智能控制理论及应用-PPT课件.ppt

1、2022-3-24大家好1智能控制理论及应用智能控制理论及应用2022-3-24大家好2参考书目：参考书目：（1）周德俭，吴斌）周德俭，吴斌. 智能控制智能控制. 重庆：重庆大学出重庆：重庆大学出版社，版社，2005（2）李少远，王景成）李少远，王景成. 智能控制智能控制. 北京：机械工业北京：机械工业出版社，出版社，2005（3）李人厚）李人厚. 智能控制理论和方法智能控制理论和方法. 西安：西安电西安：西安电子科技大学出版社，子科技大学出版社，1999（4）王万森）王万森. 人工智能原理及其应用人工智能原理及其应用. 北京：电子北京：电子工业出版社，工业出版社，20002022-3-24大

2、家好3（5）蔡自兴）蔡自兴. 人工智能控制人工智能控制. 北京：化学工业出版北京：化学工业出版社，社，2005（7）沈清，胡德文，时春）沈清，胡德文，时春. 神经网络应用技术神经网络应用技术. 长长沙：国防科技大学出版社，沙：国防科技大学出版社，1993（8）方崇智，萧德云）方崇智，萧德云. 过程辨识过程辨识. 北京：清华大学北京：清华大学出版社，出版社，1988（9）舒迪前）舒迪前. 预测控制系统及其应用预测控制系统及其应用. 北京：机械北京：机械工业出版社，工业出版社，1996（6）窦振中）窦振中. 模糊逻辑控制技术及其应用模糊逻辑控制技术及其应用. 北京：北京：北京航空航天大学出版社，北

3、京航空航天大学出版社，19952022-3-24大家好4第第1章章 概论概论课程内容：课程内容：第第2章章 分级递阶智能控制分级递阶智能控制第第3章章 基于模糊推理的智能控制系统基于模糊推理的智能控制系统第第4章章 基于神经网络的智能控制技术基于神经网络的智能控制技术第第5章章 模糊神经网络模糊神经网络第第6章章 遗传算法及其应用遗传算法及其应用第第7章章 基于规则的仿人智能控制基于规则的仿人智能控制2022-3-24大家好5第第1章章 概论概论1.1 智能控制的基本概念智能控制的基本概念1.1.1 智能控制的结构理论智能控制的结构理论 智能控制（智能控制（IC：Intelligent Con

4、trol）是一门新兴的交叉学）是一门新兴的交叉学科，具有非常广泛的应用领域。智能控制这一科，具有非常广泛的应用领域。智能控制这一术语术语于于1967年由年由Leondes和和Mendel首先首先使用使用，1971年著名美籍华人科学家傅京年著名美籍华人科学家傅京孙（孙（K.S.Fu）教授从发展学习控制的角度首次）教授从发展学习控制的角度首次正式提出正式提出智能控智能控制制概念概念与建立智能控制与建立智能控制学科学科的构思。的构思。 傅京孙把智能控制概括为自动控制（傅京孙把智能控制概括为自动控制（AC：Automatic Control）和人工智能（）和人工智能（AI：Artificial Int

5、elligence）的交集，）的交集，即即IC=ACAI 这种交叉关系可用图这种交叉关系可用图1.1形象地形象地表示，它主要强调人工智能中表示，它主要强调人工智能中“智智能能”的概念与自动控制的结合。的概念与自动控制的结合。自动控制自动控制AC人工智能人工智能AI智能智能控制控制IC图图1.1 智能控制的二元结构智能控制的二元结构2022-3-24大家好6 萨里迪斯（萨里迪斯（Saridis）等从）等从机器智能机器智能的角度出发，对傅京孙的角度出发，对傅京孙的二元交集结构理论进行了扩展，引入了的二元交集结构理论进行了扩展，引入了运筹学运筹学（OR：Operations Research）并提出

6、了三元交集结构，即）并提出了三元交集结构，即IC=AIACOR自动控制自动控制AC人工人工智能智能AI智能智能控制控制IC图图1.2 智能控制的三元结构智能控制的三元结构运筹学运筹学OR 三元交集除三元交集除“智能智能”与控制之外，还强调了在更高层次控与控制之外，还强调了在更高层次控制中制中调度、规划、管理和优化调度、规划、管理和优化的作用。的作用。2022-3-24大家好7 我国学者蔡自兴教授于我国学者蔡自兴教授于1989年提出把年提出把信息论信息论（IT：Information Theory）包括进智能控制结构理论的四元论结构）包括进智能控制结构理论的四元论结构（如图（如图1.3所示），即

