1、智能控制初步介绍智能控制初步介绍产生与发展产生与发展智能控制的产生与发展培训课件第1页2主要内容主要内容v智能控制产生和发展智能控制产生和发展v智能控制定义、特点智能控制定义、特点v智能控制主要分支智能控制主要分支v智能控制结构理论体系智能控制结构理论体系智能控制的产生与发展培训课件第2页3智能控制产生和发展智能控制产生和发展瓦特瓦特蒸汽机智能控制的产生与发展培训课件第3页4智能控制产生和发展智能控制产生和发展瓦特离心调速器瓦特离心调速器智能控制的产生与发展培训课件第4页5智能控制产生和发展智能控制产生和发展v在在公公元元17881788年年前前后后，瓦瓦特特采采取取离离心心调调速速器器，改改
2、进进了了蒸蒸气气机机，促促进进了了工工业业大大生生产产进进程程。这这种种采采取取机机械械式式调调整整原原理理实实现现动动力力机机速速度度自自动动控控制是自动化发展中第一个里程碑。制是自动化发展中第一个里程碑。v离离心心调调速速器器开开启启了了近近代代自自动动化化控控制制先先河河，实实现现了了自自动动化化控控制制，标标志志着着近近代代自自动动化化控控制制技技术术诞诞生生，对对工工业业革革命命影影响响巨巨大大而而深深远远。离离心心调调速速器器结结构构简简单单，性性能能可可靠靠，至至今今仍仍在在大大范范围围使用，含有不可或缺作用！使用，含有不可或缺作用！智能控制的产生与发展培训课件第5页6智能控制产
3、生和发展智能控制产生和发展v18681868年年，以以离离心心式式调调速速器器为为背背景景，物物理理学学家家麦麦克克斯斯韦韦尔尔(Maxwell)(Maxwell)研研究究了了反反馈馈系系统统稳稳定定性性问问题题，发发表表了了当当前前公公认认控控制制理理论论最最早早理理论论论论文文-“-“论论调调速速器器(On(On Governors)”Governors)”。v源源自自物物理理学学与与数数学学自自动动控控制制理理论论(在在当当初初称称为为自自动动调调整原理，简称调整原理整原理，简称调整原理)开始逐步形成。开始逐步形成。v18921892年年，俄俄国国李李亚亚普普诺诺夫夫(Lyapunov)
4、(Lyapunov)博博士士论论文文-“-“论论运运 动动 稳稳 定定 性性 普普 通通 问问 题题”，提提 出出 了了 李李 亚亚 普普 诺诺 夫夫(Lyapunov)(Lyapunov)稳定理论。稳定理论。v19221922年年，美美国国N.Minorsky N.Minorsky 研研制制出出用用于于船船舶舶驾驾驶驶伺伺服服结构，提出了结构，提出了PIDPID控制律。控制律。v19421942年年尼尼克克尔尔斯斯 NicholsNichols提提出出了了回回路路整整定定技技术术(PID(PID整整定表和设计用尼可尔斯图定表和设计用尼可尔斯图 )。智能控制的产生与发展培训课件第6页7智能控制
5、产生和发展智能控制产生和发展v长长久久以以来来，自自动动控控制制科科学学已已对对整整个个科科学学技技术术理理论论和和实实践践作作出出了了主主要要贡贡献献，并并为为人人类类社社会会带带来来了了巨巨大大利利益益。然然而而，当当代代科科学学技技术术快快速速发发展展和和重重大大进进步步，对对控控制制和和系系统统科科学学提提出出了了更更新新更更高高要要求求，自自动动控控制制理理论论和和工工程程正正面面临临新新发展机遇和严峻挑战。发展机遇和严峻挑战。v 传传统统控控制制理理论论：经经典典反反馈馈控控制制、当当代代控控制制、大大系系统统理理论论等等，在在应应用用中中碰碰到到不不少少难难题题。多多年年来来，自
6、自动动控控制制一一直直在在寻寻找找新新出出路路。现现在在看看来来，出出路路之之一一就就是是实实现现控控制制系系统统智智能能化化，以以期处理面临难题。期处理面临难题。智能控制的产生与发展培训课件第7页8智能控制产生和发展智能控制产生和发展自动控制发展过程自动控制发展过程控制复杂性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智能控制的产生与发展培训课件第8页9智能控制产生和发展智能控制产生和发展v控制理论发展三个阶段控制理论发展三个阶段第一阶段：经典控制理论（形成于20世纪40到60年代）。第二阶段：当代控制理论（形成于20世纪60到70年代）第三阶段：智能控制
