智能控制的产生与发展.ppt

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1、智能控制初步介绍智能控制初步介绍产生与发展产生与发展2主要内容主要内容v智能控制的产生和发展智能控制的产生和发展v智能控制的定义、特点智能控制的定义、特点v智能控制的主要分支智能控制的主要分支v智能控制的结构理论体系智能控制的结构理论体系3智能控制的产生和发展智能控制的产生和发展瓦特瓦特蒸汽机4智能控制的产生和发展智能控制的产生和发展5智能控制的产生和发展智能控制的产生和发展v在公元在公元17881788年前后，瓦特采用离心调速器，年前后，瓦特采用离心调速器，改进了蒸气机，促进了工业大生产的进程。改进了蒸气机，促进了工业大生产的进程。这种采用机械式调节原理实现的动力机速度这种采用机械式调节原理

2、实现的动力机速度自动控制是自动化发展中的第一个里程碑。自动控制是自动化发展中的第一个里程碑。v离心调速器开启了近代自动化控制的先河，离心调速器开启了近代自动化控制的先河，实现了自动化控制，标志着近代自动化控制实现了自动化控制，标志着近代自动化控制技术的诞生，对工业革命的影响巨大而深远。技术的诞生，对工业革命的影响巨大而深远。离心调速器结构简单，性能可靠，至今仍在离心调速器结构简单，性能可靠，至今仍在大范围使用，具有不可或缺的作用！大范围使用，具有不可或缺的作用！6智能控制的产生和发展智能控制的产生和发展v 18681868年，以离心式调速器为背景，物理学家麦克斯韦年，以离心式调速器为背景，物理

3、学家麦克斯韦尔尔(Maxwell)(Maxwell)研究了反馈系统的稳定性问题，发表了研究了反馈系统的稳定性问题，发表了目前公认的控制理论最早的理论论文目前公认的控制理论最早的理论论文-“-“论调速器论调速器(On Governors)”(On Governors)”。v 源自物理学与数学的自动控制理论源自物理学与数学的自动控制理论( (在当时称为自动在当时称为自动调节原理，简称调节原理调节原理，简称调节原理) )开始逐步形成。开始逐步形成。v 18921892年，俄国李亚普诺夫年，俄国李亚普诺夫(Lyapunov)(Lyapunov)的博士论文的博士论文-“论运动稳定性的一般问题论运动稳定性

4、的一般问题”，提出了李亚普诺夫，提出了李亚普诺夫(Lyapunov)(Lyapunov)稳定理论。稳定理论。v 19221922年，美国年，美国N.Minorsky N.Minorsky 研制出用于船舶驾驶的伺研制出用于船舶驾驶的伺服结构，提出了服结构，提出了PIDPID控制律。控制律。 v 19421942年尼克尔斯年尼克尔斯 NicholsNichols提出了回路整定技术提出了回路整定技术(PID(PID整整定表和设计用的尼可尔斯图定表和设计用的尼可尔斯图 ) )。7智能控制的产生和发展智能控制的产生和发展v长期以来，自动控制科学已对整个科学技术长期以来，自动控制科学已对整个科学技术的理论

5、和实践作出了重要贡献，并为人类社的理论和实践作出了重要贡献，并为人类社会带来了巨大利益。然而，现代科学技术的会带来了巨大利益。然而，现代科学技术的迅速发展和重大进步，对控制和系统科学提迅速发展和重大进步，对控制和系统科学提出了更新更高要求，自动控制理论和工程正出了更新更高要求，自动控制理论和工程正面临新的发展机遇和严峻挑战。面临新的发展机遇和严峻挑战。v 传统控制理论：经典反馈控制、现代控制、传统控制理论：经典反馈控制、现代控制、大系统理论等，在应用中遇到不少难题。多大系统理论等，在应用中遇到不少难题。多年来，自动控制一直在寻找新的出路。现在年来，自动控制一直在寻找新的出路。现在看来，出路之一

