《智能控制系統(tǒng)》課件

智能控制系統(tǒng)結(jié)合人工智能與控制理論的前沿技術(shù)課程目標(biāo)和內(nèi)容掌握智能控制理論理解核心概念、原理及應(yīng)用方法了解多種智能算法模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、遺傳算法實(shí)際應(yīng)用能力智能控制的定義和特點(diǎn)定義融合人工智能與控制理論的先進(jìn)控制方法模擬人類思維進(jìn)行決策和控制特點(diǎn)自適應(yīng)性強(qiáng)具備學(xué)習(xí)能力處理不確定性強(qiáng)大的非線性處理能力智能控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)感知層收集系統(tǒng)狀態(tài)和環(huán)境信息決策層智能算法處理信息并制定控制策略執(zhí)行層實(shí)施控制指令影響受控對象評估層監(jiān)測控制效果并提供反饋智能控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程11950-1970年代提出理論基礎(chǔ)早期模糊控制理論21980-1990年代神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與專家系統(tǒng)蓬勃發(fā)展首批工業(yè)應(yīng)用32000-2010年代混合智能控制方法理論與應(yīng)用成熟42010年至今深度學(xué)習(xí)革命大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能控制傳統(tǒng)控制與智能控制的比較對比維度傳統(tǒng)控制智能控制數(shù)學(xué)模型嚴(yán)格依賴弱依賴或不依賴非線性處理能力有限天然優(yōu)勢適應(yīng)能力較弱強(qiáng)大學(xué)習(xí)能力無具備復(fù)雜性較低較高智能控制的主要方法模糊控制基于模糊邏輯和模糊集理論處理不精確信息和語言變量神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具備學(xué)習(xí)和適應(yīng)能力專家系統(tǒng)控制基于領(lǐng)域?qū)＜抑R通過規(guī)則推理實(shí)現(xiàn)決策進(jìn)化算法控制基于遺傳算法等優(yōu)化方法全局搜索最優(yōu)控制策略模糊控制基礎(chǔ)模糊集合論擴(kuò)展了經(jīng)典集合論引入部分隸屬關(guān)系模糊邏輯多值邏輯系統(tǒng)處理"灰色區(qū)域"信息模糊推理基于模糊規(guī)則的推理機(jī)制實(shí)現(xiàn)近似推理模糊控制器基于模糊集和模糊邏輯的控制系統(tǒng)模擬人類控制決策模糊集合理論1模糊集定義具有連續(xù)隸屬度的集合2模糊集運(yùn)算交集、并集、補(bǔ)集等操作3基本屬性高度、支撐集、α-截集等概念4經(jīng)典集擴(kuò)展經(jīng)典集是模糊集的特例隸屬度函數(shù)三角形隸屬函數(shù)簡單直觀，計(jì)算效率高梯形隸屬函數(shù)適用于較寬的核心區(qū)域高斯隸屬函數(shù)平滑過渡，模擬自然現(xiàn)象模糊關(guān)系定義兩個(gè)或多個(gè)模糊集之間的關(guān)聯(lián)表示方法關(guān)系矩陣、圖形表示復(fù)合運(yùn)算max-min復(fù)合、max-product復(fù)合等模糊關(guān)系推理基于模糊關(guān)系進(jìn)行推理模糊推理模糊規(guī)則庫IF-THEN規(guī)則集合模糊化將精確輸入轉(zhuǎn)為模糊集推理機(jī)制應(yīng)用模糊規(guī)則進(jìn)行推理解模糊化將模糊結(jié)果轉(zhuǎn)為精確輸出模糊控制器設(shè)計(jì)步驟1確定輸入輸出變量選擇關(guān)鍵控制參數(shù)和輸出變量2設(shè)計(jì)隸屬度函數(shù)為每個(gè)變量定義合適的隸屬度函數(shù)3制定模糊規(guī)則基于專家經(jīng)驗(yàn)建立IF-THEN規(guī)則4選擇推理方法確定模糊推理和解模糊化策略5調(diào)試和優(yōu)化通過仿真和實(shí)驗(yàn)優(yōu)化控制性能模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模糊化接口轉(zhuǎn)換精確輸入為模糊集知識庫模糊規(guī)則庫和數(shù)據(jù)庫決策邏輯執(zhí)行模糊推理操作解模糊化接口轉(zhuǎn)換模糊結(jié)果為精確控制量模糊PID控制精度響應(yīng)速度抗干擾能力模糊控制應(yīng)用實(shí)例模糊控制已廣泛應(yīng)用于家電、交通、工業(yè)等領(lǐng)域優(yōu)勢在于不需精確模型且控制效果好神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制基礎(chǔ)基本概念模擬生物神經(jīng)系統(tǒng)的計(jì)算模型通過學(xué)習(xí)完成復(fù)雜控制任務(wù)主要特點(diǎn)分布式并行處理自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力非線性映射能力容錯(cuò)性強(qiáng)人工神經(jīng)元模型n輸入來自其他神經(jīng