机电系统智能控制与应用.pptx

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1、考核方式课程论文（50%）+考试成绩（50%）第1页/共115页教学内容 第1章：概述1.1常见机电系统工作原理与控制要求-03091.2 智能控制的基本概念及MATLAB应用-0309 第2章：模糊控制器的设计与实现 第3章：基于神经网络的学习控制 第4章：遗传算法及其应用 第5章：先进智能控制技术第2页/共115页第1章：概述1.1常见机电系统工作原理与控制要求机电系统概述机电系统的控制要求智能制造系统智能移动机器人控制典型工业机器人系统控制倒立摆控制系统第3页/共115页机电系统概述机电系统概述机电一体化(Mechatronics)技术：从系统的观点出发，将机械技术、微电子技术、信息技术

2、、控制技术等在系统工程基础上有机地加以综合，以实现整个系统最佳化的一门新科学技术。机电系统:在机械系统中引入微电子技术，并用软件将二者有机结合起来的系统。概括：以机为主，电为机用。机电一机电一体化体化信息科学机械学电子学第4页/共115页机电系统的应用军事军事工业工业医疗医疗服务服务第5页/共115页机电系统的构成机电系统的构成控制系统系统及外部环境信息 检测系统 传动系统运动信息驱动系统 执行器机械联系位姿信息机电系统的信息流第6页/共115页机电系统的构成机电系统的构成1）检测传感系统检测传感系统：检测产品内部状态和外部环境，实现测量、感知功能。要求：体积小、精度高、抗干扰2）控制系统控制

3、系统：处理、运算、决策，实现控制功能。要求：高可靠性、柔性、智能化3）驱动系统驱动系统：提供能量，转换成需要的形式，实现动力功能。要求：效率高、可靠性好4）传动系统、机械本体传动系统、机械本体：力矩传递、运动传递；机身、框架、机械连接零件，实现各器件的支撑、连接。要求：可靠、小型第7页/共115页5）、执行机构执行机构：操作器，接收控制信息，完成要求的动作，实现主功能。机电系统的构成机电系统的构成第8页/共115页机电系统的控制要求控制理论的中心问题:控制后系统的动态、稳态性能指标以及系统的抗干扰、自适应、最优化性能。对于机电控制系统，从控制理论的角度来说的基本要求如下：1）稳定性：稳定性：指

4、系统在受到外部作用后的动态过程的倾向和恢复平衡状态的能力。不稳定的系统是无法工作的。因此，控制系统的稳定性是系统分析和设计的首要内容。（稳定性是基本要求）2）快速性：快速性：在稳定的前提下，响应的快速性指系统消除实际输出量与稳态输出量之间误差的快慢程度。3）准确性：准确性：指系统达到稳定状态后，系统实际输出量与给定的希望输出量之间的误差大小，又称稳态精度。4）自适应性能：系统是否能够根据运行条件、性能要求自动调整自身的运行参数；5）最优性能：即系统是否能够满足一定的优化指标，如效率最大化，耗能最小化等等。从工程的角度，还要考虑的问题:系统的可靠性，易维护性等等。第9页/共115页智能制造系统智

5、能制造系统 智能制造系统（IMS）可以在确定性受到限制或没有先验知识的、不可预测的环境下，根据不完全的、不精确的信息来完成拟人的制造任务，这是八十年代以来由高度工业化国家首先提出的开发性技术和项目。第10页/共115页智能制造系统智能制造系统智能制造系统的目标是：u在制造系统中用机器智能来代替人们的脑力劳动，使脑力劳动自动化u在制造系统中用机器智能代替熟练工人的操作技能，使得制造过程不再依赖于人的“手艺”。不再依赖于人的监视和决策控制，使得制造系统的生产可以自主的进行第11页/共115页智能制造系统智能制造系统第12页/共115页智能制造系统智能制造系统上图为一个IMS基本结构的例子，该例子是

6、一台实现初步智能的数控铣床，智能表现在两个层次上，第一层为加工过程的智能控制，第二层为生产调度规划的智能控制，在加工过程智能控制中有以下几个部分实现。u 判据选择规则库系统，在加工控制的高一级中提供加工操作与加工目标之间的联系；u动作选择规则库系统，提供在一组由过程输入参数组成的动作中选择适当的一个法则，其结果一般是一组加工输入参数；u 过程模型，基于传感器的信息、零件信息和通用加工数据库的信息建立的切削过程动态模型。u一组决策律，施加在决策矩阵上去选择最好的动作。它与一个决策质量估计子模块，结合在一起，当一个决策选取的时刻，能选择最好的动作。第13页/共115页智能移动机器人控制智能移动机器

