智能控制初步介绍
——产生与发展
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主要内容
智能控制的产生和发展
智能控制的定义、特点
智能控制的主要分支
智能控制的结构理论体系
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智能控制的产生和发展
瓦特
瓦特蒸汽机
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智能控制的产生和发展
瓦特的离心调速器瓦特的离心调速器
5
智能控制的产生和发展
在公元1788年前后，瓦特采用离心调速器，改
进了蒸气机，促进了工业大生产的进程。这
种采用机械式调节原理实现的动力机速度自
动控制是自动化发展中的第一个里程碑。
离心调速器开启了近代自动化控制的先河，实
现了自动化控制，标志着近代自动化控制技
术的诞生，对工业革命的影响巨大而深远。
离心调速器结构简单，性能可靠，至今仍在
大范围使用，具有不可或缺的作用！
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智能控制的产生和发展
1868年，以离心式调速器为背景，物理学家麦克斯韦
尔(Maxwell)研究了反馈系统的稳定性问题，发表了
目前公认的控制理论最早的理论论文--“论调速器
(On Governors)”。
源自物理学与数学的自动控制理论(在当时称为自动
调节原理，简称调节原理)开始逐步形成。
1892年，俄国李亚普诺夫(Lyapunov)的博士论文--“
论运动稳定性的一般问题”，提出了李亚普诺夫
(Lyapunov)稳定理论。
1922年，美国 研制出用于船舶驾驶的伺
服结构，提出了PID控制律。
1942年尼克尔斯 Nichols提出了回路整定技术(PID整
定表和设计用的尼可尔斯图 )。
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智能控制的产生和发展
长期以来，自动控制科学已对整个科学技术的
理论和实践作出了重要贡献，并为人类社会
带来了巨大利益。然而，现代科学技术的迅
速发展和重大进步，对控制和系统科学提出
了更新更高要求，自动控制理论和工程正面
临新的发展机遇和严峻挑战。
传统控制理论：经典反馈控制、现代控制、
大系统理论等，在应用中遇到不少难题。多
年来，自动控制一直在寻找新的出路。现在
看来，出路之一就是实现控制系统的智能化，
以期解决面临的难题。
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智能控制的产生和发展
自动控制的发展过程
控制复杂性
进
展
方
向
开环控制
确定性反馈控制
最优控制
随机控制
自适应、鲁棒控制
自学习控制
智能控制
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智能控制的产生和发展
控制理论发展的三个阶段
第一阶段：经典控制理论（形成于20世纪40到60
年代）。
第二阶段：现代控制理论（形成于20世纪60到70
年代）
第三阶段：智能控制理论（20世纪70年代至今）
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智能控制的产生和发展
经
典
控
制
理
论
单输入
单输出
反馈系统
传递函数
波 特 图
奈奎斯特图
根轨迹图
主要代表人物：Bode, Evans, Nyquist，
Routh，……
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智能控制的产生和发展
现
代
控
制
理
论
具有多个
相互耦合
回路的多
变量系统
状态空间法
最优控制
能控性和能观性
卡尔曼滤波
主要代表人物：卡尔曼(Kalman),庞特里亚金
(Pontryagin),贝尔曼(Bellman),奥斯特隆姆
(Astrom)，……
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智能控制的产生和发展
智
能
控
制
理
论
复杂系统
模糊控制
进化计算
……
神经网络
主 要 代 表 人 物 ： Zadeh， Hopfield，
，……
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智能控制的产生和发展
传统控制理论面临的难题
精确数学模型和复杂性、非线性、时变性、不确
定性、不完全性之间的矛盾，导致无法获得精确
的数学模型；
苛刻的系统假设在应用中往往与实际不相吻合；
复杂、不确定性的对象,以传统方法无法解决建模
问题；
为了提高性能,传统控制系统可能变得很复杂,从
而增加了设备的初投资和维修费用,降低系统的可
靠性；
应用要求进行创新，提出新的控制思想，进行新
的集成开发，解决未知环境中复杂系统的控制问
题。
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智能控制的产生和发展
智能控制的发展
1965年,著名的美籍华裔科学家傅京孙()教
授首先把人工智能的启发式推理规则用于学习控
制系统；然后,他又于1971年论述了人工智能与自
动控制的交接关系。由于傅先生的重要贡献,他已
