环境工程仿真模拟智能控制教学课件PPT.ppt

1 环境工程仿真与控制 第五章智能控制 2 第五章智能控制 人工智能模拟人类的智能行为 如判断 推理 证明 识别 感知 理解 通信 设计 思考 规划 学习和问题求解等 3 智能控制神经网络模糊逻辑专家系统 第五章智能控制 1965年 著名美籍华裔科学家 模式识别领域的知名学者 美国普渡大学教授傅京孙把人工智能的启发式推理规则用于学习控制系统 1971年 他发表论文阐述了人工智能和自动控制的交接关系 他是国际公认的智能控制的奠基人 4 5 1神经网络 神经网络 神经网络 与 人工神经网络 开始于mcculloch pitts 1943 的先驱工作 第五章智能控制 5 5 1神经网络 mcculloch pitts神经元 第五章智能控制 6 5 1神经网络 网络的构建y f x 第五章智能控制 7 5 1神经网络 网络的拓扑结构前向型反馈型 第五章智能控制 8 5 1神经网络 激活函数阶跃函数线性函数sigmoid函数 第五章智能控制 9 5 1神经网络 关联权值的确定权值wi和 确定的方法 学习 训练 有指导 导师 的学习无指导 导师 的学习 第五章智能控制 10 5 1神经网络 网络的工作过程先学习 再工作 第五章智能控制 11 5 1神经网络 多层前向网络 第五章智能控制 12 5 1神经网络 多层前向网络的学习方法 反向传播学习算法 bp back propagationnetwork 目的 确定权值方法 反向推导 第五章智能控制 13 5 1神经网络 反向传播学习算法 bp 第五章智能控制 14 5 1神经网络 反向传播学习算法 bp 用网络的输出与实际输出之间的误差来修改其权值 使两者尽可能接近 即 使网络输出层的误差平方和达到最小 第五章智能控制 15 5 1神经网络 bp网络的设计 1 网络的层数增加层数可以更进一步地降低误差 提高精度 但同时也使网络复杂化 从而增加了网络权值的训练时间 第五章智能控制 16 5 1神经网络 bp网络的设计 2 隐含层的神经元数 3 初始权值的选取 第五章智能控制 17 5 1神经网络 bp网络的设计 4 学习速率太大导致系统的不稳定 太小导致较长的训练时间 可选取0 01 0 8之间 5 期望误差的选取 第五章智能控制 18 5 1神经网络 活性污泥过程神经网络建模 qin qout qw 曝气池 二沉池 o2 进水 出水 废弃污泥 回流污泥 ss inxs insnh insno insnd inxnd in sssnhsnosnd 3xbh3xba3xs3xp3xnd 第五章智能控制 19 5 1神经网络 活性污泥过程神经网络建模 第五章智能控制 20 5 1神经网络 活性污泥过程神经网络建模 1 样本的获取由iawprc模型产生 2 数据预处理归一化 第五章智能控制 21 5 1神经网络 活性污泥过程神经网络建模 3 建立网络结构5 6 3前向网络 4 确定初始权值随机 第五章智能控制 22 5 1神经网络 活性污泥过程神经网络建模 5 训练神经网络权值 trainbpx 6 模型检验 第五章智能控制 23 5 1神经网络 活性污泥过程神经网络建模 第五章智能控制 24 5 1神经网络 神经网络直接逆控制 第五章智能控制 25 5 1神经网络 神经网络自适应控制 参考模型 被控对象 神经网络 yr ym u y 第五章智能控制 26 5 1神经网络 神经网络内模控制 神经网络控制器 对象 神经网络模型 yr u y 第五章智能控制 27 5 2模糊控制 模糊集合的概念为了解决真实世界中普遍存在的模糊现象而发展的一门学问 用数学模型来描述语意式的模糊信息 第五章智能控制 28 5 2模糊控制 模糊集合的概念如 热 高 年轻 好 等 第五章智能控制 29 5 2模糊控制 模糊集合的表示 20岁左右 模糊集可表示为 0 8 18 0 9 19 1 20 0 9 21 0 8 220 6 17 0 7 18 0 8 19 1 20 0 9 21 0 7 22 0 6 23 隶属度 0 