智能控制理论与方法绪论

1、智能控制理论与方法智能控制理论与方法刘成林23第一章第一章 绪论绪论智能控制概述智能控制概述l控制科学的历史回顾l传统控制的局限性智能控制产生背景l智能控制的基本概念l智能控制与传统控制的差别和联系l智能控制的定义l智能控制的主要研究内容l本课程的主要内容41.1 控制科学的历史回顾控制科学的历史回顾5系统与控制纵横系统与控制纵横中国自动化学会控制理论专业委员会中国自动化学会控制理论专业委员会http:/ 控制科学的历史回顾控制科学的历史回顾l1788年，James Watt将反馈控制思想应用到蒸汽机。James Watt (1736-1819)7传统控制传统控制l1868年，Maxwell完

2、成飞球调节系统的稳定性分析；l1892年，Lyapunov发表论运动稳定性的一般问题，但二战后才得到关注；lRouth和Hurwitz（1875,1895）通过判断系统的特征根是否在左半平面判定系统是否稳定；l从20世纪20年代开始，以反馈控制理论为代表，形成了自动控制理论（经典控制理论），著名的控制学者有：Black、Nyquist、Bode等；8传统控制传统控制l随着航空航天事业的发展，50、60年代形成以多变量控制为特征的现代控制理论，主要代表有：Kalman 的滤波器、Pontryagin的极大值原理、Bellman的动态规划、和Lyapunov的稳定性理论；l70年代初，以分解和协调

3、为基础，形成了大系统控制理论，用于复杂系统的控制，重要理论有：递阶控制理论、分散控制理论、排队论等。主要用于资源管理、交通控制、环境保护等。9传统控制传统控制l经典控制 以以SISO线性定常系统为研究对象。线性定常系统为研究对象。 以拉氏变换为工具，以传递函数为基础在频率以拉氏变换为工具，以传递函数为基础在频率 域中分析与设计。域中分析与设计。10传统控制传统控制l现代控制 以以MIMO线性、非线性、时变与非时变系统为线性、非线性、时变与非时变系统为 主要研究对象。主要研究对象。 以线性代数和微分方程为工具，以状态以线性代数和微分方程为工具，以状态 空间法空间法 为基础。为基础。11传统控制策

4、略传统控制策略lPID控制l解耦控制l自适应控制l鲁棒控制l预测控制l系统辨识l最优控制。12特点： PID算法蕴含动态控制过程过去、现在和将来的主要信息； PID算法简单明了、适应性好、有较强的鲁棒性； PID控制根据不同的要求，形成了一系列改进的PID算法。问题： 对存在大滞后环节、参数变化较大甚至结构也变化的对象，以及系统复杂环境复杂控制性能要求高的场合， PID控制不适用。13思路： 设计一个解耦补偿器，来消除多变量系统中各有关输入输出变量间的关联作用，使一个输入只控制相应的一个输出，将多变量系统分解为几个单变量系统，然后可采用单变量控制策略。注意： 在控制对象的耦合机理和数学模型比较

5、清楚的系统中，解耦控制是很有效的。14研究内容： 在给定性能指标下，如何选择控制规律u (t)，使性能指标 J 达到最优。说明： 经典理论依赖试探法和经验对系统进行综合，对复杂难以得到满意的结果，对多输入系统输出系统经典论显得无能为力。用最优控制理论可使各种系统可能实现严格数学意义上的最优控制规律。特点：模型确定，环境确定。15系统辨识:模型不确定 借助试验和运行所得数据，在指定的一类系统范围内，确定一个与被辨识系统等价的系统模型和参数，称为系统辨识系统辨识. 16自适应控制17原理：原理：在原来反馈控制系统的基础上再附加一个参考模型和一个自动调节控制器参数的调节回路。核心：核心：如何综合自适

6、应律？参数优化法（搜索控制器参数，使某个预定的性能指标为最小）；基于稳定性理论的设计方法（保证控制器参数的自适应调整过程是稳定的，且调整过程尽可能收敛快一些。Liapunov稳定性理论是设计自适应控制系统的有效工具。18特点：特点：具有被控对象数学模型的在线辨识环节 首先，对被控对象进行在线辨识，然后根据辨识得到的模型参数 和预先指定的性能指标 J 在线地综合控制作用。 算法的关键是如何正确辨识对象模型的参数：确保被辨识的参数能收敛到真值（这当中有大量的工作要做）。)(k 可见自适应控制是一种逐渐修正渐进趋向期望性能的过程，因此，适用于模型和干扰变换缓慢的系统。19 1）预测模型：是对象动态行