7、人控制右图为一种智能移动机器人的体系结构，其中：(a)部分为硬件结构(b)部分为软件结构第14页/共115页智能移动机器人控制智能移动机器人控制该体系可分为智能级和协调级两个部分：u智能级智能级 该级完成的功能是：1）根据任务命令建立任务模型，完成任务规划；2）根据视觉处理系统提供的环境模型及目标命令进行全局路径规划及重规划。该级由工作站及图形显示终端组成，系统中设有知识库、数据库、通用规划器和规划软件。他是智能控制系统的任务级也是该特定系统的智能级。u协调级协调级 该级的主要功能是协调机器人各系统之间的关系，如：（1）根据上级的规划决策命令，进行轨迹规划，形成车体运行命令，送给执行级控制车体

8、移动；第15页/共115页智能移动机器人控制智能移动机器人控制（2）接受视觉处理系统信号和建立环境模型，并进行局部路径规划和导航；（3）接受超声测量等子系统的障碍信息，进行局部环境建模，作超声避障和导航；（4）实现对移动机器人参数设置、状态变换、数据监测和控制以及人机交互。该级由微型计算机及接口电路组成。u执行级 该级包括视觉处理、环境建模系统、自动驾驶系统和临场感知人机交互系统。该级完成机器人检测、控制和导航功能。第16页/共115页智能移动机器人控制智能移动机器人控制车体控制子系统可以实现速度闭环控制和位置闭环控制。超声测量子系统可实现超声避障、导航及无碰撞目标搜索功能。临场感知人机交互系

9、统由主体观察器、无线电电视发送器、观察镜、头盔装置、无线电数据传动台、操纵椅及通用计算机模板等组成。当智能移动机器人远离基地时，该系统能使坐在基地操纵椅上的操纵人员感受到好像在现场，有身临其境的感觉，能感知到现场的情况，通过操作装置控制移动机器人。第17页/共115页垂直关节型垂直关节型PUMA-562水平关节型水平关节型 SCARA典型工业机器人系统控制第18页/共115页喷漆机器人第19页/共115页焊接机器人工作站第20页/共115页工业机器人系统的组成与结构机器人本体多自由度的关节式机械系统 一般包括：一般包括：（1）驱动装置（能源，动力）驱动装置（能源，动力）（2）减速器）减速器（将

10、高速运动变为低速运动）（将高速运动变为低速运动）（3）运动传动机构）运动传动机构（4）关节部分机构）关节部分机构（相当手臂，形成空间（相当手臂，形成空间的多自由度运动）的多自由度运动）（5）把持机构，末端执行器，端拾器）把持机构，末端执行器，端拾器（相（相当手爪）当手爪）（6）移动机构，走行机构）移动机构，走行机构（相当腿脚）（相当腿脚）（7）变位机等周边设备）变位机等周边设备（配合机器人工作（配合机器人工作的辅助装置）的辅助装置）第21页/共115页机器人感知系统内部传感器内部传感器检测机器人自身状态（内部信息）检测机器人自身状态（内部信息）如关节的运动状态如关节的运动状态 机器人自身运动与

11、正常工作所必需机器人自身运动与正常工作所必需外部传感器外部传感器感知外部世界，检测作业对象与作业环境的状态感知外部世界，检测作业对象与作业环境的状态（外部信息）（外部信息）如视觉、听觉、触觉等如视觉、听觉、触觉等 适应特定环境，完成特定任务所必需适应特定环境，完成特定任务所必需机器人控制系统驱动控制器伺服控制器（单关节），控制各关节驱动电机 运动控制器规划、协调机器人各关节的运动，轨迹控制 作业控制器环境检测，任务规划，确定所要进行的作业流程 机器人决策系统通过感知和思维，规划和确定机器人的任务，而且应该具有通过感知和思维，规划和确定机器人的任务，而且应该具有学习能力。学习能力。第22页/共1

12、15页机器人组成原理框图外外部部传传感感器器环环 境境任任 务务机器人模型机器人模型环境模型环境模型工作任务程序工作任务程序机机器器人人控控制制器器语言语言控制算法控制算法内内部部传传感感器器关节机构关节机构减速机构减速机构驱动装置驱动装置机机器器人人本本体体第23页/共115页机器人控制信息流程图作作业业控控制制器器运运动动控控制制器器驱驱动动控控制制器器A内部传感器内部传感器外部传感器外部传感器内部信息处理内部信息处理外部信息处理外部信息处理CB第24页/共115页机械手概念图第25页/共115页机器人系统概念图第26页/共115页机器人系统的硬件构成示例第27页/共115页工业机器人控制

