第6章 先进控制技术.ppt

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1、第六章第六章 先进控制技术先进控制技术 6.1 6.1 6.1 6.1 模糊控制技术模糊控制技术 6.2 6.2 6.2 6.2 神经网络控制技术神经网络控制技术 6.3 6.3 6.3 6.3 专家控制技术专家控制技术 6.4 6.4 6.4 6.4 预测控制技术预测控制技术 6.5 6.5 6.5 6.5 其它先进控制技术其它先进控制技术 控制技术中的模糊控制技术、神经网络控制技术、专家控控制技术中的模糊控制技术、神经网络控制技术、专家控制技术和预测控制技术。先进控制技术主要解决传统的、经典制技术和预测控制技术。先进控制技术主要解决传统的、经典的控制技术所难以解决的控制问题，代表着控制技术

2、最新的发的控制技术所难以解决的控制问题，代表着控制技术最新的发展方向，并且与多种智能控制算法是相互交融、相互促进发展展方向，并且与多种智能控制算法是相互交融、相互促进发展的。的。经典控制理论经典控制理论PIDPID控制和直接数宁控制对解决一般控制和线控制和直接数宁控制对解决一般控制和线性定常系统问题十分有效。但是，在许多控制系统中，一些复性定常系统问题十分有效。但是，在许多控制系统中，一些复杂被控对象杂被控对象(或过程或过程)的特性很难用一般的物理或化学规律来描的特性很难用一般的物理或化学规律来描述，也没有适当的测试手段进行测试，并为具建立数学模型。述，也没有适当的测试手段进行测试，并为具建立

3、数学模型。对于这类被控对象对于这类被控对象(或过程或过程)，用传统控制理论或现代控制理论，用传统控制理论或现代控制理论很难取得满意的控制效果。然而，这类被控对象很难取得满意的控制效果。然而，这类被控对象(或过程或过程)在人在人工操作下却往往能正常运行，并达到一定预期的效果。工操作下却往往能正常运行，并达到一定预期的效果。人的手动控制策略是通过操作者的学习、试验及长期经验积人的手动控制策略是通过操作者的学习、试验及长期经验积累而形成的，它通过人的自然语言来叙述，例如，用自定性的、累而形成的，它通过人的自然语言来叙述，例如，用自定性的、不精确的及模糊的条件语句来表达：若炉温偏高，则减少燃料：不精确

4、的及模糊的条件语句来表达：若炉温偏高，则减少燃料：若蓄水塔水位偏低，则加大进水流量；若燃烧废气中含氧量偏若蓄水塔水位偏低，则加大进水流量；若燃烧废气中含氧量偏向，则减小助燃风量等。向，则减小助燃风量等。由于自然语言具有模糊性，所以，这种语言控制也被称为模由于自然语言具有模糊性，所以，这种语言控制也被称为模糊语言控制，简称模糊控制。糊语言控制，简称模糊控制。6.1 6.1 模糊控制技术模糊控制技术6.1.1 6.1.1 模糊控制的数学基础模糊控制的数学基础6.1.2 6.1.2 模糊控制原理模糊控制原理6.1.3 6.1.3 模糊控制器设计模糊控制器设计“较少较少较少较少”、“较多较多较多较多”

5、、“小一些小一些小一些小一些”、“很少很少很少很少”等模糊语言来进行描述和等模糊语言来进行描述和等模糊语言来进行描述和等模糊语言来进行描述和控制问题。控制问题。控制问题。控制问题。“模糊模糊模糊模糊”是人类感知万物、获取知识、思维推理、决策实施的重要特征。是人类感知万物、获取知识、思维推理、决策实施的重要特征。是人类感知万物、获取知识、思维推理、决策实施的重要特征。是人类感知万物、获取知识、思维推理、决策实施的重要特征。“模糊模糊模糊模糊”比比比比“清晰清晰清晰清晰”所拥有的信息容量更大，内涵更丰富，更符合客观世所拥有的信息容量更大，内涵更丰富，更符合客观世所拥有的信息容量更大，内涵更丰富，更

6、符合客观世所拥有的信息容量更大，内涵更丰富，更符合客观世界。界。界。界。模糊控制理论是由美国著名学者加利福尼亚大学教授模糊控制理论是由美国著名学者加利福尼亚大学教授模糊控制理论是由美国著名学者加利福尼亚大学教授模糊控制理论是由美国著名学者加利福尼亚大学教授L.A.ZadehL.A.ZadehL.A.ZadehL.A.Zadeh于于于于1965196519651965年首先提出，它以模糊数学为基础，用语言规则表示方法和先进的计算机年首先提出，它以模糊数学为基础，用语言规则表示方法和先进的计算机年首先提出，它以模糊数学为基础，用语言规则表示方法和先进的计算机年首先提出，它以模糊数学为基础，用语言规

