1-智能控制理論與方法--緒論

1、智能控制理論與方法,劉成林,2,智能?,3,第一章 緒論——智能控制概述,控制科學(xué)的歷史回顧傳統(tǒng)控制的局限性——智能控制產(chǎn)生背景智能控制的基本概念智能控制與傳統(tǒng)控制的差別和聯(lián)系智能控制的定義智能控制的主要研究內(nèi)容本課程的主要內(nèi)容,4,1.1 控制科學(xué)的歷史回顧,5,《系統(tǒng)與控制縱橫》,中國自動(dòng)化學(xué)會(huì)控制理論專業(yè)委員會(huì)http://tcct.amss.ac.cn/,6,1.1 控制科學(xué)的歷史回顧,James Watt (17

2、36-1819),7,傳統(tǒng)控制,1868年，Maxwell完成飛球調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析；1892年，Lyapunov發(fā)表《論運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的一般問題》，但二戰(zhàn)后才得到關(guān)注；Routh和Hurwitz（1875,1895）通過判斷系統(tǒng)的特征根是否在左半平面判定系統(tǒng)是否穩(wěn)定；從20世紀(jì)20年代開始，以反饋控制理論為代表，形成了自動(dòng)控制理論（經(jīng)典控制理論），著名的控制學(xué)者有：Black、Nyquist、Bode等；,8,傳統(tǒng)控制,隨著航空航

3、天事業(yè)的發(fā)展，50、60年代形成以多變量控制為特征的現(xiàn)代控制理論，主要代表有：Kalman 的濾波器、Pontryagin的極大值原理、Bellman的動(dòng)態(tài)規(guī)劃、和Lyapunov的穩(wěn)定性理論；70年代初，以分解和協(xié)調(diào)為基礎(chǔ)，形成了大系統(tǒng)控制理論，用于復(fù)雜系統(tǒng)的控制，重要理論有：遞階控制理論、分散控制理論、排隊(duì)論等。主要用于資源管理、交通控制、環(huán)境保護(hù)等。,9,傳統(tǒng)控制,經(jīng)典控制 ◆ 以SISO線性定常系統(tǒng)為研究對(duì)象。 ◆

4、 以拉氏變換為工具，以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)在頻率 域中分析與設(shè)計(jì)。,10,傳統(tǒng)控制,現(xiàn)代控制 ◆ 以MIMO線性、非線性、時(shí)變與非時(shí)變系統(tǒng)為 主要研究對(duì)象。 ◆ 以線性代數(shù)和微分方程為工具，以狀態(tài) 空間法 為基礎(chǔ)。,11,傳統(tǒng)控制策略,12,P-I-D控制,特點(diǎn)：,PID算法蘊(yùn)含動(dòng)態(tài)控制過程過去、現(xiàn)在和將來的主要信息； PID算法簡單明了、適應(yīng)性好、有較強(qiáng)的魯棒性； PI

5、D控制根據(jù)不同的要求，形成了一系列改進(jìn)的PID算法。,問題：,對(duì)存在大滯后環(huán)節(jié)、參數(shù)變化較大甚至結(jié)構(gòu)也變化的對(duì)象，以及系統(tǒng)復(fù)雜環(huán)境復(fù)雜控制性能要求高的場(chǎng)合， PID控制不適用。,13,思路：,設(shè)計(jì)一個(gè)解耦補(bǔ)償器，來消除多變量系統(tǒng)中各有關(guān)輸入輸出變量間的關(guān)聯(lián)作用，使一個(gè)輸入只控制相應(yīng)的一個(gè)輸出，將多變量系統(tǒng)分解為幾個(gè)單變量系統(tǒng)，然后可采用單變量控制策略。,注意：,在控制對(duì)象的耦合機(jī)理和數(shù)學(xué)模型比較清楚的系統(tǒng)中，解耦控制是很有效的。,解耦控

6、制,14,研究內(nèi)容：,在給定性能指標(biāo)下，如何選擇控制規(guī)律u (t)，使性能指標(biāo) J 達(dá)到最優(yōu)。,說明：,經(jīng)典理論依賴試探法和經(jīng)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行綜合，對(duì)復(fù)雜難以得到滿意的結(jié)果，對(duì)多輸入系統(tǒng)輸出系統(tǒng)經(jīng)典論顯得無能為力。用最優(yōu)控制理論可使各種系統(tǒng)可能實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格數(shù)學(xué)意義上的最優(yōu)控制規(guī)律。,最優(yōu)控制,特點(diǎn)：,模型確定，環(huán)境確定。,15,辨識(shí)對(duì)象：1) 非參數(shù)模型:對(duì)試驗(yàn)獲取的頻率特性(脈沖響應(yīng)函數(shù))等用最小二乘等擬合的方法得到傳遞函數(shù).2) 參數(shù)模

