智能控制第1章-绪论课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,智能控制,Intelligent Control,黄从智,Email：,课程目标,解答如下问题,：,1，智能控制的历史 、现状和未来 ？,2，智能控制的主要理论分支及其技术？,3，智能控制理论及技术的具体实现？,4，智能控制理论及技术的应用领域？,课程目标,掌握智能控制的基本概念、基本理论、基本技术。,灵活运用各种智能控制算法解决实际问题。,专家控制,模糊控制,神经网络,遗传算法,学习方法,理解基本概念、基本技术和基本方法；,重点掌握各种智能控制算法的基本思想、设计步骤和程序实现方法；,理论学习+算法实现；,仿真实现+工程实践。,考试方式,作业：课堂上完成即提交。,开卷/闭卷，笔试。,题型：,选择题、简答题,计算题、分析题,教材及参考书,教 材：,刘金锟 编著. 智能控制(第2版)，电子工业出版社，2009年7月,参考书：,1 李少远，王景成 编著.智能控制.机械工业出版社，2009年,2 高隽 编著.人工神经网络原理及仿真实例(第2版).机械工业出版社，2010年,3 蔡自兴 编著. 智能控制导论. 中国水利水电出版社，2007年,4 蔡自兴 编著.智能控制原理与应用.清华大学出版社,2007年,5 韦巍,何衍编著.智能控制基础.清华大学出版社,2008年,主要内容(1),第1章 绪论(2学时),第2章 专家控制(2学时),第3章 模糊控制的理论基础(4学时),第4章 模糊控制(4学时),第5章 自适应模糊控制(课外自学),第6章 神经网络的理论基础(2学时),主要内容(2),第7章 典型神经网络(6学时),第8章 高级神经网络(课外自学),第9章 神经网络控制(2学时),第10章 遗传算法及其应用(4学时),第11章 迭代学习控制(2学时),复习(2学时) 考试(2学时),第一章 绪 论,黄从智,智能控制,Intelligent Control,第一章 绪 论,1.1,智能控制的发展过程,1.2,智能控制的几个重要分支,1.3 智能控制的特点、研究工具及其应用,Item,Definition,Data,Individual measurements from sensors,Information,Relationship among the correlated data,Knowledge,Connection among the structured information,Intelligence,Capability of utilizing knowledge,Data, Information, Knowledge, Intelligence,Data, Information, Knowledge, Intelligence,Knowledge,Information,Data,房间温度,32,理想温度,23,房间温度高,通风量不足,温度高原因,Intelligence,解决温度,高的办法,增大通风量,Data,Information,Knowledge,Intelligence,Data, Information, Knowledge, Intelligence,传统控制面临的挑战,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，往往,无法获得精确的数学模型,。,某些复杂的和包含不确定性的控制过程无法用传统的数学模型来描述，即无法解决建模问题。,针对实际系统往往需要进行一些比较苛刻的线性化假设，而这些假设往往与实际系统不相符。,实际,控制任务复杂，而传统的控制任务要求低，对复杂的控制任务如智能机器人控制、CIMS、社会经济管理系统等无能为力,。,传统控制往往不能满足某些系统的性能要求。,传统控制面临的挑战,智能控制研究对象的特点,不确定性的模型。智能控制适合于不确定对象的控制，其不确定性包括两层意思：一是模型未知或知之甚少；二是模型的结构和参数可能在很大范围内变化。,高度的非线性。,复杂的任务要求。,智能控制的二元论,1971年，傅京逊教授首先提出智能控制(IC)是人工智能(AI),和自动控制(AC)交互作用的结果, 即二元论，IC=AC,AI，,其结果图示如下：,IC,AI,AC,智能控制的三元论,1977年，美国学者G. N. Saridis在二元论的基础上引入运筹学(OR)，提出了三元论的智能控制概念，即IC=AC,AIOR,，图示如下：,AI,AC,OR,IC,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。,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。,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、推理和决策等功能，并能根据环境(包括被控对象或被控过程)信息的变化做出适应性反应，从而实现由人来完成的任务。,自动控制理论发展的高级阶段。,智能控制的四元论,Zadeh L. A.提出,的模糊集合与Hopfield J. J. 