智能控制理论及应用
工程学中的智能控制理论研究
工程学中的智能控制理论研究智能控制理论是在现代工程学中极为重要的理论研究领域，它主要关注如何让计算机程序自主地完成设计要求，并控制机器人等自动化装置。
在工程学的现代化建设中，智能控制理论成为研究的热点领域，得到了广泛的应用和发展。
一、智能控制理论的概述智能控制理论是指基于计算机和电子技术，利用人工智能的方法和技术，精确地进行自主控制和自我诊断的控制理论。
智能控制技术在现代工程学中得到广泛的应用，为实现智能工厂，提高生产效率，减少生产工作人员作用发挥了非常重要的作用。
智能控制技术首先应用于机器人等自动化装置中，可以实现机器人自主化操作和独立决策，成为工程学领域中重要的研究方向。
二、智能控制技术的实现基础智能控制理论的实现基础是计算机技术和人工智能技术。
在现代工程学中，计算机技术被广泛应用，包括与电子和通信技术相结合，从而形成了计算机控制技术。
人工智能技术的发展与应用，进一步推动了计算机智能化和自动化技术的提升，这也为实现智能控制技术提供了很好的基础条件。
三、智能控制技术的具体应用智能控制技术的具体应用非常广泛，包括智能家居、智能交通、智能制造等诸多领域。
1.智能家居：智能家居是在房屋建筑领域中的一种新型研究领域，它利用计算机和电子技术控制室内的灯具、窗帘、空调、平板电视等智能化的电器设备，实现人们居住和生活的舒适和便利。
2.智能交通：智能交通实现了无人驾驶技术，它通过计算机导航系统，运用传感器等技术进行自主运行，通过车联网技术实现车与车之间以及车与道路设施之间的信息交互与传递。
3.智能制造：智能制造是一个综合性的制造领域，利用计算机、网络技术，以及人工智能技术等全方位地进行生产过程的自动化控制和精细化管理。
四、发展智能控制技术的未来前景在现代工程学中，智能控制技术是一个非常有发展前景的技术领域。
未来，智能控制技术的创新和应用将会进一步推动工程学的快速发展，有利于实现各领域的自动化发展，提高生活和生产效率，改善人类的生存与发展环境。
智能控制技术
遗传算法在优化问题中应用
遗传算法原理
遗传算法是一种模拟生物进化过程的智能优化算法，通过选择、交叉、变异等操作，寻找问题的最优解或近似最 优解。
应用案例
遗传算法在函数优化、生产调度、路径规划等领域有广泛应用，如路径规划问题中，通过遗传算法寻找最短路径 或最优路径，提高运输效率。
04
智能控制器设计与实现
THANKS
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强化学习在自适应控制中应用
1 2
探索与利用
强化学习通过试错的方式探索最优控制策略，同 时利用已有经验进行优化，实现自适应控制。
延迟奖励处理
强化学习算法能够处理具有延迟奖励的控制问题 ，通过长期规划实现目标的最优控制。
3
稳定性与收敛性
强化学习算法在自适应控制中能够保证系统的稳 定性和收敛性，为实际应用提供可靠保障。
智能控制系统的基本结构
01
介绍智能控制系统的基本组成，包括传感器、执行器、控制器
以及被控对象等。
智能控制系统的设计原则
02
阐述设计智能控制系统时应遵循的原则，如可靠性、实时性、
可扩展性等。
智能控制系统的实现方法
03
探讨实现智能控制系统的具体方法，包括硬件选型、软件编程
、系统调试等，并介绍一些典型的智能控制系统案例。
02
智能控制基础理论
自动控制原理简介
01
自动控制的基本概念
介绍自动控制的定义、目的以及实现方式等。
02
系统建模与分析
阐述如何对控制系统进行建模，包括传递函数、状态空间等，并分析系
统的稳定性、频率响应等特性。
03
控制策略与设计
介绍经典控制理论和现代控制理论中的常用控制策略，如PID控制、最
