智能控制导论 蔡志兴版 教学课件1

1、1智能控制导论智能控制导论辽宁装备制造职业技术学院辽宁装备制造职业技术学院自控系 吕明珠2课程总目标课程总目标学完本课程后，你应具有以下能力：学完本课程后，你应具有以下能力：掌握智能控制的基本概念；掌握智能控制的基本概念；了解智能控制的基本理论，掌握智能控制的基本技术；了解智能控制的基本理论，掌握智能控制的基本技术；学会智能控制算法和系统的设计方法学会智能控制算法和系统的设计方法掌握掌握递阶控制递阶控制的一般结构及控制算法的一般结构及控制算法掌握掌握专家系统专家系统的基本概念，主要类型及其结构。的基本概念，主要类型及其结构。掌握掌握模糊控制器模糊控制器的组成、工作原理和设计方法；的组成、工作原

2、理和设计方法；掌握掌握神经网络神经网络的基本概念、神经网络控制器的工作的基本概念、神经网络控制器的工作原理和设计方法；原理和设计方法；掌握掌握学习控制学习控制的基本概念、学习控制的方案及控制的基本概念、学习控制的方案及控制算法；算法；掌握掌握进化控制与免疫控制进化控制与免疫控制的基本概念、基本结构的基本概念、基本结构熟悉熟悉复合智能控制复合智能控制和和其他智能控制其他智能控制；3第第1 1章章 概论概论智能系统与智能软件研究所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 1.2 .2 智能控制的基本知识智能控制的基本知识1.3 1.3 智能控制的结构理论智能控制的结构理论1.4

3、1.4 本书概要本书概要41.1 1.1 智能控制的产生与发展智能控制的产生与发展1.1.1 1.1.1 自动控制的机遇与挑战自动控制的机遇与挑战传统控制理论在应用中面临的难题传统控制理论在应用中面临的难题存在挑战的主要原因存在挑战的主要原因自动控制的主要任务自动控制的主要任务人工智能的产生和发展正在为自动控制系统的人工智能的产生和发展正在为自动控制系统的智能化提供有力支持智能化提供有力支持5第第1 1节节 智能控制的产生与发展智能控制的产生与发展6传统控制理论在应用中面临的难题包括以下传统控制理论在应用中面临的难题包括以下几个方面：几个方面：7综上所述可以看出，自动控制既面临严峻综上所述可以

4、看出，自动控制既面临严峻挑战有存在良好发展机遇。挑战有存在良好发展机遇。89101.1.2 智能控制的发展和学科的建立自动控制的发展过程1.1 智能控制的产生与发展 进展方向开环控制开环控制确定性确定性反馈控制反馈控制最优控制最优控制随机控制随机控制自适应自适应/鲁棒鲁棒控制控制自学习控制自学习控制智能控制智能控制控制复杂性111.1.2 智能控制的发展和学科的建立6060年代年代6060年代初期，自学习和自适应方法被开发出来用于年代初期，自学习和自适应方法被开发出来用于解决控制系统的随机特性问题解决控制系统的随机特性问题6060年代中期，自动控制与人工智能开始交接。年代中期，自动控制与人工智

5、能开始交接。7070年代年代模糊控制是智能控制的又一活跃研究领域模糊控制是智能控制的又一活跃研究领域8080年代年代萨里迪斯教授建立了智能机器理论采用萨里迪斯教授建立了智能机器理论采用“精度随智精度随智能降低而提高能降低而提高”（IPDIIPDI）原理和三级递阶结构原理和三级递阶结构奥斯特洛姆、迪席尔瓦、周其鉴、蔡自兴、霍门迪奥斯特洛姆、迪席尔瓦、周其鉴、蔡自兴、霍门迪梅洛和桑德森等，分别提出和发展了专家控制、基梅洛和桑德森等，分别提出和发展了专家控制、基于知识的控制、仿人控制、专家规划和分级规划等于知识的控制、仿人控制、专家规划和分级规划等基于神经元控制的理论和机理已获进一步开发和应基于神经

