2013神经网络、模糊控制及专家系统第一章.ppt

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1、,主要教学参考书 教材： 王耀南，智能控制系统模糊逻辑、专家系统、神经网络控制，湖南大学出版社，1996 主要参考书: 1王永骥，涂健，神经元网络控制，机械工业出版社，1998 2诸静，模糊控制原理与应用，机械工业出版社，1995 3 C.H. Chen, Fuzzy logic and neural network handbook, New York : McGraw-Hill, c1996 4Simon Haykin,Neural networks : a comprehensive foundation,Beijing : Tsinghua University Press, 2001

2、 5Kevin M. Passino, Stephen Yurkovich, Fuzzy control, Beijing : Tsinghua University Press, 2001,6Spyros G. Tzafestas, Methods and applications of intelligent control, Dordrecht : Kluwer Academic Pub., 1997 7Zi-Xing Cai, Intelligent control : principles, techniques and applications, Singapore : World

3、 Scientific, 1997 8王伟，人工神经网络原理入门与应用，北京航空航天大学出版社，1995 9阎平凡，张长水，人工神经网络与模拟进化计算，清华大学出版社，2000 10杨辉，王金章，模糊控制技术及其应用，江西科学技术出版社，1997 11刘增良，刘有才，模糊逻辑与神经网络理论研究与探索，北京航空航天大学出版社，1996 12张乃尧，阎平凡，神经网络与模糊控制，清华大学出版社，1996 13史忠科，神经网络控制理论，西北工业大学出版社，1997,主要教学参考书,先修内容,现代控制理论或线性系统 线性代数或矩阵分析 MATLAB 语言,第一部分 概述（3） 第二部分 模糊控制（12）

4、 第三部分 神经网络（10） 第四部分 集成智能控制系统（7）,课程安排,第一章 绪论 第二章 模糊控制的数学基础 第三章 模糊控制的基础理论 第四章 模糊控制系统与模糊控制器 第五章 常用人工神经网络原理及学习算法 第六章 神经网络控制器设计 第七章 集成智能控制系统理论 第八章 其他智能控制,总学时: 32学时，1-8周，每周4学时,智能家居开关图示,世界上最小机器人 身高只有16.5厘米、体重仅有350克，但能在90种不同背景音乐的伴奏下行走、跳舞，还能听懂10个语言命令、完成200多种动作、说出约180个短语！,资料图片：一种能钻入血管的机器人想象图,北京一家企业展出的机器人在演奏架子

5、鼓,懂得“甜言蜜语”的会话机器人逗得女客商笑逐颜开,哈工大计算机学院展出的机器人随着音乐表演团体操,一名客商在和汉服装扮的机器人交流,高精度仿真机器人,空中机器人比赛,水中机器人比赛,舞蹈机器人比赛,中国载人航天工程是我国航天史上迄今为止规模最大、系统组成最复杂、技术难度和安全可靠性要求最高的跨世纪国家重点工程，包括：航天员、空间应用、载人飞船、运载火箭、发射场、测控通信、着陆场、空间实验室等八大系统组成。 在工程实施方面主要又包括：卫星、神舟载人飞船和嫦娥探月三大系统。,载人航天,卫星测控,地面测控站,我国已建成了比较完整的陆海基测控网，能完成从近地轨道卫星到地球同步卫星的测控任务。我国的测

6、控技术的某些方面己处于国际先进水平。,测控是工程控制科学与通信技术结合的一体化工程，其特点有： 1）多任务测控； 2) 深空跟踪； 3）卫星测控设备； 4）测控和通信。,智能控制室解决方案包括： 基础环境建设：通过照明、温度、声学需要进行环境建设和综合布线，为控制室提供一个可靠、舒适、功能分区的环境。 显示系统解决方案：包括大屏幕拼接墙系统、辅助显示系统、桌面显示系统、信号接入系统等，用于支撑不同用途下操作员、领导、参观者等多种角色的需要。显示系统根据控制室空间环境，信号的种类和使用特点综合设计。 拾音扩音解决方案：包括拾音子系统、处理子系统、扩声子系统，用于支持在会议、报告、指挥等场景下声音

