第1章 智能控制概论1

3.无人参与的智能控制系统
指 令 输 入 控制器 传感信 息分析 执 行 对象-环境 执行器 环境
问题 环境 反射 求解 建摸 响应 规划
机器人 车 传感器
机器人系统
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第三种是人们所希望的无人参与的 智能控制系统。这里被控过程是一个复 智能控制系统 杂和不确定的环境，这是要建立被控过 程的准确的数学模型，并具此采用常规 的控制方法是十分困难或几乎是不可能 的。对于复杂的环境和复杂的任务，如 何将人工智能技术中较少依赖模型的问 题求解方法与常规的控制方法相结合， 这正是智能控制要解决的问题。
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第一章
智能控制概述
第一节 智能控制的提出和发展 智能控制问题的提出 一、智能控制问题的提出 以1932年美国贝尔实验室工程师H.Nyquist发表 的有关反馈放大器的稳定性论文为标志，控制理论 学科已走过70年的发展历程。 在经典控制理论 经典控制理论中，系统的数学模型采用传递 经典控制理论 函数表示，分析方法主要是基于根轨迹法和频率法； 在现代控制理论中，系统分析的数学模型主要是状 态空间方程描述法。
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智能控制的基本概念
• 智能控制的定义一 智能控制是由智能机器自主 智能控制的定义一: 智能控制是由智能机器 智能机器自主 地实现其目标的过程。而智能机器则定义为， 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， 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。 机器。
智能控制的基本概念
• 定义四 智能控制实际只是研究与 定义四: 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 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 控制与信息处理系统的一 能的工程控制与信息处理系统的一 个新兴分支学科。 个新兴分支学科。
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复杂系统的数学模型难以通过传统的数学工具来描 复杂系统 述。就是说，采用数学工具或计算机仿真技术的传统控 制理论，已无法解决此类系统的控制问题。 从生产实践中可以看到，许多复杂的生产过程 复杂的生产过程难以 复杂的生产过程 实现的目标，可以通过熟练的操作工、技术人员或专家 的操作得到满意的控制效果。 如何有效地将熟练操作工、技术人员或专家的经验 知识和控制理论结合，去解决复杂系统的控制问题，就 是智能控制研究的目标 智能控制研究的目标。 智能控制研究的目标
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第二节 智能控制的概念和主要方法 一. 智能控制的基本概念
智能控制已经出现了相当长的一 段时间， 段时间，并且已取得了初步的应用成 但是究竟什么是“ 果.但是究竟什么是“智能”，什么是 但是究竟什么是 智能” 智能控制”等问题， “智能控制”等问题，至今仍没有统 一的定义。归纳起来， 一的定义。归纳起来，主要有如下四 种说法： 种说法：
二. 智能控制系统的构成
（一）、智能控制系统的结构 ）、智能控制系统的结构 通信接口 感知信息处理 认知 智能控制器 规划和控制
传感器 广义对象
执行器 被控对象
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智能控制系统的分层递阶结构：
组织级 协调级 识 别 执行级 对 象
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• 智能控制 智能控制：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，研究具有某些仿人智 能的工程控制与信息处理的系统理论。 • 特点：高度非线性、时变和不确定。为不确知性 特点： 系统（高度复杂性） 系统有三高三性：高度复杂性，高度不确定 性，高度（高标准）的控制性能要求。 • 传统控制是智能控制的一个组成部分，智能控制 智能控制 是传统控制最高发展形式。（目前而言） 是传统控制最高发展形式 • 研究的意义 研究的意义： 解放生产力，从繁重的体力劳动中解放出来；强 调进一步地从复杂、头痛的脑力劳动中解脱出来。
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傅京逊在 Learning Control System and Intelligent 傅京逊 Control System:An Intersection of Artificial Intelligence and Automatic Control一文中，列举了三种智能控制的例子： 1.人作为控制器的控制系统
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智能控制的基本概念
• 定义三: 智能 定义三: 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， 动控制，也是 用计算机模拟 人类智能的一 人类智能的一 个重要领域。 个重要领域。
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智能控制的基本概念
• 定义二 K.J.奥斯托罗姆则认为，把人类 定义二: 奥斯托罗姆则认为 奥斯托罗姆则认为， 具有的直觉推理和试凑法等智能加以形式 具有的直觉推理和试凑法等智能加以形式 化或机器模拟， 化或机器模拟，并用于控制系统的分析与 设计中， 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。 的智能化，这就是智能控制。 他还认为自调节控制、 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。 是智能控制的低级体现。
