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文檔簡介
1、一、綜述題:智能控制理論綜述摘要:介紹了智能控制的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀,智能控制與傳統(tǒng)控制的比較,智能 控制的主要方法與當(dāng)前的研究熱點,智能控制系統(tǒng)的定義及其實現(xiàn)智能控制系統(tǒng) 的計算機輔助設(shè)計語言,智能控制在火電廠的應(yīng)用,今后智能控制需要加強的研 究工作。關(guān)鍵詞:智能控制;智能控制系統(tǒng);傳統(tǒng)控制;MatLabAn overview to intelligent controlAbstract:The history and status quo of intelligent control are introduced. A comparison between intelligent contro
2、l and conventional control is discussed. The main methods, the current hot study point and the prospect of intelligent control are included. A defination of intelligent control system and the Computer Aided Control System Design Language to realize it are given, and the applications in fossil power
3、plants are summarized. At last, the work that should be noticed and studied is pointed out.Key words: intelligent control; intelligent control system; conventional control; MatLab引言智能控制是自動控制發(fā)展的高級階段,是人工智能控制論、信息論、系統(tǒng)論、 仿生學(xué)、進(jìn)化計算和計算機等多種學(xué)科的高度綜合與集成,是一門新興的邊緣交 叉學(xué)科智能控制是當(dāng)今國內(nèi)外自動化學(xué)科中的一個十分活躍和具有挑戰(zhàn)性的領(lǐng) 域,代表著當(dāng)今科學(xué)和技術(shù)發(fā)
4、展的最新方向之一它不僅包含了自動控制人工智能 系統(tǒng)理論和計算機科學(xué)的內(nèi)容,而且還從生物學(xué)等學(xué)科汲取豐富的營養(yǎng),正在成 為自動化領(lǐng)域中最興旺和發(fā)展最迅速的一個分支學(xué)科。1、智能控制的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀從經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論發(fā)展到今天的智能控制理論,經(jīng)歷了很長的 一段時間,大致可以分為三個階段。第一階段為“經(jīng)典控制理論”時期(1965年以前)20世紀(jì)40-50年代基于 傳遞函數(shù)建立起來的如頻率特性、根軌跡等等圖解解析設(shè)計方法,對于單輸入- 單輸出系統(tǒng)極為有效,至今仍在廣泛地應(yīng)用。但傳遞函數(shù)對處于系統(tǒng)內(nèi)部的變量 不便描述,對某些內(nèi)部變量還不能描述,且忽略了初始條件的影響。故傳遞函數(shù) 描述不能包含系
5、統(tǒng)的所有信息。第二階段為“現(xiàn)代控制理論”時期(1965-1979),主要研究具有高性能、高 精度的多變量(多輸入-多輸出)參數(shù)系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題,采用的方法包括狀態(tài) 空間法、Kalman濾波理論、Belman動態(tài)規(guī)劃方法和Pontryagin極大值原理等。 現(xiàn)代控制理論可以解決多輸入多輸出問題,系統(tǒng)可以是現(xiàn)行定長的,也可以是非 線性時變的,但其局限性在于必須預(yù)先知道被控對象或過程的數(shù)學(xué)模型。第三階段為“智能控制”時期(1980年至今),是在經(jīng)典和現(xiàn)代控制理論基 礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展和提高的。智能控制的提出,一方面是實現(xiàn)大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)控制 的需要;另一方面是現(xiàn)代計算機技術(shù)、人工智能和微電子學(xué)等學(xué)科的高