7、理论（20世纪70年代至今）智能控制的产生与发展培训课件第9页10智能控制产生和发展智能控制产生和发展经经典典控控制制理理论论传递函数传递函数波波 特特 图图奈奎斯特图奈奎斯特图根轨迹图根轨迹图v主主要要代代表表人人物物：Bode,Bode,Evans,Evans,NyquistNyquist，RouthRouth，智能控制的产生与发展培训课件第10页11智能控制产生和发展智能控制产生和发展当当代代控控制制理理论论状态空间法状态空间法最优控制最优控制能控性和能观性能控性和能观性卡尔曼滤波卡尔曼滤波v主主要要代代表表人人物物：卡卡尔尔曼曼(Kalman),(Kalman),庞特里亚金(Pontr
8、yagin),Pontryagin),贝贝尔尔曼曼(Bellman),(Bellman),奥斯特隆姆(Astrom)Astrom)，智能控制的产生与发展培训课件第11页12智能控制产生和发展智能控制产生和发展智智能能控控制制理理论论含糊控制含糊控制进化计算进化计算神经网络神经网络v主主 要要 代代 表表 人人 物物：ZadehZadeh，HopfieldHopfield，J.HollandJ.Holland，智能控制的产生与发展培训课件第12页13智能控制产生和发展智能控制产生和发展v传统控制理论面临难题传统控制理论面临难题准确数学模型和复杂性、非线性、时变性、不确定性、不完全性之间矛盾，造成
9、无法取得准确数学模型；苛刻系统假设在应用中往往与实际不相吻合；复杂、不确定性对象,以传统方法无法处理建模问题；为了提升性能,传统控制系统可能变得很复杂,从而增加了设备初投资和维修费用,降低系统可靠性；应用要求进行创新，提出新控制思想，进行新集成开发，处理未知环境中复杂系统控制问题。智能控制的产生与发展培训课件第13页14智能控制产生和发展智能控制产生和发展v智能控制发展智能控制发展v19651965年年,著著名名美美籍籍华华裔裔科科学学家家傅傅京京孙孙(K.S.Fu)(K.S.Fu)教教授授首首先先把把人人工工智智能能启启发发式式推推理理规规则则用用于于学学习习控控制制系系统统；然然后后,他他
10、又又于于19711971年年叙叙述述了了人人工工智智能能与与自自动动控控制制交交接接关关系系。因因为为傅傅先先生生主主要要贡贡献献,他他已已成成为为国国际际公公认认智智能能控控制制先先行行者者和和奠奠基人。基人。v含含糊糊控控制制是是智智能能控控制制又又一一活活跃跃研研究究领领域域。扎扎德德(Zadeh)(Zadeh)于于19651965年年发发表表了了他他著著名名论论文文“含含糊糊集集合合”(fuzzy sets),”(fuzzy sets),开辟了含糊控制新领域。开辟了含糊控制新领域。v19671967年年,利利昂昂兹兹(Leondes)(Leondes)等等人人首首次次正正式式使使用用“
11、智智能能控控制制”一一词词。这这一一术术语语出出现现要要比比“人人工智能工智能”晚晚,比比“机器人机器人”晚晚4747年。年。智能控制的产生与发展培训课件第14页15智能控制产生和发展智能控制产生和发展萨里迪斯(Saridis)对智能控制系统分类作出贡献。他把智能控制发展道路上最远点标识为人工智能。他认为,人工智能能够提供最高层控制结构,进行最高层决议。另 外，奥 斯 特 洛 姆(strm)、迪 席 尔 瓦(de Silva)、周其鉴、蔡自兴、霍门迪梅洛(Homen de Mello)和桑德森(Sanderson)等于80年代分别提出和发展了教授控制、基于知识控制、仿人控制、教授规划和分级规划
12、等。智能控制的产生与发展培训课件第15页16智能控制产生和发展智能控制产生和发展v两次学术会议两次学术会议1985年8月美国纽约，IEEE召开了第一届智能控制学术讨论会，成立IEEE智能控制专业委员会。1987年1月美国费城，第一次智能控制国际会议。标志着智能控制作为一门独立学科，正式在国际上建立。智能控制的产生与发展培训课件第16页17智能控制产生和发展智能控制产生和发展v国内发展情况国内发展情况成立中国人工智能学会智能控制与智能管理专业委员会及智能机器人专业委员会，中国自动化学会智能自动化专业委员会等学术团体。模式识别与人工智能、智能系统学报等学术刊物标志着智能控制作为一门独立新学科在我国