对神经网络所作出的巨大贡献给智能控制注入了新的内容。,1994年清华大学袁增任教授提出智能控制应该在三元论的基础上增加人工智能中的连接主义和模糊集合,。,AC,OR,FUZZY,AI,符号主义,连接主义,IC,FC,NC,智能控制的多元论,随着研究对象规模的进一步扩大，大系统智能控制、分级递阶智能控制、分布式问题求解等方法不断产生，而认知心理学、神经网络技术、进化论、遗传算法、混沌论等更是从更高层次上研究智能控制，从而形成了,智能控制的多元论。,控制策略的渗透与融合,变结构,V,自适应 A,PID,I,Smith S,解耦 D,预测 P,鲁棒 R,专家,E,模糊 F,神经 N,遗传 G,经典控制,现代控制,智能控制,自动控制,运筹学,信息论,计算机,生物学,人工智能,I S D A V R P F E N G,I S D A V R P F E N G,FI,模糊PID,EI,专家PID,FEI,模糊专家PID,NI,神经网络PID,GN 遗传算法,神经控制,GF 遗传算法,模糊控制,FP,模糊预测控制, ,智能控制与传统控制的关系,经典控制,主要用于分析,线性定常SISO,其分析工具是,微分方程或传递函数,。,现代控制,还可以分析,非线性时变MIMO,，其分析工具是,状态方程和输出方程,。,智能控制,是模仿人类智能所构成的一类控制策略，它可以处理,各种复杂系统,，其求解过程主要依靠,搜索、自学习、模拟进化,。,智能控制与传统控制的关系,Room,Door,智能控制与传统控制的关系,Room,Door,智能控制与传统控制的关系,Room,Door,经典控制、现代控制与智能控制,应用对象不同,：SISO；SISO和MIMO；各种复杂系统。,数学方法不同：,微分方程或传递函数；状态方程和输出方程；搜索、自学习和模拟进化等。,对被控对象数学模型的要求不同：,经典控制和现代控制均需要了解被控对象的数学模型，而智能控制则不需要详细了解被控对象的数学模型。,控制算法不同：,经典控制和现代控制基于精确的控制算法，而智能控制算法具有随机性和模糊性。,控制科学发展过程,开环控制,对象的复杂性,进展方向,确定性反馈控制,最优控制,随机控制,自适应控制,鲁棒控制,自学习控制,自组织控制,智能控制,从二十世纪60年代起，由于空间技术、计算机技术及人工智能技术的发展，控制界学者在研究自组织、自学习控制的基础上，为了提高控制系统的自学习能力，开始注意将人工智能技术与方法应用于控制中。,1966年，首先提出将人工智能技术应用于飞船控制系统的设计；,1971年，傅京逊首次提出“,智能控制,”这一概念，并归纳了三种类型的智能控制系统：,（1）,人作为控制器的控制系统,：人作为控制器的控制系统具有自学习、自适应和自组织的功能；,（2）,人机结合作为控制器的控制系统,：机器完成需要连续进行的并需快速计算的常规控制任务，人则完成任务分配、决策、监控等任务；,（3）,无人参与的自主控制系统,：多层的智能控制系统，需要完成问题求解和规划、环境建模、传感器信息分析和低层的反馈控制任务。如自主机器人。,智能控制的发展,1985年8月，IEEE在纽约召开第一届智能控制学术研讨会，主题：智能控制原理和智能控制系统。会议决定在IEEE CSS下设IEEE智能控制专业委员会。这标志着智能控制这一新兴学科研究领域的正式诞生。,1987年1月，美国费城，第一次智能控制国际会议，IEEE CSS与CS两学会主办；,1987年以来，一些国际学术组织，如IEEE、IFAC等定期或不定期举办各类有关智能控制的国际学术会议或研讨会，一定程度上反映了智能控制发展的好势头。,智能控制的发展,1991年7月，中国人工智能学会成立。,1993年7月，成都，中国人工智能学会智能机器人专 业委员会成立大会暨首届学术会议。,1993年8月，北京，全球华人智能控制与智能自动化大会。,1995年8月，天津，中国自动化学会智能自动化专业委员会成立大会暨首届中国智能自动化学术会议。,学术刊物：模式识别与人工智能(1989年创刊)、智能控制学报 (2006年创刊) 。,近年来，神经网络、模糊数学、专家系统、进化论等各门学科的发展给智能控制注入了巨大的活力，由此产生了各种智能控制方法。,智能控制的几个重要分支为,专家控制、模糊控制、神经网络控制和遗传算法,。,1.2 智能控制的几个重要分支,1.2 智能控制的几个重要分支,1.专家控制(Expert Control),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高水平难题。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,专家控制系统,。,专家系统的基本特征,人类专家与专家系统的比较,因 素,人类专家,专家系统,可用时间,工作日,全天候,地理,本地,任何可行地方,安全,不可取代,可取代,性能,变动,恒定,速度,变动,恒定(总是快些),代价,高,偿付得起,专家控制系统(Expert CS),推理机,答案,输入或提问,知识库,专家知识,1.2 智能控制的几个重要分支,2.模糊控制(Fuzzy Control),传统控制方法均是建立在被控对象精确数学模型基础上的，然而，随着系统复杂程度的提高，将难以建立系统的精确数学模型。