7、型：指直接用微分方程描述的模型。選擇與實(shí)際系統(tǒng)相接近的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)輸入輸出數(shù)據(jù)估計(jì)模型參數(shù)。,系統(tǒng)辨識(shí):模型不確定,借助試驗(yàn)和運(yùn)行所得數(shù)據(jù)，在指定的一類系統(tǒng)范圍內(nèi)，確定一個(gè)與被辨識(shí)系統(tǒng)等價(jià)的系統(tǒng)模型和參數(shù)，稱為系統(tǒng)辨識(shí).,辨識(shí)結(jié)構(gòu)：離線辨識(shí)與在線辨識(shí)。,16,16,分類：1）模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)：2）自校正控制系統(tǒng)——系統(tǒng)辨識(shí)與最優(yōu)控制相結(jié)合的自適應(yīng)控制系統(tǒng)。,自適應(yīng)控制,特點(diǎn)： 在模型不確定（工作環(huán)境基本確定或

8、隨機(jī)）的條件下，設(shè)計(jì)控制規(guī)律，使給定性能指標(biāo)盡可能達(dá)到或保持最優(yōu)；要求在工作過程中不斷地在線辨識(shí)系統(tǒng)模型（結(jié)構(gòu)和參數(shù)）或性能，作為形成及修正最優(yōu)控制的依據(jù)——自適應(yīng)能力。,17,17,原理：在原來反饋控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再附加一個(gè)參考模型和一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制器參數(shù)的調(diào)節(jié)回路。,核心：如何綜合自適應(yīng)律？,①參數(shù)優(yōu)化法（搜索控制器參數(shù)，使某個(gè)預(yù)定的性能指標(biāo)為最?。虎诨诜€(wěn)定性理論的設(shè)計(jì)方法（保證控制器參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整過程是穩(wěn)定的，且調(diào)整過程盡

9、可能收斂快一些。Liapunov穩(wěn)定性理論是設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制系統(tǒng)的有效工具。,1）模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)：,18,2）自校正控制系統(tǒng),特點(diǎn)：具有被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的在線辨識(shí)環(huán)節(jié),首先，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行在線辨識(shí)，然后根據(jù)辨識(shí)得到的模型參數(shù) 和預(yù)先指定的性能指標(biāo) J 在線地綜合控制作用。,算法的關(guān)鍵是如何正確辨識(shí)對(duì)象模型的參數(shù)：確保被辨識(shí)的參數(shù)能收斂到真值（這當(dāng)中有大量的工作要做）。,可見自適應(yīng)控制是一種逐漸修正漸進(jìn)趨向期望性能的過程

10、，因此，適用于模型和干擾變換緩慢的系統(tǒng)。,19,預(yù)測(cè)控制,1）預(yù)測(cè)模型：是對(duì)象動(dòng)態(tài)行為的預(yù)先描述。能依據(jù)系統(tǒng)的歷史信息和選定的未來輸入，預(yù)測(cè)未來一個(gè)時(shí)段的輸出。,是一種基于模型又不過分依賴模型的控制策略。,2）滾動(dòng)優(yōu)化：是預(yù)測(cè)控制的核心，它保持了優(yōu)化控制的原理，但不是進(jìn)行全局整體優(yōu)化，而是隨時(shí)間推移逐段優(yōu)化——在每一時(shí)刻都提出一個(gè)立足于該時(shí)刻且僅涉及到預(yù)測(cè)時(shí)域的局部優(yōu)化指標(biāo)，進(jìn)行反復(fù)在線優(yōu)化。,3）反饋校正：是在控制的每一步，都檢測(cè)實(shí)際

11、輸出并與基于模型的預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較，以修正模型預(yù)測(cè)的不準(zhǔn)確性，然后再進(jìn)行新的優(yōu)化。,20,20,這種“邊走邊看”的啟發(fā)式的滾動(dòng)優(yōu)化策略，可以隨時(shí)顧及模型失配、時(shí)變、非線性或其他干擾因數(shù)等不確定性的影響，及時(shí)進(jìn)行彌補(bǔ)，減小偏差，以獲得較高的綜合控制質(zhì)量。這在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中，要比建立在理想條件下的最優(yōu)控制更加實(shí)際和有效,預(yù)測(cè)控制不講結(jié)構(gòu)形式，只強(qiáng)調(diào)模型的功能，打破了傳統(tǒng)控制中對(duì)模型結(jié)構(gòu)的嚴(yán)格要求，更著眼于在信息的基礎(chǔ)上根據(jù)功能要求按最方步的