7、传送的需要。 数字会议解决方案：由网络子系统、投影显示子系统、音响子系统、监控子系统、会议发言子系统、灯光效果子系统和中央控制子系统等组成，提供会议报到、发言、表决、翻译、摄像、音响、显示等功能。 集中控制解决方案：提供一体化的方式，对控制室内的设备设施如：灯光、窗帘、大屏、矩阵、信号源进行统一控制的功能，可以大大降低支持人员的工作强度。, 视频会议解决方案：提供控制室与其他单位之间面对面的信息沟通的通道。 视频整合解决方案：通过视频整合可以将不同时期、采用不同技术分别建立的视频监控系统整合到一个平台上，统一的进行查看 网络通信解决方案：为控制室工作人员提供语音、数据、无线等多种渠道的通信方式

8、，保障通信的质量。 卫星通信解决方案：应急状态下的备份通信方式，可在重大灾害发生时提供关键信息的通信，也可对不具备通信条件的地区进行通信覆盖。 控制台与人体工学解决方案：针对控制室工作岗位的要求，及工作者的工作范围和使用极限，设计专门的可调、耐用、舒适的控制台。,山西电力调度中心,北京电力应急指挥中心,复杂系统智能控制研究开发平台,宿舍安全用电智能控制器智能,主要用于学校学生宿舍、厂矿企业、建筑工地的员工集体宿舍及医院病房等一切禁止使用“电炉、热得快、电饭锅、电水壶”等电器的场所。它不同于断电器等其它用电保护装置（断电器只能过载断电，相当于保险丝的作用，需人工操作才能恢复供电），它能在用电设备

9、接入电路后1秒钟内自动识别出用电器是否属于厂规禁用的用电设备。如果接入的是禁用电器（如热得快、电炉、电饭锅、电取暖器等）它将自动停止供电，只有在撤除非法用电器以后才能自动恢复正常供电；如属于允许使用的用电器（如电脑、电视机、电风扇、照明灯、充电器等）则正常供电，可以说本产品是使用热得快等违规用电行为的“克星”。,招商银行深圳蛇口支行会议室安装150寸4:3 1080P高清大屏幕实图,集成智能控制、高清1080P多画面显示、一览无余,笔特尔高清大屏幕智能控制系统,沟槽式公厕电磁阀智能控制冲水器,Linux家庭智能控制系统,最近很多人看2012年的新片亲家过年其中文章的语音机器人MARY更是让很多

10、网友羡慕不已，有人说这是文章理想中得机器人，其实不然，这是基于linux系统的家庭智能控制系统。智能系统属于linux家庭智能系统，其中这部电影里所展示的只是其中的一小部分，其中还包含电器智能控制，家庭灯光系统控制，安防智能防护和家庭电表水表自动抄表等功能，客户可以采用语音的方式、智能手机客户端、任何能上网电脑、控制家中所有的和电有关的设备，达到舒适的享受生活的乐趣。这种系统多应用于大型企业的管理中，如富士康总控制室门禁，安防，火警报警等很多系统都与这智能控制系统相连接！,美国Infocomm：河东展智能控制系统方案,城市照明智能控制系统,电动轮椅车智能控制器,安卓星汽车手机智能控制系统有的手

11、机远程启动车辆、手机远程熄火车辆、手机远程监听、手机定位功能、各种报警提示等多项实用功能为众多车主带来方便同时，也为“汽车智能化时代“到来拉开帷幕。,简易月卡型停车场智能控制系统,指纹电梯门禁智能控制系统,分体式太阳能热水器智能控制仪,第一部分 概论,第一章 绪论（3学时）,1.1 控制理论发展的几个阶段 1.2 智能控制的基本设计方法,1.1.1.古典控制论（经典控制论阶段） 1.1.2.现代控制理论（20世纪60年代） 1.1.3. 智能控制理论（20世纪70年代）,1.2.1 模糊控制（Fuzzy control) 1.2.2 神经网络控制系统（Neural network contro

12、l) 1.2.3 专家控制系统（湖南大学出版社）,1.1 控制理论发展的几个阶段,19世纪 J.C.Maxwell对具有调速器的蒸汽发动机系统进行线性常微分方程的描述及稳定性分析 19世纪 劳斯判据（1872） 胡尔维茨（1890） 李亚谱诺夫（1892） 20世纪 乃式判据（1932）,1.1.1 古典控制论（经典控制论阶段） 1.1.2 现代控制理论（20世纪60年代） 1.1.3 智能控制理论（20世纪70年代）,Fig. 1-1,1.1.1.古典控制论（经典控制论阶段）,50年代前后的控制理论被称为“自动调节原理”,对象I： 单入、单出（SISO）、线性定常系统,频域理论：传递函数、频

