1、 第第1 1章章 智能控制概論智能控制概論主要內容：主要內容：1 1、智能控制的產生與發展、智能控制的產生與發展2 2、智能控制的定義、特點與一般結構、智能控制的定義、特點與一般結構3 3、智能控制的結構理論、智能控制的結構理論4 4、智能控制系統的類型和應用領域、智能控制系統的類型和應用領域 1.1 1.1 智能控制的產生與發展智能控制的產生與發展 1.1.智能控制的產生智能控制的產生 智能控制（智能控制（ICIC：Intelligent ControlIntelligent Control）是）是一門新興的交叉學科，具有非常廣泛的應用領域。一門新興的交叉學科，具有非常廣泛的應用領域。 人們

2、將智能控制的產生歸結為二大主因人們將智能控制的產生歸結為二大主因: :一一是自動控制理論發展之必然；二是人工智能的發是自動控制理論發展之必然；二是人工智能的發展為其提供了機遇。展為其提供了機遇。 17881788年，瓦特發明蒸汽機時用飛球調節器控制年，瓦特發明蒸汽機時用飛球調節器控制蒸汽機。飛球調節器用于調節蒸氣流，以便確保引蒸汽機。飛球調節器用于調節蒸氣流，以便確保引擎工作時速度大致均勻。擎工作時速度大致均勻。裝置利用了一個飛球結構去感知蒸汽輪機的轉動速度裝置利用了一個飛球結構去感知蒸汽輪機的轉動速度并且利用一系列的連接調節進入機器的蒸汽的流動。并且利用一系列的連接調節進入機器的蒸汽的流動。

3、（1 1）控制理論的發展控制理論的發展控制理論的發展始于控制理論的發展始于WattWatt飛球調節蒸汽機以后的飛球調節蒸汽機以后的100100年。年。自動控制理論發展階段特征自動控制理論發展階段特征自動控制的發展過程自動控制的發展過程傳統控制理論的局限性：傳統控制理論的局限性： 傳統控制包括經典反饋控制和現代控制理論傳統控制包括經典反饋控制和現代控制理論控制，它們的主要特征是基于精確的系統數學模型控制，它們的主要特征是基于精確的系統數學模型的控制。在傳統控制的實際應用中存在局限性，主的控制。在傳統控制的實際應用中存在局限性，主要表現在以下幾點：要表現在以下幾點： 無法獲得精確的數學模型。無法獲

4、得精確的數學模型。 苛刻的線性化假設。苛刻的線性化假設。 有些系統甚至無法建模。有些系統甚至無法建模。 為提高性能，使系統復雜化，成本提高，為提高性能，使系統復雜化，成本提高，穩定性降低。穩定性降低。 在自動控制發展的現階段在自動控制發展的現階段, ,存在一些至關存在一些至關重要的挑戰重要的挑戰: :科學技術間的相互影響和相互促進科學技術間的相互影響和相互促進; ;n例如例如, ,計算機、計算機、AIAI和超大規模集成電路等技術。和超大規模集成電路等技術。當前和未來應用的需求當前和未來應用的需求; ;n例如例如, ,空間技術、海洋工程和機器人技術等應空間技術、海洋工程和機器人技術等應用要求。用

5、要求?；靖拍詈蜁r代思潮發展水平的推動?；靖拍詈蜁r代思潮發展水平的推動。n例如例如, , 高速信息公路、非傳統模型和高速信息公路、非傳統模型和ANNANN的連的連接機制等接機制等. . 人工智能產生于人工智能產生于2020世紀世紀5050年代年代，它是控制論、，它是控制論、信息論、系統論、計算機科學、神經生理學、心理信息論、系統論、計算機科學、神經生理學、心理學、數學以及哲學等多種學科相互滲透的結果，也學、數學以及哲學等多種學科相互滲透的結果，也是電子計算機出現并廣泛應用的結果。是電子計算機出現并廣泛應用的結果。 早在早在19651965年年，傅京孫首先提出把基于符號操作和，傅京孫首先提出把

6、基于符號操作和邏輯推理的啟發式規則用于學習控制系統，邏輯推理的啟發式規則用于學習控制系統，MendelMendel教授進一步在空間飛行器的學習控制中應用了人工教授進一步在空間飛行器的學習控制中應用了人工智能技術。這是人工智能的符號主義（邏輯主義）智能技術。這是人工智能的符號主義（邏輯主義）學派的觀點首次與控制理論相結合，從而實現智能學派的觀點首次與控制理論相結合，從而實現智能控制的大膽嘗試?？刂频拇竽憞L試。（2 2）人工智能的發展人工智能的發展 隨后智能控制的提出和發展歷程，一直伴隨著隨后智能控制的提出和發展歷程，一直伴隨著人工智能的發展而發展，人工智能作為智能控制人工智能的發展而發展，人工智