成为国际公认的智能控制的先行者和奠基人。
模糊控制是智能控制的又一活跃研究领域。扎德
(Zadeh)于1965年发表了他的著名论文“模糊集合
”(fuzzy sets),开辟了模糊控制的新领域。
1967年,利昂兹(Leondes)等人首次正式使用“智
能控制”一词。这一术语的出现要比“人工智能
”晚11年,比“机器人”晚47年。
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智能控制的产生和发展
萨里迪斯(Saridis)对智能控制系统的分类作出贡
献。他把智能控制发展道路上的最远点标记为人
工智能。他认为,人工智能能够提供最高层的控制
结构,进行最高层的决策。
此外，奥斯特洛姆 (ÅstrÖm)、迪席尔瓦 (de
Silva)、周其鉴、蔡自兴、霍门迪梅洛(Homen de
Mello)和桑德森(Sanderson)等于80年代分别提出
和发展了专家控制、基于知识的控制、仿人控制、
专家规划和分级规划等。
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智能控制的产生和发展
两次学术会议
1985年8月美国纽约，IEEE召开了第一
届智能控制学术讨论会，成立IEEE智
能控制专业委员会。
1987年1月美国费城，第一次智能控制
国际会议。标志着智能控制作为一门
独立学科，正式在国际上建立。
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智能控制的产生和发展
国内发展状况
成立中国人工智能学会智能控制与智能管理专业
委员会及智能机器人专业委员会，中国自动化学
会智能自动化专业委员会等学术团体。
《模式识别与人工智能》、《智能系统学报》等
学术刊物
标志着智能控制作为一门独立的新学科在我国已
经建立起来了
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智能控制的产生和发展
智能控制作为一门新学科的科学意义
为解决传统控制无法解决的问题找到了一
条新途径；
促进自动控制向着更高水平发展；
激发学术界的思想解放，推动科技创新；
为实现脑力劳动和体力劳动的自动化做出
贡献；
为多种学派合作树立了典范
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智能控制的定义、特点
智能控制的定义
智能机器
能够在定形或不定形，熟悉或不熟悉的环境中自
主地或与操作人员交互作用以执行各种拟人任务
的机器叫做智能机器。
自动控制
自动控制是能按规定程序对机器或装置进行自动
操作或控制的过程。简单地说，不需要人工干预
的控制就是自动控制。
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智能控制的定义、特点
智能控制
智能控制是驱动智能机器自主地实现其目标的过
程。或者说，智能控制是一类无需人的干预就能
够独立地驱动智能机器实现其目标的自动控制。
对自主机器人的控制就是一例。
智能控制系统
用于驱动自主智能机器以实现其目标而无需操作
人员干预的系统叫智能控制系统。这类系统必须
具有智能调度和执行等能力。智能控制系统的理
论基础是人工智能、控制论、运筹学和信息论等
学科的交叉。
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智能控制的定义、特点
智能控制器的一般结构
1-智能控制系统；2-多层控制器；3-多传感系统
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智能控制的定义、特点
智能控制的特点
同时具有以知识表示的非数学广义模型和以数学
模型(含计算智能模型与算法)表示的混合控制过
程。
智能控制具有分层信息处理和决策机构，核心在
高层控制,即组织级。
智能控制是一门边缘交叉学科。
智能控制是一个新兴的研究领域。无论在理论上
或实践上它都还很不成熟、很不完善,需要进一步
探索与开发。
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智能控制的定义、特点
智能控制功能：
学习功能
一个系统，如能对一个过程或其环境的未知特征
所固有的信息进行学习，并将得到的经验用于进
一步估计、分类、决策或控制，从而使系统性能
得到改善。
适应功能
智能行为实质上是一种从输入到输出的映射，一
种不依赖模型的自适应估计，即使系统的某一部
分出现故障时，系统也能正常工作。
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智能控制的定义、特点
组织功能
对于复杂的任务和分散传感信息具有自行组织和
协调的功能，系统具有相应的主动性和灵活性，
在任务要求的范围内自行决策，主动采取行动，
当出现多目标冲突时，各控制器在一定限制条件
下自行解决。
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智能控制的定义、特点
智能控制的研究对象
不确定性的模型
模型的不确定性包含两层意思：一是模型未知或
知之甚少；二是模型的结构和参数可能在很大范
围内变化。
高度的非线性
传统控制理论解决非线性方法复杂，有时只能定
