智能控制及其MATLAB實(shí)現(xiàn)

　　內(nèi)容簡(jiǎn)介目錄本書系統(tǒng)地論述了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊邏輯控制和模型預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的基本概念、工作原理、控制算法及其利用MATLAB和Simulink實(shí)現(xiàn)的方法。該書取材先進(jìn)實(shí)用，講解深入淺出，各章均有大量用MATLAB編寫的仿真實(shí)例，便于讀者掌握和鞏固所學(xué)知識(shí)。 本書可作為從事智能控制與智能系統(tǒng)研究、設(shè)計(jì)和應(yīng)用的科學(xué)技術(shù)人員的參考用書，也可作為高等院校自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)、電子和通信以及機(jī)電工程等專業(yè)研究生和高年級(jí)本科生的教材。今天，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)正以極大的魅力吸引著世界上眾多專家、學(xué)者為之奮斗。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)特有的非線性適應(yīng)性信息處理能力，克服了傳統(tǒng)人工智能方法對(duì)于直覺(jué)，如模式、語(yǔ)音識(shí)別、非結(jié)構(gòu)化信息處理方面的缺陷，使之在神經(jīng)專家系統(tǒng)、模式識(shí)別、智能控制、組合優(yōu)化、預(yù)測(cè)等領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與其他傳統(tǒng)方法相結(jié)合，將推動(dòng)人工智能和信息處理技術(shù)不斷發(fā)展。近年來(lái)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)正向模擬人類認(rèn)知的道路上更加深入發(fā)展，與模糊系統(tǒng)、遺傳算法、進(jìn)化機(jī)制等結(jié)合，形成計(jì)算智能，成為人工智能的一個(gè)重要方向，將在實(shí)際應(yīng)用中得到發(fā)展。模糊控制作為結(jié)合傳統(tǒng)的基于規(guī)則的專家系統(tǒng)、模糊集理論和控制理論的成果而誕生，它是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)控制。在模糊控制中，并不是像傳統(tǒng)控制那樣需要對(duì)被控過(guò)程進(jìn)行定量的數(shù)學(xué)建模，而是試圖通過(guò)從能成功控制被控過(guò)程的領(lǐng)域?qū)＜夷抢铽@取知識(shí)，即專家行為和經(jīng)驗(yàn)。從線性控制與非線性控制的角度分類，模糊控制是一種非線性控制；從控制器智能性看，模糊控制屬于智能控制的范疇，而且它已成為目前實(shí)現(xiàn)智能控制的一種重要而又有效的手段。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制在控制領(lǐng)域里已經(jīng)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)，其原因在于兩者之間的互補(bǔ)性質(zhì)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊系統(tǒng)均屬于無(wú)模型的估計(jì)器和非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，也是一種處理不確定性、非線性和其他不確定問(wèn)題的有力工具。模型預(yù)測(cè)控制（Model Predictive Control，MPC）是20世紀(jì)80年代初開始發(fā)展起來(lái)的一類新型計(jì)算機(jī)控制算法。該算法直接產(chǎn)生于工業(yè)過(guò)程控制的實(shí)際應(yīng)用，并在與工業(yè)應(yīng)用的緊密結(jié)合中不斷完善和成熟。模型預(yù)測(cè)控制算法采用了多步預(yù)測(cè)、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正等控制策略，因而具有控制效果好、魯棒性強(qiáng)、對(duì)模型精確性要求不高的優(yōu)點(diǎn)。廣義預(yù)測(cè)控制作為一種新型的遠(yuǎn)程預(yù)測(cè)控制方法，集多種算法的優(yōu)點(diǎn)為一體，具有較好的性能，受到人們的重視。該算法以CARIMA模型為基礎(chǔ)，采用了長(zhǎng)時(shí)段的優(yōu)化性能指標(biāo)，結(jié)合辨識(shí)和自校正機(jī)制，具有較強(qiáng)的魯棒性和模型要求低等特點(diǎn)，并有廣泛的適用范圍。這個(gè)算法可克服廣義最小方差（需要試湊控制量的加權(quán)系數(shù)）、·極點(diǎn)配置（對(duì)階的不確定性十分敏感）等自適應(yīng)算法中存在的缺點(diǎn)。近年來(lái)，廣義預(yù)測(cè)控制算法在國(guó)內(nèi)外控制理論界已引起了廣泛的重視，它可看成是迄今所知的自校正控制方法中最為接近具有魯棒性的一種。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯和預(yù)測(cè)控制等新學(xué)科相結(jié)合，正在顯示出其巨大的應(yīng)用潛力.