6、元控制的理论和机理已获进一步开发和应用用1.1 智能控制的产生与发展12131415161718191.1.2 1.1.2 智能控制的发展和学科的建立智能控制的发展和学科的建立智能控制学科的形成智能控制学科的形成19851985年年8 8月，月，IEEEIEEE在美国纽约召开了第一届智能控在美国纽约召开了第一届智能控制学术讨论会制学术讨论会这次会议之后不久，在这次会议之后不久，在IEEEIEEE控制系统学会内成立控制系统学会内成立了了IEEEIEEE智能控制专业委员会，并了对智能控制定智能控制专业委员会，并了对智能控制定义和研究生课程教学大纲的讨论义和研究生课程教学大纲的讨论19871987年

7、年1 1月，在美国费城由月，在美国费城由IEEEIEEE控制系统学会与计控制系统学会与计算机学会联合召开了智能控制国际会议算机学会联合召开了智能控制国际会议智能控制发展的其它方面智能控制发展的其它方面学术组织学术组织学术会议学术会议1.1 智能控制的产生与发展201.2 智能控制的基本知识1.2.1 1.2.1 智能控制的定义与特点智能控制的定义与特点智能控制的定义智能控制的定义 自动控制自动控制智能控制智能控制智能控制系统智能控制系统智能控制的特点智能控制的特点 同时具有以知识表示的非数学广义模型和以数学模同时具有以知识表示的非数学广义模型和以数学模型（含计算智能模型与算法）表示的混合控制过

8、程型（含计算智能模型与算法）表示的混合控制过程智能控制的核心在高层控制，即组织级智能控制的核心在高层控制，即组织级智能控制的实现，需要硬件、软件和智能的结合，智能控制的实现，需要硬件、软件和智能的结合，以及新思想、新方法和新技术以及新思想、新方法和新技术智能控制是一门边缘交叉学科智能控制是一门边缘交叉学科智能控制是一个新兴的研究领域智能控制是一个新兴的研究领域21 定义定义1:1:自动控制自动控制 自动控制是能按规定程序对机器或装置自动控制是能按规定程序对机器或装置进行操作或控制的过程。简单说，不进行操作或控制的过程。简单说，不需要人工干预的控制就是自动控制。需要人工干预的控制就是自动控制。2

9、2 定义定义2:2:智能控制智能控制 智能控制是采用智能控制是采用智能化理论和技术智能化理论和技术驱动驱动智能机器实现其目标的过程。或者说，智能机器实现其目标的过程。或者说，智能控制是一类无需人的干预就能独智能控制是一类无需人的干预就能独立地驱动智能机器实现其目标的自动立地驱动智能机器实现其目标的自动控制。控制。2324智能控制是一类智能控制是一类无需人的干预就无需人的干预就能够自主地驱动能够自主地驱动智能机器实现其智能机器实现其目标的自动控制，目标的自动控制，也是用也是用计算机模计算机模拟人类智能拟人类智能的一的一个重要领域个重要领域。智能控制的基本概念智能控制的基本概念25 定义定义3:3

10、:智能控制系统智能控制系统 用于驱动智能机器以实现其目标而用于驱动智能机器以实现其目标而无需操作人员干预的系统称为智能控无需操作人员干预的系统称为智能控制系统。制系统。 智能控制系统的理论基础是人工智能智能控制系统的理论基础是人工智能、控制论、运筹学和信息论等学科的交控制论、运筹学和信息论等学科的交叉。叉。261.2.2 1.2.2 智能控制器的一般结构智能控制器的一般结构智能控制器的一般结构图智能控制器的一般结构图1.2 智能控制的基本知识动作事件过程与环境过程与环境用户用户接接 口口任务描述与任务描述与环境建模环境建模知识表示知识表示 信号优化信号优化 信号预处理信号预处理信号辨识信号辨识

11、规划与推规划与推理理 决策与协调决策与协调传统控制传统控制传感传感器器驱动驱动器器123271.2.3 1.2.3 智能控制系统的分类智能控制系统的分类递阶控制系统递阶控制系统专家控制系统专家控制系统模糊控制系统模糊控制系统学习控制系统学习控制系统神经控制系统神经控制系统仿生控制系统仿生控制系统集成智能控制系统集成智能控制系统组合智能控制系统组合智能控制系统1.2 智能控制的基本知识281.3 1.3 智能控制的结构理论智能控制的结构理论1.3.1 1.3.1 二元交集结构理论二元交集结构理论傅京孙曾研究的领域傅京孙曾研究的领域含有拟人控制器的控制系统含有拟人控制器的控制系统含有人机控制器的控