智能控制理论及其应用-第一章概述
1.2 智能控制的产生及其发展
（3）智能控制的发展
国际智能自动化学会(International Society Of Intelligent Automation，简称ISIA) 筹委会主席是模糊数学与模糊系统 的创始人L．A．Zadeh教授。筹委会第一次会议已于1995 年10月在加拿大温哥华召开。她的成立将在世界范围内对于 推动智能自动化的研究起到促进作用。 我国也十分重视智能控制理论和应用的研究。1993年在 北京召开了“全球华人智能控制与智能自动化大会”，1994年 在北京和沈阳召开了智能控制两个学术会议，1995年中国智 能自动化学术会议暨智能自动化专业委员会成立大会在天津 召开。
1.2 智能控制的产生及其发展
（1）智能控制的孕育
1966年，Mendel进一步在空间飞行器的学习控制系统 中应用了人工智能技术，并提出了“人工智能控制”的概 念。 1967年，Leondes和Mendel首先正式使用“智能控制” 一词，并把记忆、目标分解等一些简单的人工智能技术用 于学习控制系统，提高了系统处理不确定性问题的能力。 这就标志着智能控制的思想已经萌芽。
1.3 传统控制与智能控制
智能控制的产生来源于被控系统的高度复杂性、高度不 确定性及人们要求越来越高的控制性能，可以概括为，智能 控制是“三高三性”的产物，它的创立和发展需要对当代多种 前沿学科、多种先进技术和多种科学方法，加以高度综合和 利用。 因此，智能控制无疑是控制理论发展的高级阶段。
1.4 智能控制理论的主要特征
1.2 智能控制的产生及其发展
（3）智能控制的发展
美国《IEEE控制系统》杂志1991、1993～1995年多次发 表《智能控制专辑》，英国《国际控制》杂志1992年也发表了 《智能控制专辑》，日文《计测与控制》杂志1994年发表了 《智能系统特集》，德文《电子学》杂志自1991年以来连续发 表多篇模糊逻辑控制和神经网络方面的论文；俄文《自动化与 遥控技术》杂志1994年也发表了自适应控制的人工智能基础及 神经网络方面的研究论文。 如果说智能控制在80年代的应用和研究主要是面向工业过 程控制，那么90年代，智能控制的应用已经扩大到面向军事、 高技术领域和日用家电产品等领域。今天，“智能性”已经成为 衡量“产品”和“技术”高低的标准。
智能控制理论及应用 PPT
智能控制理论及应用 PPT智能控制是控制理论发展的高级阶段，它综合了人工智能、自动控制、运筹学等多学科的知识，旨在解决那些传统控制方法难以处理的复杂系统控制问题。
本 PPT 将带您深入了解智能控制理论及其广泛的应用领域。
一、智能控制的概念智能控制是指在无人干预的情况下能自主地驱动智能机器实现控制目标的自动控制技术。
与传统控制相比，智能控制具有以下显著特点：1、不确定性：能够处理系统中的不确定性，如模型不确定性、参数变化和外部干扰等。
2、复杂性：适用于复杂的、非线性的和时变的系统。
3、自适应性：可以根据系统的运行情况和环境变化自动调整控制策略。
4、学习能力：能够从数据和经验中学习，不断优化控制性能。
二、智能控制的主要理论1、模糊控制模糊控制是基于模糊集合理论和模糊逻辑推理的一种智能控制方法。
它通过将精确的输入量模糊化，利用模糊规则进行推理，最后将模糊输出解模糊化为精确的控制量。
模糊控制适用于那些难以建立精确数学模型的系统，例如温度控制、速度控制等。
2、神经网络控制神经网络控制是利用人工神经网络的学习和自适应能力来实现控制的方法。
神经网络可以通过对大量数据的学习，提取系统的特征和规律，从而实现对系统的有效控制。
在机器人控制、模式识别等领域有着广泛的应用。
3、专家控制专家控制是将专家系统的知识和经验与控制理论相结合的一种智能控制方法。
