智能控制概述课件.pptx

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1、课程总目标课程总目标学完本课程后，你应具有以下能力：学完本课程后，你应具有以下能力：n掌握智能控制的基本概念；掌握智能控制的基本概念；n了解智能控制的基本理论，掌握智能控了解智能控制的基本理论，掌握智能控制的基本技术；制的基本技术；n学会智能控制算法和系统的设计方法学会智能控制算法和系统的设计方法n模糊控制器模糊控制器n神经网络神经网络n遗传算法遗传算法n自动控制的发展过程 进展方向开环控制确定性反馈控制最优控制随机控制自适应/鲁棒控制自学习控制智能控制控制复杂性理论与实际应用存在很大差距理论与实际应用存在很大差距PIDPID在实际应用中仍占统治地位。在实际应用中仍占统治地位。原因：原因：自动

2、控制学科高度的交叉性、应用的广泛性；自动控制学科高度的交叉性、应用的广泛性；所需数学工具难以被多数技术人员所掌握；所需数学工具难以被多数技术人员所掌握；自动控制需要其它技术支持，如网络、计算机；自动控制需要其它技术支持，如网络、计算机；实际应用情况的复杂性、多变性、不确定性；实际应用情况的复杂性、多变性、不确定性；国内企业存在管理体制问题，技术投入力度不够。国内企业存在管理体制问题，技术投入力度不够。2.传统控制理论的局限性传统控制理论的局限性 随着复杂系统的不断涌现，传统控制理论越来越多地随着复杂系统的不断涌现，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

3、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 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。2.2.环境的复杂性环境的复杂性 变化的不确定性变化的不确定性 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

4、任务集合处理的复杂性。任务集合处理的复杂性。传统控制理论的局限性传统控制理论的局限性（1）传统的控制理论建立在精确的数学模型基础上）传统的控制理论建立在精确的数学模型基础上用微分用微分 或差分方程来描述。或差分方程来描述。不能反映人工智能过程：推理、分析、学习。不能反映人工智能过程：推理、分析、学习。丢失许多有用的信息丢失许多有用的信息（2）不能适应大的系统参数和结构的变化）不能适应大的系统参数和结构的变化 自适应控制和自校正控制自适应控制和自校正控制通过对系统某些重要通过对系统某些重要参数的估计克服小的、变化较慢的参数不确定性和干扰。参数的估计克服小的、变化较慢的参数不确定性和干扰。鲁棒控制

5、鲁棒控制在参数或频率响应处于允许集合内，在参数或频率响应处于允许集合内，保证被控系统的稳定。保证被控系统的稳定。自适应控制鲁棒控制不能克服数学模型严重的不确自适应控制鲁棒控制不能克服数学模型严重的不确定性和工作点剧烈的变化。定性和工作点剧烈的变化。（3）传统的控制系统输入信息模式单一传统的控制系统输入信息模式单一 通常处理较简单的物理量：电量（电压、电流、阻通常处理较简单的物理量：电量（电压、电流、阻抗）；抗）；机械量（位移、速度、加速度）；机械量（位移、速度、加速度）；复杂系统要考虑：视觉、听觉、触觉信号，包括图复杂系统要考虑：视觉、听觉、触觉信号，包括图形、文字、语言、声音等信息。形、文字

6、、语言、声音等信息。为了克服传统控制理论的局限性，产生了为了克服传统控制理论的局限性，产生了模拟人类思维和活动的智能控制。模拟人类思维和活动的智能控制。智能控制概述智能控制概述 智能控制是自动控制发展的一个新阶段，是智能控制是自动控制发展的一个新阶段，是人工智能、控制论、系统论和信息论等多种学科人工智能、控制论、系统论和信息论等多种学科的综合与集成，是当前的一个研究热点。的综合与集成，是当前的一个研究热点。n智能控制的基本概念智能控制的基本概念n智能控制系统的特点智能控制系统的特点n智能控制系统的结构理论智能控制系统的结构理论n智能控制与传统控制的关系智能控制与传统控制的关系n智能控制的研究对