13、已经建立起来了智能控制的产生与发展培训课件第17页18智能控制产生和发展智能控制产生和发展v智能控制作为一门新学科科学意义智能控制作为一门新学科科学意义为处理传统控制无法处理问题找到了一条新路径；促进自动控制向着更高水平发展；激发学术界思想解放，推进科技创新；为实现脑力劳动和体力劳动自动化做出贡献；为各种学派合作树立了典范智能控制的产生与发展培训课件第18页19智能控制定义、特点智能控制定义、特点v智能控制定义智能控制定义智能机器智能机器能够在定形或不定形，熟悉或不熟悉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机器叫做智能机器。自动控制自动控制自动控制是能按要求程序对机器或装置进行自动
14、操作或控制过程。简单地说，不需要人工干预控制就是自动控制。智能控制的产生与发展培训课件第19页20智能控制定义、特点智能控制定义、特点智能控制智能控制智能控制是驱动智能机器自主地实现其目标过程。或者说，智能控制是一类无需人干预就能够独立地驱动智能机器实现其目标自动控制。对自主机器人控制就是一例。智能控制系统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系统叫智能控制系统。这类系统必须含有智能调度和执行等能力。智能控制系统理论基础是人工智能、控制论、运筹学和信息论等学科交叉。智能控制的产生与发展培训课件第20页21智能控制定义、特点智能控制定义、特点v智能控制器普通结构智能控制器
15、普通结构1-智能控制系统；2-多层控制器；3-多传感系统 智能控制的产生与发展培训课件第21页22智能控制定义、特点智能控制定义、特点v智能控制特点智能控制特点同时含有以知识表示非数学广义模型和以数学模型(含计算智能模型与算法)表示混合控制过程。智能控制含有分层信息处理和决议机构，关键在高层控制,即组织级。智能控制是一门边缘交叉学科。智能控制是一个新兴研究领域。不论在理论上或实践上它都还很不成熟、很不完善,需要深入探索与开发。智能控制的产生与发展培训课件第22页23智能控制定义、特点智能控制定义、特点智能控制功效：智能控制功效：v学习功效学习功效一个系统，如能对一个过程或其环境未知特征所固有信
16、息进行学习，并将得到经验用于深入预计、分类、决议或控制，从而使系统性能得到改进。v适应功效适应功效智能行为实质上是一个从输入到输出映射，一个不依赖模型自适应预计，即使系统某一部分出现故障时，系统也能正常工作。智能控制的产生与发展培训课件第23页24智能控制定义、特点智能控制定义、特点v组织功效组织功效对于复杂任务和分散传感信息含有自行组织和协调功效，系统含有对应主动性和灵活性，在任务要求范围内自行决议，主动采取行动，当出现多目标冲突时，各控制器在一定限制条件下自行处理。智能控制的产生与发展培训课件第24页25智能控制定义、特点智能控制定义、特点智能控制研究对象智能控制研究对象v不确定性模型不确
17、定性模型模型不确定性包含两层意思：一是模型未知或知之甚少；二是模型结构和参数可能在很大范围内改变。v高度非线性高度非线性传统控制理论处理非线性方法复杂，有时只能定性分析。如继电器特征、磁滞回环特征、死区、饱和特征等。智能控制的产生与发展培训课件第25页26智能控制定义、特点智能控制定义、特点v复复杂杂任任务务要要求求传统控制，控制任务要求比较单一，如要求输出量恒定或要求输出量跟随期望运动轨迹改变。如在复杂工业过程控制系统中，除了要求对各被控物理量实现定值调整外，还要求实现整个系统自动启停、故障自动诊疗以及紧急情况自动处理等功效，就要用智能控制系统了。能够概括为：智能控制是“三三高高三三性性”产
18、物。即“控制系统高度复杂性、高度不确定性及人们要求越来越高控制性能”智能控制的产生与发展培训课件第26页27智能控制主要分支智能控制主要分支v智能控制几个主要应用研究领域智能控制几个主要应用研究领域智能机器人规划与控制生产过程智能监控智能故障检测与诊疗自动加工系统智能控制飞行器智能控制医疗过程智能控制智能仪器智能控制智能控制的产生与发展培训课件第27页28智能控制主要分支智能控制主要分支v智能控制系统分类智能控制系统分类递阶控制系统教授控制系统含糊控制系统学习控制系统神经控制系统仿生控制系统集成智能控制系统组合智能控制系统智能控制的产生与发展培训课件第28页29智能控制主要分支智能控制主要分支