7、则表示方法和先进的计算机技术，由模糊推理进行决策的一种高级控制策略，而且发展至今已成为人技术，由模糊推理进行决策的一种高级控制策略，而且发展至今已成为人技术，由模糊推理进行决策的一种高级控制策略，而且发展至今已成为人技术，由模糊推理进行决策的一种高级控制策略，而且发展至今已成为人工智能领域中的一个重要分支。工智能领域中的一个重要分支。工智能领域中的一个重要分支。工智能领域中的一个重要分支。1974197419741974年，英国伦敦大学教授年，英国伦敦大学教授年，英国伦敦大学教授年，英国伦敦大学教授E.H.MamdaniE.H.MamdaniE.H.MamdaniE.H.Mamdani研制成功

8、第一个模糊控制器，研制成功第一个模糊控制器，研制成功第一个模糊控制器，研制成功第一个模糊控制器，充分展示了模糊控制技术的应用前景。充分展示了模糊控制技术的应用前景。充分展示了模糊控制技术的应用前景。充分展示了模糊控制技术的应用前景。6.1.1 6.1.1 模糊控制的数学基础模糊控制的数学基础1.1.1.1.模糊集合模糊集合模糊集合模糊集合有许多概念，如大、小、冷、热等，都没有明确的内涵和有许多概念，如大、小、冷、热等，都没有明确的内涵和有许多概念，如大、小、冷、热等，都没有明确的内涵和有许多概念，如大、小、冷、热等，都没有明确的内涵和外延，只能用模糊集合来描述；叫做模糊集合。外延，只能用模糊集

9、合来描述；叫做模糊集合。外延，只能用模糊集合来描述；叫做模糊集合。外延，只能用模糊集合来描述；叫做模糊集合。有的概念具有清晰的内涵和外延，叫作普通集合有的概念具有清晰的内涵和外延，叫作普通集合有的概念具有清晰的内涵和外延，叫作普通集合有的概念具有清晰的内涵和外延，叫作普通集合(或经典集或经典集或经典集或经典集合合合合)。如果把模糊集合的特征函数称为隶属函数，记作如果把模糊集合的特征函数称为隶属函数，记作如果把模糊集合的特征函数称为隶属函数，记作如果把模糊集合的特征函数称为隶属函数，记作 ，表，表，表，表示元素属于模糊集合示元素属于模糊集合示元素属于模糊集合示元素属于模糊集合A A A A的程度

10、。的程度。的程度。的程度。由隶属函数来表征，在由隶属函数来表征，在由隶属函数来表征，在由隶属函数来表征，在0 0 0 0，1 1 1 1区间内连续取值。区间内连续取值。区间内连续取值。区间内连续取值。的大小反映了元素的大小反映了元素的大小反映了元素的大小反映了元素x x x x 对于模糊集合对于模糊集合对于模糊集合对于模糊集合A A A A 的隶属程度。的隶属程度。的隶属程度。的隶属程度。2.2.2.2.模糊集合的运算模糊集合的运算模糊集合的运算模糊集合的运算(1)(1)(1)(1)相等：相等：相等：相等：,都有都有都有都有 ，则称，则称，则称，则称A A A A与与与与B B B B 相等，

11、记作相等，记作相等，记作相等，记作 。(2)(2)(2)(2)补集：补集：补集：补集：,都有都有都有都有 ，则称，则称，则称，则称B B B B是是是是A A A A 的补集，记的补集，记的补集，记的补集，记作作作作 。(3)(3)(3)(3)包含：包含：包含：包含：,都有都有都有都有 ，则称，则称，则称，则称A A A A包含包含包含包含B B B B，记作，记作，记作，记作 。(4)(4)(4)(4)并集：并集：并集：并集：,都有都有都有都有 ，则称则称则称则称C C C C是是是是A A A A与与与与B B B B的并集，记作的并集，记作的并集，记作的并集，记作 。(5)(5)(5)(

12、5)交集：交集：交集：交集：,都有都有都有都有 ，则称则称则称则称C C C C是是是是A A A A与与与与B B B B的交集，记作的交集，记作的交集，记作的交集，记作 。3.3.3.3.模糊关系模糊关系模糊关系模糊关系(1)(1)(1)(1)关系：描写事物之间联系的数学模型关系：描写事物之间联系的数学模型关系：描写事物之间联系的数学模型关系：描写事物之间联系的数学模型 R R R R为由集合为由集合为由集合为由集合X X X X到集合到集合到集合到集合Y Y Y Y的普通关系，则对任意都只能有以下两种的普通关系，则对任意都只能有以下两种的普通关系，则对任意都只能有以下两种的普通关系，则对

13、任意都只能有以下两种情况：情况：情况：情况：x x x x与与与与y y y y有某种关系，即有某种关系，即有某种关系，即有某种关系，即 xRyxRyxRyxRy ；x x x x或或或或y y y y与无某种关系，即与无某种关系，即与无某种关系，即与无某种关系，即 xRyxRyxRyxRy ；直积集：在集直积集：在集直积集：在集直积集：在集X X X X与集与集与集与集Y Y Y Y中各取出一元素排成序对，所有这样序对中各取出一元素排成序对，所有这样序对中各取出一元素排成序对，所有这样序对中各取出一元素排成序对，所有这样序对的集合叫做的集合叫做的集合叫做的集合叫做X X X X和和和和Y Y