6、度發(fā)展, 給智能控制提供了實現(xiàn)的基礎(chǔ)。智能控制提供了一種新的控制方法,基本解決了 非線性、大時滯、變結(jié)構(gòu)、無精確數(shù)學(xué)模型對象的控制問題。1987年1月,第 一次國際智能控制大會在美國舉行,標(biāo)志著智能控制領(lǐng)域的形成。80年代為智 能控制的迅速發(fā)展期,智能控制的研究機應(yīng)用領(lǐng)域逐步擴大并取得了一批應(yīng)用成 果。1992年至今為智能控制的嶄新階段。隨著對象規(guī)模的擴大和過程復(fù)雜行的 加大,形成了智能控制的多元論,而且在應(yīng)用實踐方面取得了突破性的進(jìn)展,應(yīng) 用對象也更加廣泛。2、智能控制的定義智能控制已經(jīng)出現(xiàn)了相當(dāng)長的一段時間,并且已取得了一定的應(yīng)用成果,但 究竟什么是“智能”,什么是“智能控制”至今沒有統(tǒng)一
7、的明確定義。下面給出 的是最讓大家接受的定義。2從信息的角度來看,所謂智能,可具體地定義為: 能有效地獲取、傳遞、處理、再生和利用信息,從而在任意給定的環(huán)境下成功地 達(dá)到預(yù)定目的的能力。可以看出,智能的核心是一種思維的活動。所謂智能控制就是應(yīng)用人工智能的理論與技術(shù)和運籌學(xué)的優(yōu)化方法,并將其 同控制理論方法與技術(shù)相結(jié)合,在未知環(huán)境下,仿效人的智能,實現(xiàn)對系統(tǒng)的控 制。這里所指的環(huán)境是指廣義的被控對象或過程及其外界條件?;蛘哒f,智能控 制是一類無需(或僅需盡可能少的)人的干預(yù)就能夠獨立地驅(qū)動智能機器實現(xiàn)其 目標(biāo)的自動控制5。3智能控制與傳統(tǒng)控制的比較傳統(tǒng)控制器都是基于系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立的,因此,控
8、制系統(tǒng)的性能好壞很 大程度上都取決于模型的精確性,這是傳統(tǒng)控制的本質(zhì),也是傳統(tǒng)控制的缺點。 下面分別分析經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論面臨的問題,再著重比較智能控制理 論與它們的差別。3.1傳統(tǒng)控制理論面臨的問題:難以建立精確的數(shù)學(xué)模型:經(jīng)典控制理論的思想是建立在精確地數(shù)學(xué)模 型基礎(chǔ)上的,但是對實際應(yīng)用中的非線性、時變行和不確定性的系統(tǒng),一般無法 獲得精確的數(shù)學(xué)模型??刂品椒ê褪侄蔚膯我恍裕焊鶕?jù)現(xiàn)有的理論和技術(shù)描述復(fù)雜的控制過程 通常會出現(xiàn)片面性、單一性,建立的模型有可能與實際過程相差甚遠(yuǎn)。傳統(tǒng)的控 制對象往往局限于單一的、有確定的物理規(guī)律的系統(tǒng);對于復(fù)合型系統(tǒng),傳統(tǒng)的 通知方法就顯得力不從心了。
9、無法滿足控制性能的高要求:控制系統(tǒng)的性能可以用穩(wěn)、準(zhǔn)、快三個字 來描述。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)為了提高系統(tǒng)性能,可能變得相當(dāng)復(fù)雜,從而使得系統(tǒng)的 可靠性與其它系統(tǒng)成為不可調(diào)和的矛盾。3.2現(xiàn)代控制理論面臨的問題:控制對象所處的環(huán)境的變化隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)普及與發(fā)展,基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制受到人們的關(guān)注。在 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,存在數(shù)據(jù)的丟失、數(shù)據(jù)時序的變化、數(shù)據(jù)的非等間隔采樣以及延時 等等,都會使得網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變得十分復(fù)雜和困難,同時,網(wǎng)絡(luò)自身的安全和控制都 是一個十分重要和棘手的問題?,F(xiàn)代控制理論的思想也是建立在精確地數(shù)學(xué)模型之上的,由于復(fù)雜系統(tǒng) 的建模、穩(wěn)定性與系統(tǒng)設(shè)計缺乏理論支撐和指導(dǎo),有必要綜合應(yīng)用其它學(xué)科來建
