《智能控制系统简介》PPT课件.ppt

智能控制系统智能控制系统 天津大学电气与自动化工程学院 李长滨 天津大学自动化学院天津大学自动化学院 绪论绪论 控制理论的发展控制理论的发展 1 1 智能控制理论基本概念智能控制理论基本概念 2 2 智能控制理论主要分支智能控制理论主要分支 3 3 课程目标和时间安排课程目标和时间安排 4 4 天津大学自动化学院天津大学自动化学院 1. 1. 控制理论的发展控制理论的发展 vv 1.1 1.1 经典控制理论经典控制理论 20 世纪4050 年代,以伯德和伊文思为代表的学者采用 以传递函数、频率特性、根轨迹为基础的频域分析法对单回 路反馈系统的深入研究。 1779 Laplace 拉普拉斯变换 1868 Maxwell 论文“论调速器” 1892 Lyapunov 李雅普诺夫稳定理论 1922 N. Minorsky PID 控制方法 1927 Black 反馈放大器 天津大学自动化学院天津大学自动化学院 1. 1. 控制理论的发展控制理论的发展 1932 Nyquist基于频域分析的稳定性判定方法 1948年 维纳控制论 1954年 钱学森工程控制论 经典控制理论的一些特点经典控制理论的一些特点 研究对象：由线性定常微分方程所描述的单输入单输出( SISO)系统。 研究手段：传递函数、频率特性、根轨迹。 PID控制在当今世界工业生产中仍牢牢居于主导地位。 天津大学自动化学院天津大学自动化学院 1. 1. 控制理论的发展控制理论的发展 vv 1.2 1.2 现代控制理论现代控制理论 20 世纪60 70年代随着具有强大计算能力的电子计算 机的发展和航天技术要求的不断提高,以最优控制为代表的 现代控制理论登上历史舞台。 n最优控制(Optical Control) ：对于给定性能指标的最优化控制 。 n随机控制( Stochastic Control) ：噪声干扰下的控制问题。 n自适应控制(adaptive Control) ：改变自动控制的参数或结构 以保证控制质量. n鲁棒控制(Robust Control) ： 着眼于对控制系统稳定性要求 的提高。 天津大学自动化学院天津大学自动化学院 1. 1. 控制理论的发展控制理论的发展 n预测控制( Predictive Control) 根据历史信息预测未来输出 ，实现滚动优化。 n内模控制( Internal Control) 逆系统的思想设计控制器。 现代控制理论的一些特点现代控制理论的一些特点 n研究对象：多输入多输出（MIMO）线性系统。 n理论基石：庞特里亚金的极大值原理、贝尔曼的动态规划和 卡尔曼的线性滤波和估计理论。 n系统数学模型：状态空间描述法。 n研究重点：复杂性系统的控制问题。 天津大学自动化学院天津大学自动化学院 1. 1. 控制理论的发展控制理论的发展 vv 1.3 1.3 传统控制理论面临的挑战传统控制理论面临的挑战 n不确定的模型 n高度非线性 n复杂的任务需求 智能控制思想的提出智能控制思想的提出 很多复杂的生产过程和难以实现的控制目标都可以通过 熟练的操作工、技术人员和专家来操作来获得满意控制效果 。如何将这些人的经验知识和控制理论结合起来去解决复杂 系统的控制问题，就是智能控制原理研究的目标所在。 天津大学自动化学院天津大学自动化学院 2. 2.智能控制理论基本概念智能控制理论基本概念 n智能控制：人工智能、控制理论和计算机科学等学科发展 和结合的结果。 n专家系统、模糊控制、神经网络和遗传算法等技术对智能 控制的发展起到了推动作用。 vv 2.1 2.1 智能控制的形成智能控制的形成 n n 人工智能人工智能 利用来模拟和实现人类的智能，进而实现或部利用来模拟和实现人类的智能，进而实现或部 分实现脑力劳动的自动化分实现脑力劳动的自动化 。 n n 人工智能的实现方法人工智能的实现方法 符号主义、连接主义和行为主义 n符号主义 ：机器通过逻辑和数值在内的符号推理，从 外部功能上模拟人的智能。标志：专家系统 天津大学自动化学院天津大学自动化学院 2. 2.智能控制理论基本概念智能控制理论基本概念 专家系统：基于知识的系统。 专家知识按照逻辑和数值关系来表达 If某种动物是哺乳动物Then该动物吃肉 n连接主义：从仿生学的角度建立人脑模型。标志：人 工神经网络。 人工神经网络：通过建立神经元模型与神经元之间 的关系来实现。 天津大学自动化学院天津大学自动化学院 2. 2.