智能控制大作业-神经网络
控制系统中的神经网络控制方法
控制系统中的神经网络控制方法控制系统是指通过对被控对象进行监测和调节，以达到预定要求的系统。
而神经网络控制方法是指利用神经网络模型和算法对控制系统进行优化和改进的方法。
本文将介绍神经网络控制方法在控制系统中的应用以及其原理和优势。
一、神经网络控制方法的原理神经网络控制方法主要基于人工神经网络模型，它模拟了生物神经系统的结构和功能。
该模型由多个神经元组成，这些神经元相互连接并通过权重参数传递和处理信息。
其原理主要包括以下几个方面：1. 网络拓扑结构：神经网络控制方法中使用的神经网络有多种拓扑结构，如前馈神经网络、循环神经网络和自适应神经网络等。
这些网络结构可以灵活地应用于不同的控制问题。
2. 学习算法：神经网络通过学习算法来调整网络中神经元之间的连接权重，以逐步优化网络的性能。
常见的学习算法包括反向传播算法、遗传算法和模糊神经网络算法等。
3. 控制策略：神经网络控制方法可以基于不同的控制策略，如比例积分微分（PID）控制、模糊控制和自适应控制等。
通过在神经网络中引入相应的控制策略，可以实现对被控对象的精确控制和调节。
二、神经网络控制方法在控制系统中的应用1. 机器人控制：神经网络控制方法在机器人控制中有广泛应用。
通过将神经网络嵌入到机器人的控制系统中，可以实现对机器人运动、感知和决策等方面的智能控制。
这种方法能够提高机器人的自主性和适应性，使其能够更好地适应不同环境和任务的需求。
2. 工业过程控制：神经网络控制方法在工业过程控制中也得到了广泛应用。
通过利用神经网络对工业过程进行建模和优化，可以提高生产效率、降低能耗和减少故障率。
此外，神经网络控制方法还可以应用于故障诊断和预测维护等方面，提高工业系统的可靠性和稳定性。
3. 航天飞行器控制：神经网络控制方法在航天飞行器控制方面也有重要应用。
通过神经网络对航天飞行器的姿态、轨迹和轨道控制进行优化，可以提高飞行器的稳定性和导航精度，降低燃料消耗和飞行风险。
神经网络在智能控制系统中的应用
神经网络在智能控制系统中的应用智能控制系统是一种基于前沿技术的控制系统，它具备学习和适应能力，可以自主地做出决策并改进自身的性能。
在智能控制系统中，神经网络作为一种重要的技术手段，展示了出色的应用效果。
本文将介绍神经网络在智能控制系统中的应用，并探讨其优势和未来发展方向。
一、神经网络在智能控制系统中的基本原理神经网络是一种通过模仿生物神经系统来模拟人类智能行为的技术方法。
神经网络由大量的神经元相互联结而成，通过学习和训练，神经网络能够对输入信息进行处理和分析，并对未知的数据作出预测和决策。
在智能控制系统中，神经网络起到了关键的作用。
首先，它能够通过学习和训练来从大量的数据中提取有用的信息，并有效地进行模式识别和分类。
其次，神经网络能够建立起输入和输出之间的映射关系，从而实现对输入信号的动态处理和控制。
最后，神经网络还能够通过自适应学习的方式，主动调整自身的结构和参数，以适应不同的环境和任务需求。
二、神经网络在智能控制系统中的应用领域1.自动驾驶技术神经网络在自动驾驶技术中具有广泛的应用。
通过对实时传感器数据的处理和分析，神经网络能够实现车辆的环境感知、路径规划和行为决策，从而实现自主驾驶功能。
神经网络的高并行性和适应能力使得自动驾驶系统能够在复杂多变的交通环境中实现精确的控制和决策。
2.智能制造神经网络在智能制造领域中的应用也日益重要。
在生产线的控制与优化中，神经网络能够通过学习和模式识别来分析生产数据，探测异常和故障，并实现自动故障诊断和预防。
此外，神经网络还能够优化生产调度和质量控制，提高生产效率和产品质量。
3.智能家居随着物联网技术的发展，智能家居正逐渐成为人们生活的一部分。