6、就是实现控制系统的智能化，看来，出路之一就是实现控制系统的智能化，以期解决面临的难题。以期解决面临的难题。8智能控制的产生和发展智能控制的产生和发展自动控制的发展过程自动控制的发展过程控制复杂性进展方向开环控制确定性反馈控制最优控制随机控制自适应、鲁棒控制自学习控制智能控制9智能控制的产生和发展智能控制的产生和发展v控制理论发展的三个阶段控制理论发展的三个阶段 第一阶段：经典控制理论（形成于20世纪40到60年代）。 第二阶段：现代控制理论（形成于20世纪60到70年代） 第三阶段：智能控制理论（20世纪70年代至今）10智能控制的产生和发展智能控制的产生和发展经经典典控控制制理理论论单输入单

7、输入单输出单输出反馈系统反馈系统传递函数传递函数波波 特特 图图奈奎斯特图奈奎斯特图根轨迹图根轨迹图v主要代表人物：主要代表人物：Bode, Evans, NyquistBode, Evans, Nyquist， RouthRouth，11智能控制的产生和发展智能控制的产生和发展现现代代控控制制理理论论具有多个具有多个相互耦合相互耦合回路的多回路的多变量系统变量系统状态空间法状态空间法最优控制最优控制能控性和能观性能控性和能观性卡尔曼滤波卡尔曼滤波v主要代表人物：卡尔曼主要代表人物：卡尔曼(Kalman),(Kalman),庞特里亚金(Pontryagin),Pontryagin),贝尔曼贝尔

8、曼(Bellman),(Bellman),奥斯特隆姆(Astrom)Astrom)，12智能控制的产生和发展智能控制的产生和发展智智能能控控制制理理论论复杂系统复杂系统模糊控制模糊控制进化计算进化计算神经网络神经网络v主要代表人物：主要代表人物： Zadeh Zadeh，HopfieldHopfield，J.HollandJ.Holland，13智能控制的产生和发展智能控制的产生和发展v传统控制理论面临的难题传统控制理论面临的难题 精确数学模型和复杂性、非线性、时变性、不确定性、不完全性之间的矛盾，导致无法获得精确的数学模型； 苛刻的系统假设在应用中往往与实际不相吻合； 复杂、不确定性的对象,

9、以传统方法无法解决建模问题； 为了提高性能,传统控制系统可能变得很复杂,从而增加了设备的初投资和维修费用,降低系统的可靠性； 应用要求进行创新，提出新的控制思想，进行新的集成开发，解决未知环境中复杂系统的控制问题。14智能控制的产生和发展智能控制的产生和发展v智能控制的发展智能控制的发展 1965年,著名的美籍华裔科学家傅京孙(K.S.Fu)教授首先把人工智能的启发式推理规则用于学习控制系统；然后,他又于1971年论述了人工智能与自动控制的交接关系。由于傅先生的重要贡献,他已成为国际公认的智能控制的先行者和奠基人。 模糊控制是智能控制的又一活跃研究领域。扎德(Zadeh)于1965年发表了他的

10、著名论文“模糊集合”(fuzzy sets),开辟了模糊控制的新领域。 1967年,利昂兹(Leondes)等人首次正式使用“智能控制”一词。这一术语的出现要比“人工智能”晚11年,比“机器人”晚47年。15智能控制的产生和发展智能控制的产生和发展 萨里迪斯(Saridis)对智能控制系统的分类作出贡献。他把智能控制发展道路上的最远点标记为人工智能。他认为,人工智能能够提供最高层的控制结构,进行最高层的决策。 此外，奥斯特洛姆(strm)、迪席尔瓦(de Silva)、周其鉴、蔡自兴、霍门迪梅洛(Homen de Mello)和桑德森(Sanderson)等于80年代分别提出和发展了专家控制、

11、基于知识的控制、仿人控制、专家规划和分级规划等。16智能控制的产生和发展智能控制的产生和发展v两次学术会议两次学术会议 1985年8月美国纽约，IEEE召开了第一届智能控制学术讨论会，成立IEEE智能控制专业委员会。 1987年1月美国费城，第一次智能控制国际会议。标志着智能控制作为一门独立学科，正式在国际上建立。17智能控制的产生和发展智能控制的产生和发展v国内发展状况国内发展状况全球智能控制与自动化大会全球智能控制与自动化大会1993199720002002200420062008201020122014北京西安合肥上海杭州大连重庆济南北京沈阳 成立中国人工智能学会智能控制与智能管理专业委

