智能控制和智能自动化.pdf

第!卷第#期!$年%月西 安 公 路 交 通 大 学 学 报&()*+,-./0+*1/2 3 4+56*/7 8)9/:5;,!=!$?$?$作者简介巨永锋 A B!?C D男D陕西周至人D长安大学副教授D博士生文章编号$%?E !$C$#?$?$E智能控制和智能自动化巨 永 锋长安大学 信息工程学院D陕西 西安%$B E C摘要概述了控制科学的发展情况D介绍了智能控制的基本概念F主要研究内容和智能控制系统的类型及其在交通运输工程和工程机械中的应用D最后简要介绍了智能自动化并指出它是当今自动化技术发展的必然趋势G关键词人工智能H智能控制H模糊控制H专家系统控制H神经网络控制H智能自动化中图分类号 I J HI J K文献标识码 LM N O P Q Q R S P N O T U N O V U Q W N XM N O P Q Q R S P N O Y Z O U W O R U N _ a?b c a d e 3 ,-f*-)g+:/*h*2/*8 8)/*2 D i 3+*2 0+*6*/7 8)9/:5 D./0+*%$B E Di 3/*+CY j k O V W l O I 3 8m 8 7 8,n/*23/9:)5-e *:),:3 8 )5/9 9(gg+)/o 8 m D:3 8p+9/e e *e 8 n:+*m:3 8g+/*/9 9(8 9*:3 8)8 9 8+)e 3-/*:8,/2 8*:e *:),+)8/*:)m(e 8 m D:3 8:5 n 8 9 -/*:8,/2 8*:e *:),9 5 9:8 g9+*m:3 8/)+n n,/e+:/*9:3 8:)+-/e+*m:)+*9 n ):+:/*8*2/*8 8)/*2+*m)+m?8*2/*8 8)/*2?g+e 3/*8)5+)8m 8 9 e)/p 8 m qf:/9n /*:8 m(:3+:/*:8,/2 8*:+(:g+:/*/9:3 8m 8 7 8,n/*2:8*m 8*e 5-+(:g+:/*:8 e 3*,2 5 qrP st U V X k+):/-/e/+,/*:8,/2 8*e 8 Lf C H/*:8,/2 8*:e *:),H-(o o 5e *:),H 8 u n 8):e *:),H*8()+,*8:4)ve *:),H/*:8,/2 8*:+(:g+:/*智能控制是当代科学技术中一个十分活跃和具有挑战性的领域D它融合了人工智能F自动控制F运筹学F模糊集合论F生命科学F神经生理学F认知科学F人类工程学F计算机科学F系统论F信息论F以及耗散结构论F协同论F突变论F混沌学等多学科知识D是一门新兴的交叉学科G虽然目前尚未建立起一套较完整的智能控制的理论体系D但是在智能控制的基本概念的基础上D结合具体的工程背景D在各个专业技术领域应用中已取得了可喜的成就D如在交通运输工程领域w x#y和工程机械领域w E y的应用G可以相信D有众多学科的发展成果的强有力的支持D有十分广泛的实际应用领域D智能控制必将取得长足的发展D为智能自动化提供理论基础Gz控制科学发展的概况w x B y在科学技术发展史上D控制科学同其它技术科学一样D它的产生与发展主要由人类的生产发展需求和人类当时的技术知识水平所决定G从古亚历山大运用反馈控制来调节水流的水钟到现代太空探索和大规模复杂工业系统的综合自动化D控制科学在技术进步中都起着十分重要的作用G%B 年D|LI I&发明了蒸汽机D进而应用飞球调节器原理控制蒸汽机D标志着人类以蒸汽为动力的机械化时代的开始G K B K年D L.|h&!以飞球调节器系统为对象D完成了其稳定性分析的研究工作D从而揭开了关于控制系统分析和反馈原理等基础研究的序幕G K%!年#6I 1h&和 K A$年16|f I$先后找到了系统稳定性的代数判据D K A!年D%LJ 6=#;&论运动稳定性的一般问题的博士论文的发表D建立了从概念到方法的关于稳定性理论的完整体系D从而总结和发展了系统的经典时域分析法G A#!年D=%(6f d I1发表了反馈万方数据放大器稳定性的著名论文!给出了系统稳定性的#$%&(判据)*+,-年!控制论创始人.