)元的信號w權(quán)重連接強(qiáng)度參數(shù)f(x)激活函數(shù)處理輸入信號的非線性函數(shù)y輸出傳遞給下一層神經(jīng)元神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)前饋網(wǎng)絡(luò)信號單向傳遞，無反饋環(huán)路遞歸網(wǎng)絡(luò)具有反饋連接，適合序列處理卷積網(wǎng)絡(luò)專門處理網(wǎng)格結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法監(jiān)督學(xué)習(xí)使用帶標(biāo)簽的樣本進(jìn)行訓(xùn)練無監(jiān)督學(xué)習(xí)從無標(biāo)簽數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)模式強(qiáng)化學(xué)習(xí)通過獎(jiǎng)懲信號指導(dǎo)學(xué)習(xí)混合學(xué)習(xí)結(jié)合多種學(xué)習(xí)方式BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)前向傳播計(jì)算當(dāng)前輸入的網(wǎng)絡(luò)輸出誤差計(jì)算計(jì)算輸出與目標(biāo)值的誤差誤差反向傳播沿梯度方向傳遞誤差權(quán)值調(diào)整更新連接權(quán)重和閾值RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)三層結(jié)構(gòu)：輸入層、隱含層、輸出層基于徑向基函數(shù)的激活函數(shù)特點(diǎn)局部逼近能力強(qiáng)學(xué)習(xí)速度快避免局部極小問題應(yīng)用函數(shù)逼近模式識別時(shí)間序列預(yù)測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器設(shè)計(jì)控制策略確定直接控制、間接控制、混合控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選擇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和參數(shù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)準(zhǔn)備獲取代表性數(shù)據(jù)集網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練選擇合適的學(xué)習(xí)算法驗(yàn)證與優(yōu)化測試和調(diào)整控制性能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識與控制模型辨識使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立受控對象的數(shù)學(xué)模型前向模型和逆向模型辨識控制方式直接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制間接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)模控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用實(shí)例神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制在機(jī)器人、自動(dòng)駕駛、工業(yè)過程控制等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛專家系統(tǒng)控制基礎(chǔ)知識庫存儲(chǔ)領(lǐng)域?qū)＜抑R和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)當(dāng)前問題的事實(shí)和數(shù)據(jù)2推理機(jī)根據(jù)知識進(jìn)行推理決策解釋機(jī)制說明推理過程和結(jié)論依據(jù)專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)用戶接口人機(jī)交互界面知識獲取子系統(tǒng)從專家獲取知識并形式化知識庫存儲(chǔ)領(lǐng)域知識和規(guī)則推理機(jī)運(yùn)用知識推導(dǎo)結(jié)論解釋子系統(tǒng)解釋推理過程和結(jié)論知識表示方法產(chǎn)生式規(guī)則IF-THEN形式的條件動(dòng)作對語義網(wǎng)絡(luò)基于節(jié)點(diǎn)和連接的圖形表示框架表示結(jié)構(gòu)化知識描述邏輯表示基于形式邏輯的知識表達(dá)推理機(jī)制前向推理數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)推理從已知事實(shí)出發(fā)推導(dǎo)結(jié)論適用于診斷類問題后向推理目標(biāo)驅(qū)動(dòng)推理從假設(shè)目標(biāo)回溯驗(yàn)證前提適用于規(guī)劃類問題混合推理結(jié)合前向和后向推理提高推理效率適應(yīng)復(fù)雜問題專家控