7、能作為智能控制的基礎和重要組成部分，它的每一個研究成果都的基礎和重要組成部分，它的每一個研究成果都對智能控制的發展起到了積極的推動作用。對智能控制的發展起到了積極的推動作用。智能控制智能控制= = 控制理論控制理論 + + 人工智能人工智能2. 2. 智能控制的發展智能控制的發展 智能控制這一術語于智能控制這一術語于19671967年由年由LeondesLeondes和和MendelMendel首先使用，首先使用，19711971年傅京孫（年傅京孫（K.S.FuK.S.Fu）教授從發展學習）教授從發展學習控制的角度首次控制的角度首次正式提出正式提出智能控制概念與建立智能控智能控制概念與建立智能

8、控制學科的構思。在文章制學科的構思。在文章“學習控制系統和智能控制系學習控制系統和智能控制系統：人工智能與自動控制的交叉統：人工智能與自動控制的交叉”中歸納了中歸納了3 3種類型種類型的智能控制系統：的智能控制系統： （1 1）人作為控制器的控制系統；）人作為控制器的控制系統； （2 2）人）人機結合作為控制器的控制系統；機結合作為控制器的控制系統； （3 3）無人參與的智能控制系統。）無人參與的智能控制系統。 19741974年年，英國的，英國的MamdaniMamdani教授首次成功地將模糊教授首次成功地將模糊邏輯用于蒸汽機控制，開創了模糊控制的新方向；邏輯用于蒸汽機控制，開創了模糊控制的

9、新方向； 19771977年年，SaridisSaridis的專著出版，并于的專著出版，并于19791979年發表年發表了綜述文章，全面地論述了從反饋控制到最優控制、了綜述文章，全面地論述了從反饋控制到最優控制、隨機控制及至自適應控制、自組織控制、學習控制，隨機控制及至自適應控制、自組織控制、學習控制，最終向智能控制發展的過程，提出了智能控制是人工最終向智能控制發展的過程，提出了智能控制是人工智能、運籌學、自動控制相交叉的智能、運籌學、自動控制相交叉的“三元論三元論”思想及思想及分級遞階的智能控制系統框架。分級遞階的智能控制系統框架。. 80 80年代，智能控制的研究進入了迅速發展年代，智能控

10、制的研究進入了迅速發展時期：時期： 19841984年年，AstromAstrom發表了論文，明確地提出了建發表了論文，明確地提出了建立專家控制的新概念；與此同時，人工神經網絡再立專家控制的新概念；與此同時，人工神經網絡再次被引入控制領域，并迅速得到了廣泛的應用，從次被引入控制領域，并迅速得到了廣泛的應用，從而開辟了神經網絡控制；而開辟了神經網絡控制； 19851985年年8 8月月，IEEEIEEE在美國紐約召開了第一界智能在美國紐約召開了第一界智能控制學術討論會；控制學術討論會； 19871987年年1 1月月，在美國費城由，在美國費城由IEEEIEEE控制系統學會與控制系統學會與計算機學

11、會聯合召開了第一界智能控制國際會議，計算機學會聯合召開了第一界智能控制國際會議，這標志著智能控制作為一門新學科正式建立起來。這標志著智能控制作為一門新學科正式建立起來。 19851985年年8 8月，月，IEEEIEEE在美國紐約召開了第一屆智在美國紐約召開了第一屆智能控制學術研討會，會上集中討論了智能控制的原能控制學術研討會，會上集中討論了智能控制的原理和系統結構等問題。這次會議之后不久，理和系統結構等問題。這次會議之后不久，IEEEIEEE控控制系統學會成立了智能控制專業委員會。制系統學會成立了智能控制專業委員會。19871987年年1 1月，月，IEEEIEEE控制系統學會和計算機學會在

