智能控制理論與系統(tǒng)應(yīng)用

邢英楠

摘 要：控制理論與社會(huì)生產(chǎn)及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)。計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展又推動(dòng)了控制理論的發(fā)展，計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的有力計(jì)算工具，是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化工程自動(dòng)控制不可缺少的設(shè)備。自動(dòng)控制與計(jì)算機(jī)已經(jīng)滲透到當(dāng)今社會(huì)中的每一個(gè)角落。智能控制屬于當(dāng)代控制理論的范疇，他依據(jù)人的思維方式和處理問題的技巧，解決那些目前需要人的智能才能解決的復(fù)雜的控制問題。

關(guān)鍵詞：智能控制；理論；應(yīng)用

1 智能控制的研究及發(fā)展

智能控制是自動(dòng)控制和人工智能的結(jié)合，研究的主要目標(biāo)不僅僅是被控對(duì)象，同時(shí)也包括控制器本身?？刂破鞑辉偈菃我坏臄?shù)學(xué)模型，而是數(shù)學(xué)解析和知識(shí)系統(tǒng)相結(jié)合的廣義模型，是多種知識(shí)混合的控制系統(tǒng)。智能算法主要分四大類。

1.1 模糊計(jì)算

模糊理論的研究最早始于模糊邏輯數(shù)學(xué)，就是用“不確切”的數(shù)學(xué)量來描述“確切”的事物。模糊數(shù)學(xué)起源于20世紀(jì)60年代。

1.2 神經(jīng)計(jì)算

神經(jīng)計(jì)算就是用數(shù)學(xué)算法來模擬人大腦的生物神經(jīng)系統(tǒng)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制就是利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力、泛化能力、推理能力、信息分布存儲(chǔ)能力及并行處理能力來完成只有用人的智能才能完成的控制。起源于20世紀(jì)40年代。

1.3 群體智能計(jì)算

群體智能就是在這個(gè)物質(zhì)世界中，只有某一類生物的群體才表現(xiàn)出來的智能。例如遺傳算法、粒子群算法等。起源于20世紀(jì)60年代。

1.4 專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)是研究如何利用一個(gè)具有大量專門知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)，能夠以人類專家的水平完成某一專業(yè)領(lǐng)域比較困難的

任務(wù)。

2 智能控制的優(yōu)化及建模

2.1 智能優(yōu)化的三個(gè)常用方法

1）遺傳優(yōu)化算法。遺傳算法來源于對(duì)生物進(jìn)化過程的模擬，它根據(jù)“優(yōu)勢(shì)劣汰”原則，將問題的求解表示成染色體的適者生存過程。染色體通過交叉和變異等操作一代代地進(jìn)化，最終收斂到最適應(yīng)環(huán)境的個(gè)體，即問題的最優(yōu)解或滿意解。相對(duì)于傳統(tǒng)的優(yōu)化方法，遺傳算法具有一些顯著的優(yōu)點(diǎn)。該算法允許所求解的問題是非線性的、不連續(xù)的以及多極值的。并能從整個(gè)可行解空間尋找全局最優(yōu)解和次優(yōu)解，避免只得到局部最優(yōu)解。

2）蟻群優(yōu)化算法。蟻群算法是受自然界中螞蚊搜索食物行為的啟發(fā)而提出的一種隨機(jī)優(yōu)化算法，單個(gè)螞蟻是脆弱的，而蟻群的群居生活卻能完成許多單個(gè)個(gè)體無法承擔(dān)的工作，螞蚊間借助于信息索這種化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行信息的交流和傳遞，并表現(xiàn)出正反饋觀象，某段路徑上經(jīng)過的螞蟻越多，該路段被重復(fù)選址的概率就越高。

3）粒子群優(yōu)化算法。粒子群算法來源于對(duì)鳥群優(yōu)美而不可測(cè)的飛行動(dòng)作的模擬，粒子的飛行速度動(dòng)態(tài)地隨著粒子自身和同伴的歷史飛行行為改變而改變。它沒有遺傳算法的交叉、變異等操作，而是讓粒子在解空間追隨最優(yōu)的粒子進(jìn)行捜索，同遺傳算法比較，其優(yōu)勢(shì)在于算法簡(jiǎn)單、在計(jì)算機(jī)上容易實(shí)現(xiàn)，并且待調(diào)整的參數(shù)較少。