12、途徑建立模型。,缺點(diǎn)：在建模時(shí)沒有充分利用過程知識(shí)，且計(jì)算工作量大。,預(yù)測(cè)控制,21,魯棒控制是針對(duì)當(dāng)數(shù)學(xué)模型存在不確定性（包括模型不精確、降階近似、非線性線性化、參數(shù)和特性隨時(shí)間的變化或漂移等）時(shí),所設(shè)計(jì)的控制器仍能使系統(tǒng)保持內(nèi)穩(wěn)定和理想的性能要求。,魯棒性：指數(shù)學(xué)模型與實(shí)際過程出現(xiàn)失配時(shí)，能使系統(tǒng)性能保持在允許范圍內(nèi)的能力,穩(wěn)定魯棒性：設(shè)計(jì)一個(gè)控制器，使對(duì)每一個(gè)攝動(dòng)后的對(duì)象，都能保證閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。,品質(zhì)魯棒性：設(shè)計(jì)一個(gè)控制

13、器，使對(duì)每一個(gè)攝動(dòng)后的對(duì)象，閉環(huán)系統(tǒng)都能滿足穩(wěn)定性和某種特定的系統(tǒng)性能。,魯棒控制,22,我的研究方向---,23,傳統(tǒng)控制,理論與實(shí)際應(yīng)用之間的巨大差別 PID占主導(dǎo)地位 ??● 控制學(xué)科高度的交叉性、應(yīng)用的廣泛性；● 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)工具難以被多數(shù)技術(shù)人員所掌握；● 控制技術(shù)需要其它技術(shù)支持，如通信、計(jì)算機(jī)；● 實(shí)際應(yīng)用的復(fù)雜性、多變性、不確定性；● 高校教育與企業(yè)管理體制問題，技術(shù)

14、投入力度不夠。,24,1.2 傳統(tǒng)控制的局限性—智能控制產(chǎn)生背景,復(fù)雜系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，依賴于精確模型的傳統(tǒng)控制理論越來越受到限制。,什么是復(fù)雜系統(tǒng)？,1. 控制對(duì)象的復(fù)雜性 模型的不確定性 高度非線性 分布式的轉(zhuǎn)感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu) 動(dòng)態(tài)突變 復(fù)雜的信息模式 龐大的數(shù)據(jù)量和嚴(yán)格的性能指標(biāo) ……,25,,2. 環(huán)境的復(fù)雜性 變化的不確定性 難以辨識(shí) 與被控對(duì)象作為整體來考慮

15、。3. 控制任務(wù)或目標(biāo)的復(fù)雜性 控制目標(biāo)和任務(wù)的多重性 時(shí)變性 任務(wù)集合處理的復(fù)雜性。,26,,傳統(tǒng)控制理論的局限性（1）傳統(tǒng)的控制理論建立在精確的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上（微分或差分方程來）；對(duì)建立在工程技術(shù)語言描述基礎(chǔ)上的新型復(fù)雜系統(tǒng)，數(shù)學(xué)語言描述和分析丟失許多有用的信息。（2）不能適應(yīng)大的系統(tǒng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)的變化 自適應(yīng)控制和自校正控制--通過對(duì)系統(tǒng)某些重要參數(shù)估計(jì)來克服小的、變化較慢的參數(shù)不確定性和干擾。

16、 魯棒控制---在參數(shù)或頻率響應(yīng)處于允許集合內(nèi)，保證被控系統(tǒng)的穩(wěn)定。,27,,自適應(yīng)控制和魯棒控制不能克服數(shù)學(xué)模型嚴(yán)重的不確定性和工作點(diǎn)劇烈變化。（3） 傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)輸入信息模式單一，通常處理較簡單的物理量：電量（電壓、電流、阻抗）；機(jī)械量（位移、速度、加速度）。復(fù)雜系統(tǒng)要考慮：視覺、聽覺、觸覺信號(hào)，包括圖形、文字、語言、聲音等信息。 為了克服傳統(tǒng)控制理論的局限性，產(chǎn)生了模擬人類思維和活動(dòng)的智能控制。,28,,控制學(xué)

17、科的發(fā)展過程,29,1.3 智能控制的基本概念和研究內(nèi)容,1967年，Leondes等人提出智能控制的概念；1971年，傅京生提出智能控制（IC）是自動(dòng)控制（AC）和人工智能（AI）的交集，即 IC=AC∩AI,IC,AC,AI,二元交集論：強(qiáng)調(diào)智能與控制的結(jié)合,30,,“人工智能（AI）”是研究和開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及用于系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)?！叭斯ぶ悄堋笔怯?jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支，它企圖了解智能的實(shí)質(zhì)

