第一讲 绪论 智能控制

智能控制理论与技术徐华中Email：wutxhz@163.comTel材：刘金琨著，智能控制（第2版），电子工业出版社，2012年参考书:巩敦卫，智能控制技术简明教程，国防工业出版社，2010年韩璞，智能控制理论及应用，中国电力出版社2013年孙增圻，智能控制理论与技术（第2版），清华大学出版社，2011年第一章绪论1.1.1自动控制理论的产生与发展

1788年英国Watt发明了控制蒸汽机速度的离心式调速器，这种采用机械式调节原理实现的动力机速度自动控制是自动化发展中的第一个里程碑。

1.1智能控制的产生与发展1.1.1自动控制理论的产生与发展1868年，以离心式调速器为背景，物理学家麦克斯韦尔(Maxwell)研究了反馈系统的稳定性问题，发表了目前公认的控制理论最早的理论论文——“论调速器(OnGovernors)”。随后，源自物理学与数学的自动控制理论(在当时称为自动调节原理，简称调节原理)开始逐步形成。第一章绪论1.1.1自动控制理论的产生与发展

1892年，俄国李亚普诺夫(Lyapunov)的博士论文——“论运动稳定性的一般问题”，提出了李亚普诺夫(Lyapunov)稳定理论。

1922年，美国N.Minorsky研制出用于船舶驾驶的伺服结构，提出了PID控制律。

1942年尼克尔斯Nichols提出了回路整定技术(PID整定表和设计用的尼可尔斯图)。第一章绪论1.1.1自动控制理论的产生与发展经典控制理论单输入单输出反馈系统传递函数波特图奈奎斯特图根轨迹图第一章绪论1.1.1自动控制理论的产生与发展现代控制理论具有多个相互耦合回路的多变量系统状态空间法最优控制能控性和能观性卡尔曼滤波第一章绪论1.1.1自动控制理论的产生与发展

现代控制理论面临的困难和挑战激发了对大系统、复杂系统乃至复杂巨系统的研究，并由此产生了70年代的大系统理论；而对系统论的进一步研究，使得系统和系统工程的方法受到控制科学家与工程师的日益重视。20世纪80年代产生了多变量鲁棒控制理论，该理论引人了一些有效方法，使存在不确定性因素的情况下，控制系统依然能实现期望的闭环特性。第一章绪论2023/10/24

自动控制（自动化）是一门交叉学科自适应控制非线性控制自动化科学研究混杂控制几何控制ANN控制离散动态控制理论模糊控制社会、经济、人口、环境等复杂系统社会控制论经济控制论人口控制论系统科学思想系统工程方法第一章绪论控制科学的结构1.1.2智能控制的提出传统的自动控制方法是基于被控对象精确模型的控制方式，缺乏灵活性和应变能力，适于解决线性、时不变性等相对简单的控制问题，难以解决对复杂系统的控制。在传统控制的实际应用遇到很多难解决的问题。第一章绪论2023/10/24理论与实际应用存在很大差距PID在实际应用中仍占统治地位。原因：●自动控制学科高度的交叉性、应用的广泛性；●所需数学工具难以被多数技术人员所掌握；●自动控制需要其它技术支持，如网络、计算机；●实际应用情况的复杂性、多变性、不确定性；●国内企业存在管理体制问题，技术投入力度不够。2023/10/24

随着复杂系统的不断涌现，传统控制理论越来越多地显示它的局限性。什么叫复杂系统？其特征表现为：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、多时间标度、复杂的信息模式、庞大的数据量和严格的性能指标。

2023/10/242.环境的复杂性

变化的不确定性难以辨识必须与被控对象集合起来作为一个整体来考虑。3.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。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——用微分或差分方程来描述。不能反映人工智能过程：推理、分析、学习。丢失许多有用的信息2023/10/24（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的估计克服小的、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。

自适应控制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的变化。

（3）传统的控制系统输入信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。2023/10/24◆按系统的一般行为特征定义(Albus)什么叫智能？有不同的定义：

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1.1.3智能控制的概念

2023/10/24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。2023/10/24

◆按人类的认知的过程定义(A.Meystel)

智能是系统的一个特征，当集注（FocusingAttention)、组合搜索(CombinatorialSearch)、归纳（Generalization)过程作用于系统输入，并产生系统输出时，就表现为智能。系统输入系统输出智能集中注意力组合搜索归纳FACSG2023/10/24◆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，达到最优或次优的结果。机器智能2023/10/24智能控制的定义