智能控制理论基本概念智能控制理论基本概念 n行为主义：认为智能行为是基于“感知行为”的模式 不断进化的过程。 研究重点：人在控制中所表现出来的自学习、自适 应、自寻优和自整定等行为特征。 n人工智能与自动控制的结合，促成了智能控制的形成。 n1965年，傅京逊提出把基于符号操作和逻辑推理的启发式 规则应用于学习控制系统 。 n1967年，Leondes和Mendel第一次使用了智能控制这一名词 。 n1971年，傅京逊确定了智能控制这一名称，提出了智能控 制的二元结构。 天津大学自动化学院天津大学自动化学院 2. 2.智能控制理论基本概念智能控制理论基本概念 n1985年8月，IEEE在美国纽约召开了第一届智能控制学 术讨论会，智能控制原理和智能控制系统的结构这一 提法成为这次会议的主要议题。这次会议决定，在 IEEE控制系统学会下设立一个IEEE智能控制专业委员 会。 vv 2.2 2.2 智能控制的发展智能控制的发展 Saridis提出了分级递阶和智能控制结构，整个结构自上而 下分为组织级、协调级和执行级三个层次。 K. J. Astrom将人工智能中的专家系统技术引入控制系统 。 天津大学自动化学院天津大学自动化学院 2. 2.智能控制理论基本概念智能控制理论基本概念 组织级组织级 感知环境和追求目标等高层决策，可以借 鉴人工智能的方法来研究 协调级协调级 离散事件动态系统，主要运用运筹学的方 法研究 执行级执行级 面向设备参数的基础自动化级，用常规控 制理论的方法设计 对象对象 天津大学自动化学院天津大学自动化学院 2. 2.智能控制理论基本概念智能控制理论基本概念 1965年扎德（L.A.Zadeh）提出了模糊集合的概念，产生 了模糊识别、模糊控制等一系列前沿学科。1974年 Mamdani成功地研制出第一台模糊控制器，从此模糊理论 从一种思维方式变成了控制理论中的一种具体应用。 1943年，心理学家W.S.Mcculloch和数理逻辑学家W.Pitts 提出了MP模型，此后，人工神经网络研究经历了兴起 、高潮与萧条、高潮及稳步发展的远为曲折的道路。 J. H. Holland 给出了遗传算法的基本定理及数学证明。目 前已在函数优化、图像识别等许多领域得到有效的应用。 天津大学自动化学院天津大学自动化学院 2. 2.智能控制理论基本概念智能控制理论基本概念 vv 2.3 2.3 智能控制的定义智能控制的定义 智能控制的定义一：智能控制是由智能机器自主地实现其 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中，自主地或与人交互地执行人 类规定的任务的一种机器。 天津大学自动化学院天津大学自动化学院 2. 2.智能控制理论基本概念智能控制理论基本概念 vv 2.3 2.3 智能控制的定义智能控制的定义 智能控制的定义二：把人类具 有的直觉推理和试凑法等智能 加以形式化或机器模拟，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 统的智能化，这就是智能控制 。 智能控制的定义三：智能控制 是一类无需人的干预就能够自 主地驱动智能机器实现其目标 的自动控制，也是用计算机模 拟人类智能的一个重要领域。 天津大学自动化学院天津大学自动化学院 2. 2.智能控制理论基本概念智能控制理论基本概念 vv 2.4 2.4 智能控制系统的功能特征智能控制系统的功能特征 学习能力：根据环境信息改善自身性能的能力 适应性：适应对象、环境和运行环境变化的能力 容错性：对故障具有自诊断、屏蔽和自恢复的能力 鲁棒性：对干扰不敏感 组织功能：对复杂任务和分散信息有自组织和自协调能力 实时性：良好的实时响应能力 人机协作：友好的人机交互能力 天津大学自动化学院天津大学自动化学院 2. 2.智能控制理论基本概念智能控制理论基本概念 vv 2.5 2.5 智能控制的结构理论智能控制的结构理论 三元结构理论 IC 智能控制( Intelligent Control); OR运筹学 (Operation Research） AI人工智能 (Artificial Intelligence); AC自 动控制(Automatic Control); 一表示交 集. 天津大学自动化学院天津大学自动化学院 2. 2.智能控制理论基本概念智能控制理论基本概念 人工智能（AI）：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。 