7、象智能控制的研究对象n智能控制的类型智能控制的类型n智能控制的发展概述智能控制的发展概述智能控制的基本概念智能控制的基本概念 智能控制已经出现了相当长的智能控制已经出现了相当长的一段时间，并且已取得了初步的应一段时间，并且已取得了初步的应用成果用成果.但是究竟什么是但是究竟什么是“智能智能”，什么是什么是“智能控制智能控制”等问题，至今等问题，至今仍没有统一的定义。归纳起来，主仍没有统一的定义。归纳起来，主要有如下四种说法：要有如下四种说法：智能控制的基本概念智能控制的基本概念n智能控制的定义一智能控制的定义一:智能控制是由智能控制是由智能机器智能机器自自主地实现其目标的过程。而智能机器则定义

8、为，主地实现其目标的过程。而智能机器则定义为，在结构化或非结构化的、熟悉的或陌生的环境在结构化或非结构化的、熟悉的或陌生的环境中，自主地或与人交互地执行人类规定的任务中，自主地或与人交互地执行人类规定的任务的一种机器。的一种机器。n定义二定义二:K.J.奥斯托罗姆奥斯托罗姆则认为，把人类则认为，把人类具有的具有的直觉推理和试凑法等智能加以形式直觉推理和试凑法等智能加以形式化或机器模拟化或机器模拟，并用于控制系统的分析与，并用于控制系统的分析与设计中，以期在一定程度上实现控制系统设计中，以期在一定程度上实现控制系统的智能化，这就是智能控制。他还认为自的智能化，这就是智能控制。他还认为自调节控制、

9、自适应控制就是智能控制的低调节控制、自适应控制就是智能控制的低级体现。级体现。智能控制的基本概念智能控制的基本概念n定义三定义三:智能智能控制是一类无控制是一类无需人的干预就需人的干预就能够自主地驱能够自主地驱动智能机器实动智能机器实现其目标的自现其目标的自动控制，也是动控制，也是用用计算机模拟计算机模拟人类智能人类智能的一的一个重要领域个重要领域。智能控制的基本概念智能控制的基本概念n定义四定义四:智能控制实际只是研究与模智能控制实际只是研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研制具有递过程的规律，研制具有仿人智能仿人智能的工程的工程控制与信息处理系

10、统控制与信息处理系统的一个的一个新兴分支学科。新兴分支学科。智能控制的基本概念智能控制的基本概念智能控制的特点智能控制的特点n同同时时具具有有以以知知识识表表示示的的非非数数学学广广义义模模型型和和以以数数学学模模型型表表示示的的混混合合过过程程,，也也往往往往是是那那些些含含有有复复杂杂性性、不不完完全全性性、模模糊糊性性或或不不确确定定性性以以及及不不存存在在已已知知算算法法的的非非数数学学过过程程，并并以以知知识进行推理，以启发引导求解过程识进行推理，以启发引导求解过程;n智智能能控控制制的的核核心心在在高高层层控控制制，即即组组织级织级;n智能控制器具有智能控制器具有非线性非线性特性特

11、性;n智能控制具有智能控制具有变结构变结构特点特点;n智能控制器具有智能控制器具有总体自寻优总体自寻优特性特性;n智智能能控控制制系系统统应应能能满满足足多多样样性性目目标标的高性能的高性能要求要求;n智能控制是一门智能控制是一门边缘交叉学科边缘交叉学科;n智能控制是一个智能控制是一个新兴的研究领域新兴的研究领域.智能控制的特点智能控制的特点 智能控制的结构理论智能控制的结构理论 智能控制的理论结构明显地具有多智能控制的理论结构明显地具有多学科交叉的特点，许多研究人员试图建学科交叉的特点，许多研究人员试图建立起智能控制这一新学科，他们提出了立起智能控制这一新学科，他们提出了一些有关智能控制系统

12、结构的思想。按一些有关智能控制系统结构的思想。按照照（傅京孙）和傅京孙）和SaridisSaridis提出的观点，可提出的观点，可以把智能控制看作是人工智能、自动控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。制和运筹学三个主要学科相结合的产物。称之为三元结构。称之为三元结构。智能控制的结构理论IC=AIACOR ACOR nIC 智能控制智能控制(Intelligent Control);nOR运筹学运筹学(Operation Research）nAl人工智能人工智能(Artificial Intelligence);nAC一一 自自 动动 控控 制制(Automat