1 集合元素 第五章智能控制 第五章智能控制 30 5 2模糊控制 隶属度函数 隶属度函数 论域 31 5 2模糊控制 模糊集合的运算在同一论域的2个模糊集a b之间的运算 是求一新的模糊集c 其中各元素对c的隶属度可通过相应元素分别对a b隶属度作相应运算而得 第五章智能控制 32 5 2模糊控制 模糊集合的运算 并 二者取大 a b并集 0 7 a 0 3 b 0 4 a 0 6 b 0 7 a 0 6 b 第五章智能控制 33 5 2模糊控制 模糊集合的运算 并 第五章智能控制 34 5 2模糊控制 模糊集合的运算 交 0 7 a 0 3 b 0 4 a 0 6 b 0 4 a 0 3 b 二者取小 a b交集 第五章智能控制 35 第五章智能控制 5 2模糊控制 模糊集合的运算 交 36 第五章智能控制 5 2模糊控制 模糊集合的运算 补 0 6 a 0 7 b 0 4 a 0 3 b a的补集 37 第五章智能控制 5 2模糊控制 模糊集合的运算 补 38 第五章智能控制 5 2模糊控制 模糊集合的运算 直积 不同论域上的模糊集a b的 直积 a b 为定义在 x y 上的模糊集r 其中各元素对r的隶属度可通过相应元素分别对a b隶属度 两者取小 而得 39 第五章智能控制 5 2模糊控制 模糊集合的运算 直积 a 0 2 x1 0 4 x2 0 6 x3 b 0 2 y1 0 3 y2 0 5 y3 0 8 y4 40 第五章智能控制 5 2模糊控制 模糊控制器的设计 41 第五章智能控制 5 2模糊控制 污泥脱水模糊控制设计 污泥含水量 压虑机虑带速度 42 第五章智能控制 5 2模糊控制 污泥脱水模糊控制设计 ei 6 6 eci 2 2 正大 pl 6附近 2附近正中 pm 4附近 1 2附近正小 ps 2附近 0 6附近 0 p0 0附近 0附近 0 n0 0附近 0附近负小 ns 2附近 0 6附近负中 nm 4附近 1 2附近负大 nl 6附近 2附近 43 第五章智能控制 5 2模糊控制 污泥脱水模糊控制设计ei模糊化 隶属度 xi 6 5 4 3 2 1 0 0 1 2 3 4 5 6aipl00000000000 10 40 81 0pm0000000000 20 71 00 70 2ps00000000 30 81 00 50 100p000000001 00 60 10000n000000 10 61 00000000ns000 10 51 00 80 30000000nm0 20 71 00 70 2000000000nl1 00 80 40 10000000000 44 第五章智能控制 5 2模糊控制 污泥脱水模糊控制设计eci模糊化 隶属度 yi 6 5 4 3 2 10 1 2 3 4 5 6bipl0000000000 10 40 81 0pm000000000 20 71 00 70 2ps00000000 91 00 70 2000000000 51 00 500000ns000 20 71 00 90000000nm0 20 71 00 70 200000000nl1 00 80 40 1000000000 45 第五章智能控制 5 2模糊控制 污泥脱水模糊控制设计ui模糊化 隶属度 ui 6 5 4 3 2 10 1 2 3 4 5 6cipl0000000000 10 40 81 0pm000000000 20 71 00 70 2ps00000000 41 00 80 40 100000000 51 00 500000ns00 10 40 81 00 40000000nm0 20 71 00 70 200000000nl1 00 80 40 1000000000 46 第五章智能控制 5 2模糊控制 污泥脱水模糊控制设计模糊规则 r1 如果ei为pl且eci为pl 则u为nlr2 如果ei为ps且eci为pl 则u为nm rn 如果ei为nl且eci为nl 则u为pl 18条 47 第五章智能控制 5 2模糊控制 