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智能控制
來源:作者:日期:2015-03-20 17:17:36點(diǎn)擊:15635次
智能控制(intelligent controls)在無人干預(yù)的情況下能自主地驅(qū)動智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的自動控制技術(shù)。 控制理論發(fā)展至今已有100多年的歷史,經(jīng)歷了“經(jīng)典控制理論”和“現(xiàn)代控制理論”的發(fā)展階段,已進(jìn)入“大系統(tǒng)理論”和“智能控制理論”階段。智能控制理論的研究和應(yīng)用是現(xiàn)代控制理論在深度和廣度上的拓展。20世紀(jì)80年代以來,信息技術(shù)、計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展及其他相關(guān)學(xué)科的發(fā)展和相互滲透,也推動了控制科學(xué)與工程研究的不斷深入,控制系統(tǒng)向智能控制系統(tǒng)的發(fā)展已成為一種趨勢。

1簡介

自1971年傅京孫教授提出“智能控制”概念以來,智能控制已經(jīng)從二元論(人工智能和控制論)發(fā)展到四元論(人工智能、模糊集理論、運(yùn)籌學(xué)和控制論),在取得豐碩研究和應(yīng)用成果的同時(shí),智能控制理論也得到不斷的發(fā)展和完善。智能控制是多學(xué)科交叉的學(xué)科,它的發(fā)展得益于人工智能、認(rèn)知科學(xué)、模糊集理論和生物控制論等許多學(xué)科的發(fā)展,同時(shí)也促進(jìn)了相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。智能控制也是發(fā)展較快的新興學(xué)科,盡管其理論體系還遠(yuǎn)沒有經(jīng)典控制理論那樣成熟和完善,但智能控制理論和應(yīng)用研究所取得的成果顯示出其旺盛的生命力,受到相關(guān)研究和工程技術(shù)人員的關(guān)注。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,智能控制的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嗤卣梗碚摵图夹g(shù)也必將得到不斷的發(fā)展和完善。

2發(fā)展

智能控制器是以自動控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心,集成微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、信息傳感技術(shù)、顯示與界面技術(shù)、通訊技術(shù)、電磁兼容技術(shù)等諸多技術(shù)而形成的高科技產(chǎn)品。作為核心和關(guān)鍵部件,智能控制器內(nèi)置于設(shè)備、裝置或系統(tǒng)之中,扮演“神經(jīng)中樞”及“大腦”的角色。
20世紀(jì)90年代中期之后,智能控制器行業(yè)日益成熟,作為一個(gè)獨(dú)立的行業(yè),其發(fā)展受到了雙重動力的驅(qū)動,其一是市場驅(qū)動,市場需求的增長和市場應(yīng)用領(lǐng)域的持續(xù)擴(kuò)大,致使智能控制器至今已經(jīng)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、家用、軍事等幾乎所有領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用;其二是技術(shù)驅(qū)動,隨著相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的日新月異,智能控制器行業(yè)作為一個(gè)高科技行業(yè)得到了飛速發(fā)展。
2012年全球智能控制器行業(yè)市場規(guī)模接近6800億美元。從地域分布上看,歐洲和北美市場是智能控制產(chǎn)品的兩大主要市場,市場規(guī)模占全球智能控制市場的56%,主要是由于這兩大區(qū)域在小型生活電器、汽車、大型生活電器、電動工具等領(lǐng)域的市場發(fā)展比較成熟,產(chǎn)品普及率高,未來幾年內(nèi)歐洲和北美將繼續(xù)占有主要市場地位。
智能控制產(chǎn)品在中國等發(fā)展中國家的應(yīng)用仍處于初級階段,現(xiàn)階段市場規(guī)模不大,但是增長速度較高,擁有巨大的發(fā)展空間。目前我國智能控制器行業(yè)規(guī)模為4200億元,2004年以來的年均增長率接近19%。汽車電子和大型生活電器是中國電子智能控制產(chǎn)品傳統(tǒng)主要應(yīng)用領(lǐng)域,市場占有率分別為31%和10%左右。小型生活電器產(chǎn)品種類眾多,目前我國小型生活電器智能控制產(chǎn)品應(yīng)用還不普及,正處于高速發(fā)展階段,市場空間巨大。此外,電動汽車、智能建筑及家居等新興領(lǐng)域的崛起也將帶動智能控制器需求的快速增長。
智能控制產(chǎn)品行業(yè)由于下游廠商需求分散造成了產(chǎn)品差異較大、產(chǎn)能較分散,因此全球智能控制產(chǎn)品行業(yè)總體集中度較低。

