第1章 智能控制概论1
1_自动控制概述
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建立作工程的思维方预备知识预备知识预备知识预备知识常微分方程解法常微分方程解法复变函数拉氏变换与付氏变换复变函数拉氏变换与付氏变换电路理论电路理论基本的电子学和力学知识基本的电子学和力学知识主要内容主要内容主要内容主要内容自动控制概论自动控制概论控制系统的数学模型控制系统的数学模型控制系统的时域分析法控制系统的时域分析法频率特性法频率特性法pid控制控制状态空间分析状态空间分析离散控制系统离散控制系统11自动控制概论自动控制概论自动控制概论自动控制概论自动控制理论的发展自动控制理论的发展自动控制的基本原理自动控制的基本原理自动控制的基本概念自动控制的基本概念自动控制系统的分类自动控制系统的分类自动控制系统结构自动控制系统结构控制系统的基本要求控制系统的基本要求自动控制理论的发展自动控制理论的发展自动控制理论的发展自动控制理论的发展自动控制理论的发展自动控制理论的发展经典控制理论经典控制理论4050年代形成年代形成siso系统基于
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自动控制理论的发展
自动控制理论的发展 经典控制理论
40~50年代形成 SISO系统 基于：二战军工技术 研究对象：单输入单输出线性定常系统 目标：反馈控制系统的镇定 基本方法：传递函数，频率法，PID调节器
现代控制理论
60年代为适应宇航技术（宇宙飞船、导弹自 动制导）而发展的
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自动控制理论的发展
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自动控制系统的结构
闭环自动控制的一般组成
控制对象、执行元件、控制器、比较元件 测量元件——测量系统的输出量并与给定值 相比较。 执行元件——纠正偏差，或输出足够功率的 部件。 放大变换部件——将检测到的偏差信号加以 放大和进行能量形式的转换，并决定控制信 号是增大还是减小系统的输出量。
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系统方框图
精品文档-自动控制原理(李素玲)-第1章
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(5)执行元件：其职能是直接推动被控对象，使其被控 量发生变化。用来作为执行元件的有阀门、电动机、液压电 动机等。
(6)校正元件：也叫补偿元件，它是结构或参数便于调 整的元部件，用串联或并联(反馈)的方式连接于系统中，以 改善系统的性能。最简单的校正元件是电阻、电容组成的无 源或有源网络，复杂的则可用计算机构成数字控制器。
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(6)反馈量：由系统输出端取出并反向送回系统输入端 的信号。反馈有主反馈和局部反馈之分。
(7)偏差量：给定量与主反馈信号之差。 (8)自动控制系统：由被控对象和控制器按一定方式连 接起来的、完成一定自动控制任务的有机整体。
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1.2.2 自动控制系统的基本组成 自动控制系统根据被控对象和具体用途的不同，可以有
各种不同的结构形式。但是，从工作原理来看，自动控制系 统通常是由一些具有不同职能的基本元件所组成。图1-3所 示为典型的反馈控制系统的基本组成，图中各元件的职能如 下：
19 图1-3 反馈控制系统的基本组成
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(1)给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对应的 系统输入量。给定元件一般为电位器。
24 图1-4 开环直流调速系统
25 图1-5 开环直流调速系统方框图
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图1-4中开环系统的输入量是给定电压ug，输出量是转 速n。电动机励磁电压为常数，采用电枢控制方式。调整给 定电位器滑臂的位置，可得到不同的给定电压ug，放大后得 到不同的电枢电压ua，从而控制电机转速n。当负载转矩不变 时，给定电压ug与电机转速n有一一对应关系。因此，可由给 定电压直接控制电动机转速。如果出现扰动，如负载转矩增 加，电动机转速便随之降低而偏离要求值。
