安徽建筑大学智能控制第一章

1、 第第1 1章章 智能控制概论智能控制概论主要内容：主要内容：1 1、智能控制的产生与发展、智能控制的产生与发展2 2、智能控制的定义、特点与一般结构、智能控制的定义、特点与一般结构3 3、智能控制的结构理论、智能控制的结构理论4 4、智能控制系统的类型和应用领域、智能控制系统的类型和应用领域 1.1 1.1 智能控制的产生与发展智能控制的产生与发展 1.1.智能控制的产生智能控制的产生 智能控制（智能控制（ICIC：Intelligent ControlIntelligent Control）是）是一门新兴的交叉学科，具有非常广泛的应用领域。一门新兴的交叉学科，具有非常广泛的应用领域。 人们

2、将智能控制的产生归结为二大主因人们将智能控制的产生归结为二大主因: :一一是自动控制理论发展之必然；二是人工智能的发是自动控制理论发展之必然；二是人工智能的发展为其提供了机遇。展为其提供了机遇。 17881788年，瓦特发明蒸汽机时用飞球调节器控制年，瓦特发明蒸汽机时用飞球调节器控制蒸汽机。飞球调节器用于调节蒸气流，以便确保引蒸汽机。飞球调节器用于调节蒸气流，以便确保引擎工作时速度大致均匀。擎工作时速度大致均匀。装置利用了一个飞球结构去感知蒸汽轮机的转动速度装置利用了一个飞球结构去感知蒸汽轮机的转动速度并且利用一系列的连接调节进入机器的蒸汽的流动。并且利用一系列的连接调节进入机器的蒸汽的流动。

3、（1 1）控制理论的发展控制理论的发展控制理论的发展始于控制理论的发展始于WattWatt飞球调节蒸汽机以后的飞球调节蒸汽机以后的100100年。年。自动控制理论发展阶段特征自动控制理论发展阶段特征自动控制的发展过程自动控制的发展过程传统控制理论的局限性：传统控制理论的局限性： 传统控制包括经典反馈控制和现代控制理论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控制，它们的主要特征是基于精确的系统数学模型的控制。在传统控制的实际应用中存在局限性，主的控制。在传统控制的实际应用中存在局限性，主要表现在以下几点：要表现在以下几点： 无法获得精确的数学模型。无法获

4、得精确的数学模型。 苛刻的线性化假设。苛刻的线性化假设。 有些系统甚至无法建模。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，为提高性能，使系统复杂化，成本提高，稳定性降低。稳定性降低。 在自动控制发展的现阶段在自动控制发展的现阶段, ,存在一些至关存在一些至关重要的挑战重要的挑战: :科学技术间的相互影响和相互促进科学技术间的相互影响和相互促进; ;n例如例如, ,计算机、计算机、AIAI和超大规模集成电路等技术。和超大规模集成电路等技术。当前和未来应用的需求当前和未来应用的需求; ;n例如例如, ,空间技术、海洋工程和机器人技术等应空间技术、海洋工程和机器人技术等应用要求。用

5、要求。基本概念和时代思潮发展水平的推动。基本概念和时代思潮发展水平的推动。n例如例如, , 高速信息公路、非传统模型和高速信息公路、非传统模型和ANNANN的连的连接机制等接机制等. . 人工智能产生于人工智能产生于2020世纪世纪5050年代年代，它是控制论、，它是控制论、信息论、系统论、计算机科学、神经生理学、心理信息论、系统论、计算机科学、神经生理学、心理学、数学以及哲学等多种学科相互渗透的结果，也学、数学以及哲学等多种学科相互渗透的结果，也是电子计算机出现并广泛应用的结果。是电子计算机出现并广泛应用的结果。 早在早在19651965年年，傅京孙首先提出把基于符号操作和，傅京孙首先提出把

6、基于符号操作和逻辑推理的启发式规则用于学习控制系统，逻辑推理的启发式规则用于学习控制系统，MendelMendel教授进一步在空间飞行器的学习控制中应用了人工教授进一步在空间飞行器的学习控制中应用了人工智能技术。这是人工智能的符号主义（逻辑主义）智能技术。这是人工智能的符号主义（逻辑主义）学派的观点首次与控制理论相结合，从而实现智能学派的观点首次与控制理论相结合，从而实现智能控制的大胆尝试。控制的大胆尝试。（2 2）人工智能的发展人工智能的发展 随后智能控制的提出和发展历程，一直伴随着随后智能控制的提出和发展历程，一直伴随着人工智能的发展而发展，人工智能作为智能控制人工智能的发展而发展，人工智