7、所示），即IC=AIACORIT自动控制自动控制AC人工人工智能智能AIIC图图1.3 智能控制的四元论结构智能控制的四元论结构运筹学运筹学OR信息论信息论IT2022-3-24大家好8 以上关于智能控制结构理论的不同见解中，存在着以下几以上关于智能控制结构理论的不同见解中，存在着以下几点共识：点共识： （1）智能控制是由多种学科相互交叉而形成的一门新兴）智能控制是由多种学科相互交叉而形成的一门新兴学科；学科； （2）智能控制是自动控制发展到新阶段的产物，它以人）智能控制是自动控制发展到新阶段的产物，它以人工智能和自动控制的相互结合为主要标志；工智能和自动控制的相互结合为主要标志； （3）智能

8、控制在发展过程中不断地吸收着控制论、信息）智能控制在发展过程中不断地吸收着控制论、信息论、系统论、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理论、系统论、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学、仿生学等学科的思想、方法以及新的研究成果，目前仍在学、仿生学等学科的思想、方法以及新的研究成果，目前仍在发展和完善之中。发展和完善之中。2022-3-24大家好91.1.2 智能控制的定义智能控制的定义 由于智能控制是一门新兴学科且正处于发展阶段，所以至由于智能控制是一门新兴学科且正处于发展阶段，所以至今尚无统一的定义，故有多种描述形式。今尚无统一的定义，故有多种描述形式。 从从三元交集论的角度三元

9、交集论的角度定义智能控制：它是一种应用人工智定义智能控制：它是一种应用人工智能的理论和技术以及运筹学的优化方法，并和控制理论中的方能的理论和技术以及运筹学的优化方法，并和控制理论中的方法与技术相结合，在不确定的环境中，仿效人的智能（学习、法与技术相结合，在不确定的环境中，仿效人的智能（学习、推理等），实现对系统控制的理论与方法。推理等），实现对系统控制的理论与方法。 从从系统一般行为特性系统一般行为特性出发，出发，J.S.Albus认为：智能控制是有认为：智能控制是有知识的知识的“行为舵手行为舵手”，它把知识和反馈结合起来，形成感知，它把知识和反馈结合起来，形成感知 交互式、以目标为导向的控制

10、系统。该系统可以进行规划，产交互式、以目标为导向的控制系统。该系统可以进行规划，产生有效的、有目的的行为，并能在不确定的环境中，达到预期生有效的、有目的的行为，并能在不确定的环境中，达到预期的目标。的目标。2022-3-24大家好10 从从认知过程认知过程出发出发：智能控制是一种推理计算，它能在非完智能控制是一种推理计算，它能在非完整的性能指标下，通过一些基本的操作，如归纳整的性能指标下，通过一些基本的操作，如归纳(Generalization)和组合搜索和组合搜索(Combinatorial Search)等，把表达不完善、不确定等，把表达不完善、不确定的复杂系统引向规定的目标。的复杂系统引

11、向规定的目标。 K.J.Astrom认为：把人类具有的直觉推理和试凑法等智能认为：把人类具有的直觉推理和试凑法等智能加以形式化或用机器模拟，并用于控制系统的分析与设计中，加以形式化或用机器模拟，并用于控制系统的分析与设计中，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。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。 从从控制论的角度控制论的角度出发：智能控制是驱动智能机器自主地实出发：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独立地驱动智能机器实现其目标的自动控制方法。独立地驱动智能

12、机器实现其目标的自动控制方法。 以上各种描述说明：智能控制具有认知和仿人的功能；能以上各种描述说明：智能控制具有认知和仿人的功能；能适应不确定性的环境；能自主处理信息以减少不确定性；能可适应不确定性的环境；能自主处理信息以减少不确定性；能可靠地进行规划靠地进行规划，产生和执行有目的的行为，以获取最优的控制产生和执行有目的的行为，以获取最优的控制效果。效果。1.2 智能控制的发展概况智能控制的发展概况 人们将智能控制的产生归结为二大主因，一是自动控制理人们将智能控制的产生归结为二大主因，一是自动控制理论发展之必然；二是人工智能的发展为其提供了机遇。论发展之必然；二是人工智能的发展为其提供了机遇。

13、1.2.1 智能控制的产生智能控制的产生20世纪世纪4050年代年代经典控制理论经典控制理论单输入、单输出系统单输入、单输出系统传递函数、频域法传递函数、频域法反馈控制反馈控制模拟调节器模拟调节器单机自动化单机自动化20世纪世纪6070年代年代现代控制理论现代控制理论多输入、多输出系统多输入、多输出系统状态方程、时域法状态方程、时域法最优、随机、自适应最优、随机、自适应控制控制电子计算机电子计算机机组自动化机组自动化表表1.1 自动控制理论发展阶段特征自动控制理论发展阶段特征阶段阶段时期时期理论基础理论基础研究对象研究对象分析方法分析方法研究重点研究重点核心装置核心装置应用应用第一阶段第一阶段