針對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯和預(yù)測(cè)控制的迅速推廣應(yīng)用，MathWorks公司在其MATLAB版中添加了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯和預(yù)測(cè)控制工具箱。該工具箱由長(zhǎng)期從事神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯和預(yù)測(cè)控制研究與開發(fā)工作的有關(guān)專家和技術(shù)人員編制。工具箱提供了許多進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯和偵測(cè)控制設(shè)計(jì)和分析的工具函數(shù)，這給用尸帶來(lái)了極大的方便。即使不了解算法的本質(zhì)，也可以直接應(yīng)用功能豐富的函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)自己的目的。這些函數(shù)編程簡(jiǎn)單，可為使用者節(jié)省大量的編程時(shí)間，使其能夠把更多的精力投入到網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)而不是具體程序?qū)崿F(xiàn)上。本書就是本著把當(dāng)前國(guó)際控制界最為流行的面向工程與科學(xué)計(jì)算的高級(jí)語(yǔ)MATL~d3與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯和預(yù)測(cè)控制結(jié)合起來(lái)的宗旨編寫的。本書主要從三個(gè)方面闡述了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯和預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的數(shù)字仿真方法。第1種方法為采用MATLAB語(yǔ)言根據(jù)具體的控制算法編程進(jìn)行仿真；第2種方法為利用MATLAB提供的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯和預(yù)測(cè)控制工具箱函數(shù)直接進(jìn)行仿真；第3種方法為根據(jù)Simulink動(dòng)態(tài)仿真環(huán)境進(jìn)行仿真。其中，第2種方法最為簡(jiǎn)單，它不需要了解算法的本質(zhì)；第3種方法最為直觀，它可以在運(yùn)行仿真時(shí)觀察仿真結(jié)果；第1種方法最為復(fù)雜，它需要了解算法的本質(zhì)，要根據(jù)不同的控制算法進(jìn)行具體編程，但這種方法也最為靈活，使用者可以根據(jù)自己所提出的新算法任意編程，該方法主要用于對(duì)某種新控制算法的仿真和應(yīng)用。當(dāng)然，利用其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言也可根據(jù)控制算法進(jìn)行具體編程，但相比較而言，以利用MATLAB編程最為簡(jiǎn)單，原因是MATLAB具有強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算和圖形處理功能。而第2種和第3種方法較適合于初學(xué)者，主要用于對(duì)某種成熟控制算法的仿真和應(yīng)用。全書分3篇共9章，系統(tǒng)地論述了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊邏輯控制和模型預(yù)測(cè)控制的基本概念、工作原理和控制算法及其利用MATLAB和Simulink對(duì)其實(shí)現(xiàn)的方法。本書可作為高等院校自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)和機(jī)電工程等電子信息類專業(yè)本科生和研究生的教材，也可作為從事智能控制與智能系統(tǒng)研究、設(shè)計(jì)和應(yīng)用的科學(xué)技術(shù)人員的參考用書。鑒于本書的通用性和實(shí)用性較強(qiáng)，故它也可作為從事自動(dòng)控制及相關(guān)專業(yè)的教學(xué)、研究、設(shè)計(jì)人員和工程技術(shù)人員的參考用書。在本書的出版過(guò)程中，電子工業(yè)出版社應(yīng)用電子技術(shù)圖書事業(yè)部張榕編輯和高等教育教材事業(yè)部韓同平編輯給予了大力支持與幫助，作者在此表示深深的謝意。作者還要特別感謝參考文獻(xiàn)中所列教材、專著及論文的作者們，正是這些優(yōu)秀的作品為作者提供了非常豐富的營(yíng)養(yǎng)，使得作者能夠在自己的教學(xué)與科研的基礎(chǔ)上汲取各家之長(zhǎng)，形成一本具有自己特色的著作。由于作者水平有限，書中難免有遺漏與不當(dāng)之處，懇請(qǐng)各位專家和廣大讀者批評(píng)指正。 第1章神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論1.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本概念1.1.1生物神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)與功能特點(diǎn)1.1.2人工神經(jīng)元模型1.1.