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1、智能控制理论与方法,主要内容,一. 智能控制概论,二.模糊集合,三.模糊逻辑与推理,四.模糊控制(matlab),1. 控制理论和应用发展的概况 2. 传统控制理论的局限性 3. 智能控制的组成、定义与研究内容 4. 智能控制与传统控制的关系和差别 5. 智能与智能控制的定义 6. 智能控制研究的主要内容 7.智能控制的分类,自动控制（自动化）是一门交叉学科,一.智能控制概论,1. 控制理论和应用发展的概况,控制理论的发展始于Watt飞球调节蒸汽机以后的100年。,20年代以返馈控制理论为代表，形成经典控制理论，著名的 控制科学家有：Black, Nyquist, Bode.,2. 随着航空航
2、天事业的发展,5060年代形成以多变量控制为特 征的现代控制理论,主要代表有:Kalman 的滤波器,Pontryagin 的极大值原理,Bellman 的 动态规划,和Lyapunov 的稳定性理论.,3. 70年代初,以分解和协调为基础,形成了大系统控制理论,用于复 杂系统的控制,重要理论有递阶控制理论、分散控制理论、队 论等。主要用于资源管理、交通控制、环境保护等。,以上控制理论我们称之为传统控制理论。,应用上： 工厂全球化、开放化。出现柔性制造、虚拟工厂、CIMS、CIPS（Computer Integrated Processing Systems) . 现场总线技术越来越成熟、 机
3、器人、智能自动化技术。 绿色自动化技术越来越发展。 智能制造(IM)。 企业生产的发展趋向：单件生产大批量生产多 品种小批量 变品种变批量,企业自动化系统结构,理论与实际应用存在很大差距,PID在实际应用中仍占统治地位。,原因： 自动控制学科高度的交叉性、应用的广泛性； 所需数学工具难以被多数技术人员所掌握； 自动控制需要其它技术支持，如网络、计算机； 实际应用情况的复杂性、多变性、不确定性； 国内企业存在管理体制问题，技术投入力度不够。,2.传统控制理论的局限性,随着复杂系统的不断涌现，传统控制理论越来越多地显示它的 局限性。,什么叫复杂系统？其特征表现为：,控制对象的复杂性 模型的不确定性
4、、 高度非线性、 分布式的传感器和执行机构、 动态突变、 多时间标度、 复杂的信息模式、 庞大的数据量和严格的性能指标。,2. 环境的复杂性 变化的不确定性 难以辨识 必须与被控对象集合起来作为一个整体来考虑。,3. 控制任务或目标的复杂性 控制目标和任务的多重性 时变性 任务集合处理的复杂性。,传统控制理论的局限性,（1）传统的控制理论建立在精确的数学模型基础上用微分 或差分方程来描述。 不能反映人工智能过程：推理、分析、学习。 丢失许多有用的信息,（2）不能适应大的系统参数和结构的变化 自适应控制和自校正控制通过对系统某些重要参数的估 计克服小的、变化较慢的参数不确定性和干扰。 鲁棒控制在
5、参数或频率响应处于允许集合内，保证被 控系统的稳定。 自适应控制鲁棒控制不能克服数学模型严重的不确定性和工作点剧烈的变化。,（3） 传统的控制系统输入信息模式单一 通常处理较简单的物理量：电量（电压、电流、阻抗）； 机械量（位移、速度、加速度）； 复杂系统要考虑：视觉、听觉、触觉信号，包括图形、文字、语言、声音等信息。,为了克服传统控制理论的局限性，产生了模拟人类思维和活动的智能控制。,3. 智能控制的组成、定义与研究内容,智能控制（IC）是自动控制（AC）和人工智能（AI）的交集。即：,强调智能和控制的结合。,考虑更高层次上的调度、规划和管理，应把运筹学（OR） 结合进去。即：,4. 智能控
6、制与传统控制的关系和差别, 涉及的范围：智能控制的范围包括了传统控制的范围。 有微分/差分方程描述的系统；有混合系统（离散和连 续系统混合、符号和数值系统混合、数字和模拟系统混合）；,控制的目标：智能的目标寻求在巨大的不确定环境中， 获得整体的优化。因此，智能控制要考虑： 故障诊断 系统重构 自组织、自学习能力 多重目标,系统的结构：控制对象和控制系统的结合。,5. 智能与智能控制的定义, 按系统的一般行为特征定义(Albus),什么叫智能？有不同的定义：,在不确定环境中，作出合适动作的能力。合适动作是指增加成功的概率 ，成功就是达到行为的子目标，以支持系统实现最终目标。,！？,低级智能：感知
