智能控制方法簡(jiǎn)紹

對(duì)許多復(fù)雜的系統(tǒng)，難以建立有效的數(shù)學(xué)模型和用常規(guī)的控制理論去進(jìn)行定量計(jì)算和分析，而必須采用定量方法與定性方法相結(jié)合的控制方式。定量方法與定性方法相結(jié)合的目的是，要由機(jī)器用類似于人的智慧和經(jīng)驗(yàn)來(lái)引導(dǎo)求解過程。因此，在研究和設(shè)計(jì)智能系統(tǒng)時(shí)，主要注意力不放在數(shù)學(xué)公式的表達(dá)、計(jì)算和處理方面，而是放在對(duì)任務(wù)和現(xiàn)實(shí)模型的描述、符號(hào)和環(huán)境的識(shí)別以及知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)的開發(fā)上，即智能控制的關(guān)鍵問題不是設(shè)計(jì)常規(guī)控制器，而是研制智能機(jī)器的模型。此外，智能控制的核心在高層控制，即組織控制。高 層控 制 是 對(duì)實(shí)際環(huán)境或過程進(jìn)行組織、決策和規(guī)劃，以實(shí)現(xiàn)問題求解。為了完成這些任務(wù)，需要采用符號(hào)信息處理、啟發(fā)式程序設(shè)計(jì)、知識(shí)表示、自動(dòng)推理和決策等有關(guān)技術(shù)。這些問題求解過程與人腦的思維過程有一定的相似性，即具有一定程度的“智能”。

隨著人工智能和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)有可能把自動(dòng)控制和人工智能以及系統(tǒng)科學(xué)中一些有關(guān)學(xué)科分支（如系統(tǒng)工程、系統(tǒng)學(xué)、運(yùn)籌學(xué)、信息論）結(jié)合起來(lái)，建立一種適用于復(fù)雜系統(tǒng)的控制理論和技術(shù)。智能控制正是在這種條件下產(chǎn)生的。它是自動(dòng)控制技術(shù)的最新發(fā)展階段，也是用計(jì)算機(jī)模擬人類智能進(jìn)行控制的研究領(lǐng)域。1965年，傅京孫首先提出把人工智能的啟發(fā)式推理規(guī)則用于學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)。1985年，在美國(guó)首次召開了智能控制學(xué)術(shù)討論會(huì)。1987年又在美國(guó)召開了智能控制的首屆國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議，標(biāo)志著智能控制作為一個(gè)新的學(xué)科分支得到承認(rèn)。智能控制具有交叉學(xué)科和定量與定性相結(jié)合的分析方法和特點(diǎn)。

一個(gè)系統(tǒng)如果具有感知環(huán)境、不斷獲得信息以減小不確定性和計(jì)劃、產(chǎn)生以及執(zhí)行控制行為的能力,即稱為智能控制系統(tǒng). 智能控制技術(shù)是在向人腦學(xué)習(xí)的過程中不斷發(fā)展起來(lái)的,人腦是一個(gè)超級(jí)智能控制系統(tǒng),具有實(shí)時(shí)推理、決策、學(xué)習(xí)和記憶等功能,能適應(yīng)各種復(fù)雜的控制環(huán)境.

智能控制與傳統(tǒng)的或常規(guī)的控制有密切的關(guān)系,不是相互排斥的. 常規(guī)控制往往包含在智能控制之中,智能控制也利用常規(guī)控制的方法來(lái)解決“低級(jí)”的控制問題,力圖擴(kuò)充常規(guī)控制方法并建立一系列新的理論與方法來(lái)解決更具有挑戰(zhàn)性的復(fù)雜控制問題.

1. 傳統(tǒng)的自動(dòng)控制是建立在確定的模型基礎(chǔ)上的,而智能控制的研究對(duì)象則存在模型嚴(yán)重的不確定性,即模型未知或知之甚少者模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)在很大的范圍內(nèi)變動(dòng),比如工業(yè)過程的病態(tài)結(jié)構(gòu)問題、某些干擾的無(wú)法預(yù)測(cè),致使無(wú)法建立其模型,這些問題對(duì)基于模型的傳統(tǒng)自動(dòng)控制來(lái)說(shuō)很難解決.

