智能控制技术概论 课件 第1章智能控制技术介绍

智能控制技术介绍智能控制技术智能制造系统概述5MIE分析法智能控制技术1智能制造系统概述智能制造系统概述5MIE分析法智能控制技术生物与人类思维行为的直观映射基础的环境感知与行为决策高级的环境认知与策略规划复杂多变环境下的明智选择与优化调控一种卓越的能力，即能够高效地捕获信息、实现信息的精准传递与处理、促进信息的再生与利用，从而在既定的环境中精准达成预设目标。智能智能制造系统概述5MIE分析法智能控制技术智能控制是如何构成的三元结构模型人工智能作为知识处理的智能系统，具备记忆存储、学习进化、信息处理及启发式推理等强大功能；自动控制运筹学通过动态反馈机制精准描述系统的动力学特性；擅长运用量化优化策略解决复杂的调度、规划及多目标决策问题。智能控制不仅融合了人工智能的技术与理论、运筹学的优化策略，还结合了控制理论的方法与技术，在外部环境不确定性条件下，模拟人工智能的决策过程，实现对系统的有效控制。智能控制起源与演化5MIE分析法智能控制技术2智能控制起源与演化智能控制起源与演化5MIE分析法H.Nyquist发表关于反馈放大器稳定性的开创性论文以来，控制理论领域已历经数十载的辉煌历程。一智能控制技术1932年随着科学技术的飞速发展与系统复杂性的日益提升，经典控制理论逐渐显露出其局限性，难以有效应对多变量、非线性及时变系统的挑战。智能控制起源与演化5MIE分析法二智能控制技术20世纪60年代人类探索宇宙空间的迫切需求与计算机技术的迅猛崛起，现代控制理论应运而生。庞特里亚金的极大值原理贝尔曼的动态规划理论卡尔曼的线性滤波与估计理论最优控制系统辨识自适应控制智能控制起源与演化5MIE分析法二智能控制技术高度复杂系统的不断涌现，传统基于精确数学模型的控制方法逐渐显得力不从心。在处理不确定性系统、高度非线性系统及复杂多任务控制需求时，传统控制理论往往难以胜任。智能控制起源与演化5MIE分析法三智能控制技术智能控制技术应运而生并迅速发展壮大。随着人工智能、计算机网络技术及云计算等高新技术的蓬勃发展，智能控制技术的应用领域不断拓展与深化机器人控制领域复杂工业过程控制智能电网管理智能交通系统构建智慧城市运营智能控制概念形成5MIE分析法智能控制技术3智能控制起源与演化智能控制起源与演化5MIE分析法首次提出将人工智能的启发式推理规则引入学习系统。一智能控制技术1965年美国普渡大学的K.S.Fu教授智能控制起源与演化5MIE分析法二智能控制技术1966年J.M.Mendel引入“人工智能控制”概念1967年首次采用“智能控制”术语探索了记忆、目标分解等技术在学习控制系统中的应用。智能控制起源与演化5MIE分析法三智能控制技术1971年K.S.Fu教授强调，针对智能控制问题，应并行探索两种路径。运用严格数学方法开发新工具。借鉴人工智能启发式思想。同年，Fu教授还从学习控制视角定义了智能控制学科，并界定了三种智能控制系统类型：人作为控制器、人机结合控制及无人自主控制。智能控制起源与演化5MIE分析法四智能控制技术分级递阶智能控制结构G.N.Saridis（萨里迪斯）进一步提出了分级递阶智能控制结构该结构自上而下划分为组织级、协调级与执行级，每级各司其职。智能控制起源与演化5MIE分析法五智能控制技术K.J.Astrom在专家控制领域取得了显著成就，他将专家系统技术融入控制系统，开创了智能控制的新模式。智能控制起源与演化5MIE分析法四智能控制技术1985年IEEE首届智能控制学术讨论会的召开，智能控制作为一门独立学科正式确立。