污泥脱水模糊控制设计模糊推理 48 第五章智能控制 5 2模糊控制 污泥脱水模糊控制设计模糊推理 49 第五章智能控制 5 2模糊控制 污泥脱水模糊控制设计去模糊化 精确控制量 例 50 第五章智能控制 5 2模糊控制 污泥脱水模糊控制设计模糊控制表 51 第五章智能控制 5 3专家控制系统 专家系统概述专家系统是一类包含知识和推理的智能计算机程序 其内部包含某领域专家水平的知识和经验 具有解决专门问题的能力 52 第五章智能控制 5 3专家控制系统 专家系统概述stanford大学 血液感染病诊断专家系统mycin 标志着专家系统从理论走向应用 语音识别专家系统hearsay的出现 标志着专家系统从理论走向成熟 53 第五章智能控制 5 3专家控制系统 专家系统概述可实现的功能 解释 预测 设计 规划 监视 修理 指导和控制等 广泛应用领域 医疗诊断 语音识别 图像处理 金融决策 地质勘探 石油化工 教学 军事 计算机设计等 54 第五章智能控制 5 3专家控制系统 专家系统构成 55 第五章智能控制 5 3专家控制系统 专家系统构成知识库 用于存取和管理所获取的专家知识和经验 供推理机利用 具有知识存贮 检索 编辑 增删 修改和扩充等功能 规则 事实 概念 常识等 56 第五章智能控制 5 3专家控制系统 专家系统构成数据库 用来存放系统推理过程中用到的控制信息 中间假设和中间结果 推理机 利用知识库中的知识进行推理 并得到结论 57 第五章智能控制 5 3专家控制系统 专家系统构成解释器 用于作为专家系统与用户之间的 人 机 接口 其功能是向用户解释系统的行为 包括 咨询理解 结论解释 58 第五章智能控制 5 3专家控制系统 专家系统构成知识获取器 是专家系统与专家的 界面 采用 专题面谈 口语记录分析 以及 知识获取辅助工具 等来辅助专家整理知识或辅助扩充和修改知识库 59 第五章智能控制 5 3专家控制系统 专家控制系统构成瑞典学者k j astrom于1983年首先把人工智能中的专家系统引入智能控制领域 于1986年提出 专家控制 的概念 60 第五章智能控制 5 3专家控制系统 专家控制系统构成定义 将专家系统的理论和技术同控制理论 方法与技术相结合 在未知环境下 仿效专家的经验 实现对系统的控制 在线 实时 可靠性 抗干扰性 61 第五章智能控制 5 3专家控制系统 专家控制系统功能能够满足任意动态过程的控制需要 尤其适用于带有时变 非线性和强干扰的控制 控制过程可以利用对象的先验知识 通过修改 增加控制规则 可不断积累知识 改进控制性能 62 第五章智能控制 5 3专家控制系统 专家控制系统功能可以定性地描述控制系统的性能 如超调小 偏差增大等 对控制性能可进行解释 可通过对控制闭环中的单元进行故障检测来获取经验规则 63 第五章智能控制 5 3专家控制系统 专家控制系统功能目前应用广泛的主要有三种类型的专家控制系统 实时专家控制系统 控制系统辅助设计专家系统 实时故障诊断与控制专家系统 64 第五章智能控制 5 3专家控制系统 专家控制系统分类直接型专家控制器 65 第五章智能控制 5 3专家控制系统 专家控制系统分类间接型专家控制器 66 第五章智能控制 5 3专家控制系统 专家pid控制典型二阶系统阶跃响应曲线 67 第五章智能控制 5 3专家控制系统 专家pid控制 1 当时 说明误差绝对值很大 无论误差变化趋势如何 都应让控制输出按定值输出 以达到迅速调整误差 使误差绝对值以最大速度减小 同时避免超调 68 第五章智能控制 5 3专家控制系统 专家pid控制 2 当或时 说明误差在朝误差绝对值增大方向变化 或误差为某一常数 未发生变化 69 第五章智能控制 5 3专家控制系统 专家pid控制 2 当或时 a 如果 说明误差较大 应施加较强的控制作用 迅速减小误差绝对值 70 第五章智能控制 5 3专家控制系统 专家pid控制 2 当或时 b 如果 说明误差绝对值本身并不大 可施加一般的控制作用 扭转误差的变化趋势 71 第五章智能控制 5 3专家控制系统 专家pid