14、 Y Y的直积集的直积集的直积集的直积集(也称笛卡尔乘积集也称笛卡尔乘积集也称笛卡尔乘积集也称笛卡尔乘积集)，记为，记为，记为，记为 R R R R集是集是集是集是X X X X和和和和Y Y Y Y的直积集的一个子集的直积集的一个子集的直积集的一个子集的直积集的一个子集 几个常见的关系几个常见的关系几个常见的关系几个常见的关系 自返性自返性自返性自返性(同族关系同族关系同族关系同族关系)、对称性、对称性、对称性、对称性(兄弟关系和朋友关系兄弟关系和朋友关系兄弟关系和朋友关系兄弟关系和朋友关系)和传递性和传递性和传递性和传递性(兄兄兄兄弟关系和朋友关系弟关系和朋友关系弟关系和朋友关系弟关系和朋

15、友关系)。父子关系？父子关系？具有自返性和对称性的关系称为相容关系，具有传递性的相容具有自返性和对称性的关系称为相容关系，具有传递性的相容具有自返性和对称性的关系称为相容关系，具有传递性的相容具有自返性和对称性的关系称为相容关系，具有传递性的相容关系称为等价关系。关系称为等价关系。关系称为等价关系。关系称为等价关系。(2)(2)(2)(2)模糊关系模糊关系模糊关系模糊关系 模糊关系也有自返性、对称性、传递性等关系。模糊关系也有自返性、对称性、传递性等关系。模糊关系也有自返性、对称性、传递性等关系。模糊关系也有自返性、对称性、传递性等关系。(3)(3)(3)(3)模糊矩阵模糊矩阵模糊矩阵模糊矩阵

16、模糊矩阵的一般形式为模糊矩阵的一般形式为模糊矩阵的一般形式为模糊矩阵的一般形式为其中其中其中其中 ，矩阵，矩阵，矩阵，矩阵A A A A可记为可记为可记为可记为 。矩阵中的 表示集合X中第i个元素和集合Y中第j个元素隶属于模糊关系的程度，记为对于模糊矩阵，有下面四种预算：对于模糊矩阵，有下面四种预算：并：并：cij=maxaij,bij=aijbij 交：交：cij=minaij,bij=aijbij 补：补：-aij 乘：乘：Cij=maxminaik,bkj=aikbkj 4 4模糊逻辑模糊逻辑 二二值值逻逻辑辑：建建立立在在取取真真“1 1”和和取取假假“0 0”二二值值基基础础上上的的

17、数数理理逻辑，是计算机科学的基础理论。逻辑，是计算机科学的基础理论。模模糊糊逻逻辑辑：模模糊糊逻逻辑辑的的真真值值x x在在区区间间0,10,1中中连连续续取取值值，x x越接近越接近1 1，说明真的程度越大。，说明真的程度越大。模模糊糊逻逻辑辑是是二二值值逻逻辑辑的的直直接接推推广广，因因此此，模模糊糊逻逻辑辑是是无无限限多多值值逻逻辑辑，也也就就是是连连续续值值逻逻辑辑。模模糊糊逻逻辑辑仍仍有有二二值值逻逻辑辑的的逻逻辑辑并并(析取析取)、逻辑交、逻辑交(合取合取)、逻辑补、逻辑补(否定否定)的运算。的运算。5 5模糊推理模糊推理 应用模糊理论，可以对模糊命题进行模糊的演绎推理和归应用模糊

18、理论，可以对模糊命题进行模糊的演绎推理和归纳推理。本节主要讨论假言推理和条件语句。纳推理。本节主要讨论假言推理和条件语句。假言推理假言推理模糊假言推理模糊假言推理模糊条件语句模糊条件语句(1)(1)假言推理假言推理基本规则：如果已知命题基本规则：如果已知命题A A（即可以分辨真假的陈述句）蕴即可以分辨真假的陈述句）蕴涵命题涵命题B B，即，即ABAB（若（若A A则则B B）；）；如今确实如今确实A A，则可以得到结论则可以得到结论为为B B，其逻辑结构为其逻辑结构为 若若A A，则，则B B；如今如今A A；-结论结论B B。举例：如果举例：如果A A看成看成“小王住院小王住院”，B B看成

19、看成“小王生病小王生病”；则若则若“小王住院小王住院”真，真，“小王生病小王生病”也真。也真。（2）模糊假言推理 命题A，B均为精确命题，在模糊情况下，与 均为模糊命题，代表模糊事件，要用模糊假言推理来进行推理。设设X X和和Y Y是两个各自具有基础变量是两个各自具有基础变量x x和和y y的论域，其中的论域，其中模糊集合：模糊集合：的隶属函数分别为的隶属函数分别为从从X到到Y的一个模糊关系的一个模糊关系 ，表示，表示XY论域上，描述模糊论域上，描述模糊条件语句条件语句“若若 则则 ”的模糊关系，其隶属函数为的模糊关系，其隶属函数为模糊条件语句模糊条件语句6.1.2 6.1.2 模糊控制原理模