13、率特性、根轨迹分布,波德伊凡思,Boot Lotus,Bode plot 伊凡思的根轨迹法,Bode Evans,劳斯（E.J.Routh）赫尔维茨（Hurwitz）代数判据 奈奎斯特（H.Nyquist）稳定性判据,对象II： 非线性系统 描述函数分析 庞加莱（Poincare）的相平面分析法,1.1 控制理论发展的几个阶段,1.1.2.现代控制理论（20世纪60年代）,对象 MIMO,非线性 时变 线性定常,时域理论 状态方程,（1）能控性 能观测性 （2）李亚谱诺夫的稳定性理论（直接法）和李亚谱诺夫函数（亦称V函数）（无须求解） （3）统计函数理论 相关函数的系统动态特定测量方法（即系统

14、识别）和卡尔漫滤波理论 （4）系统最佳控制 系统性能指标泛函最小,缺陷,1.1 控制理论发展的几个阶段,1.1.3. 智能控制理论（20世纪70年代）,随着计算机技术得飞速进展 系统信息的模糊性、不确定性、偶然性和不完全性,（1）傅京孙教授 人机控制器、机器人 （2）J.M.Mendel教授 空间飞行器 1967,Leondes和Mendel （3）70年代，傅京孙，Glorioso和Saridi等人或提出建立智能控制理论的构思 （4）1985年8月，美国纽约PRI。IEEE召开的智能控制专题讨论会，标志着智能控制作 为一个新的学科分支被控制界公认。 （5）1987年开始，每年一次智能控制国际

15、研讨会,首次提出“人工智能控制”得概念,低层次控制中常规控制器 高层次智能决策拟人化功能,与经典控制论和现代控制论不同： 研究的主要目标不在于被控对象，而是控制器本身，控制器不再是单一的数学解析型，而是数学解析和知识系统相结合的广义模型，是多种学科知识控制的系统。,1.1 控制理论发展的几个阶段,先验智能有关控制对象及干扰的先验知识，可以从一开始就考虑在控制系统的设计中 反应性智能在实时监控、辨识及诊断基础上对系统及环境变化的正确反应能力 优化智能包括对系统性能的先验性优化及反应性优化 组织与协调智能表现为对并行耦合任务或子系统之间的有效管理与协调,智能控制系统的特点,（1）“智能递增，精度递

16、降”的一般组织结构的基本原理 （2）开、闭环控制结合，定性与定量控制结合的多模态控制 （3）具备学习功能、适应功能和组织功能 （4）以知识表示的非数学广义模型和数学模型表示的混合控制过程。 数学运算，符号运算的逻辑推理相结合 （5）边缘交叉学科,“智能”的分类,1.1 控制理论发展的几个阶段,Fig. 1-2,1.1.3. 智能控制理论（20世纪70年代）,1.2 智能控制的基本设计方法,基于模糊推理和计算的模糊控制器Ifthen, Rulebased Control 基于人工神经网络的神经网络控制器 Neural Network 基于专家系统的专家智能控制 Expert System 基于信

17、息论、遗传算法和以上3种方法的集成型智能控制,几种基本的设计方法,1.2 智能控制的基本设计方法 1.2.1 模糊控制（Fuzzy control),1965年 L.A.Zadeh,Fig. 1-3,(1) 定义模糊子集，建立模糊控制规则 (2)由基本论域转变为模糊集合论域 (3)模糊关系矩阵运算 (4)模糊推理合成，求出控制输出模糊子集 (5)进行逆模糊运算，判决，得到精确控制量,模糊化,推理,优点：,无需建立数学模型 鲁棒性、对非线性、时变、时滞系统 离线计算控制查询表、提高系统实时性 控制的机理符合人们对过程控制作用的直观描述和思维逻辑,经验控制 可解决不确定系统,智能控制基础,1.2

18、智能控制的基本设计方法 1.2.1 模糊控制（Fuzzy control),模糊控制研究分支,(1) 稳定性 (2)模糊模型及辨识 (3)模糊最优控制 (4)模糊自组织控制 (5)模糊自适应控制 (6)传统PID与Fuzzy相结合的多模态模糊控制器,Fig. 1-4 模糊控制在控制领域中的重要地位与作用,1.2 智能控制的基本设计方法 1.2.1 模糊控制（Fuzzy control),1.2 智能控制的基本设计方法 1.2.1 模糊控制（Fuzzy control),发展史,1.2 智能控制的基本设计方法 1.2.1 模糊控制（Fuzzy control),Fig. 1-5 模糊系统相关图,