7、能作为智能控制的基础和重要组成部分，它的每一个研究成果都的基础和重要组成部分，它的每一个研究成果都对智能控制的发展起到了积极的推动作用。对智能控制的发展起到了积极的推动作用。智能控制智能控制= = 控制理论控制理论 + + 人工智能人工智能2. 2. 智能控制的发展智能控制的发展 智能控制这一术语于智能控制这一术语于19671967年由年由LeondesLeondes和和MendelMendel首先使用，首先使用，19711971年傅京孙（年傅京孙（K.S.FuK.S.Fu）教授从发展学习）教授从发展学习控制的角度首次控制的角度首次正式提出正式提出智能控制概念与建立智能控智能控制概念与建立智能

8、控制学科的构思。在文章制学科的构思。在文章“学习控制系统和智能控制系学习控制系统和智能控制系统：人工智能与自动控制的交叉统：人工智能与自动控制的交叉”中归纳了中归纳了3 3种类型种类型的智能控制系统：的智能控制系统： （1 1）人作为控制器的控制系统；）人作为控制器的控制系统； （2 2）人）人机结合作为控制器的控制系统；机结合作为控制器的控制系统； （3 3）无人参与的智能控制系统。）无人参与的智能控制系统。 19741974年年，英国的，英国的MamdaniMamdani教授首次成功地将模糊教授首次成功地将模糊逻辑用于蒸汽机控制，开创了模糊控制的新方向；逻辑用于蒸汽机控制，开创了模糊控制的

9、新方向； 19771977年年，SaridisSaridis的专著出版，并于的专著出版，并于19791979年发表年发表了综述文章，全面地论述了从反馈控制到最优控制、了综述文章，全面地论述了从反馈控制到最优控制、随机控制及至自适应控制、自组织控制、学习控制，随机控制及至自适应控制、自组织控制、学习控制，最终向智能控制发展的过程，提出了智能控制是人工最终向智能控制发展的过程，提出了智能控制是人工智能、运筹学、自动控制相交叉的智能、运筹学、自动控制相交叉的“三元论三元论”思想及思想及分级递阶的智能控制系统框架。分级递阶的智能控制系统框架。. 80 80年代，智能控制的研究进入了迅速发展年代，智能控

10、制的研究进入了迅速发展时期：时期： 19841984年年，AstromAstrom发表了论文，明确地提出了建发表了论文，明确地提出了建立专家控制的新概念；与此同时，人工神经网络再立专家控制的新概念；与此同时，人工神经网络再次被引入控制领域，并迅速得到了广泛的应用，从次被引入控制领域，并迅速得到了广泛的应用，从而开辟了神经网络控制；而开辟了神经网络控制； 19851985年年8 8月月，IEEEIEEE在美国纽约召开了第一界智能在美国纽约召开了第一界智能控制学术讨论会；控制学术讨论会； 19871987年年1 1月月，在美国费城由，在美国费城由IEEEIEEE控制系统学会与控制系统学会与计算机学

11、会联合召开了第一界智能控制国际会议，计算机学会联合召开了第一界智能控制国际会议，这标志着智能控制作为一门新学科正式建立起来。这标志着智能控制作为一门新学科正式建立起来。 19851985年年8 8月，月，IEEEIEEE在美国纽约召开了第一届智在美国纽约召开了第一届智能控制学术研讨会，会上集中讨论了智能控制的原能控制学术研讨会，会上集中讨论了智能控制的原理和系统结构等问题。这次会议之后不久，理和系统结构等问题。这次会议之后不久，IEEEIEEE控控制系统学会成立了智能控制专业委员会。制系统学会成立了智能控制专业委员会。19871987年年1 1月，月，IEEEIEEE控制系统学会和计算机学会在