14、第二阶段第二阶段第三阶段第三阶段20世纪世纪80年代至今年代至今智能控制理论智能控制理论多层次、多变量系统多层次、多变量系统智能算子、多级控制智能算子、多级控制大系统、智能控制大系统、智能控制智能机器系统智能机器系统综合自动化综合自动化大家好2022-3-24大家好12开环控制开环控制确定性确定性反馈控制反馈控制最优控制最优控制随机控制随机控制自适应自适应/鲁棒控制鲁棒控制自学习控制自学习控制智能控制智能控制控制复杂性控制复杂性进展方向进展方向图图1.4 自动控制的发展过程自动控制的发展过程2022-3-24大家好13 人工智能人工智能产生于产生于20世纪世纪50年代，它是控制论、信息论、系年

15、代，它是控制论、信息论、系统论、计算机科学、神经生理学、心理学、数学以及哲学等多统论、计算机科学、神经生理学、心理学、数学以及哲学等多种学科相互渗透的结果，也是电子计算机出现并广泛应用的结种学科相互渗透的结果，也是电子计算机出现并广泛应用的结果。果。 早在早在1965年，傅京孙首先提出把基于符号操作和逻辑推理年，傅京孙首先提出把基于符号操作和逻辑推理的启发式规则用于学习控制系统，的启发式规则用于学习控制系统，Mendel教授进一步在空间飞教授进一步在空间飞行器的学习控制中应用了人工智能技术。这是人工智能的符号行器的学习控制中应用了人工智能技术。这是人工智能的符号主义（逻辑主义）学派的观点首次与

16、控制理论相结合，从而实主义（逻辑主义）学派的观点首次与控制理论相结合，从而实现智能控制的大胆尝试。现智能控制的大胆尝试。 随后智能控制的提出和发展历程，一直伴随着人工智能的随后智能控制的提出和发展历程，一直伴随着人工智能的发展而发展，人工智能作为智能控制的基础和重要组成部分，发展而发展，人工智能作为智能控制的基础和重要组成部分，它的每一个研究成果都对智能控制的发展起到了积极的推动作它的每一个研究成果都对智能控制的发展起到了积极的推动作用。用。2022-3-24大家好141.2.2 智能控制的发展智能控制的发展 1971年傅京孙提出智能控制概念，并在文章年傅京孙提出智能控制概念，并在文章“学习控

17、制系学习控制系统和智能控制系统：人工智能与自动控制的交叉统和智能控制系统：人工智能与自动控制的交叉”中归纳了中归纳了3种类型的智能控制系统：种类型的智能控制系统： （1）人作为控制器的控制系统；）人作为控制器的控制系统； （2）人）人机结合作为控制器的控制系统；机结合作为控制器的控制系统； （3）无人参与的智能控制系统。）无人参与的智能控制系统。 萨里迪斯对智能控制的发展做出了重要贡献，在萨里迪斯对智能控制的发展做出了重要贡献，在1977年出年出版了版了“随机系统的自组织控制随机系统的自组织控制”一书，并于一书，并于1979年发表了综述年发表了综述文章文章 “面向智能控制的实现面向智能控制的实

18、现”。他从控制理论发展的观点，论。他从控制理论发展的观点，论述了从通常的反馈控制到最优控制、随机控制，再到自适应控述了从通常的反馈控制到最优控制、随机控制，再到自适应控制、自学习控制、自组织控制，并最终向智能控制这个更高阶制、自学习控制、自组织控制，并最终向智能控制这个更高阶段发展的过程。他首次提出段发展的过程。他首次提出分级递阶分级递阶的智能控制结构，并在分的智能控制结构，并在分级递阶智能控制的理论和实践方面做了大量的工作。级递阶智能控制的理论和实践方面做了大量的工作。2022-3-24大家好15 奥斯特洛姆（奥斯特洛姆（ K.J. Astrom）对智能控制的发展也做出了）对智能控制的发展也

19、做出了重要的贡献。他在重要的贡献。他在1986年发表的著名文章年发表的著名文章“专家控制专家控制” ” 中，中，提出了引入人工智能中专家系统技术的一类智能控制系统。它提出了引入人工智能中专家系统技术的一类智能控制系统。它借助于借助于专家系统技术，将常规专家系统技术，将常规PID控制、最小方差控制、自适控制、最小方差控制、自适应控制等不同方法有机地结合在一起，根据不同情况分别采取应控制等不同方法有机地结合在一起，根据不同情况分别采取不同的控制策略，同时该系统还具有许多逻辑控制功能，如：不同的控制策略，同时该系统还具有许多逻辑控制功能，如：起停控制、自动切换控制、越限报警以及故障诊断等。起停控制、