2. 傳統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入或輸出設(shè)備與人及外界環(huán)境的信息交換很不方便,希望制造出能接受印刷體、圖形甚至手寫體和口頭命令等形式的信息輸入裝置,能夠更加深入而靈活地和系統(tǒng)進(jìn)行信息交流,同時(shí)還要擴(kuò)大輸出裝置的能力,能夠用文字、圖紙、立體形象、語(yǔ)言等形式輸出信息. 另外,通常的自動(dòng)裝置不能接受、分析和感知各種看得見、聽得著的形象、聲音的組合以及外界其它的情況. 為擴(kuò)大信息通道,就必須給自動(dòng)裝置安上能夠以機(jī)械方式模擬各種感覺的精確的送音器,即文字、聲音、物體識(shí)別裝置. 可喜的是,近幾年計(jì)算機(jī)及多媒體技術(shù)的迅速發(fā)展,為智能控制在這一方面的發(fā)展提供了物質(zhì)上的準(zhǔn)備,使智能控制變成了多方位“立體”的控制系統(tǒng).

3. 傳統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)控制任務(wù)的要求要么使輸出量為定值(調(diào)節(jié)系統(tǒng)) ,要么使輸出量跟隨期望的運(yùn)動(dòng)軌跡(跟隨系統(tǒng)) ,因此具有控制任務(wù)單一性的特點(diǎn),而智能控制系統(tǒng)的控制任務(wù)可比較復(fù)雜,例如在智能機(jī)器人系統(tǒng)中,它要求系統(tǒng)對(duì)一個(gè)復(fù)雜的任務(wù)具有自動(dòng)規(guī)劃和決策的能力,有自動(dòng)躲避障礙物運(yùn)動(dòng)到某一預(yù)期目標(biāo)位置的能力等. 對(duì)于這些具有復(fù)雜的任務(wù)要求的系統(tǒng),采用智能控制的方式便可以滿足.

4. 傳統(tǒng)的控制理論對(duì)線性問題有較成熟的理論,而對(duì)高度非線性的控制對(duì)象雖然有一些非線性方法可以利用,但不盡人意. 而智能控制為解決這類復(fù)雜的非線性問題找到了一個(gè)出路,成為解決這類問題行之有效的途徑. 工業(yè)過程智能控制系統(tǒng)除具有上述幾個(gè)特點(diǎn)外,又有另外一些特點(diǎn),如被控對(duì)象往往是動(dòng)態(tài)的,而且控制系統(tǒng)在線運(yùn)動(dòng),一般要求有較高的實(shí)時(shí)響應(yīng)速度等,恰恰是這些特點(diǎn)又決定了它與其它智能控制系統(tǒng)如智能機(jī)器人系統(tǒng)、航空航天控制系統(tǒng)、交通運(yùn)輸控制系統(tǒng)等的區(qū)別,決定了它的控制方法以及形式的獨(dú)特之處.

5. 與傳統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)相比,智能控制系統(tǒng)具有足夠的關(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

6. 與傳統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)相比,智能控制系統(tǒng)能以知識(shí)表示的非數(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)控制和定性及定量控制結(jié)合的多模態(tài)控制方式.

7. 與傳統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)相比,智能控制系統(tǒng)具有變結(jié)構(gòu)特點(diǎn),能總體自尋優(yōu),具有自適應(yīng)、自組織、自學(xué)習(xí)和自協(xié)調(diào)能力.

8. 與傳統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)相比,智能控制系統(tǒng)有補(bǔ)償及自修復(fù)能力和判斷決策能力.

總之,智能控制系統(tǒng)通過智能機(jī)自動(dòng)地完成其目標(biāo)的控制過程,其智能機(jī)可以在熟悉或不熟悉的環(huán)境中自動(dòng)地或人—機(jī)交互地完成擬人任務(wù).

智能控制的主要技術(shù)方法

智能控制是以控制理論、計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能、運(yùn)籌學(xué)等學(xué)科為基礎(chǔ),擴(kuò)展了相關(guān)的理論和技術(shù),其中應(yīng)用較多的有模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、遺傳算法等理論和自適應(yīng)控制、自組織控制、自學(xué)習(xí)控制等技術(shù)。

專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)是利用專家知識(shí)對(duì)專門的或困難的問題進(jìn)行描述. 用專家系統(tǒng)所構(gòu)成的專家控制,無(wú)論是專家控制系統(tǒng)還是專家控制器,其相對(duì)工程費(fèi)用較高,而且還涉及自動(dòng)地獲取知識(shí)困難、無(wú)自學(xué)能力、知識(shí)面太窄等問題. 盡管專家系統(tǒng)在解決復(fù)雜的高級(jí)推理中獲得較為成功的應(yīng)用,但是專家控制的實(shí)際應(yīng)用相對(duì)還是比較少。