性分析。如继电器特性、磁滞回环特性、死区、
饱和特性等。
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智能控制的定义、特点
复
杂
的
任
务
要
求
传
统
控
制
，
控
制
任
务
要
求
比
较
单
一
，
如
要
求
输
出
量
恒
定
或
要
求
输
出
量
跟
随
期
望
的
运
动
轨
迹
变
化
。
如
在
复
杂
的
工
业
过
程
控
制
系
统
中
，
除
了
要
求
对
各
被
控
物
理
量
实
现
定
值
调
节
外
，
还
要
求
实
现
整
个
系
统
的
自
动
启
停
、
故
障
的
自
动
诊
断
以
及
紧
急
情
况
的
自
动
处
理
等
功
能
，
就
要
用
智
能
控
制
系
统
了
。
可
以
概
括
为
：
智
能
控
制
是
“
三
高
三
性
”
的
产
物
。
即
“
控
制
系
统
的
高
度
复
杂
性
、
高
度
不
确
定
性
及
人
们
要
求
越
来
越
高
的
控
制
性
能
”
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智能控制的主要分支
智能控制的几个主要应用研究领域
智能机器人规划与控制
生产过程的智能监控
智能故障检测与诊断
自动加工系统的智能控制
飞行器的智能控制
医疗过程智能控制
智能仪器智能控制
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智能控制的主要分支
智能控制系统的分类
递阶控制系统
专家控制系统
模糊控制系统
学习控制系统
神经控制系统
仿生控制系统
集成智能控制系统
组合智能控制系统
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智能控制的主要分支
智能控制主要研究内容
模糊控制
以模糊集合理论为基础的控制方法，模仿人的控
制经验而不
与常规控制方法相比，模糊控制有以下特点：
模糊控制完全是在操作人员控制经验基础上实现
对系统的控制，无需建立数学模型，是解决不确
定性系统的一种有效途径。
模糊控制具有较强的鲁棒性，被控对象参数的变
化对模糊控制的影响不明显，可用于非线性、时
变、时滞系统的控制。
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智能控制的主要分支
由离线计算得到控制查询表，提高了控制系统的
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，为智能控制应用打下了基础。是依
赖控制对象的模型。
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智能控制的主要分支
模糊控制器的一般结构
32
智能控制的主要分支
神经网络控制
部分地表现出人脑的某些智能特性，人们从结构
和信息处理机制模拟的角度建立了生物神经网络
的模型，即人工神经网络。
人工神经网络虽然反映了人脑功能的基本特性，
但远不是自然神经网络的逼真描写，而只是它的
某种简化、抽象和模拟。
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智能控制的主要分支
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智能控制的主要分支
人工神经网络具有几个突出的特点：
可以充分逼近任意复杂的非线性关系；
所有定量或定性的信息都分布贮存于网络内的各
神经元的连接上，故有很强的鲁棒性和容错性；
采用并行分布处理方法，使得快速进行大量运算
成为可能；
可学习和自适应不知道或不确定的系统。
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智能控制的主要分支
专家控制系统
专家系统是人工智能应用领域最成功的分支之一，
始于60年代中期。随着应用的不断成功，专家系
统技术越来越受人们的重视。
80年代专家系统的概念和方法被引入控制领域，
促进了专家控制系统的研究和应用，它在控制领
域的应用已涉及到控制系统辅助设计、分析和专
家控制等方面。
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智能控制的主要分支
专家系统简化结构图
知识库
推理机
专家知识
输入或提问 答案
专家系统简化结构图
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智能控制的主要分支
专家控制系统具有如下特点：
一定程度上模拟人的思维活动规律，能进行自动
推理，善于应付各种变化，具有透明性和灵活性。
不断监督生产过程，实现特定性能指标下的优化
控制，能处理大量低层信息，可进行操作指导。
相对传统控制，扩展了许多功能，如复杂系统的
高质量控制，故障诊断和容错控制，参数和算法
的自动修改，不同算法的组合等。
深层知识的引入，可以弥补专家经验的不足，可
以自然地消除决策冲突。
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智能控制的主要分支
(a)直接专家控制系统框图
(b)间接专家控制系统框图
