智能控制及其在航空航天中的应用智能控制及其在航空航天中的应用北京航空航天大学张明廉蔡开元I摘耍1本文指出拉制理论发展所遇到的难题脱困境常开辟新途径制的历史和发展现状要摆—并提出基于研究女能控制介绍含能撞二智能控制的历史和发展现状1965定性模型的智能年学者傅京孙首先提出把人工智能的启发撞制航空航天领域始终是推动断学科产生发展的园地式推理规则用于学习控制系统Mendel进一步在空间也是靳学科应用的场所本文朋述了航空航天技飞行器的学习控制中应用了人工智能技术并提出了人工智能控制的概念术发展对撞制提出的新要求并介绍了食能撞制在航空航天领城内应用的情见发展趁势以及我们的建议l.CA肠tt:”1967d年腼nse和Mendel首”次正式使用智能控制一词并把记忆目标分解等一些简单的人工智能技术用于学习控制系统提高了系Inthlsen阵perwlthefirsttakeeoraebrlefoevrviewontehfoa统处理不确定性间题的能力r0年代初傅京孙G7l。血veonlPmtrofeontroyoandtheudiff直ltProbleesmsio和Ssiard等人从控制论的角度总结了人工智能技siocn廿ulhetoyacdfhewitIntelligeaeneTtoveromchshtldnseebt讲oblemdev术与自适应自学习自组织控制的关系正式提出建立智能控制理论的设想指出智能控制就是人工钾能wenmeht团T七cweProPOSe—mnOCwntrolouleoedpweideanenotoinquaalitanviteedolTh—qert山gneieuocntrul加翻月技术与控制理论的交叉197认a年sidris提出智能控制irementstheAPPlica的三元结构即智能控制是人工智能控制论和运筹学的交集dthProseptcofintell论entareocntrolinhteareafo1986年蔡自兴提出四元结构是人工智能A时.U朋nadAer佣PaecPutforward系统论控制论和运筹学的交集已研究出一些智能控制的理论和技术并把它们一引言用于具体的控制系统形成智能控制系统目前比较成熟和有一定成效的智能控制系统是分级递阶智能控制系统和专家控制系统¹ena创立控制论以来控制理自从40年代Nwl论的发展是惊人的所取得的效益也是很可观的但上分级递阶智能控制系统有两个比较重要的理论知识基/解析混合多层智能控制,º述理论存在一个本质上的弱点那就是要求有相当精三极递阶智确的关于被控对象的解析描述即定量模型然而在许多情况下这个要求是不能满足的能控制(三级是指组织级协调级和执行级)这里有一个重要的原理即控制的精度随智能的提高而降低的原理随着科学技术和生产的迅速发展被控对象可能规模庞大异常复杂时图1为三级递阶智能控制系统的例子高层次输入指令变且非线性另一方面被控对象的工作环境可能不断地变化因此要获得精确的定量模型是十分困难的这说明必需考虑模型的不确定性问题采用自适应或自校正控制虽然能在一定程度上解决不确定性间题但在本质上仍要求在线辨识对象的模型算法复杂且运算童大故应用范围受到人工智能与控制理论的交叉结合为解决控制理论遇到的难题(即藉要对象的定量模型)提供了一条崭新这种交叉结合产生了智能控制智能控制的基本目标是放松对对象模型的要求实现对大型复的途径图1带视觉反馈的机器人结构杂非线性和时变控制系统的高性能控制专家系统与智能控制的关系十分密切它们具有明显的共性所研究的问题都具有不确定性都是以1991年第1期《浏撞技术》模仿人类智能为基础的形成了专家控制系统工程控制论与专家系统结合复例如在第二代诊断的专家系统中要利用深层知识来建立有关故障的模型以此模型为基础来构成专家系统在智能控制的发展中与此相似专家控制系统能够模仿人类控制专家和操作能手:的控制技能和经验它有两种主要控制形式即专家控开始由于建立定量模型困难和复杂有时甚至不可能因此不提建侧系统和专家控制器前者比较复杂目前应用较少后者较简单性能又满足工业过程控制等的要求因而模的问题仅从利用人工智能的技术来构成智能控制系统这样做虽前进了一步但要在理论上和应用上提高和深入就遇到困难获得广泛的应用l图2是专家控制器示例因为离开了模型就没有抽象的豪三三只万匡而百不开!;}{学习与}知日l门适应装置门识11研究对象就难以进行分析综合于是提出应建立定性模型又回到需要模型但这不是简单的回复而是要建立定性模型控制对象”应指出定性模型并不是在建立定量模型过程中不太精确而形成的模型而是从另一个角撇砂洲机度来描述研究对象及环境到目前为止对定性模型尚没有严格统一的定义下面谈谈我们的观点首先有一个定