智能控制01绪论.ppt
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智能控制导论
16周，32学时
浙江20理0工7大年学9月
联系方式
• 姓 名： 任 佳 • 电 话： 13819199498 （669498） • Email: jren@zstu.edu.cn • 办公室：15号楼219
第一讲 绪论
自动控制及其发展历程 什么是智能控制 智能控制的主要方法及应用
第一节 自动控制及其发展历程
庆大学出版社 开发与应用 • 《模糊控制及其MATLAB应用》，张国良等编
– 模拟专家进行决策（推理机） – 解释机制
1.3.3 专家系统
推理机
知识库
综合数据库
Question
解 释
用
接
户
口
Answer
知识获取
专家
1.3.4 遗传算法
• 思想来源:
– Darwin的进化论 – Mendel的遗传学说
物竞天择, 适者生存
遗传:作为一种指 令遗传码封装在每 个细胞中,并以基 因的形式包含在染 色体中,每个基因 有特殊的位置并控 制某个特殊的性质
.
1.3.4 遗传算法
• 实现思路:
1. 问题编码，生成初始染色体群 2. 复制（从旧种群中选择生命力强的个体
进行复制） 3. 再生
交叉（部分内容进行互换） 变异（某个或某几个位置的内容进行跳变）
4. 循环进行直到收敛于问题的最优解。
参考书
• 《智能控制技术》，韦巍编，机械工业出版社
2000年 • 《模糊控制技术》，韩峻峰，李玉惠编著，重
模糊控制
数学方程很难提出但人们有丰富控制经验的对象
Why?
• 独特的作用:
– ［有效、便捷地］实现 和经验
的控制策略
– 不需被控对象的数学模型就可实现较好的 控制
1.3.2 神经元网络控制
它具有 • 模拟人脑神经系统智能活动的控制方学式习能力
适应能力
xp1
· 输入 ·
·
x pn
p1 p
输出
pm
How it works (1)
1.1 自动控制无处不在
自动控制作为一门科学技术，已经广泛地运用 于我们社会生活的方方面面。
家电
洗衣机智能控制 电冰箱温度控制
工业生产中
倒立摆稳定控制
机器人控制
空间机器人控制
控制器的本质
u f (y)
re
-
控制器
u 对象 y
1.2 自动控制的发展历程
经典控制理论 研究对象：单输入－单输出系统（SISO） 模 型：传递函数
现代控制理论 研究对象：多输入－多输出系统（MIMO） 模 型：状态空间表示法
智能控制、先进控制
第一阶段: 经典控制理论
• 从四十年代到五十年代末，经典控制理 论的发展与应用使整个世界的科学水平 出现了巨大的飞跃，几乎在工业、农业 、交通运输及国防建设的各个领域都广 泛采用了自动控制技术。
第二阶段 现代控制理论
机器人神经网络控制
智能控制
先进控制
• 鲁棒控制
• 预测控制
实际对象
不确定对象：一族对象
• 变结构控制以往的控控制制器 方法：对象数学模型
固－ 定结构的控制器
变结构控制： 未卜先知 变化结构的控制器
第一节小结
• 控制策略遵循的基本原则：
– 适合被控对象 – 工业需要、技术推进 －> 控制策略 – 易于实现
智能
密切相关
控制
智能系统必是控制系统 控制系统必需具有智能
第三节 智能控制的主要方法及应用
1.3 智能控制的主要方法
• 模糊控制 • 神经元网络控制 • 专家系统 • 遗传算法
1.3.1 模糊控制简介
What? How? Why?
What?---例子
• 模糊控制：用计算机去执行人的控制策略 • An Example ：模糊控制洗衣机
衣服非常脏，洗衣时间较长 衣服脏， 洗衣时间适中
衣服不太脏，洗衣时间稍短
……
？执行器
How?--- 模糊的概念
天气冷热
雨的大小
风的强弱
人的胖瘦
年龄大小
个子高低
An Example
经典集合对温度的定义
1
0.5
冷
舒适
热
14.9 15
0 5 10 15 20 25 30 35 40
1
0.5
冷
舒适
热
0 5 10 15 20 25 30 35 40
– 传统洗衣机：指令控制
指令：10分钟 水流: 强
甩干: 5分钟
What?---例子(续)
• 模糊控制洗衣机
– 把家庭主妇的智能、经验转化为自己的控制 策略
衣服很脏，洗衣时间长； 衣服不太脏，洗衣时间稍短； 棉质衣服，水流稍弱； 化纤类衣服，水流稍强；
……
模糊数学 What?---例子(续)
？ 传感器
• 现代控制理论：
– 20世纪50、60年代逐渐发展起来 – 系统描述方法：状态空间描述法 – 研究对象：多输入、多输出的复杂对象
• 主要理论及方法：
– 线性系统理论：能控性、能观性、稳定性 – 最优控制 – 自适应控制 – 系统辨识
第三阶段 先进控制、智能控制
• 20世纪70、80年代发展起来
洗衣机智能模糊控制
模糊集合对温度的定义
1 0.99 1
0.7
0.5 冷
舒适
热
0.3
0.01
05
14.9 15
10 15 20 25 30 35 40
How?