19、智能控制主要研究内容智能控制主要研究内容v含糊控制含糊控制以含糊集合理论为基础控制方法，模仿人控制经验而不v与常规控制方法相比，含糊控制有以下特点：与常规控制方法相比，含糊控制有以下特点：含糊控制完全是在操作人员控制经验基础上实现对系统控制，无需建立数学模型，是处理不确定性系统一个有效路径。含糊控制含有较强鲁棒性，被控对象参数改变对含糊控制影响不显著，可用于非线性、时变、时滞系统控制。智能控制的产生与发展培训课件第29页30智能控制主要分支智能控制主要分支由离线计算得到控制查询表，提升了控制系统实时性。控制机理符合人们对过程控制作用直观描述和思维逻辑，为智能控制应用打下了基础。是依赖控制对象模
20、型。智能控制的产生与发展培训课件第30页31智能控制主要分支智能控制主要分支含糊控制器普通结构 智能控制的产生与发展培训课件第31页32智能控制主要分支智能控制主要分支v神经网络控制神经网络控制 部分地表现出人脑一些智能特征，人们从结构和信息处理机制模拟角度建立了生物神经网络模型，即人工神经网络。人工神经网络即使反应了人脑功效基本特征，但远不是自然神经网络逼真描写，而只是它某种简化、抽象和模拟。智能控制的产生与发展培训课件第32页33智能控制主要分支智能控制主要分支智能控制的产生与发展培训课件第33页34智能控制主要分支智能控制主要分支v人工神经网络含有几个突出特点：人工神经网络含有几个突出特
21、点：能够充分迫近任意复杂非线性关系；全部定量或定性信息都分布贮存于网络内各神经元连接上，故有很强鲁棒性和容错性；采取并行分布处理方法，使得快速进行大量运算成为可能；可学习和自适应不知道或不确定系统。智能控制的产生与发展培训课件第34页35智能控制主要分支智能控制主要分支v教授控制系统教授控制系统 教授系统是人工智能应用领域最成功分支之一，始于60年代中期。伴随应用不停成功，教授系统技术越来越受人们重视。80年代教授系统概念和方法被引入控制领域，促进了教授控制系统研究和应用，它在控制领域应用已包括到控制系统辅助设计、分析和教授控制等方面。智能控制的产生与发展培训课件第35页36智能控制主要分支智
22、能控制主要分支v教授系统简化结构图教授系统简化结构图知识库推理机教授知识输入或提问答案教授系统简化结构图智能控制的产生与发展培训课件第36页37智能控制主要分支智能控制主要分支v教授控制系统含有以下特点：教授控制系统含有以下特点：一定程度上模拟人思维活动规律，能进行自动推理，善于应付各种改变，含有透明性和灵活性。不停监督生产过程，实现特定性能指标下优化控制，能处理大量低层信息，可进行操作指导。相对传统控制，扩展了许多功效，如复杂系统高质量控制，故障诊疗和容错控制，参数和算法自动修改，不一样算法组合等。深层知识引入，能够填补教授经验不足，能够自然地消除决议冲突。智能控制的产生与发展培训课件第37
23、页38智能控制主要分支智能控制主要分支(a)直接教授控制系统框图(b)间接教授控制系统框图智能控制的产生与发展培训课件第38页39智能控制主要分支智能控制主要分支v分层递阶智能控制分层递阶智能控制 分层递阶智能控制是在研究学习控制系统基础上，从工程控制出发，总结人工智能与自适应控制、自学习控制及自组织控制关系后逐步形成。GNSariidis最早提出了分层递阶智能控制。v分层递阶智能控制含有两个显著特点：分层递阶智能控制含有两个显著特点：对控制来讲，自上而下控制精度愈来愈高；对识别来讲，自下而上信息回馈愈来愈粗略。智能控制的产生与发展培训课件第39页40智能控制主要分支智能控制主要分支该系统由组
24、织级、协调级、执行级组成，按照自上而下准确程度渐增、智能程度渐减标准进行功效分配。在这类多层智能控制系统中，智能主要表达在高层次上，其主要作用是模仿人功效实现规划、决议、学习和任务协调等任务。执行级依然采取现有数学解析控制算法，对数值进行操作和运算。组织级 协调级 执行级 对象 识别用户指令三级递阶控制结构智能控制的产生与发展培训课件第40页41智能控制主要分支智能控制主要分支v学习控制学习控制模拟人类本身各种优良控制调整机制一个尝试，能在运行过程中逐步取得被控过程及环境非预知信息，积累控制经验，并在一定评价标准下进行估值、分类、决议和不停改进系统品质自动控制系统。学习控制系统经过对系统性能评
