人工智能在自动控制中的应用浅析

人工智能在自动控制系统中的应用浅析

姓名:蔡志威 学号:2011080911 专业:电路与系统

摘 要:现如今,计算机技术已经成为全球最普及的信息技术, 人类的大脑是最为发达的机器,计算机所有的编程都是效仿人类的电脑,对其信息进行采集、分析、处理、反馈等,所以计算机程序以效仿人类大脑为主要目的来实现我们自动化发展。对于电气自动化的整个控制流程都是通过自动化设备来完成整个生产、 分配等过程,这样就从很大的程度上降低了成本,工作效率也相应提高。随着信息技术的发展,不断有新技术进入工程化、产品化阶段,这对自动控制技术提出新的挑战,促进智能理论在控制技术中的应用,以解决用传统的方法难以解决的问题。

关键词:人工智能 计算机 自动化 应用

1.研究背景

人工智能(Artificial Intelligence),英文缩写为AI 。 它是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学,是计算机科学的一个分支。人工智能就其本质而言,是对人的思维的信息过程的模拟。对于人的思维模拟可以从两条道路进行,一是结构模拟,仿照人脑的结构机制,制造出 “类人脑”的机器;二是功能模拟,暂时撇开人脑的内部结构,而从其功能过程进行模拟。 通过人工智能本质方向的了解,生产出了一个与人类大脑做出雷同反应的智能化机器,这个主要包含语言识别、自然语言处理、 机器人、专家系统和图像识别等。

“人工智能”一词是在1956年Dartmouth 学会上提出的,人工智能发展迅速,成为以计算机主流,涉及信息论、 控制论、自动化、 生物学、 心理学、 语言学、 医学和哲学等多版学科。 对于其主要的目的就是通过使用机器设备能够达到智能效果,依赖机器来完成复杂性的工作。

智能化的电气自动控制系统主要就是为了加强整个劳动分配过程,实现了计算机智能化,这样一来大大的减少了人为劳动过程,加强了工作效率,譬如:铝电解生产中的模糊自适应控制技术,就是大量使用了人工智能技术。 在我们国家主要是通过廉价输出的劳动力来得出的经济数值但是远远没有达到其他较发达的国家经济水平。在我们电气自动化控制中加强人工化智能的使用,研制出一个能类似于人类判断系统、 处理功能的控制系统,加强我们生产的能力,推动我们国家的经济发展。

2.人工智能的优势

经典控制理论的方法,是针对研究的对象系统,先建立一定的数学描述——即模型。 它能够反映出被控制系统的全部主要特征,并能定量的确定下来,同时在数学上或物理上易于分析处理。 这样确定下来的控制系统的数学模型,是描述系统输入、 输出物理量(或变量) ,以及内部各物理量(或变量) 之间关系的数学表达式。合理的数学模型应以最简化的形式,正确代表被控制对象或系统的动态特性。通常,忽略了一些对系统特征影响较小的次要因素后, 即可得一个简化的数学模型(对于自动控制系统, 通常是线性微分方程) 。线性控制系统的研究有重要的使用价值, 因为线性微分方程的求解较易,一般都有标准的方法。 特别是,可以用拉氏变换求解线性微分方程。线性系统满足叠加原理,这使对线性系统的研究更加方便。

用拉氏变换解线性常微分方程, 可将数学中的微积分运算转化为代数运算, 并能单独地表明初始条件的影响,是一种简单易行的工程数学方法。有了微分方程的拉氏变换后,即可以得到非常有用的传递函数。

传递函数定义为系统输入量的拉氏变换式与输出量的拉氏变换式之比,它是复变量 S的函数。 传递函数的形式只决定于系统的结构和参数,与输入量的大小和形式无关。它是一种高度抽象的数学模型。 因此,对于具有同样传递函数的系统,输入输出的物理量不同,则代表的物理意义不同(比如具有同样传递函数的两个完全不同的系统——一个是机械系统, 一个是电子系统) 。 这就是人们在实验室通过电子系统做模拟实际动力机械系统实验的理论基础。对于一个自动控制系统,建立了数学模型——即系统的传递函数以后, 就可以运用一定的方法对系统的控制性能进行全面的分析和计算。 对于线性定常系统,常用的工程方法有时域分析法、 根轨迹法和频率法。所谓时域分析法,即控制系统以时间作为独立变量,研究分析系统的输出。 通过对系统外施一给定的输入信号,研究系统的时间响应来评价系统的性能。在时域分析法中,根据系统的微分方程,以拉氏变换作为数学工具,直接解出控制系统的时间响应, 然后根据响应的表达式及其描述曲线来分析系统的控制性能,诸如稳定性、快速性、稳定精度等。