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)1.1.4神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作方式1.1.5神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)1.1.6神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類1.2典型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型1.2.1MP模型1.2.2感知機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)1.2.3自適應(yīng)線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)1.2.4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)1.2.5徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)1.2.6競(jìng)爭(zhēng)學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)1.2.7學(xué)習(xí)向量量化（LVQ）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)1.2.8Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)1.2.9 Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)1.2.10Boltzmann神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)1.2.11神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練1.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)1.3.1神經(jīng)控制的基本原理1.3.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在控制中的主要作用1.3.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的分類第2章MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱函數(shù)2.1感知機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱函數(shù)9 9線性神經(jīng)網(wǎng)工具箱函數(shù). 2.3BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱函數(shù)2.4徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱函數(shù)2.5自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱函數(shù)2.6學(xué)習(xí)向量量化（LVQ）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱函數(shù)2.7Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱函數(shù)2.8Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱函數(shù)2.9MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱的圖形用戶界面第3章基于Simulink的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)3.1基于Simulink的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊-3.1.1模塊的設(shè)置3.1.2模塊的生成3.2基于Simulink的三種典型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)3.2.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)控制3.2.2反饋線性化控制3.2.3模型參考控制第二篇摸糊邏輯控制及其MATLAB實(shí)現(xiàn)第4章模糊邏輯控制理論4.1模糊邏輯理論的基本概念4.1.1模糊集合及其運(yùn)算4.1.2模糊關(guān)系及其合成4.1.3模糊向量及其運(yùn)算4.1.4模糊邏輯規(guī)則4.1.5模糊邏輯推理4.2模糊邏輯控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)4.2.1模糊控制系統(tǒng)的組成4.2.2模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)4.2.3模糊控制器的維數(shù)4.2.4模糊控制中的幾個(gè)基本運(yùn)算操作4.3模糊邏輯控制系統(tǒng)的基本原理4.3.1模糊化運(yùn)算4.3.2數(shù)據(jù)庫(kù)4.3.3規(guī)則庫(kù)-4.3.4模糊推理-4.3.5清晰化計(jì)算4.4離散論域的模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.5具有PID功能的模糊控制器第5章MATLAB模糊邏輯工具箱函數(shù)5.1MATLAB