程控制科学的发展过程控制科学的发展过程 2/5/2023 1966196619661966年年年年，J.M.MendalJ.M.MendalJ.M.MendalJ.M.Mendal首首首首先先先先提提提提出出出出将将将将人人人人工工工工智智智智能能能能技技技技术术术术应应应应用用用用于飞船控制系统的设计；于飞船控制系统的设计；于飞船控制系统的设计；于飞船控制系统的设计；1971197119711971年年年年，傅傅傅傅京京京京逊逊逊逊首首首首次次次次提提提提出出出出智智智智能能能能控控控控制制制制这这这这一一一一概概概概念念念念，并并并并归归归归纳了三种类型的智能控制系统：纳了三种类型的智能控制系统：纳了三种类型的智能控制系统：纳了三种类型的智能控制系统：（1 1 1 1）人人人人作作作作为为为为控控控控制制制制器器器器的的的的控控控控制制制制系系系系统统统统：人人人人作作作作为为为为控控控控制制制制器器器器的的的的控控控控制制制制系系系系统具有自学习、自适应和自组织的功能；统具有自学习、自适应和自组织的功能；统具有自学习、自适应和自组织的功能；统具有自学习、自适应和自组织的功能；2/5/2023（2 2 2 2）人人人人机机机机结结结结合合合合作作作作为为为为控控控控制制制制器器器器的的的的控控控控制制制制系系系系统统统统：机机机机器器器器完完完完成成成成需需需需要要要要连连连连续续续续进进进进行行行行的的的的并并并并需需需需快快快快速速速速计计计计算算算算的的的的常常常常规规规规控控控控制制制制任任任任务务务务，人人人人则则则则完完完完成成成成任任任任务务务务分配、决策、监控等任务；分配、决策、监控等任务；分配、决策、监控等任务；分配、决策、监控等任务；（3 3 3 3）无无无无人人人人参参参参与与与与的的的的自自自自主主主主控控控控制制制制系系系系统统统统：为为为为多多多多层层层层的的的的智智智智能能能能控控控控制制制制系系系系统统统统，需需需需要要要要完完完完成成成成问问问问题题题题求求求求解解解解和和和和规规规规划划划划、环环环环境境境境建建建建模模模模、传传传传感感感感器器器器信信信信息息息息分分分分析析析析和和和和低层的反馈控制任务。如自主机器人。低层的反馈控制任务。如自主机器人。低层的反馈控制任务。如自主机器人。低层的反馈控制任务。如自主机器人。2/5/2023 1985198519851985年年年年8 8 8 8月，月，月，月，IEEEIEEEIEEEIEEE在美国纽约召开了第一界智能在美国纽约召开了第一界智能在美国纽约召开了第一界智能在美国纽约召开了第一界智能控制学术讨论会，随后成立了控制学术讨论会，随后成立了控制学术讨论会，随后成立了控制学术讨论会，随后成立了IEEEIEEEIEEEIEEE智能控制专业委智能控制专业委智能控制专业委智能控制专业委员会；员会；员会；员会；1987198719871987年年年年1 1 1 1月，在美国举行第一次国际智能控制月，在美国举行第一次国际智能控制月，在美国举行第一次国际智能控制月，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。大会，标志智能控制领域的形成。大会，标志智能控制领域的形成。大会，标志智能控制领域的形成。2/5/2023 近近近近年年年年来来来来，神神神神经经经经网网网网络络络络、模模模模糊糊糊糊数数数数学学学学、专专专专家家家家系系系系统统统统、进进进进化化化化论论论论等等等等各各各各门门门门学学学学科科科科的的的的发发发发展展展展给给给给智智智智能能能能控控控控制制制制注注注注入入入入了了了了巨巨巨巨大大大大的的的的活活活活力力力力，由由由由此产生了各种智能控制方法。此产生了各种智能控制方法。此产生了各种智能控制方法。此产生了各种智能控制方法。智智智智能能能能控控控控制制制制的的的的几几几几个个个个重重重重要要要要分分分分支支支支为为为为专专专专家家家家控控控控制制制制、模模模模糊糊糊糊控控控控制制制制、神经网络控制神经网络控制神经网络控制神经网络控制和遗传算法。和遗传算法。和遗传算法。和遗传算法。2/5/20235.5.智能与智能控制的定义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增加成功的概率 ，成功就是达到行为的子目标，以支持，成功就是达到行为的子目标，以支持系统实现最终目标。系统实现最终目标。！？低级智能低级智能：感知环境，作出决策，控制行为2/5/2023高级智能高级智能：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。2/5/2023 按人类的认知的过程定义(A.Meystel)智能是系统的一个特征，当智能是系统的一个特征，当集中注意力集中注意力（Focusing Attention)Focusing Attention)、组合组合搜索搜索(Combinatorial Search)(Combinatorial Search)、归纳归纳 （Generalization)Generalization)过程作用于系统输过程作用于系统输入，并产生系统输出时，就表现为智能入，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FACSG2/5/2023 按机器智能定义(Saridis)机器智能是把信息进行机器智能是把信息进行分析分析、组织、处理组织、处理，并把它转换成知识的过程。，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。该任务的不确定性或盲目性，达到最优或次优的结果。机器智能机器智能2/5/2023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智能系统必是控制系统控制系统必需具有智能控制系统必需具有智能1.按一般行为特征定义按一般行为特征定义 智能控制是有知识的智能控制是有知识的“行为舵手行为舵手”，它把知识和反馈，它把知识和反馈结合起来，形成感知结合起来，形成感知交互式、以目标导向的控制系统。交互式、以目标导向的控制系统。系统可以进行规划、决策，产生有效的系统可以进行规划、决策，产生有效的、有目的的行为，、有目的的行为，在不确定环境中，达到既定的目标。在不确定环境中，达到既定的目标。2/5/20232.按人类的认知的过程定义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智能控制是一种计算上的有效过程,在非完整的指标下，在非完整的指标下，通过最基本的操作，即归纳（通过最基本的操作，即归纳（G）、）、集注（集注（FA）、）、和组合和组合操作（操作（CS），），把不确定的复杂系统引向规定的目标。把不确定的复杂系统引向规定的目标。3.按机器智能定义按机器智能定义 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。2/5/20236.6.智能控制研究的主要内容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控制器的开发和研究。智能计算和软计算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自组织、自学习的结构和方法的研究 基于多代理基于多代理(Multi-agent)智能控制系统智能控制系统 的开发和研究的开发和研究 智能控制系统应用的研究智能控制系统应用的研究2/5/2023 2 2）基于连接的智能控制系统）基于连接的智能控制系统神经元网络控制系统神经元网络控制系统3 3）混合智能控制系统）混合智能控制系统模糊神经网络智能控制系统模糊神经网络智能控制系统4 4）基于行为的智能控制系统）基于行为的智能控制系统由多传感器组成的各种机器人由多传感器组成的各种机器人1 1）基于规则的智能控制系统）基于规则的智能控制系统 模糊控制系统模糊控制系统7.7.智能控制的分类智能控制的分类