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1.人工控制 如图1-1所示为人工控制水位保持恒定的供水系统。水 池中的水源源不断地经出水管道流出，以供用户使用。随着 用水量的增多，水池中的水位必然下降。这时，若要保持水 位高度不变，就得开大进水阀门，增加进水量以作补充。因 此，进水阀门的开度是根据实际水位的多少进行操作的。上 述过程由人工操作实现的正确步骤是：操作人员首先将要求 水位牢记在大脑中，然后用眼睛和测量工具测量水池的实际 水位，并将实际水位与要求水位在大脑中进行比较、计算， 从而得出误差值；再按照误差的大小和正负性质，由大脑指 挥手去调节进水阀门的开度，使实际水位尽量与要求水位相 等。
《人工智能概论》课程笔记
《人工智能概论》课程笔记第一章人工智能概述1.1 人工智能的概念人工智能（Artificial Intelligence，简称AI）是指使计算机具有智能行为的技术。
智能行为包括视觉、听觉、语言、学习、推理等多种能力。
人工智能的研究目标是让计算机能够模拟人类智能的某些方面，从而实现自主感知、自主决策和自主行动。
人工智能的研究领域非常广泛，包括机器学习、计算机视觉、自然语言处理、知识表示与推理等。
1.2 人工智能的产生与发展人工智能的概念最早可以追溯到上世纪50 年代。
1950 年，Alan Turing 发表了著名的论文《计算机器与智能》，提出了“图灵测试”来衡量计算机是否具有智能。
1956 年，在达特茅斯会议上，John McCarthy 等人首次提出了“人工智能”这个术语，并确立了人工智能作为一个独立的研究领域。
人工智能的发展可以分为几个阶段：（1）推理期（1956-1969）：主要研究基于逻辑的符号操作和自动推理。
代表性成果包括逻辑推理、专家系统等。
（2）知识期（1970-1980）：研究重点转向知识表示和知识工程，出现了专家系统。
代表性成果包括产生式系统、框架等。
（3）机器学习期（1980-1990）：机器学习成为人工智能的重要分支，研究如何让计算机从数据中学习。
代表性成果包括决策树、神经网络等。
（4）深度学习期（2006-至今）：深度学习技术的出现，推动了计算机视觉、自然语言处理等领域的发展。
代表性成果包括卷积神经网络、循环神经网络等。
1.3 人工智能的三大学派人工智能的研究可以分为三大学派：（1）符号主义学派：认为智能行为的基础是符号操作和逻辑推理。
符号主义学派的研究方法包括逻辑推理、知识表示、专家系统等。
（2）连接主义学派：认为智能行为的基础是神经网络和机器学习。
连接主义学派的研究方法包括人工神经网络、深度学习、强化学习等。
（3）行为主义学派：认为智能行为的基础是感知和行动。
行为主义学派的研究方法包括遗传算法、蚁群算法、粒子群算法等。
控制工程导论周雪琴张洪才西北工业大学出版社第一章(精)
1.
2.
开环控制
闭环控制
3.
复合控制
炉温控制系统方框图
炉温控制系统方框图
方框图中各符号的意义
元部件 方框（块）图 信号（物理量）及传递方向
中的符号
比较点
引出点
表示负反馈
课程小结
（第 1 讲）
第一章 概 论
§1.1 自动控制系统的一般概念
§1.2 自动控制系统举例
自动控制理论发展简史 自动控制的概念及定义 基本控制方式 控制系统举例 — 炉温控制系统 由工作原理图绘制系统方框图
控制系统举例 — 函数记录仪 由工作原理图绘制系统方框图 负反馈控制原理
控制系统的组成
控制工程导论
本次课程作业（2）
1 — 3，4
自动控制理论发展简史
• 经典控制理论
( 19世纪初 ) 时域法 复域法 (根轨迹法) 频域法
( 20世纪60年代 ) 线性系统 最优控制 最佳估计 系统辨识 ( 20世纪70年代 ) 专家系统 模糊控制 神经网络 遗传算法
• 近代控制理论
自适应控制 鲁棒控制 容错控制 集散控制 大系统复杂系统
• 智能控制理论
控制系统举例 — 炉温控制系统
由工作原理图绘制系统方框图
控制工程导论
（第 2 讲）
第一章 概 论
§1.1
§1.2 §1.3 §1.4 §1.5
自动控制系统的一般概念
自动控制系统举例 自动控制系统的分类 对自动控制系统的一般要求 本课程的任务
例 2 函数记录仪
函数记录仪方框图
负反馈原理
将系统的输出信号引回输入端，与输 入信号相比较，利用所得的偏差信号进行 控制，达到减小偏差、消除偏差的目的。
自动控制原理课程教学大纲