25、价和优化来调整系统结构和参数，好优化理论和算法是其系统设计关键。遗传算法有潜力。智能控制的产生与发展培训课件第41页42智能控制主要分支智能控制主要分支v在智能控制系统研究与应用中，常将几个惯用类型结合起来，组成各种综合智能控制系统。比如，含含糊糊神神经经网网络络智智能能控控制制系系统统，教教授授含含糊糊智智能能控控制制系系统统，神神经经网网络络教教授授智智能能控控制制系系统统等等。智能控制的产生与发展培训课件第42页43智能控制结构理论体系智能控制结构理论体系智能控制结构理论智能控制结构理论智能控制含有十分显著跨学科(多元)结构特点。在此，我们主要讨论智能控制二元交集结构、三元交集结构和四元
26、交集结构三种思想，它们分别由以下各交集(通集)表示：IC=AIACIC=AICTORIC=AICTITORAI-人工智能(Artificial Intelligence)AC-自动控制(Automatic Control)CT-控制论(Control Theory)OR-运筹学(Operation Research)IT-信息论(Information Theory,Informatics)；IC-智能控制(Intelligent Control)表示交集和连词与符号。智能控制的产生与发展培训课件第43页44智能控制结构理论体系智能控制结构理论体系v二元结构二元结构傅京孙1971年提出把智能控
27、制作为人工智能和自动控制交接领域。他曾对几个与自学习控制（learning control）相关领域进行了研究。为了强调系统问题求解和决议能力，他用“智能控制系统”来包含这些领域。他指出：智能控制系统描述自动控制系统与人工智能交接作用。ICACAI智能控制二元结构智能控制的产生与发展培训课件第44页45智能控制结构理论体系智能控制结构理论体系v三元结构三元结构萨里迪斯（Saridis）于1977年提出三元智能控制结构，把傅京孙智能控制看作为人工智能、自动控制和运筹学交接。ICACAI智能控制三元结构OR智能控制的产生与发展培训课件第45页46智能控制结构理论体系智能控制结构理论体系萨萨里里迪迪
28、斯斯同同时时还还提提出出分分级智能控制系统级智能控制系统第一级：组织级，代表系统主导思想，并由人工智能起控制作用。第二级：协调级，是上下级间接口，由人工智能和运筹学起控制作用。第三级：执行级，是智能控制系统最低层级，要求含有很高精度，由控制理论进行控制。组织级分配器协调器1协调器N硬件控制器1硬件控制器N过程1过程N组织级协调级执行级智能控制的产生与发展培训课件第46页47智能控制结构理论体系智能控制结构理论体系v四元结构四元结构在研究了前述各种智能控制结构理论、知识、信息和智能定义以及各相关学科关系之后。蔡自兴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交集
29、。ICORACAIIT智能控制四元结构智能控制的产生与发展培训课件第47页48智能控制结构理论体系智能控制结构理论体系v为何把信息论作为智能控制结构一个子集？为何把信息论作为智能控制结构一个子集？控制论、系统论和信息论是紧密相互作用；信息论已成为控制智能机器工具；信息熵成为智能控制测度；信息论参加智能控制全过程，并对执行级起到关键作用。智能控制的产生与发展培训课件第48页49近近年年来来，智智能能控控制制在在众众多多新新兴兴学学科科和和新新技技术术有有力力推推进进下下，取取得得了了丰丰硕硕结结果果，能能够够用用右右图图智智能能控控制制结结果树来描述。果树来描述。智能控制的产生与发展培训课件第49页50思索题？思索题？v智智能能控控制制产产生生背背景景、基基本本特特 点和发展过程？点和发展过程？v智能控制基本概念和结构？智能控制基本概念和结构？v智能控制研究主要内容？智能控制研究主要内容？智能控制的产生与发展培训课件第50页Thank You!智能控制的产生与发展培训课件第51页