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1.1.3智能控制的概念

智能控制是一门交叉学科，著名美籍华人傅京逊教授1971年首先提出智能控制是人工智能与自动控制的交叉，即二元论。美国学者G.N.Saridis1977年在此基础上引入运筹学，提出了三元论的智能控制概念，即IC=AC∩AI∩OR式中各子集的含义为IC——智能控制（IntelligentControl）AI——人工智能（ArtificialIntelligence）AC——自动控制（AutomaticControl）OR——运筹学（OperationalResearch）第一章绪论基于三元论的智能控制

第一章绪论人工智能（AI）是一个用来模拟人思维的知识处理系统，具有记忆、学习、信息处理、形式语言、启发推理等功能。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。第一章绪论

三元论除了“智能”与“控制”外还强调了更高层次控制中调度、规划和管理的作用，为递阶智能控制提供了理论依据。第一章绪论2023/10/24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。

2023/10/24定义二:K.J.奥斯托罗姆则认为，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。他还认为自调节控制、自适应控制就是智能控制的低级体现。2023/10/24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。2023/10/24所谓智能控制，即设计一个控制器（或系统），使之具有学习、抽象、推理、决策等功能，并能根据环境（包括被控对象或被控过程）信息的变化作出适应性反应，从而实现由人来完成的任务。。1.1.4智能控制的发展(1)启蒙期

60年代初期，F．W．史密斯提出采用性能模式识别器来学习最优控制方法的新思想，试图利用模式识别技术来解决复杂系统的控制问题。

1965年，美国著名控制论专家扎德创立了模糊集合论，为解决复杂系统的控制问题提供了强有力的数学工具。

1966年J．M．门德尔首先主张将人工智能用于空间飞行器的学习控制系统的设计，并提出了“人工智能控制”的概念。

1971年著名学者博京逊从发展学习控制的角度首次正式提出智能控制这个新兴的学科领域。这些标志着智能控制的思想已经萌芽。第一章绪论1.1.4智能控制的发展(2)形成期从70年代初开始，傅京孙等人从控制论角度进一步总结了人工智能技术与自适应、自组织、自学习控制的关系，正式提出了智能控制就是人工智能技术与控制理论的交叉，并创立了人—机交互式分级递阶智能控制的系统结构。

1974年，英国工程师曼德尼将模糊集合和模糊语言用于锅炉和蒸汽机的控制，创立了基于模糊语言描述控制规则的模糊控制器，取得良好的控制效果。

1979年，他又成功地研制出具有了较高智能的自组织模糊控制器。模糊控制的形成和发展，对智能控制理论的形成起了十分重要的推动作用。第一章绪论1.1.4智能控制的发展(3)发展期

1982年Fox等人实现了加工车间调度专家系统；1983年Saridis把智能控制用于机器人系统；1984年LISP公司研制成功用于分布式的实时过程控制专家系统；1986年M．Lattlmer等人开发的混合专家系统控制器是一个实验型的基于知识的实时控制专家系统，用来处理军事和现代化工业中出现的控制问题。第一章绪论1.1.4智能控制的发展(3)发展期

1987年4月，美国Foxboro公司公布了新一代的IA系列智能自动控制系统，标志着智能控制系统已由研制、开发阶段转向应用阶段。80年代中后期，神经网络的研究获得了重要进展，神经网络理论和应用研究为智能控制的研究起到了重要的促进作用。第一章绪论1.1.4智能控制的发展(4)高潮期进入90年代以来，智能控制的研究势头异常迅猛，每年都有各种以智能控制为专题的大型国际学术会议在世界各地召开，各种智能控制杂志或专刊不断涌现，来自各国政府和企业的专项科研经费不断增加。1994年6月IEEE组织（国际电气电子工程师协会）在美国奥兰多召开的全球计算智能大会，将研究智能控制的重要基础——模糊系统、神经网络、进化计算三个新学科的内容综合在一起，引起了国际学术界的广泛关注。第一章绪论1.1.4智能控制的发展(4)高潮期智能控制在80年代的应用和研究主要是面向工业过程控制，90年代以来，智能控制的应用已经扩大到面向军事、高技术领域和日用家电产品等领域。第一章绪论1985年8月，IEEE在美国纽约召开了第一界智能控制学术讨论会，随后成立了IEEE智能控制专业委员会；1987年1月，在美国举行第一次国际智能控制大会，标志智能控制领域的形成。

第一章绪论2023/10/24智能控制与传统控制的关系传统控制（Conventionalcontrol）：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。智能控制（Intelligentcontrol）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框架下。2023/10/24智能控制与传统控制的差别●涉及的范围：智能控制的范围包括了传统控制的范围。有微分/差分方程描述的系统；有混合系统（离散和连续系统混合、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的不确定环境中，获得整体的优化。因此，智能控制要考虑：

故障诊断系统重构自组织、自学习能力多重目标●系统的结构：控制对象和控制系统的结合。1.2智能控制系统的主要类型

1965年L．A．扎德教授创立了模糊集合理论，为模糊