《自动控制原理》课程教学大纲Principles of Automatic Control System课程编号：2000081适用专业：电气工程与自动化学时数：40 学分数：2.5执笔者：邱瑞昌王艳编写日期：2002.5一、课程的性质与目的概要：随着生产和科学技术的发展，自动控制技术在国民经济和国防建设中所起的作用越来越大。
自动控制技术的应用不仅使生产过程实现了自动化，极大的提高了劳动生产率和产品质量，改善了劳动条件，并且在人类探索新能源，发展空间技术和改善人民物质生活都起着极为重要的作用课程性质：自动控制原理是电气工程与自动化专业的技术基础课（专业基础平台课），是必修课，是以原理为主的理论性课程；主要讲述自动控制原理与控制系统设计、实验等内容。
根据自动控制技术发展的不同阶段，自动控制原来可分为古典控制理论和现代控制理论两大部分。
古典控制理论的主要内容是以传递函数为基础，研究单输入单输出一类自动控制系统的分析和设计问题。
这些理论研究较早，现在已经比较成熟。
并且在工程实践中得到了广泛的应用。
现代控制论是60年代在古典控制论的基础上，随着科学技术的发展和工程实践的需要而迅速发展起来的。
其内容主要以状态空间法为基础，研究多输入多输出、变参数、非线性、高精度、高效能等控制系统的分析与设计问题。
最优控制、最佳滤波、系统辩识、自适应控制等理论都是这一领域研究的主要课题。
特别是近年来由于电子计算机技术和现代应用数学研究的迅速发展，使现代控制理论又在研究庞大的系统工程的大系统理论和模仿人类智能活动的智能控制、生物控制、模糊控制等方面有了重大进展。
主要目的：培养学生1．掌握经典控制论中，线性定常连续、单输入单输出闭环控制系统的工作原理、分析和综合，掌握反馈控制原理的应用以及分析和设计的一般规律，使其具有分析和设计自动控制系统的初步能力，使学生对系统的认识上升到更高的层次。
2．了解控制系统中常用的检测装置，常用执行机构的工作原理，数学模型的建立过程，以及自控原理、经典控制论在当今的发展状况。
AIA1-人工智能概论
自 学 习 技 术
演 化 方 法
模 糊 方 法
时 序 分 析 法
参 考 文 献
涂序彦．人工智能及其应用．电子工业出版社． 李长河．人工智能及其应用．机械工业出版社． 马宪民．人工智能的原理与方法．西北工业大学出版社． 蔡自兴，徐光祜．人工智能及其应用．清华大学出版社．
算法派：主要依靠算法证明。
六、人工智能的研究应用领域
1.问题求解 2.自动定理证明 8.模式识别 9.机器视觉
3.自然语言理解
4.自动程序设计 5.专家系统 6.机器学习 7.人工神经网络
1Hale Waihona Puke .智能机器人11.智能控制 12.智能检索 13.智能调度与指挥 14.系统与语言工具
需要说明的是，各种应用领域不是孤立存在的，而是互相 关联的。大多数人工智能研究课题都涉及多个智能领域。
一、人工智能的基本概念
AI目前没有准确的定义或一般性的定义，其基本含义： AI是用机器(计算机或智能机)来模仿人类的智能行为。 AI也叫机器智能，是研究如何使机器具有认识问题与解 决问题的能力，研究如何使机器具有感知功能、思维功 能、行为功能及学习、记忆等功能。 所以，如果一个计算机系统具有某种学习能力，能够对 有关问题给出正确的答案，而使用的方法与人类相似， 还能解释系统的智能活动，那么，这种计算机系统便认 为具有某种智能。
九、计算智能技术
人工智能与计算智能的关系：
观点一：计算智能是人工智能的子集。
第一层次是生物智能，其基础是大脑。
第二层次是人工智能，其基础是符号系统及其处理。
第三层次是计算智能，由计算机通过数学计算实现。 生物智能包含人工智能，人工智能包含计算智能。
智能控制第1讲 智能控制概论
Data, Information, Knowledge, IntelligenceIntelligence Knowledge Information Data房间温度高 解决温度 高的办法温度高原因通风量不足增大通风量房间温度 32℃理想温度 23℃Data, Information, Knowledge, IntelligenceIntelligence KnowledgeInformation Data传统控制面临的挑战 实际系统由于存在复杂性、非线性、时变 性、不确定性和不完全性等，一般无法获得精 确的数学模型。
应用传统控制理论进行控制必须提出并遵循 一些比较苛刻的线性化假设，而这些假设在应 用中往往与实际情况不相吻合。
传统控制面临的挑战 传统控制方法在解决大范围变工况、异常 工况等问题方面往往不尽人意。
环境和被控对象的未知和不确定性，导致无 法建立模型。
9 传统控制往往不能满足某些系统的性能要 求。
