第十二章 智能控制
? 智能控制的发展与定义
? 智能控制的结构理论与特点
? 智能控制的研究领域
? 智能控制系统
? 智能控制应用示例
? 小结
2
12.1 智能控制的发展与定义
(Development and Definition of Intelligent Control)
12.1.1 智能控制的产生和发展
? 智能控制的发展
? 自动控制的发展过程
? 智能控制思潮 出现于 60年代;
? 60年代中期,自动控制与人工智能开始交接;
? 近十年来,智能控制的研究出现一股新的热潮。
3
12.1 智能控制的发展与定义
图 12-1 自动控制的发展过程
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




控制复杂性
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12.1.2 智能控制的定义 12.1 智能控制的发展与定义
?智能控制系统
能够在定形或不定形、熟悉或不熟悉的
环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。
能按规定程序对机器或装置进行自动操
作或控制的过程。
驱动智能机器自主实现其目标的过程。
用于驱动自主智能机器以实现其目标而
无需人员干预的系统叫智能控制系统。
?智能机器
?自动控制
?智能控制
5
12.2 智能控制的结构理论与特点
(Structural Theories and Feature of Intelligent Control)
12.2.1 智能控制的结构理论
1,二元结构
傅京孙 (K.S.Fu) 首先
论述了人工智能与自动控
制的交接关系,指出“智
能控制系统描述自动控制
系统与人工智能的交接作
用”。
AI ACIC
图 12-2 智能控制的二元结构
6
2,三元结构
?萨里迪斯 (Saridis)认为,二元
交集的两元互相支配无助于
智能控制的有效和成功应用,
必须把远筹学的概念引入智
能控制,使它成为三元交集
中的一个子集。
?萨里迪斯提出分级智能控制
系统,由 3个智能 (感知 )级组
成,组织级, 协调级, 执行
级 。
12.2 智能控制的结构理论与特点
图 12-3 智能控制的三元结构
AI OR
IC
CT
7
组织器
分配器
协调器 n协调器 1
硬件控制器 1 硬件控制器 n
过程 1 过程 n
图 12-4 分级智能控制系统
组织级
协调级
执行级
12.2 智能控制的结构理论与特点
8
3,四元结构
蔡自兴 提出四元智
能控制结构,把智能控
制看做自动控制、人工
智能、信息论和运筹学
四个学科的交集。
AC IC
AI
OR
IN
图 12-5 智能控制的四元结构
12.2 智能控制的结构理论与特点
9
?信息论作为智能控制结构一个子集的理由:
?信息论是解释知识和智能的一种手段;
?控制论、系统论和信息论是紧密相互作用的;
?信息论已成为控制智能机器的工具;
?信息熵成为智能控制的测度;
?信息论参与智能控制的全过程,并对执行级起
到核心作用。
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12.2.2 智能控制器的一般结构
不完全任务描述
任务协商
混合知识表示
高层规划 /控制
常规控制过程
各种驱动器
世界(环境)
各种传感器
多传感器
感知系统
图 12-6 智能控制器的一般结构
12.2 智能控制的结构理论与特点
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12.2.3 智能控制的特点
?智能控制以知识进行推理,以启发引导求解过程。
?智能控制的核心在高层控制,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。
12.2 智能控制的结构理论与特点
12
12.3 智能控制的研究领域
(Research Fields of Intelligent Control)
?智能机器人
随着机器人技术的发展和自动化程度的提高,对
机器人的功能提出更高的要求,特别是各种具有
不同程度智能的机器人,包括空间智能机器人。
?智能过程控制与规划
差异过程规划;生成过程规划;基于知识的过程
规划。
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?专家控制系统
?智能调度
?语音控制
?康复机器人控制
?智能仪器
12.3 智能控制的研究领域
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12.4 智能控制系统
(Intelligent Control Systems)
12.4.1 递阶控制系统
?递阶智能控制 (hierarchically intelligent control)是
从工程控制论的角度总结人工智能与自适应、自学
习和自组织控制的关系之后而逐渐地形成的,是智
能控制的最早理论之一。
?两种分级递阶控制理论, 基于知识 /解析混合多层
智能控制理论以及递阶智能控制理论。
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1,定义与假设
智能控制系统各级的共同要素涉及机器各种作用