20、糊控制原理 模糊控制系统通常由模糊控制器、输入输出接模糊控制系统通常由模糊控制器、输入输出接模糊控制系统通常由模糊控制器、输入输出接模糊控制系统通常由模糊控制器、输入输出接口、执行机构、测量装置和被控对象等五个部分组口、执行机构、测量装置和被控对象等五个部分组口、执行机构、测量装置和被控对象等五个部分组口、执行机构、测量装置和被控对象等五个部分组成，如下图所示。成，如下图所示。成，如下图所示。成，如下图所示。模糊控制器主要包括输入量模糊化接口、知识库、推理机、模糊控制器主要包括输入量模糊化接口、知识库、推理机、模糊控制器主要包括输入量模糊化接口、知识库、推理机、模糊控制器主要包括输入量模糊化接

21、口、知识库、推理机、输出清晰化接口四个部分，如下图所示。输出清晰化接口四个部分，如下图所示。输出清晰化接口四个部分，如下图所示。输出清晰化接口四个部分，如下图所示。1.1.1.1.模糊化接口模糊化接口模糊化接口模糊化接口2.2.2.2.知识库知识库知识库知识库3.3.3.3.推理机推理机推理机推理机4.4.4.4.清晰化接口清晰化接口清晰化接口清晰化接口6.1.3 6.1.3 模糊控制器设计模糊控制器设计 设计模糊控制系统的关键是设计模糊控制器。设计模糊控制系统的关键是设计模糊控制器。设计模糊控制系统的关键是设计模糊控制器。设计模糊控制系统的关键是设计模糊控制器。1 1 1 1模糊控制器的结构

22、设计模糊控制器的结构设计模糊控制器的结构设计模糊控制器的结构设计 (1)(1)(1)(1)单输入单输出结构单输入单输出结构单输入单输出结构单输入单输出结构 一维模糊控制器一维模糊控制器一维模糊控制器一维模糊控制器 二维模糊控制器二维模糊控制器二维模糊控制器二维模糊控制器 (2)(2)(2)(2)多输入多输出结构多输入多输出结构多输入多输出结构多输入多输出结构2.2.2.2.模糊规则的选择和模糊推理模糊规则的选择和模糊推理模糊规则的选择和模糊推理模糊规则的选择和模糊推理 (1)(1)(1)(1)模糊规则的选择模糊规则的选择模糊规则的选择模糊规则的选择 模糊语言变量的确定模糊语言变量的确定模糊语言

23、变量的确定模糊语言变量的确定 语言值隶属函数的确定语言值隶属函数的确定语言值隶属函数的确定语言值隶属函数的确定 模糊控制规则的建立模糊控制规则的建立模糊控制规则的建立模糊控制规则的建立 (2)(2)(2)(2)模糊推理模糊推理模糊推理模糊推理 一维形式一维形式一维形式一维形式 二维形式二维形式二维形式二维形式3.3.3.3.清晰化清晰化清晰化清晰化4.4.4.4.模糊控制器论域及比例因子的确定模糊控制器论域及比例因子的确定模糊控制器论域及比例因子的确定模糊控制器论域及比例因子的确定5.5.5.5.编写模糊控制器的算法程序编写模糊控制器的算法程序编写模糊控制器的算法程序编写模糊控制器的算法程序6

24、.6.双输入单输出模糊控制器设计双输入单输出模糊控制器设计 (1)(1)模糊控制器的基本结构模糊控制器的基本结构 (2)(2)模糊化模糊化 (3)(3)模糊控制规则、模糊关系和模糊推理模糊控制规则、模糊关系和模糊推理 (4)(4)清晰化清晰化6.1.4 模糊控制的特点模糊控制的特点模糊控制理论是控制领域中非常有发展前途的一模糊控制理论是控制领域中非常有发展前途的一个分支，这是由于模糊控制具行许多传统控制制无法个分支，这是由于模糊控制具行许多传统控制制无法比拟的优点，主要优点如下：比拟的优点，主要优点如下：n n不需要精确数学模型不需要精确数学模型n n容易学习容易学习n n使用方便使用方便n

25、n适应性强适应性强n n控制程序简短控制程序简短n n速度快速度快n n开发方便开发方便n n可靠性高可靠性高n n性能优良性能优良6.1.5 模糊控制的应用模糊控制的应用近年来，模糊控制得到了广泛的应用。下面简单介绍一些模糊近年来，模糊控制得到了广泛的应用。下面简单介绍一些模糊控制的应用领域：控制的应用领域：1)1)航天航空：模糊控制现在已应用于各种导航系统中。航天航空：模糊控制现在已应用于各种导航系统中。2)2)工业过程控制：工业过程控制的需要是控制性术发展的主要工业过程控制：工业过程控制的需要是控制性术发展的主要动力。动力。3)3)家用电器家用电器:全自动洗衣机、电饭煲、空调等。全自动洗