19、1.2 智能控制的基本设计方法 1.2.1 模糊控制（Fuzzy control),模糊系统研究计划,模糊理论与基本技术,人类功能实现与人-机界面,人类智能信息处理过程及自然现象、社会现象剖析,Fig. 1-6 模糊工程课题覆盖图,1.2 智能控制的基本设计方法 1.2.1 模糊控制（Fuzzy control),历史应用,我国1979年开始,1.2 智能控制的基本设计方法 1.2.1 模糊控制（Fuzzy control),1984 美国 推出“模糊推理决策支持系统” 1985-1996 日本 进入了模糊控制实用化时期 电视摄象机自动聚焦 空调 全自动洗衣机 吸尘器,现代应用,硬件产品： 开

20、发了 “模糊控制用的通用系统” “模糊控制用的通用控制器”以模糊推理来决定控制动作的算法作为控制系统核心，并且采用任何一条控制规则，均具有设定的相应功能的一种调节装置。,1.2 智能控制的基本设计方法 1.2.1 模糊控制（Fuzzy control),模糊控制工程大致要经历如下4个阶段:,1.2 智能控制的基本设计方法 1.2.2 神经网络控制系统（Neural network control),起源：生物神经元,Fig. 1-7 生物神经元示意图,突触：一个神经元末梢与另一神经元树突或细胞体的接触处称为突触。它是神经元之间传递信息的输入输出接口。,1.2 智能控制的基本设计方法 1.2.2

21、 神经网络控制系统（Neural network control),信息处理与传递：,Fig. 1-8 突触结构示意图,传递信息过程：,Fig. 1-9 传递信息过程,1.2 智能控制的基本设计方法 1.2.2 神经网络控制系统（Neural network control),一个神经元一串脉冲,多个神经元多个脉冲,特点：,人脑神经网络信息处理的特点：,分布存储与冗余性 并行处理 信息处理与存储合一 可塑性与自组织性 鲁棒性 Robust,成亿个神经元协同工作，与目前的“并行处理机”的机理不同,大脑皮层的大部分突触连接时后天由环境的激励逐步形成的，随环境刺激性质不同而不同。,一定的误差和噪声不

22、会使网络的性能恶化,目前计算机存储和处理分别属于两个独立的部件，速度会受影响。,1.2 智能控制的基本设计方法 1.2.2 神经网络控制系统（Neural network control),人工神经元（抽象模拟人脑神经元）,1993年由MoCulloch 和Pitts定义,Fig. 1-9 人工神经元模型,加于输入端上的输入信号,突触连接权的系数，模拟突触传递强度,空间累加,阈值,神经元相应函数,1.2 智能控制的基本设计方法 1.2.2 神经网络控制系统（Neural network control),1.2 智能控制的基本设计方法 1.2.2 神经网络控制系统（Neural network

23、 control),人工神经网络模型（构成）,1. 前向网络（前馈网络）Feedforword Network,每个神经元只与前一层的神经元相连接,感知机,2. 从输出到输入有反馈的前向网络,Fukushima网络 网络本身是前向型的， 但输出到输入之间有反馈回路,3. 层内互连前向网络（混合型网络） 层状和网状相结合,同一层神经元之间有连接 如自组织竞争型神经网络,1.2 智能控制的基本设计方法 1.2.2 神经网络控制系统（Neural network control),4. 互连网络（相互结合型网络）,局部互连 全互连 全互连是每个神经元都与其它神经元互连 局部互连指互连只是局部的,两种

24、,全互连,局部互连,Hopfield网络 Boltzmann机,分类方法有多种： 如可以分类为 有教师学习 无教师学习,1.2 智能控制的基本设计方法 1.2.2 神经网络控制系统（Neural network control),输出,输入,Fig. 1-10 Hebb学习规则图示,1.2 智能控制的基本设计方法 1.2.2 神经网络控制系统（Neural network control),例：,1.2 智能控制的基本设计方法 1.2.2 神经网络控制系统（Neural network control),思 考,1.2 智能控制的基本设计方法 1.2.2 神经网络控制系统（Neural net

25、work control),Fig. 1-11,1.2 智能控制的基本设计方法 1.2.2 神经网络控制系统（Neural network control),人工神经网络的发展与现状,50年代末 F.Rosenblatt感知机（Perceptron）第一个完整的人工神经网络,Hebb学习规则,并行处理、分布存储和学习,1969年 美 MTT的M.Minsky和S.Papert编写Perceptron一书 单层感知机 线性问题求解 多层（隐含层）的 非线性问题（悲观理论？） 70年代 芬兰 T.Kohonen 自组织映射理论 美国 S.A.Grossberg 自适应共振理论 日本 福岛邦彦（K.