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三、智能控制的发展主要标志 60年代，自动控制理论和技术的发展已渐趋成熟， 1966年J.M.门德尔(Mendel) [当年发表的论文是： 门德尔(Mendel) 门德尔 Application of Artificial Intelligence Techniques to Spacecraft Problem].首先主张将人工智能用于飞船控制 系统的设计。 标志着人工智能 人工智能新技术的诞生。 人工智能 1971年著名学者傅京逊(K.S.Fu)从发展学习的角度 傅京逊(K.S.Fu) 傅京逊 首次正式提出智能控制这个新兴的学科领域。[当年发 表的论文是：[Learning Control System and Intelligent Control System:An Intersection of Artificial Intelligence and Automatic Control]
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(三)、智能控制系统研究的数学工具 三、
信号处 理形式 语言启 发 人工智能 记忆 学习
智能 控制
规划 运筹学 调度 管理 管理 协调
动力学 优化 动态反馈 动力学 动态反馈 自动控制
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随着要研究的对象和系统越来越复杂，借助于数学 模型描述和分析的传统控制理论难以解决问题。 复杂系统有如下特点： 复杂系统 (1)不确定性的模型 传统的控制是基于模型的控制，这里的模 在传统的控制理论中，线性系统理论比较 在传统的控制系统中，控制的任务要求输 (2)高度非线性 成熟,对于具有高度非线性的控制对象，虽然也 型包括控制对象和干扰模型。对于传统控制， 出为定值，或者要求输出量跟随期望的值变化， 通常认为模型已知或经过辨识可以得到。而智 有一些非线性控制方法可用，但总的来说，非 因此控制任务比较单一。而对于复杂的控制任 (3)复杂的任务要求 线性理论还很不成熟，无法广泛应用。 能控制对象的模型通常存在严重的不确定性。 务：如：智能机器人系统、复杂工业过程控制 一是模型未知或知之甚少；二是模型的结构和 系统、计算机集成制造系统、航天航空控制系 参数可能在很大的范围内变化，无论是哪种情 统、社会经济管理系统、环境及能源系统等， 况，传统的方法都难于对它们进行控制。 传统的控制理论都无能为力。
（四）、智能控制的主要功能特征 ）、智能控制的主要功能特征 1.学习能力。类似于人的学习过程。 2.适应性。适应对象的动力学特征、环境和远行条件变 化的能力。 3.容错性。对各类故障具有自诊断、屏蔽和自恢复功能。 4.鲁棒性。对环境干扰和不确定因素不敏感。 5.组织功能。即系统具有自组织和协调功能。 6.实时性。具有在线（随时）实时响应能力。 7.人机协作性。好的人机界面、通信、互助、协同工作 功能。
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前
言
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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智能控制是近三十年来发展起来的一门新兴学科。 本课程讲述智能控制的基本概念、工作原理、设计 方法和实际应用。 主要内容包括：智能控制的基本概念、模糊控制理 论基础、模糊控制系统、人工神经元网络模型、神经网 络控制论和集成智能控制系统。在深入介绍智能控制系 统设计理论和实现手段的同时，给出一些设计实例。 教材：姜长生等编. 智能控制与应用. 北京： 教材 科学出版社，2007
人控制器 指令 数据采集和计算 手及手臂的动力学 对象动力学 输出
模式识别 传感器
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2.人-机结合作为控制器的控制系统
控制器 操作员 本地计算机 远程计算机
对象--环境 远程控制器 环 境 传感器
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• 现代控制论：－－状态空间法 现代控制论：－－状态空间法 代表人物：1）庞特里亚金（俄)1961年极大值 原理；2）贝尔曼（美. Bellman)1957年，动态 规划；3）卡尔曼（ Kalman ）1959年，卡尔曼 滤波；4）李亚普诺夫稳定性理论。 • 现代控制论：（1）大系统理论－－宏观上、广 现代控制论： 度上的开拓；（2）智能控制－－微观上、深度 上的挖掘。 • 大系统理论：是用控制和信息的观点，研究各 大系统理论： 种大系统的 结构方案，总体设计中的 分解方法 和 协调等问题的技术基础理论。
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(二)、智能控制系统的特点 二 、智能控制系统的特点 1.智能控制系统一般具有以知识表示的非数学广 义模型和以数学模型表示的混合控制过程。 2. 2.智能控制器具有分层信息处理和决策机构。 3.智能控制器具有非线性和变结构的特点。 4.智能控制系统是一们新兴的边缘交叉学科，需 要更多的相关学科配合支援。。
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二、智能控制的提出与发展的几个主要时间
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1.“智能控制理论”最早是由美籍华人教授K.S.Fu (傅京孙 傅京孙)于 傅京孙 1965年提出；
2. K.S.Fu (傅京孙 于1971年提出：智能控制(IC)是人工智能(AI ) 傅京孙) 傅京孙 和自动控制理论(AC)二者的结合——二元交集结构理论 ； 2. G.N.Saridis（萨里迪斯）于1977年提出： IC是AI 、AC和运筹 （萨里迪斯） 学(OR)三者的结合——三元交集结构理论； 3.蔡自兴 蔡自兴在1986年提出：IC是AI、AC、OR和信息论 ( IT 或 IN ) 蔡自兴 四者的结合——四元交集结构理论； 4. 1985、8，世界智能控制专业委员会成立——IEEE智能控制专 业委员会； 5. 1993、5，中国第一届智能控制大会召开； 6. 1995、8，中国首届智能控制专业委员会成立；
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智能控制
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第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章
智能控制概述 专家控制与仿人智能控制 学习控制 模糊控制数学基础 模糊控制原理 遗传算法 神经网络基本理论 神经网络控制方法与应用