专家系统包含了大量的领域知识和控制策略，能够根据系统的状态和需求提供准确的控制决策。
4、遗传算法遗传算法是一种基于生物进化原理的优化算法，通过模拟自然选择和遗传变异的过程来寻找最优的控制参数或策略。
它在控制器的参数优化、系统的建模和优化等方面发挥着重要作用。
三、智能控制的应用领域1、工业生产在工业生产过程中，智能控制可以提高生产效率、产品质量和设备的可靠性。
例如，在化工生产中，通过智能控制可以实现对反应过程的精确控制，优化生产工艺；在机器人制造中，利用神经网络控制可以实现机器人的精确动作和轨迹规划。
智能控制理论及应用复习
智能控制理论及应用第1章绪论■《智能控制》在自动化课程体系中的位置《智能控制》是一门控制理论课程，研究如何运用人工智能的方法来构造控制系统和设计控制器。
与《自动控制原理》和《现代控制原理》一起构成了自动控制课程体系的理论基础。
■《智能控制》在控制理论中的位置《智能控制》是目前控制理论的最高级形式，代表了控制理论的发展趋势，能有效地处理复杂的控制问题。
其相关技术可以推广应用于控制之外的领域：金融、管理、土木、设计等等。
■经典控制和现代控制理论的统称为传统控制，智能控制是人工智能与控制理论交叉的产物，是传统控制理论发展的高级阶段。
智能控制是针对系统的复杂性、非线性和不确定性而提出来的。
■传统控制和智能控制的主要区别：➢传统控制方法在处理复杂化和不确定性问题方面能力很低；智能控制在处理复杂性、不确定性方面能力较高。
智能控制系统的核心任务是控制具有复杂性和不确定性的系统，而控制的最有效途径就是采用仿人智能控制决策。
➢传统控制是基于被控对象精确模型的控制方式；智能控制的核心是基于知识进行智能决策，采用灵活机动的决策方式迫使控制朝着期望的目标逼近。
传统控制和智能控制的统一：智能控制擅长解决非线性、时变等复杂的控制问题，而传统控制适于解决线性、时不变等相对简单的控制问题。
智能控制的许多解决方案是在传统控制方案基础上的改进，因此，智能控制是对传统控制的扩充和发展，传统控制是智能控制的一个组成部分。
■智能控制与传统控制的特点。
传统控制：经典反馈控制和现代理论控制。
它们的主要特征是基于精确的系统数学模型的控制。
适于解决线性、时不变等相对简单的控制问题。
智能控制：以上问题用智能的方法同样可以解决。
智能控制是对传统控制理论的发展，传统控制是智能控制的一个组成部分，在这个意义下，两者可以统一在智能控制的框架下。
■智能控制应用对象的特点(1)不确定性的模型模型未知或知之甚少；模型的结构和参数可能在很大范围内变化。
(2)高度的非线性(3)复杂的任务要求■自动控制的发展过程■智能控制系统的结构一般有哪几部分组成，它们之间存在什么关系？答：智能控制系统的基本结构一般由三个部分组成：人工智能（AI）：是一个知识处理系统，具有记忆、学习、信息处理、形式语言、启发式推理等功能。
智能控制理论及应用
智能控制理论及应用在当今科技飞速发展的时代，智能控制理论作为一门新兴的交叉学科，正逐渐改变着我们的生活和生产方式。
它融合了控制理论、计算机科学、人工智能等多个领域的知识，为解决复杂系统的控制问题提供了新的思路和方法。
智能控制理论的核心在于模拟人类的智能行为，使控制系统能够在不确定、复杂的环境中自主地进行决策和控制。
与传统控制理论相比，智能控制具有更强的适应性和自学习能力。
传统控制理论通常基于精确的数学模型，然而在实际应用中，很多系统难以建立精确的数学模型，或者模型会随着环境和工作条件的变化而发生改变。
智能控制则能够在模型不精确或不确定的情况下，通过学习和优化来实现有效的控制。
模糊控制是智能控制的一个重要分支。
它利用模糊集合和模糊逻辑来描述和处理系统中的不确定性和模糊性。