控制科学发展过程进展方向最优控制 确定性反馈控制 开环控制 智能控制 自学习控制自组织控制 自适应控制 鲁棒控制 随机控制对象的复杂性智能控制的发展¾ 1985 年 8月，IEEE在纽约召开第一届智能控制学术 研讨会，主题：智能控制原理和智能控制系统。
会议 决定在 IEEE CSS 下设 IEEE 智能控制专业委员会。
这 标志着智能控制这一新兴学科研究领域的正式诞生。
¾ 1987 年 1 月 ， 美 国 费 城 ， 第 一 次 智 能 控 制 国 际 会 议，IEEE CSS与CS两学会主办； ¾ 1987 年以来，一些国际学术组织，如 IEEE 、 IFAC 等定期或不定期举办各类有关智能控制的国际学术会 议或研讨会，一定程度上反映了智能控制发展的好势 头。
智能控制的发展¾ 1991年7月，中国人工智能学会成立。
¾ 1993年7月，成都，中国人工智能学会智能机器人专 业委员会成立大会暨首届学术会议。
《智能控制技术概论》教学案例
《智能控制技术概论》教学案例一、教学目标1.让学生了解智能控制的基本概念和原理。
2.掌握常见的智能控制算法和实际应用。
3.培养学生的创新思维和实践能力。
二、教学内容1.智能控制的基本概念和原理。
2.模糊控制、神经网络控制、深度学习等常见的智能控制算法。
3.智能控制在各个领域的应用案例。
三、教学方法1.理论讲解：通过课堂讲解、PPT演示等方式，让学生了解智能控制的基本概念和原理，常见的智能控制算法等。
2.案例分析：通过分析实际案例，让学生了解智能控制在各个领域的应用，加深对智能控制的理解。
3.实践操作：通过实验、编程等方式，让学生亲自实践智能控制算法的实现，培养其创新思维和实践能力。
四、教学流程1.导入新课：通过实例或问题导入，激发学生对智能控制的兴趣。
2.理论讲解：讲解智能控制的基本概念和原理，常见的智能控制算法等。
3.案例分析：分析智能控制在各个领域的应用案例，如机器人控制、智能家居等。
4.实践操作：进行实验或编程，让学生实践智能控制算法的实现。
5.课堂讨论：让学生分组讨论，分享对智能控制的理解和应用经验。
6.小结与布置作业：总结本节课的重点和难点，布置作业，让学生进一步巩固所学知识。
五、评价与反馈1.课堂表现：观察学生在课堂上的表现，包括听讲、参与讨论、实验操作等情况。
2.作业评价：根据学生的作业情况，评价学生对智能控制的理解和应用能力。
3.期末考试：通过期末考试，检查学生对智能控制理论和实践的掌握情况。
4.学生反馈：听取学生对教学的反馈和建议，不断改进教学方法和内容。
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2011年4月8日
前
言
INTELLIGENT CONTROL
智能控制是近三十年来发展起来的一门新兴学科。 本课程讲述智能控制的基本概念、工作原理、设计 方法和实际应用。 主要内容包括：智能控制的基本概念、模糊控制理 论基础、模糊控制系统、人工神经元网络模型、神经网 络控制论和集成智能控制系统。在深入介绍智能控制系 统设计理论和实现手段的同时，给出一些设计实例。 教材：姜长生等编. 智能控制与应用. 北京： 教材 科学出版社，2007
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二、智能控制的提出与发展的几个主要时间
INTELLIGENT CONTROL
1.“智能控制理论”最早是由美籍华人教授K.S.Fu (傅京孙 傅京孙)于 傅京孙 1965年提出；
2. K.S.Fu (傅京孙 于1971年提出：智能控制(IC)是人工智能(AI ) 傅京孙) 傅京孙 和自动控制理论(AC)二者的结合——二元交集结构理论 ； 2. G.N.Saridis（萨里迪斯）于1977年提出： IC是AI 、AC和运筹 （萨里迪斯） 学(OR)三者的结合——三元交集结构理论； 3.蔡自兴 蔡自兴在1986年提出：IC是AI、AC、OR和信息论 ( IT 或 IN ) 蔡自兴 四者的结合——四元交集结构理论； 4. 1985、8，世界智能控制专业委员会成立——IEEE智能控制专 业委员会； 5. 1993、5，中国第一届智能控制大会召开； 6. 1995、8，中国首届智能控制专业委员会成立；
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INTELLIGENT CONTROL
(三)、智能控制系统研究的数学工具 三、
信号处 理形式 语言启 发 人工智能 记忆 学习
智能 控制
规划 运筹学 调度 管理 管理 协调
动力学 优化 动态反馈 动力学 动态反馈 自动控制