&/0系统地总结了前人的成果!发表了1控制论2或关于在动物和机器中控制和通讯的科学3著作!书中论述了控制理论的一般方法!推广了反馈的概念!为控制理论这门学科的产生奠定了基础)控制理论的发展过程一般可分为三个阶段4第一阶段!时间为5 6世纪,6 78 6年代!称为9经典控制理论:时期)经典控制理论主要是解决单输入单输出问题)主要采用传递函数;频率特性;根轨迹为基础的频域分析方法)所研究的系统多半是线性定常系统!对非线性系统!分析时采用的相平面法一般也不超过两个变量!经典控制理论能较好地解决生产过程中的单输入单输出问题)这一时期的主要代表人物有/?.和/A.0)/于*+,B年提出了简便而实用的/图法)*+,-年!/A提出了直观而又形象的根轨迹)第二阶段!时间为5 6世纪8 6 7C 6年代!称为9现代控制理论:时期)这个时期!由于计算机的飞速发展!推动了空间技术的发展)经典控制理论中的高阶常微分方程可转化为一阶微分方程组!用以描述系统的动态过程!即所谓状态空间法)这种方法可以解决多输入多输出问题!系统既可以是线性的;定常的!也可以是非线性的;时变的)这一时期的主要代表人物有D=(0&AE&;/F F GA及HAF GA0/等 人)D=(0&AIE&于*+8*年发表了极大值原理J A%F在自适应控制理论和应用方面作出了贡献)第三阶段!时间为5 6世纪C 6年代末至今)5 6世纪C 6年代末!控制理论向着9大系统理论:和9智能控制:方向发展!前者是控制理论在广度上的开拓!后者是控制理论在深度上的挖掘)大系统理论综合了现代控制理论;图论;数学规划和决策方面的成果!不仅把复杂的工业系统作为研究对象!并扩展到社会;政治;经济系统和生态环境中)大系统理论涉及大系统的建模和模型简化!大系统的结构和信息!大系统的稳定性和镇定!以及大系统的递阶与分散控制)这些理论已成功地用于工农业生产;交通运输;社会经济;环境保护等方面)但是!应当看到!无论是现代控制理论还是大系统理论!其分析;综合和设计都是建立在严格和精确的数学模型基础之上的!而在科学技术和生产力水平高速发展的今天!人们对大规模;复杂和不确定性系统实行自动控制的要求不断提高)因此!传统的基于精确数学模型的控制理论就显得力不从心了!这就要求建立新的控制理论和方法!智能控制也就应运而生)*+8 B年美籍华裔科学家傅京孙L M%H N首先提出把人工智能L A&N的启发式推理规则用于学习控制系统O*C P!并于*+C*年提出了以控制理论和A&相结合为主体的智能控制概念O*-P!对智能控制的形成作出了重要贡献)此后!控制理论界的许多学者和研究人员O*+!5 6 P都投入到智能控制理论和方法研究的行列!并取得了重要的进展!从而使控制科学发展到一个新阶段)现将控制科学发展的各个阶段有代表性的理论工作同控制对象的复杂性和不确定性程度联系起来示于图*中)图*控制科学发展进程Q智能控制的基本概念和主要研究内容O Q R 7Q S P智能控制的概念和原理是针对被控对象及其环境;控制目标或任务的复杂性和不确定性而提出来的)定性地说!智能控制系统应具有学习;记忆和大范围的自适应和自组织能力J能够及时地适应不断变化的环境J能有效地处理各种信息!以减小不确定性J能以安全和可靠的方式进行规划;生产和执行控制动作而达到预定的目标和良好的性能指标)根据智能控制的基本控制对象的开放性;复杂性;多层次;多时标和信息模式多样性;模糊性;不确定性的特点!智能控制的主要研究内容应从以下几个方面展开4L*N对智能控制认识论和方法论的研究!探索人类的感知;判断;推理和决策的活动机理JL 5 N智能控制系统的基本结构模式分类!多个层5*西安公路交通大学学报5 6 6*年万方数据次上系统模型的结构表达!学习!自适应和自组织等概念的软分析数学描述#$%根据实验数据和机理模型所建立的动态系统中&对不确定性的辨识!建模与控制#%含有离散事件和动态连续时间子系统的交互反馈混合系统的分析与设计#(%基于故障诊断的系统组态理论和容错控制#)%基于实时信息学习的自动规则生成与修改方法#*%实时控制的任务规划的集成和基于推理的系统优化方法#+%处理组合复杂性的数学和计算的框架结构#,%在一定结构模式条件下&系统的结构性质分析和稳定性分析方法#-.