例如，在温度控制中，“高温”“低温”“适中”等概念往往没有明确的界限，模糊控制可以很好地处理这种模糊性，根据经验和规则来调整控制策略。
模糊控制的优点在于它不需要精确的数学模型，只需要根据专家经验或操作人员的知识来制定模糊规则，就能够实现对系统的有效控制。
神经网络控制也是智能控制中的热门领域。
神经网络类似于人类大脑的神经元网络，具有强大的学习和泛化能力。
通过对大量数据的学习，神经网络可以自动提取特征和规律，并用于控制系统的优化和决策。
在机器人控制、图像处理等领域，神经网络控制都取得了显著的成果。
智能控制在众多领域都有着广泛的应用。
在工业生产中，智能控制可以提高生产效率和产品质量。
例如，在自动化生产线中，智能控制系统可以根据实时的生产数据和环境变化，自动调整生产参数，实现生产过程的优化。
在机器人领域，智能控制使机器人能够更加灵活地适应不同的任务和环境，完成复杂的操作，如无人驾驶汽车、工业机器人的精密操作等。
在智能家居方面，智能控制让我们的生活更加便捷和舒适。
通过传感器和智能算法，智能家居系统可以自动调节室内温度、照明、安防等，实现家居设备的智能化管理。
智能控制理论及应用
摘要：介绍了智能控制理论的发展概况、研究对象与工具、功能特点，简要列举了智能控制的集中应用。
关键词：智能控制；神经网络；应用0前言自从美国数学家维纳在20世纪49年代创立控制论以来，智能控制理论与智能化系统发展十分迅速。
智能控制理论被誉为最新一代的控制理论，代表性的理论有模糊控制、神经网络控制、基因控制即遗传算法、混沌控制、小波理论、分层递阶控制、拟人化智能控制、博弈论等。
应用智能控制理论解决工程控制系统问题，这样一类系统称为智能化系统。
他广泛应用于复杂的工业过程控制、机器人与机械手控制、航天航空控制、交通运输控制等。
他尤其适用于被控对象模型包含有不确定性、时变、非线性、时滞、耦合等难以控制的因素。
采用其它控制理论难以设计出合适与符合要求的系统时，都有可能期望应用智能化理论获得满意的解决。
科学技术高度发展导致了被控对象在结构上的复杂化和大型化。
在许多系统中，复杂性不仅仅表现在高维性上，更多则是表现在系统信息的模糊性、不确定性、偶然性和不完全性上。
此时，人工智能得益于计算机技术的飞速发展，已逐渐成为一门学科，并在实际应用中显示出很强的生命力。
同时，国际学术界对智能控制的研究也十分活跃，到了20世纪90年代，各种智能控制的国际学术会议日益频繁。
国内也在20世纪80年代初开始进行智能控制研究。
1智能控制理论的发展阶段虽然智能控制理论只有几十年的历史，尚未形成较完整的理论体系，蛋其已有的应用成果和理论发展表明它已成为自动控制的前沿学科之一。
智能控制主要经历了以下几个发展阶段：1.1 自动控制的发展与挫折上世纪40~50年代，以频率法为代表的单变量系统控制理论逐步发展起来，并且成功地用在雷达及火力控制系统上，形成了“古典控制理论”。
上世纪60~70年代，数学家们在控制理论发展中占据了主导地位，形成了以状态空间法为代表的“现代控制理论”。
他们引入了能控、能观、满秩等概念，使得控制理论建立在严密精确的数学模型之上，从而造成了理论与实践之间巨大的分歧。
智能控制应用实例
智能控制应用实例
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1 智能机器人 3 智能家居 5 农业应用 7 其他应用
2 智能车辆 4 电力系统 6 医疗应用
智能控制应用实例
智能控制是现代控制理论的一个重要分支，它以其独特的优越性在各个领域得到广泛的应 用。以下是一些典型的智能控制应用实例
智能机器人
智能机器人
1.1 家庭服务机器人
智能车辆
2.2 智能交通 系统