智能控制技术分类智能控制技术智能控制技术的分类5MIE分析法智能控制技术基于专家控制的控制方法基于模糊理论的控制方法基于神经网络的控制方法基于遗传算法的控制方法基于专家控制的控制方法5MIE分析法智能控制技术1基于专家控制的控制方法5MIE分析法智能控制技术基于专家控制的控制方法将专家系统的精髓与控制理论深度融合，旨在模拟专家在未知环境下的智能决策过程，实现对复杂系统的有效调控。一种前沿方法核心基本定义和规则框架5MIE分析法智能控制技术控制机制负责策略制定，决定何时激活特定规则；推理控制知识库执行知识间的逻辑推导与知识库匹配；汇聚了事实、判断、规则、经验及数学模型等多维度信息。IF-THEN逻辑结构基于专家控制的控制方法基本定义和规则框架5MIE分析法智能控制技术基于专家控制的控制方法专家控制方法的结构知识库系统数值算法库人机接口出口信箱入口信箱应答信箱解释信箱定时器信箱5MIE分析法智能控制技术基于专家控制的控制方法专家控制方法的结构知识库系统数值算法库人机接口位于底层，负责快速精确的数值计算；坐镇上层，主导决策协调与组织工作；知识库子系统内，信息优先级排序与队列管理机制确保了关键问题的优先处理搭建了用户与系统之间的便捷桥梁，支持参数调整、规则编辑等操作指令的高效传递。5MIE分析法智能控制技术2基于模糊理论的控制方法基于模糊理论的控制方法5MIE分析法智能控制技术基于专家控制的控制方法模糊控制理论定义基于模糊集合理论，对系统进行全面考量的一种控制策略。独特之处在于无需构建精确的数学模型，因而成为应对不确定性系统控制挑战的有效手段。5MIE分析法智能控制技术基于专家控制的控制方法模糊控制理论定义核心在于模拟人类控制经验，而非依赖精确数学模型，从而赋予了模糊控制器以一定的人类智能特性。专注于处理现实生活中广泛存在的模糊、非精确信息系统控制问题。扎德——模糊集理论模糊集理论作为逻辑计算与数值计算之间的桥梁，通过数值方法处理规则逻辑推理。逻辑值在0与1之间连续变化5MIE分析法智能控制技术基于专家控制的控制方法模糊控制框架模糊控制凭借其对精确数学模型的无依赖性，成为应对不确定性系统控制难题的理想选择。5MIE分析法智能控制技术基于专家控制的控制方法模糊控制框架需通过提升量化等级等方式优化系统性能，此举虽可增强控制精度，但也增加了规则库的复杂性与推理时间。简单的模糊处理可能导致控制精度下降与动态性能劣化。模糊PID调节器、模糊专家系统、自适应自学习模糊控制及模糊神经网络控制等逐渐受到关注。混合模糊控制策略5MIE分析法智能控制技术3基于神经网络的控制方法基于神经网络的控制方法5MIE分析法智能控制技术神经网络控制方法定义基于神经网络的控制方法神经网络通过神经元及其相互连接的权值网络，初步实现了生物神经系统功能的模拟。非映射能力并行计算能力自学习能力及鲁棒性使其在控制领域特别是非线性系统控制中得到广泛应用神经网络在系统中的作用差异神经元网络建模神经元网络控制神经网络具备逼近非线性函数的能力，因此能够有效构建非线性系统的动态模型。5MIE分析法智能控制技术神经网络控制作用基于神经网络的控制方法神经网络控制方法的定义作为被控对象的模型，在基于模型的控制结构中发挥作用；与其他智能控制策略如专家系统、模糊控制相结合，提供非参数化对象模型与推理模型支持。直接充当控制器角色；执行优化计算任务；5MIE分析法智能控制技术神经网络控制作用基于神经网络的控制方法控制作用当神经元网络应用于非线性系统控制时，其自学习与自适应特性使其与线性系统自适应控制存在诸多共通之处，部分线性系统控制结论可迁移至非线性系统。