人工智能技术及应用 课件 第5、6章 智能控制理论与技术及其应用、 智能机器人技术与应用.pptx

5.1自动控制的起源与发展概述5.2经典控制的基本理论与技术5.3自动控制的应用领域5.4现代控制的基本理论与技术5.5智能控制的基本理论与技术5.6智能控制的典型应用5.1自动控制的起源与发展概述自动控制技术起源于欧洲的工业革命时期，已经有几百年的历史，对人类生产力和生活水平的提高与科技进步产生了巨大的作用和深远的影响。自动控制的定义是：在没有人直接参与的条件下，利用控制器使被控对象的某些物理量或工作状态能自动地按照预定的规律变化或运行。自动控制技术主要是指机器设备或生产管理过程通过自动检测、信息处理、分析判断自动地实现，其运行过程无需人为干预，而是由相关设备实现对生产过程与管理的自动控制。该技术的核心原理是用传感器检测指令信息、系统变化的物理信息以及被控对象的状态信息，并将其转换成相应的电信号输入到控制装置；然后由控制装置通过模拟或者数字方式实时计算出被控对象的被控量，并与期望的被控量相减得到其误差信号；误差信号经过放大和处理，送给控制执行机构，通过闭环控制驱动被控对象，最终达到所希望的状态。英国人瓦特在发明蒸汽机的同时，应用反馈原理，于1788年发明了离心式调速器。当负载或蒸汽量供给发生变化时，离心式调速器能够自动调节进气阀的开度，从而控制蒸汽机的转速，由此开始出现自动控制的构想。1932年，奈奎斯特根据频率稳定性判断，给出了新的自动控制理论，负反馈系统可以直接自动分析频率的大小，从而确定反馈结果。其后利用根轨迹设计实现对于参数的变换处理，从而更好地保证其性能的完好性。自动控制理论的主要发明人、奠基人是美国数学家诺伯特·维纳。他的控制论被公认为是世界信息化的奠基理论，同时也奠定了自动控制学科的基础。20世纪20年代～40年代成熟的经典控制理论主要研究单输入-单输出、线性定常数系统的分析和设计。其主要理论是利用传递函数、根轨迹等方法，使控制系统实现自动稳定，完成生产和管理任务。20世纪50、60年代发展起来的现代控制理论是为了解决被控系统多输入、多输出、非线性特性的控制问题，其利用了大量的微积分、线性代数和矩阵论等高等数学中的理论知识。自动控制目前发展到第三代，即智能控制。智能控制是具有智能信息处理、智能信息反馈和智能控制决策的控制方式，是控制理论发展的高级阶段，主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制问题。智能控制研究对象的主要特点是具有不确定性的数学模型、高度的非线性和复杂的任务要求。智能控制的思想出现于20世纪60年代。当时对学习控制的研究十分活跃，并获得较好的应用。如自学习和自适应控制方法相继被发明出来，用于解决控制系统的随机特性问题和模型未知问题。智能控制与传统控制的主要区别在于传统控制必须依赖于被控制对象的数学模型，而智能控制可以解决非模型化系统的控制问题。智能控制理论不同于经典控制理论和现代控制理论的处理方法，它研究的主要目标不再是被控对象而是控制器本身。控制器不再是单一的数学模型解析，而是数学模型和知识系统相结合的广义模型。与传统控制相比，智能控制具有以下基本特点：(1)智能控制的本质特征体现在能对复杂系统(如非线性、快时变、复杂多变量、环境扰动等)进行有效的全局控制，实现广义问题求解，并具有较强的容错能力。(2)智能控制的基本目的是从系统的功能和整体优化的角度来分析与综合，以实现预定的控制目标。智能控制系统具有变结构特点，能总体自寻优，具有自适应、自组织、自学习和自协调能力。(3)智能控制系统有补偿及自修复能力和判断决策能力。智能控制以控制理论、计算机科学、人工智能、运筹学等学科为基础，扩展了相关的理论和技术，其中应用较多的有模糊逻辑、神经网络、专家系统、遗传算法等理论与算法，以及自适应控制、自组织控制和自学习控制等技术。智能控制目前已经应用于工农业生产、军事和科学研究等各个行业的各个领域，但还有很多理论和技术问题还有待解决，特别是对于非线性、多变量、时变特性的复杂系统的控制，现有的控制方法还很不完善，还需要进行深入的研究。随着我国社会经济的快速发展和科学技术水平的不断提高，我国智能控制技术也得到了长足发展，其应用也日益广泛，包括工业生产、农业生产、军事科研、社会生活等领域，因此，了解智能控制的一些基本概念和应用，对人们的工作和生活大有裨益。5.2经典控制的基本理论与技术5.2.1前馈控制系统经典控制的基本原理可通过前馈控制和反馈控制两个方法来实现。前馈控制是在苏联学者所倡导的不变性原理的基础上发展起来的。20世纪50年代以后，在工程上，前馈控制系统逐渐得到了广泛的应用。前馈控制系统是根据扰动或给定值的变化按补偿原理来工作的控制系统，其特点是当扰动产生后，被控变量还未变化以前，根据扰动作用的大小进行控制，以补偿扰动作用对被控变量的影响。前馈控制系统运用得