12、美国费城联控制系统学会和计算机学会在美国费城联合召开了智能控制的第一次国际会议，来自美、欧、合召开了智能控制的第一次国际会议，来自美、欧、日、中以及其他国家的日、中以及其他国家的150150余位代表出席了这次学余位代表出席了这次学术盛会。术盛会。 这次会议是一个里程碑，它表明智能控制作为这次会议是一个里程碑，它表明智能控制作为一门独立学科，正式得到国际学术界的广泛关注和一门独立学科，正式得到国际学术界的广泛关注和认可。认可。1.2 1.2 智能控制的定义、特点与一般结构智能控制的定义、特点与一般结构 1.1.智能与智能控制的定义智能与智能控制的定义一、智能的定义一、智能的定义（1 1）按系统的

13、一般行为特征定义）按系统的一般行为特征定义(Albus)(Albus) 在不确定环境中，作出合适动作的能力。合在不确定环境中，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。子目标，以支持系统实现最终目标。低级智能：低级智能：感知感知环境、作出决策、环境、作出决策、控制行为控制行为高级智能：高级智能：理解和觉察能力，在复杂和险恶环境环理解和觉察能力，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。境中进行选择的能力，力求生存和进步。（2）按人类的认知的过程定义）按人类的认知的过程定义(A.Mey

14、stel) 智能是系统的一个特征，当集注（智能是系统的一个特征，当集注（Focusing Attention)、组合搜索、组合搜索(Combinatorial Search)、归纳、归纳 （Generalization)过程作用于系统输入，并产生系统过程作用于系统输入，并产生系统输出时，就表现为智能。输出时，就表现为智能。系统输入系统输入系统输出系统输出智能集中集中注意力注意力组合搜索归纳归纳FACSG（3） 按机器智能定义按机器智能定义(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，它可成知识的

15、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。性或盲目性，达到最优或次优的结果。信信息息信信息息分析组织处理知知识识信信息息机器智能机器智能1.3.1 1.3.1 智能控制的定义智能控制的定义 二、智能控制的定义二、智能控制的定义 粗略地说粗略地说, ,智能控制智能控制(IC)(IC)是一种将智能理论应用是一种将智能理论应用于控制领域的模型描述、系统分析、控制设计与实现于控制领域的模型描述、系统分析、控制设计与实现的控制方法。的控制方法。它首先是一种控制方法它首先是一种控制方法

16、, ,是一种具有智能行为与特是一种具有智能行为与特征的控制方法。征的控制方法。迄今为止迄今为止, ,对对ICIC还未有一个统一的定义还未有一个统一的定义, ,下面通过下面通过对智能机器的定义对智能机器的定义, ,来对来对ICIC与智能控制系统与智能控制系统(Intelligent Control Systems, ICS)(Intelligent Control Systems, ICS)加以定义。加以定义。1.3.1 1.3.1 智能控制的定义智能控制的定义 定义定义1(1(智能机器智能机器) ) 能够在定形或不定形能够在定形或不定形, ,熟熟悉或不熟悉的环境中自主地与操作人员交互悉或不熟悉

17、的环境中自主地与操作人员交互作用以执行各种拟人任务作用以执行各种拟人任务(anthropomorphic (anthropomorphic tasks)tasks)的机器。的机器。或者比较通俗地说或者比较通俗地说, ,智能机器是那些能够自主智能机器是那些能够自主地代替人类从事危险、厌烦、远距离或高精度地代替人类从事危险、厌烦、远距离或高精度等作业的机器。等作业的机器。1.3.1 1.3.1 智能控制的定义智能控制的定义n例如：能够从事这类工作的机器人例如：能够从事这类工作的机器人, ,就属于就属于智能机器人。智能机器人。 在星际探险中的移动机器人在星际探险中的移动机器人, ,如美国研如美国研制

18、的火星探测车。制的火星探测车。1.3.1 1.3.1 智能控制的定义智能控制的定义具有视觉的越野自主车具有视觉的越野自主车1.3.1 1.3.1 智能控制的定义智能控制的定义能够模拟人的思维能够模拟人的思维, ,进行博弈的计算机。进行博弈的计算机。 19971997年年5 5月月1111日日, ,一个名为一个名为Deep BlueDeep Blue的的IBMIBM计计算机系统战胜当时的国际象棋世界冠军盖利算机系统战胜当时的国际象棋世界冠军盖利 卡卡斯帕罗夫斯帕罗夫(Garry (Garry Kasparov)Kasparov)。 正在与深蓝下棋的卡斯帕罗夫正在与深蓝下棋的卡斯帕罗夫 1.3.1