26、衣机、电饭煲、空调等。4)4)汽车和交通运输：防抱死刹车系统，基于模糊控制的无级变汽车和交通运输：防抱死刹车系统，基于模糊控制的无级变速器，模糊发动机控制和自动驾驶控制系统等。速器，模糊发动机控制和自动驾驶控制系统等。5)5)其控制场合：其控制场合：电梯控制器、工业机器人、核反应控制、医疗仪器等。除控制电梯控制器、工业机器人、核反应控制、医疗仪器等。除控制应用以外，还应用于图像识别、计算机图像处理、金融和其他专应用以外，还应用于图像识别、计算机图像处理、金融和其他专家系统中。家系统中。6.1.6 6.1.6 模糊控制的现状与发展模糊控制的现状与发展 模糊集合的引入将人的判断、思维过程用比较简单

27、的数学模糊集合的引入将人的判断、思维过程用比较简单的数学形式直接表达出来，从而使对复杂系统做出合乎实际的、符合形式直接表达出来，从而使对复杂系统做出合乎实际的、符合人类思维方式的处理成为可能，为最初模糊控制器的形成奠定人类思维方式的处理成为可能，为最初模糊控制器的形成奠定了基础。了基础。1974 1974年，英国的年，英国的MamdamMamdam使用模糊控制语言构成的控制器来使用模糊控制语言构成的控制器来控制锅炉蒸汽机，取得了良好的效果，他的试验和研究标志着控制锅炉蒸汽机，取得了良好的效果，他的试验和研究标志着模糊控制的诞生；模糊控制的诞生；模糊拌制不仅适用于小规模线性单变量系统，而且逐渐向

28、模糊拌制不仅适用于小规模线性单变量系统，而且逐渐向大规模、非线性复杂系统扩展。从现有的控制系统来看，它具大规模、非线性复杂系统扩展。从现有的控制系统来看，它具有易于掌握、输出量连续、可靠性高、能发挥熟练专家操作的有易于掌握、输出量连续、可靠性高、能发挥熟练专家操作的良好控制效果等优点；良好控制效果等优点；近年来，对于经典模糊控制系统稳态性能的改善，模糊集近年来，对于经典模糊控制系统稳态性能的改善，模糊集成控制、模糊自适应控制、专家模糊控制与多变量模糊控制的成控制、模糊自适应控制、专家模糊控制与多变量模糊控制的研究，特别是对复杂系统的自学习与参数研究，特别是对复杂系统的自学习与参数(或规则）自调

29、整模糊或规则）自调整模糊系统方向的研究，受到各国学者的重视。人们将神经网络和模系统方向的研究，受到各国学者的重视。人们将神经网络和模糊控制技术相结合，形成了一种模糊神经网络技术，它可以组糊控制技术相结合，形成了一种模糊神经网络技术，它可以组成一组更接近于人脑的智能信息处理系统，其发展前景十分广成一组更接近于人脑的智能信息处理系统，其发展前景十分广阔。阔。模糊控制的发展模糊控制的发展 模糊控制器采用与人脑思维方法相似的控制原理，因此它模糊控制器采用与人脑思维方法相似的控制原理，因此它具有很人的灸活性，可以目据实际控制对象的不同，修改基本具有很人的灸活性，可以目据实际控制对象的不同，修改基本的模糊

30、控制器，从而实现对不同对象的模糊控制。的模糊控制器，从而实现对不同对象的模糊控制。虽然经典模糊控制理论已在许多工程应用上获得了成功，虽然经典模糊控制理论已在许多工程应用上获得了成功，但目前它仍处于发展过程的初但目前它仍处于发展过程的初级阶段，还存在大量需要解决的问题。目前而临的丰要任务如级阶段，还存在大量需要解决的问题。目前而临的丰要任务如下。下。建立一套系统的模糊控制理论。模糊控制联论研究还期建立一套系统的模糊控制理论。模糊控制联论研究还期待着坚实的、系统的和奠基性的内容，用以解决模糊拧制的机待着坚实的、系统的和奠基性的内容，用以解决模糊拧制的机理、稳定性分析，系统化设计方法，新型自适应模糊

31、控制系统、理、稳定性分析，系统化设计方法，新型自适应模糊控制系统、专家模糊控制系统、神经模糊控制系统和多变量模糊控制系统专家模糊控制系统、神经模糊控制系统和多变量模糊控制系统的分析与设计等一系列问题。的分析与设计等一系列问题。模糊集成控制系统设计方法的研究。随着被控对象的门模糊集成控制系统设计方法的研究。随着被控对象的门益复杂，忙往需要两种或多种控制策略的集成，通过动态控制益复杂，忙往需要两种或多种控制策略的集成，通过动态控制特性亡的互补来获得满意的控制效果。现代控制理论、神经特性亡的互补来获得满意的控制效果。现代控制理论、神经网络理论与模糊控制的相互结合、渗透，可构成所谓的模糊集网络理论与模