12、美國費城聯控制系統學會和計算機學會在美國費城聯合召開了智能控制的第一次國際會議，來自美、歐、合召開了智能控制的第一次國際會議，來自美、歐、日、中以及其他國家的日、中以及其他國家的150150余位代表出席了這次學余位代表出席了這次學術盛會。術盛會。 這次會議是一個里程碑，它表明智能控制作為這次會議是一個里程碑，它表明智能控制作為一門獨立學科，正式得到國際學術界的廣泛關注和一門獨立學科，正式得到國際學術界的廣泛關注和認可。認可。1.2 1.2 智能控制的定義、特點與一般結構智能控制的定義、特點與一般結構 1.1.智能與智能控制的定義智能與智能控制的定義一、智能的定義一、智能的定義（1 1）按系統的

13、一般行為特征定義）按系統的一般行為特征定義(Albus)(Albus) 在不確定環境中，作出合適動作的能力。合在不確定環境中，作出合適動作的能力。合適動作是指增加成功的概率，成功就是達到行為的適動作是指增加成功的概率，成功就是達到行為的子目標，以支持系統實現最終目標。子目標，以支持系統實現最終目標。低級智能：低級智能：感知感知環境、作出決策、環境、作出決策、控制行為控制行為高級智能：高級智能：理解和覺察能力，在復雜和險惡環境環理解和覺察能力，在復雜和險惡環境環境中進行選擇的能力，力求生存和進步。境中進行選擇的能力，力求生存和進步。（2）按人類的認知的過程定義）按人類的認知的過程定義(A.Mey

14、stel) 智能是系統的一個特征，當集注（智能是系統的一個特征，當集注（Focusing Attention)、組合搜索、組合搜索(Combinatorial Search)、歸納、歸納 （Generalization)過程作用于系統輸入，并產生系統過程作用于系統輸入，并產生系統輸出時，就表現為智能。輸出時，就表現為智能。系統輸入系統輸入系統輸出系統輸出智能集中集中注意力注意力組合搜索歸納歸納FACSG（3） 按機器智能定義按機器智能定義(Saridis) 機器智能是把信息進行分析、組織，并把它轉換機器智能是把信息進行分析、組織，并把它轉換成知識的過程。知識就是所得到的結構性信息，它可成知識的

15、過程。知識就是所得到的結構性信息，它可用來使機器執行特定的任務，以消除該任務的不確定用來使機器執行特定的任務，以消除該任務的不確定性或盲目性，達到最優或次優的結果。性或盲目性，達到最優或次優的結果。信信息息信信息息分析組織處理知知識識信信息息機器智能機器智能1.3.1 1.3.1 智能控制的定義智能控制的定義 二、智能控制的定義二、智能控制的定義 粗略地說粗略地說, ,智能控制智能控制(IC)(IC)是一種將智能理論應用是一種將智能理論應用于控制領域的模型描述、系統分析、控制設計與實現于控制領域的模型描述、系統分析、控制設計與實現的控制方法。的控制方法。它首先是一種控制方法它首先是一種控制方法

16、, ,是一種具有智能行為與特是一種具有智能行為與特征的控制方法。征的控制方法。迄今為止迄今為止, ,對對ICIC還未有一個統一的定義還未有一個統一的定義, ,下面通過下面通過對智能機器的定義對智能機器的定義, ,來對來對ICIC與智能控制系統與智能控制系統(Intelligent Control Systems, ICS)(Intelligent Control Systems, ICS)加以定義。加以定義。1.3.1 1.3.1 智能控制的定義智能控制的定義 定義定義1(1(智能機器智能機器) ) 能夠在定形或不定形能夠在定形或不定形, ,熟熟悉或不熟悉的環境中自主地與操作人員交互悉或不熟悉

17、的環境中自主地與操作人員交互作用以執行各種擬人任務作用以執行各種擬人任務(anthropomorphic (anthropomorphic tasks)tasks)的機器。的機器?；蛘弑容^通俗地說或者比較通俗地說, ,智能機器是那些能夠自主智能機器是那些能夠自主地代替人類從事危險、厭煩、遠距離或高精度地代替人類從事危險、厭煩、遠距離或高精度等作業的機器。等作業的機器。1.3.1 1.3.1 智能控制的定義智能控制的定義n例如：能夠從事這類工作的機器人例如：能夠從事這類工作的機器人, ,就屬于就屬于智能機器人。智能機器人。 在星際探險中的移動機器人在星際探險中的移動機器人, ,如美國研如美國研制

