淺談智能控制及其應(yīng)用

王 湛

（許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000）

1 智能控制的發(fā)展

科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的迅速發(fā)展是智能控制學(xué)科發(fā)展的動(dòng)力。以往以單純數(shù)學(xué)解析結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的控制理論，其局限性日益明顯。它的局限性主要體現(xiàn)在以下幾方面：其一，在航空、航天、航海及各種工業(yè)部門，受控對(duì)象日益復(fù)雜。受控對(duì)象不僅規(guī)模大，運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且各運(yùn)動(dòng)變量之間嚴(yán)重耦合，同時(shí)還帶有嚴(yán)重的不確定性（包括結(jié)構(gòu)和參數(shù)兩個(gè)方面的不確定性）和非線性。這樣復(fù)雜的受控對(duì)象使得以確定模型和數(shù)學(xué)解析方法為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)控制理論遇到了困難和挑戰(zhàn)。其二，控制任務(wù)和目標(biāo)的復(fù)雜化，也使傳統(tǒng)的控制理論難于勝任。例如，一架性能優(yōu)良的攻擊機(jī)必須具備對(duì)空、地多目標(biāo)自動(dòng)攻擊的能力，必須具備自動(dòng)地形跟蹤、回避的能力，必須具備自動(dòng)導(dǎo)航和高品質(zhì)自動(dòng)飛行的能力。這樣復(fù)雜的控制任務(wù)和控制指標(biāo)要求，對(duì)于傳統(tǒng)的控制理論來(lái)說(shuō)是很困難的。其三，系統(tǒng)工作環(huán)境的復(fù)雜化，也使傳統(tǒng)的控制理論產(chǎn)生麻煩。例如，在空戰(zhàn)條件下，戰(zhàn)場(chǎng)敵我態(tài)勢(shì)的突變，氣象條件的突變，敵方對(duì)我方系統(tǒng)的破壞和干擾，駕駛員的疲勞和意外失誤，或者系統(tǒng)處于不利的化學(xué)物質(zhì)環(huán)境中工作等。上述復(fù)雜受控對(duì)象，復(fù)雜的控制任務(wù)和控制目的，復(fù)雜的系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境都促使人們研究新的控制方式去實(shí)現(xiàn)對(duì)它們的有效控制。這就是智能控制產(chǎn)生和發(fā)展的背景和動(dòng)力。

另一方面，近代迅速發(fā)展的人工智能技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)又為智能控制的發(fā)展提供了條件。諸如符號(hào)、語(yǔ)言的知識(shí)表達(dá)，狀態(tài)特征的辨識(shí)，定性與定量，精確與模糊信號(hào)的處理，分析推理，邏輯運(yùn)算，判斷決策，自然語(yǔ)言理解和視覺(jué)系統(tǒng)等一系列擬人思維和功能均可通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)?？梢哉f(shuō)，人工智能和計(jì)算機(jī)技術(shù)為智能控制的發(fā)展提供了物質(zhì)條件。因此，智能控制不僅是科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)發(fā)展的推動(dòng)和需要，也是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)；不僅是控制科學(xué)的繼承、發(fā)展和提高，也是多學(xué)科相結(jié)合、共同迸發(fā)出的新的科學(xué)技術(shù)的火花。

2 智能控制的主要形式

智能控制這一學(xué)科正在蓬勃發(fā)展，智能控制的形式也日新月異。目前正在興起和研究的形式很多，其中主要的有如下幾種。

2.1 分級(jí)遞階智能控制

分級(jí)遞階智能控制是從系統(tǒng)工程出發(fā)，總結(jié)了人工智能與自適應(yīng)控制、自學(xué)習(xí)控制和自組織控制的關(guān)系之后逐漸形成的，是智能控制最早的理論之一。

分級(jí)遞階智能控制有兩種比較重要的理論：知識(shí)基／解析混合多層智能控制理論，該理論是由意大利學(xué)者A.Villa提出的，可用于解決復(fù)雜離散事件系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)問(wèn)題。薩里迪斯三級(jí)智能控制理論，按照這種理論設(shè)計(jì)的智能控制系統(tǒng)是由組織級(jí)（最高級(jí)）、協(xié)調(diào)級(jí)（中間級(jí)）和執(zhí)行級(jí)（最下級(jí)）三級(jí)組成的，并用熵函數(shù)來(lái)衡量每一一級(jí)的執(zhí)行代價(jià)和效果，用熵進(jìn)行最優(yōu)決策。這一方法為現(xiàn)代工業(yè)、空間探測(cè)、核處理和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用自主控制系統(tǒng)提供了一個(gè)有效的方法。總之，分級(jí)遞階智能控制是為求解大系統(tǒng)，復(fù)雜系統(tǒng)的尋優(yōu)、決策和有效控制而提出來(lái)的，是研究多級(jí)自尋優(yōu)控制、多級(jí)模糊控制、多級(jí)專家控制、遞階智能多目標(biāo)預(yù)測(cè)控制以及大型空間運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的三級(jí)遞階智能控制的有效方法。