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題分析定義控制目標(biāo)和需求確定知識來源知識獲取從專家獲取領(lǐng)域知識整理和形式化知識知識庫構(gòu)建設(shè)計(jì)知識表示方式構(gòu)建規(guī)則庫推理機(jī)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)推理策略開發(fā)解釋機(jī)制系統(tǒng)驗(yàn)證測試系統(tǒng)性能調(diào)整和優(yōu)化專家控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例電力系統(tǒng)發(fā)電廠操作控制與故障診斷醫(yī)療診斷輔助疾病診斷與治療方案決策制造過程復(fù)雜工藝參數(shù)控制與質(zhì)量管理遺傳算法基礎(chǔ)基本概念模擬自然選擇和遺傳機(jī)制的優(yōu)化算法基因編碼將問題解編碼為染色體適應(yīng)度評價(jià)評估解的優(yōu)劣程度遺傳操作選擇、交叉、變異進(jìn)化過程群體迭代優(yōu)化解決方案遺傳算法的基本操作選擇操作基于適應(yīng)度選擇優(yōu)秀個(gè)體交叉操作交換父代染色體片段變異操作隨機(jī)改變?nèi)旧w上的基因遺傳算法在控制中的應(yīng)用參數(shù)優(yōu)化優(yōu)化控制器參數(shù)如PID參數(shù)整定結(jié)構(gòu)優(yōu)化優(yōu)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制策略優(yōu)化尋找最優(yōu)控制序列如軌跡規(guī)劃多目標(biāo)優(yōu)化平衡多個(gè)控制指標(biāo)如穩(wěn)定性與快速性進(jìn)化計(jì)算與智能控制遺傳算法基于生物進(jìn)化理論的全局優(yōu)化方法1粒子群算法模擬鳥群覓食行為的優(yōu)化技術(shù)2蟻群算法基于螞蟻覓食行為的優(yōu)化方法3差分進(jìn)化算法基于種群差異的優(yōu)化技術(shù)4自適應(yīng)控制與智能控制自適應(yīng)控制基于數(shù)學(xué)模型參數(shù)自適應(yīng)結(jié)構(gòu)固定適應(yīng)性有限智能控制弱依賴數(shù)學(xué)模型參數(shù)自適應(yīng)結(jié)構(gòu)可自適應(yīng)適應(yīng)性強(qiáng)融合優(yōu)勢結(jié)合理論嚴(yán)謹(jǐn)性和適應(yīng)能力智能自適應(yīng)控制系統(tǒng)自組織控制系統(tǒng)特點(diǎn)具有自我調(diào)整和結(jié)構(gòu)重組能力控制目標(biāo)無需外部干預(yù)自動(dòng)優(yōu)化性能實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)化算法、自組織映射網(wǎng)絡(luò)主要優(yōu)勢適應(yīng)未知環(huán)境和不確定系統(tǒng)學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)積累從交互中獲取信息知識提取從經(jīng)驗(yàn)中提煉規(guī)律性能改進(jìn)應(yīng)用學(xué)習(xí)成果提升控制效果知識保存將學(xué)習(xí)成果存儲(chǔ)以備未來使用強(qiáng)化學(xué)習(xí)控制智能體執(zhí)行控制動(dòng)作的實(shí)體環(huán)境被控系統(tǒng)和外部條件動(dòng)作控制策略產(chǎn)生的輸出獎(jiǎng)勵(lì)反饋控制效果的信號策略狀態(tài)到動(dòng)作的映射規(guī)則智能PID控制狀態(tài)感知獲取系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)智能算法實(shí)時(shí)優(yōu)化PID參數(shù)PID控制器執(zhí)行基礎(chǔ)控制功能受控對象實(shí)際工業(yè)過程智能預(yù)測控制系統(tǒng)模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或模糊系統(tǒng)建立的過程模型用于預(yù)測未來輸出優(yōu)化算法求解最優(yōu)控制序列通常使用進(jìn)化算法或梯度法滾動(dòng)優(yōu)化在線實(shí)時(shí)優(yōu)化控制策略應(yīng)對環(huán)境和系統(tǒng)變化智能故障診斷與容錯(cuò)控制故障檢測監(jiān)測系統(tǒng)異常狀態(tài)智能辨識故障征兆故障診斷確定故障類型和位置評估故障嚴(yán)重程度故障決策確定應(yīng)對策略調(diào)整控制目標(biāo)容錯(cuò)控制重構(gòu)控制結(jié)構(gòu)保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行多智能體系統(tǒng)控制多智能體系統(tǒng)通過局部交互實(shí)現(xiàn)全局協(xié)調(diào)控制具備高度自主性、適應(yīng)性和可擴(kuò)展性智能優(yōu)化控制目標(biāo)函數(shù)表征系統(tǒng)性能的指標(biāo)約束條件系統(tǒng)物理和安全限制智能優(yōu)化算法搜索最優(yōu)控制策略策略實(shí)施執