,在工程实践中，人们发现，一个复杂的控制系统可由一个操作人员凭着丰富的实践经验得到满意的控制效果。这说明，如果通过模拟人脑的思维方法设计控制器，可实现复杂系统的控制，由此产生了模糊控制。,1965年美国加州大学伯克利分校L.A. Zadeh提出模糊集合理论，奠定了模糊控制的基础；,1974年伦敦大学的Mamdani博士利用模糊逻辑，开发了世界上第一台模糊控制的蒸汽机，从而开创了模糊控制的历史。,模糊控制(Fuzzy Control),1983年日本富士电机开创了模糊控制在日本的第一项应用水净化处理；,之后，富士电机致力于模糊逻辑元件的开发与研究，并于1987年在仙台地铁线上采用了模糊控制技术；,1989年将模糊控制消费品推向高潮，使日本成为模糊控制技术的主导国家。,模糊控制(Fuzzy Control),模糊控制 (Fuzzy Control),模,糊,化,模糊推理,清,晰,化,规则库,输入,输出,四级倒立摆的模糊控制,模糊控制的发展可分为三个阶段：,(1) 1965年-1974年为模糊控制发展的第一阶段，即模糊数学发展和形成阶段；,(2) 1974年-1979年为模糊控制发展的第二阶段，产生了简单的模糊控制器；,(3) 1979年现在为模糊控制发展的第三阶段，即高性能模糊控制阶段。,神经网络的研究已经有几十年的历史。,1943年McCulloch和Pitts提出了神经元数学模型；,1950年-1980年为神经网络的形成期，有少量成果，如1975年Albus提出了人脑记忆模型CMAC网络，1976年Grossberg提出了用于无导师指导下模式分类的自组织网络；,3.神经网络控制(Neural Network),1980年以后为神经网络的发展期，1982年Hopfield提出了Hopfield网络，解决了回归网络的学习问题，1986年美国的PDP研究小组提出了BP网络，实现了有导师指导下的网络学习，为神经网络的应用开辟了广阔的发展前景。,将神经网络引入控制领域就形成了神经网络控制。,神经网络控制是从机理上对人脑生理系统进行简单结构模拟的一种新兴智能控制方法。神经网络具有并行机制、模式识别、记忆和自学习能力的特点，它能充分逼近任意复杂的非线性系统，能够学习与适应不确定系统的动态特性，有很强的鲁棒性和容错性等，因此，神经网络控制在控制领域有广泛的应用。,遗传算法（Genetic Algorithm，简称GA）是人工智能的一个重要分支，是基于自然选择和基因遗传学原理的搜索算法，是基于达尔文进化论，在计算机上模拟生命进化论机制而发展起来的一门学科。,4. 遗传算法(Genetic Algorithm),遗传算法由美国的教授在1975年提出，80年代中期开始逐步成熟。从1985年起，国际上开始举行遗传算法国际会议。目前遗传算法已经被广泛应用于许多实际问题，成为用来解决高度复杂问题的新思路和新方法。,遗传算法可用于模糊控制规则的优化及神经网络参数及权值的学习，在智能控制领域有广泛的应用。,1.3 智能控制的特点、工具及应用,1.智能控制的特点,(1) 学习功能：,智能控制器能通过从外界环境所获得的信息进行学习，不断积累知识，使系统的控制性能得到改善；,(2) 适应功能：,智能控制器具有从输入到输出的映射关系，可实现不依赖于模型的自适应控制，当系统某一部分出现故障时，也能进行控制；,（3）自组织功能：,智能控制器对复杂的分布式信息具有自组织和协调的功能，当出现多目标冲突时，它可以在任务要求的范围内自行决策，主动采取行动。,（4）优化能力：,智能控制能够通过不断优化控制参数和寻找控制器的最佳结构形式，获得整体最优的控制性能。,1.智能控制的特点,(1) 符号推理与数值计算的结合,例如专家控制，它的上层是专家系统，采用人工智能中的符号推理方法；下层是传统意义下的控制系统，采用数值计算方法。,2.智能控制的研究工具,(2) 模糊集理论,模糊集理论是模糊控制的基础，其核心是采用模糊规则进行逻辑推理，其逻辑取值可在0与1之间连续变化，其处理的方法是基于数值的而不是基于符号的。,(3) 神经元网络理论,神经网络通过许多简单的关系来实现复杂的函数，其本质是一个非线性动力学系统，但它不依赖数学模型，是一种介于逻辑推理和数值计算之间的工具和方法。,2.智能控制的研究工具,(4) 遗传算法,遗传算法根据适者生存、优胜劣汰等自然进化规则来进行搜索计算和问题求解。对许多传统数学难以解决或明显失效的复杂问题，特别是优化问题，GA提供了一个行之有效的途径。,（5）离散事件与连续时间系统的结合,主要用于计算机集成制造系统（CIMS）和智能机器人的智能控制。以CIMS为例，上层任务的分配和调度、零件的加工和传输等可用离散事件系统理论进行分析和设计；下层的控制，如机床及机器人的控制，则采用常规的连续时间系统方法。,2.智能控制的研究工具,3. 智能控制的应用领域,智能机器人控制,工业过程控制,故障检测与诊断,飞行器的智能控制,医用智能控制,智能仪器,智能交通控制系统,机器人,模糊控制系统,智能家居系统,智能、智能控制的基本概念,智能控制的二,/,三,/,四,/,多元论,智能控制与传统控制的关系,智能控制系统的分支及应用,第一章 绪论 总 结,谢谢,