智能交通系统可以通 过控制交通信号灯的 灯光时间、调整道路 限速等手段来提高交 通效率，减少交通拥 堵。例如，"智慧的 路"(Connected Roads)项目就利用了 智能交通技术
智能家居
智能家居
3.1 智能照明系统
智能照明系统可以根据环境光线 、时间和用户的需求自动调节灯 光强度和颜色，节省电能，提高 舒适度。例如，飞利浦的 Hue 智能灯泡就是一种智能照明系统
家庭服务机器人是一种能执行家庭主人的意志，完成家 庭日常事务或家务工作的自动化机器。例如，扫地机器 人可以根据环境变化自动规划清扫路线和任务，无需人 为干预
智能机器人
1.2 医疗机器人
医疗机器人通常用于手术、康复治疗、药 物管理和病人监测等医疗任务。例如，外 科手术机器人可以通过遥控操作进行精细 的手术，减少医生的操作难度和风险
农业应用
农业应用
5.1 精准农业
精准农业是一种利用 GPS、GIS、遥感、智 能传感器等技术，对农田进行精细管理，实 现农作物的高产、优质、高效的现代化农业 生产方式。例如，利用无人机进行农田巡检 和植保作业，以及通过精准灌溉提高水资源 利用效率等
农业应用
5.2 自动化养殖
自动化养殖利用智能控制技术对禽畜进行 规模化、集约化的养殖和管理，实现养殖 过程的自动化和智能化。例如，自动化饲 喂系统可以根据禽畜的生长阶段和需求自 动调整饲料量和饲喂时间，提高生产效率
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一. 控制理论和应用发展的概况
控制理论的发展始于Watt飞球调节蒸汽机以后的100年。 1. 20年代以反馈控制理论为代表，形成经典控制理论，著名的 控制科学家有：Black, Nyquist, Bode. 2. 随着航空航天事业的发展,50~60年代形成以多变量控制为特 征的现代控制理论,主要代表有:Kalman 的滤波器,Pontryagin 的极大值原理,Bellman 的 动态规划,和Lyapunov 的稳定性理论. 3. 70年代初,以分解和协调为基础,形成了大系统控制理论,用于复 杂系统的控制,重要理论有递阶控制理论、分散控制理论、队 论等。主要用于资源管理、交通控制、环境保护等。
1980’s--90’s
Fuzzy control
Intelligent control
1990’s---
Supervisory control Robot control
理论与实际应用存在很大差距 PID在实际应用中仍占统治地位。 原因： ●自动控制学科高度的交叉性、应用的广泛性； ●所需数学工具难以被多数技术人员所掌握； ●自动控制需要其它技术支持，如网络、计算机； ●实际应用情况的复杂性、多变性、不确定性； ●国内企业存在管理体制问题，技术投入力度不够。
3. 智能控制的组成、定义与研究内容 智能控制（IC）是自动控制（AC）和人工智能（AI） 的交集。即：
IC AC AI
AC
IC
AI
强调智能和控制的结合。
考虑更高层次上的调度、规划和管理，应把运筹学（OR） 结合进去。即：
IC AI OR AC
4. 智能控制与传统控制的关系和差别
以上控制理论我们称之为传统控制理论。
二.传统控制理论的局限性
随着复杂系统的不断涌现，传统控制理论越来越多地显示它的 局限性。 什么叫复杂系统？其特征表现为：
1. 控制对象的复杂性
模型的不确定性、 高度非线性、 分布式的传感器和执行机构、 动态突变、 多时间标度、 复杂的信息模式、 庞大的数据量和严格的性能指标。
2. 环境的复杂性
变化的不确定性 难以辨识 必须与被控对象集合起来作为一个整体来考虑。
3. 控制任务或目标的复杂性
控制目标和任务的多重性 时变性 任务集合处理的复杂性。
传统控制理论的局限性
