淺談智能控制技術(shù)

(陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，建筑與熱能工程學(xué)院 陜西 西安 710302)

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淺談智能控制技術(shù)

曹振華

(陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，建筑與熱能工程學(xué)院陜西西安710302)

本文簡(jiǎn)單介紹了智能控制技術(shù)的定義、特點(diǎn)、功能特征和分類，并展望了其未來(lái)的發(fā)展前景。

智能控制技術(shù)；特點(diǎn)；分類；發(fā)展前景

一、引言

當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的重大變革和發(fā)展，已突破舊的自動(dòng)控制系統(tǒng)框架向復(fù)雜的自動(dòng)控制系統(tǒng)框架發(fā)展。這些復(fù)雜的自動(dòng)控制系統(tǒng)憑單一控制模式，僅采用數(shù)學(xué)工具或計(jì)算機(jī)仿真都難以解決。人們?cè)谏a(chǎn)實(shí)踐中看到，許多復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程難以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)控制，可是熟練的操作工、技術(shù)人員或?qū)＜覅s操作自如，可以獲得較滿意的控制效果。而這些熟練的操作工、技術(shù)人員或?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)知識(shí)若能和控制理論結(jié)合，把它作為控制理論解決復(fù)雜生產(chǎn)過(guò)程的一個(gè)補(bǔ)充手段，那將使控制理論解決復(fù)雜生產(chǎn)過(guò)程的一個(gè)補(bǔ)充手段，那將使控制理論解決復(fù)雜生產(chǎn)過(guò)程有一個(gè)突破性進(jìn)展。事實(shí)上，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展為其提供一個(gè)有效的工具。計(jì)算機(jī)在處理圖像、符號(hào)邏輯、模糊信息、知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)等方面的功能，完全可以承擔(dān)起將熟練的操作工、技術(shù)人員和專家的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)、操作方法等付諸對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的操作和控制，使之達(dá)到或者超過(guò)人的操作水平。這相當(dāng)于人的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)直接參與生產(chǎn)過(guò)程的控制，這樣的自動(dòng)控制系統(tǒng)就是智能控制系統(tǒng)。

二、智能控制的概念、特點(diǎn)及其功能特征

(一)智能控制的概念

智能控制自20世紀(jì)70年代初由美國(guó)普渡大學(xué)電氣工程系的美籍華人傅京孫(K.S.Fu)教授提出以后，一直是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)中一個(gè)十分活躍和具有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域。目前，有關(guān)智能控制的定義、理論、結(jié)構(gòu)等尚無(wú)統(tǒng)一的系統(tǒng)描述。按照傅京孫(K.S.Fu)提出的觀點(diǎn)，可以把智能控制看作是人工智能、自動(dòng)控制和運(yùn)籌學(xué)三個(gè)主要學(xué)科相結(jié)合的產(chǎn)物。智能控制是控制理論發(fā)展的高級(jí)階段，主要用來(lái)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(wèn)題[1]。

(二)智能控制的特點(diǎn)

與常規(guī)控制相比較，智能控制具有以下特點(diǎn)[1]：

1.不確定性的模型。傳統(tǒng)的控制方式是基于被控對(duì)象精確模型的控制，通常認(rèn)為模型已知或經(jīng)過(guò)辨識(shí)可以得到，且采用固定的控制算法，使整個(gè)控制系統(tǒng)置于模型框架下，缺乏靈活性和應(yīng)變能力，因而很難勝任對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的控制。而智能控制的對(duì)象其模型未知或知之甚少，模型結(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。傳統(tǒng)的控制適于解決線性、時(shí)不變等相對(duì)簡(jiǎn)單對(duì)象的控制問(wèn)題。這些問(wèn)題用智能的方法同樣可以解決，智能控制是對(duì)傳統(tǒng)控制理論的發(fā)展，他可以較好的解決非線性系統(tǒng)的控制問(wèn)題。

3.復(fù)雜的任務(wù)要求。在傳統(tǒng)的控制中，控制任務(wù)的要求比較單一，即或者要求輸出為定值，或者要求輸出量跟隨期望的運(yùn)動(dòng)軌跡；智能控制系統(tǒng)對(duì)任務(wù)要求比較復(fù)雜。例如，在智能機(jī)器人系統(tǒng)中，要求系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜的任務(wù)具有自行規(guī)劃和決策的能力，有自動(dòng)躲避障礙物運(yùn)動(dòng)到期望目標(biāo)位置的能力等。

(三)智能控制的功能特征

一個(gè)理想的智能控制系統(tǒng)應(yīng)具備以下性能：

1.學(xué)習(xí)功能。系統(tǒng)應(yīng)具有一個(gè)對(duì)未知環(huán)境提供的信息進(jìn)行識(shí)別、記憶、學(xué)習(xí)，并利用積累的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)一步改善自身性能的能力，即在經(jīng)歷某種變化之后，變化后的系統(tǒng)性能應(yīng)優(yōu)于變化前的系統(tǒng)性能，這種功能類似人的學(xué)習(xí)過(guò)程。