10、 立一個解決復(fù)雜性問題的完整理論7。3.3智能控制與傳統(tǒng)控制的比較:智能控制與傳統(tǒng)控制在理論基礎(chǔ)、實現(xiàn)方法和系統(tǒng)規(guī)模上有著本質(zhì)的區(qū)別, 但它們也不是互相排斥的。通常情況下,傳統(tǒng)控制往往包含在智能控制之中,用 來解決系統(tǒng)底層(執(zhí)行層)的控制問題,而在系統(tǒng)的中層(協(xié)調(diào)層)和高層(決策 層)則采用智能控制,這樣既能提高系統(tǒng)的智能化程度,又能保證系統(tǒng)的控制精 度,同時使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加合理,達(dá)到互補的效果??刂七^程是對知識的獲取、描 述、加工和執(zhí)行的全過程89。表1對智能控制和傳統(tǒng)控制在知識的獲取、描 述、加工、運用各個環(huán)節(jié)進(jìn)行了全面的比較10。3.4智能控制的主要方法與當(dāng)前的研究熱點智能控制已不是一個學(xué)
11、科所能獨自完成得了的,應(yīng)結(jié)合多種學(xué)科知識來解決 復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題,這一點已得到專家的共識11。基于這種認(rèn)識,人們將各 種學(xué)科大膽地應(yīng)用于控制中引出了許多新理論和新方法。分析當(dāng)前國際最新智能 控制方法及應(yīng)用的狀況和發(fā)展趨勢,智能控制的主要方法有:模糊控制;神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制;專家控制;分級遞階智能控制;擬人智能控制等。當(dāng)前的研 究熱點:組合智能控制方法,即將智能控制和傳統(tǒng)控制有機地結(jié)合起來而形成 的控制方法;集成智能控制,即將幾種智能控制方法或機理融合在一起而構(gòu)成 的智能控制方法;混沌控制。4.1分層遞階控制分層遞階智能控制實在研究早期學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,并從工程控制輪的 角度總結(jié)人工智能與自適
12、應(yīng)、自學(xué)習(xí)和自組織控制的關(guān)系后逐漸形成的,是智能 控制的最早理論之一。三層分級地界智能控制系統(tǒng)是由G.N.Saridis于1977年 提出的,該系統(tǒng)由組織級、協(xié)調(diào)級和執(zhí)行級組成,并遵循“精度遞增伴隨智能遞 減”的原則。其中組織級期主導(dǎo)作用,涉及知識的表示與處理,主要應(yīng)用人工智 能;協(xié)調(diào)級在組織級和執(zhí)行級間期連接作用,涉及決策方式及其表示,采用人工 智能及運籌學(xué)實現(xiàn)控制;執(zhí)行級是底層,具有很高的控制精度,采用常規(guī)自動控 制12。模糊控制 FC-Fuzzy Control模糊控制主要研究現(xiàn)實生活中廣泛存在的定性的、模糊的、非精確的信息系 統(tǒng)控制問題13。這方面的工作首先是從Zadeh建立模糊集理論
13、開始的。模糊控 制系統(tǒng)有三個基本組成部分:模糊化、模糊決策、精確化計算。模糊控制的工作 過程簡單地可描述為:首先將信息模糊化,然后經(jīng)模糊推理規(guī)則得到模糊控制輸 出,再將模糊指令進(jìn)行精確化計算最終輸出控制值。模糊控制的特點為:提供了一種實現(xiàn)基于自然語言描述規(guī)則的控制規(guī)律的新機制提供了一種非線性控制器,這種控制器一般用于控制含有不確定性和難 以用傳統(tǒng)非線性理論處理的場合。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 NNC-Neural Networks Control神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是模擬人腦神經(jīng)中樞系統(tǒng)智能活動的一種控制方式。對難以通 過常規(guī)方法進(jìn)行描述的復(fù)雜非線性對象進(jìn)行建模,或充當(dāng)控制器,或信息處理, 或模式識別,或故障診斷