12、制系统含有人机控制器的控制系统自主机器人系统自主机器人系统傅京孙用智能控制系统描述自动控制系统与人傅京孙用智能控制系统描述自动控制系统与人工智能的交接作用，并把它称为二元交集结构工智能的交接作用，并把它称为二元交集结构AIACIC智能控制智能控制的二元结的二元结构构291.3.1 1.3.1 二元交集结构理论二元交集结构理论二元结构理论的解释二元结构理论的解释当采用人机组合控制器时，需要比较高层的当采用人机组合控制器时，需要比较高层的智能决策；它可由拟人控制器智能决策；它可由拟人控制器（anthropomorphic controlleranthropomorphic controller）来

13、作出。来作出。对于较低层的智能作用，在设计这种智能控制对于较低层的智能作用，在设计这种智能控制系统时，要尽可能多地把设计者和操作人员所系统时，要尽可能多地把设计者和操作人员所具有的与指定任务有关的智能转移到机器控制具有的与指定任务有关的智能转移到机器控制器上器上对于自主机器人系统，对机器人进行无人干预对于自主机器人系统，对机器人进行无人干预的自动控制与操作。这一控制系统至少应执行的自动控制与操作。这一控制系统至少应执行3 3个主要功能，即感知、模拟和问题求解（包括个主要功能，即感知、模拟和问题求解（包括规划规划） 1.3 智能控制的结构理论301.3.2 1.3.2 三元交集结构理论三元交集结

14、构理论三元结构三元结构 萨里迪斯于萨里迪斯于19771977年提出另一种智能控制三元结构年提出另一种智能控制三元结构萨里迪斯认为，必须把远筹学的概念引入智能控制，萨里迪斯认为，必须把远筹学的概念引入智能控制，使它成为三元交集中的一个子集使它成为三元交集中的一个子集对这一问题的讨论，有助于智能控制学科的形成对这一问题的讨论，有助于智能控制学科的形成 1.3 智能控制的结构理论ACAIORIC311.3.2 1.3.2 三元交集结构理论三元交集结构理论分级智能控制系统分级智能控制系统 1.3 智能控制的结构理论执行级执行级组织器组织器分配器分配器协调器协调器1过程过程1协调器协调器N硬件控制器硬件

15、控制器N过程过程N组织级组织级协调级协调级硬件控制器硬件控制器1它代表系统的主导思它代表系统的主导思想，想，并由人工智能起控制并由人工智能起控制作用作用是上（第一级）下是上（第一级）下（第三级）（第三级）级间的接口，由人工级间的接口，由人工智能和运筹学起控制智能和运筹学起控制作用作用是智能控制系统的最是智能控制系统的最低层级，要求具有很低层级，要求具有很高的精度，并由控制高的精度，并由控制理论进行控制理论进行控制321.3.3 四元交集结构理论蔡自兴提出四元智能控制结构蔡自兴提出四元智能控制结构 1.3 智能控制的结构理论AIICORITCTICAICTIT智能控制看做自智能控制看做自动控制、

16、人工智动控制、人工智能、信息论和运能、信息论和运筹学四个学科的筹学四个学科的交集交集331.3.3 四元交集结构理论信息论是解释知识和智能的一种手段信息论是解释知识和智能的一种手段控制论、系统论和信息论紧密相互作用控制论、系统论和信息论紧密相互作用信息论已成为控制智能机器的工具信息论已成为控制智能机器的工具信息熵成为智能控制的测度信息熵成为智能控制的测度把熵函数和信息流一起引入智能控制系统，表明信息把熵函数和信息流一起引入智能控制系统，表明信息论是组成智能控制的不可缺少部分论是组成智能控制的不可缺少部分 1.3 智能控制的结构理论系统论系统论运筹学系统论 控制论信息论系统工程自动化技术通信技术