隶1 属 0.7 度 0.3
0
1
隶 属 度
0
不太脏
3
短
5
主妇经验：
衣服很脏，洗衣时间长 衣服脏，洗衣时间中 衣服不太脏，洗衣时间短
பைடு நூலகம்
脏
很脏
*
5
7
中
长
20
35
衣服程度
第二节 什么是智能控制
1.2 什么是智能控制
• 智能控制IC：Intelligent Control • 人工智能与自动控制的交集
具有模拟人类学习和自适应能力的控制系统
AI IC AC
Artificial Intelligence
Automatic Control
1.2 什么是智能控制（２）
• 强调智能与控制的结合
x1
y f (x1, x2 )
y x2
Why
• 神经网络的特点：
– 逼近任意的非线性函数 – 便于信息的并行、分布式处理和存储 – 可以实现多输入、多输出 – 能进行学习，以适应环境的变化
1.3.3 专家系统
• 能够像人类的专家那样解决某些专业 范围内的问题的智能计算机系统
– 集某些领域中几位以至几十位著名专家 的知识和经验于一体 （知识库）
洗衣时间 20*0.7+35*0.3
=24.5
洗衣时间
How?
• 输入、输出模糊化：
• 运用规则库进行决策：人的知识、经 验
• 通过反模糊化得到最终的输出：
模糊控制器
规则库
参考 输入
模糊化
模糊推理
反模糊化
输出 被控对象
Why?
• 常规控制：建立在对象的精确数学模型之上
有些对象数学 模型很难得到
熟练的操作工 人利用经验可 以控制得很好
16周，32学时
浙江20理0工7大年学9月
联系方式
• 姓 名： 任 佳 • 电 话： 13819199498 （669498） • Email: jren@zstu.edu.cn • 办公室：15号楼219
第一讲 绪论
自动控制及其发展历程 什么是智能控制 智能控制的主要方法及应用
第一节 自动控制及其发展历程
庆大学出版社 开发与应用 • 《模糊控制及其MATLAB应用》，张国良等编
– 模拟专家进行决策（推理机） – 解释机制
1.3.3 专家系统
推理机
知识库
综合数据库
Question
解 释
用
接
户
口
Answer
知识获取
专家
1.3.4 遗传算法
• 思想来源:
– Darwin的进化论 – Mendel的遗传学说
物竞天择, 适者生存
遗传:作为一种指 令遗传码封装在每 个细胞中,并以基 因的形式包含在染 色体中,每个基因 有特殊的位置并控 制某个特殊的性质
.
1.3.4 遗传算法
• 实现思路:
1. 问题编码，生成初始染色体群 2. 复制（从旧种群中选择生命力强的个体
进行复制） 3. 再生
交叉（部分内容进行互换） 变异（某个或某几个位置的内容进行跳变）
4. 循环进行直到收敛于问题的最优解。
参考书
• 《智能控制技术》，韦巍编，机械工业出版社
2000年 • 《模糊控制技术》，韩峻峰，李玉惠编著，重
模糊控制
数学方程很难提出但人们有丰富控制经验的对象
Why?