12、员会及智能机器人专业委员会，中国自动化学会智能自动化专业委员会等学术团体。 模式识别与人工智能、智能系统学报等学术刊物 标志着智能控制作为一门独立的新学科在我国已经建立起来了18智能控制的产生和发展智能控制的产生和发展v智能控制作为一门新学科的科学意义智能控制作为一门新学科的科学意义 为解决传统控制无法解决的问题找到了一条新途径； 促进自动控制向着更高水平发展； 激发学术界的思想解放，推动科技创新； 为实现脑力劳动和体力劳动的自动化做出贡献； 为多种学派合作树立了典范19智能控制的定义、特点智能控制的定义、特点v智能控制的定义智能控制的定义智能机器智能机器 能够在定形或不定形，熟悉或不熟悉的环

13、境中自主地或与操作人员交互作用以执行各种拟人任务的机器叫做智能机器。自动控制自动控制 自动控制是能按规定程序对机器或装置进行自动操作或控制的过程。简单地说，不需要人工干预的控制就是自动控制。20智能控制的定义、特点智能控制的定义、特点智能控制智能控制 智能控制是驱动智能机器自主地实现其目标的过程。或者说，智能控制是一类无需人的干预就能够独立地驱动智能机器实现其目标的自动控制。对自主机器人的控制就是一例。智能控制系统智能控制系统 用于驱动自主智能机器以实现其目标而无需操作人员干预的系统叫智能控制系统。这类系统必须具有智能调度和执行等能力。智能控制系统的理论基础是人工智能、控制论、运筹学和信息论等

14、学科的交叉。 21智能控制的定义、特点智能控制的定义、特点v智能控制器的一般结构智能控制器的一般结构1-智能控制系统；2-多层控制器；3-多传感系统 22智能控制的定义、特点智能控制的定义、特点v智能控制的特点智能控制的特点 同时具有以知识表示的非数学广义模型和以数学模型(含计算智能模型与算法)表示的混合控制过程。 智能控制具有分层信息处理和决策机构，核心在高层控制,即组织级。 智能控制是一门边缘交叉学科。 智能控制是一个新兴的研究领域。无论在理论上或实践上它都还很不成熟、很不完善,需要进一步探索与开发。23智能控制的定义、特点智能控制的定义、特点智能控制功能：智能控制功能：v学习功能学习功能

15、 一个系统，如能对一个过程或其环境的未知特征所固有的信息进行学习，并将得到的经验用于进一步估计、分类、决策或控制，从而使系统性能得到改善。v适应功能适应功能 智能行为实质上是一种从输入到输出的映射，一种不依赖模型的自适应估计，即使系统的某一部分出现故障时，系统也能正常工作。24智能控制的定义、特点智能控制的定义、特点v组织功能组织功能 对于复杂的任务和分散传感信息具有自行组织和协调的功能，系统具有相应的主动性和灵活性，在任务要求的范围内自行决策，主动采取行动，当出现多目标冲突时，各控制器在一定限制条件下自行解决。25智能控制的定义、特点智能控制的定义、特点智能控制的研究对象智能控制的研究对象v

16、不确定性的模型不确定性的模型 模型的不确定性包含两层意思：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。v高度的非线性高度的非线性 传统控制理论解决非线性方法复杂，有时只能定性分析。如继电器特性、磁滞回环特性、死区、饱和特性等。26智能控制的定义、特点智能控制的定义、特点v复杂的任务要求复杂的任务要求 传统控制，控制任务要求比较单一，如要求输出量恒定或要求输出量跟随期望的运动轨迹变化。如在复杂的工业过程控制系统中，除了要求对各被控物理量实现定值调节外，还要求实现整个系统的自动启停、故障的自动诊断以及紧急情况的自动处理等功能，就要用智能控制系统了。可以概括为：智能控制是“三高三性三高三性”的产物。即“控制系统的高度复杂性、高度不确定性及人们要求越来越高的控制性能”27智能控制的主要分支智能控制的主要分支v智能控制的几个主要应用研究领域智能控制的几个主要应用研究领域 智能机器人规划与控制 生产过程的智能监控 智能故障检测与诊断 自动加工系统的智能控制 飞行器的智能控制 医疗过程智能控制 智能仪器智能控制28智能控制的主要分支智能控制的主要分支v智能控制系统的分类智能控制