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INTELLIGENT CONTROL
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INTELLIGENT CONTROL
智能控制的基本概念
• 智能控制的定义一 智能控制是由智能机器自主 智能控制的定义一: 智能控制是由智能机器 智能机器自主 地实现其目标的过程。而智能机器则定义为， 地实现其目标的过程。而智能机器则定义为，在 结构化或非结构化的、熟悉的或陌生的环境中， 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种 机器。 机器。
INTELLIGENT CONTROL
(二)、智能控制系统的特点 二 、智能控制系统的特点 1.智能控制系统一般具有以知识表示的非数学广 义模型和以数学模型表示的混合控制过程。 2. 2.智能控制器具有分层信息处理和决策机构。 3.智能控制器具有非线性和变结构的特点。 4.智能控制系统是一们新兴的边缘交叉学科，需 要更多的相关学科配合支援。。
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INTELLIGENT CONTROL
第一章
智能控制概述
第一节 智能控制的提出和发展 智能控制问题的提出 一、智能控制问题的提出 以1932年美国贝尔实验室工程师H.Nyquist发表 的有关反馈放大器的稳定性论文为标志，控制理论 学科已走过70年的发展历程。 在经典控制理论 经典控制理论中，系统的数学模型采用传递 经典控制理论 函数表示，分析方法主要是基于根轨迹法和频率法； 在现代控制理论中，系统分析的数学模型主要是状 态空间方程描述法。
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INTELLIGENT CONTROL
• 智能控制 智能控制：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，研究具有某些仿人智 能的工程控制与信息处理的系统理论。 • 特点：高度非线性、时变和不确定。为不确知性 特点： 系统（高度复杂性） 系统有三高三性：高度复杂性，高度不确定 性，高度（高标准）的控制性能要求。 • 传统控制是智能控制的一个组成部分，智能控制 智能控制 是传统控制最高发展形式。（目前而言） 是传统控制最高发展形式 • 研究的意义 研究的意义： 解放生产力，从繁重的体力劳动中解放出来；强 调进一步地从复杂、头痛的脑力劳动中解脱出来。
二. 智能控制系统的构成
（一）、智能控制系统的结构 ）、智能控制系统的结构 通信接口 感知信息处理 认知 智能控制器 规划和控制
传感器 广义对象
执行器 被控对象
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INTELLIGENT CONTROL
智能控制系统的分层递阶结构：
组织级 协调级 识 别 执行级 对 象
2011年4月8日
2011年4月8日
INTELLIGENT CONTROL
傅京逊在 Learning Control System and Intelligent 傅京逊 Control System:An Intersection of Artificial Intelligence and Automatic Control一文中，列举了三种智能控制的例子： 1.人作为控制器的控制系统
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INTELLIGENT CONTROL
复杂系统的数学模型难以通过传统的数学工具来描 复杂系统 述。就是说，采用数学工具或计算机仿真技术的传统控 制理论，已无法解决此类系统的控制问题。 从生产实践中可以看到，许多复杂的生产过程 复杂的生产过程难以 复杂的生产过程 实现的目标，可以通过熟练的操作工、技术人员或专家 的操作得到满意的控制效果。 如何有效地将熟练操作工、技术人员或专家的经验 知识和控制理论结合，去解决复杂系统的控制问题，就 是智能控制研究的目标 智能控制研究的目标。 智能控制研究的目标
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INTELLIGENT CONTROL
智能控制的基本概念
• 定义三: 智能 定义三: 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， 动控制，也是 用计算机模拟 人类智能的一 人类智能的一 个重要领域。 个重要领域。