把人工智能的方法引入控制系统, 将控制理论的分析和理论的洞察力与人工智能的灵活框架结合起来,才有可能得到新的认识上的突破。智能控制系统具有拟人的智能或仿人的智能,即人工智能。这种智能主要表现在智能决策上,能够有效地解决复杂性和不确定性的控制问题。模糊控制就是在研究人的控制行为特点的基础上发展起来的。对于无法构造数学模型的被控制对象,让计算机模仿人的思维方式,进行控制决策。人的控制可以用语言加以描述,总结成一系列的条件语句,即控制规则。运用微机的程序来实现这些控制规则,这样就很像是人的思考行为了。总之,模糊控制是基于专家经验和专业领域的知识,总结出若干条模糊控制规则,构成描述具有不确定性复杂对象的模糊关系,通过被控系统输出误差和模糊关系的推理合成来获得控制量, 从而对系统进行控制。

模拟人类大脑的机能,人们又创造出了人工神经网络(可以通过计算机软件实现或通过大规模集成化硬件电路实现) ,并且进一步实现了神经网络控制系统。 即在控制系统中采用神经网络这一工具对难以精确描述的复杂的非线性对象进行建模或充当控制器, 或优化计算,或进行推理,故障诊断等。神经网络控制具有很强的逼近非线性函数的能力,即非线性映射能力. 神经网络还具有自学能力、自适应能力. 可以实现最优化的决策控制,神经网络学习控制,自组织控制,将神经网络控制与模糊控制相结合,可以实现更加复杂高效的神经网络模糊控制系统。在人工智能的新技术不断出现及智能控制的应用不断深化的过程中, 神经网络必将在和其他的新技术相融合中,发挥出更大的作用。

多种的人工智能化系统的控制功能用不相同的方法研究。但AI 控制器例如:神经、模糊、 模糊神经以及遗传算法都是一类非线性函数近似器。分别对它们进行分类研究,有助于制定统一的开发策略。这些AI 函数近似器比常规的函数估计器有明显的优势。

(1)通过适当调整(根据响应时间、下降时间、鲁棒性能等) 可提高性能。

例如:模糊逻辑控制器的上升时间比最优PID 控制器快1.5倍,下降时间快3.5倍,过冲更小。

(2)它们的设计不需要控制对象的模型(很多时候,很难得到实际控制对象的精确动态方程,实际控制对象的模型在控制器设计时往往有很多不确实性因素,例如:参数变化,非线性时等) 。

(3)它们比古典控制器容易调节。

(4)在没有必须专家知识时,通过响应数据也能设计它们。

(5)运用语言和响应信息能设计它们。

(6)它们有相当好的一致性(当使用一些新的未知输入数据就能得到好的估计) ,与驱动器的特

性无关。 现在没有使用人工智能的控制算法对特定对象控制效果十分好,但对其他控制对象效果就不会一致性地好,因此对具体对象必须具体设计。

(7)对于常规方法不能解决的问题可利用它们解决。

(8)能很好的适应新数据或新信息。

(9)抗噪声干扰能力非常好。

(10)它们很容易扩展和修改。

(11)它们的实现十分便宜,特别是使用最小配置时。

总之,在我们利用规则库、 模糊神经控制器以及和隶属函数能够自动的在反模糊化和模糊化的过程中自行确定。 运用多方面的方式将整个过程表达出来,在过程中通过系统技术来完成整体解的过程,在过程中寻找出简易化的结构配置,达到收敛迅速,学习快速。

3.人工智能的应用表现

在人工智能化发展突飞猛进的今天,在很多的高等学府都开设了人工智能化电气专业以及很多的科研机构也对其开展了全面的研究工作,譬如,故障的诊断、设计的优化、智能控制等领域都在使用人工智能化。

3.1 设计的优化

在设计电气类设备类的工作是一个极为复杂性的工作,不单单要会专业的电气、电路等专业的知识内容,还要将设计中的知识运用在里面。最为传统化的方式,最早是采用了简易的实验方式方法和具有经验的老师傅用手工方式来完成的,从某种意义上来说很难达到最优的效果。 随着我们智能化发展以及计算机领域的发展,设计的方式也在有简单的手工操作到电脑辅助设计(AUTO CAD) ,从很大的程度上节约了时间和研发周期。人工智能化的出现,使得电脑设计(CAD)系统也在不断的更新,整体产品无论从研发、设计到成品都等到了全面的提高。人工智能技术采用优化设计的方式方法主要有遗传算法和专家系统。遗传算法是一种比较先进的优化算法,对于产品的优化设计是很适合的。为此对于此类设计往往都是采用这样的方式方法或加以改进。

3.2 诊断故障

电气设备一旦出现问题,其征兆与实际问题的出现其关联性是非常的复杂的,很难判断及确定的,如果使用人工智能系统恰恰的解决了这一难题。已经通过人工智能技术判断故障系统的有:模糊逻辑、专家系统、神经网络。