13、ic Control);n一表示交集一表示交集.智能控制的结构理论n人人工工智智能能（AI）：是是一一个个知知识识处处理理系系统统，具具有有记记忆忆、学学习习、信信息息处处理理、形形式式语语言言、启发式推理等功能。启发式推理等功能。n自自动动控控制制（AC）：描描述述系系统统的的动动力力学学特性，是一种动态反馈。特性，是一种动态反馈。n运运筹筹学学（OR）：是是一一种种定定量量优优化化方方法法，如如线线性性规规划划、网网络络规规划划、调调度度、管管理理、优化决策和多目标优化方法等。优化决策和多目标优化方法等。智能控制的结构理论智能控制的结构理论 智能控制就是应用人工智能的智能控制就是应用人工智

14、能的理论与技术和运筹学的优化方法，理论与技术和运筹学的优化方法，并将其同控制理论方法与技术相结并将其同控制理论方法与技术相结合，在未知环境下，仿效人的智能，合，在未知环境下，仿效人的智能，实现对系统的控制。实现对系统的控制。可见，智能控制代表着自动控可见，智能控制代表着自动控制学科发展的最新进程。制学科发展的最新进程。智能控制的结构理论智能控制的结构理论 智能控制与传统控制的关系传统控制（Conventional control）：经典反馈控制和现代理论控制。它们的主要特征是基于精确的系统数学模型的控制。适于解决线性、时不变等相对简单的控制问题。智能控制（Intelligent control

15、）以上问题用智能的方法同样可以解决。智能控制是对传统控制理论的发展，传统控制是智能控制的一个组成部分，在这个意义下，两者可以统一在智能控制的框架下。智能控制的研究对象智能控制主要应用在以下情况：智能控制主要应用在以下情况：n实际系统由于存在复杂性、非线性、时实际系统由于存在复杂性、非线性、时变性、不确定性和不完全性等，一般无变性、不确定性和不完全性等，一般无法获得精确的数学模型。法获得精确的数学模型。n应用传统控制理论进行控制必须提出并应用传统控制理论进行控制必须提出并遵循一些比较苛刻的线性化假设，而这遵循一些比较苛刻的线性化假设，而这些假设在应用中往往与实际情况不相吻些假设在应用中往往与实际

16、情况不相吻合。合。智能控制的研究对象n对于某些复杂的和饱含不确定性的控制对于某些复杂的和饱含不确定性的控制过程，根本无法用传统数学模型来表示，过程，根本无法用传统数学模型来表示，即无法解决建模问题。即无法解决建模问题。n为了提高控制性能，传统控制系统可能为了提高控制性能，传统控制系统可能变得很复杂，从而增加了设备的投资，变得很复杂，从而增加了设备的投资，减低了系统的可靠性。减低了系统的可靠性。智能控制的类型智能控制的类型智能控制系统一般包括智能控制系统一般包括n分级递阶控制系统分级递阶控制系统n专家控制系统专家控制系统n神经控制系统神经控制系统n模糊控制系统模糊控制系统n学习控制系统学习控制系

17、统n集集成成或或者者（复复合合）混混合合控控制制：几几种种方方法法和和机机制制往往往往结结合合在在一一起起，用用于于一一个个实实际际的的智智能能控控制制系系统统或或装装置置，从从而而建建立立起起混混合合或或集集成成的的智智能能控控制制系统。系统。分级递阶控制系统分级递阶控制系统 分分级级递递阶阶智智能能控控制制是是在在自自适适应应控控制制和和自自组组织织控控制制基基础础上上，由由美美国国普普渡渡大大学学Saridis提提出出的的智智能能控控制制理理论论。分分级级递递阶阶智智 能能 控控 制制(Hierarchical Intelligent Control)主主要要由由三三个个控控制制级级组组

18、成成，按按智智能能控控制制的的高高低低分分为为组组织织级级、协协调调级级、执执行行级级，并并且且这这三三级级遵遵循循“伴伴随随智智能能递递降降精精度度递递增增”原原则则，其其功功能能结结构构如如下下图图所所示。示。分级递阶控制系统分级递阶控制系统分级递阶控制系统分级递阶控制系统n组组织织级级(organization level)：组组织织级级通通过过人人机机接接口口和和用用户户(操操作作员员)进进行行交交互互，执执行行最最高高决决策策的的控控制制功功能能，监监视视并并指指导导协协调调级级和和执执行行级级的的所所有行为，其智能程度最高。有行为，其智能程度最高。n协协调调级级(Coordinat