17、系统学系统科学哲学 基础科学技术科学工程技术信息论信息论控制控制通信通信人和人和动物动物机器机器三论三论应用应用部门部门一般一般系统论系统论信息信息科学科学信息信息技术技术人机人机通信通信知识，信息，知识，信息，智能，信息论智能，信息论34智能控制的研究对象智能控制的研究对象智能控制主要应用在以下情况：智能控制主要应用在以下情况：实际系统由于存在复杂性、非线性、时变性、不实际系统由于存在复杂性、非线性、时变性、不确定性和不完全性等，一般无法获得精确的数学确定性和不完全性等，一般无法获得精确的数学模型。模型。应用传统控制理论进行控制必须提出并遵循一些应用传统控制理论进行控制必须提出并遵循一些比较

18、苛刻的线性化假设，而这些假设在应用中往比较苛刻的线性化假设，而这些假设在应用中往往与实际情况不相吻合。往与实际情况不相吻合。35智能控制的结构理论智能控制的结构理论人工智能人工智能（AI）：）：是一个知识处理系统，具有是一个知识处理系统，具有记忆、学习、信息处理、形式语言、启发式推记忆、学习、信息处理、形式语言、启发式推理等功能。理等功能。自动控制自动控制（AC）：）：描述系统的动力学特性，是描述系统的动力学特性，是一种动态反馈。一种动态反馈。运筹学运筹学（OR）：是一种定量优化方法，如线性）：是一种定量优化方法，如线性规划、网络规划、调度、管理、优化决策和多规划、网络规划、调度、管理、优化决

19、策和多目标优化方法等。目标优化方法等。36智能控制与传统控制的关系智能控制与传统控制的关系传统控制（传统控制（Conventional controlConventional control）：）：经典反馈控经典反馈控制和现代理论控制。它们的主要特征是基于精确制和现代理论控制。它们的主要特征是基于精确的系统数学模型的控制。适于解决线性、时不变的系统数学模型的控制。适于解决线性、时不变等相对简单的控制问题。等相对简单的控制问题。智能控制（智能控制（Intelligent controlIntelligent control）以上问题用智以上问题用智能的方法同样可以解决。智能控制是对传统控制能的方

20、法同样可以解决。智能控制是对传统控制理论的发展，传统控制是智能控制的一个组成部理论的发展，传统控制是智能控制的一个组成部分，在这个意义下，两者可以统一在智能控制的分，在这个意义下，两者可以统一在智能控制的框架下。框架下。37分级递阶控制系统分级递阶控制系统 分级递阶智能控制是在自适应控制和自分级递阶智能控制是在自适应控制和自组织控制基础上，由美国普渡大学组织控制基础上，由美国普渡大学SaridisSaridis提出的提出的智能控制理论。分级递阶智能控制智能控制理论。分级递阶智能控制( (Hierarchical Hierarchical Intelligent Control)Intellig

21、ent Control)主要由三个控制级组成，主要由三个控制级组成，按智能控制的高低分为组织级、协调级、执行级，按智能控制的高低分为组织级、协调级、执行级，并且这三级遵循并且这三级遵循“伴随智能递降精度递增伴随智能递降精度递增”原则，原则，其功能结构如下图所示。其功能结构如下图所示。3839分级递阶控制系统分级递阶控制系统40分级递阶控制系统分级递阶控制系统组织级组织级( (organization level)organization level)：组织级通过人机组织级通过人机接口和用户接口和用户( (操作员操作员) )进行交互，执行最高决策的进行交互，执行最高决策的控制功能，监视并指导协调

22、级和执行级的所有行控制功能，监视并指导协调级和执行级的所有行为，其智能程度最高。为，其智能程度最高。协调级协调级( (Coordination level)Coordination level)：协调级可进一步协调级可进一步划分为两个分层划分为两个分层: :控制管理分层和控制监督分层。控制管理分层和控制监督分层。执行级执行级( (executive level)executive level)：执行级的控制过程通执行级的控制过程通常是执行一个确定的动作。常是执行一个确定的动作。41专家控制系统（专家控制系统（Expert SystemExpert System） 专家指的是那些对解决专门问题非