7、为的预先描述。能依据系统的历史信息和选定的未来输入，预测未来一个时段的输出。是一种基于模型又不过分依赖模型的控制策略。 2）滚动优化：是预测控制的核心，它保持了优化控制的原理，但不是进行全局整体优化，而是随时间推移逐段优化在每一时刻都提出一个立足于该时刻且仅涉及到预测时域的局部优化指标，进行反复在线优化。 3）反馈校正：是在控制的每一步，都检测实际输出并与基于模型的预测值进行比较，以修正模型预测的不准确性，然后再进行新的优化。20 这种“边走边看”的启发式的滚动优化策略，可以随时顾及模型失配、时变、非线性或其他干扰因数等不确定性的影响，及时进行弥补，减小偏差，以获得较高的综合控制质量。这在复杂

8、的工业环境中，要比建立在理想条件下的最优控制更加实际和有效 预测控制不讲结构形式，只强调模型的功能，打破了传统控制中对模型结构的严格要求，更着眼于在信息的基础上根据功能要求按最方步的途径建立模型。缺点：在建模时没有充分利用过程知识，且计算工作量大。预测控制预测控制21 鲁棒性：指数学模型与实际过程出现失配时，能使系统性能保持在允许范围内的能力 稳定鲁棒性：设计一个控制器，使对每一个摄动后的对象，都能保证闭环系统的稳定性。 品质鲁棒性：设计一个控制器，使对每一个摄动后的对象，闭环系统都能满足稳定性和某种特定的系统性能。2223传统控制传统控制l理论与实际应用之间的巨大差别 PID占主导地位 ?

9、控制学科高度的交叉性、应用的广泛性； 数学基础工具难以被多数技术人员所掌握； 控制技术需要其它技术支持，如通信、计算机； 实际应用的复杂性、多变性、不确定性； 高校教育与企业管理体制问题，技术投入力度不够。241.2 传统控制的局限性传统控制的局限性智能控制产生背景智能控制产生背景l复杂系统不断涌现，依赖于精确模型的传统控制理论越来越受到限制。什么是复杂系统？1. 1. 控制对象的复杂性控制对象的复杂性 模型的不确定性 高度非线性 分布式的转感器和执行机构 动态突变 复杂的信息模式 庞大的数据量和严格的性能指标 252. 2. 环境的复杂性环境的复杂性 变化的不确定性 难以辨识 与被控对象作为

10、整体来考虑。3. 3. 控制任务或目标的复杂性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。26l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（微分或差分方程来）；对建立在工程技术语言描述基础上的新型复杂系统，数学语言描述和分析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估计来克服小的、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。27 自适应控制和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变化。（3） 传统的控制系统输入信

11、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。 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。28控制学科的发展过程控制学科的发展过程291.3 智能控制的基本概念和研究内容智能控制的基本概念和研究内容l1967年，Leondes等人提出智能控制的概念；l1971年，傅京生提出智能控制（IC）是自动控制（AC）和人工智能（AI）的交集，即 IC=ACAIICACAI二元交集论：强调智能与控制的结合二元交集论：强调智能与控制的结合30l“人工智能（AI）”是研

12、究和开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及用于系统的一门新的技术科学。l“人工智能”是计算机科学的一个分支，它企图了解智能的实质，并产生一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器，研究包括语言识别、图像识别、机器人、专家系统等。31lSaridis等考虑更高层次上的调度、规划和管理，对二元交集论扩展，引入运筹学（OR），提出三元交集论，即IC=AIACOR。ACAIORIC三元交集论三元交集论321.4 智能控制与传统控制的差别与联系智能控制与传统控制的差别与联系 涉及的范围：智能控制的范围包括了传统控制的范围。除了微分/差分方程描述的系统，还有混合系统（离散和连续系统混合

13、、符号和数值系统混合、数字和模拟系统混合）；控制的目标：智能的目标:寻求在巨大不确定环境中获得整体优化。智能控制要考察： 故障诊断 系统重构 自组织、自学习能力 多重目标33系统的结构：控制对象和控制系统的结合。智能控制具有足够的关于人的控制策略、被控对象及环境的有关知识以及运用这些知识的能力。智能控制能以知识表示非数学广义模型和以数学表示的混合控制过程，采用开闭环。智能控制具有变结构的特点，能够总体自寻优、自组织、自学习和自由调动能力。智能控制有补偿及自修复能力和判断能力。341.5 智能控制的定义智能控制的定义什么是智能？ 按系统的一般行为特征定义(Albus) 在不确定环境中，作出合适动

14、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35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。36 按人类的认知的过程定义(A.Meystel) 智能是系统的一个特征，当专注、组合搜索、归纳过程作用于系统输入，并产生系统输出时，就表现为智能。37 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

15、次优的结果。信息信息信息信息分析组织处理知识知识信息信息38l智能控制定义 智能控制密切相关智能系统必是控制系统控制系统必需具有智能391.定性地说：智能控制系统应具有仿人是功能（学习、推理），能适应不断变化环境；能处理多种信息，以减少不确定性；能以安全可靠的方式进行规划产生和执行控制的动作，获取系统总体上最优或次优的性能指标。2. 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。403. 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、集注、和组合操作，把不确定的复杂系统引向规定的目标。4. 按机器智能定义 智能控制是认知科学、多