第1章-智能控制绪论

智能控制IntelligentControlSchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HPU2什么是自动控制？是能按规定程序对机器或装置进行自动操作或控制的过程。简单地说，不需要人工干预的控制就是自动控制。例如：一个装置能够自动接收检测到的过程物理变量，自动进行计算，然后对过程进行自动调节就是自动控制装置。反馈控制、最优控制、随机控制、自适应控制、学习控制、模糊控制和进化控制等均属自动控制。什么是智能控制？SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HPUData,Information,Knowledge,IntelligenceKnowledgeInformationData房间温度32℃理想温度23℃房间温度高通风量不足温度高原因Intelligence解决温度高的办法增大通风量SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HPUItemDefinitionDataIndividualmeasurementsfromsensorsInformationRelationshipamongthecorrelateddataKnowledgeConnectionamongthestructuredinformationIntelligenceCapabilityofutilizingknowledgeData,Information,Knowledge,IntelligenceSchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HPUDataInformationKnowledgeIntelligenceData,Information,Knowledge,IntelligenceSchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HPU所谓智能控制，即设计一个控制器或系统，使之具有学习、抽象、推理和决策等功能，并能根据环境(包括被控对象或被控过程)信息的变化做出适应性反应，从而实现由人来完成的任务。自动控制理论发展的高级阶段。SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HPU传统控制面临的挑战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，往往无法获得精确的数学模型。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，即无法解决建模问题。针对实际系统往往需要进行一些比较苛刻的线性化假设，而这些假设往往与实际系统不相符。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智能机器人控制、CIMS、社会经济管理系统等无能为力。传统控制往往不能满足某些系统的性能要求。SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HPU智能控制的二元论1971年，傅京逊教授首先提出智能控制(IC)是人工智能(AI)和自动控制(AC)交互作用的结果,即二元论，IC=AC∩AI，其结果图示如下：ICAIACSchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HPU智能控制的三元论1977年，美国学者G.N.Saridis在二元论的基础上引入运筹学(OR)，提出了三元论的智能控制概念，即IC=AC∩AI∩OR，图示如下：AIACORICSchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HPU人工智能(AI)：是一个用来模拟人思维的知识处理系统，具有记忆、学习、信息处理、形式语言、启发推理等功能。自动控制(AC)：描述系统的动力学特性，是一种动态反馈。运筹学(OR)：是一种定量优化方法，如线性规划、网络规划、调度、管理、优化决策和多目标优化方法等。SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HPU智能控制的四元论ZadehL.A.提出的模糊集合与HopfieldJ.J.对神经网络所作出的巨大贡献给智能控制注入了新的内容。1994年清华大学袁增任教授提出智能控制应该在三元论的基础上增加人工智能中的连接主义和模糊集合。ACORFUZZYAI符号主义连接主义ICFCNCSchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HPU智能控制的多元论随着研究对象规模的进一步扩大，大系统智能控制、分级递阶智能控制、分布式问题求解等方法不断产生，而认知心理学、神经网络技术、进化论、遗传算法、混沌论等更是从更高层次上研究智能控制，从而形成了智能控制的多元论。SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HPU控制策略的渗透与融合变结构V自适应APIDISmithS解耦D预测P鲁棒R专家E模糊F神经N遗传G经典控制现代控制智能控制自动控制运筹学信息论计算机生物学人工智能ISDAVRPFENGISDAVRPFENGFI模糊PIDEI专家PIDFEI模糊专家PIDNI神经网络PIDGN遗传算法神经控制GF遗传算法模糊控制FP模糊预测控制•••SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HPU智能控制与传统控制的关系经典控制主要用于分析线性定常SISO,其分析工具是微分方程或传递函数。现代控制还可以分析非线性时变MIMO，其分析工具是状态方程和输出方程。智能控制是模仿人类智能所构成的一类控制策略，它可以处理各种复杂系统，其求解过程主要依靠搜索、自学习、模拟进化。SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HPU智能控制与传统控制的关系RoomDoorSchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HPU智能控制与传统控制的关系RoomDoorSchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HPU智能控制与传统控制的关系RoomDoorSchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HPU控制科学发展过程开环控制对象的复杂性进展方向确定性反馈控制最优控制随机控制自适应控制鲁棒控制自学习控制自组织控制智能控制SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HPU课程目标解答如下问题：1，智能控制的历史、现状和未来？2，智能控制的主要理论分支及其技术？3，智能控制理论及技术的具体实现？4，智能控制理论及技术的应用领域？SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HPU课程目标掌握智能控制的基本概念、基本理论、基本技术。灵活运用各种智能控制算法解决实际问题。模糊控制（重点）神经网络（重点）专家控制SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HPU学习方法理解基本概念、基本技术和基本方法；重点掌握各种智能控制算法的基本思想、设计步骤和程序实现方法；理论学习+算法实现；仿真实现+工程实践。SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HPU教材及参考书参考书：[1]刘金琨，智能控制，电子工业出版社，2009年[2]蔡自兴编著.智能控制原理与应用.清华大学出版社,2007年[3]韦巍,何衍编著.智能控制基础.清华大学出版社,2008年[4]蔡自兴编著.智能控制导论.中国水利水电出版社，2007年[5]王耀南孙炜等编著.智能控制理论及应用，机械工业出版社SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HPU主要内容第1章绪论第2章模糊控制的理论基础第3章模糊控制的设计方法第4章神经网络的理论基础第5章神经网络在控制中的应用第6章模糊神经网络(课外自学)第7章专家控制技术第8章遗传算法(课外自学)第9章智能控制应用实例复习SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HPU24第一章绪论学习智能控制的意义1智能控制的产生和发展2智能控制的定义和特点3智能控制的主要形式4智能控制的现状和发展趋势5SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HPU251.1学习智能控制的意义《智能控制》在自动化课程体系中的位置《智能控制》是一门控制理论课程，研究如何运用人工智能的方法来构造控制系统和设计控制器。与《自动控制原理》和《现代控制原理》一起构成了自动控制课程体系的理论基础。《智能控制》在控制理论中的位置《智能控制》是目前控制理论的最高级形式，代表了控制理论的发展趋势，能有效地处理复杂的控制问题。其相关技术可以推广应用于控制之外的领域：金融、管理、土木、设计等等。SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HPU261.2智能控制的产生和发展产生的背景经典控制理论现代控制理论智能控制理论•对由微分方程和差分方程描述的动力学系统进行控制•研究的是单变量常系数线性系统•只适用于单输入单输出控制系统(SISO)•控制对象由单输入单输出系统转变为多输人多输出系统；•系统信息的获得由借助传感器转变为借助状态模型；•研究方法由积分变换转向矩阵理论、几何方法，由频率方法转向状态空间的研究；•由机理建模向统计建模转变，开始采用参数估计和系统辨识理论•适用大型、复杂、高维、非线性和不确定性严重的对象•不依赖对象模型，适用于未知或不确定性严重的对象•具有人类智能的特征•能够表达定性的知识或具有自学习能力SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HPU271.2智能控制的产生和发展智能控制的两个发展方向模拟人类的专家控制经验来进行控制智能控制模拟人类的学习能力来进行控制SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HPU281.2智能控制的产生和发展智能控制的三个发展阶段现在发展期形成期萌芽期196019701980SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HPU291.2智能控制的产生和发展1）萌芽期（1960－1970）1960年代初，F.W.Smiths首先采用性能模式识别器来学习最优控制方法1965年，加利福尼亚大学的扎德(L.A.Zadeh)教授提出了模糊集合理论1965年，美国的Feigenbaum着手研制世界上第一个专家系统1965年，普渡大学傅京逊教授将人工智能中的直觉推理方法用于学习控制系统。1966年Mendel在空间飞行器学习系统中应用了人工智能技术，并提出了“人工智能控制”的概念。1967年，Leondes等人首先正式使用“智能控制”一词，并把记忆、目标分解等一些简单的人工智能技术用于学习控制系统，提高了系统处理不确定性问题的能力。这标志着智能控制的思想已经萌芽。SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,HPU301.2智能控制的产生和发展2）形成期（1970－1980）1970年代初，傅京孙等人从控制论的角度进一步总结了人工智能技术与自适应、自组织、自学习控制的关系，正式提出智能控制是人工智能技术与控制理论的交叉，并在核反应堆、城市交通的控制中成功地应用了智能控制系统。1970年代中期，智能控制在模糊控制的应用上取得了重要的进展。1974年英国伦敦大学玛丽皇后分校的E.H.Mamdani教授把模糊理论用于控制领域，把扎德教授提出的IF～THEN～型模糊规则用于模糊推理，再把这种推理用于蒸汽机的自动运转中．通过实验取得良好的结果。1977年，萨里迪斯(S