第一章-智能控制概述

2020/12/7IC1智能控制IntelligentControlNENU2课程安排（Problem-BasedLearning，PBL）NEU1.智能控制概述2.模糊控制3.神经网络原理4.高级神经网络与专家控制5.遗传算法6.实例分析与课设答疑7.课程设计汇报考核8.课程设计汇报考核课程考查方式平时成绩（出勤）+课设汇报40%课设论文（打印）60%课设汇报（ConferenceReport）研究背景、研究意义模型、算法实验、数据集、实验结果（图表曲线）、分析结论每位同学都需要汇报（每人4分钟，准备PPT）结合自己的研究兴趣课设论文（标准论文结构）Title：标题Abstract：摘要Introduction：研究背景、研究意义、创新点、段落安排RelatedWorks：该问题的国内外研究现状Model,Algorithm：模型、算法PerformanceEvaluation：实验、参数、数据集、实验结果（图表曲线）、对比实验、分析ConclusionandFutureWork：结论，未来展望References：参考文献课设论文题目（不限于）举例：1.水下机器人航迹智能控制算法研究2.模糊控制（电饭煲、洗衣机、空调等）3.仿人专家控制（温度，流量）4.复杂环境下多机器人系统协同控制算法研究5.遗传算法等优化算法的控制器参数整定鼓励同学们应用智能控制方法解决现实中遇到的多种实际问题。课设论文模板2020/12/7IC8参考教材：1.易继锴候媛彬编,智能控制技术,北京:北京工业大学出版社2.刘金琨编著，智能控制，北京：电子工业出版社，(第四版）3.高隽，人工神经网络原理及仿真实例，机械工业出版社，(神经网络方面）2020/12/7IC9参考教材：4.诸静等著，模糊控制原理与应用，机械工业出版社5.王小平曹立明，遗传算法：理论、应用及软件实现，西安交大出版社2020/12/7IC10智能家电的代表—模糊电饭堡2020/12/7IC11本课程主要内容1。第一章概述（2）2。第四章遗传算法（4）3。第五章神经网络基础（10）4。第六、七章模糊控制（12）5。第九章仿人智能控制（4）2020/12/7IC12智能机器人2020/12/7IC13一个问题(Zadeh)汽车倒车停车场,2部汽车之间的空位。如何倒车入位？Zadeh利用模糊控制解决该问题。2020/12/7IC14智能倒车系统2020/12/7IC15第一章智能控制概述1.1智能控制的基本概念1.1.1什么是智能控制1.1.2智能控制的研究对象1.2智能控制系统的特征和性能1.2.1智能控制系统的一般结构1.2.2智能控制系统的主要功能特性1.3智能控制系统的类型1.4智能控制系统的发展概述1.5小结2020/12/7IC161.1.1什么是智能控制？自动控制（自动化）是一门交叉学科2020/12/7IC17自动控制（自动化）学科控制与决策信息采集与处理系统建模与分析机器人技术计算机控制先进制造技术数学计算机科学信息论运筹学控制论认知心理学神经脑科学生物医学物理管理科学支持基础主要应用领域2020/12/7IC181.1.1什么是智能控制？从信息的角度看，所谓智能，可具体地定义为：能有效地获取、传递、处理、再生和利用信息，从而在任意给定的环境下成功地达到预定目的的能力。控制科学与工程－－检测、双控、系统工程，模式识别，机器人与智能控制密切相关2020/12/7IC19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。合适动作是指增加成功的概率，成功就是达到行为的子目标，以支持系统实现最终目标。！？低级智能：感知环境、作出决策、控制行为2020/12/7IC20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。成功和系统的最终目标是由智能系统的外界确定。2020/12/7IC21◆按人类的认知的过程定义(A.Meystel)智能是系统的一个特征，当集中注意力（FocusingAttention)、组合搜索(CombinatorialSearch)、归纳（Generalization)过程作用于系统输入，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FACSG2020/12/7IC22◆按机器智能定义(Saridis)机器智能是把信息进行分析、组织，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，以消除该任务的不确定性或盲目性，达到最优或次优的结果。信息信息分析组织处理知识信息机器智能2020/12/7IC23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控制系统必须具有智能1.按一般行为特征定义智能控制是有知识的“行为舵手”，它把知识和反馈结合起来，形成感知—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、有目的的行为，在不确定环境中，达到既定的目标。2020/12/7IC242.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,在非完整的指标下，通过最基本的操作，即归纳（G）、集注（FA）、和组合操作（CS），把不确定的复杂系统引向规定的目标。3.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。2020/12/7IC254.三元论定义按照K.S.Fu(傅京孙)和Saridis提出的观点，可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。2020/12/7IC26人工智能AC运筹学OR自动控制AC人工智能(ArtificialIntelligent)是一个知识处理系统，具有记忆、学习、信息处理、形式语言、启发式推理等功能。智能控制IC运筹学(OperationsResearch)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。