2.2 專家系統(tǒng)控制

專家系統(tǒng)控制（包括仿人智能控制和智能PID控制），是工程控制論和專家系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物。這類智能控制的特點(diǎn)是專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)與傳統(tǒng)的PID控制器的結(jié)合，它所設(shè)計(jì)產(chǎn)生的控制規(guī)則簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，如飛行控制過(guò)程、化工PH過(guò)程的智能控制。在這一類智能控制中，還應(yīng)指出的一種形式是實(shí)時(shí)監(jiān)督控制專家系統(tǒng)，由故障檢測(cè)、故障診斷和故障處理三部分組成，這種形式在航天、航空和化工等領(lǐng)域都有大量應(yīng)用。

2.3 模糊控制

該控制方法最早提出者之一是美國(guó)著名控制論專家LA.Zadeh，1965他發(fā)表了模糊集合論。模糊控制理論主要以模糊數(shù)學(xué)和規(guī)則表組成控制決策。它適用于難以建模的受控對(duì)象，但很難做到高精度。

2.4 人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制

20世紀(jì)50年代末就已問(wèn)世的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模仿生物神經(jīng)系統(tǒng)，主要模仿人的大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和信息處理機(jī)能，如信息處理、判斷、決策、聯(lián)想、記憶、學(xué)習(xí)等功能，以實(shí)現(xiàn)仿人行為的智能控制。

2.5 各種智能控制方法的交叉和結(jié)合

為了發(fā)揮各種不同智能控制方法的優(yōu)點(diǎn)，克服它們各自的缺點(diǎn)和不足，各種組合、結(jié)合、互相交叉滲透的智能控制方法不斷被提出和研究。例如，專家模糊控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊PID控制、專家PID控制和模糊學(xué)習(xí)控制等。

2.6 各種智能控制方法與傳統(tǒng)控制理論方法的交叉和結(jié)合

它們既能發(fā)揮智能控制的優(yōu)點(diǎn)，也能發(fā)揮傳統(tǒng)控制方法的優(yōu)點(diǎn)，在工程實(shí)際中可獲得完美的控制效果。它不僅是方法研究的交叉，而且也是多學(xué)科研究的交叉和發(fā)展。這些交叉和結(jié)合有模糊變結(jié)構(gòu)控制、自適應(yīng)模糊控制、自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變結(jié)構(gòu)控制和專家模糊PID控制等。上述交叉和結(jié)合還可以舉出一些，這些控制有的學(xué)者又稱為綜合控制理論和方法。

3 智能自主控制

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展和生產(chǎn)的需要，自主控制，特別是用智能化的方法實(shí)現(xiàn)自主控制成為當(dāng)今的熱門研究課題。智能自主控制也是智能控制的一種形式。什么是智能自主控制，至今沒(méi)有統(tǒng)一的定義，根據(jù)普遍的理解，給出如下說(shuō)明。

3.1 智能自主控制的含義

智能自主控制系統(tǒng)應(yīng)該具有如下功能：系統(tǒng)能自動(dòng)接受控制任務(wù)、控制要求和目標(biāo)，并能對(duì)任務(wù)、目標(biāo)和要求自主進(jìn)行分析、判斷、規(guī)劃和決策。系統(tǒng)能自主感知、檢測(cè)自身所處的狀態(tài)信息、環(huán)境信息和干擾信息，并能自主進(jìn)行融合、分析、識(shí)別、判斷和決策；同時(shí)能作出能否執(zhí)行任務(wù)的決策。

系統(tǒng)能根據(jù)控制任務(wù)、目標(biāo)要求，結(jié)合系統(tǒng)所處的當(dāng)前自身狀態(tài)信息、環(huán)境信息、干擾信息，自主地進(jìn)行分析、綜合，并作出執(zhí)行任務(wù)和如何完成任務(wù)的控制決策。系統(tǒng)能根據(jù)上述決策自主形成控制指令，自主操控系統(tǒng)狀態(tài)的行為，并朝著完成控制任務(wù)和目標(biāo)的方向運(yùn)動(dòng)。

在上述運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，如果出現(xiàn)任務(wù)改變，出現(xiàn)事先未預(yù)見(jiàn)的環(huán)境變化和自身狀態(tài)變化，或出現(xiàn)系統(tǒng)自身?yè)p傷，系統(tǒng)能根據(jù)任務(wù)改變、新的環(huán)境（干擾屬環(huán)境變化）信息和自身狀態(tài)信息的改變，自主地作出分析、判斷，并作出改變系統(tǒng)狀態(tài)行為的指令，使系統(tǒng)改變自身的狀態(tài)?；蜃灾鬟M(jìn)行系統(tǒng)重組，以適應(yīng)外界環(huán)境的變化；或自主進(jìn)行系統(tǒng)的故障診斷、自修復(fù)，以適應(yīng)完成控制任務(wù)和目標(biāo)的要求，最終自主完成控制任務(wù)，達(dá)到控制的目標(biāo)。具有上述功能的系統(tǒng)可以認(rèn)為是智能自主控制系統(tǒng)，或稱為智能自主控制。