3概念

智能控制的基本概念 
智能控制的定義一: 智能控制是由智能機(jī)器自主地實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的過程。而智能機(jī)器則定義為,在結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化的,熟悉的或陌生的環(huán)境中,自主地或與人交互地執(zhí)行人類規(guī)定的任務(wù)的一種機(jī)器。
定義二: K.J.奧斯托羅姆則認(rèn)為,把人類具有的直覺推理和試湊法等智能加以形式化或機(jī)器模擬,并用于控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)中,使之在一定程度上實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的智能化,這就是智能控制。他還認(rèn)為自調(diào)節(jié)控制,自適應(yīng)控制就是智能控制的低級體現(xiàn)。
定義三: 智能控制是一類無需人的干預(yù)就能夠自主地驅(qū)動智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的自動控制,也是用計(jì)算機(jī)模擬人類智能的一個(gè)重要領(lǐng)域。
定義四: 智能控制實(shí)際只是研究與模擬人類智能活動及其控制與信息傳遞過程的規(guī)律,研制具有仿人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)的一個(gè)新興分支學(xué)科。

產(chǎn)生及發(fā)展

自1932年奈魁斯特(H.Nyquist)的有關(guān)反饋放大器穩(wěn)定性論文發(fā)表以來,控制理論的發(fā)展已走過了60多年的歷程。一般認(rèn)為,前30年是經(jīng)典控制理論的發(fā)展和成熟階段,后30年是現(xiàn)代控制理論的形成和發(fā)展階段。隨著研究的對象和系統(tǒng)越來越復(fù)雜,借助于數(shù)學(xué)模型描述和分析的傳統(tǒng)控制理論已難以解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題。智能控制是針對控制對象及其環(huán)境、目標(biāo)和任務(wù)的不確定性和復(fù)雜性而產(chǎn)生和發(fā)展起來的。
從20世紀(jì)60年代起,計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)迅速發(fā)展,為了提高控制系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)能力,控制界學(xué)者開始將人工智能技術(shù)應(yīng)用于控制系統(tǒng)。
1965年,美籍華裔科學(xué)家傅京孫教授首先把人工智能的啟發(fā)式推理規(guī)則用于學(xué)習(xí)控制系統(tǒng),1966年,Mendel進(jìn)一步在空間飛行器的學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)中應(yīng)用了人工智能技術(shù),并提出了“人工智能控制”的概念。1967年,Leondes和Mendel首先正式使用“智能控制”一詞。
20世紀(jì)70年代初,傅京孫、Glofis0和Saridis等學(xué)者從控制論角度總結(jié)了人工智能技術(shù)與自適應(yīng)、自組織、自學(xué)習(xí)控制的關(guān)系,提出了智能控制就是人工智能技術(shù)與控制理論的交叉的思想,并創(chuàng)立了人機(jī)交互式分級遞階智能控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
20世紀(jì)70年代中期,以模糊集合論為基礎(chǔ),智能控制在規(guī)則控制研究上取得了重要進(jìn)展。1974年,Mamdani提出了基于模糊語言描述控制規(guī)則的模糊控制器,將模糊集和模糊語言邏輯用于工業(yè)過程控制,之后又成功地研制出自組織模糊控制器,使得模糊控制器的智能化水平有了較大提高。模糊控制的形成和發(fā)展,以及與人工智能的相互滲透,對智能控制理論的形成起了十分重要的推動作用。
20世紀(jì)80年代,專家系統(tǒng)技術(shù)的逐漸成熟及計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展,使得智能控制和決策的研究也取得了較大進(jìn)展。1986年,K.J.Astrom發(fā)表的著名論文《專家控制》中,將人工智能中的專家系統(tǒng)技術(shù)引入控制系統(tǒng),組成了另一種類型的智能控制系統(tǒng)——專家控制。目前,專家控制方法已有許多成功應(yīng)用的實(shí)例。