14、等,或以上幾種功能的組合,這種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的 控制方式即為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制采用仿生學(xué)的觀點對智能系統(tǒng)中的高 級信息處理問題進(jìn)行研究,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的特點為:能充分逼近任意非線性特性;分布式并行處理機制;自學(xué)習(xí)和自 適應(yīng)能力; 數(shù)據(jù)融合能力; 適合于多變量系統(tǒng),可進(jìn)行多變量處理1。專家控制 EC-Expert Control由人工智能領(lǐng)域發(fā)展起來的專家控制是一種基于知識的智能計算機程序的 技術(shù),專家控制的實質(zhì)是基于控制對象和控制規(guī)律的各種知識,并且要以智能的 方式利用這些知識,以求得控制系統(tǒng)盡可能的優(yōu)化和實用化。一般的專家控制系 統(tǒng)由三部分組成,一是控制機制,它決定控制過程的策略,即
15、控制哪一個規(guī)則被 激活以及什么時候被激活等。二是推理機制,它實現(xiàn)知識之間的邏輯推理以及知 識庫的匹配。三是知識庫,包括事實、判斷、規(guī)則、經(jīng)驗以及數(shù)學(xué)模型。專家系 統(tǒng)的混合控制技術(shù)正引起各國專家的關(guān)注,如:神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)、專14 4 家模糊控制等15。專家控制的特點為:具有領(lǐng)域?qū)<壹壍膶I(yè)知識,能進(jìn) 行符號處理和啟發(fā)式推理;具有獲取知識能力,具有靈活性透明性和交互性。4. 5集成智能控制各種智能方法都具有自身明顯的優(yōu)勢和特點,但同時也存在一定的局限性。 近年來,人們普遍認(rèn)為:基于知識和經(jīng)驗的專家系統(tǒng)、基于模糊邏輯推理的模糊 控制、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法的交叉與融合,相互取長補短、
16、優(yōu)勢互補、有機結(jié)合是當(dāng)今智能控制的研究熱點之一。近年來集成智能控制方法 及其在控制中應(yīng)用的研究非?;钴S,取得17-19了令人鼓舞的成果,并形成 了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家模糊控制等多個方向。目前,智能集成控制還處于初 級研究階段,由于各種智能控制方法本身的理論還不完善,客觀上制約了集成智 能控制理論的發(fā)展2016。5智能控制系統(tǒng)的定義由于智能控制系統(tǒng)尚處在發(fā)展階段,關(guān)于什么是智能控制系統(tǒng)目前還沒有非 常明確一致的定義。但可以這樣說,智能控制系統(tǒng)是實現(xiàn)某種控制任務(wù)的一種智 能系統(tǒng)。所謂智能系統(tǒng)是指具備一定智能行為的系統(tǒng)。具體的說,若對于一個問 題的激勵輸入,系統(tǒng)具備一定的智能行為,它能夠產(chǎn)生合適的
17、求解問題的響應(yīng), 這樣的系統(tǒng)就稱為智能系統(tǒng)13。智能控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)有六部分組成,包括 執(zhí)行器、傳感器、感知信息處理、規(guī)劃與控制、認(rèn)知和通信接口。且智能控制系 統(tǒng)應(yīng)具備以下特點:智能控制系統(tǒng)一般具有以知識表示的非數(shù)學(xué)廣義模型和 以數(shù)學(xué)模型表示的混合控制過程。它適用于含有復(fù)雜性、不完全性、模糊性、不 確定性和不存在已知算法的生產(chǎn)過程。智能控制器具有分層信息處理和決策 機構(gòu),它實際上是對人神經(jīng)結(jié)構(gòu)和專家決策機構(gòu)的一種模仿。智能控制器具 有非線性和變結(jié)構(gòu)特點。智能控制器具有多目標(biāo)優(yōu)化能力。智能控制器能 夠在復(fù)雜環(huán)境下學(xué)習(xí)。目前智能控制系統(tǒng)主要包括模糊控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、自學(xué)習(xí)控制 和專家控
18、制系統(tǒng)、自適應(yīng)控制系統(tǒng)等21。6實現(xiàn)智能控制系統(tǒng)的計算機輔助設(shè)計語言隨著控制理論的迅速發(fā)展,控制效果要求越來越高,控制算法越來越復(fù)雜, 控制器的設(shè)計也越來越困難,這樣,以往常用的紙筆和計算器等簡單的運算工 具難以達(dá)到預(yù)期的效果,于是控制系統(tǒng)的計算機輔助設(shè)計(Computer_Aided Control System Design,簡稱為CACSD)受到了控制界的普遍重視。然而,使用 一般的計算機編程語言,在編制與調(diào)試程序時,既要花費很多時間,又很難得到 滿意效果,特別是對于初學(xué)者和一般的工程技術(shù)人員,這項工作更加困難,在許 多情況下,難以判斷編制程序的正確性與系統(tǒng)響應(yīng)結(jié)果的正確程度 22。.