20、自动切换控制、越限报警以及故障诊断等。 1985年年8月，月，IEEE在美国纽约召开了第一届智能控制学术在美国纽约召开了第一届智能控制学术研讨会，会上集中讨论了智能控制的原理和系统结构等问题。研讨会，会上集中讨论了智能控制的原理和系统结构等问题。这次会议之后不久，这次会议之后不久，IEEE控制系统学会成立了智能控制专业控制系统学会成立了智能控制专业委员会。委员会。1987年年1月，月，IEEE控制系统学会和计算机学会在美国控制系统学会和计算机学会在美国费城联合召开了智能控制的第一次国际会议，来自美、欧、日、费城联合召开了智能控制的第一次国际会议，来自美、欧、日、中以及其他国家的中以及其他国家的

21、150余位代表出席了这次学术盛会。余位代表出席了这次学术盛会。 这次会议是一个里程碑，它表明智能控制作为一门独立学这次会议是一个里程碑，它表明智能控制作为一门独立学科，正式得到国际学术界的广泛关注和认可。科，正式得到国际学术界的广泛关注和认可。2022-3-24大家好161. 模糊控制的发展历程模糊控制的发展历程 1965年美国加州大学自动控制系统专家扎德（年美国加州大学自动控制系统专家扎德（L.A.Zadah）在在信息与控制信息与控制杂志上先后发表了杂志上先后发表了“模糊集模糊集”（Fuzzy Sets）和和“模糊集与系统模糊集与系统”（Fuzzy Sets & System）等研究成果，奠

22、定）等研究成果，奠定了模糊集理论和应用研究的基础；了模糊集理论和应用研究的基础； 1968年扎德首次公开发表其年扎德首次公开发表其“模糊控制算法模糊控制算法”； 1973年他又发表了语言与模糊逻辑相结合的系统建立方法；年他又发表了语言与模糊逻辑相结合的系统建立方法； 1974年伦敦大学年伦敦大学Mamdani博士首次尝试利用模糊逻辑，成博士首次尝试利用模糊逻辑，成功地开发了世界上第一台模糊控制的蒸汽引擎；功地开发了世界上第一台模糊控制的蒸汽引擎； 1979年年T.J.Procky和和E.H.Mamdani共同提出了自学习概念，共同提出了自学习概念，使系统性能大为改善；使系统性能大为改善； 19

23、83年日本富士电机开创了模糊控制在日本的第一项商业年日本富士电机开创了模糊控制在日本的第一项商业应用应用水净化处理；水净化处理； 1987年该公司又在仙台地铁线上采用了模糊逻辑控制技术。年该公司又在仙台地铁线上采用了模糊逻辑控制技术。2022-3-24大家好172. 神经网络控制的发展历程神经网络控制的发展历程 自自1943年年McCulloch和和Pitts提出了神经元的数学模型以来，提出了神经元的数学模型以来，神经网络的研究便开始了它的艰难历程；神经网络的研究便开始了它的艰难历程； Albus在在1975年提出的年提出的CMAC神经网络模型，利用人脑记神经网络模型，利用人脑记忆模型提出了一

24、种分布式的联想查表系统；忆模型提出了一种分布式的联想查表系统； 20世纪世纪50年代至年代至70年代是神经网络研究的萧条期，但仍有年代是神经网络研究的萧条期，但仍有不少学者致力于神经网络模型的研究；不少学者致力于神经网络模型的研究； Grossberg在在1976年提出的自谐振理论（年提出的自谐振理论（ART）解决了无）解决了无导师指导下的模式分类；导师指导下的模式分类； 到了到了80年代，人工神经网络进入了发展期：年代，人工神经网络进入了发展期： 1982年，年，Hopfield提出了提出了HNN模型，解决了回归网络的学模型，解决了回归网络的学习问题；习问题； 1986年年PDP小组的研究人

25、员提出了多层前向神经网络的小组的研究人员提出了多层前向神经网络的BP学习算法，实现了有导师指导下的网络学习，从而为神经网学习算法，实现了有导师指导下的网络学习，从而为神经网络的应用开辟了广阔的前景。络的应用开辟了广阔的前景。2022-3-24大家好18 遗传算法（遗传算法（GA：Genetic Algorithms）由美国）由美国J.H.Holland博士在博士在1975年提出，从年提出，从80年代中期开始，随着人工智能的发展年代中期开始，随着人工智能的发展和计算机技术的进步逐步成熟，应用日渐增多。和计算机技术的进步逐步成熟，应用日渐增多。 可以预见，随着系统论、人工智能理论和计算机技术的发可