13、系统工作过程 机器人控制过程示意图机器人控制过程示意图 内内部部反反馈馈根据外界环境确定任务确定运动轨迹（点动或轨迹）计算目标任务在笛卡尔空间的位姿任务执行电机的伺服控制转换为电机的给定值转换为关节空间角度外外部部反反馈馈作作业业控控制制器器组组织织层层伺伺服服控控制制器器执执行行层层运运动动控控制制器器协协调调层层第28页/共115页（1）人工智能级组织层作业控制器（2）控制模式级协调层运动控制器（3）伺服系统级执行层驱动控制器 几种不同的称谓 机器人控制系统在物理上分为两级：工控机与机器人控制系统在物理上分为两级：工控机与伺服控制器，但在逻辑上一般分为三级（层）：伺服控制器，但在逻辑上一般

14、分为三级（层）：第29页/共115页作业控制器驱动控制器3驱动控制器1驱动控制器2驱动控制器4运动控制器机器人本体 机器人控制系统的构成第30页/共115页分析各层（级）的关系与区别 知识粒度 数据处理 功能类别作业控制级 粗 模糊 决策运动控制级 中 精确 任务分解驱动控制级 细 精确 控制 通过分层递阶的组织形式才能完成复杂任务第31页/共115页工业机器人典型控制方式 点位式（PTP，point to point）实现点的位置控制，而点与点之间的轨迹却无关紧要。如自动插件机，在贴片机上安插元件，点焊、搬运、装配等。轨迹式(CP,continuous path)指定点与点之间的运动轨迹为所

15、要求的曲线，如直线或圆弧。在进行弧焊、喷漆、切割等作业时十分必要。速度控制方式 对于机器人的行程要求遵循一定的速度变化曲线。力（力矩）控制方式 要求对末端施加在对象上的力进行控制，如抓放操作、去毛刺、研磨和组装等作业。智能控制方式 在不确定或未知条件下作业，通过传感器，内部的知识库，自主完成给定任务。第32页/共115页机器人特有伺服控制策略 重力补偿 在伺服系统的控制量中实时地计算重力项，并加入一个抵消重力的量，可补偿重力项的影响。耦合惯量及摩擦力的补偿 在高速、高精度机器人中，必须考虑一个关节运动会引起另一个关节的等效转动惯量的变化，即耦合的问题；还要考虑摩擦力的补偿。传感器的位置补偿 在

16、内部反馈的基础上，再用一个外部位置传感器进一步消除误差，这种系统称为传感器闭环系统或大伺服系统。（否则为半闭环）前馈控制和超前控制 前馈控制：从给定信号中提取速度、加速度信号。把它加在伺服系统的适当部位，以消除系统的速度和加速度跟踪误差。超前控制：估计下一时刻的位置误差，并把这个估计量加到下一时刻的控制量中。第33页/共115页各种智能控制策略 记忆修正控制 (迭代学习控制)记忆前一次的运动误差，改进后一次的控制量；适用于重复操作的场合。听觉控制 有的机器人可以根据人的口头命令做出回答或执行任务，这是利用了声音识别系统。视觉控制 常将视觉系统用于判别物体形状和物体之间的关系，也可以用来测量距离

17、、选择运动途径。递阶控制（组织级、协调级、执行级）最低层是各关节的伺服系统，最高层是管理（主）计算机；大系统控制理论可以用在机器人系统中。第34页/共115页各种先进控制策略 模糊控制 通常的模糊控制是借助熟练操作者经验，通过“语言变量”表述和模糊推理来实现的无模型控制。神经控制人工神经网络控制 神经控制便是由神经网络组成的控制系统结构。鲁棒控制 鲁棒控制的基本特征，是用一个结构和参数都是固定不变的控制器，来保证即使不确定性对系统的性能品质影响最恶劣的时候也能满足设计要求。第35页/共115页滑模控制 滑模变结构控制系统的特点是：在动态控制过程中，系统的结构根据系统当时的状态偏差及其各阶导数值

18、，以跃变的方式按设定的规律作相应改变，该类控制系统预先在状态空间设定一个特殊的超越曲面，由不连续的控制规律，不断变换控制系统结构，使其沿着这个特定的超越曲面向平衡点滑动，最后渐近稳定至平衡点。学习控制 产生自主运动的认知控制系统，包括感知层、数据处理层、概念产生层、目标感知层、控制知识数据库、结论产生层等。各种先进控制策略(续)第36页/共115页 示教再现法 给定方式 直接示教方式，即操作人员直接带动机器人的手臂依次通过预定的轨迹；间接示教方式，即操作人员通过手动控制盒上的按键，编制机器人的动作顺序，确定位置、设定速度或限时。示教储存 示教过程就是编制程序的过程。操作人员利用操纵手柄上的记录

