2智能控制概论m.ppt

1、智能控制概论,课程目标 智能控制是自动控制发展的高级阶段，是人工智能、控制论、系统论和信息论等多种学科的高度综合与集成，是一门新的交叉前沿学科。 a) 重点掌握智能控制的基本思想方法 b) 注意复习自动控制理论的相关内容并与智能控制进行对比联系。,考核方式 平时作业10% 课堂讨论及综合练习20% 期末考试 70% 答疑辅导 地点：4D305 联系电话Email: ,本课程的主要内容,1. 智能控制概论,2. 专家控制,3.模糊控制,4. 神经网络控制,5.遗传算法,第1章 概论,主要内容： 智能控制的发展过程； 智能控制的重要分支； 智能控制特点、研究工具和应用,1

2、. 控制理论和应用发展的概况 2. 传统控制理论的局限性 3. 智能控制的组成、定义与研究内容 4. 智能控制与传统控制的关系和差别 5. 智能与智能控制的定义 6. 智能控制研究的主要内容 7.智能控制的分类,自动控制（自动化）是一门交叉学科,智能控制概论,1. 控制理论和应用发展的概况,控制理论的发展始于Watt飞球调节蒸汽机以后的100年。,20年代以反馈控制理论为代表，形成经典控制理论，著名的 控制科学家有：Black, Nyquist, Bode.,2. 随着航空航天事业的发展,5060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,Pontryagi

3、n 的极大值原理,Bellman 的 动态规划,和Lyapunov 的稳定性理论.,3. 70年代初,以分解和协调为基础,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、队 论等。主要用于资源管理、交通控制、环境保护等。,以上控制理论我们称之为传统控制理论。,应用上： 工厂全球化、开放化。出现柔性制造、虚拟工厂、CIMS、CIPS（Computer Integrated Processing Systems) . 现场总线技术越来越成熟、 机器人、智能自动化技术。 绿色自动化技术越来越发展。 智能制造(IM)。 企业生产的发展趋向：单件生产大批量生产多 品种小

4、批量 变品种变批量,企业自动化系统结构,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。,经典控制理论 研究的主要对象多为线性定常系统，主要解决单输入、单输出问题，研究方法主要采用以传递函数，频率特性，根轨迹为基础的频域分析法。 控制思想： 首先对机器进行“调节”，使之能稳定运行；其次则采用“反馈”的方式，使得动力学系统能够按照人们的要求精确地工作；最终是实现对系

5、统按指定目标进行的控制。,现代控制理论所研究的问题： 多输入多输出系统；非线性或分布参数特性的系统。 建模： 实现了从直接根据被控对象的物理特性的方法向建立一般化的参数估计与系统辨识理论的扩展。 计算手段： 手工计算向计算机处理的方向转变。,2.传统控制理论的局限性,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、 分布式的传感器和执行机构、 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。,思考,1、人脑的基本机能 .通过搜索解决问题 .一般不寻求最优解，而只寻找满意解

6、 .具有可变的志向水平 2、人工智能研究对象 如何用人工的方法和技术，即用各种自动机器或智能机器模仿、延伸和扩展人的智能，实现某些“机器思维”或脑力劳动自动化。,2. 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,（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

7、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。,3. 智能控制的组成、定义与研究内容,智能控制（IC）是自动控制（AC）和人工智能（AI）的交集。即：,强调智能和控制的结合。,考虑更高层次上的调度、规划和管理， 应把运

8、筹学（OR）结合进去。即：,4. 智能控制与传统控制的关系和差别, 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。,5. 智能与智能控制的定义, 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

9、系统实现最终目标。,！？,低级智能：感知环境、作出决策、控制行为,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。, 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（Focusing Attention)、组合 搜索(Combinatorial Search)、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,FA,CS,G, 按机器智能定义(Saridis),机器智能是把信息进行分析、

10、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,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. 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。,2. 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（G）、集注（FA）、和组合操作（CS），把不确定的

11、复杂系统引向规定的目标。,3. 按机器智能定义,智能控制是认知科学、多种数学编程和控制技术的结合。 它把施加于系统的各种算法和数学与语言方法融为一体。,6. 智能控制研究的主要内容, 智能控制系统基本结构和机理的研究,混合系统的建模和控制, 基于模糊集合、神经元网络、遗传算法、进化算法等 智能控制器的开发和研究。, 智能计算和软计算的开发和研究, 自组织、自学习的结构和方法的研究, 基于多代理(Multi-agent)智能控制系统 的开发和研究, 智能控制系统应用的研究,7.智能控制的分类,1. 基于规则的智能控制系统,模糊控制系统,2）基于连接的智能控制系统,神经元网络控制系统,3）混合智能

12、控制系统,模糊神经网络智能控制系统,4）基于行为的智能控制系统,由多传感器组成的各种机器人,5）基于机理的智能控制系统,遗传算法,智能控制特点,学习功能 适应功能 自组织功能 优化能力,研究工具,符号推理和数值计算的结合 模糊集理论 神经网络理论 遗传算法 离散事件与连续事件系统的结合,思考,智能控制的概念 智能控制的组成 智能控制和传统控制的特点 经典控制理论思想 人脑的基本机能,TSP问题,旅行商问题，即 TSP问题（Travelling Salesman Problem）是十分有名的难以求解的优化问题之一。,假设有一个旅行商人要拜访n个城市，他必须选择所要走的路径，路径的限制是每个城市只能拜访一次，而且最后要回到原来出发的城市，路径的选择目标是要求的路径路程为所有路径之中的最小值。,如果已知城市A，B，C，D，之间的距离为dAB，