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。 天津大学自动化学院天津大学自动化学院 3. 3.智能控制理论的主要分支智能控制理论的主要分支 智能控制系统一般包括分专家控制系统、人工神经网络 控制系统、模糊控制系统、学习控制系统等分支。 vv 3.1 3.1 专家控制系统专家控制系统 n专家系统是早期人工智能的一个重要分支，采用人工智能 中的知识表示和知识推理技术来模拟由领域专家才能解决 的复杂问题。 专家系统=知识库+推理机 专家级知识 、专家思维 、专家级水平 应用专家系统的概念和技术，模拟人类专家的控制知识与 经验而建造的控制系统，称为专家控制系统。专家控制广 泛应用于故障诊断和各种工业过程控制等方面。 天津大学自动化学院天津大学自动化学院 3. 3.智能控制理论的主要分支智能控制理论的主要分支 vv 3.2 3.2 人工神经网络控制系统人工神经网络控制系统 n人工神经网络是指由大量与生物神经系统的神经细胞相类 似的人工神经元互连而组成的网络。 n特点：非线性映射能力，并行计算能力、自学习能力以及 强鲁棒性 天津大学自动化学院天津大学自动化学院 3. 3.智能控制理论的主要分支智能控制理论的主要分支 vv 3.2 3.2 人工神经网络控制系统人工神经网络控制系统 n人工神经网络（ANN）是指由大量与生物神经系统的神 经细胞相类似的人工神经元互连而组成的网络。 n1943年, W.McCulloch和W.Pitts在提出了MP模型。 n1958年，F.Rosenblatt等研制出了感知机(Perceptron）。 n1982年，J.J.Hopfield提出Hopfield模型。 n1986年，PDP团队提出BP算法。 n1987年首届国际ANN大会在圣地亚哥召开，国际ANN 联合会成立。 天津大学自动化学院天津大学自动化学院 3. 3.智能控制理论的主要分支智能控制理论的主要分支 vv 3.2 3.2 人工神经网络控制系统人工神经网络控制系统 n基于人工神经网络的控制，建成神经网络控制或神经控制 。 n在神经网络控制系统中，神经网络在控制系统中所起的作 用大致分为四类： 在基于模型的各种控制结构中充当对象的模型； 充当控制器； 在控制系统中起优化计算的作用； 与其他智能控制结合，为其提供非参数化对象模型和 推理模型等。 天津大学自动化学院天津大学自动化学院 3. 3.智能控制理论的主要分支智能控制理论的主要分支 vv 3.2 3.2 人工神经网络控制系统人工神经网络控制系统 n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。 n神经网络的学习过程是修改加权系数的过程。常用的学习 算法有 nHebb学习算法 nBP学习算法 nHopfield反馈神经网络学习算法 天津大学自动化学院天津大学自动化学院 3. 3.智能控制理论的主要分支智能控制理论的主要分支 vv 3.3 3.3 模糊控制系统模糊控制系统 n模糊控制的基本思想是用机器去模拟人对系统的控制。 n模糊控制利用模糊集合理论，把人的控制策略的自然语言 转化为计算机能够接受的算法语言所描述的控制算法。 IF 控制状态A THEN 控制输出B 若水位偏低，则开大阀门，否则关小阀门 n模糊控制有三个基本组成部分 模糊化：将系统信息模糊化； 模糊推理：经过模糊规则推理得到模糊控制量 精确化：将模糊控制量转换为精确量最终输出控制值 。 天津大学自动化学院天津大学自动化学院 3. 3.智能控制理论的主要分支智能控制理论的主要分支 vv 3.3 3.3 模糊控制系统模糊控制系统 模 糊 化 模糊 推理 清 晰 化 规则库 输入 输出 天津大学自动化学院天津大学自动化学院 3. 3.智能控制理论的主要分支智能控制理论的主要分支 vv 3.3 3.3 模糊控制系统模糊控制系统 一个实例：洗衣机的模糊控制 天津大学自动化学院天津大学自动化学院 3. 3.智能控制理论的主要分支智能控制理论的主要分支 vv 3.3 3.3 模糊控制系统模糊控制系统 模糊理论已经广泛应用到各类家用电器产品上。 天津大学自动化学院天津大学自动化学院 3. 3.智能控制理论的主要分支智能控制理论的主要分支 vv 3.4 3.4 学习控制系统学习控制系统 学习控制系统是一个能在其运行过程中逐步获得被控制过 程及环境的费预知性息，积累控制经验，并在一定的评判 标准下进行估值、分类、决策和不断改善系统品质的自动 控制系统。 根据系统工作对象的不同可分为两大类：