2.2 智能建模理論與方法

1）機(jī)理建模。機(jī)理建模就是當(dāng)我們要求系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型時(shí)，需要知道系統(tǒng)本身的許多細(xì)節(jié)，比如這個(gè)系統(tǒng)由幾個(gè)部分組成，相互之間怎樣鏈接和怎樣影響等，只有對(duì)系統(tǒng)的機(jī)理有了詳細(xì)的了解之后，才可能得到描述該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。機(jī)理建模優(yōu)點(diǎn)是它具有比較嚴(yán)密的理論依據(jù)，在任何狀態(tài)下使用都不會(huì)引起定性的錯(cuò)誤，其缺點(diǎn)是它沒有一個(gè)普適的方法，要視所要求解的問題，根據(jù)物理意義來進(jìn)行

求解。

2）試驗(yàn)建模。試驗(yàn)建模是針對(duì)一個(gè)系統(tǒng)加入不同的輸入信號(hào)，觀察其輸出。根據(jù)所記錄的輸入、輸出信號(hào)，估計(jì)出表達(dá)這個(gè)系統(tǒng)的輸入與輸出關(guān)系的一個(gè)或幾個(gè)數(shù)學(xué)表達(dá)式的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。用試驗(yàn)法建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。其中以時(shí)域法應(yīng)用最為廣泛，也是目前工程實(shí)際中應(yīng)用最多的方法。

3 智能控制的應(yīng)用

智能控制領(lǐng)域主要應(yīng)用在系統(tǒng)建模、優(yōu)化和控制三個(gè)方面，在工程中應(yīng)用最早的是模糊控制。模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合或加入專家知識(shí)構(gòu)成模糊神經(jīng)控制系統(tǒng)，都取得了成功的應(yīng)用，比如機(jī)器人智能控制、機(jī)械制造中的智能控制、工業(yè)過程中的智能控制等。

3.1 智能機(jī)器人

智能機(jī)器人一直是智能控制的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。尤其是智能機(jī)器人的長(zhǎng)足發(fā)展，使得新型智能控制技術(shù)滲透到機(jī)器人學(xué)研究的各個(gè)方面。采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制和專家系統(tǒng)技術(shù)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行定位、環(huán)境建模、檢測(cè)、控制和規(guī)劃的研究已經(jīng)日趨成熟，并在多個(gè)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中得到驗(yàn)證。智能控制技術(shù)也應(yīng)用于機(jī)器人傳感器信息融合和視覺處理方面。遺傳算法和進(jìn)化計(jì)算為機(jī)器人系統(tǒng)帶來了新型的優(yōu)化編程和控制技術(shù)。

3.2 機(jī)械制造中的智能控制

工業(yè)制造業(yè)涉及一系列相關(guān)的操作和行為，包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、材料選擇、工藝流程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程、檢測(cè)過程、管理以及產(chǎn)品的銷售。智能控制隨之也被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械制造行業(yè)。例如，模糊控制在焊接過程中用于焊縫跟蹤、焊接質(zhì)量及控制焊接設(shè)備，汽車工業(yè)的模糊控制變速發(fā)動(dòng)機(jī)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)懸架控制系統(tǒng)，轎車中央智能控制系統(tǒng)，食品擠出機(jī)模糊控制系統(tǒng)，數(shù)控銑床的智能控制系統(tǒng)等等。

3.3 電力系統(tǒng)的智能控制

智能控制近年來在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。如發(fā)電機(jī)、變壓器、電動(dòng)機(jī)等電機(jī)電器設(shè)備的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)行、控制是一個(gè)復(fù)雜的過程，國(guó)內(nèi)外的電氣工作者將人工智能技術(shù)引入到電氣設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)、故障診斷及控制中，取得了良好的控制效果。遺傳算法是一種先進(jìn)的優(yōu)化算法，采用此方法來對(duì)電器設(shè)備的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，可以降低成本，縮短計(jì)算時(shí)間，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。

3.4 工業(yè)過程中的智能控制

在化工、冶煉等工業(yè)連續(xù)生產(chǎn)線上，由于反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜、關(guān)聯(lián)耦合嚴(yán)重、環(huán)境干擾不確定、要求與約束多樣等原因，需要運(yùn)用智能控制模式。生產(chǎn)過程的智能控制主要包括局部級(jí)和全局級(jí)兩個(gè)方面。局部級(jí)的智能控制是指將智能引入工藝過程中的某一單元進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)，例如專家控制器、智能PID控制器等。全局級(jí)的智能控制主要針對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化，包括整個(gè)操作工藝的控制、過程的故障診斷、規(guī)劃過程操作處理異常等。

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