18、的火星探測車。制的火星探測車。1.3.1 1.3.1 智能控制的定義智能控制的定義具有視覺的越野自主車具有視覺的越野自主車1.3.1 1.3.1 智能控制的定義智能控制的定義能夠模擬人的思維能夠模擬人的思維, ,進行博弈的計算機。進行博弈的計算機。 19971997年年5 5月月1111日日, ,一個名為一個名為Deep BlueDeep Blue的的IBMIBM計計算機系統戰勝當時的國際象棋世界冠軍蓋利算機系統戰勝當時的國際象棋世界冠軍蓋利 卡卡斯帕羅夫斯帕羅夫(Garry (Garry Kasparov)Kasparov)。 正在與深藍下棋的卡斯帕羅夫正在與深藍下棋的卡斯帕羅夫 1.3.1

19、 1.3.1 智能控制的定義智能控制的定義基于智能機器的定義基于智能機器的定義, ,智能控制智能控制(IC)(IC)的定義為：的定義為： 定義定義2 2 智能控制智能控制是驅動智能機器自主地是驅動智能機器自主地實現其目標的過程?；蛘哒f實現其目標的過程。或者說, ,智能控制是一類智能控制是一類無需人的干預就能夠獨立地驅動智能機器實無需人的干預就能夠獨立地驅動智能機器實現其目標的自動控制?，F其目標的自動控制。 例如：對自主機器人的控制。例如：對自主機器人的控制。1.3.1 1.3.1 智能控制的定義智能控制的定義 相對于智能機器與智能控制相對于智能機器與智能控制(IC),(IC),傳統的自傳統的自

20、動控制的定義為：動控制的定義為： 定義定義3(3(自動控制自動控制) ) 自動控制是能按規定程序對自動控制是能按規定程序對機器或裝置進行自動操作或控制的過程。簡單地機器或裝置進行自動操作或控制的過程。簡單地說說, ,不需要人工干預的控制就是自動控制。不需要人工干預的控制就是自動控制。例如：例如：一個裝置能夠自動接收所測得的過程物理變量一個裝置能夠自動接收所測得的過程物理變量, ,自動進行計算自動進行計算, ,然后對過程進行自動調節就是然后對過程進行自動調節就是自動控制裝置。自動控制裝置。反饋控制、最優控制、隨機控制、自適應控制反饋控制、最優控制、隨機控制、自適應控制和自學習控制等均屬自動控制。

21、和自學習控制等均屬自動控制。1.3.1 1.3.1 智能控制的定義智能控制的定義關于智能控制系統關于智能控制系統(ICS)(ICS)的定義：的定義： 定義定義4 4 用于驅動自主智能機器以實用于驅動自主智能機器以實現其目標而無需操作人員干預的系統叫智現其目標而無需操作人員干預的系統叫智能控制系統。這類系統必須具有智能調度能控制系統。這類系統必須具有智能調度和執行等能力。和執行等能力。 智能控制系統有智能控制系統有學習學習功能、功能、適應適應功能、功能、組織組織功功能三大主要功能特點。能三大主要功能特點。（1 1）學習功能：）學習功能：指的是對一個過程或其環境的未知指的是對一個過程或其環境的未知

22、特征所固有的信息進行學習，并將得到的經驗用于特征所固有的信息進行學習，并將得到的經驗用于進一步的估計、分類、決策和控制，從而使系統的進一步的估計、分類、決策和控制，從而使系統的性能得到改善。性能得到改善。 智能控制系統的學習能力有高低之分，智能控制系統的學習能力有高低之分，低層低層次次的學習主要指對控制對象參數的學習，的學習主要指對控制對象參數的學習，高層次高層次的學習則主要指對知識的更新。的學習則主要指對知識的更新。 2.2.智能控制系統的主要功能特點智能控制系統的主要功能特點（2 2）適應功能：）適應功能：指的是當智能控制系統的輸入不是已指的是當智能控制系統的輸入不是已經學習過的樣本時，照

23、樣可給出合適的輸出。甚至當經學習過的樣本時，照樣可給出合適的輸出。甚至當系統中某些部分出現故障時，系統仍能正常工作。系統中某些部分出現故障時，系統仍能正常工作。（3 3）組織功能：）組織功能：指的是對于復雜的控制任務和分散的指的是對于復雜的控制任務和分散的傳感器信息，智能控制系統具有自行組織和協調的功傳感器信息，智能控制系統具有自行組織和協調的功能。智能控制器可以在任務要求范圍內自行決策、主能。智能控制器可以在任務要求范圍內自行決策、主動地采取行動；當出現多目標沖突時，在一定條件下，動地采取行動；當出現多目標沖突時，在一定條件下，控制器有權自行裁決和處理。控制器有權自行裁決和處理。其它一些功能