神经网络在智能家居中扮演着智能控制的重要角色。
通过对家庭环境和用户行为的学习和建模，神经网络可以实现智能家居设备的自主控制和个性化服务。
它能够根据不同的需求和偏好，自动调节室内温度、照明和安全系统，提供便捷、舒适和安全的居家环境。
智能控制题目及解答
1. 神经网络的模型分类，分别画出网络图，简述其特点。
1）前向网络：神经网元分层排列,组成输入层,隐含层和输出层。
每一层的神经元只能接收前一层神经元的输入.输入模式经过各层的顺次变换后，得到输出层数输出。
个神经元之间不存在反馈.感知器和误差反向传播算法中使用的网络都属于这种模型.1).2)2）反馈网络：这种网路结构指的是只有输出层到输入层存在反馈，即每一个输入节点都有可能接受来自外部的输入和来自输出神经元的反馈。
这种模式可用来存储某种模式序列，也可以动态时间序列系统的神经网络建模.3）相互结合型网络:属于网状结构，这种神经网络模型在任意两个神经元之间都可能存在连接.信号要在神经元之间反复往返传递，网络处在一种不断改变的状态之中。
从某个初态开始，经过若干次变化，才能达到某种平衡状态，根据网络结构和神经元的特性，还有可能进入周期震荡或混沌状态。
4）混合型网络：是层次型网络和网状结构网络的一种结合。
通过层内神经元的相互结合，可以实现同一层内的神经元的横向抑制或兴奋机制，这样可以限制每层内能同时动作的神经元数，或者把每层内的神经元分成若干组，让每组作为一个整体来动作. 2. 神经网络学习算法有几种，分别画出网络图，简述其特点。
1)有导师学习:所谓有导师学习就是在训练过程中，始终存在一个期望的网络输出。
期望输出和实际输出之间的距离作为误差度量并用于调整权值.1。
2）无导师学习：网络不存在一个期望的输出值，因而没有直接的误差信息,因此，为实现对网络训练，需建立一个间接的评价函数,一对网络的某种行为趋向作出评价. 3、简述神经网络泛化能力。
答：人工神经网络容许某些变化,如当输入矢量带有噪声时，即与样本输出矢量存在差异时，其神经网络的输出同样能够准确地呈现出应有的输出。
这种能力就成为泛化能力.4、单层BP 网络与多层神经网络学习算法的区别。
1）单层神经网络的Delta 学习算法是通过对目标函数∑==Npp E E1的极小来实现的，其中E 的极小是通过有序地对每一个样本数据的输出误差Ep 的极小化来得到。
人工智能控制技术课件：神经网络控制
例如，在听觉系统中，神经细胞和纤维是按照其最敏感的频率分
布而排列的。为此，柯赫仑（Kohonen）认为，神经网络在接受外
界输入时，将会分成不同的区域，不同的区域对不同的模式具有
不同的响应特征，即不同的神经元以最佳方式响应不同性质的信
号激励，从而形成一种拓扑意义上的有序图。这种有序图也称之
,
,
⋯
,
)
若 输 入 向 量 X= ( 1
， 权 值 向 量
2
W=(1 , 2 , ⋯ , ) ，定义网络神经元期望输出 与
实际输出 的偏差E为：
E= −
PERCEPTRON学习规则
感知器采用符号函数作为转移函数，当实际输出符合期
望时，不对权值进行调整，否则按照下式对其权值进行
单神经元网络
对生物神经元的结构和功能进行抽象和
模拟，从数学角度抽象模拟得到单神经
元模型，其中 是神经元的输入信号，
表示一个神经元同时接收多个外部刺激；
是每个输入所对应的权重，它对应
于每个输入特征，表示其重要程度；
是神经元的内部状态； 是外部输入信
号； 是一个阈值（Threshold）或称为
第三代神经网络：
2006年，辛顿（Geofrey Hinton）提出了一种深层网络模型——深度
置信网络（Deep Belief Networks，DBN），令神经网络进入了深度
