《智能控制技术》学习笔记-1.绪论，智能控制定义、分类、发展及应用场景

一、引言

先修内容： 经典控制理论、现代控制理论、MATLAB

引入：智能理论是新兴学科，随着数字计算机和人工智能发展而来，发展得益于许多学科：人工智能、认知科学、现代自适应控制、最优控制、神经元网络、 模糊逻辑等。

基于模型控制方法=经典控制论+现代控制论

生活中的自动化：自动抽水马桶、冰箱温度调节控制、自动化洗衣机

什么是人的智能？

  智能是人脑的属性和产物，智能主要特征：

A、具有感知能力。通过视觉、听觉、触觉、味觉和嗅 觉感知外部世界。

B、具有记忆与思维能力。

C、具有学习能力及自适应能力。

D、具有行为能力。

二、智能控制的定义：

1. 定性角度，智能控制系统具有智能控制系统应具有仿人的功能（学习、 推理），让人脑产生的决策和行为融入控制当中进行决策和执行。
2. 系统行为角度，智能控制把知识和反馈结合起来，以闭环反馈控制为基础，形成感知交互 式以目标为导向的控制系统。

三、控制的发展过程

3.1 古典控制论（经典控制论阶段）

对象1：单入、单出（SISO）、线性定常系统 频域理论：传递函数、频率特性、根轨迹分布 劳斯（E.J.Routh）赫尔维茨（Hurwitz）代数判据 奈奎斯特（H.Nyquist）稳定性判据

对象2：非线性系统 描述函数分析 庞加莱（Poincare）的相平面分析法

3.2 现代控制理论（20世纪60年代）

对象1：非线性—— 时变 线性——定常 （时域理论 状态方程）

自适应控制目的：以变制变，以变化着的控制器来控制变化者的控制对象 

（典型PID控制、模型参考自适应控制和自校正自适应控制）

鲁 棒 控 制 目的：以不变制变，以不变的控制器来控制变化着的被控对象

现代控制理论缺点：

1. 设计方法越来越数学化
2. 依赖理想化的精确的对象数学模型（实际情况会变，不会一直理想）
3. 实际生产过程中有许多需要 靠操作人员的知识和逻辑思 维来解决的问题，现代控制 理论显得无能为力。
4. 控制算法较为理想化（高维、强 耦合、时变、非线性及分布参数 等系统、缺乏实用、简便及有效 的分析和综合方法）

3.3 智能控制理论（20世纪70年代）

(1J.M.Mendel教授 空间飞行器-飞船控制系统的设计 （2）傅京孙教授 首次提出“人工智能控制”的概念 （3）Saridis 组织级、协调级和执行级 （4）Astrom 专家控制 （5）1985年8月，美国纽约IEEE召开的智能控制专题讨论会， 标志着智能控制作为一个新的学科分支被控制界公认。

四、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”。

 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。

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。

 

五、智能控制分支

 5.1.模糊控制---一种新颖的智能控制方式 

美国加利福尼亚大学 1965年 （L.A.Zadeh）模糊集理论 《Fuzzy Sets》、         《Fuzzy Algorithm》、《A Rationale for Fuzzy Control》

顶级期刊：《Fuzzy Set and Systems》创刊、《IEEE Trans. on Fuzzy Systems》创刊

主要是模仿人的控制经验，而不是依赖控制对象的模型，因此模糊控制器实现了人的某些智能。模糊控制主要由基本组成部分： ⑴模糊化。 ⑵模糊决策。 ⑶精确化计算。

模糊集理论是介于逻辑计算和数值计算之间的一种数学 工具，它形式上利用规则进行逻辑推理（象符号处理方法那样 允许直接用规则来表示结构性知识），但其逻辑取值可在 “0“与”1”之间连续变化，采用数值的方法而非符号的方法 进行处理（可以用大规模集成电路来实现）。所以模糊系统兼 有两者的优点。

举例说明：

 

规则1：如果误差为零，或者误差变化为正小，则阀门半开。

规则2：如果误差为正小和误差变化为正小，则阀门中等。 （阀门中等开度>阀门半开）

比如设定锅炉水位为50cm高度，

第一次误差为+5  第二次误差为0        0-5=-5（负小）

第一次误差为-5  第二次误差为0         0-(-5)=5（正小）

阀门中等原因：误差虽然为正小，但还没有达到50cm的高度则阀门中等

5.2.神经网络控制——一个智能控制的重要分支

1943年心理学家W.S.MoCulloch和数学家W.Pitts提出M-P模型

1949年心理学家 D.O.Hebb 算法

        神经元控制是模拟人脑神经中枢系统智能活动的一种控 制方式，它具有适应能力、学习能力、泛化能力、容错能力 和逼近非线性函数的能力。神经元网络通过神经元以及相互 连接的权值，初步实现了生物神经系统的部分功能，具有非 线性映射能力、并行计算能力、自学习能力以及强鲁棒性等 优点，已广泛应用于控制领域。一般的神经元网络有两种功 能模式： ⑴建模。 ⑵控制

                                                                    生物神经元示意图

                                                                        突触结构示意图

                                                                         传递信息过程

5.3专家系统和专家控制

        专家系统是由许多收集的规则组成，它表示了知识和结果。

        ⑴控制机制，决定控制过程的策略，即控制哪一个规则被 激活，什么时候被激活等。 ⑵推理机制，实现知识之间的逻辑推理以及与知识库的匹 配。

        ⑶知识库，包括事实、判断、规则、经验以及数学模型。

 

专家系统发展的总趋势是进一步提高智能：

        - 能经由感应直接接受外界资料或由外部知识库获得资料；

        - 在推理机中能拟定规划，仿真系统状况；

        - 知识库有规划、分类、结构模式及行为模式的动态知识表述。

5.4 学习控制

       学习控制系统是一个能在其运行过程中逐步获得被 控过程及环境的非予知信息，积累控制经验，并在一定评价标准下进行估值、分类、决策和不断改善系统品质 的自动控制系统，可以分为：迭代学习控制、自学习控制系统

        遗传学习算法（GA算法）是一种全局随机寻优算法，它模仿生物进化的过程来逐步获得最好的结果，是智能控制的重要组成部分。

        包括：粒子群算法，萤火虫算法，猫群算法，蚁群算法、人工鱼群算法、细菌觅食算法、蜂群算法、鸡群算法、鱼群算法、象群算法、狼群算法、果蝇算法、飞蛾扑火算法

5.5人工智能介绍：

        人工智能（Artificial Intelligence)是一门综合性的边缘学科。是指由计算机实现的人造智能。人工智能就是用人工的方法在机器（计算 机）上实现的智能。作为一门学科，人工智能可定义 为：人工智能是一门研究如何构造智能机器（智能计 算机）或智能系统，使它能模拟、延伸、扩展人类智 能的学科。空间技术、原子能技术、人工智能被誉为20世纪三大科学技术成就。

         1.外科手术机器人   2.高度仿真机器人  3.能钻入血管的机器人 4.sawver智能机械臂

5.6我国在工程控制方面的成就：

载人航天：中国载人航天工程是我国航天史上迄今为止规模最大、系统组成最复杂、 技术难度和安全可靠性要 求最高的跨世纪国家重点 工程，包括：航天员、空 间应用、载人飞船、运载 火箭、发射场、测控通信、 着陆场、空间实验室等。

卫星测控：工程控制科学与通信 技术结合的一体化工程，其特点是：1）多任务测控；2) 深空跟踪；3）卫星测控设备；4）测控和通信。