26、以预见，随着系统论、人工智能理论和计算机技术的发展，智能控制将会有更大的发展空间，并在实际中得到更加广展，智能控制将会有更大的发展空间，并在实际中得到更加广泛的应用。泛的应用。 智能控制作为一门新兴控制技术，目前还处于发展初期。智能控制作为一门新兴控制技术，目前还处于发展初期。基于遗传算法的智能控制，基于基于遗传算法的智能控制，基于Petri网理论的智能控制，遗传网理论的智能控制，遗传算法、神经网络和模糊控制相结合的综合优化控制等新的智能算法、神经网络和模糊控制相结合的综合优化控制等新的智能控制理论和方法在不断涌现和发展之中。控制理论和方法在不断涌现和发展之中。3. 遗传算法的发展历程遗传算法

27、的发展历程4. 智能控制的发展前景智能控制的发展前景2022-3-24大家好191.3 智能控制的应用场合和研究内容智能控制的应用场合和研究内容1.3.1 智能控制的应用场合智能控制的应用场合 智能控制是自动控制的最新发展阶段，主要用于解决传统智能控制是自动控制的最新发展阶段，主要用于解决传统控制技术与方法难以解决的控制问题。主要应用场合有：控制技术与方法难以解决的控制问题。主要应用场合有： （1）具有高度非线性、时变性、不确定性和不完全性等）具有高度非线性、时变性、不确定性和不完全性等特征，一般无法获得精确数学模型的复杂系统的控制问题；特征，一般无法获得精确数学模型的复杂系统的控制问题； （

28、2）需要对环境和任务的变化具有快速应变能力并需要）需要对环境和任务的变化具有快速应变能力并需要运用知识进行控制的复杂系统的控制问题；运用知识进行控制的复杂系统的控制问题； （3）采用传统控制方法时，必须遵循一些苛刻的线性化）采用传统控制方法时，必须遵循一些苛刻的线性化假设，否则难以达到预期控制目标的复杂系统的控制问题；假设，否则难以达到预期控制目标的复杂系统的控制问题； （4）采用传统控制方法时，控制成本高、可靠性差或控）采用传统控制方法时，控制成本高、可靠性差或控制效果不理想的复杂系统的控制问题。制效果不理想的复杂系统的控制问题。2022-3-24大家好201.3.2 智能控制的主要研究内容

29、智能控制的主要研究内容 根据智能控制基本研究对象的开放性、复杂性、多层次和根据智能控制基本研究对象的开放性、复杂性、多层次和信息模式的多样性、模糊性、不确定性等特点，其研究内容主信息模式的多样性、模糊性、不确定性等特点，其研究内容主要包括以下几个方面。要包括以下几个方面。（1）智能控制基本机理的研究）智能控制基本机理的研究（2）智能控制基本理论和方法的研究）智能控制基本理论和方法的研究 离散事件和连续时间混杂系统的分析与设计；离散事件和连续时间混杂系统的分析与设计； 基于故障诊断的系统组态理论和容错控制方法；基于故障诊断的系统组态理论和容错控制方法； 基于实时信息学习的规则自动生成与修改方法；

30、基于实时信息学习的规则自动生成与修改方法； 主要对智能控制认识论和方法论进行研究，探索人类的感主要对智能控制认识论和方法论进行研究，探索人类的感知、判断、推理和决策等活动的机理。知、判断、推理和决策等活动的机理。主要有以下几个方面的内容：主要有以下几个方面的内容：2022-3-24大家好21（3）智能控制应用的研究）智能控制应用的研究 基于推理的系统优化方法；基于推理的系统优化方法； 在一定结构模式条件下，系统有关性质（如稳定性等）在一定结构模式条件下，系统有关性质（如稳定性等）的分析方法等。的分析方法等。 基于模糊逻辑和神经网络以及软计算的智能控制方法；基于模糊逻辑和神经网络以及软计算的智能

31、控制方法； 主要是智能控制在工业过程控制、计算机集成制造系统、主要是智能控制在工业过程控制、计算机集成制造系统、机器人、航天航空等领域的应用研究。机器人、航天航空等领域的应用研究。1.4 智能控制系统组成框架及其功能特点智能控制系统组成框架及其功能特点1.4.1 智能控制系统的基本组成框架智能控制系统的基本组成框架 智能控制系统的基本组成框架如图智能控制系统的基本组成框架如图1.5所示。所示。2022-3-24大家好22通讯接口通讯接口认知认知感知信息处理感知信息处理规划和控制规划和控制传感器传感器执行器执行器广义对象广义对象指令指令智智 能能控制器控制器被控对象被控对象图图1.5 智能控制系

