智能控制系统及其应用+2

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本书作者具有20多年行有关智能控制理论及其应用的经历，并在中国科学技术大学自动化系教授20年的“智能系统”的课程。本书是在作为“智能系统”课程，2013年出版的教材《智能控制系统及其应用》基础上，增加补充新的研究成果而成的要内括：人工神经网络、模糊逻辑系统、模糊神经网络化算法及其应用，以及深度学网络与应用5大部分，其中第5部分是这次修订版增添的内容。作者在介绍神经网络理论与模糊集合理论的基础上，对人工神经网络与模糊逻辑控制系统的设计及其应用，以及两者之间的相互关系和相互结合行了较深层次上的理论分析与综合，并结化算法在控制中的建模与控制的各种实际应用，使读者能够从中了解和掌握运用模糊神经系统的理论与技行实际的系统设计和灵活应用的方法。通过介年来有关深度学网络与应用，使得读者能够更加深入地了解和应用好人工神经网络。本书选材新颖，材料实，系通强，通俗易懂。既有理论分析与综合，又有实际系统的设计与应用。

摘要与插图

自从美国科学家维纳（Wiener）于20世纪40年代创立“控制论”以来，控制科学已经经历了经典控制理论和现代控制理论两个阶段。随着控制科学的不断发展，人们对控制系统能的要求也不断提高。在处理复杂系统控制问题时，面对控制系统的复杂、不确定、突变所带来的问题，国内外控制科学界一直都在探索新的控制理论，逐步形成了智能控制理论。为了适应不同技术领域和社会发展对控制科学提出的新要求，越来越多的学者意识到在传统控制中加入逻辑、推理和启发式知识的重要，把传统控制理论与模糊逻辑、神经网络、遗传算法等人工智能技术相结合，充分利用人的控制知识对复杂系行智能化控制，逐渐形成了智能控制理论较完整的体系。

在讨论智能控制理论之前，有必要对经典控制理论和现代控制理论的内容、特点及其与智能控制理论之间的关系作一了解。

1.pan style="font-family: 宋体;">自动控制系统及其理论的发展历程

现代社会中的各个领域都在广泛地采用自动控制理论与技术，在卫星的运行、导弹的制导和飞机的驾驶中，自动控制系统一直都起着重要的作用。“自动控制”是指采用某种控制装置使机器设备或生产过程自动地按照事先给定或设计出的规律运行，使一个或数个物理量，如电压、电流、速度、温度、流量等，能够在的精度范围内按照给定的规律变化。如果将工作的机器设备称为“被控对象”，将表征其工作状态的物理量称为“被控量”，将给定的规律称为“命令信号（或参考输入）”，则“控制”的任务又可概述为：采用适当的外加控制策略使被控对象的被控量等于参考输入。这个任务如果由人来完成，则称为“人工控制”；如果靠自动装置承担，即在没有人的直接参与下，利用控制装置自动操纵被控对象，使被控量保持恒定或按规律变化，则称为“自动控制”。由自动控制装置与被控对象组成的系统称为“自动控制系统”。自动控制的基本原理是通过在整个控制系统中引入“负反馈”形成“反馈控制系统”来完成系统控制任务的。通常，将系统检测出来的输出信号送回到系统的输入端，并与参考输入信号比较的过程称为“反馈”。若反馈信号与输入信号相减，则为负反馈；若相加，则为正反馈。在反馈控制系统中，如果给定的输入量保持常量或者间缓慢变化，而系统的基本任务是在有扰动的情况下，使实际的输出变量保持期望的数值，这类系统称为“自动调节系统”。如果系统的期望输入是间变化的函数，控制的目标是使系统的输出变量跟踪期望的输入信号，这类系统称为“自动跟踪系统”。事实上，除了反馈控制外，对不同的被控过程的自动控制方式可以是不同的。这种实现自动控制的方式是控制系统的类型。在实际应用中，存在着大量不同的控制方法与系统类型，并且可以通过不同的角度来得到各种不同的分类方法。比如反馈控制系统又称为“闭环控制系统”，这是因为系统的输出信号对控制作用有直接的影响。系统输出量对其控制作用没有影响的系统称为“开环控制系统”。开环控制系统既不需要测量部件（或子系统）对输出行测量，也不需要将它反馈到系统的输入端与输入行比较。因此对应于每一个给定的输入量，系统产生一个输出量与之对应，系统的精度只取决于系统前向通道中控制器的作用。在实际系统中，如果各个部件（或子系统）的输入/输出特都是线的，或可以线化的，这样的系统又称为“线控制系统”。线系统的能可以用线微分方程描述，并可以使用叠加原理。当系统中含有非线特的部件（或子系统）时，所组成的系统则称为“非线控制系统”。非线系统不能采用叠加原理。经典的分析非线系统的工程方法有面法和描述函数法。

经典（又称为古典）控制理论（1935~1950年）的建立过程中有以下的历史事件：1940年，美国的奈奎斯特（Nyquist）提出对系统行分析的频率响应法；美国泰勒（Taylor）仪器公司的（Ziegler）和尼柯尔斯（Nichols）于1942年提出比例-微分-积分（PID）参数的佳调整法；美国麻省理工学院（MIT）的维纳通过研究过程的预测，于1942年提出维纳滤波理论，并于1948年出版《控制论》一书，这标志着控制论学科的诞生；1938年在贝尔（Bell）实验室，在波德（Bode的火炮控制系统研究小组工作的香农（Shannon）提出继电器逻辑自动化理论，随后他于1948年出版专著《通信的数字理论》，奠定了信息论的基础；1948年，美国的艾旺斯（Evansy）提出根轨迹法。这一时期多本有关控制的经典名著相继问世，其括：1942年史密斯（Smith）的《自动控制工程》，1945年波德的《网络分析及反馈放大器》，麦考（MacColl）的《伺服机构的基本理论》，以及1954年钱学森经典控制理论研究的主要对象为线、定常、时不变系统，主要研究单输入/单输出系统的控制问题，它是基于被控系统的数学模型行系统分析、综合及控制器设计的。所以，系统模型的建立或已知是控制器设计的基本的要求或前提。对于一般的线系统，都是根据机理建模，系统的动力学方程为微分方程，通过将系统方程的输出与输入变量之比的拉普拉斯变换所获得的传递函数作为系统的数学模型，将系统的微分方程转换为多项式代数方程，然后对系统的传递函行分析与综合。分析系统的基本方法主要是频率法，其大的特点是不需要求解系统的微分方程可以判断出被控系统的特，如系统的稳定和收敛等，从而形成了一套系统控制理论及其分析方法。这些由当时世界上的聪明人所想出的聪明的、简单易行的系统分析方法，在当时计算机不普及的情况下发挥了巨大的作用。由经典控制理论中的超前-滞后补偿控制方法所发展出来的PID控制器设计方法今在控制系统的理论设计与实际的应用中仍然发挥着重要的作用。

自20世纪50年入现代控制理论的发展阶段后，先后提出和发展出重要的理论与技术，其中有影响的事括：苏联的庞特里亚金（Pontryagin）于1956年发表《优过程数......

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