32、糊控制的相互结合、渗透，可构成所谓的模糊集成控制系统。为其建方一套完咎的分析与设计力池也是模糊控成控制系统。为其建方一套完咎的分析与设计力池也是模糊控制理论研究的一个重要方向。制理论研究的一个重要方向。模糊控制在非线性复杂系统中的模糊建模，以及模糊规则的建模糊控制在非线性复杂系统中的模糊建模，以及模糊规则的建立和推理算法的深立和推理算法的深A4A4好究。好究。自学习模糊控制策略和智能化系统的实现。自学习模糊控制策略和智能化系统的实现。常规模糊控制系统稳态性能的改善。常规模糊控制系统稳态性能的改善。把已经取得的研究成果应蝴到工程过程中，尽快把其转把已经取得的研究成果应蝴到工程过程中，尽快把其转化

33、为生产力。因此，需加快实施简学实用的模糊集成芯片和模化为生产力。因此，需加快实施简学实用的模糊集成芯片和模糊控制装置，以及通用模糊控制系统的开发与报糊控制装置，以及通用模糊控制系统的开发与报J”J”应用。应用。综上所述，模糊控制在工业中的应用是一个相对迅速发展综上所述，模糊控制在工业中的应用是一个相对迅速发展的领域。随着模糊控制理论的不断发展和应用模糊控制技术的领域。随着模糊控制理论的不断发展和应用模糊控制技术将为工业过程控制开辟新的应用途径，而且前景十分光明。将为工业过程控制开辟新的应用途径，而且前景十分光明。6.2 6.2 神经网络控制技术神经网络控制技术神经网络控制是一种基本上不依赖于精

34、确数学神经网络控制是一种基本上不依赖于精确数学神经网络控制是一种基本上不依赖于精确数学神经网络控制是一种基本上不依赖于精确数学模型的先进控制方法，比较适用于那些具有不确定模型的先进控制方法，比较适用于那些具有不确定模型的先进控制方法，比较适用于那些具有不确定模型的先进控制方法，比较适用于那些具有不确定性或高度非线性的控制对象，并具有较强的适应和性或高度非线性的控制对象，并具有较强的适应和性或高度非线性的控制对象，并具有较强的适应和性或高度非线性的控制对象，并具有较强的适应和学习功能。学习功能。学习功能。学习功能。6.2.1 神经网络基础1.1.1.1.生物神经元模型生物神经元模型生物神经元模型

35、生物神经元模型人脑是由大量的神经细胞组合而成的，它们之间人脑是由大量的神经细胞组合而成的，它们之间人脑是由大量的神经细胞组合而成的，它们之间人脑是由大量的神经细胞组合而成的，它们之间相互连接。每个神经细胞（也称为神经元）结构如相互连接。每个神经细胞（也称为神经元）结构如相互连接。每个神经细胞（也称为神经元）结构如相互连接。每个神经细胞（也称为神经元）结构如下图所示。下图所示。下图所示。下图所示。2.2.人工神经元模型人工神经元模型人工神经网络是利用物理器件或仿真程序来模人工神经网络是利用物理器件或仿真程序来模人工神经网络是利用物理器件或仿真程序来模人工神经网络是利用物理器件或仿真程序来模拟生物

36、神经网络的某些结构和功能。下图是最典型拟生物神经网络的某些结构和功能。下图是最典型拟生物神经网络的某些结构和功能。下图是最典型拟生物神经网络的某些结构和功能。下图是最典型的人工神经元模型。的人工神经元模型。的人工神经元模型。的人工神经元模型。人工神经网络人工神经网络 下图表示了两个典型的神经网络结构，图下图表示了两个典型的神经网络结构，图下图表示了两个典型的神经网络结构，图下图表示了两个典型的神经网络结构，图a)a)a)a)为为为为前馈型网络，图前馈型网络，图前馈型网络，图前馈型网络，图b)b)b)b)为反馈型网络。为反馈型网络。为反馈型网络。为反馈型网络。6.2.2 6.2.2 神经网络控制

37、神经网络控制典型的神经网络控制包括神经网络监督控制典型的神经网络控制包括神经网络监督控制典型的神经网络控制包括神经网络监督控制典型的神经网络控制包括神经网络监督控制（或或或或称神经网络学习控制称神经网络学习控制称神经网络学习控制称神经网络学习控制）、）、）、）、神经网络自适应控制神经网络自适应控制神经网络自适应控制神经网络自适应控制 （自自自自校正、模型参考控制校正、模型参考控制校正、模型参考控制校正、模型参考控制，含直接与间接自适应控制含直接与间接自适应控制含直接与间接自适应控制含直接与间接自适应控制）、）、）、）、神经网络内模控制神经网络内模控制神经网络内模控制神经网络内模控制、神经网络预