32、统的基本组成结构智能控制系统的基本组成结构2022-3-24大家好23 规划和控制部分是整个系统的核心，它根据给定的任务要规划和控制部分是整个系统的核心，它根据给定的任务要求反馈信息及经验知识，并进行自动搜索、推理决策、动作规求反馈信息及经验知识，并进行自动搜索、推理决策、动作规划，以便产生具体的控制信号，经执行部件作用于被控对象。划，以便产生具体的控制信号，经执行部件作用于被控对象。 现对图现对图1.5所示为智能控制系统的基本组成结构进行分析。所示为智能控制系统的基本组成结构进行分析。 在该系统中，广义对象包括通常意义下的控制对象和所处在该系统中，广义对象包括通常意义下的控制对象和所处的外部

33、环境。的外部环境。 感知信息处理部分将传感器递送的分级的、不完全的原感知信息处理部分将传感器递送的分级的、不完全的原始信息加以处理，并在学习过程中不断加以辨识、整理和更始信息加以处理，并在学习过程中不断加以辨识、整理和更新，以获得有用的信息。新，以获得有用的信息。 认知部分主要接收和存储知识、经验和数据，并对它们进认知部分主要接收和存储知识、经验和数据，并对它们进行分析和归纳，还能在学习过程中不断更新这些行分析和归纳，还能在学习过程中不断更新这些知识、经验和知识、经验和数据数据。 通讯接口除建立人通讯接口除建立人机之间的联系外，也建立系统中各模块机之间的联系外，也建立系统中各模块之间的联系。之

34、间的联系。2022-3-24大家好241.4.2 智能控制系统的主要功能特点智能控制系统的主要功能特点 智能控制系统有智能控制系统有学习学习功能、功能、适应适应功能、功能、组织组织功能三大主要功能三大主要功能特点。功能特点。（1）学习功能）学习功能 智能控制系统的学习功能指的是对一个过程或其环境的未智能控制系统的学习功能指的是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的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的估计、分类、决策和控制，从而使系统的性能得到改善。估计、分类、决策和控制，从而使系统的性能得到改善。 智能控制系统的学习能力有高低之分，智能控

35、制系统的学习能力有高低之分，低层次低层次的学习主要的学习主要指对控制对象参数的学习，指对控制对象参数的学习，高层次高层次的学习则主要指对知识的更的学习则主要指对知识的更新。新。（2）适应功能）适应功能 智能控制系统的适应功能指的是当智能控制系统的输入不智能控制系统的适应功能指的是当智能控制系统的输入不是已经学习过的样本时，照样可给出合适的输出。甚至当系统是已经学习过的样本时，照样可给出合适的输出。甚至当系统中某些部分出现故障时，系统仍能正常工作。中某些部分出现故障时，系统仍能正常工作。2022-3-24大家好25（3）组织功能）组织功能 智能控制系统的组织功能指的是对于复杂的控制任务和分智能控

36、制系统的组织功能指的是对于复杂的控制任务和分散的传感器信息，智能控制系统具有自行组织和协调的功能。散的传感器信息，智能控制系统具有自行组织和协调的功能。智能控制器可以在任务要求范围内自行决策、主动地采取行动；智能控制器可以在任务要求范围内自行决策、主动地采取行动；当出现多目标冲突时，在一定条件下，控制器有权自行裁决和当出现多目标冲突时，在一定条件下，控制器有权自行裁决和处理。处理。 一个理想的智能控制系统，除了以上三大主要功能之外，一个理想的智能控制系统，除了以上三大主要功能之外，往往还应该具有其它一些功能：如对各类故障进行自诊断、屏往往还应该具有其它一些功能：如对各类故障进行自诊断、屏蔽和自

37、恢复的容错功能；对环境干扰和不确定性因素不敏感的蔽和自恢复的容错功能；对环境干扰和不确定性因素不敏感的自适应功能和鲁棒性功能；快速的在线实时响应功能；友好的自适应功能和鲁棒性功能；快速的在线实时响应功能；友好的人人机界面，保证人机界面，保证人机通信、人机通信、人机互助的人机互助的人机协作功能等。机协作功能等。2022-3-24大家好261.5 智能控制系统的类型智能控制系统的类型 按照智能控制系统构成的原理进行分类，大致可分为以下按照智能控制系统构成的原理进行分类，大致可分为以下几类：几类： 1. 分级递阶智能控制系统分级递阶智能控制系统 2. 专家控制系统专家控制系统 3. 模糊逻辑控制系统

38、模糊逻辑控制系统 4. 神经网络控制系统神经网络控制系统 5. 遗传算法等软计算优化控制系统遗传算法等软计算优化控制系统直接专家控制系统直接专家控制系统：直接输出控制信号：直接输出控制信号间接专家控制系统间接专家控制系统：输出控制器的结构：输出控制器的结构和参数和参数 6. 仿人智能控制系统仿人智能控制系统2022-3-24大家好27 7. 集成智能控制系统集成智能控制系统 集成智能控制系统是指由几种智能控制方法或控制机理融集成智能控制系统是指由几种智能控制方法或控制机理融合在一起而构成的智能控制系统。主要有以下几类：合在一起而构成的智能控制系统。主要有以下几类： （1）模糊专家控制系统；）模