7、环境、作出决策、控制行为,高级智能：理解和觉察能力，在复杂和险恶环境环境中进行 选择的能力，力求生存和进步。,成功和系统的最终目标是由智能系统的外界确定。, 按人类的认知的过程定义stel),智能是系统的一个特征，当集注（Focusing Attention)、组合 搜索(Combinatorial Search)、归纳 （Generalization)过程作用于 系统输入，并产生系统输出时，就表现为智能。,系统输入,系统输出,智能,集中 注意力,组合 搜索,归纳,FA,CS,G, 按机器智能定义(Saridis),机器智能是把信息进行分析、组织，并把它转换成知识的过程。知识就是所
8、得到的结构性信息，它可用来使机器执行特定的任务，以消除该任务的不确定性或盲目性，达到最优或次优的结果。,机器智能,智能控制的定义,智能,控制,密切相关,智能系统必是 控制系统,控制系统必需具有智能,1. 按一般行为特征定义,智能控制是有知识的“行为舵手”，它把知识和反馈结合起来，形成感知交互式、以目标导向的控制系统。系统可以进行规划、决策，产生有效的 、有目的的行为，在不确定环境中，达到既定的目标。,2. 按人类的认知的过程定义,智能控制是一种计算上的有效过程,在非完整的指标下，通过最基本的操作，即归纳（G）、集注（FA）、和组合操作（CS），把不确定的复杂系统引向规定的目标。,3. 按机器智
9、能定义,智能控制是认知科学、多种数学编程和控制技术的结合。 它把施加于系统的各种算法和数学与语言方法融为一体。,6. 智能控制研究的主要内容, 智能控制系统基本结构和机理的研究,混合系统的建模和控制, 基于模糊集合、神经元网络、遗传算法、进化算法等 智能控制器的开发和研究。, 智能计算和软计算的开发和研究, 自组织、自学习的结构和方法的研究, 基于多代理(Multi-agent)智能控制系统 的开发和研究, 智能控制系统应用的研究,7.智能控制的分类,1. 基于规则的智能控制系统,模糊控制系统,2）基于连接的智能控制系统,神经元网络控制系统,3）混合智能控制系统,模糊神经网络智能控制系统,4）
10、基于行为的智能控制系统,由多传感器组成的各种机器人,二、模糊集合,0. 模糊概念,天气冷热,雨的大小,风的强弱,人的胖瘦,年龄大小,个子高低,常用术语,1）模糊集合, 模糊集合和隶属函数 精确集合（非此即彼）： A=XX6 精确集合的隶属函数：,模糊集合： 如果 是对象x的集合，则 的模糊集合 ：,论域的二种形式：,1）离散形式（有序或无序）： 举例：X=上海 北京 天津 西安为城市的集合。 模糊集合 C = “对城市的爱好”可以表示为： C = (上海,0.8),(北京,0.9), (天津,0.7),(西安,0.6),隶属函数的性质： a) 定义为有序对； b) 隶属函数在0和1之间； c
13、a,c+a,斜率=-b/2a,隶属函数的参数化：,以钟形函数为例，,a,b,c,的几何意义如图所示。,改变a,b,c,即可改变隶属函数的形状。,更一般化的二个模糊集合的运算,1）三角范式运算：,二个模糊集合A和B的“交”用函数,4个最常用的T范式算子：,2）协三角运算 S范式,二个模糊集合A和B的“并”用函数,4个最常用的S范式算子：,模糊关系与复合运算,精确关系,模糊关系,同一空间,表示二个或二个以上集合 元素之间关联、交互、互 连是否存在。,表示二个或二个以上集合 元素之间关联、交互、互 连是否存在或不存在的程度。,举例,同一空间模糊关系复合运算：,或,举例,模糊关系隶属函数的计算,或,模
14、糊隶属函数的修正（Hedges),三、模糊逻辑与模糊推理,1）精确逻辑（传统逻辑）的一些概念,命题逻辑、布尔代数、和集合论是同构的。,隐含是重要的概念。,传统的命题逻辑中，命题的“真”和“假”必须具有意义。逻辑推理是给定一个命题，组合成另一个命题的过程。,组合的基本操作： 1）合取 Conjunction, ,“交” 2）析取 Disjunction , “并” 3）隐含 Implication , “if then” 逆操作 Inversion 5) 等效关系 Equivalence ，“p即q”。,一个隐含是“真”，必须满足三个条件之一： 1） 前提是真，结论是真； 在教书，是教师； 2）