的不确定性,采用概率模型来描述这些具有共同度量
的作用,即它们各自的熵 (entropies)。
?组织级,以知识为主体,用香农熵来衡量所需知识。
?协调级,以概率描述的决策方式来表示,这些方案
的熵用于度量协调的不确定性。
?执行级,执行代价等价于系统所消耗的能量,并由
Boltzman的熵来表示。
12.4 智能控制系统
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2,组织级与知识基系统
组织器 (organizer)是智能控制的最高级,它的功
能是建立在几个人工智能 (基于知识 )概念基础上的。
这些概念转换为概率模型,表示推理、规划、决策、
长时记忆交换和反馈学习等功能,以规定一个响应外
部指令的任务。
12.4 智能控制系统
机器推理 机器规划 机器决策 协调级
长期存储交换单元
自顶向下 自底向上
uj
规划
输出
YF
编译指
令输入
图 12-7 组织级的结构框图
17
3,协调级与嵌套树
?协调级的目标 是把控制问题的实际公式与最有希
望的完全的协调规划联系起来,包括在可供选择
的原本中挑选一个规划。
?协调级由一定数目的协调器组成,每个协调器与
执行级的具体硬件 (执行装置 )连接。当某个指令
由相应的协调器发送至执行装置时,这些装置就
执行规定好的任务。这种结构意味着:协调级不
具有推理能力。
12.4 智能控制系统
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4,具有熵函数的执行级
?执行级是递阶智能控制的最底层,要求具有
较高的精度和较低的智能;按控制论进行控
制。
?执行级的性能也可由 熵 来表示,因而统一了
智能机器的功用。此熵的量度选择一适当的
控制,以执行某任务的不确定性。我们能够
选择某个最优控制使此熵 (即执行的不确定性 )
为最小。
12.4 智能控制系统
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12.4.2 专家控制系统 (Expert Control System)
?对专家控制器的控制要求
?运行可靠性高
?决策能力强
?应用通用性好
?控制与处理的灵活性
?拟人能力
?专家控制器的特点与设
计原则
?模型描述的多样性
?决策机构的递阶性
?在线处理的灵巧性
?推理与决策的实时性
?控制策略的灵活性
12.4 智能控制系统
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3,专家控制器的结构
知识库由经验数据库和学习与适应装置组成。经
验数据库存储经验和事实;学习与适应装置在线获取
信息,补充或修改知识库内容,改进系统性能,提高
问题求解能力。
12.4 智能控制系统
e
学习与适
应装置
数据库
专家控制器
特征识别
信息处理 推理 机
控制规则集 控制对

传感器
R
Y
E
S
K G
U Y
u
图 12-8 工业专家控制器结构框图
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?控制规则集是对被控过程的各种控制模式和经验的归
纳和总结,采用向前推理方法逐次判别各种规则。
?特征识别与信息处理实现信息的提取与加工,为控制
决策和学习适应提供依据。
?专家控制器的输入集为,E = (R,e,Y,U),e = R – Y
式中,R 为参考控制输入,e 为误差信号,Y 为受控
输出,U 为控制器的输出集。
?专家控制器的模型可用式 U = f (E,K,I)表示,智能算
子 f为几个算子的复合运算,f=g·h·p,其中,g:E→S ;
h:S× K→I ; p:I→U
12.4 智能控制系统
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12.4.3 模糊控制系统
1,模糊控制器的结构
模糊控制器由 N维关系 R表示,R可视为 [0,1]区
间的几个 N维关系 Ri的组合,每个 Ri代表一条规则 ri。
控制器的输入 x被模糊化为关系 X;模糊输出 Y可应用
合成推理规则进行计算;对模糊输出 Y进行非模糊化
(模糊判决 ),可得精确的数值输出 y。
12.4 智能控制系统
图 12,9 理论模糊控制器框图
模糊化 Y=X○ R 模糊判决X Y yx
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12.4 智能控制系统
图 12,10 模糊控制器的一般框图
模糊化 模糊决策 模糊判决X Y yx输入定标 输出定标
标度因子 规则库 隶属关系 标度因子
原精确
值输入
原精确
值输出
标准精
确输入
模糊
输入
模糊
输出
标准精
确输出
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2,模糊控制器的控制规则
现有 FLC中,控制规则一般为如下形式:
IF <过程状态 > THEN <控制作用 >
3,模糊控制器的设计方法
语言相平面法;专家系统法
CAD环境工具;遗传优化算法
专家模糊控制器( EFC)容许复杂的分级规则,如:
IF〈 过程状态 1〉 THEN〈 中间变量 1〉
IF〈 中间变量 N〉 THEN〈 控制作用
...,..
