智能控制概论(第一章)

能够实现自动控制的系统就可称为自动控制系统, 由控制
装置和被控对象组成。
1.3.2 复杂系统
1）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。
2）环境的复杂性
环境参数变化的不确定性、 难以辨识、 必须与被控 对象集合起来作为一个整体来考虑。
1.4 智能控制的定义、组成与研究内容
智能控制的核心问题是如何解决智能的模拟问题，即
将人类的智能（学习、探索等能力）引入到控制系统，使
其具有识别、决策、判断等功能，从而构成完善的控制系 统，即控制的高级阶段——智能控制。
实现的方法是将控制论与自动机、神经网络、脑模型、
仿生学、人工智能等学科相结合，也就形成智能控制的多 种方法和途径，其中最主要的是人工智能。 AI, broadly defined, is concerned with intelligent behavior in artifacts. Intelligent behavior, in turn, involves perception, reasoning, learning, communicating, and acting in complex environments.
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。
1.3.3
传统控制理论的局限性
复杂系统涌现使得传统控制理论显示出其局限性。
（1）传统的控制理论建立在精确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。
控 制 论
运 筹 学
信 息 论
计 算 机 科 学
管 理 科 学
支持基础
自动控制（自动化）是一门交叉学科
第一章 绪论
1.1 控制论和应用范围
1.2 控制理论和应用发展的概况
1.3 传统控制理论及局限性
1.4 智能控制的组成、定义与研究内容
1.5 智能控制与传统控制的关系和差别
1.6 智能与智能控制的定义 1.7 智能控制研究的主要内容 1.8 智能控制的分类
1.2 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。 1）20~60年代——反馈控制理论，形成经典控制理论， 著名的控制科学家有：Black, Nyquist, Bode.实现单机自 动化。 2） 50~60年代——多变量控制为特征的现代控制理论 （ Kalman 滤波器, Pontryagin 极大值原理, Bellman 动态 规划和 Lyapunov 稳定性理论）。实现机组自动化。 3） 70年代——以分解和协调为基础形成了大系统控制理 论和智能控制理论,用于复杂系统的控制（递阶控制理论、 分散控制理论等）。主要用于资源管理、交通控制、环境 保护等实现综合自动化。
（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）；热工量（温度、 流量、压力、物位及成分等） 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。
1.3.1 自动控制系统简介
自动控制是指在没有人直接参与的情况下, 利用自动 化设备(称控制装置或控制器), 使机器、 设备或生产过
程(统称被控对象)的某个工作状态或参数(即被控量)自动
地按照预定的规律运行。
系统是指按照某些规律结合在一起的物体(元部件)的
组合, 它们相互作用、相互依存, 并能完成一定的任务。
控制：为了改善或发展某个或某些对象的功能，需要
获得并使用信息，以这种信息为基础而形成的加于对象上 的作用。 控制具有三个基本条件：
1）一定的因果关系
2）有目的，即预期的效果 3）有能动作用，以促使目的的实现 控制系统：由施控者、受控者和传递线路组成，相对 于环境具有控制功能与行为的系统。
飞机俯仰角控制平示意图
1.1 控制论和应用范围
40~50年代，出现了一系列崭新的科学技术和有关理论， 包括电子计算机、控制论、信息论、系统工程、运筹学与一
般系统理论等。
各自向纵深又相互渗透，又形成一系列的新的横断学科。 我国在50年代前后将这些学科介绍过来并进行研究，主 要应用于研制原子弹、人造卫星、导弹等。 与基础学科有着重要的关系： 1）形成是以基础学科的研究成果为理论前提； 2）必须进行方法论的研究。
“闭环”的含义——将输出信号通过测量元件反馈到系统
的输入端，通过比较、控制来减小系统误差。
弹簧管压力计
（二）按系统的控制作用来分类
1、恒值控制系统（自动调节系统、自镇定系统） 特点：输入信号是一个恒定的数值。 2、程序控制系统 特点：输入信号是已知的函数。系统的控制过程按预定程
序进行，要求被控量能迅速准确地复现输入。
以上控制理论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（fieldbus）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 种小批量 变品种变批量 品
1.4 .1 人工智能（AI： Artificial Intelligence ）
1956年夏由美国学者麦卡锡、朗彻斯特、明斯基和香侬等在 达特劳斯大学（Dartmouth）举办的研讨会，主要讨论用机器模 拟人类智能的问题，标志着人工智能学科的诞生。 首要的成就是下棋程序（1959年赛缪尔编制的跳棋机）。塞 缪尔被称为“机器学习之父”，被认为是计算机游戏的先驱。 AI 的应用:
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。
1.3 传统控制理论及局限性
例
设 定 水 位
水箱水位控制系统
调 节 器 杠 杆
控 制 量
偏 差 量
+
-
执 行 器 变 送 器 浮 球
调 节 位 移
调 节 阀
进 水 量
水 箱
实 际 水 位
测量水位
( )
( )

自动控制系统组成方框图
偏 差 值 操 作 值
给定值
反 馈 值
控 制 器
执 行 机 构
调节机构
受控 对象
被控量
测量、变送元件
恒值控制系统可看成输入等于常值的过程控制系统。 3、随动系统（或称伺服系统） 特点：输入信号是一个未知函数。要求系统的输出量跟随 输入信号变化。 如：火炮自动跟踪系统。
（三）按系统传输信号的性质来分类 1、连续系统：各部分信号是模拟的连续函数。工业中普遍 采用的PID调节器控制的系统。 2、离散系统：系统的某一处或几处信号以脉冲序列或数字 形式传递的控制系统。系统中用脉冲开关或采样开关，将连 续信号转变为离散信号。 其中离散信号以脉冲形式传递的系统又叫脉冲控制系统， 离散信号以数字形式传递的系统又叫数字控制系统。 （四）按描述系统的数学模型不同来分类 1、线性控制系统:输入与输出成正比、可用叠加原理、用线 性数学模型描述； 2、非线性控制系统：输入与输出不成正比、不可用叠加原 理、用非线性数学模型描述。
自动控制系统的分类
（一）按信号的传递路径来分类 1、开环控制系统（open-loop control system）
特点：系统的输出端与输入端不存在反馈，输出量对系统
的控制作用不发生影响的系统。 2、闭环控制系统（反馈控制系统，closed-loop control system） 特点：系统输出信号与测量元件之间存在反馈回路。
AI重点领域
广义讲, 它包括全部计算机科学
-- 问题求解: 搜索和问题归约
-- 逻辑推理与定理证明:
对事实数据库操作, “证明”断定 -- 自然语言处理: 理解语言
自动程序设计
-- 学习 -- 机器视觉 -- 专家系统, 知识工程 -- 工程应用: 诊断, 设计, 控制
1.4 .2 智能控制（IC： Intelligent Control ）
语言处理
定理证明
Natural Language Processing
Theorem Proving
智能数据检测 Intelligent Data Detection
视觉系统
Vision System
问题求解 Problem Solving 自动程序设计 Automatic Programming

扰动
θ0
给 定 装 置
uΔ θ
uθ
放 大 器
舵 机
飞 机
θ
反馈电 位器 垂直 陀螺仪
飞机俯仰角控制系统方框图
20世纪初在美国等国家开始采用PID调节器。布莱克首
先运用反馈概念说明电子放大器输出信号经变换后回送到输
入端的电路原理（1927）。 反馈原理的研究和运用是系统与控制科学中永恒的主题。 反馈（feedback）：正反馈和负反馈； 前馈（feed forward）：较大的复杂系统扰动可测的；