1.6.7 智能控制

1.智能控制的產(chǎn)生

傳統(tǒng)控制方法（包括經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制）缺乏靈活性和應(yīng)變能力，適于解決線性、時不變性等相對簡單的控制問題。傳統(tǒng)控制方法在實際應(yīng)用中遇到很多難以解決的問題，主要表現(xiàn)為以下幾點。

1）由于實際系統(tǒng)存在復(fù)雜性、非線性、時變性、不確定性和不完全性等特點，所以無法獲得精確的數(shù)學(xué)模型。

2）某些復(fù)雜的和包含不確定性的控制過程無法用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型來描述，即無法解決建模問題。

3）針對實際系統(tǒng)往往需要進行一些比較苛刻的線性化假設(shè)，而這些假設(shè)往往與實際系統(tǒng)不符合。

4）實際控制任務(wù)復(fù)雜，而傳統(tǒng)的控制任務(wù)要求低，對復(fù)雜的控制任務(wù)，如智能機器人控制、社會經(jīng)濟管理系統(tǒng)等無能為力。

在生產(chǎn)實踐中，復(fù)雜控制問題可通過將熟練操作人員的經(jīng)驗和控制理論相結(jié)合的方式去解決，由此產(chǎn)生了智能控制。

智能控制采取人的思維方式來建立邏輯模型，使用類似人腦的控制方法來進行控制。

智能控制將控制理論的方法和人工智能技術(shù)靈活地結(jié)合起來，其控制方法能適應(yīng)對象的復(fù)雜性和不確定性。

智能控制是控制理論發(fā)展的高級階段，它主要用來解決那些用傳統(tǒng)控制方法難以解決的復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題。

智能控制研究對象具備以下特點。

1）不確定性的模型：智能控制適用于不確定性對象的控制，該不確定性包括兩層意思：一是模型未知或知之甚少；二是模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)可能在很大范圍內(nèi)變化。

2）高度的非線性：采用智能控制方法可以較好地解決非線性系統(tǒng)的控制問題。

3）復(fù)雜的任務(wù)要求：例如，智能機器人要求控制系統(tǒng)對一個復(fù)雜的任務(wù)具有自行規(guī)劃和決策的能力，有自動躲避障礙、運動到期望目標(biāo)位置的能力。再如，在復(fù)雜的工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，除了要求對各被控物理量實現(xiàn)定值調(diào)節(jié)外，還要求能實現(xiàn)整個系統(tǒng)的自動啟停、故障的自動診斷以及緊急情況下的自動處理等功能。

2.智能控制的幾個重要分支

（1）模糊控制

以往的各種傳統(tǒng)控制方法均建立在被控對象的精確數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，然而，隨著系統(tǒng)復(fù)雜程度的提高，將難以建立系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型。

在工程實踐中人們發(fā)現(xiàn)，一個復(fù)雜的控制系統(tǒng)可由一個操作人員憑著豐富的實踐經(jīng)驗得到滿意的控制效果，這說明，如果通過模擬人腦的思維方法來設(shè)計控制器，就可實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的控制，由此產(chǎn)生了模糊控制。

1965年，美國加州大學(xué)自動控制系L.A.Zadeh提出了模糊集合理論，奠定了模糊控制的基礎(chǔ)；1974年，倫敦大學(xué)的Mamdani博士利用模糊邏輯開發(fā)了世界上第一臺模糊控制的蒸汽機，從而開創(chuàng)了模糊控制的歷史；1983年，日本富士電機開創(chuàng)了模糊控制在日本的第一項應(yīng)用——水凈化處理，之后，富士電機致力于模糊邏輯元件的開發(fā)與研究，并于1987年在仙臺地鐵線上采用了模糊控制技術(shù)，1989年將模糊控制消費品推向高潮，使日本成為模糊控制技術(shù)的主導(dǎo)國家。

基于模糊控制的發(fā)展可分為三個階段。

● 1965年~1974年為模糊控制發(fā)展的第一階段，即模糊數(shù)學(xué)發(fā)展和形成階段。

● 1975年~1979年為模糊控制發(fā)展的第二階段，產(chǎn)生了簡單的模糊控制器。

● 1980年至今為模糊控制發(fā)展的第三階段，即高性能模糊控制階段。

模糊邏輯控制器的設(shè)計不依靠被控對象的模型，但它卻非常依靠控制專家或操作者的經(jīng)驗知識。模糊邏輯控制的突出優(yōu)點是能夠比較容易地將人的控制經(jīng)驗融入控制器，但若缺乏這樣的控制經(jīng)驗，就很難設(shè)計出高水平的模糊控制器。