38、测控制等。神经网络预测控制等。神经网络预测控制等。神经网络预测控制等。1.1.神经网络监督控制神经网络监督控制例如，例如，例如，例如，我们我们我们我们可以可以可以可以考虑在传统控制器考虑在传统控制器考虑在传统控制器考虑在传统控制器，如如如如PIDPIDPIDPID控制控制控制控制器基础上器基础上器基础上器基础上，再增加一个神经网络控制器再增加一个神经网络控制器再增加一个神经网络控制器再增加一个神经网络控制器,如如如如下下下下图所示图所示图所示图所示，此时神经网络控制器实际是一个前馈控制器此时神经网络控制器实际是一个前馈控制器此时神经网络控制器实际是一个前馈控制器此时神经网络控制器实际是一个前馈

39、控制器，因此因此因此因此它建立的是被控对象的逆模型。它建立的是被控对象的逆模型。它建立的是被控对象的逆模型。它建立的是被控对象的逆模型。2.2.神经网络直接神经网络直接逆控制逆控制 下图下图下图下图给出了两种结构方案。在图给出了两种结构方案。在图给出了两种结构方案。在图给出了两种结构方案。在图a)a)a)a)中中中中,NN1,NN1,NN1,NN1和和和和NN2NN2NN2NN2具具具具有完全相同的网络结构（逆模型）有完全相同的网络结构（逆模型）有完全相同的网络结构（逆模型）有完全相同的网络结构（逆模型），并且采用相同的学并且采用相同的学并且采用相同的学并且采用相同的学习算法，即习算法，即习算

40、法，即习算法，即NN1NN1NN1NN1和和和和NN2NN2NN2NN2的连接权都沿的连接权都沿的连接权都沿的连接权都沿 的负梯的负梯的负梯的负梯度方向进行修正度方向进行修正度方向进行修正度方向进行修正。上述评价函数也可采用其他更一般的上述评价函数也可采用其他更一般的上述评价函数也可采用其他更一般的上述评价函数也可采用其他更一般的加权形式加权形式加权形式加权形式，这时的结构方案如图这时的结构方案如图这时的结构方案如图这时的结构方案如图b)b)b)b)所示。所示。所示。所示。3.3.神经网络自适应控制神经网络自适应控制（1 1 1 1）神经网络自校正控制神经网络自校正控制神经网络自校正控制神经网

41、络自校正控制 1)1)1)1)直接自校正控制直接自校正控制直接自校正控制直接自校正控制 2)2)2)2)间接自校正控制间接自校正控制间接自校正控制间接自校正控制 神经网络间接自校正自适应控制的结构框图如神经网络间接自校正自适应控制的结构框图如神经网络间接自校正自适应控制的结构框图如神经网络间接自校正自适应控制的结构框图如下图所示。下图所示。下图所示。下图所示。（2 2）神经网络模型参考控制神经网络模型参考控制 a)a)直接直接模型参考模型参考控制控制 b)b)间接模型参考控制间接模型参考控制4.4.神经网络内模控制神经网络内模控制 在内模控制中在内模控制中在内模控制中在内模控制中，系统的正向模

42、型与实际系统并系统的正向模型与实际系统并系统的正向模型与实际系统并系统的正向模型与实际系统并联联联联,两者输出之差被用作反馈信号两者输出之差被用作反馈信号两者输出之差被用作反馈信号两者输出之差被用作反馈信号，此反馈信号又此反馈信号又此反馈信号又此反馈信号又由前向通道的滤波器及控制器进行处理。由前向通道的滤波器及控制器进行处理。由前向通道的滤波器及控制器进行处理。由前向通道的滤波器及控制器进行处理。下下下下图给出图给出图给出图给出了内模控制的神经网络实现。其中了内模控制的神经网络实现。其中了内模控制的神经网络实现。其中了内模控制的神经网络实现。其中，被控对象的正被控对象的正被控对象的正被控对象的

43、正向模型及控制器向模型及控制器向模型及控制器向模型及控制器（逆模型逆模型逆模型逆模型）均由神经网络实现均由神经网络实现均由神经网络实现均由神经网络实现，滤滤滤滤波器仍然是常规的线性滤波器波器仍然是常规的线性滤波器波器仍然是常规的线性滤波器波器仍然是常规的线性滤波器。6.3 专家控制技术6.3.1 6.3.1 6.3.1 6.3.1 专家系统专家系统专家系统专家系统 1.1.1.1.专家系统结构专家系统结构专家系统结构专家系统结构 右图为理想专右图为理想专右图为理想专右图为理想专家系统的结构图，家系统的结构图，家系统的结构图，家系统的结构图，主要包括接口、知主要包括接口、知主要包括接口、知主要包