12.4 智能控制系统
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12.4.4 学习控制系统
1.学习控制的发展及研究课题
?学习控制的发展
?学习控制的研究课题
? 在非稳定环境中的学习
?提高学习效率
?学习系统的多级结构
?结束规则
?把模糊数学用于学习系统
?直觉推理的应用
?文法推理
12.4 智能控制系统
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2,学习控制的设计原则
? 控制系统应具有分层信息处理和决策能力
? 控制器应具有在线特征辨识和特征记忆的功能
? 控制器应具有多模态控制
? 应用直觉推理逻辑,使控制器的决策更灵活和
迅速,以提高自学习效率。
12.4 智能控制系统
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12.4.5 神经控制系统
1,神经控制研究的发展及特性
?发展
?1960年,威德罗 (Widrow)和霍夫 (Hoff)率先把神
经网络用于自动控制研究。
?60年代末期至 80年代中期,神经网络控制与整个
神经网络研究一样,处于低潮。
?80年代后期以来,神经网络控制的研究日趋活跃。
12.4 智能控制系统
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?神经网络的特性
?并行处理和快速性,适于实时控制和动力学控制。
?本质非线性特性,为非线性控制带来新的希望。
?可通过训练获得学习能力,能解决用数学模型或
规则描述难以处理或无法处理的控制过程。
?很强的自适应能力和信息综合能力,能同时处理
大量的不同类型的控制输入,解决输入信息的互
补性和冗余性问题。
12.4 智能控制系统
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2,神经网络学习控制
12.4 智能控制系统
图 12.11 监督式学习 NN控制器的结构
监督对象
受控对象NNCr(t) e(t) u(t) y(t)+
-
+
-
选择器
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实现 SNC包括下列步骤:
?通过传感器及传感信息处理获取必要的控制
信息。
?构造神经网络,包括选择合适的神经网络类
型、结 构参数和学习算法等。
?训练 SNC,实现从输入到输出的映射,产生
正确控制。
12.4 智能控制系统
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3,神经网络非线性控制
12.4 智能控制系统
图 12.12 神经元预测控制器结构图
对象NLO
NNP
过滤器
r(t) e(t) u(t) y(t)
d
e(t)
+
-
+ -
y(t+k)^ NLO — 非线性优化器
NNP — 神经网络预测器
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?预测控制算法的本质是预测模型、滚
动优化和反馈校正。预测模型用于描
述控制对象的动态行为,根据系统当
前输入和输出信息以及未来输出信息,
预测未来的输出值。
12.4 智能控制系统
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4,神经网络自适应控制
模型参考自适应控制 (MRAC) 多采用间接控制方
式。训练时,随意产生控制器输出传送至对象,由该
输出信号和对象的实际输出来训练控制器,使控制器
最终能够产生正确的控制信号,以求对象输出尽可能
地接近期望轨迹。
5,其它神经网络控制
神经网络鲁棒自适应控制、模糊神经网络控制、
神经网络变结构控制、神经网络自寻优控制、神经网
络自校正控制,……
12.4 智能控制系统
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12.5 智能控制应用示例
(Intelligent Control Application)
1,智能机器人规划与控制
感知状况
环境
传感器信息
处理
传感器
数值 目标选择
任务分解
驱动器
世界模型
数据库
事件 作用
评价
预测状况 规划
内部
外部
图 12-13 MAUV的智能控制原理结构图
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2,智能机器人规划与控制
3,自动加工系统的智能控制
4,智能故障检测与诊断
5,飞行器的智能控制
6,医用智能控制
7,智能仪器
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12.6 小结 (Summary)
?本章着重讨论了智能控制的结构理论和特点,
现存的智能控制结构理论有二元、三元和四元
交集等理论。
?本章另一重点是各种智能控制系统的原理与构
成,分别介绍了分级递阶智能控制、专家控制、
模糊控制、学习控制和神经控制等系统。
? 本章还阐述了智能控制的研究领域及应用实例。
智能控制的研究领域是十分广泛和高度交叉的,
它的应用也日益广泛。