23、常熟悉的人们，他们专家指的是那些对解决专门问题非常熟悉的人们，他们的这种专门技术通常源于丰富的经验，以及他们处理问题的这种专门技术通常源于丰富的经验，以及他们处理问题的详细专业知识。的详细专业知识。 专家系统主要指的是一个智能计算机程序系统，其专家系统主要指的是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的经验方法来处理该领域的用人类专家的知识和解决问题的经验方法来处理该领域的高水平难题高水平难题. .它具有启发性、透明性、灵活性、符号操作、它具有启发性、透明性、灵活性、符号操作、不一确

24、定性推理等特点。应用专家系统的概念和技术，模不一确定性推理等特点。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。家控制系统。 42 神经网络是指由神经网络是指由大量与生物神经系统大量与生物神经系统的神经细胞相类似的的神经细胞相类似的人工神经元互连而组人工神经元互连而组成的网络；或由大量成的网络；或由大量象生物神经元的处理象生物神经元的处理单元并联互连而成。单元并联互连而成。这种神经网络具有某这种神经网络具有某些智能和仿人控制功些智能和仿人控制功能。能。 人工神经网络控制系统 43 学习算法是神经网络的

25、主要特征，也是当前研究的主要课题.学习的概念来自生物模型，它是机体在复杂多变的环境中进行有效的自我调节。神经网络具备类似人类的学习功能。一个神经网络若想改变其输出值，但又不能改变它的转换函数，只能改变其输人，而改变输人的唯一方法只能修改加在输人端的加权系数。人工神经网络控制系统 44人工神经网络控制系统人工神经网络控制系统 神经网络的学习过程是修改加权系数的神经网络的学习过程是修改加权系数的过程，最终使其输出达到期望值，学习结束过程，最终使其输出达到期望值，学习结束. .常用的学习算法有：常用的学习算法有：HebbHebb学习算法、学习算法、widrowwidrowHoffHoff学习算法、反

26、向传播学习算法一学习算法、反向传播学习算法一BPBP学习算法、学习算法、HopfieldHopfield反馈神经网络学习算法反馈神经网络学习算法等。等。45模糊控制系统模糊控制系统 所谓模糊控制，就是在被控制对象的模所谓模糊控制，就是在被控制对象的模糊模型的基础上，运用模糊控制器近似推理手糊模型的基础上，运用模糊控制器近似推理手段，实现系统控制的一种方法。段，实现系统控制的一种方法。 模糊模型是用模糊语言和规则描述的一个模糊模型是用模糊语言和规则描述的一个系统的动态特性及性能指标。系统的动态特性及性能指标。46模糊控制系统模糊控制系统 模糊控制的基本思想是用机器去模拟人对系统的模糊控制的基本思

27、想是用机器去模拟人对系统的控制。它是受这样事实而启发的：对于用传统控制理论控制。它是受这样事实而启发的：对于用传统控制理论无法进行分析和控制的复杂的和无法建立数学模型的系无法进行分析和控制的复杂的和无法建立数学模型的系统，有经验的操作者或专家却能取得比较好的控制效果，统，有经验的操作者或专家却能取得比较好的控制效果，这是因为他们拥有日积月累的丰富经验，因此人们希望这是因为他们拥有日积月累的丰富经验，因此人们希望把这种经验指导下的行为过程总结成一些规则，并根据把这种经验指导下的行为过程总结成一些规则，并根据这些规则设计出控制器。然后运用模糊理论、模糊语言这些规则设计出控制器。然后运用模糊理论、模

28、糊语言变量和模糊逻辑推理的知识，把这些模糊的语言上升为变量和模糊逻辑推理的知识，把这些模糊的语言上升为数值运算，从而能够利用计算机来完成对这些规则的具数值运算，从而能够利用计算机来完成对这些规则的具体实现，达到以机器代替人对某些对象进行自动控制的体实现，达到以机器代替人对某些对象进行自动控制的目的。目的。47学习控制系统学习控制系统 学习是人类的主要智能之一，人类的各项活学习是人类的主要智能之一，人类的各项活动也需要学习。在人类的进化过程中，学习功能动也需要学习。在人类的进化过程中，学习功能起着十分重要的作用。学习控制正是模拟人类自起着十分重要的作用。学习控制正是模拟人类自身各种优良的控制调节机制的一种尝试。身各种优良的控制调节机制的一种尝试。 所谓学所谓学习是一种过程，它通过重