19、ion level)：协协调调级级可可进进一一步步划划分分为为两两个个分分层层:控控制制管管理理分分层层和和控控制制监监督督分分层。层。n执执行行级级(executive level)：执执行行级级的的控控制制过过程程通常是执行一个确定的动作。通常是执行一个确定的动作。专家控制系统（专家控制系统（Expert System）专专家家指指的的是是那那些些对对解解决决专专门门问问题题非非常常熟熟悉悉的的人人们们，他他们们的的这这种种专专门门技技术术通通常常源源于于丰丰富富的的经经验验，以及他们处理问题的详细专业知识。以及他们处理问题的详细专业知识。专专家家系系统统主主要要指指的的是是一一个个智智能

20、能计计算算机机程程序序系系统统，其其内内部部含含有有大大量量的的某某个个领领域域专专家家水水平平的的知知识识与与经经验验，能能够够利利用用人人类类专专家家的的知知识识和和解解决决问问题题的的经经验验方方法法来来处处理理该该领领域域的的高高水水平平难难题题.它它具具有有启启发发性性、透透明明性性、灵灵活活性性、符符号号操操作作、不不一一确确定定性性推推理理等等特特点点。应应用用专专家家系系统统的的概概念念和和技技术术，模模拟拟人人类类专专家家的的控控制制知知识识与与经经验验而而建建造造的的控控制制系系统统，称为专家控制系统。称为专家控制系统。神经网络是指由大量与生物神经系统的神经细胞相类似的人工

21、神经元互连而组成的网络；或由大量象生物神经元的处理单元并联互连而成。这种神经网络具有某些智能和仿人控制功能。人工神经网络控制系统 学习算法是神经网络的主要特征，也是当前研究的主要课题.学习的概念来自生物模型，它是机体在复杂多变的环境中进行有效的自我调节。神经网络具备类似人类的学习功能。一个神经网络若想改变其输出值，但又不能改变它的转换函数，只能改变其输人，而改变输人的唯一方法只能修改加在输人端的加权系数。人工神经网络控制系统 人工神经网络控制系统人工神经网络控制系统 神经网络的学习过程是修改加权系数神经网络的学习过程是修改加权系数的过程，最终使其输出达到期望值，学的过程，最终使其输出达到期望值

22、，学习结束习结束.模糊控制系统模糊控制系统 所所谓谓模模糊糊控控制制，就就是是在在被被控控制制对对象象的的模模糊糊模模型型的的基基础础上上，运运用用模模糊糊控控制制器器近近似似推推理理手手段段，实实现现系系统统控控制制的的一一种种方方法。法。模模糊糊模模型型是是用用模模糊糊语语言言和和规规则则描描述述的一个系统的动态特性及性能指标。的一个系统的动态特性及性能指标。模糊控制系统模糊控制系统 模模糊糊控控制制的的基基本本思思想想是是用用机机器器去去模模拟拟人人对对系系统统的的控控制制。它它是是受受这这样样事事实实而而启启发发的的：对对于于用用传传统统控控制制理理论论无无法法进进行行分分析析和和控控

23、制制的的复复杂杂的的和和无无法法建建立立数数学学模模型型的的系系统统，有有经经验验的的操操作作者者或或专专家家却却能能取取得得比比较较好好的的控控制制效效果果，这这是是因因为为他他们们拥拥有有日日积积月月累累的的丰丰富富经经验验，因因此此人人们们希希望望把把这这种种经经验验指指导导下下的的行行为为过过程程总总结结成成一一些些规规则则，并并根根据据这这些些规规则则设设计计出出控控制制器器。然然后后运运用用模模糊糊理理论论、模模糊糊语语言言变变量量和和模模糊糊逻逻辑辑推推理理的的知知识识，把把这这些些模模糊糊的的语语言言上上升升为为数数值值运运算算，从从而而能能够够利利用用计计算算机机来来完完成成

