智能控制1-绪论.

智能控制控制工程系石庆升([e-mail])0.1学习智能控制的意义《智能控制》课程体系中的位置《智能控制》是一门控制理论课程，研究如何运用人工智能的方法来构造控制系统和设计控制器。与《自动控制原理》和《现代控制原理》一起构成了自动控制课程体系的理论基础。0.1学习智能控制的意义《智能控制》在控制理论中的位置《智能控制》是目前控制理论的最高级形式，代表了控制理论的发展趋势，能有效地处理复杂的控制问题。其相关技术可以推广应用于控制之外的领域：金融、管理、土木、设计等等。0.2课程目的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；学会智能控制算法和系统的设计方法模糊控制器的组成、工作原理和设计方法；神经网络的基本概念、神经网络控制器的工作原理；熟悉智能控制的应用，特别是模糊控制的应用。0.3课程内容及安排1绪论42模糊控制的数学基础63模糊控制的基本原理64模糊控制器及控制系统设计45神经网络与神经网络控制66专家控制技术27遗传算法与应用2考核方式：考试成绩70%+平时/实验成绩30%联系方式：1862371752731-327电气与清洁能源研究室考核及答疑0.4教材及主要参考文献教材郭广颂.智能控制技术，北京航空航天大学出版社,2014参考文献[1]王耀南等编著.智能控制理论及应用.机械工业出版社2008.2[2]刘金琨编著.智能控制.电子工业出版社2005.5[3]许力编著.智能控制与智能系统.机械工业出版社2007.2[4]韩力群主编.智能控制理论及应用.机械工业出版社2008[5]蔡自兴编著.智能控制（第二版）.电子工业出版社2004[6]网络资源1绪论1.1智能控制的基本概念1.2智能控制的产生与发展1.3智能控制系统的特点1.4智能控制与传统控制的关系1.5智能控制的主要形式或分支1.6智能控制的应用领域1绪论智能控制是是人工智能、控制论、系统论和信息论等多种学科的综合与集成，是当前的一个研究热点。1绪论1.1智能控制的基本概念什么是“智能”，什么是“智能控制”?传统控制理论难以解决的复杂系统的控制问题：不确定性的模型；高度非线性；复杂的任务要求。但一些复杂的生产过程难以实现的目标控制，可以通过熟练的操作获得满意的控制效果。智能控制原理的目标：如何有效地将熟练的操作工、技术人员、专家的经验知识和控制理论结合起来去解决系统的控制问题。（采用人的智能）1绪论1.1智能控制的基本概念智能控制的概念主要是针对控制对象及其环境、目标和任务的不确定性和复杂性而提出来的。涉及的范围非常之广。智能控制目前还处于开创性的研究阶段，许多概念、理论尚处于发展之中。从总体上看，还缺乏坚实的系统化理论基础。智能控制至今仍没有统一的定义。归纳起来，主要有如下四种说法：1绪论1.1智能控制的基本概念智能控制（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。1绪论1.1智能控制的基本概念智能控制（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。1绪论1.1智能控制的基本概念智能控制（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。1绪论1.1智能控制的基本概念智能控制（定义四）:智能控制实际只是研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研制具有仿人智能的工程控制与信息处理系统的一个新兴分支学科。1绪论1.1智能控制的基本概念智能控制（IEEE定义）:智能控制必须具有模拟人类学习和自适应的能力。一般来说，一个智能控制系统要具有对环境的敏感，进行决策和控制的功能，根据其性能要求的不同．可以有各种人工智能的水平。1绪论1.1智能控制的基本概念智能控制（IEEE定义）:分析、组织数据并将数据变换为机器理解的结构化信息的能力；在复杂环境中选取优化行为，使系统能在不确定情况下继续工作的能力。具有辩识对象和事件、在客观世界模型中获取和表达知识、进行思考和计划未来行动的具有感知环境、作出决策和控制的能力高级较高简单1绪论1.1智能控制的基本概念智能控制的两个发展方向模拟人类的专家控制经验来进行控制智能控制模拟人类的学习能力来进行控制1绪论1.1智能控制的基本概念智能控制应用对象：智能控制应用的对象具备以下一些特点：不确定性的模型；高度非线性；复杂的任务要求。1绪论1.2控智能制的产生与发展智能控制是自动控制发展的一个新阶段，是经典控制理论（1932—1960）、现代控制理论（60年代以后）第三阶段。智能控制是自动控制理论发展的必然趋势人工智能为智能控制的产生提高了机遇1绪论1.2控智能制的产生与发展控制理论发展至今，可分为三个阶段：第一阶段是以上世纪40年代兴起的调节原理为标志，称为经典控制理论阶段；第二阶段以60年代兴起的状态空间法为标志，称为现代控制理论阶段；第三阶段则是80年代兴起的智能控制理论阶段。1绪论1.2控智能制的产生与发展1绪论1.2控智能制的产生与发展产生的背景经典控制理论现代控制理论智能控制理论•对由微分方程和差分方程描述的动力学系统进行控制•研究的是单变量常系数线性系统•只适用于单输入单输出控制系统(SISO)•控制对象由单输入单输出系统转变为多输人多输出系统；•系统信息的获得由借助传感器转变为借助状态模型；•研究方法由积分变换转向矩阵理论、几何方法，由频率方法转向状态空间的研究；•由机理建模向统计建模转变，开始采用参数估计和系统辨识理论•适用大型、复杂、高维、非线性和不确定性严重的对象•不依赖对象模型，适用于未知或不确定性严重的对象•具有人类智能的特征•能够表达定性的知识或具有自学习能力1绪论1.2控智能制的产生与发展智能控制的三个发展阶段现在发展期形成期萌芽期1960197019801绪论1.2控智能制的产生与发展1）萌芽期（1960－1970）从20世纪60年代起，自动控制理论和技术的发展已趋向成熟，控制界为了提高系统的的自学习能力，开始注意人工智能技术与方法应用于控制系统。