• 独特的作用:
– ［有效、便捷地］实现 和经验
的控制策略
– 不需被控对象的数学模型就可实现较好的 控制
1.3.2 神经元网络控制
它具有 • 模拟人脑神经系统智能活动的控制方学式习能力
适应能力
xp1
· 输入 ·
·
x pn
p1 p
输出
pm
How it works (1)
1.1 自动控制无处不在
自动控制作为一门科学技术，已经广泛地运用 于我们社会生活的方方面面。
家电
洗衣机智能控制 电冰箱温度控制
工业生产中
倒立摆稳定控制
机器人控制
空间机器人控制
控制器的本质
u f (y)
re
-
控制器
u 对象 y
1.2 自动控制的发展历程
经典控制理论 研究对象：单输入－单输出系统（SISO） 模 型：传递函数
现代控制理论 研究对象：多输入－多输出系统（MIMO） 模 型：状态空间表示法
智能控制、先进控制
第一阶段: 经典控制理论
• 从四十年代到五十年代末，经典控制理 论的发展与应用使整个世界的科学水平 出现了巨大的飞跃，几乎在工业、农业 、交通运输及国防建设的各个领域都广 泛采用了自动控制技术。
第二阶段 现代控制理论
机器人神经网络控制
智能控制
先进控制
• 鲁棒控制
• 预测控制
实际对象
不确定对象：一族对象
• 变结构控制以往的控控制制器 方法：对象数学模型
固－ 定结构的控制器
变结构控制： 未卜先知 变化结构的控制器
第一节小结
• 控制策略遵循的基本原则：
– 适合被控对象 – 工业需要、技术推进 －> 控制策略 – 易于实现
智能
密切相关
控制
智能系统必是控制系统 控制系统必需具有智能
第三节 智能控制的主要方法及应用
1.3 智能控制的主要方法
• 模糊控制 • 神经元网络控制 • 专家系统 • 遗传算法
1.3.1 模糊控制简介
What? How? Why?
What?---例子
• 模糊控制：用计算机去执行人的控制策略 • An Example ：模糊控制洗衣机
衣服非常脏，洗衣时间较长 衣服脏， 洗衣时间适中
衣服不太脏，洗衣时间稍短
……
？执行器
How?--- 模糊的概念
天气冷热
雨的大小
风的强弱
人的胖瘦
年龄大小
个子高低
An Example
经典集合对温度的定义
1
0.5
冷
舒适
热
14.9 15
0 5 10 15 20 25 30 35 40
1
0.5
冷
舒适
热
0 5 10 15 20 25 30 35 40
– 传统洗衣机：指令控制
指令：10分钟 水流: 强
甩干: 5分钟
What?---例子(续)
• 模糊控制洗衣机
– 把家庭主妇的智能、经验转化为自己的控制 策略
衣服很脏，洗衣时间长； 衣服不太脏，洗衣时间稍短； 棉质衣服，水流稍弱； 化纤类衣服，水流稍强；
……
模糊数学 What?---例子(续)
？ 传感器
• 现代控制理论：
– 20世纪50、60年代逐渐发展起来 – 系统描述方法：状态空间描述法 – 研究对象：多输入、多输出的复杂对象
• 主要理论及方法：
– 线性系统理论：能控性、能观性、稳定性 – 最优控制 – 自适应控制 – 系统辨识
第三阶段 先进控制、智能控制
• 20世纪70、80年代发展起来
洗衣机智能模糊控制
模糊集合对温度的定义
1 0.99 1
0.7
0.5 冷
舒适
热
0.3
0.01
05
14.9 15
10 15 20 25 30 35 40
How?
隶1 属 0.7 度 0.3
0
1
隶 属 度
0
不太脏
3
短
5
主妇经验：
衣服很脏，洗衣时间长 衣服脏，洗衣时间中 衣服不太脏，洗衣时间短
பைடு நூலகம்
脏
很脏
*
5
7
中
长
20
35
衣服程度
第二节 什么是智能控制
1.2 什么是智能控制
• 智能控制IC：Intelligent Control • 人工智能与自动控制的交集
具有模拟人类学习和自适应能力的控制系统
AI IC AC
Artificial Intelligence
Automatic Control
1.2 什么是智能控制（２）
• 强调智能与控制的结合
x1
y f (x1, x2 )
y x2
Why
• 神经网络的特点：
– 逼近任意的非线性函数 – 便于信息的并行、分布式处理和存储 – 可以实现多输入、多输出 – 能进行学习，以适应环境的变化
1.3.3 专家系统
• 能够像人类的专家那样解决某些专业 范围内的问题的智能计算机系统
– 集某些领域中几位以至几十位著名专家 的知识和经验于一体 （知识库）
洗衣时间 20*0.7+35*0.3
=24.5
洗衣时间
How?
• 输入、输出模糊化：
• 运用规则库进行决策：人的知识、经 验
• 通过反模糊化得到最终的输出：
模糊控制器
规则库
参考 输入
模糊化
模糊推理
反模糊化
输出 被控对象
Why?
• 常规控制：建立在对象的精确数学模型之上
有些对象数学 模型很难得到
熟练的操作工 人利用经验可 以控制得很好