模糊邏輯工具箱簡(jiǎn)介5.1.1模糊邏輯工具箱的功能特點(diǎn)5.1.2模糊推理系統(tǒng)的基本類型5.1.3模糊邏輯系統(tǒng)的構(gòu)成5.2利用模糊邏輯工具箱建立模糊推理系統(tǒng)5.2.1模糊推理系統(tǒng)的建立、修改與存儲(chǔ)管理5.2.2模糊語(yǔ)言變量及其語(yǔ)言值5.2.3模糊語(yǔ)言變量的隸屬度5.2.4模糊規(guī)則的建立與修改5.2.5模糊推理計(jì)算與去模糊化5.3MATLAB模糊邏輯工具箱的圖形用戶界面5.3.1模糊推理系統(tǒng)編輯器（Fuzzy）5.3.2隸屬度函數(shù)編輯器（Mfedit）5.3.3模糊規(guī)則編輯器（Ruleedit）5.3.4模糊規(guī)則瀏覽器（Ruleview）5.3.5模糊推理輸入輸出曲面視圖（Suffview）5.4基于Simulink的模糊邏輯的系統(tǒng)模塊第6章模糊神經(jīng)和模糊聚類及其MATLAB實(shí)現(xiàn)6.1基于標(biāo)準(zhǔn)模型的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)6.1.1模糊系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)模型6.1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)6.1.3學(xué)習(xí)算法6.2基于Takagi-Sugeno模型的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)6.2.1模糊系統(tǒng)的Takagi-Sugeno模型6.2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)6.2.3學(xué)習(xí)算法63MATLAB模糊神經(jīng)工具箱函數(shù)6.3.1模糊神經(jīng)系統(tǒng)的建模函數(shù)6.3.2采用網(wǎng)格分割方式生成模糊推理系統(tǒng)函數(shù)6.3.3MATLAB模糊神經(jīng)推理系統(tǒng)的圖形用戶界面6.4 MATLAB模糊聚類函數(shù)6.4.1模糊C-均值聚類函數(shù)6.4.2減法聚類函數(shù)6.4.3基于減法聚類的模糊推理系統(tǒng)建模函數(shù)第三篇預(yù)測(cè)控制及其MATLAB實(shí)現(xiàn)第7章預(yù)測(cè)控制理論7.1動(dòng)態(tài)矩陣控制理論7.1.1預(yù)測(cè)模型7.1.2滾動(dòng)優(yōu)化7.1.3誤差校正7.2廣義預(yù)測(cè)控制理論7.2.1預(yù)測(cè)模型-7.2.2滾動(dòng)優(yōu)化7.2.3反饋校正7.3預(yù)測(cè)控制理論分析7.3.1廣義預(yù)測(cè)控制的性能分析7.3.2廣義預(yù)測(cè)控制與動(dòng)態(tài)矩陣控制規(guī)律的等價(jià)性證明7.3.3廣義預(yù)測(cè)控制與動(dòng)態(tài)矩陣控制的比較第8章MATlAB預(yù)測(cè)控制工具箱函數(shù)8.1系統(tǒng)模型辨識(shí)函數(shù)8.1.1數(shù)據(jù)向量或矩陣的歸一化8.1.2基于線性回歸方法的脈沖響應(yīng)模型辨識(shí)8.1.3脈沖響應(yīng)模型轉(zhuǎn)換為階躍響應(yīng)模型8.1.4模型的校驗(yàn)8.2系統(tǒng)模型建立與轉(zhuǎn)換函數(shù)8.2.1模型轉(zhuǎn)換8.2.2模型建立8.3基于階躍響應(yīng)模型的控制器設(shè)計(jì)與仿真函數(shù)8.3.1輸入／輸出有約束的模型預(yù)測(cè)控制器設(shè)計(jì)與仿真8.3.2輸入／輸出無(wú)約束的模型預(yù)測(cè)控制器設(shè)計(jì)8.3.3計(jì)算由階躍響應(yīng)模型構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)模型8.4基于狀態(tài)空間模型的預(yù)測(cè)控制器設(shè)計(jì)函數(shù)8.4.1輸入/輸出有約束的狀態(tài)空間模型預(yù)測(cè)控制器設(shè)計(jì)8.4.2輸入／輸出無(wú)約束的狀態(tài)空間模型預(yù)測(cè)控制器設(shè)計(jì)8.4.3狀態(tài)估計(jì)器設(shè)計(jì)8.5系統(tǒng)分析與繪圖函數(shù)8.5.1計(jì)算和繪制系統(tǒng)的頻率響應(yīng)曲線8.5.2計(jì)算頻率響應(yīng)的奇異值8.5.3計(jì)算系統(tǒng)的極點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)增益矩陣8.5.4系統(tǒng)分析和繪圖8.6通用功能函數(shù)8.6.1通用模型轉(zhuǎn)換8.6.2方程求解8.6.3離散系統(tǒng)的分析第9章隱式廣義預(yù)測(cè)自校正控制及其MATLAB實(shí)現(xiàn)9.1單輸入單輸出系統(tǒng)的隱式廣義預(yù)測(cè)自校正控制算法9.2多輸入多輸出系統(tǒng)的隱式廣義預(yù)測(cè)自校正控制算法9.3仿真研究9.3.1單輸入單輸出系統(tǒng)的仿真研究9.3.2多輸入多輸出系統(tǒng)的仿真研究附錄A隱式廣義預(yù)測(cè)自校正控制仿真程序清單附錄BMATLAB函數(shù)一覽表附錄CM燈LAB函數(shù)分類索引參考文獻(xiàn)

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