（1）传统的控制理论建立在精确的数学模型基础上——用微分 或差分方程来描述。 不能反映人工智能过程：推理、分析、学习。 丢失许多有用的信息
智能控制理论及应用
Intelligent Control Theory and It’s Application
主讲： 陈 谋
学习要求
• 课外阅读参考书和参考文献 • 计算机练习，结合Matlab应用 • 考核：课堂考试、大作业
主要参考书： • • • • • 1. 智能控制技术 北工大 易继铠等 2. 智能控制及应用 南航大 姜长生 3 . 模糊控制、神经控制和智能控制论 哈尔滨工业大学 李士勇 4 . 模糊控制和神经网络的基础与应用 清华 5 . 智能控制理论和方法 电子科大 李人厚 赵振宇
5. 智能与智能控制的定义
什么叫智能？有不同的定义： ◆ 按系统的一般行为特征定义(Albus) 在不确定环境中，作出合适动作的能力。合适动作是指 增加成功的概率 ，成功就是达到行为的子目标，以支持系 统实现最终目标。
（2）不能适应大的系统参数和结构的变化 自适应控制和自校正控制——通过对系统某些重要参数的估 计克服小的、变化较慢的参数不确定性和干扰。 鲁棒控制——在参数或频率响应处于允许集合内，保证被 控系统的稳定。 自适应控制、鲁棒控制不能克服数学模型严重的不确定性和 工作点剧烈的变化。
（3） 传统的控制系统输入信息模式单一 通常处理较简单的物理量：电量（电压、电流、阻抗）； 机 械量（位移、速度、加速度）； 复杂系统要考虑：视觉、听觉、触觉信号，包括图形、文字、 语言、声音等信息。
● 涉及的范围：智能控制的范围包括了传统控制的范围。 有微分/差分方程描述的系统；有混合系统（离散和连 续系统混合、符号和数值系统混合、数字和模拟系统混 合）； ●控制的目标：智能的目标寻求在巨大的不确定环境中， 获得整体的优化。因此，智能控制要考虑： 故障诊断 系统重构 自组织、自学习能力 多重目标 ●系统的结构：控制对象和控制系统的结合。
为了克服传统控制理论的局限性，产生了模拟人 类思维和活动的智能rol
1940’s--50’s
Optimal control
1960’s--70’s
Control techniques:
History of
Adaptive control
1980’s
Robust control
• 智能控制：20世纪70年代发展起来的一种新控 制方法 • 智能控制的思想： 模仿人如何根据外部环境调整自身使之适应 其变化达到对难以建模或模型不确定性复杂系 统的控制。 目前关于智能控制的定义，理论，结构等问 题无统一的系统描述。
控制对象
智能控制的结构理论
控 制 与 决 策 计 算 机 控 制
主要应用领域
机 器 人 技 术
系 统 建 模 与 分 析 信 息 采 集 与 处 理
先 进 制 造 技 术
自动控制（自动化）学科
数 学
物 理
生 物 医 学
神 经 脑 科 学
认 知 心 理 学
控 制 论
运 筹 学
信 息 论
计 算 机 科 学
管 理 科 学
支持基础
傅京逊：
• 智能控制：驱动机器自主实现其目 标的过程。
• 智能系统：无须人干预的智能机器 系统。
智能控制理论 • 它是多学科的交叉。 1971 傅京逊 ：人工智能+自动控制 K.S.FU Artificial Intelligence (AI) Automatic Control(AC)Intelligent Control(IC) 1977 Saridis：人工智能+自动控制+运筹学 运筹学 Operation Research OR 自动控制 Control TheoryCT 1982 蔡自兴： AI+CT+OR+IT IT信息论 Information Theory