学习大发展的时期。深度学习是机器学习研究中的新领域，采用无
监督训练方法达到模仿人脑的机制来处理文本、图像等数据的目的。
控制方式，通过神经元及其相互连接的权值，逼近系统
神经网络在智能机器人中的应用
神经网络在智能机器人中的应用随着人工智能技术的不断进步，智能机器人已经逐渐成为了我们日常生活中不可或缺的一部分。
而其中，神经网络技术更是智能机器人实现人工智能的关键之一。
本文将介绍神经网络在智能机器人中的应用及其优势。
一、神经网络技术概述神经网络，也称为人工神经网络，是一种模拟人脑组织结构和功能的人工智能技术。
它由多个节点和连接组成，每个节点代表一个人工神经元，连接则代表神经元间的突触连接。
通过对神经元和连接的模拟计算，神经网络能够实现模式识别、分类、预测等人类智能所具备的功能。
二、1.智能控制方面神经网络可用于智能机器人的控制系统，为机器人行为提供智能的指导。
通过神经网络对机器人环境和自身状态的分析，可以实现机器人在不同情况下的自主行动和智能决策。
例如，可以通过训练神经网络，实现智能机器人对目标物体的识别、跟踪和抓取等功能。
2.感知识别方面神经网络可用于智能机器人的感知识别系统，使机器人能够快速准确地对环境信号进行感知和处理。
例如，可以通过神经网络实现语音识别、视觉识别、手势识别等智能交互功能。
通过神经网络对数据的分析和训练，机器人能够识别不同的声音、图像和姿态，从而实现复杂的人机交互。
3.智能学习方面神经网络可用于智能机器人的学习系统，使机器人能够通过对数据的分析和学习，不断完善自身的识别和决策能力。
例如，可以通过神经网络实现机器人的强化学习，通过不断尝试和反馈，机器人逐渐改进自己的行为策略，从而实现更高效的任务完成。
三、神经网络在智能机器人中的优势1.自适应性强神经网络具有自适应性强的特点，可以根据环境和任务的变化，动态调整神经网络结构和参数，从而实现更好的性能表现。
智能机器人使用神经网络可以根据不同的环境和任务自主调整行为决策，从而更好地适应复杂多变的场景。
2.学习能力强神经网络具有学习能力强的特点，可以通过对数据的学习和不断尝试，逐渐改进自己的决策和行为策略。
智能机器人使用神经网络可以进行强化学习和监督学习等多种方式的学习，从而不断完善自己的能力和表现。
智能控制方法
智能控制方法智能控制方法是指采用人工智能技术来设计、实现和控制系统的一种方法。
智能控制方法具有高效性、可靠性和自适应性等特点，在工业生产、机器人控制、交通运输和医疗等领域得到了广泛应用。
本文主要介绍人工神经网络、遗传算法和模糊逻辑控制等几种常用的智能控制方法。
一、人工神经网络人工神经网络（Artificial Neural Network, ANN）是一种模仿生物神经系统的信息处理方式的计算模型。
它由输入层、隐藏层和输出层组成，每层包含多个神经元，神经元之间通过连接实现信息传递和处理。
ANN具有自适应性和高度非线性特性，可以用于模式识别、预测和控制等方面。
在智能控制领域中，可以使用ANN对系统进行建模和控制。
具体地说，输入层用来接收传感器数据，输出层用来输出控制指令，隐藏层则根据输入层的数据，使用反向传播算法对权值进行训练，以使得预测误差最小化。
然后，将训练后的ANN用于实时控制系统，以实现自适应控制。
二、遗传算法遗传算法（Genetic Algorithm, GA）是一种计算智能方法，模拟自然选择和遗传进化过程，通过适应度函数来评估个体的优劣程度，并利用交叉、变异等操作来优化个体的特征。
遗传算法具有全局优化、自适应性和并行处理等特点，适用于求解局部极小值和高维空间优化问题。
在智能控制领域中，可以使用遗传算法优化控制器的参数。