39、糊专家控制系统； （2）模糊神经网络控制系统；）模糊神经网络控制系统； （3）神经网络专家控制系统。）神经网络专家控制系统。 8. 综合智能控制系统综合智能控制系统 综合智能控制系统也称组合智能控制系统，它将智能控制综合智能控制系统也称组合智能控制系统，它将智能控制与传统控制方法有机组合、综合应用，取长补短，获取互补特与传统控制方法有机组合、综合应用，取长补短，获取互补特性，提高整体优势，以期获得人工智能和控制理论紧密结合的性，提高整体优势，以期获得人工智能和控制理论紧密结合的智能控制系统。该类控制有模糊智能控制系统。该类控制有模糊 PID 控制、模糊自适应控制、控制、模糊自适应控制、基于神经

40、网络的自适应控制等。基于神经网络的自适应控制等。2022-3-24大家好28第第2章章 分级递阶智能控制分级递阶智能控制2.1 递阶智能控制基本原理递阶智能控制基本原理2.1.1 递阶控制的基本原理递阶控制的基本原理 分级递阶智能控制（分级递阶智能控制（Hierachical Intelligent Control）是在）是在人工智能、自适应控制以及运筹学等理论的基础上逐渐发展形人工智能、自适应控制以及运筹学等理论的基础上逐渐发展形成的，是智能控制最早的理论之一。成的，是智能控制最早的理论之一。（1）大系统的基本控制结构）大系统的基本控制结构 对于复杂的大系统，由于系统阶次高、子系统相互关联，

41、对于复杂的大系统，由于系统阶次高、子系统相互关联，系统的评价指标多且有时相互矛盾，因此在分析大系统的控制系统的评价指标多且有时相互矛盾，因此在分析大系统的控制问题时，一般把大系统的控制分为互相关联的子系统的控制问问题时，一般把大系统的控制分为互相关联的子系统的控制问题来处理。根据信息交换的方式和子系统关联方式的不同，可题来处理。根据信息交换的方式和子系统关联方式的不同，可将大系统控制分为以下将大系统控制分为以下3种基本类型：种基本类型：2022-3-24大家好29集中控制系统集中控制系统 在集中控制系统中，控制中心直接控制每个子系统，每个在集中控制系统中，控制中心直接控制每个子系统，每个子系统

42、只得到整个系统的部分信息，控制目标相互独立。其子系统只得到整个系统的部分信息，控制目标相互独立。其优优点点是系统运行的有效性较高，便于分析与设计；是系统运行的有效性较高，便于分析与设计；缺点缺点是一旦控是一旦控制中心出现故障，则整个系统将瘫痪。集中控制系统的一般结制中心出现故障，则整个系统将瘫痪。集中控制系统的一般结构如图构如图2.1所示。所示。控制中心控制中心子系统子系统1子系统子系统n被控对象或过程被控对象或过程图图2.1 集中控制系统框图集中控制系统框图2022-3-24大家好30分散控制系统分散控制系统 在分散控制系统中，控制中心控制若干分散控制器，而每在分散控制系统中，控制中心控制若

43、干分散控制器，而每个分散控制器控制一个独立的控制目标，即具体的子系统。此个分散控制器控制一个独立的控制目标，即具体的子系统。此类结构的类结构的优点优点在于局部故障不至于影响整个系统，在于局部故障不至于影响整个系统，缺点缺点是全局是全局协调运行较困难。分散控制系统的一般结构如图协调运行较困难。分散控制系统的一般结构如图2.2所示。所示。控制中心控制中心分散控制器分散控制器1分散控制器分散控制器i分散控制器分散控制器n子系统子系统1子系统子系统i子系统子系统n被控对象或过程被控对象或过程图图2.2 分散控制系统框图分散控制系统框图2022-3-24大家好31递阶控制系统递阶控制系统 当系统由若干个

44、可分的相互关联的子系统构成时，可将系当系统由若干个可分的相互关联的子系统构成时，可将系统所有决策单元按照一定统所有决策单元按照一定优先级和从属关系优先级和从属关系递阶排列，同一级递阶排列，同一级各单元受到上一级的干预，同时又对下一级单元施加影响。若各单元受到上一级的干预，同时又对下一级单元施加影响。若同一级各单元目标相互冲突，则由上一级单元协调。这是一种同一级各单元目标相互冲突，则由上一级单元协调。这是一种多级多目标的结构，各单元在不同级间递阶排列，形成金字塔多级多目标的结构，各单元在不同级间递阶排列，形成金字塔形结构。形结构。 此类结构的此类结构的优点优点是全局与局部控制性能都较高，灵活性与