19、 1.3.1 智能控制的定义智能控制的定义基于智能机器的定义基于智能机器的定义, ,智能控制智能控制(IC)(IC)的定义为：的定义为： 定义定义2 2 智能控制智能控制是驱动智能机器自主地是驱动智能机器自主地实现其目标的过程。或者说实现其目标的过程。或者说, ,智能控制是一类智能控制是一类无需人的干预就能够独立地驱动智能机器实无需人的干预就能够独立地驱动智能机器实现其目标的自动控制。现其目标的自动控制。 例如：对自主机器人的控制。例如：对自主机器人的控制。1.3.1 1.3.1 智能控制的定义智能控制的定义 相对于智能机器与智能控制相对于智能机器与智能控制(IC),(IC),传统的自传统的自

20、动控制的定义为：动控制的定义为： 定义定义3(3(自动控制自动控制) ) 自动控制是能按规定程序对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。简单地机器或装置进行自动操作或控制的过程。简单地说说, ,不需要人工干预的控制就是自动控制。不需要人工干预的控制就是自动控制。例如：例如：一个装置能够自动接收所测得的过程物理变量一个装置能够自动接收所测得的过程物理变量, ,自动进行计算自动进行计算, ,然后对过程进行自动调节就是然后对过程进行自动调节就是自动控制装置。自动控制装置。反馈控制、最优控制、随机控制、自适应控制反馈控制、最优控制、随机控制、自适应控制和自学习控制等均属自动控制。

21、和自学习控制等均属自动控制。1.3.1 1.3.1 智能控制的定义智能控制的定义关于智能控制系统关于智能控制系统(ICS)(ICS)的定义：的定义： 定义定义4 4 用于驱动自主智能机器以实用于驱动自主智能机器以实现其目标而无需操作人员干预的系统叫智现其目标而无需操作人员干预的系统叫智能控制系统。这类系统必须具有智能调度能控制系统。这类系统必须具有智能调度和执行等能力。和执行等能力。 智能控制系统有智能控制系统有学习学习功能、功能、适应适应功能、功能、组织组织功功能三大主要功能特点。能三大主要功能特点。（1 1）学习功能：）学习功能：指的是对一个过程或其环境的未知指的是对一个过程或其环境的未知

22、特征所固有的信息进行学习，并将得到的经验用于特征所固有的信息进行学习，并将得到的经验用于进一步的估计、分类、决策和控制，从而使系统的进一步的估计、分类、决策和控制，从而使系统的性能得到改善。性能得到改善。 智能控制系统的学习能力有高低之分，智能控制系统的学习能力有高低之分，低层低层次次的学习主要指对控制对象参数的学习，的学习主要指对控制对象参数的学习，高层次高层次的学习则主要指对知识的更新。的学习则主要指对知识的更新。 2.2.智能控制系统的主要功能特点智能控制系统的主要功能特点（2 2）适应功能：）适应功能：指的是当智能控制系统的输入不是已指的是当智能控制系统的输入不是已经学习过的样本时，照

23、样可给出合适的输出。甚至当经学习过的样本时，照样可给出合适的输出。甚至当系统中某些部分出现故障时，系统仍能正常工作。系统中某些部分出现故障时，系统仍能正常工作。（3 3）组织功能：）组织功能：指的是对于复杂的控制任务和分散的指的是对于复杂的控制任务和分散的传感器信息，智能控制系统具有自行组织和协调的功传感器信息，智能控制系统具有自行组织和协调的功能。智能控制器可以在任务要求范围内自行决策、主能。智能控制器可以在任务要求范围内自行决策、主动地采取行动；当出现多目标冲突时，在一定条件下，动地采取行动；当出现多目标冲突时，在一定条件下，控制器有权自行裁决和处理。控制器有权自行裁决和处理。其它一些功能