19、开关，使编码器输出端与存储器相联，信息就存储到存储器中去。（多通道记录仪）再现执行 机器人工作时，将存储器中所记录的各关节角信息传输给相应关节上的执行元件，以实现相应的关节角，由此按时间顺序完成在示教过程中所记录下的运动。第37页/共115页 新松机器人控制器与示教编程盒第38页/共115页 机器人的力控制 以位移控制为基础 位移控制作为系统的内环，力控制作为外环，位移输出和力输出都由位移控制作为系统的内环，力控制作为外环，位移输出和力输出都由同一个前向控制器实现，常难以同时满足两方面的控制要求。同一个前向控制器实现，常难以同时满足两方面的控制要求。PQQ+_+力控制轴选择力/位变换位置控制力

20、传感器环境P以位移控制为基础的力控制第39页/共115页以广义力控制为基础+P以力控制内环为基础的力控制QQ_+_位置控制轴选择位/力 变换环境P+力闭环控制第40页/共115页位置和力的混合控制 通过力控制轴和位置控制轴的选择，确定各关节受控类型，分别进通过力控制轴和位置控制轴的选择，确定各关节受控类型，分别进行控制。显然，这一方案是优于上述两种方案。行控制。显然，这一方案是优于上述两种方案。+xafffx xxx_xd_选择矩阵S位置控制器坐标变换选择矩阵I-S+组合控制策略原理方块图力控制器执行元件坐标变换机器人臂和手力敏感位置敏感sifd+第41页/共115页机器人柔顺控制系统 主动柔

21、性 采用一个力反馈或组合反馈控制系统 被动柔性 通过操作机终端机械结构的变形来适应操作过程中遇到的阻力 如果末端装置、工具或周围环境的刚性很高，那么机如果末端装置、工具或周围环境的刚性很高，那么机械手要执行与某个表面有接触的操作作业将会变得相当困械手要执行与某个表面有接触的操作作业将会变得相当困难。常常希望机器人具有柔顺性（难。常常希望机器人具有柔顺性（compliance）。这样就）。这样就需要使机器人成为柔性机器人系统。需要使机器人成为柔性机器人系统。第42页/共115页主动柔性示意图被动柔性示意图第43页/共115页倒立摆控制系统倒立摆控制系统问题概述 倒立摆倒立摆（Inversed P

22、endulum）自动控制理论与系自动控制理论与系统的典型研究对象统的典型研究对象u电位计直流机r第44页/共115页水平轨二级倒立摆第45页/共115页圆轨二级倒立摆圆轨二级倒立摆第46页/共115页控制目标：控制目标：摆不倒，车不动摆不倒，车不动 控制手段：控制手段：直流机的转向与转速直流机的转向与转速力矩电机力矩电机检测手段：检测手段：用电位计检测用电位计检测 r,r,位角检测位角检测问题分析：问题分析：一般反馈控制是不行的，单变量？多变量？一般反馈控制是不行的，单变量？多变量？自然不稳定，失稳过程很快，为一快速系统自然不稳定，失稳过程很快，为一快速系统系统特点系统特点：高阶、多变量、非线

23、性、时变、强耦合、：高阶、多变量、非线性、时变、强耦合、自然不稳定。自然不稳定。如果在摆体平衡态时让小车移动，便成为单足机器人如果在摆体平衡态时让小车移动，便成为单足机器人系统，属于机器人学研究的范畴。系统，属于机器人学研究的范畴。第47页/共115页Gr,u被控对象Plant执行机构车摆系统位角检测 控制器Controller倒立摆控制系统结构图第48页/共115页车摆系统建模 UGu功率放大直流电机执行机构执行机构：执行机构：功率放大功率放大：直流电机：直流电机：执行机构：执行机构：（很小）很小）第49页/共115页车摆机构：车摆机构：假设：假设：1）滑（转）动摩擦系数为常量滑（转）动摩擦

24、系数为常量:0 0，1 1；2)滑（转）动摩擦力与相对速度成正比；滑（转）动摩擦力与相对速度成正比；3)除皮带外整个对象为刚体，无弹性变形；除皮带外整个对象为刚体，无弹性变形；4)皮带无伸缩现象；皮带无伸缩现象；5)信号传递与力的传递无延时。信号传递与力的传递无延时。车摆系统建模 第50页/共115页车摆系统建模 根据第根据第6 6章对一级倒立摆系统的动力学建模结果，可以得到章对一级倒立摆系统的动力学建模结果，可以得到令令则有则有应该看到，这不是一阶微分方程组，还不是通常的状态方程。应该看到，这不是一阶微分方程组，还不是通常的状态方程。第51页/共115页状态方程的建立 令令于是得到于是得到令