45、是全局与局部控制性能都较高，灵活性与可靠性好，任何子过程的变化对决策的影响都是局部性的。可靠性好，任何子过程的变化对决策的影响都是局部性的。缺缺点点是系统设计比较复杂。是系统设计比较复杂。递阶控制系统的一般结构如图递阶控制系统的一般结构如图2.3所示。所示。2022-3-24大家好32全局组织级全局组织级局部协调级局部协调级1局部协调级局部协调级m局部局部控制器控制器1局部局部控制器控制器i局部局部控制器控制器j局部局部控制器控制器n子系统子系统1子系统子系统i子系统子系统j子系统子系统n被控对象或过程被控对象或过程图图2.3 递阶控制系统框图递阶控制系统框图2022-3-24大家好33 递阶

46、控制系统主要有以下递阶控制系统主要有以下3种基本的递阶形式：种基本的递阶形式： 多重描述（多重描述（Stratified description）：主要从建模角度考）：主要从建模角度考虑；虑； 多层决策（多层决策（Multilayer decision）：把一个复杂的决策问）：把一个复杂的决策问题进行纵向分解；题进行纵向分解； 多级耦合（多级耦合（Multilevel coupling）：考虑各子系统之间的）：考虑各子系统之间的关联，将每一层的决策问题横向分解。关联，将每一层的决策问题横向分解。（2）递阶控制的基本原理）递阶控制的基本原理 递阶控制的基本原理是把一个总体问题递阶控制的基本原理是

47、把一个总体问题P分解成若干有限分解成若干有限数量的子问题数量的子问题Pi（i=1, 2 , , n）。总体问题）。总体问题P的目标是使复杂的目标是使复杂系统的总体性能指标取得极值，当不考虑各子问题之间的关联系统的总体性能指标取得极值，当不考虑各子问题之间的关联时，有时，有P1, P2, , Pn的解的解 P的解的解 这三种递阶形式可以单独或组合存在于一个大系统之中。这三种递阶形式可以单独或组合存在于一个大系统之中。2022-3-24大家好34 考虑到子问题之间因存在关联而可能产生冲突（即耦合作考虑到子问题之间因存在关联而可能产生冲突（即耦合作用），现引入一个协调参数，以解决关联产生的目标冲突。

48、用用），现引入一个协调参数，以解决关联产生的目标冲突。用( )iP 代替代替Pi，有，有0*12( ),( ),( )nPPP的解的解 P的解的解 递阶控制的协调问题便是选择适当的递阶控制的协调问题便是选择适当的 ，从初值，从初值 通过迭通过迭代到达终值代到达终值 ，使递阶控制达到最优。，使递阶控制达到最优。0* 递阶系统协调控制的任务是使大系统中的各子系统相互协递阶系统协调控制的任务是使大系统中的各子系统相互协调、配合、制约、促进。从而在实现各子系统的子目标、子任调、配合、制约、促进。从而在实现各子系统的子目标、子任务的基础上，实现整个大系统的总目标、总任务。务的基础上，实现整个大系统的总目

49、标、总任务。2022-3-24大家好352.1.2 分级递阶智能控制系统的基本结构分级递阶智能控制系统的基本结构 在设计一个复杂系统时，都是从最下层（包括过程在内的在设计一个复杂系统时，都是从最下层（包括过程在内的直接控制装置）开始，然后再逐步增加高层的决策控制单元，直接控制装置）开始，然后再逐步增加高层的决策控制单元，以增加系统的复杂性并逐步扩展其功能，一个复杂系统很自然以增加系统的复杂性并逐步扩展其功能，一个复杂系统很自然地隐含了内在的递阶形式。地隐含了内在的递阶形式。 由萨里迪斯提出的分级递阶智能控制理论按照由萨里迪斯提出的分级递阶智能控制理论按照“精度随智精度随智能提高而降低能提高而降

50、低”（ IPDI，Increasing Precision with Decreasing Intelligence）原则分级管理系统，它由）原则分级管理系统，它由组织级组织级、协调级协调级、执行执行级级组成，如图组成，如图2.4所示。所示。 在递阶控制系统中在递阶控制系统中应用智能控制应用智能控制便形成了分级递阶智能控便形成了分级递阶智能控制。分级递阶智能控制系统的结构与一般的分级递阶控制系统制。分级递阶智能控制系统的结构与一般的分级递阶控制系统的结构形式基本相同，其差别主要在于递阶智能控制采用智能的结构形式基本相同，其差别主要在于递阶智能控制采用智能控制器，它能够利用人工智能的原理与方法，