1960年代初，F.W.Smiths首先采用性能模式识别器来学习最优控制方法，试图用模式识别技术来解决复杂系统的控制问题。1965年，加利福尼亚大学的扎德(L.A.Zadeh)教授提出了模糊集合理论1965年，美国的Feigenbaum着手研制世界上第一个专家系统1绪论1.2控智能制的产生与发展1）萌芽期（1960－1970）1965年，普渡大学傅京孙教授将人工智能中的直觉推理方法用于学习控制系统。1966年Mendel（门德尔）在空间飞行器学习系统中应用了人工智能技术，并提出了“人工智能控制”的概念。1967年，Leondes等人首先正式使用“智能控制”一词，并把记忆、目标分解等一些简单的人工智能技术用于学习控制系统，提高了系统处理不确定性问题的能力。这标志着智能控制的思想已经萌芽。1绪论1.2控智能制的产生与发展2）形成期（1970－1980）1970年代初，傅京孙等人从控制论的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，正式提出智能控制是人工智能技术与控制理论的交叉，并在核反应堆、城市交通的控制中成功地应用了智能控制系统。二元结构。（IC=AI∩AC）IC─智能控制(IntelligentControl);Al─人工智能(ArtificialIntelligence)：是一个知识处理系统，具有记忆、学习、信息处理、形式语言、启发式推理等功能。AC一自动控制(AutomaticControl)：描述系统的动力学特性，是一种动态反馈。1绪论1.2控智能制的产生与发展2）形成期（1970－1980）1970年代中期，智能控制在模糊控制的应用上取得了重要的进展。1974年英国伦敦大学玛丽皇后分校的E.H.Mamdani（曼德尼）教授把模糊理论用于控制领域，把扎德教授提出的IF～THEN～型模糊规则用于模糊推理，再把这种推理用于蒸汽机的自动运转中．通过实验取得良好的结果。1绪论1.2控智能制的产生与发展2）形成期（1970－1980）1977年，萨里迪斯(Saridis)提出了智能控制的三元结构定义，即把智能控制看作为人工智能、自动控制和运筹学的交叉。OR─运筹学(OperationResearch）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。1绪论1.2控智能制的产生与发展2）形成期（1970－1980）1970年代后期起，把规则型模糊推理用于控制领域的研究颇为盛行。1979年，Mandani（曼德尼）又成功研制出自组织模糊控制器，使得模糊控制器具有了较高的智能。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。1绪论1.2控智能制的产生与发展3）发展期（1980－）20世纪80年代以来，由于微机的迅速发展及人工智能的重要领域—专家系统技术的逐渐成熟，使智能控制和决策的研究及应用领域逐步扩大，并取得一批应用成果。如：1982年，Fox等人完成了一个加工车间调度的专家系统；1982年，Hopfield引用能量函数的概念，使神经网络的平衡稳定状态有了明确的判据方法，并利用模拟电路的基本元件构作了人工神经网络的硬件模型，为实现硬件奠定了基础，使神经网络的研究取得突破性进展1绪论1.2控智能制的产生与发展3）发展期（1980－）1983年萨里迪斯(Saridis)把智能控制应用于机器人系统。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，1985年，IEEE在纽约召开了第一届全球智能控制学术讨论会，标志着智能控制作为一个学科分支正式被学术界接受。会议决定，在IEEE控制系统学会下设立一个IEEE智能控制专业委员会。1绪论1.2控智能制的产生与发展3）发展期（1980－）1986年研制混合专家控制器，是一个实验型的基于知识的实时专家系统用来处理军事和现代化工业中出现的问题。1986年，Rumelhart提出多层网络的“递推”(或称“反传”)学习算法，简称BP算法，从实践上证实了人工神经网络具有很强的运算能力，BP算法是最为引人注目，应用最广的神经网络算法之一1绪论1.2控智能制的产生与发展3）发展期（1980－）1987年在费城举行的国际智能控制会议上，提出了智能控制是自动控制，人工智能、运畴学相结合或自动控制、人工智能、运畴学和信息论相结合的说法（蔡自兴的四元论）。此后，每年举行一次全球智能控制研讨会，形成了智能控制的研究热潮。1绪论1.2控智能制的产生与发展3）发展期（1980－）蔡自兴提出四元结构，把信息论也包括进去，把信息论作为智能控制结构的一个子集是基于下列理由的：1）信息论是解释知识和智能的一种手段；2）控制论、系统论和信息论是紧密相互作用的；3）信息论已成为控制智能机器的工具；4）信息熵成为智能控制的测度；5）信息论参与智能控制的全过程，并对执行级起到核心作用。1绪论1.2控智能制的产生与发展3）发展期（1980－）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。1绪论1.2控智能制的产生与发展3）发展期（1980－）90年代后的高潮期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。1