24、对对这这些些规规则则的的具具体体实实现现，达达到到以以机机器器代代替替人人对对某某些些对对象象进进行行自自动动控控制制的的目目的。的。学习控制系统学习控制系统 学学习习是是人人类类的的主主要要智智能能之之一一，人人类类的的各各项项活活动动也也需需要要学学习习。在在人人类类的的进进化化过过程程中中，学学习习功功能能起起着着十十分分重重要要的的作作用用。学学习习控控制制正正是是模模拟拟人人类类自自身身各各种种优优良良的的控控制制调调节节机机制制的的一一种种尝尝试试。所所谓谓学学习习是是一一种种过过程程，它它通通过过重重复复输输人人信信号号，并并从从外外部部校校正正该该系系统统，从从而而使使系系统统

25、对对特特定定输输人人具具有有特特定定响响应应。学学习习控控制制系系统统是是一一个个能能在在其其运运行行过过程程中中逐逐步步获获得得受受控控过过程程及及环环境境的的非非预预知知信信息息，积积累累控控制制经经验验，并并在在一一定定的的评评价价标标准准下下进进行行估估值值、分分类类、决决策策和和不不断断改改善善系系统统品品质质的的自自动控制系统。动控制系统。智能控制的发展趋势智能控制的发展趋势n智能控制是自动控制理论发展的必智能控制是自动控制理论发展的必然趋势然趋势 n人工智能为智能控制的产生提高了人工智能为智能控制的产生提高了机遇机遇智能控制的发展概述智能控制的发展概述 自动控制理论是人类在征服自

26、然、改造自然的斗争中形成和发展的。控制理论从形成发展至今，已经经历多年的历程，分为三个阶段。第一阶段是以上世纪40年代兴起的调节原理为标志，称为经典控制理论阶段；第二阶段以60年代兴起的状态空间法为标志，称为现代控制理论阶段；第三阶段则是80年代兴起的智能控制理论阶段。n60年代n60年代初期，自学习和自适应方法被开发出来用于解决控制系统的随机特性问题n60年代中期，自动控制与人工智能开始交接。n70年代n模糊控制是智能控制的又一活跃研究领域n80年代n萨里迪斯教授建立了智能机器理论采用“精度随智能降低而提高”（IPDI）原理和三级递阶结构n奥斯特洛姆、迪席尔瓦、周其鉴、蔡自兴、霍门迪梅洛和桑

27、德森等，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n基于神经元控制的理论和机理已获进一步开发和应用智能控制的发展概述智能控制的发展概述 1985年年8月月，IHE在在美美国国纽纽约约召召开开了了第第一一届届智智能能控控制制学学术术讨讨论论会会，智智能能控控制制原原理理和和智智能能控控制制系系统统的的结结构构这这一一提提法法成成为为这这次次会会议议的的主主要要议议题题。这这次次会会议议决决定定，在在IEEE控控制制系系统统学学会会下下设设立立一一个个IEEE智智能能控控制制专专业业委委员员会会。这这标标志志着着智智能能控控制制这这一一新新兴兴学学科科研研究究领领域域

28、的的正正式式诞诞生生。智智能能控控制制作作为为一一门门独独立立的的学学科科，己己正正式式在在国国际际上上建建立立起起来来。智智能能技技术术在在国国内内也也受受到到广广泛泛重重视视，中中国国自自动动化化学学会会等等于于1993年年8月月在在北北京京召召开开了了第第一一届届全全球球华华人人智智能能控控制制与与智智能能自自动动化化大大会会，1995年年8月月在在天天津津召召开开了了智智能能自自动动化化专专业业委委员员会会成成立立大大会会及及首首届届中中国国智智能能自自动动化化学学术术会会议议，1997年年6月月在在西西安安召召开开了第二届全球华人智能控制与智能自动化大会。了第二届全球华人智能控制与智能自动化大会。智能控制的发展概述智能控制的发展概述 近近年年来来，智智能能控控制制技技术术在在国国内内外外已已有有了了较较大大的的发发展展，己己进进入入工工程程化化、实实用用化化的的阶阶段段。但但作作为为一一门门新新兴兴的的理理论论技技术术，它它还还处处在在一一个个发发展展时时期期。然然而而，随随着着人人工工智智能能技技术术、计计算算机机技技术术的的迅迅速速发发展展，智能控制必将迎来它的发展新时期。智能控制必将迎来它的发展新时期。谢谢谢谢