26、Fukushima） 认知机（Neocognitron）模型 日本 甘利俊（ShunIchi Amari） 神经网络的数学理论,低谷,1943年 心理学家W.S.MoCulloch和数学家W.Pitts提出M-P模型 1949年 心理学家 D.O.Hebb提出连接权的调整正比于两相连神经元之间激活值的乘积,1.2 智能控制的基本设计方法 1.2.2 神经网络控制系统（Neural network control),1982年1984年 J.J.Hopfield Hopfield 网络模型 引入能量函数 给出稳定性判据 1984年 Hinton 引入模拟退火 Boltzmann机 BW网络模型

27、1986年 D.E.Rumelhart 和J.L.MoClelland两本专著 EBP算法 （误差反向传播） 1987年 美 R.Hecht-Nielsen 对向传播（Counter Propagation） 1988年 美 L.O.Chua CNN细胞神经网络模型 1987年 国际神经网络学会 1988年 Neural Network创刊 1990年 IEEE Transaction on Neural Network 同年 北京召开 神经网络学术大会,人工智能理论和Von.Neumann 计算机在视、听、等智能信息处理上受挫 脑神经科学的研究成果 VLSI技术和光电技术的发展,80年代,高

28、潮,人工神经网络的发展与现状,1.2 智能控制的基本设计方法 1.2.2 神经网络控制系统（Neural network control),神经网络用于控制,优点：,它能以任意精度逼近任意连续非线性函数 对复杂不确定问题有自适应和自学习能力 信息处理的并行机制解决大规模实时计算问题 信息综合能力适用于多信息融合和多媒体技术 神经计算解决优化计算和矩阵代数计算 便于用VLSI或光学集成系统实现或用计算机技术实现,冗余性容错能力,高度非线性 稳定性、收敛性证明困难（加强） 学习速度一般比较慢（研究快速学习算法） 缺乏系统优化设计方法（与其它控制方法相结合，构成一个集成智能控制系） 缺乏硬件支持，难

29、以真正发挥NN的优点（加强） 缺乏比较适合的控制系统的网络结构和灵活的智能神经元,导致,1.2 智能控制的基本设计方法 1.2.2 神经网络控制系统（Neural network control),功能：,与其它控制方法融合,系统辨识 充当各类控制器 优化计算,（1）提供非线性系统辨识 （2）辨识是非算法式的，无需建模（给系统建数学模型） （3）辨识也是一个物理实现,非线性系统的自适应控制 智能控制 在各种环境下寻求适当的行动策略来实现自己的目标的能力，如视、 听、触觉，信息识别、融合信息分析、决策、自学习 故障诊断与容错控制 用于优化计算,辨识模型 （间接） 直接估计控制器参数 （直接）,作

30、为故障诊断的状态估计器 用神经网络直接构成容错控制器,对应上面的 优势1和2,对应上面的 优势3和4,对应上面的 优势5,对应上面的 优势3,1.2 智能控制的基本设计方法 1.2.3 专家控制系统（湖南大学出版社）,概念：具有模糊专家智能的功能，采用专家系统技术与控制理论相结合的方法设计控制系统。专家控制系统的出现，改变了单纯依赖数学模型的局面。使,知识模型 数学模型 知识信息处理技术 控制技术 人工智能 控制理论方法和技术结合,结合,结合,结合,& 知识库：（事实、判断、规则、经验知识、模型） & 推理机：模拟专家的推理方法和技巧 & 人机界面：可以向用户回答如何导出推理的结论，完成“ho

31、w”和“why” & 数据库：知识获取系统，完成机器学习,组成：,Fig. 1-12 专家系统的一般结构,1.2 智能控制的基本设计方法 1.2.3 专家控制系统,类型：,工业过程中的形式：,控制系统辅助设计 过程监控、在线诊断、故障分析与预测维护 过程控制 航天故障诊断与处理 生产过程的决策与调度,基于规则的专家控制（直接） 间接专家控制（监督） 混合型专家控制,专家系统直接包含在控制回路中，直接给出控制信号，影响被控过程,与PID控制器、自适应控制结合。作用只是监督系统的运行，根据系统运行状况在线调整控制器参数、选择更合适的控制算法,仿人智能Control、模糊专家Con,多级智能专家Con-.,找一个智能控制的最新实例，你明白其中的原理吗？有生动图片的吧！,