24、：其它一些功能：如對各類故障進行自診斷、屏蔽和自如對各類故障進行自診斷、屏蔽和自恢復的容錯功能；對環境干擾和不確定性因素不敏感恢復的容錯功能；對環境干擾和不確定性因素不敏感的自適應功能和魯棒性功能；快速的在線實時響應功的自適應功能和魯棒性功能；快速的在線實時響應功能；友好的人能；友好的人機界面，保證人機界面，保證人機通信、人機通信、人機互助的機互助的人人機協作功能等。機協作功能等。通訊接口通訊接口認知認知感知信息處理感知信息處理規劃和控制規劃和控制傳感器傳感器執行器執行器廣義對象廣義對象指令指令智智 能能控制器控制器被控對象被控對象 2.2.智能控制系統的基本組成結構智能控制系統的基本組成結構

25、智能控制系統的基本組成結構分析智能控制系統的基本組成結構分析： 廣義對象包括通常意義下的控制對象和所處的廣義對象包括通常意義下的控制對象和所處的外部環境。外部環境。 感知信息處理部分將傳感器遞送的分級的、不感知信息處理部分將傳感器遞送的分級的、不完全的原始信息加以處理，并在學習過程中不斷加完全的原始信息加以處理，并在學習過程中不斷加以辨識、整理和更新，以獲得有用的信息。以辨識、整理和更新，以獲得有用的信息。 認知部分主要接收和存儲知識、經驗和數據，認知部分主要接收和存儲知識、經驗和數據，并對它們進行分析和歸納，還能在學習過程中不斷并對它們進行分析和歸納，還能在學習過程中不斷更新這些知識、經驗和

26、數據。更新這些知識、經驗和數據。 規劃和控制部分是整個系統的核心，它根規劃和控制部分是整個系統的核心，它根據給定的任務要求反饋信息及經驗知識，并進據給定的任務要求反饋信息及經驗知識，并進行自動搜索、推理決策、動作規劃，以便產生行自動搜索、推理決策、動作規劃，以便產生具體的控制信號，經執行部件作用于被控對象。具體的控制信號，經執行部件作用于被控對象。 通訊接口除建立人通訊接口除建立人- -機之間的聯系外，也建機之間的聯系外，也建立系統中各模塊之間的聯系。立系統中各模塊之間的聯系。智能控制系統的基本組成結構分析：智能控制系統的基本組成結構分析： 1 1、二元結構、二元結構 傅京孫把智能控制概括為自

27、動控制和人工智能傅京孫把智能控制概括為自動控制和人工智能（ACAC：Automatic Contro and AIAutomatic Contro and AI：Artificial Artificial IntelligenceIntelligence）的交集，即）的交集，即 IC=AIACIC=AIAC1.3 1.3 智能控制的結構理論智能控制的結構理論自動控自動控制制AC人工智人工智能能AI智能智能控制控制IC 智能控制的二元結構智能控制的二元結構這種交叉關系可用右圖這種交叉關系可用右圖形象地表示，它主要強形象地表示，它主要強調人工智能中調人工智能中“智能智能”的概念與自動控制的結的概念

28、與自動控制的結合。合。 薩里迪斯（薩里迪斯（SaridisSaridis）等從）等從機器智能機器智能的角度出發，的角度出發，對傅京孫的二元交集結構理論進行了擴展，引入了對傅京孫的二元交集結構理論進行了擴展，引入了運運籌學籌學（OROR：Operations ResearchOperations Research）并提出了三元交）并提出了三元交集結構，即集結構，即自動控制自動控制AC人工人工智能智能AI智能控智能控制制IC智能控制的三元結構智能控制的三元結構運籌學運籌學OR 三元交集除三元交集除“智能智能”與控制之外，還強調了與控制之外，還強調了在更高層次控制中在更高層次控制中調度、調度、規劃、管理和優化規劃、管理和優化的作的作用。用。2 2、三元結構、三元結構IC=AIACORIC=AIACOR智能控制智能控制人工智能人工智能運籌學運籌學自動控制自動控制信號處理形式信號處理形式語言啟發語言啟發記憶記憶學習學習規劃調規劃調度管理度管理管理協調管理協調動力學動力學動態反饋動態反饋優化優化動力學動力學動態反饋動態反饋 我國學者蔡自興教授于我國學者蔡自興教授于19891989年提出把年提出把信息論信息論（ITIT：Information TheoryInformation Theory）包括進智能控制）包括進智能控制結構理論的四元論結構，即結構理論的