25、令则有状态方程与输出方程则有状态方程与输出方程 式中式中第52页/共115页一级倒立摆装置的实际参数表 物理名称物理意义参数值M M0 0小车系统等效质量1.328 kg1.328 kgM M1 1一摆质量0.22 kg0.22 kgL L一摆质心到转轴之间距离0.304 m0.304 mL L1 1一摆摆长0.317 m0.317 mJ J1 1一摆的转动惯量0.00496 kg.m0.00496 kg.m2 2F F0 0小车与导轨间摩擦系数22.915 N.s/m22.915 N.s/mF F1 1一摆与转轴间摩擦系数0.0071N.m.s0.0071N.m.sG G0 0力与控制电压之

26、比11.887N/V11.887N/V系统分析第53页/共115页 将将上上表表给给出出的的参参数数代代入入单单级级倒倒立立摆摆系系统统的的模模型型中中，并并在在平平衡衡点点附附近近线性化，可得到系统的状态方程为线性化，可得到系统的状态方程为其中其中 由上述模型可得系统的的极点为（由上述模型可得系统的的极点为（0 0，5.416,-5.71,-16.5225.416,-5.71,-16.522），），该系统有落在右半平面的极点，因此属于自然不稳定系统。该系统有落在右半平面的极点，因此属于自然不稳定系统。系统分析（续）第54页/共115页 由系统的线性模型可得该系统的可控性矩阵为由系统的线性模型

27、可得该系统的可控性矩阵为 经经计计算算，矩矩阵阵P P1 1的的秩秩为为4 4，根根据据现现代代控控制制理理论论可可控控性性定理，该系统在平衡点附近可控。定理，该系统在平衡点附近可控。从从状状态态方方程程到到输输出出方方程程，还还可可以以得得到到该该系系统统的的可可观观性矩阵为性矩阵为 经计算，矩阵经计算，矩阵P P2 2的秩为的秩为4 4，该系统在平衡点附近可观测。，该系统在平衡点附近可观测。系统分析（续）第55页/共115页采用线性二次型性能指标采用线性二次型性能指标（LQRLQRLinear QuadraticLinear Quadratic RegulatorRegulator）根据极

28、大值原理，则有最优控制根据极大值原理，则有最优控制 K K 为最优反馈矩阵为最优反馈矩阵 式中式中P P 为代数黎卡提方程解为代数黎卡提方程解 可可用用MATLABMATLAB很很方方便便地地由由 A A，B B，Q Q，R R 求求到到 P P，K K，调调节节Q,R Q,R 矩矩阵阵，便可得到不同便可得到不同K K矩阵和系统性能指标。矩阵和系统性能指标。问问题题并并没没有有结结束束。因因为为我我们们可可以以检检测测到到的的是是系系统统的的输输出出，而而不不是系统的状态。是系统的状态。最优控制器设计（Optimal ControllerOptimal Controller）第56页/共115

29、页最优控制器设计（Optimal ControllerOptimal Controller）（续）控制系统框图?YXuBCA-K+第57页/共115页状态方程离散化最优控制器设计（最优控制器设计（LQR）根据极大值原理根据极大值原理,求解代数黎卡提方程求解代数黎卡提方程第58页/共115页观测器设计观测器方程观测器方程：式中：式中：F,G为离散化后的系统状态方程参数矩阵。为离散化后的系统状态方程参数矩阵。一般选择观测器极点的最大时间常数是控制系统最小时间常数一般选择观测器极点的最大时间常数是控制系统最小时间常数的的1/41/10 GFCFCKG第59页/共115页最优观测器设计 也也可可以以考

30、考虑虑采采用用卡卡尔尔曼曼滤滤波波实实现现状状态态最最优优估估计计（Optimal Optimal State ObserverState Observer）。）。本本系系统统采采用用微微分分电电路路或或微微分分运运算算，得得到到系系统统的的全全部部状状态态变量。变量。另外，摩擦阻力一般呈非另外，摩擦阻力一般呈非线性特性，如图所示。线性特性，如图所示。小车摩擦阻力特性小车摩擦阻力特性 式中式中 f f0101为非线性库伦摩擦分量（静摩擦）；为非线性库伦摩擦分量（静摩擦）；f f0202为粘滞摩擦分量（正比于）。为粘滞摩擦分量（正比于）。O0F01f02f0F第60页/共115页最优观测器设计（

31、续）为为了了获获得得倒倒立立摆摆良良好好的的控控制制特特性性，最最好好加加入入非非线线性性补补偿偿器器（NLCNLC）。于于是是具具有有最最优优观观测测器器与与非非线线性性补补偿偿器器的的倒倒立立摆摆控控制制系系统统如如图图7-297-29所示。所示。r,u IPD/ANLCOptCOptimalControllerDMA/DA/DOBS带有最优观测器的控制系统框图第61页/共115页符号表示D D DC motor DC motorIP IP Inversed Pendulum Inversed PendulumM M Measurement MeasurementA/D A/D Analo