24、：其它一些功能：如对各类故障进行自诊断、屏蔽和自如对各类故障进行自诊断、屏蔽和自恢复的容错功能；对环境干扰和不确定性因素不敏感恢复的容错功能；对环境干扰和不确定性因素不敏感的自适应功能和鲁棒性功能；快速的在线实时响应功的自适应功能和鲁棒性功能；快速的在线实时响应功能；友好的人能；友好的人机界面，保证人机界面，保证人机通信、人机通信、人机互助的机互助的人人机协作功能等。机协作功能等。通讯接口通讯接口认知认知感知信息处理感知信息处理规划和控制规划和控制传感器传感器执行器执行器广义对象广义对象指令指令智智 能能控制器控制器被控对象被控对象 2.2.智能控制系统的基本组成结构智能控制系统的基本组成结构

25、智能控制系统的基本组成结构分析智能控制系统的基本组成结构分析： 广义对象包括通常意义下的控制对象和所处的广义对象包括通常意义下的控制对象和所处的外部环境。外部环境。 感知信息处理部分将传感器递送的分级的、不感知信息处理部分将传感器递送的分级的、不完全的原始信息加以处理，并在学习过程中不断加完全的原始信息加以处理，并在学习过程中不断加以辨识、整理和更新，以获得有用的信息。以辨识、整理和更新，以获得有用的信息。 认知部分主要接收和存储知识、经验和数据，认知部分主要接收和存储知识、经验和数据，并对它们进行分析和归纳，还能在学习过程中不断并对它们进行分析和归纳，还能在学习过程中不断更新这些知识、经验和

26、数据。更新这些知识、经验和数据。 规划和控制部分是整个系统的核心，它根规划和控制部分是整个系统的核心，它根据给定的任务要求反馈信息及经验知识，并进据给定的任务要求反馈信息及经验知识，并进行自动搜索、推理决策、动作规划，以便产生行自动搜索、推理决策、动作规划，以便产生具体的控制信号，经执行部件作用于被控对象。具体的控制信号，经执行部件作用于被控对象。 通讯接口除建立人通讯接口除建立人- -机之间的联系外，也建机之间的联系外，也建立系统中各模块之间的联系。立系统中各模块之间的联系。智能控制系统的基本组成结构分析：智能控制系统的基本组成结构分析： 1 1、二元结构、二元结构 傅京孙把智能控制概括为自

27、动控制和人工智能傅京孙把智能控制概括为自动控制和人工智能（ACAC：Automatic Contro and AIAutomatic Contro and AI：Artificial Artificial IntelligenceIntelligence）的交集，即）的交集，即 IC=AIACIC=AIAC1.3 1.3 智能控制的结构理论智能控制的结构理论自动控自动控制制AC人工智人工智能能AI智能智能控制控制IC 智能控制的二元结构智能控制的二元结构这种交叉关系可用右图这种交叉关系可用右图形象地表示，它主要强形象地表示，它主要强调人工智能中调人工智能中“智能智能”的概念与自动控制的结的概念

28、与自动控制的结合。合。 萨里迪斯（萨里迪斯（SaridisSaridis）等从）等从机器智能机器智能的角度出发，的角度出发，对傅京孙的二元交集结构理论进行了扩展，引入了对傅京孙的二元交集结构理论进行了扩展，引入了运运筹学筹学（OROR：Operations ResearchOperations Research）并提出了三元交）并提出了三元交集结构，即集结构，即自动控制自动控制AC人工人工智能智能AI智能控智能控制制IC智能控制的三元结构智能控制的三元结构运筹学运筹学OR 三元交集除三元交集除“智能智能”与控制之外，还强调了与控制之外，还强调了在更高层次控制中在更高层次控制中调度、调度、规划、管理和优化规划、管理和优化的作的作用。用。2 2、三元结构、三元结构IC=AIACORIC=AIACOR智能控制智能控制人工智能人工智能运筹学运筹学自动控制自动控制信号处理形式信号处理形式语言启发语言启发记忆记忆学习学习规划调规划调度管理度管理管理协调管理协调动力学动力学动态反馈动态反馈优化优化动力学动力学动态反馈动态反馈 我国学者蔡自兴教授于我国学者蔡自兴教授于19891989年提出把年提出把信息论信息论（ITIT：Information TheoryInformation Theory）包括进智能控制）包括进智能控制结构理论的四元论结构，即结构理论的