44、括接口、知识库、黑板、解释识库、黑板、解释识库、黑板、解释识库、黑板、解释器、推理机等部分。器、推理机等部分。器、推理机等部分。器、推理机等部分。2.2.建造专家系统的步骤建造专家系统的步骤 建立专家系统的步骤一般如下：建立专家系统的步骤一般如下：1 1）设计初始数据库）设计初始数据库 (1)(1)问题知识化问题知识化 (2)(2)知识概念化知识概念化 (3)(3)概念形式化概念形式化 (4)(4)形式规则化形式规则化 (5)(5)规则合法化规则合法化 2 2）原型机的开发与试验）原型机的开发与试验 3 3）知识库的改进与归纳）知识库的改进与归纳6.3.2 6.3.2 专家控制专家控制介绍介绍

45、 专家控制系统大致可以分为以下几类：专家控制系统大致可以分为以下几类：专家控制系统大致可以分为以下几类：专家控制系统大致可以分为以下几类：1.1.1.1.基于规则的专家自整定控制基于规则的专家自整定控制基于规则的专家自整定控制基于规则的专家自整定控制 基于规则的自整定控制器结构如下图所示。基于规则的自整定控制器结构如下图所示。基于规则的自整定控制器结构如下图所示。基于规则的自整定控制器结构如下图所示。2.2.2.2.专家监督控制专家监督控制专家监督控制专家监督控制 如下图所示为专家监督控制系统结构框图。如下图所示为专家监督控制系统结构框图。如下图所示为专家监督控制系统结构框图。如下图所示为专家

46、监督控制系统结构框图。3.3.3.3.混合型专家控制混合型专家控制混合型专家控制混合型专家控制4.4.4.4.仿人智能控制仿人智能控制仿人智能控制仿人智能控制6.3.3 专家控制基本思想 1.1.1.1.专家控制的知识表示专家控制的知识表示专家控制的知识表示专家控制的知识表示 知识表示方法有以下几种知识表示方法有以下几种知识表示方法有以下几种知识表示方法有以下几种:1 1 1 1）产生式规则表示法：其规则的一般形式为：）产生式规则表示法：其规则的一般形式为：）产生式规则表示法：其规则的一般形式为：）产生式规则表示法：其规则的一般形式为：IF IF IF IF 条件条件条件条件l AND l A

47、ND l AND l AND 条件条件条件条件2 AND 2 AND 2 AND 2 AND 条件条件条件条件N N N N THEN THEN THEN THEN 结论或动作结论或动作结论或动作结论或动作 2 2 2 2）框架表示法）框架表示法）框架表示法）框架表示法 3)3)3)3)状态空间表示法：状态空间可表示为三元组状态空间表示法：状态空间可表示为三元组状态空间表示法：状态空间可表示为三元组状态空间表示法：状态空间可表示为三元组 ,其中其中其中其中 表示初始状态集合，表示初始状态集合，表示初始状态集合，表示初始状态集合，表示操作集合，表示操作集合，表示操作集合，表示操作集合，表示目标状

48、态集合。表示目标状态集合。表示目标状态集合。表示目标状态集合。4 4 4 4）混合表示法：混合表示法包括两种结合）混合表示法：混合表示法包括两种结合）混合表示法：混合表示法包括两种结合）混合表示法：混合表示法包括两种结合:框架与规框架与规框架与规框架与规则相结合；则相结合；则相结合；则相结合；数学模型与基于规则的技术相结合。数学模型与基于规则的技术相结合。数学模型与基于规则的技术相结合。数学模型与基于规则的技术相结合。5 5 5 5）其他知识表达形式：例如语义网络、谓词逻辑等等。）其他知识表达形式：例如语义网络、谓词逻辑等等。）其他知识表达形式：例如语义网络、谓词逻辑等等。）其他知识表达形式：

49、例如语义网络、谓词逻辑等等。2.2.2.2.专家控制的推理与控制策略专家控制的推理与控制策略专家控制的推理与控制策略专家控制的推理与控制策略 专家控制的推理机制可以表示为如下模型：专家控制的推理机制可以表示为如下模型：专家控制的推理机制可以表示为如下模型：专家控制的推理机制可以表示为如下模型：专家控制往往带有模糊性、不确定性和不完全性，因专家控制往往带有模糊性、不确定性和不完全性，因专家控制往往带有模糊性、不确定性和不完全性，因专家控制往往带有模糊性、不确定性和不完全性，因此专家控制的推理计算过程也要具备某种不确定性。通过此专家控制的推理计算过程也要具备某种不确定性。通过此专家控制的推理计算过

50、程也要具备某种不确定性。通过此专家控制的推理计算过程也要具备某种不确定性。通过将知识库中的知识赋予相应的可信度，在推理过程中完成将知识库中的知识赋予相应的可信度，在推理过程中完成将知识库中的知识赋予相应的可信度，在推理过程中完成将知识库中的知识赋予相应的可信度，在推理过程中完成可信度的转移和计算，可以得到带有可信度的推理结果。可信度的转移和计算，可以得到带有可信度的推理结果。可信度的转移和计算，可以得到带有可信度的推理结果。可信度的转移和计算，可以得到带有可信度的推理结果。从这一意义上讲，推理的方式可以分为以下几种从这一意义上讲，推理的方式可以分为以下几种从这一意义上讲，推理的方式可以分为以下