32、g-digital Converter Analog-digital ConverterOBS OBS Observer ObserverOptCOptC Optimal Control Optimal ControlNLC NLC Nonlinear Compensator Nonlinear CompensatorD/A D/A Digital-Analog Converter Digital-Analog Converter Power Amplifier Power Amplifierr,u IPD/ANLCOptCOptimalControllerDMA/DA/DOBS第62页/共1

33、15页思考题描述一种机电系统的组成、工作原理，根据控制要求画出控制系统工作原理方框图。第63页/共115页1.2 智能控制的基本概念及MATLAB应用 智能控制的提出智能控制的提出智能控制的提出智能控制的提出 传传统统控控制制方方法法包包括括经经典典控控制制和和现现代代控控制制，是是基基于于被被控控对对象象精精确确模模型型的的控控制制方方式式，缺缺乏乏灵灵活活性性和和应应变变能能力力，适适于于解解决决线线性性、时时不不变变性性等等相相对对简简单单的的控控制问题，难以解决对复杂系统的控制。制问题，难以解决对复杂系统的控制。在传统控制的实际应用遇到很多难解决的问题，主要表现以下几点：在传统控制的实

34、际应用遇到很多难解决的问题，主要表现以下几点：第64页/共115页（1 1 1 1）实实实实际际际际系系系系统统统统由由由由于于于于存存存存在在在在复复复复杂杂杂杂性性性性、非非非非线线线线性性性性、时时时时变变变变性性性性、不不不不确确确确定性和不完全性等，无法获得精确的数学模型。定性和不完全性等，无法获得精确的数学模型。定性和不完全性等，无法获得精确的数学模型。定性和不完全性等，无法获得精确的数学模型。（2 2 2 2）某某某某些些些些复复复复杂杂杂杂的的的的和和和和包包包包含含含含不不不不确确确确定定定定性性性性的的的的控控控控制制制制过过过过程程程程无无无无法法法法用用用用传传传传统统

35、统统的数学模型来描述，即无法解决建模问题。的数学模型来描述，即无法解决建模问题。的数学模型来描述，即无法解决建模问题。的数学模型来描述，即无法解决建模问题。（3 3 3 3）针针针针对对对对实实实实际际际际系系系系统统统统往往往往往往往往需需需需要要要要进进进进行行行行一一一一些些些些比比比比较较较较苛苛苛苛刻刻刻刻的的的的线线线线性性性性化化化化假设，而这些假设往往与实际系统不符合。假设，而这些假设往往与实际系统不符合。假设，而这些假设往往与实际系统不符合。假设，而这些假设往往与实际系统不符合。（4 4 4 4）实实实实际际际际控控控控制制制制任任任任务务务务复复复复杂杂杂杂，而而而而传传传

36、传统统统统的的的的控控控控制制制制任任任任务务务务要要要要求求求求低低低低，对对对对复复复复杂杂杂杂的的的的控控控控制制制制任任任任务务务务，如如如如机机机机器器器器人人人人控控控控制制制制、CIMSCIMSCIMSCIMS、社社社社会会会会经经经经济济济济管管管管理理理理系统等复杂任务无能为力。系统等复杂任务无能为力。系统等复杂任务无能为力。系统等复杂任务无能为力。第65页/共115页 在在生生产产实实践践中中，复复杂杂控控制制问问题题可可通通过过熟熟练练操操作作人人员员的的经经验验和和控控制制理理论论相相结结合合去去解解决决，由由此此，产产生生了智能控制。了智能控制。智智能能控控制制将将控

37、控制制理理论论的的方方法法和和人人工工智智能能技技术术灵灵活活地地结结合合起起来来，其其控控制制方方法法适适应应对对象象的的复复杂杂性性和和不不确确定性。定性。第66页/共115页智能控制的概念智能控制的概念 智能控制智能控制并并且已取得了初步的且已取得了初步的应应用成果用成果.但是究竟什但是究竟什么么是是“智能智能”，什，什么么是是“智能控制智能控制”等问题，至今仍没有统一的定义。归纳起来，主要有如下四种说法：第67页/共115页智能控制的定义一:智能控制是由智能机器自主地实现其目标的过程。智能机器则定义为，在结构化或非结构化的、熟悉的或陌生的环境中，自主地或与人交互地执行人类规定的任务的一