采用模糊系統(tǒng)可充分逼近任意復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，基于模糊系統(tǒng)逼近的自適應(yīng)模糊控制是其更高形式。

（2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入控制領(lǐng)域就形成了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是從機理上對人腦生理系統(tǒng)進行簡單結(jié)構(gòu)模擬的一種新興智能控制方法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有并行機制、模式識別、記憶和自學(xué)習(xí)能力，它能夠?qū)W習(xí)與適應(yīng)不確定系統(tǒng)的動態(tài)特性，有很強的魯棒性和容錯性等。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可充分逼近任意復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是其更高形式。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制在控制領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

（3）智能搜索算法

智能搜索算法是人工智能的一個重要分支。隨著優(yōu)化理論的發(fā)展，智能算法得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，成為一種解決搜索問題的新方法，如遺傳算法、粒子群算法和差分進化算法等。這些優(yōu)化算法都是通過模擬自然現(xiàn)象和過程來實現(xiàn)的，其高效性和機制的獨特性為具體搜索問題提供了切實可行的解決方案。

3.智能控制的特點

（1）學(xué)習(xí)功能

智能控制器能通過從外界環(huán)境所獲得的信息進行學(xué)習(xí)，不斷積累知識，使系統(tǒng)的控制性能得到改善。

（2）適應(yīng)功能

智能控制器具有從輸入到輸出的映射關(guān)系，可實現(xiàn)不依賴于模型的自適應(yīng)控制，當(dāng)系統(tǒng)某一部分出現(xiàn)故障時，也能進行控制。

（3）自組織功能

智能控制器對復(fù)雜的分布式信息具有自組織和協(xié)調(diào)的功能，當(dāng)出現(xiàn)多目標(biāo)沖突時，它可以在任務(wù)要求的范圍內(nèi)自行決策，主動采取行動。

（4）優(yōu)化能力

智能控制能夠通過不斷優(yōu)化控制參數(shù)和尋找控制器的最佳結(jié)構(gòu)形式，來獲得整體最優(yōu)的控制性能。

4.智能控制的應(yīng)用

作為控制方法發(fā)展的高級階段，智能控制主要解決那些傳統(tǒng)控制方法難以解決的復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題，其中包括智能機器人、計算機集成制造系統(tǒng)、工業(yè)過程、航空航天、社會經(jīng)濟管理系統(tǒng)、交通運輸系統(tǒng)、環(huán)保和能源系統(tǒng)等的控制。

下面以智能控制在機器人控制和（工業(yè)）過程控制中的應(yīng)用為例進行說明。

（1）在運動控制中的應(yīng)用

智能機器人是目前機器人研究中的熱門課題。E.H.Mamdani于20世紀80年代初首次將模糊控制應(yīng)用于一臺實際機器人的操作臂控制。J.S.Albus于1975年提出小腦模型關(guān)節(jié)控制器（Cerebellar Model Articulation Controller，CMAC），它是仿照小腦控制肢體運動的原理而建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。采用CMAC可實現(xiàn)機器人的關(guān)節(jié)控制，這是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在機器人控制中的一個典型應(yīng)用。

飛行器是非線性、多變量和具有不確定性的復(fù)雜對象，是智能控制發(fā)揮自身潛力的重要領(lǐng)域。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對非線性函數(shù)的逼近能力和自學(xué)習(xí)能力可以設(shè)計飛行器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法。例如，利用反演控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的非線性自適應(yīng)方法可實現(xiàn)飛行系統(tǒng)的縱向和橫側(cè)向通道控制器設(shè)計。

（2）在過程控制中的應(yīng)用

過程控制是指對化工、電力、冶金、輕工、紡織、制藥和建材等工業(yè)生產(chǎn)過程的自動控制，它是自動化技術(shù)中一個極其重要的方面。智能控制在過程控制中具有廣泛應(yīng)用。在石油化工方面，1994年美國的Gensym公司和Neuralware公司共同將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于煉油廠的非線性工藝過程；在冶金方面，日本的新日鐵公司于1990年將專家控制系統(tǒng)應(yīng)用于軋鋼生產(chǎn)過程；另外，日本的三菱化學(xué)合成公司研制出了用于乙烯工程的模糊控制系統(tǒng)。

將智能控制應(yīng)用于過程控制領(lǐng)域，是控制理論發(fā)展的新方向。