2.適應(yīng)功能。系統(tǒng)應(yīng)具有適應(yīng)受控對(duì)象動(dòng)力學(xué)特征變化、環(huán)境變化和運(yùn)行條件變化的能力。

3.容錯(cuò)功能。系統(tǒng)對(duì)各類故障應(yīng)具有自診斷、屏蔽和自恢復(fù)的功能。

4.魯棒性。系統(tǒng)性能對(duì)環(huán)境干擾和不確定性因素不敏感。

5.組織功能。對(duì)于復(fù)雜任務(wù)和分散的傳感信息具有自行組織和協(xié)調(diào)的功能。

三、智能控制的分類

智能控制有各種形式和各種不同的應(yīng)用領(lǐng)域，大致可以分為以下幾類[2]：

(一)分級(jí)遞階智能控制

分級(jí)遞階智能控制是在研究早期學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，從工程控制理論角度總結(jié)人工智能與自適應(yīng)，自學(xué)習(xí)和自組織控制的關(guān)系之后而逐漸形成的，是智能控制的最早理論之一。

(二)專家控制

專家控制是將專家系統(tǒng)的理論與技術(shù)同控制理論方法與技術(shù)相結(jié)合，在未知環(huán)境下，仿效專家的智能，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。

(三)模糊控制

模糊控制是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制，是一種逐步大量應(yīng)用的能夠提高工業(yè)自動(dòng)化能力的控制技術(shù)。

(四)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是在控制系統(tǒng)中采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這一工具，對(duì)難以精確描述的復(fù)雜的非線性對(duì)象進(jìn)行建模，或充當(dāng)控制器、或優(yōu)化計(jì)算、或進(jìn)行推理、或故障診斷等，以及同時(shí)兼有上述某些功能的適當(dāng)組合。

(五)基于規(guī)則的仿人智能控制

仿人工智能控制的基本思想是在控制過(guò)程中利用計(jì)算機(jī)模擬人的控制行為功能，最大限度地識(shí)別和利用控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程所提供的特征信息，進(jìn)行啟發(fā)和直覺(jué)推理，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)缺乏精確模型的對(duì)象進(jìn)行有效的控制。

(六)集成智能控制

有幾種智能控制方法或機(jī)理融合在一起而構(gòu)成的智能控制系統(tǒng)。

(七)組合智能控制

組合智能控制目標(biāo)是將智能控制與常規(guī)控制模式有機(jī)地組合起來(lái)，以便去長(zhǎng)補(bǔ)短，獲得互補(bǔ)特性，提高整體優(yōu)勢(shì)，以期獲得人工智能和控制理論高度緊密結(jié)合的智能控制系統(tǒng)。

四、發(fā)展前景

智能控制技術(shù)主要是針對(duì)控制對(duì)象及其環(huán)境、目標(biāo)和任務(wù)的不確定性和復(fù)雜性而提出來(lái)的。一方面，這是由于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)控制的需要，是控制理論發(fā)展之必然；另一方面，也是由于人工智能、現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子學(xué)等學(xué)科的高速發(fā)展，使控制的技術(shù)工具發(fā)生了革命性的變化。

無(wú)論是智能控制的產(chǎn)生和形成初期，啟發(fā)式程序、專家系統(tǒng)等以符號(hào)主義學(xué)派為主流的人工智能思想的促進(jìn)作用，而導(dǎo)致以學(xué)習(xí)控制、專家控制為標(biāo)志的智能控制的體系結(jié)構(gòu)和基本技術(shù)的形成；還是應(yīng)用模糊集理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能技術(shù)形成的智能控制理論和方法，他們都與人工智能的發(fā)展密切相關(guān)。可以說(shuō)，人類以開(kāi)始進(jìn)入智能化的工業(yè)時(shí)代，這一時(shí)代的明顯標(biāo)志就是智能自動(dòng)化，而作為智能自動(dòng)化基礎(chǔ)的人工智能和智能控制的應(yīng)運(yùn)而生與快速發(fā)展則是歷史的必然。

[1]劉金琨.智能控制[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.7.

[2]李世勇.模糊控制、神經(jīng)控制和智能控制論[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1998.

陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院自然科學(xué)類研究項(xiàng)目《基于MATLAB仿真的中央空調(diào)控制系統(tǒng)的研究》成果之一。(項(xiàng)目編號(hào)：Gfy16-40)

曹振華(1978-)，男，陜西蒲城人，副教授，碩士，主要研究方向?yàn)榕照{(diào)。