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智能控制的基本概念
• 定义四 智能控制实际只是研究与 定义四: 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 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 控制与信息处理系统的一 能的工程控制与信息处理系统的一 个新兴分支学科。 个新兴分支学科。
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INTELLIGENT CONTROL
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INTELLIGENT CONTROL
随着要研究的对象和系统越来越复杂，借助于数学 模型描述和分析的传统控制理论难以解决问题。 复杂系统有如下特点： 复杂系统 (1)不确定性的模型 传统的控制是基于模型的控制，这里的模 在传统的控制理论中，线性系统理论比较 在传统的控制系统中，控制的任务要求输 (2)高度非线性 成熟,对于具有高度非线性的控制对象，虽然也 型包括控制对象和干扰模型。对于传统控制， 出为定值，或者要求输出量跟随期望的值变化， 通常认为模型已知或经过辨识可以得到。而智 有一些非线性控制方法可用，但总的来说，非 因此控制任务比较单一。而对于复杂的控制任 (3)复杂的任务要求 线性理论还很不成熟，无法广泛应用。 能控制对象的模型通常存在严重的不确定性。 务：如：智能机器人系统、复杂工业过程控制 一是模型未知或知之甚少；二是模型的结构和 系统、计算机集成制造系统、航天航空控制系 参数可能在很大的范围内变化，无论是哪种情 统、社会经济管理系统、环境及能源系统等， 况，传统的方法都难于对它们进行控制。 传统的控制理论都无能为力。
（四）、智能控制的主要功能特征 ）、智能控制的主要功能特征 1.学习能力。类似于人的学习过程。 2.适应性。适应对象的动力学特征、环境和远行条件变 化的能力。 3.容错性。对各类故障具有自诊断、屏蔽和自恢复功能。 4.鲁棒性。对环境干扰和不确定因素不敏感。 5.组织功能。即系统具有自组织和协调功能。 6.实时性。具有在线（随时）实时响应能力。 7.人机协作性。好的人机界面、通信、互助、协同工作 功能。
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INTELLIGENT CONTROL
• 现代控制论：－－状态空间法 现代控制论：－－状态空间法 代表人物：1）庞特里亚金（俄)1961年极大值 原理；2）贝尔曼（美. Bellman)1957年，动态 规划；3）卡尔曼（ Kalman ）1959年，卡尔曼 滤波；4）李亚普诺夫稳定性理论。 • 现代控制论：（1）大系统理论－－宏观上、广 现代控制论： 度上的开拓；（2）智能控制－－微观上、深度 上的挖掘。 • 大系统理论：是用控制和信息的观点，研究各 大系统理论： 种大系统的 结构方案，总体设计中的 分解方法 和 协调等问题的技术基础理论。
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INTELLIGENT CONTROL
三、智能控制的发展主要标志 60年代，自动控制理论和技术的发展已渐趋成熟， 1966年J.M.门德尔(Mendel) [当年发表的论文是： 门德尔(Mendel) 门德尔 Application of Artificial Intelligence Techniques to Spacecraft Problem].首先主张将人工智能用于飞船控制 系统的设计。 标志着人工智能 人工智能新技术的诞生。 人工智能 1971年著名学者傅京逊(K.S.Fu)从发展学习的角度 傅京逊(K.S.Fu) 傅京逊 首次正式提出智能控制这个新兴的学科领域。[当年发 表的论文是：[Learning Control System and Intelligent Control System:An Intersection of Artificial Intelligence and Automatic Control]
3.无人参与的智能控制系统
指 令 输 入 控制器 传感信 息分析 执 行 对象-环境 执行器 环境
问题 环境 反射 求解 建摸 响应 规划
机器人 车 传感器
机器人系统