38、种机器。第68页/共115页定义二:K.J.奥斯托罗姆则认为，把人类具有的直觉推理和试凑法等智能加以形式化或机器模拟，并用于控制系统的分析与设计中，以期在一定程度上实现控制系统的智能化，这就是智能控制。他还认为自调节控制、自适应控制就是智能控制的低级体现。第69页/共115页定义三:智能控制是一类无需人的干预就能够自主地驱动智能机器实现其目标的自动控制，也是用计算机模拟人类智能的一个重要领域。智能控制的基本概念第70页/共115页定义四:智能控制实际只是研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研制具有仿人智能的工程控制与信息处理系统的一个新兴分支学科。智能控制的基本概念第71页/共

39、115页 智智智智能能能能控控控控制制制制是是是是自自自自动动动动控控控控制制制制发发发发展展展展的的的的最最最最新新新新阶阶阶阶段段段段，主主主主要要要要用用用用于于于于解解解解决决决决传传传传统统统统控控控控制制制制难难难难以以以以解解解解决决决决的的的的复复复复杂杂杂杂系系系系统统统统的的的的控控控控制制制制问问问问题题题题。控控控控制制制制科科科科学学学学的发展过程如图所示。的发展过程如图所示。的发展过程如图所示。的发展过程如图所示。开环控制开环控制 确定性反馈控制确定性反馈控制最优控制最优控制 随机控制随机控制自适应控制自适应控制 鲁棒控制鲁棒控制自学习控制自学习控制 智能控制智能控

40、制智能控制的发展第72页/共115页 从从从从二二二二十十十十世世世世纪纪纪纪60606060年年年年代代代代起起起起，由由由由于于于于空空空空间间间间技技技技术术术术、计计计计算算算算机机机机技技技技术术术术及及及及人人人人工工工工智智智智能能能能技技技技术术术术的的的的发发发发展展展展，控控控控制制制制界界界界学学学学者者者者在在在在研研研研究究究究自自自自组组组组织织织织、自自自自学学学学习习习习控控控控制制制制的的的的基基基基础础础础上上上上，为为为为了了了了提提提提高高高高控控控控制制制制系系系系统统统统的的的的自自自自学学学学习习习习能能能能力力力力，开开开开始始始始注注注注意意意

41、意将人工智能技术与方法应用于控制中。将人工智能技术与方法应用于控制中。将人工智能技术与方法应用于控制中。将人工智能技术与方法应用于控制中。19661966年年年年，首首首首先先先先提提提提出出出出将将将将人人人人工工工工智智智智能能能能技技技技术术术术应应应应用用用用于于于于飞飞飞飞船船船船控控控控制制制制系系系系统统统统的设计；的设计；的设计；的设计；1971197119711971年年年年，著著著著名名名名美美美美籍籍籍籍华华华华人人人人傅傅傅傅京京京京逊逊逊逊首首首首次次次次提提提提出出出出智智智智能能能能控控控控制制制制这这这这一一一一概概概概念念念念，认认认认为为为为智智智智能能能能

42、控控控控制制制制是是是是人人人人工工工工智智智智能能能能与与与与自自自自动动动动控控控控制制制制的的的的交交交交叉叉叉叉，即即即即二二二二元元元元论。并归纳了三种类型的智能控制系统：论。并归纳了三种类型的智能控制系统：论。并归纳了三种类型的智能控制系统：论。并归纳了三种类型的智能控制系统：第73页/共115页（1 1）人人人人作作作作为为为为控控控控制制制制器器器器的的的的控控控控制制制制系系系系统统统统：人人人人作作作作为为为为控控控控制制制制器器器器的的的的控控控控制制制制系系系系统统统统具具具具有自学习、自适应和自组织的功能；有自学习、自适应和自组织的功能；有自学习、自适应和自组织的功能

43、；有自学习、自适应和自组织的功能；（2 2）人人人人机机机机结结结结合合合合作作作作为为为为控控控控制制制制器器器器的的的的控控控控制制制制系系系系统统统统：机机机机器器器器完完完完成成成成需需需需要要要要连连连连续续续续进进进进行行行行的的的的并并并并需需需需快快快快速速速速计计计计算算算算的的的的常常常常规规规规控控控控制制制制任任任任务务务务，人人人人则则则则完完完完成成成成任任任任务务务务分分分分配配配配、决决决决策、监控等任务；策、监控等任务；策、监控等任务；策、监控等任务；（3 3）无无无无人人人人参参参参与与与与的的的的自自自自主主主主控控控控制制制制系系系系统统统统：为为为为多

44、多多多层层层层的的的的智智智智能能能能控控控控制制制制系系系系统统统统，需需需需要要要要完完完完成成成成问问问问题题题题求求求求解解解解和和和和规规规规划划划划、环环环环境境境境建建建建模模模模、传传传传感感感感器器器器信信信信息息息息分分分分析析析析和和和和低低低低层层层层的的的的反馈控制任务。如自主机器人。反馈控制任务。如自主机器人。反馈控制任务。如自主机器人。反馈控制任务。如自主机器人。第74页/共115页美美美美国国国国普普普普渡渡渡渡大大大大学学学学年年年年在在在在此此此此基基基基础础础础上上上上引引引引入入入入运运运运筹筹筹筹学学学学，提提提提出出出出了了了了三三三三元元元元论论论