具体地说，先使用传统控制器设计方法获得一个初步的控制器，然后使用遗传算法优化控制器的参数，以使得控制效果最优。
在优化过程中，可以通过适应度函数评估控制器的性能，并通过群体演化的过程实现控制器参数的迭代优化。
三、模糊逻辑控制模糊逻辑控制（Fuzzy Logic Control, FLC）是一种基于模糊逻辑的控制方法。
模糊逻辑是一种模糊概念的推理和处理方法，它考虑到了不确定性和模糊性，使得控制器更加灵活和鲁棒。
FLC通常由模糊化、规则库、推理和去模糊化等步骤组成。
在智能控制领域中，可以使用FLC来控制具有复杂非线性特性的系统。
大工22夏《神经网络》大作业
大工22夏《神经网络》大作业
1. 项目介绍
本次《神经网络》大作业旨在让同学们深入理解神经网络的工作原理，并能够独立实现一个简单的神经网络模型。
通过完成本次作业，同学们将掌握神经网络的基本结构，训练过程以及参数优化方法。
2. 任务要求
1. 独立实现一个具有至少三层神经网络的结构，包括输入层、隐藏层和输出层。
2. 选择一个合适的激活函数，并实现其对应的激活和导数计算方法。
3. 实现神经网络的正向传播和反向传播过程，包括权重更新和偏置更新。
4. 在一个简单的数据集上进行训练，评估并优化所实现的神经网络模型。
3. 评分标准
1. 神经网络结构实现（30分）
2. 激活函数实现（20分）
3. 正向传播和反向传播实现（20分）
4. 模型训练与评估（20分）
5. 代码规范与文档说明（10分）
4. 提交要求
1. 提交代码文件，包括神经网络结构、激活函数、正向传播、反向传播以及训练与评估的实现。
2. 提交一份项目报告，包括项目简介、实现思路、实验结果及分析。
3. 请在提交前确保代码的可运行性，并在报告中附上运行结果截图。
5. 参考资料
1. Goodfellow, I. J., Bengio, Y., & Courville, A. C. (2016). Deep learning. MIT press.
2. Russell, S., & Norvig, P. (2016). Artificial intelligence: a modern approach. Pearson Education Limited.
祝大家作业顺利！。
智能控制--神经网络控制PPT课件
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71
权衡的有效途径：进行多次仿真实验。
✓ 输入信号的选择
时域上，要求输入信号持续加在系统对象上，以便在辨识 时间内充分激励系统的所有模态、反映系统对象的完整 动态过程。(这里的输入信号是加在系统上的信号，也将构成神经
网络的输入或输出信号)
频域上，要求输入信号的频谱覆盖系统的频谱。
✓ 等价准则的选择
等价意味着按照某种误差评价准则，使确定的神经网络模 型最好地拟合所关心的被辨识系统的静态或动态特性。
.
43
(2) 再励学习(强化学习)
介于上述两种情况之间，外部环境只对输出结果给 出评价，而不给出具体答案，学习系统通过强化那 些受奖励的动作来改善自身的性能。
离线学习
对一批实现给定的系统输入输出样本数据进行离线 学习，建立系统的一个逆模型，然后用此逆模型进 行在线控制。
.
44
非线性系统 +
-
神经网络
.
25
神经网络辨识的特点(与传统辨识方法相比)
✓ 神经网络本身作为一种辨识模型，其可调参数反映在网 络内部的极值上，无需建立实际系统的辨识格式。
✓ 借助网络外部的输入/输出数据拟合系统的输入/输出关 系，可对本质非线性系统进行辨识。(网络内部隐含着系统的
特性)
✓ 辨识的收敛速度不依赖于被辨识系统的维数，只与神经 网络本身所采用的学习算法有关。
神经网络控制
.