19、MATLAB軟件的誕生,使控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計問題變得簡單了。由于該軟件具 有容易使用、矩陣運算功能強和豐富的控制理論與CAD應(yīng)用工具箱等特點,現(xiàn) 在,MATLAB已經(jīng)風(fēng)靡了全世界,成為控制系統(tǒng)仿真與計算機輔助設(shè)計領(lǐng)域最普 及也是最受歡迎的首選計算機輔助設(shè)計語言,且目前已經(jīng)成為控制界國際上最流 行的軟件,它除了傳統(tǒng)的交互式編程之外,還提供了豐富可靠的矩陣運算、圖形 繪制、數(shù)據(jù)處理、圖像處理、方便的Windows編程等便利工具。此外,控制界很多學(xué)者將自己擅長的CAD方法用MATLAB加以實現(xiàn),出現(xiàn) 了大量的MATLAB配套工具箱。如控制界最流行的控制系統(tǒng)工具箱、系統(tǒng)辨識工 具箱、魯棒控制工具箱、
20、多變量頻域設(shè)計工具箱、P分析與綜合工具箱、神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)工具箱、最優(yōu)化工具箱、信號處理工具箱、以及仿真環(huán)境Simulink23。7智能控制在火電廠的應(yīng)用盡管智能控制理論和技術(shù)發(fā)展的歷史不長,但是其卓越的性能誘導(dǎo)人們在各 方面進(jìn)行了許多應(yīng)用嘗試,并且取得了卓有實效的成果。24-26&在工業(yè)過 程控制中的應(yīng)用。在石油、化工和冶金方面有許多應(yīng)用實例,并且多有報道,這 里不再重述。智能控制在火電廠的熱工自動化中已開始應(yīng)用,并且收到了良好的 效果。如:在200MW機組熱工自動化改造中,在直吹式鍋爐主汽壓力控制中采用 模糊控制,較好地解決了主汽壓力被控對象的純遲延和大慣性等難題。在300MW 機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)
21、中,由于對象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型很難確定,因此,采用經(jīng)典和現(xiàn) 代控制理論是很難奏效的。引27入智能控制后,使協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)投入了自動運 行,并且受到了較好的控制效果。在DCS和PLC中應(yīng)用2829。鑒于目前 DCS (分散控制系統(tǒng))和PLC (可編程邏輯控制系統(tǒng))是過程控制的常用產(chǎn)品, 引進(jìn)智能控制能夠增加功能,提高產(chǎn)品的競爭力。不少的儀表制造商看好這一巨 大的市場潛力,爭先恐后在研制帶有智能控制的DCS,如德國西門子公司為其DCS 的現(xiàn)場控制器開發(fā)了模糊控制軟件模塊;日本橫河公司在Centrum XL中也實 現(xiàn)了模糊控制功能。 在故障診斷方面的應(yīng)用30。作為過程自動化的一個重 要方面,生產(chǎn)過程的故障
22、診斷和修復(fù),也用到智能控制技術(shù)。如美國Combustion Engineering Simon公司的IPOM故障診斷系統(tǒng),它由三部分組成:模式識別、 智能顯示、專家系統(tǒng)與DCS數(shù)據(jù)高速公路接口,主要檢測和診斷生產(chǎn)過程中的故 障??傊?,智能控制是自動控制理論的最新進(jìn)展,它表明了一個智能化的工業(yè)時 代已經(jīng)到來,其明顯的標(biāo)志就是智能自動化。8結(jié)束語智能控制出現(xiàn)時間不是很長,但卻取得了可喜的成果和進(jìn)展。然而作為一門 新學(xué)科,無論在理論上還是應(yīng)用上都不夠完善,有待進(jìn)一步研究與發(fā)展。總體來 說,智能控制在以下幾方面要加強研究工作:加強理論研究,尋求更新的理論框架。加強對智能控制學(xué)習(xí)問題的研 究工作。解決知
23、識獲取和優(yōu)化的瓶頸問題,特別是在動態(tài)系統(tǒng)的知識獲取、 分類、表達(dá)、利用及規(guī)劃的相容性和完備性等問題上。 加強各種智能控制方 法結(jié)合。注重技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)行更好的技術(shù)集成,加快研制新型智能控制硬件和 軟件的步伐。加強智能優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展。 擴寬實際應(yīng)用范圍,提高實時 控制能力。參考文獻(xiàn)安寧,邱瑋煒,戚烜.智能控制綜述J.技術(shù)研發(fā),2010,17(5),10-11Kevin M.Passino. Intelligent control: An overview of techniques. the Ohio State University.百度文庫曹敏,徐凌樺,鄭重.智能控制綜述J.四川大學(xué)學(xué)報(自然科
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