3.2 智能自主控制系統(tǒng)的應(yīng)用

智能自主控制的關(guān)鍵是用智能化的方法實(shí)現(xiàn)完全無(wú)人參與的控制過(guò)程，并使系統(tǒng)運(yùn)行達(dá)到預(yù)期的目的。

現(xiàn)以智能自主控制的行駛車輛為例說(shuō)明其智能自主控制的過(guò)程。假定要使車輛完成由A城去B城送貨的任務(wù)。智能自主控制行車系統(tǒng)接受這一任務(wù)后，首先要做的工作是，接受任務(wù)，分析任務(wù)，同時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)自身所處狀態(tài)（是否處于運(yùn)行準(zhǔn)備狀態(tài)）和車輛重心目前所處的地理坐標(biāo)位置。第二步，開(kāi)啟環(huán)境狀態(tài)檢測(cè)識(shí)別系統(tǒng)，確定車輛自身的環(huán)境坐標(biāo)位置，即確定車身是否處于地理坐標(biāo)的道路中間，車頭和道路規(guī)定的行車方向是否相同。第三步，將以上檢測(cè)結(jié)果與任務(wù)要求相結(jié)合，進(jìn)行決策分析。根據(jù)智能自主控制行車系統(tǒng)存儲(chǔ)的數(shù)字地圖，決策、規(guī)劃出行車路線，選擇好行車道路，同時(shí)根據(jù)規(guī)劃出的行車路線和道路向行車智能自動(dòng)駕駛系統(tǒng)發(fā)出行車指令，給出行車控制信號(hào)。該系統(tǒng)能協(xié)調(diào)地啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，能控制油門，方向盤和剎車，駕車按規(guī)劃的行車路線和所選擇的道路行駛。第四步，在行車過(guò)程中，智能自主控制行車系統(tǒng)中的智能自主導(dǎo)航系統(tǒng)，能不斷記錄行車方向、路線、行車速度和里程，確定車身重心的地理位置坐標(biāo)；智能環(huán)境狀態(tài)檢測(cè)識(shí)別系統(tǒng)能確定車身相對(duì)周圍環(huán)境的坐標(biāo)。如果行車中的地理位置坐標(biāo)偏離了規(guī)劃出的行車路線，智能自主控制行車系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)車身目前所處的位置，結(jié)合系統(tǒng)攜帶的數(shù)字地圖重新規(guī)劃出新的行車路線，并能選好行車道路。如果行車中車身偏離了行車道路中間線，或行車前方出現(xiàn)障礙，則智能自主控制行車系統(tǒng)能通過(guò)環(huán)境視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)，給出行車方向修正指令和停車指令，避免行車事故，保持行車任務(wù)的正常執(zhí)行。第五步，當(dāng)行車到達(dá)終點(diǎn)B城時(shí)，智能自主控制行車系統(tǒng)的智能導(dǎo)航系統(tǒng)能根據(jù)行車規(guī)劃的終點(diǎn)位置的地理坐標(biāo)和行車當(dāng)前的地理位置坐標(biāo)，判斷行車的終點(diǎn)任務(wù)是否完成。

如果行車終點(diǎn)位置到達(dá)，則將停車任務(wù)轉(zhuǎn)交給環(huán)境狀態(tài)檢測(cè)識(shí)別系統(tǒng)，由該系統(tǒng)搜索選擇停車位置，并將此停車位置與出發(fā)前記錄在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的停車位置環(huán)境圖像相匹配，匹配無(wú)差，則命令行車智能自動(dòng)駕駛系統(tǒng)關(guān)閉油門、發(fā)動(dòng)機(jī)，并停車。如果行車過(guò)程中，智能自主控制行車系統(tǒng)發(fā)生損壞，系統(tǒng)自身應(yīng)能實(shí)現(xiàn)故障自診斷、自修復(fù)或系統(tǒng)自重組。這種自修復(fù)和系統(tǒng)自重組往往要求能在車輛行進(jìn)中完成。

結(jié)語(yǔ)

智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，隨著科技的發(fā)展與進(jìn)步，有關(guān)技術(shù)還在不斷的發(fā)展之中，但發(fā)展迅速，各種不同智能控制水平的系統(tǒng)正在不斷的研究，其實(shí)際應(yīng)用也不斷涌現(xiàn)為人們的生活帶來(lái)可極大的便利。

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