5MIE分析法智能控制技术4基于遗传算法的控制方法基于遗传算法的控制方法5MIE分析法将“优胜劣汰”的生物机制引入参数编码群体中，依据适配值函数与遗传操作筛选最优个体，不断迭代提升群体适应度，直至满足终止条件。遗传算法的定义智能控制技术最优个体即为所求参数解。基于遗传算法的控制方法5MIE分析法遗传算法的定义智能控制技术基于遗传算法的控制方法工作原理独特能在复杂空间高效全局搜索，展现高鲁棒性。遗传算法无需连续可微函数假设；适用范围广泛，且支持并行计算，加速大规模复杂问题求解；计算简便且功能强大。5MIE分析法遗传算法的特点智能控制技术基于遗传算法的控制方法参数编码操作多点并行搜索防局部最优目标函数依赖小概率寻优高效启发式搜索广泛函数适应性并行加速复杂问题优化能力强智能控制技术构成特性智能控制技术智能控制系统结构5MIE分析法智能控制技术1智能控制系统结构5MIE分析法智能控制技术智能控制系统结构智能行为作为输入至输出的映射过程，难以通过传统数学方法精确描述，故被视为不依赖于精确模型的自适应机制。能够针对外界激励输入展现出智能响应的系统。基本定义面对特定问题的输入，该系统能够生成恰当的解决方案，此类响应涉及决策与控制策略。5MIE分析法智能控制技术智能控制系统结构智能控制系统的核心组件执行器传感器感知信息处理单元规划与控制模块认知系统通信接口作为系统输出，负责对外界施加作用，需经精心协调以达成目标。负责采集环境与系统状态信息。综合分析传感器提供的观测值与系统期望值，识别环境特征，为规划与控制奠定基础。整个系统的中枢，依据任务需求与反馈信息，执行搜索、推理与动作规划，最终输出控制指令。存储并分析信息，辅助决策制定。促进人机及系统内部模块间的信息流通。5MIE分析法智能控制技术2智能控制系统特征智能控制系统特征5MIE分析法智能控制技术智能控制系统特征融合了知识表示的非数学广义模型与精确的数学模型，这种混合控制模式使得它特别适用于处理那些具有复杂性、不完全性、模糊性、不确定性和非线性特性的系统。传统的控制方法往往依赖于精确的数学模型一智能控制系统能够通过知识库中的经验规则和推理机制5MIE分析法智能控制技术智能控制系统特征二组织级协调级执行级智能控制系统通过分层信息处理与决策机制，模拟了人类的神经中枢系统和专家决策机构。负责高层次的决策规划负责中间层次的任务协调负责具体的控制动作执行5MIE分析法智能控制技术智能控制系统特征三具备非线性和变结构特性能够适应多变的环境和控制任务非线性控制智能控制系统通过引入模糊逻辑、神经网络等非线性处理方法，有效地解决了这一问题。5MIE分析法智能控制技术智能控制系统特征四展现出强大的多目标优化能力需要同时满足多个控制目标稳定性快速性准确性智能控制系统能够通过内置的优化算法和推理机制，综合考虑各个控制目标，实现整体最优控制。5MIE分析法智能控制技术3智能控制技术应用智能控制技术应用5MIE分析法智能控制技术智能控制技术应用人机一体化生产系统能够实现生产过程的自动化，更重要的是具备了自主分析与决策的能力。智能机器人能够根据生产线的实时数据和预设的生产目标，自动调整工艺参数，优化生产流程，从而大幅提高生产效率和产品质量。5MIE分析法智能控制技术智能控制技术应用工业过程监督应用通过精确设置报警阈值，利用三倍标准差法等先进的统计方法，实现对工业过程的实时监控和异常检测。一旦检测到异常