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智能控制的主要分支
分层递阶智能控制
分层递阶智能控制是在研究学习控制系统的基础
上，从工程控制出发，总结人工智能与自适应控
制、自学习控制及自组织控制的关系后逐渐形成
的。
G．N．Sariidis最早提出了分层递阶智能控制。
分层递阶智能控制具有两个明显的特点：
对控制来讲，自上而下控制精度愈来愈高；
对识别来讲，自下而上信息回馈愈来愈粗略。
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智能控制的主要分支
该系统由组织级、协调级、
执行级组成，按照自上而
下精确程度渐增、智能程
度渐减的原则进行功能分
配。
在这类多层智能控制系统
中，智能主要体现在高层
次上，其主要作用是模仿
人的功能实现规划、决策、
学习和任务协调等任务。
执行级仍然采用现有数学
解析控制算法，对数值进
行操作和运算。
组织级
协调级
执行级
对象
识别
用户指令
三级递阶控制结构
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智能控制的主要分支
学习控制
模拟人类自身各种优良控制调节机制的一种尝试，
能在运行过程中逐步获得被控过程及环境的非预
知信息，积累控制经验，并在一定评价标准下进
行估值、分类、决策和不断改善系统品质的自动
控制系统。学习控制系统通过对系统性能的评价
和优化来调整系统的结构和参数，好的优化理论
和算法是其系统设计的关键。遗传算法有潜力。
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智能控制的主要分支
在智能控制系统的研究与应用中，常将几种常
用类型结合起来，构成各种综合智能控制系
统。例如，模糊神经网络智能控制系统，专
家模糊智能控制系统，神经网络专家智能控
制系统等等。
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智能控制的结构理论体系
智能控制的结构理论
智能控制具有十分明显的跨学科(多元)结构特点。
在此，我们主要讨论智能控制的二元交集结构、
三元交集结构和四元交集结构三种思想，它们分
别由下列各交集(通集)表示：
IC=AI∩AC
IC=AI∩CT∩OR
IC=AI∩CT∩IT∩OR
• AI--人工智能(Artificial Intelligence)
• AC--自动控制(Automatic Control)
• CT--控制论(Control Theory)
• OR--运筹学(Operation Research)
• IT--信息论(Information Theory,Informatics)；
• IC--智能控制(Intelligent Control)
• ∩表示交集和连词"与"符号。
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智能控制的结构理论体系
二元结构
傅京孙1971年提出把智能控制作为人工智能和自
动控制的交接领域。
他曾对几个与自学习控制（learning control ）
有关的领域进行了研究。为了强调系统的问题求
解和决策能力，他用“智能控制系统”来包括这
些领域。他指出：智能控制系统描述自动控制系
统与人工智能的交接作用。
IC ACAI
智能控制的二元结构
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智能控制的结构理论体系
三元结构
萨里迪斯（Saridis）于1977年提出三元智
能控制结构，把傅京孙的智能控制看作为
人工智能、自动控制和运筹学的交接。
IC
AC
AI
智能控制的三元结构
OR
46
智能控制的结构理论体系
萨里迪斯同时还提出分
级智能控制系统
第一级：组织级，代表系
统的主导思想，并由人工
智能起控制作用。
第二级：协调级，是上下
级间的接口，由人工智能
和运筹学起控制作用。
第三级：执行级，是智能
控制系统的最低层级，要
求具有很高的精度，由控
制理论进行控制。
组织级
分配器
协调器1 协调器N
硬件控制器
1
硬件控制器N
过程1 过程N
组织级
协调级
执行级
┅
┅
┅
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智能控制的结构理论体系
四元结构
在研究了前述各种智能控制的结构理论、知识、
信息和智能的定义以及各相关学科的关系之后。
蔡自兴提出四元智能控制结构，把智能控制看做
自动控制、人工智能、信息论和运筹学四个学科
的交集。
IC ORAC
AI
IT
智能控制的四元结构
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智能控制的结构理论体系
为什么把信息论作为智能控制结构的一个子集
？
控制论、系统论和信息论是紧密相互作用的；
信息论已成为控制智能机器的工具；
信息熵成为智能控制的测度；
信息论参与智能控制的全过程，并对执行级起到
核心作用。
49
近年来，智能
控制在众多新
兴学科和新技
术的有力推动
下，取得了丰
硕的成果，可
以用右图的智
能控制成果树
来描述。
50
思考题？
智能控制的产生背景、基本特
点和发展过程？
智能控制的基本概念和结构？
智能控制研究的主要内容？