(zhí)行優(yōu)化后的控制方案模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)將模糊系統(tǒng)嵌入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)模糊推理主要特點(diǎn)結(jié)合模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢具備學(xué)習(xí)能力可解釋性強(qiáng)處理不確定性信息應(yīng)用領(lǐng)域復(fù)雜非線性系統(tǒng)控制模式識別與故障診斷時(shí)間序列預(yù)測神經(jīng)模糊系統(tǒng)模糊化層將精確輸入轉(zhuǎn)換為模糊集規(guī)則層實(shí)現(xiàn)模糊規(guī)則的觸發(fā)規(guī)則輸出層計(jì)算各規(guī)則的輸出解模糊化層產(chǎn)生精確控制輸出小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ψ小波函數(shù)作為激活函數(shù)使用局部時(shí)頻局部化提供多分辨率分析能力快速收斂速度比傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更快精度高逼近精度能更好處理非平穩(wěn)信號深度學(xué)習(xí)在控制中的應(yīng)用深度學(xué)習(xí)為復(fù)雜控制問題提供強(qiáng)大的非線性映射和特征提取能力端到端控制、強(qiáng)化學(xué)習(xí)成為研究熱點(diǎn)智能控制在工業(yè)過程中的應(yīng)用化工過程復(fù)雜非線性工藝參數(shù)控制鋼鐵冶金溫度、成分精確控制食品加工質(zhì)量一致性控制智能控制在機(jī)器人中的應(yīng)用感知系統(tǒng)獲取環(huán)境和自身狀態(tài)信息智能決策規(guī)劃最優(yōu)動(dòng)作序列運(yùn)動(dòng)控制精確執(zhí)行復(fù)雜動(dòng)作自主學(xué)習(xí)從經(jīng)驗(yàn)中改進(jìn)控制策略智能控制在航空航天中的應(yīng)用飛行控制自適應(yīng)飛行控制系統(tǒng)航天器導(dǎo)航自主軌道規(guī)劃與控制姿態(tài)控制衛(wèi)星精確指向控制智能控制在交通系統(tǒng)中的應(yīng)用智能交通信號控制實(shí)時(shí)優(yōu)化交通信號配時(shí)緩解交通擁堵自動(dòng)駕駛技術(shù)感知環(huán)境并做出決策提高行車安全和效率高速鐵路控制精確軌跡跟蹤與速度控制保障運(yùn)行安全航空交通管理優(yōu)化飛行計(jì)劃減少延誤和燃油消耗智能控制在能源系統(tǒng)中的應(yīng)用1234智能電網(wǎng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制與優(yōu)化可再生能源風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電控制能源管理智能調(diào)度與需求側(cè)響應(yīng)微電網(wǎng)分布式能源協(xié)調(diào)控制智能控制在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用藥物輸送精確控制藥物釋放人工器官人工心臟等設(shè)備控制手術(shù)機(jī)器人高精度手術(shù)操作康復(fù)系統(tǒng)智能假肢與外骨骼控制智能建筑與智能控制空調(diào)系統(tǒng)智能溫度調(diào)節(jié)與空氣質(zhì)量控制照明系統(tǒng)基于人流和自然光的智能調(diào)光安全系統(tǒng)智能監(jiān)控與入侵檢測能源管理實(shí)時(shí)優(yōu)化能源使用效率智能控制與物聯(lián)網(wǎng)感知層物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)傳輸與通信平臺層數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理應(yīng)用層智能控制算法與決策執(zhí)行層控制指令實(shí)施智能控制與大數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)獲取海量過程數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)預(yù)處理清洗、篩選有價(jià)值信息數(shù)據(jù)分析挖掘系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律模型建立基于數(shù)據(jù)構(gòu)建控制模型控制優(yōu)化數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化決策智能控制的未來發(fā)展趨勢技術(shù)融合多種智能方法協(xié)同深度學(xué)習(xí)與控制理論結(jié)合大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的控制優(yōu)化應(yīng)用拓展邊緣計(jì)算與分布式控制自主系統(tǒng)控制人機(jī)協(xié)作控制發(fā)展方向可解釋的智能控制認(rèn)知控制