15、 前提是假，结论是假； 不教书，不是教师； 3） 前提是假，结论是真。 不在教书，是教师； 隐含是“假”时，则： 4） 前提是真，结论是假。 在教书，不是教师。,逻辑关系用真值表示,传统命题逻辑的基本公理：,1。 每一命题是真或假，但不能既线。 由确定的术语所组成的表达式，都是命题； 3。 合取、析取、隐含、等效、逆运算组成的表达式也是命题。,有二个重要的同义反复（隐含）,从真值表可以获得证明：,隐含隶属函数表达式,或,传统命题逻辑的推理,2）模糊逻辑与模糊推理,关于“工程隐含”的概念。模糊隐含原则上可以引用传统隐含的表达式。,在连续域情况下，应用于推理会发生问题！,If-then规
16、则,模糊推理,1. 单个前提单个规则:,2. 多前提单规则,3) 多前提多规则,隶属函数的计算,模糊推理可以分几步： 1）计算兼容度； 2）求激励强度； 3）求定性（演译）结果； 4）求总输出结果。,模糊推理系统,1）模糊化和模糊器,单点模糊化,非单点模糊化,3.推理机,规则推理相当于隐含 对离散论域,规则Rl由多变量 决定,输入的模糊集合,每条规则的输出:,对所有规则,1. 极大去模糊化,对每一规则相应的输出隶属函数求面积重心， 然后求平均高度。,四、模糊控制的基本原理和方法, 模糊逻辑控制器的基本结构, 模糊控制系统的设计, PID 控制器模糊增益调节, 模糊系统的稳定性分析,利用MATL
17、AB设计模糊控制器, 模糊逻辑控制器的基本结构,输出,设定值,模糊化部件,知识库,决策逻辑模糊控制系统的核心,去模糊化部件,模糊控制中，模糊系统行为按专家知识，以语言规则描述：,多输入多输出（MIMO）转化为多输入单输出（MISO）。,一般规则表示如下：, 模糊控制系统的设计,1. 模糊化的策略, 采用单点模糊化, 选择合适的模糊函数, 考虑噪声的概率密度函数。使, 对应于输入测量（确定的）的范围，语言变量域中应取多少元素，即xi 中，i 取何值？一般530。, 模糊变量术语集合的数目选取。在细分和粗分之间进行折中。一般为210。,2. 模糊规则的合理调整,按照系统的动态行为可以合理地选择和确
18、定模糊规则：,a,b,c,d,e,f,g,h,i,j,k,l,m,i,ii,iii,iv,v,vi,vii,viii,ix,x,x i,xii,8,根据e和e的方向和大小，选择控制量的增量u的大小和方向。,有四种情况：,有交叉点和峰、谷点。,控制元规则：,1。如果e和e二者都为零，u=0, 保持现状。,2。如果e以满意的速率趋向零， u=0, 保持现状。,3。如果e不是自校正， u不为零，取决于e和e的符号和大小。,对交叉点， u符号和e符号一样。,对峰、谷点，u符号和e符号一样。,6,根据以上规则，我们可以选择和设计模糊控制器 的规则表,6,关于语言相平面方法调整规则,调节K1 ,K2 ,K
19、3 可以修正规则。,什么叫语言相平面？,按误差e(E) 和误差变化e(E)语言值和相应的规则，构成语言 相平面E E,什么叫语言轨迹？,在相平面中，隶属函数为最大的点的连线 改变相应语言轨迹，就可调节系统的动态行为（品质）。,13,13,E,E,E,E,E,举例：,K3是由K1 ,K2 决定的，增加模糊输出语言值，就应增加K3。,E,E,举例：一阶系统的调节。,E,E,E,E,上升时间慢，超调量大。,11,E,E,E,E,少了一个NS减少超调。PM与前图相同。,E,E,E,E,3 . 模糊规则的完整性、一致性和交换性,对过程的每一状态，都能推导出一个合适的控制规则， 控制规则的完整性。, 子集的并，应该以一定程度覆盖有关论域控制 规则的 完整性。 0.5.,* 次数：1357533 已用完，请联系开发者*
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