自动控制(AutomaticControl)描述系统的动力学特性，是一种动态反馈这种三元结构理论表明，智能控制就是应用人工智能的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合，在未知环境下，仿效人的智能，实现对系统的控制。2020/12/7IC27智能控制的定义可以有多种不同的描述，但从工程控制角度看，它的三个基本要素是：智能信息－智能反馈－智能决策。从集合论的观点，可以把智能控制和它的三要素关系表示如下：[智能信息]⋂[智能反馈]⋂[智能决策]⊆智能控制智能控制是以知识为基础的系统，所以知识工程是研究智能控制的重要基础。2020/12/7IC281.1.2智能控制的研究对象智能控制是自动控制的最新发展阶段，主要用来解决那些用传统控制方法难以解决的复杂系统的控制问题.2020/12/7IC29控制理论和应用发展的概况1）20年代经典控制理论：反馈控制，频域法.2）60年代现代控制理论：状态空间方法3）70年代初系统控制理论：复杂系统的控制以上控制理论为传统控制理论。开环控制确定性反馈控制最优控制随机控制自适应控制鲁棒控制智能控制控制科学的发展过程2020/12/7IC31传统控制包括经典反馈控制和现代控制理论控制，它们的主要特征是基于精确的系统数学模型的控制。2020/12/7IC322.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显示它的局限性。什么叫复杂系统？其特征表现为：1.控制对象的复杂性（以飞行控制系统为例）模型的不确定性、（建模不完整）高度非线性、强耦合（飞行环境变化）分布式的传感器和执行机构、（多个测量和执行机构）多时间标度、（快时变）复杂的信息模式、（飞行数据，GPS，惯性导航等..）庞大的数据量和严格的性能指标。(打击精度，定位精度）2020/12/7IC332.环境的复杂性变化的不确定性难以辨识必须与被控对象集合起来作为一个整体来考虑。3.控制任务或目标的复杂性控制目标和任务的多重性时变性任务集合处理的复杂性。2020/12/7IC34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——用微分或差分方程来描述。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（2）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——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。鲁棒控制——在参数或频率响应处于允许集合内，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定性和工作点剧烈的变化。2020/12/7IC35（3）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、阻抗）；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，包括图形、文字、语言、声音等信息。2020/12/7IC36传统控制不足小结主要表现在以下几点：•难以获得精确的数学模型。•苛刻的线性化假设。•有些系统甚至无法建模。•为提高性能，使系统复杂化，成本提高，稳定性降低。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。2020/12/7IC37两种控制方案的比较：控制方案传统的控制方法智能控制控制过程不精确的模型，固定的控制算法仿人智能控制决策控制模型模型框架控制理论的方法和人工智能的灵活框架结合起来控制性能缺乏灵活性和应变能力改变控制策略去适应对象的复杂性和不确定性控制对象线性、时不变，简单系统复杂，包括不确定性的控制过程2020/12/7IC381.2.1智能控制系统的一般结构广义对象：通常意义下的控制对象和所处的环境。感知信息处理：信息的获取、辨识、整理及更新。认知部分：接受、存储信息，做出行动的决策。规划和控制部分：系统核心，进行信息自动搜索、推理决策、动作规划，产生具体的控制作用：常规控制器及执行器，作用于控制对象。2020/12/7IC391.2.2智能控制系统的主要功能特性学习能力改善自我性能的能力。适应性适应受控对象动力学特性变化、环境变化和运行条件变化的能力。容错性系统对于各类故障具有自诊断、屏蔽和自恢复的功能。鲁棒性系统性能应对环境干扰和不确定因素不敏感。组织能力主动性、灵活性实时性系统应具有相当的在线实时响应能力。人－机协作友好的人机界面。2020/12/7IC401.3智能控制系统的类型基于智能理论和技术已有的研究成果，以及当前的智能控制系统的研究现状，可把智能控制系统分为以下几类。1.分级递阶智能控制系统2.专家控制系统3.模糊控制系统4.神经网络控制系统5.基于规则的仿人智能控制6.集成智能控制系统7.组合智能控制系统2020/12/7IC411.分级递阶智能控制系统这种智能控制系统实质上是把传统控制技术和智能控制技术相结合，把辨识和控制方法相结合而构成的一类混合控制技术。是智能控制的最早理论之一。基于“知识/解析混合”多层智能控制理论两种分级递阶控制理论基于“精度递增伴随智能递减”的分级递阶智能控制理论2020/12/7IC42三级分级递阶智能控制系统是由G.N.Saridis于1977年提出的。主导作用，主要应用人工智能连接作用，采用人工智能及OR底层，采用常规自动控制组织级协调级执行级2020/12/7IC432.专家控制系统（ExpertControlSystem，ECS）ECS是一种已广泛应用于故障诊断、各种工业过程控制和工业设计的智能控制系统。专家控制系统，采用黑板等，专家控制系统复杂且造价较高，目前用得较少的主要形式专家式控制器，多采用工业专家控制器，结构简单，应用日益广泛2020/12/7IC443.模糊控制系统模糊逻辑理论在控制领域的应用称为模糊控制（FuzzyControl,FC）。模糊控制的特点是：一.提供了一种实现基于自然语言描述规则的控制规律的新机制；二.提供了一种改进非线性控制器的替代方法。模糊控制单元的基本功能结构图如下所示由规则库、模糊化、模糊