18、，并產(chǎn)生一種新的能以人類智能相似的方式做出反應(yīng)的智能機(jī)器，研究包括語言識(shí)別、圖像識(shí)別、機(jī)器人、專家系統(tǒng)等。,31,,Saridis等考慮更高層次上的調(diào)度、規(guī)劃和管理，對(duì)二元交集論擴(kuò)展，引入運(yùn)籌學(xué)（OR），提出三元交集論，即IC=AI∩AC∩OR。,AC,AI,OR,IC,三元交集論,32,1.4 智能控制與傳統(tǒng)控制的差別與聯(lián)系,● 涉及的范圍：智能控制的范圍包括了傳統(tǒng)控制的范圍。除了微分/差分方程描述的系統(tǒng)，還有混合系統(tǒng)（離散和連續(xù)系統(tǒng)

19、混合、符號(hào)和數(shù)值系統(tǒng)混合、數(shù)字和模擬系統(tǒng)混合）；●控制的目標(biāo)：智能的目標(biāo):尋求在巨大不確定環(huán)境中獲得整體優(yōu)化。智能控制要考察： 故障診斷 系統(tǒng)重構(gòu) 自組織、自學(xué)習(xí)能力 多重目標(biāo),33,,●系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：控制對(duì)象和控制系統(tǒng)的結(jié)合?！裰悄芸刂凭哂凶銐虻年P(guān)于人的控制策略、被控對(duì)象及環(huán)境的有關(guān)知識(shí)以及運(yùn)用這些知識(shí)的能力。●智能控制能以知識(shí)表示非數(shù)學(xué)廣義模型和以數(shù)學(xué)表示的混合控制過程，采用開閉環(huán)

20、?！裰悄芸刂凭哂凶兘Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，能夠總體自尋優(yōu)、自組織、自學(xué)習(xí)和自由調(diào)動(dòng)能力?！裰悄芸刂朴醒a(bǔ)償及自修復(fù)能力和判斷能力。,34,1.5 智能控制的定義,什么是智能？？◆ 按系統(tǒng)的一般行為特征定義(Albus) 在不確定環(huán)境中，作出合適動(dòng)作的能力。合適動(dòng)作是指增加成功的概率，成功就是達(dá)到行為的子目標(biāo)，以支持系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最終目標(biāo)。,,低級(jí)智能：感知環(huán)境、作出決策、控制行為,35,,高級(jí)智能：理解和覺察能力，在復(fù)雜和險(xiǎn)惡環(huán)境環(huán)境中進(jìn)行

21、 選擇的能力，力求生存和進(jìn)步。,成功和系統(tǒng)的最終目標(biāo)是由智能系統(tǒng)的外界確定。,36,,◆ 按人類的認(rèn)知的過程定義(A.Meystel) 智能是系統(tǒng)的一個(gè)特征，當(dāng)專注、組合搜索、歸納過程作用于系統(tǒng)輸入，并產(chǎn)生系統(tǒng)輸出時(shí)，就表現(xiàn)為智能。,37,,◆ 按機(jī)器智能定義(Saridis) 機(jī)器智能是把信息進(jìn)行分析、組織，并把它轉(zhuǎn)換成知識(shí)的過程。知識(shí)就是所得到的結(jié)構(gòu)性信息，它可用來使機(jī)器執(zhí)行特定的任務(wù)，以消除該任務(wù)的不確

22、定性或盲目性，達(dá)到最優(yōu)或次優(yōu)的結(jié)果。,38,,智能控制定義,智能,,控制,密切相關(guān),智能系統(tǒng)必是控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)必需具有智能,39,,1.定性地說：智能控制系統(tǒng)應(yīng)具有仿人是功能（學(xué)習(xí)、推理），能適應(yīng)不斷變化環(huán)境；能處理多種信息，以減少不確定性；能以安全可靠的方式進(jìn)行規(guī)劃產(chǎn)生和執(zhí)行控制的動(dòng)作，獲取系統(tǒng)總體上最優(yōu)或次優(yōu)的性能指標(biāo)。2. 按一般行為特征定義 智能控制是有知識(shí)的“行為舵手”，它把知識(shí)和反饋結(jié)合起來，形成感知—交互式、以

23、目標(biāo)導(dǎo)向的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)可以進(jìn)行規(guī)劃、決策，產(chǎn)生有效的 、有目的的行為，在不確定環(huán)境中，達(dá)到既定的目標(biāo)。,40,,3. 按人類的認(rèn)知的過程定義 智能控制是一種計(jì)算上的有效過程,在非完整的指標(biāo)下，通過最基本的操作，即歸納、集注、和組合操作，把不確定的復(fù)雜系統(tǒng)引向規(guī)定的目標(biāo)。4. 按機(jī)器智能定義 智能控制是認(rèn)知科學(xué)、多種數(shù)學(xué)編程和控制技術(shù)的結(jié)合。它把施加于系統(tǒng)的各種算法和數(shù)學(xué)與語言方法融為一體。,41,1.6 智能控制的研究