詳解

對許多復(fù)雜的系統(tǒng),難以建立有效的數(shù)學(xué)模型和用常規(guī)的控制理論去進(jìn)行定量計(jì)算和分析,而必須采用定量方法與定性方法相結(jié)合的控制方式。定量方法與定性方法相結(jié)合的目的是,要由機(jī)器用類似于人的智慧和經(jīng)驗(yàn)來引導(dǎo)求解過程。因此,在研究和設(shè)計(jì)智能系統(tǒng)時(shí),主要注意力不放在數(shù)學(xué)公式的表達(dá)、計(jì)算和處理方面,而是放在對任務(wù)和現(xiàn)實(shí)模型的描述、符號和環(huán)境的識別以及知識庫和推理機(jī)的開發(fā)上,即智能控制的關(guān)鍵問題不是設(shè)計(jì)常規(guī)控制器,而是研制智能機(jī)器的模型。此外,智能控制的核心在高層控制,即組織控制。高層控制是對實(shí)際環(huán)境或過程進(jìn)行組織、決策和規(guī)劃,以實(shí)現(xiàn)問題求解。為了完成這些任務(wù),需要采用符號信息處理、啟發(fā)式程序設(shè)計(jì)、知識表示、自動推理和決策等有關(guān)技術(shù)。這些問題求解過程與人腦的思維過程有一定的相似性,即具有一定程度的“智能”。
隨著人工智能和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,已經(jīng)有可能把自動控制和人工智能以及系統(tǒng)科學(xué)中一些有關(guān)學(xué)科分支(如系統(tǒng)工程、系統(tǒng)學(xué)、運(yùn)籌學(xué)、信息論)結(jié)合起來,建立一種適用于復(fù)雜系統(tǒng)的控制理論和技術(shù)。智能控制正是在這種條件下產(chǎn)生的。它是自動控制技術(shù)的最新發(fā)展階段,也是用計(jì)算機(jī)模擬人類智能進(jìn)行控制的研究領(lǐng)域。1965年,傅京孫首先提出把人工智能的啟發(fā)式推理規(guī)則用于學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)。1985年,在美國首次召開了智能控制學(xué)術(shù)討論會。1987年又在美國召開了智能控制的首屆國際學(xué)術(shù)會議,標(biāo)志著智能控制作為一個(gè)新的學(xué)科分支得到承認(rèn)。智能控制具有交叉學(xué)科和定量與定性相結(jié)合的分析方法和特點(diǎn)。
一個(gè)系統(tǒng)如果具有感知環(huán)境、不斷獲得信息以減小不確定性和計(jì)劃、產(chǎn)生以及執(zhí)行控制行為的能力,即稱為智能控制系統(tǒng). 智能控制技術(shù)是在向人腦學(xué)習(xí)的過程中不斷發(fā)展起來的,人腦是一個(gè)超級智能控制系統(tǒng),具有實(shí)時(shí)推理、決策、學(xué)習(xí)和記憶等功能,能適應(yīng)各種復(fù)雜的控制環(huán)境.
智能控制與傳統(tǒng)的或常規(guī)的控制有密切的關(guān)系,不是相互排斥的. 常規(guī)控制往往包含在智能控制之中,智能控制也利用常規(guī)控制的方法來解決“低級”的控制問題,力圖擴(kuò)充常規(guī)控制方法并建立一系列新的理論與方法來解決更具有挑戰(zhàn)性的復(fù)雜控制問題.
1. 傳統(tǒng)的自動控制是建立在確定的模型基礎(chǔ)上的,而智能控制的研究對象則存在模型嚴(yán)重的不確定性,即模型未知或知之甚少者模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)在很大的范圍內(nèi)變動,比如工業(yè)過程的病態(tài)結(jié)構(gòu)問題、某些干擾的無法預(yù)測,致使無法建立其模型,這些問題對基于模型的傳統(tǒng)自動控制來說很難解決。
