智能控制理论及其应用-第一章概述

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1.1 控制理论的几个阶段
第三阶段：大系统理论和智能控制理论
20世纪70年代末至今。控制理论向着“大系统理论”和 “智能控制”方向发展，前者是控制理论在广度上的开拓，后者 是控制理论在深度上的挖掘。 大系统理论：用控制和信息的观点，研究各种大系统的结构方 案、总体设计中的分解方法和协调等问题的技术基础理论。 智能控制：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，研制具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统。 回顾控制理论的发展历程可以看出，它的发展过程反映了 人类由机械化时代进入电气化时代，并走向自动化、信息化、 智能自动化时代。
1.3 传统控制与智能控制
传统控制和智能控制的主要区别就在于它们控制不确定性和复杂性及达到高 的控制性能的能力方面，显然传统控制方法在处理复杂性、不确定性方面能 力低且有时丧失了这种能力。相反，智能控制在处理复杂性、不确定性方面 能力高。用拟人化的方式来表达，即智能控制系统具有拟人的智能或仿人的 智能，这种智能不是智能控制系统中固有的，而是人工赋予的人工智能，这 种智能主要表现在智能决策上。 智能控制系统的核心是去控制复杂性和不确定性，而控制的最有效途径就是 采用仿人智能控制决策——控制论。 传统控制是基于被控对象精确模型的控制方式，这种方式可谓“模型论”，而 智能控制方式相对于“模型论”可称之为“控制论”，这种控制论实际上是智能 决策论。两种控制方式的基本出发点不同，导致了不同的控制效果。 传统的控制为了控制必须建模，面利用不精确的模型又采用某个固定控制 算法．使整个的控制系统置于模型框架下，缺乏灵活性．缺乏应变性，因此 很难胜任对复杂系统的控制。智能控制的核心是控制决策，采用灵活机动的 决策方式迫使控制朝着期望的目标迫近。
1.3 传统控制与智能控制
智能控制的产生来源于被控系统的高度复杂性、高度不 确定性及人们要求越来越高的控制性能，可以概括为，智能 控制是“三高三性”的产物，它的创立和发展需要对当代多种 前沿学科、多种先进技术和多种科学方法，加以高度综合和 利用。 因此，智能控制无疑是控制理论发展的高级阶段。
1.4 智能控制理论的主要特征
1.2 智能控制的产生及其发展
（2）智能控制的形成
在70年代中期前后，以模糊集合论为基础，从模仿人 的控制决策思想出发，智能控制在另一个方向——规则控 制(rule-based control)上也取得了重要的进展。 1974年，Mamdani将模糊集和模糊语言逻辑用于控 制，创立了基于模糊语言描述控制规则的模糊控制器，并 被成功地用于工业过程控制。1979年，他又成功地研制出 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，以及与人工智能中的产生式 系统、专家系统思想的相互渗透，对智能控制理论的形成 起了十分重要的推动作用。 70年代可以看作是智能控制的形成期。
1.2 智能控制的产生及其发展
（1）智能控制的孕育
从70年代初开始，傅京孙、Gloriso和Saridis等人从控 制论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，正式提出了智能控制就是人工智能技 术与控制理论的交叉，并创立了人—机交互式分级递阶智 能控制的系统结构。在核反应堆、城市交通等控制中成功 地应用了智能控制系统。这些研究成果为分级递阶智能控 制的形成奠定了基础。
维纳创立的控制论至今已半个世纪了，20世纪的后 半叶科学技术获得了突飞猛进的发展，其中计算机技 术和自动化技术这两大门类尤为突出，这两大门类构 成了信息科学的基础。 当代科学技术发展的一个重要特点是: 一方面，科学技术走向高度分化，即不断分化产生新 的学科，且学科越分越细； 另一方面，许多科学技术又走向高度综合，即许多学 科相互交叉形成新兴的边缘学科。
1.4 智能控制理论的主要特征
维纳创立控制论的直接背景，就是维纳在当时所处的时代已 经充分地认识到：在科学发展上可以得到最大收获的领域是 各种已经建立起来的部门之间的被忽视的无人区，正是这些 科学的边缘区域，给有修养的研究者提供了最丰富的机会。 正是基于这样的思想，维纳和生理学家麦克卡络、罗森布莱 特，信息论创始人申农，计算机的创始人图灵，神经学家匹 茨等进行多次讨论、切磋、交流、合作，正是在这样的环境 中，维纳才创立了“关于在动物和机器中控制和通讯的科 学”。 维纳不仅是控制论的创造人，同时他对于信息论的创立做出 了重要贡献。
自动控制专业的主要研究问题
输入 控制器 执行机构 被控对象 输出
智能控制理论及其应用
•控制器设计 •系统建模
检测环节
•检测与测量变送 •系统分析
主要参考书
1.李士勇，模糊控制.神经控制和智能控 制论，哈尔滨工业大学出版社，2000 2 . 蔡自兴，人工智能控制，化学工业出 版社，2005 3.张铭钧，智能控制技术，哈尔滨工程 大学出版社，2006 4.李人厚，智能控制理论和方法，西安 电子科技大学出版社，1999 5.刘金琨，智能控制，北京，电子工业 出版社，2009