%模糊控制!专家控制和基于神经网络技术的智能控制方法#-%智能控制在工业过程!机器人和交通系统控制及管理等领域的应用研究/0智能控制系统的类型智能控制有各种形式和各种不同的应用领域&至今尚无统一的分类方法/下面介绍1种智能控制系统的分类方法/0 2 3按智能控制系统中人参与的程度来分4 3 5 6可分为0种$2-2-人作为控制器的控制系统由于人具有识别!决策!控制等功能&因此对于不同的控制任务及不同的对象和环境情况&人作为控制器的控制系统具有自学习!自适应和自组织的功能&能自动采取不同的控制策略以适应不同的情况/$2-2 1人7机结合作为控制器的控制系统在人7机结合作为控制器的控制系统中&机器完成那些连续进行的!需要快速计算的常规控制任务&人则主要完成任务分配!决策!监控等任务/$2-2$无人参与的自主控制系统无人参与的自主控制系统即是将前面由人完成的那些功能变为由机器来完成/最典型的例子是自主机器人&这时的自主式控制器需要完成问题求解和规划!环境建模!传感信息分析和低层的反馈控制等任务/它实际上是一个多层的智能控制系统/0 2 8按智能控制系统构成的原理来分4 8 3 6可分为9种$2 1 2-基于规则的智能控制系统在基于规则的智能控制系统中又有基于专家系统的智能控制4 1.&1 6和基于模糊集合与模糊逻辑的智能控制4 1(&1)6/基于规则的智能控制系统把知识表示成产生式规则或其它如框架式!语义网络或谓词等形式&用统计或模糊数学中隶属函数来处理知识不确定性和模糊性&采用正!反向和非单调推理方式或模糊推理建立推理机制/根据一定的条件和系统的输入&产生系统所需的控制规律以达到控制的目标/根据专家系统#或模糊逻辑%在整个控制器中所起的作用&这类系统还可以分成直接专家控制系统和间接专家控制系统/基于规则的智能控制在交通运输工程和工程机械中的应用见文献4-:)&-6/$2 1 2 1基于神经网络构成的智能控制系统4 1*:1+6基于神经网络构成的智能控制系统也称之为基于连接主义#;?A B C%的智能控制系统/由于神经网络有很强的学习!自适应和处理非线性的能力&因而非常广泛地被应用于复杂系统的辨识!建模和复杂系统的控制/基于神经网络的智能控制在交通运输工程中的应用见文献4*:-6/$2 1 2$基于模糊逻辑#或专家系统%与神经网络相结合的智能控制系统4 1-&1 1 6基于规则的系统有许多重要的优点&如能够模拟无法用数学模型来表达的控制知识能像专家一样处理复杂的和异常的情况在已知基本规则的情况下&无需输入大量的细节数据即可运行易于对推理作出解释/但它的缺点是获取知识困难&缺乏有效的学习算法&不便于并行处理/而神经网络却有很强的学习能力&可以在训练样本中自动获取知识&具有并行处理的特征/它的缺点是网络中映射规则是透明的&训练时间较长&结论的解释比较困难&出现事先未经训练的异常情况时难以应付/为了更好地构造智能控制系统&将两者相结合&取长补短&发展模糊神经网络控制方法&将是实现智能控制系统的重要形式和方向/基于神经网络与模糊逻辑相结合的智能控制在交通运输工程中的应用见文献4-1&-$6/$2 1 2 基于行为的智能控制系统基于行为的智能控制系统不是建立在推理和外界环境建模的基础上&而是建立在行为主义的思想上/D E FFGHEI对此作出了很大的贡献/所谓行为主义&在心理范围定义为J对心灵活动的科学研究&建立在有关行为!动作和载体可测量的事实基础上/因此&可以认为智能活动是在K感知7运动L这种模式下进行的/譬如骑自行车的人在急转弯时所采$-第$期巨永锋J智能控制和智能自动化万方数据取的反应!动物在遇到障碍时回避障碍的反应其动作不是经过推理而是通过感官从神经传送到小脑由小脑发出适应自然环境的动作命令而形成的#这类智能控制系统具有为数众多的传感器和执行器是十分复杂的分布式系统具有强大的功能#$智能自动化%&(自动化技术是以自动控制理论为基础但是它的对象则广泛得多从单一设备)流程的控制到整条生产线乃至整个企业的控制)调度)规划)管理和决策*+,-是这方面的一个典型代表#自动化应用的对象也不再局限于工业还扩展到交通)金融)商业)农业)军事)教育与科技等领域而现代科学技术的突飞猛进尤其是信息技术.