1
神经网络控制的优越性
神经网络可以处理那些难以用模型或规则描述的过程 或系统。
神经网络采用并行分布式信息处理，具有很强的容错 性。
神经网络是本质非线性系统，可实现任意非线性映射。
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智能控制与应用实验报告神经网络控制器设计
一、实验内容
考虑一个单连杆机器人控制系统，其可以描述为：
Mq + 0.5mgl sin（q） = r
y = q
其中M = 0.5kgm2为杆的转动惯量，“7 = 1kg为杆的质量，/ = \m为杆长, g=9.8/n/52, g为杆的角位置，刁为杆的角速度，刁为杆的角加速度，丁为系统的控制输入。
具体要求：
1、设计神经网络控制器，对期望角度进行跟踪。
2、分析神经网络层数和神经元个数对控制性能的影响。
3、分析系统在神经网络控制和PID控制作用下的抗干扰能力（加噪声干扰、加参数不确定）、抗非线性能力（加死区和饱和特性）、抗时滞的能力（对时滞大小加以改变）。
4、为系统设计神经网络PID控制器（选作）。
二、对象模型建立
根据公式（1）,令状态量得到系统状态方程为:
r 一0・5 水〃?g/*sin(xj
Af
山此建立单连杆机器人的模型如图1所示。
x2
图1单连杆机器人模型
三、系统结构搭建及神经网络训练
1 •系统PID结构如图2所示:
图2系统PID结构图
PID参数设置为Kp二16, Ki二10, Kd二8得到响应曲线如图3所示:q
0.5
A mgl
1.4
0.4
・ 0.2 ； ・
Q } r
r
r
「 「
r r r r 0123456789
10
t/s
图3 PID 控制响应曲线
采样PID 控制器的输入和输出进行神经网络训练
p 二[al' ;a2, ];
t 二b ，；
net=newff ([-1 1;T 1;T 1], [3 8 16 8 1], {' tansig" ' tansig 5 1 tansig ，
logsig , ' pure 1 in 1});
产生的神经网络控制器如图4所示：
图3神经网络工具箱
训练过程如图4所示:
1.2
Custom Neural Network
Neural Network
LtfBf
w
"T"
""H~9
"T"
T"
Algorithms Training:
Levenberg-Marquardt (匕①厂 m
Performance! Mean Squared Error( -is- Derivative: Default idefau •deriv)
Epoch; Time: Performance: Gradient Mu:
Validation Checks;
Plot Interval: ' J
1 epochs
Opening Performance Plot
• Stop Training • Caned
图4神经网络训练过程图
用训练好的神经网络控制器替换原来的PID 控制器，得到仿真系统结构图如 图5所示:
图5神经网络控制系统结构图
运行系统得到神经网络控制下的响应曲线如图6所示:
Picts
(plotperform) (plottrainstate) (plotreg ression)
Performance Training Stat^
Regression 2500
l.OOe-05 1.00e-05 L.00e + 10 6
图6神经网络控制响应曲线图
四. 神经网络和PID 控制器的性能比较
1. 抗干扰能力
在神经网络控制器和PID 控制器中分别加入相同的随机噪声，系统响应如图
7所示
:
5 6 7 8 9 10
t/s
0.4
0.2
0.6
PID 神经网络
0.4、”
-
0.2 -y -
Q } r r r
「 「
r r r r
0123456789 10
图7加入噪声的系统响应曲线
从图7中的响应曲线可以看出，神经网络控制和PID 控制的抗干扰效果相差 不大。
2. 加入饱和
饱和区间为［J 得到的系统响应曲线如图8所示:
1.2
1
0.8
0.6
1.4
1
0.8
0.6
0.4
0.2
Q t
『 『 r 「 「 r
1 2 3 4 5 6 t/s
图8加入饱和的系统响应曲线
从图8中可以看出加入饱和特性后，神经网络控制比PID 控制要平缓一些。
3. 加入时滞
在PID 系统和神经网络系统中分别加入相同的时滞后，系统的响应曲线如图
9所示:
1.2 - PID 神经网
络
7
8
9
10
2.5
PID 神经网络
[/ V
0123456789 10
t/s
图9加入时滞的系统响应曲线
从图9中可以看出，加入时滞特性后神经网络控制的控制效果明显比PID 控制要好很多。
五.总结
经典PID控制原理和现代控制原理的共同特点是：控制器设讣必须建立在被控对象的精确建模上。
没有精确的数学模型，控制器的控制效果及精度将受到很大的制约。
但在现实生活中，大多数系统具有非线性、时变、大延迟等特点，很难建立精确的数学模型。
因此经典控制原理和现代控制原理都很难实现对这种系统的精确控制。
神经网络控制不需要建立基于系统动态特性的数学模型。
神经网络具有的任意非线性逼近能力，可以通过对系统性能的学习来实现具有最佳组合的PID控制。