1.2 智能控制的产生及其发展
（3）智能控制的发展
国际智能自动化学会(International Society Of Intelligent Automation，简称ISIA) 筹委会主席是模糊数学与模糊系统 的创始人L．A．Zadeh教授。筹委会第一次会议已于1995 年10月在加拿大温哥华召开。她的成立将在世界范围内对于 推动智能自动化的研究起到促进作用。 我国也十分重视智能控制理论和应用的研究。1993年在 北京召开了“全球华人智能控制与智能自动化大会”，1994年 在北京和沈阳召开了智能控制两个学术会议，1995年中国智 能自动化学术会议暨智能自动化专业委员会成立大会在天津 召开。
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1.3 传统控制与智能控制
传统控制适于解决线性、时不变等相对简单的控制问题，这 些问题用智能方法同样也可以解决。智能控制是对传统控制 理论的发展，传统控制是智能控制的一个组成部分，是智能 控制的低级阶段，在这个意义上，传统控制和智能控制可以 统一在智能控制的框架下。 智能控制系统具有拟人的智能或仿人的智能，智能主要表现 在智能决策上
1.1 控制理论的几个阶段
第二阶段：现代控制理论
20世纪60～70年代。由于计算机的飞速发展，推动了空间技术的 发展。古典控制理论中的高阶常微分方程可转化为一阶微分方程 组，用以描述系统的动态过程，即所谓状态空间法。这种方法可 以解决多输入多输出问题，系统既可以是线性的、定常的，也可 以是非线性的、时变的。主要采用状态空间（时域分析）方法。 主要代表人物：庞特里亚金于1961年发表了极大值原理； 贝尔曼(Bellman)在1957年提出了动态规则； 卡尔曼(R．E．Kalman）和布西1959年发表了关于线性滤波器和 估计器的论文，即所谓著名的卡尔曼滤波。 瑞典的奥斯特隆姆(K．J．Astrom)和法国的朗道(L．D．Landau) 教授70年代初在自适应控制理论和应用方面做出了贡献。
第1章 概述
学习目标
了解智能控制的产生与发展 了解智能控制与传统控制的关系 了解智能控制的特点、基础及其学科范畴
1.1 控制理论的几个阶段
第一阶段：古典控制理论
20世纪40～60年代，称为“古典控制理论”时期。 主要是解决单输入单输出问题。 主要采用传递函数、频率特性、根轨迹为基础的频域分析 方法。 所研究的系统多半是线性定常系统，对非线性系统，分析 时采用的相平面法一般也不超过两个变量。 主要代表人物：伯德(H．W．Bode) —1945年提出了简便 而实用的伯德图法。 伊文思(W．R．Evans) — 1948年提出了直观而又形 象的根轨迹法。
1.2 智能控制的产生及其发展
（3）智能控制的发展
美国《IEEE控制系统》杂志1991、1993～1995年多次发 表《智能控制专辑》，英国《国际控制》杂志1992年也发表了 《智能控制专辑》，日文《计测与控制》杂志1994年发表了 《智能系统特集》，德文《电子学》杂志自1991年以来连续发 表多篇模糊逻辑控制和神经网络方面的论文；俄文《自动化与 遥控技术》杂志1994年也发表了自适应控制的人工智能基础及 神经网络方面的研究论文。 如果说智能控制在80年代的应用和研究主要是面向工业过 程控制，那么90年代，智能控制的应用已经扩大到面向军事、 高技术领域和日用家电产品等领域。今天，“智能性”已经成为 衡量“产品”和“技术”高低的标准。
1.2 智能控制的产生及其发展
（3）智能控制的发展
1990年代以来，智能控制的研究势头异常迅猛。 1992年4月，美国国家自然科学基金委和美国电力研究院 联合发出《智能控制》研究项目倡议书； 1993年5月，美国IEEE控制系统学会智能控制专业委员 会成立专家小组，专门探讨智能控制领域“智能控制”的含 义； 1994年6月，在美国奥兰多召开了’94IEEE全球计算智能 大会，将模糊系统、神经网络、进化计算三方面内容综合在 一起召开，引起国际学术界的广泛关注，因为这三个新学科 已成为研究智能控制的重要基础。
1.2 智能控制的产生及其发展
（1）智能控制的孕育
1966年，Mendel进一步在空间飞行器的学习控制系统 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和Mendel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。 这就标志着智能控制的思想已经萌芽。Leabharlann 1.2 智能控制的产生及其发展
（1）智能控制的孕育
20世纪60年代初期，F．W．Smith提出采用性能模式识 别器来学习最优控制方法的新思想，试图利用模式识别技术 来解决复杂系统的控制问题。 1965年，美国著名控制论专家Zadeh创立了模糊集合论， 为解决复杂系统的控制问题提供了强有力的数学工具。 美国著名科学家Feigenbaum着手研制世界上第一个专家 系统；傅京孙首先提出把人工智能中的直觉推理方法用于学 习控制系统。