模糊邏輯

模糊邏輯用模糊語(yǔ)言描述系統(tǒng),既可以描述應(yīng)用系統(tǒng)的定量模型也可以描述其定性模型. 模糊邏輯可適用于任意復(fù)雜的對(duì)象控制. 但在實(shí)際應(yīng)用中模糊邏輯實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的應(yīng)用控制比較容易. 簡(jiǎn)單控制是指單輸入單輸出系統(tǒng)(SISO) 或多輸入單輸出系統(tǒng)(MISO) 的控制. 因?yàn)殡S著輸入輸出變量的增加,模糊邏輯的推理將變得非常復(fù)雜。

遺傳算法

遺傳算法作為一種非確定的擬自然隨機(jī)優(yōu)化工具,具有并行計(jì)算、快速尋找全局最優(yōu)解等特點(diǎn),它可以和其他技術(shù)混合使用,用于智能控制的參數(shù)、結(jié)構(gòu)或環(huán)境的最優(yōu)控制。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是利用大量的神經(jīng)元按一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)調(diào)整方法. 它能表示出豐富的特性：并行計(jì)算、分布存儲(chǔ)、可變結(jié)構(gòu)、高度容錯(cuò)、非線性運(yùn)算、自我組織、學(xué)習(xí)或自學(xué)習(xí)等. 這些特性是人們長(zhǎng)期追求和期望的系統(tǒng)特性. 它在智能控制的參數(shù)、結(jié)構(gòu)或環(huán)境的自適應(yīng)、自組織、自學(xué)習(xí)等控制方面具有獨(dú)特的能力. 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以和模糊邏輯一樣適用于任意復(fù)雜對(duì)象的控制,但它與模糊邏輯不同的是擅長(zhǎng)單輸入多輸出系統(tǒng)和多輸入多輸出系統(tǒng)的多變量控制. 在模糊邏輯表示的SIMO 系統(tǒng)和MIMO 系統(tǒng)中,其模糊推理、解模糊過程以及學(xué)習(xí)控制等功能常用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn).模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和神經(jīng)模糊邏輯技術(shù)：模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為智能控制的主要技術(shù)已被廣泛應(yīng)用. 兩者既有相同性又有不同性. 其相同性為：兩者都可作為萬(wàn)能逼近器解決非線性問題,并且兩者都可以應(yīng)用到控制器設(shè)計(jì)中. 不同的是：模糊邏輯可以利用語(yǔ)言信息描述系統(tǒng),而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則不行;模糊邏輯應(yīng)用到控制器設(shè)計(jì)中,其參數(shù)定義有明確的物理意義,因而可提出有效的初始參數(shù)選擇方法;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始參數(shù)(如權(quán)值等) 只能隨機(jī)選擇. 但在學(xué)習(xí)方式下,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過各種訓(xùn)練,其參數(shù)設(shè)置可以達(dá)到滿足控制所需的行為. 模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)都是模仿人類大腦的運(yùn)行機(jī)制,可以認(rèn)為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)模仿人類大腦的硬件,模糊邏輯技術(shù)模仿人類大腦的軟件. 根據(jù)模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的各自特點(diǎn),所結(jié)合的技術(shù)即為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和神經(jīng)模糊邏輯技術(shù). 模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和它們混合技術(shù)適用于各種學(xué)習(xí)方式 智能控制的相關(guān)技術(shù)與控制方式結(jié)合或綜合交叉結(jié)合,構(gòu)成風(fēng)格和功能各異的智能控制系統(tǒng)和智能控制器是智能控制技術(shù)方法的一個(gè)主要特點(diǎn)

榮譽(yù)表彰

2020年7月14日，《一種智能裁剪生產(chǎn)線系統(tǒng)及其控制方法》獲得第二十一屆中國(guó)專利獎(jiǎng)優(yōu)秀獎(jiǎng)。

《智能桁架結(jié)構(gòu)最優(yōu)控制方法與數(shù)值模擬（精）》闡述了智能結(jié)構(gòu)最優(yōu)控制的基本概念，介紹了智能桁架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度最優(yōu)控制、智能桁架結(jié)構(gòu)剛度最優(yōu)控制、智能桁架結(jié)構(gòu)多目標(biāo)最優(yōu)控制、精密復(fù)雜結(jié)構(gòu)的綜合控制、機(jī)電耦合智能桁架強(qiáng)度最優(yōu)控制、機(jī)電耦合智能桁架結(jié)構(gòu)多目標(biāo)最優(yōu)控制、智能天線結(jié)構(gòu)精度最優(yōu)控制。