+/0的迅猛发展给自动化以巨大的影响如通信技术)人工智能)仿真技术)多媒体技术)网络技术)传感器技术等等这些技术在自动化技术中得到迅速应用从而推动了智能自动化的迅猛发展#通信技术的发展使通信变得更加迅速)灵活)可靠可在网络上传送声)像)图)文#而仿真技术尤其是虚拟现实技术的发展使人如身临其境智能技术的发展更使自动化如虎添翼#自动化正向集成化)网络化与智能化的方向发展智能自动化是当今自动化技术发展的必然趋势将在经济建设中起重要作用#参考文献1%2(刘智勇3基于模糊控制的多功能交通控制系统%4(3中国公路学报 2 5 5 5 2 6.6 0 1 7 8 97 5 3%6(刘智勇3城市交通干线递阶模糊控制%4(3公路交通科技 2 5 5:2 8.;0 1 2:96;3%;(陈森发陈洪徐吉谦3城市单路口交通的两级模糊控 制及其仿真%4(3系统仿真学报 2 5 5 7 2 .6 0 1;=98 3%8(伍建国巨永锋3平面交叉口信号模糊控制与仿真%4(3西安公路交通大学学报 6 .2 2 0 1 6:9;(余强郭应时薛皓白3半被动悬架系统非连续模糊控制中控制器的建立%4(3西安公路交通大学学报2 5 5 5 2 5.;0 1 7 2 97;3%:(黄小原李宝家3高速公路交通的神经控制器%4(3信息与控制 6 6 5.;0 1 6 7 3%2 (姜紫峰刘小坤3基于神经网络的交通事件检测算法%4(3西安公路交通大学学报 6 6 :9 5 3%2 2(CEA B D/,-3/R GH Y GN S F G H I J K F G L MN I O YL NI G Q N F U Y GJ F _P I G _ U Q LL I J S S U QQ N F G Y L U N F%4(3/I J S S U QB F U F G G I U F J F _*N F L I N K 2 5 5;8.0 3%2 6(徐冬玲方建安邵世煌3交通系统的模糊控制及其神经网络实现%4(3信息与控制 2 5 5 6 6 2.6 0 1:8 9:5 3%2;(刘智勇吴今培李秀平万百五3城市交通大系统递阶 模糊神经网络控制%4(3信息与控制 2 5 5:6 .0 18 8 2 98 8:3%2 8(何巍3自组织模糊控制电液伺服系统研究%(3秦皇岛1燕山大学 2 5 5=3%2=(B a+B-a G LJ K 3*R J K K G F G YL NQ N F L I N K 1 JQ N K K G Q L U b Gb U G M%4(3+B B B/I J F Y 3H L N 3*N F L I 3 2 5 7:;6.8 0 16:=96 7=3%2 (郑应平3控制科学面临的挑战9专家意见综述%4(3控制理论与应用 2 5 7:8.;0 1 2 95 3%2:(V E c-d/e,3 R G H I U Y L U Q J P P I N J Q RL NI G U F S N I fQ G XG F LK G J I F U F Q N F L I N KY T Y L G XY%4(3+B B B/I J F Y 3H L N 3*N F L I 3 2 5 =2 .8 0 1;5 .2 0 1:.7 0 1 2 2 2=92 2;3%6 6 6.;03%6 2(李人厚秦世引3智能控制理论和方法%,(3西安1西安交通大学出版社 2 5 5 8 3%6 6(李士勇3模糊控制神经控制和智能控制论%,(3哈尔滨1哈尔滨工业大学出版社 2 5 5 3%6;(李衍达汤跃忠3智能控制和智能自动化%4(3微计算机信息 2 5 5=2 2.=0 1 2 8 92:3%6 8(张 再 兴孙 增 圻3关 于 专 家 控 制%4(3信 息 与 控 制2 5 5=6 8.;0 3%6=(王磊王为民3模糊控制理论及应用%,(3北京1国防工业出版社 2 5 5:3%6 (何平3模糊控制器的设计及应用%,(3北京1科学出版社 2 5 5:3%6:(焦李成3神经网络系统理论%,(3西安1西安电子科技大学出版社 2 5 5=3%6 7(史忠科3神经网络控制理论%,(3西安1西北工业大学出版社 2 5 5:3%责任编辑郭庆健(822西安公路交通大学学报6 2年万方数据