45、论的的的的智智智智能能能能控制概念，即控制概念，即控制概念，即控制概念，即 IC=ACAIORIC=ACAIOR式中各子集的含义为式中各子集的含义为式中各子集的含义为式中各子集的含义为ICIC智能控制智能控制智能控制智能控制（Intelligent ControlIntelligent Control）AIAI人工智能人工智能人工智能人工智能（Artificial IntelligenceArtificial Intelligence）ACAC自动控制自动控制自动控制自动控制（Automatic ControlAutomatic Control）OROR运筹学运筹学运筹学运筹学（Operati

46、onal ResearchOperational Research）第75页/共115页 基于三元论的智能控制基于三元论的智能控制 第76页/共115页 人人人人工工工工智智智智能能能能（AIAI）是是是是一一一一个个个个用用用用来来来来模模模模拟拟拟拟人人人人思思思思维维维维的的的的知知知知识识识识处处处处理理理理系系系系统统统统，具具具具有有有有记忆、学习、信息处理、形式语言、启发推理等功能。记忆、学习、信息处理、形式语言、启发推理等功能。记忆、学习、信息处理、形式语言、启发推理等功能。记忆、学习、信息处理、形式语言、启发推理等功能。自动控制自动控制自动控制自动控制（ACAC）描述系统的动

47、力学特性，是一种动态反馈。描述系统的动力学特性，是一种动态反馈。描述系统的动力学特性，是一种动态反馈。描述系统的动力学特性，是一种动态反馈。运运运运筹筹筹筹学学学学（OROR）是是是是一一一一种种种种定定定定量量量量优优优优化化化化方方方方法法法法，如如如如线线线线性性性性规规规规划划划划、网网网网络络络络规规规规划划划划、调度、管理、优化决策和多目标优化方法等。调度、管理、优化决策和多目标优化方法等。调度、管理、优化决策和多目标优化方法等。调度、管理、优化决策和多目标优化方法等。三三三三元元元元论论论论除除除除了了了了“智智智智能能能能”与与与与“控控控控制制制制”外外外外还还还还强强强强调

48、调调调了了了了更更更更高高高高层层层层次次次次控控控控制制制制中中中中调度、规划和管理的作用，为递阶智能控制提供了理论依据。调度、规划和管理的作用，为递阶智能控制提供了理论依据。调度、规划和管理的作用，为递阶智能控制提供了理论依据。调度、规划和管理的作用，为递阶智能控制提供了理论依据。所所所所谓谓谓谓智智智智能能能能控控控控制制制制，即即即即设设设设计计计计一一一一个个个个控控控控制制制制器器器器（或或或或系系系系统统统统），使使使使之之之之具具具具有有有有学学学学习习习习、抽抽抽抽象象象象、推推推推理理理理、决决决决策策策策等等等等功功功功能能能能，并并并并能能能能根根根根据据据据环环环环境

49、境境境（包包包包括括括括被被被被控控控控对对对对象象象象或或或或被被被被控控控控过程）信息的变化作出适应性反应，从而实现由人来完成的任务。过程）信息的变化作出适应性反应，从而实现由人来完成的任务。过程）信息的变化作出适应性反应，从而实现由人来完成的任务。过程）信息的变化作出适应性反应，从而实现由人来完成的任务。第77页/共115页 19851985年年8 8月月，IEEEIEEE在在美美国国纽纽约约召召开开了了第第一一届届智智能能控控制制学学术术讨讨论论会会，能控制原理和智能控制系统的结构这一提法成为这次会议的主要议题。这次会议决定成成立立了了IEEEIEEE智智能能控控制制专专业业委委员员会

50、会；这标志着智能控制这一新兴学科研究领域的正式诞生。19871987年年1 1月月，在在美美国国举举行行第第一一次次国国际际智智能能控控制制大大会会，标标志智能控制领域的形成。志智能控制领域的形成。智能技术在国内也受到广泛重视，中国自动化学会等于1993年8月在北京召开了第一届全球华人智能控制与智能自动化大会，1995年8月在天津召开了智能自动化专业委员会成立大会及首届中国智能自动化学术会议，1997年6月在西安召开了第二届全球华人智能控制与智能自动化大会。第78页/共115页智能控制的类型智能控制系统一般包括分级递阶控制系统专家控制系统神经网络控制系统模糊控制系统学习控制系统集成或者（复合）