2. 傳統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)的輸入或輸出設(shè)備與人及外界環(huán)境的信息交換很不方便,希望制造出能接受印刷體、圖形甚至手寫體和口頭命令等形式的信息輸入裝置,能夠更加深入而靈活地和系統(tǒng)進(jìn)行信息交流,同時(shí)還要擴(kuò)大輸出裝置的能力,能夠用文字、圖紙、立體形象、語言等形式輸出信息。另外,通常的自動裝置不能接受、分析和感知各種看得見、聽得著的形象、聲音的組合以及外界其它的情況。 為擴(kuò)大信息通道,就必須給自動裝置安上能夠以機(jī)械方式模擬各種感覺的精確的送音器,即文字、聲音、物體識別裝置。 可喜的是,近幾年計(jì)算機(jī)及多媒體技術(shù)的迅速發(fā)展,為智能控制在這一方面的發(fā)展提供了物質(zhì)上的準(zhǔn)備,使智能控制變成了多方位“立體”的控制系統(tǒng)。
3. 傳統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)對控制任務(wù)的要求要么使輸出量為定值(調(diào)節(jié)系統(tǒng)),要么使輸出量跟隨期望的運(yùn)動軌跡(跟隨系統(tǒng)),因此具有控制任務(wù)單一性的特點(diǎn),而智能控制系統(tǒng)的控制任務(wù)可比較復(fù)雜,例如在智能機(jī)器人系統(tǒng)中,它要求系統(tǒng)對一個(gè)復(fù)雜的任務(wù)具有自動規(guī)劃和決策的能力,有自動躲避障礙物運(yùn)動到某一預(yù)期目標(biāo)位置的能力等.。對于這些具有復(fù)雜的任務(wù)要求的系統(tǒng),采用智能控制的方式便可以滿足。
4. 傳統(tǒng)的控制理論對線性問題有較成熟的理論,而對高度非線性的控制對象雖然有一些非線性方法可以利用,但不盡人意。 而智能控制為解決這類復(fù)雜的非線性問題找到了一個(gè)出路,成為解決這類問題行之有效的途徑。 工業(yè)過程智能控制系統(tǒng)除具有上述幾個(gè)特點(diǎn)外,又有另外一些特點(diǎn),如被控對象往往是動態(tài)的,而且控制系統(tǒng)在線運(yùn)動,一般要求有較高的實(shí)時(shí)響應(yīng)速度等,恰恰是這些特點(diǎn)又決定了它與其它智能控制系統(tǒng)如智能機(jī)器人系統(tǒng)、航空航天控制系統(tǒng)、交通運(yùn)輸控制系統(tǒng)等的區(qū)別,決定了它的控制方法以及形式的獨(dú)特之處。
5. 與傳統(tǒng)自動控制系統(tǒng)相比,智能控制系統(tǒng)具有足夠的關(guān)于人的控制策略、被控對象及環(huán)境的有關(guān)知識以及運(yùn)用這些知識的能力。
6. 與傳統(tǒng)自動控制系統(tǒng)相比,智能控制系統(tǒng)能以知識表示的非數(shù)學(xué)廣義模型和以數(shù)學(xué)表示的混合控制過程,采用開閉環(huán)控制和定性及定量控制結(jié)合的多模態(tài)控制方式。
7. 與傳統(tǒng)自動控制系統(tǒng)相比,智能控制系統(tǒng)具有變結(jié)構(gòu)特點(diǎn),能總體自尋優(yōu),具有自適應(yīng)、自組織、自學(xué)習(xí)和自協(xié)調(diào)能力。
8. 與傳統(tǒng)自動控制系統(tǒng)相比,智能控制系統(tǒng)有補(bǔ)償及自修復(fù)能力和判斷決策能力。
總之,智能控制系統(tǒng)通過智能機(jī)自動地完成其目標(biāo)的控制過程,其智能機(jī)可以在熟悉或不熟悉的環(huán)境中自動地或人─機(jī)交互地完成擬人任務(wù)

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