在电力系统中,变压器是非常普遍的且受关注的,也有很多对它的研究。目前主要通过变压器油中分解的气体来进行变压器的故障诊断,判断其故障的程度。在发电机及在电动机、 发电机方面采用人工智能故障诊断技术也是非常的普遍的。

3.3 人工智能化控制

人工智能信息化应用在如今已经普及到我们身边各个领域当中,比如:铝电解生产中的模糊自适应控制技术就是如此,但是在有关此类报道确是很少。 有三种人工智能的控制方法:模糊控制、神经网络控制和专家系统控制。 最常见是模糊控制,实例也很多,其非常的简单且实际意义很广。

4. 人工智能的技术展望

技术的发展总是超乎人们的想象,要准确地预测人工智能的未来是不可能的。但是,从目前的一些前瞻性研究可以看出,未来人工智能可能会向以下几个方面发展:模糊处理、并行化、神经网络和机器情感。

人工智能作为一个整体的研究才刚刚开始, 离我们的目标还很遥远,但人工智能在某些方面将会有大的突破。

(1)自动推理是人工智能最经典的研究分支, 其基本理论是人工智能其它分支的共同基础。一直以来自动推理都是人工智能研究的最热门内容之一,其中知识系统的动态演化特征及可行性推理的研究是最新的热点,很有可能取得大的突破。

(2)机器学习的研究取得长足的发展。许多新的学习方法相继问世并获得了成功的应用, 如增强学习算法、reinforcement learning等。也应看到, 现有的方法处理在线学习方面尚不够有效, 寻求一种新的方法,以解决移动机器人、自主agent 、智能信息存取等研究中的在线学习问题是研究人员共同关心的问题, 相信不久会在这些方面取得突破。

(3)自然语言处理是AI 技术应用于实际领域的典型范例, 经过A I研究人员的艰苦努力, 这一领域已获得了大量令人瞩目的理论与应用成果。许多产品已经进入了众多领域。智能信息检索技术在Internet 技术的影响下,近年来迅猛发展, 已经成为了AI 的一个独立研究分支。由于信息获取与精化技术已成为当代计算机科学与技术研究中迫切需要研究的课题,将A I 技术应用于这一领域的研究是人工智能走向应用的契机与突破口。从近年的人工智能发展来看,这方面的研究已取得了可喜的进展。

工智能发展的最高水平的体现就是现代智能机器人。智能机器人要实现更为复杂的仿人控制,就不仅要使它具有人类的智力思维模式, 还需要使机器人具有人类的情感思维模式。研究表明,人类的思维决策是辩证逻辑思维与情感思维的结合。情感思维可以使个体以最佳的行为方式 (即控制方式 ) ,与社会的其他成员, 特别是与其具有情感联系的某些人之间协同交互作用,达到最优化的效果。在未来的智能机器人控制系统中,不具备情感思维模式的控制是难以想象的,是不完备的. 这就是要在机器人身上,实现仿人类的人工感情思维控制。这一问题,牵涉到机器人与人类之间的情感交流以及机器人相互之间的情感交流。情感思维模式是动物, 特别是人类智慧的突出表现, 是生物, 特别是人类在长期的社会进化中所逐渐形成的复杂控制系统. 如何能以在机器人身上得到实现, 将是控制理论要进一步深入研究的课题, 也是人工智能发展必将达到的新阶段。

5. 结束语

人工智能主要通过行为的能力、感知观、思维判断能力这三个方面组合而成,应用也十分广泛,例如,问题的解答、整体的逻辑性、自动化的程序设计、定理的证明、机器人学等等,这些方面完完全全体现的是自动化的形式表现,都在说明一个问题,那就是提高智能化,将人类思维通过机械化来完成,只有这样智能化的电气自动化才能发挥才能,做出更大的成绩。 此外,人工智能技术已经广泛应用于铝电解生产中自动控制,并且起到了很好的效果。

随着微电子技术、软件技术的不断进步,人工智能的实现在相当长时期内仍应保持两条腿走路。软件方面,新的开发工具不断出现,使人工智能越来越方便地运用于各种领域。硬件方面,性能更好、价格更低的人工智能芯片将不断涌现。这诸多方面都体现了一个自动化的特征,表达了一个共同的主题,即提高机械人类意识能力,强化控制自动化。因此人工智能在电气自动化领域将会大有作为,电气自动化控制也需要人工智能的参与。

参考文献:

[1] 陆伟民。人工智能技术及应用[M].上海:同济大学出版社,1998.

[2] 彭启琮。DSP 技术[M]。成都:电子科技大学出版社,1997.

[3] 刘豹. 现代控制理论 [M ].北京: 机械工业出版社, 2004 .

[4] 李士勇. 模糊控制、神经控制和智能控制论 [M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 1996 .


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