性集合记为A传感器二la{图2aZ.t…a二}.a其中a为定性值在此定性集合工业专家控制器的结构图上可定义某种定性运算譬如(axnIV)而n(八)定性智能控制是一门刚刚形成的新学科无论在理论上或应用上都很不成熟因此在理论上必须摆脱传统变量是指取值于定性集合上的变量定性模型则定义为定性变量之间的关系现举例说明令A={一10控制理论的束缚赋以新的观点和新的描述方法在应用方面近年来国内外对神经网络认知心理学的研究十分活跃许多研究人员希望能直接模拟人脑的思维l;这里一l可解释为小于零O解释为等于零l表示1大于零示在A上可定义定性运算十一衰1x如表所过程和人类的推理决策技巧并用于智能控制建立新一代的专家控制系统定性运算此外正在开展更高智能水平的模糊控制器等和正在大力开展智能控制硬件和软件的研究工作三签于定性棋型的智能控制以往的控制理论存在一个本质上的弱点那就是需要对象的定量模型但在许多情况下无法得到定量模型这就了控制理论的应用而由此阻碍控制理论的发展智能控制的基本目标是放松对定量模型的要求为此我们提出建立对象的定性模型这种思想表中u为不确定之值A令x一Yxl…3xY…Y为定义于的定性变量那么X一XY=XY十X十X类似于第二代专家系统在第一代专家系统中主要是基于规则的系统这些规则包含了专家们的知识和经一XZYZ十Xs可表示为某一个定性模型脸有时反映的是专家们的直觉我们把这些定义为浅层知识有了定性模型就可能建立起较完整的智能控制理论的体系从而为实现智能控制系统提供方向和方法但当涉及的知识超过专家系统的知识或遇到有关常识性的知识时专家系统将束手无策或象呆板的侍从因此人们想到应该在专家系统中包含有被研四航空航天技术的发展究对象的结构知识原理知识性能知识等这些定义为深层知识由浅层深层知识的引入而构成的专家系对控制方面的新要求许多新的学科和科学成就都是在航空航天技术发展的推动下产生和发展起来的统为第二代专家系统这里很象复原因为在产生专这是因为航空航夭技家系统之前就是利用这些深层知识来进行分析综合设计和诊断故障等专家系统诞生后就抛弃了这深层知识主要依靠专家的启发性知识现在又启用深层知识术反映人类科学技术的水平二次大战后飞机跨入喷气时代以战斗机为例从最早实用的超音速飞机F一10算起巳进入的特点是速度大(可达三倍音速)机动性好水平但要注意这不是简单的回复而是螺旋上升的回今能技制及其在航空航天中的应用加速也快并且一机多用在这样的飞机上采用了多种新技术变后掠翼;先进的涡轮风扇喷气发动机,主动3要求减轻飞行员或宇航员的负担控制技术;多用途的武器系统,精密的电子作战系统;先进的综合航空电子系统这样的飞机成为一个精密如何来实现这三方面的要求主要利用人工智能和自动控制等结合的产物智能控制复杂的大系统要操纵这样的飞机从发展趋势看将超出飞行员心理上和生理上二次大战后航夭技术也是突飞猛进地发展五智能控制在航空航天技术中的应用为提高航天航空器的可靠性除保证设备系统的固有性能和余度外还必须加强故障诊断定位隔离和系统重构由于飞行器上的设备和系统极其复杂单靠飞行员是无法完成的—1957年苏联成功地发射了第一颗人造地球卫星1961年加”加林乘飞船进入太空1969年美国的阿波罗1号飞船把阿姆斯特朗和奥尔德林送上月球创造了人类第一次踏上另一星球的记录60~70年代人类向太空发专家系统应用的主要领城是故障诊断定位因此利用为诊断问题求解的实时知射了许多空间探测器对太阳系的多数行星进行了探测此外还建立了围绕地球的空间站80年代出现了识基的专家系统就可实现提高可靠性要求在改进性能方面例如要提高武器发射的精度;要航空和航天技术综合的产物-一航天飞机为人类提供了理想的航天运载工具使航天活动进入了一个新实现自动自主式航天器的交会等因为周围的环境过于复杂要考虑的因素很多单靠飞行员或宇航员是难以实现的当前正为研制实现永久性空间站和能实现水平起降的第二代航天飞机而努力在这些航天器上对各阶段而这些可以采用分级递阶智能控制系统或专家控制系统来实现设备系统和宇航员提出更高的要求在航空航天领域由于自身的特点对可靠性有特“”殊的要求挑战者号航天飞机由于一垫片失效导致这里可能提出疑问智能控制是模仿人的控制飞行员是人那么为什么说飞行员不如智能控制系统呢飞行员是泛指的其水平有高有低而专家控制系统人丧生的协剧记忆犹新在航空方面许多致命的飞行事故是由于飞行员误用信息知识和能力的结果例7可反应出人类控制专家和操作能手的控制技能和经验(注意是专家能手)所以说应用智能控制才能实现上如飞行员是利用从仪表方面得到有关飞机精确状况述要求下面简要介绍国外在这方面的研究情况信息来操纵飞机的不精确的或局部的信息会使飞行员丧失安全驾驶飞机所必要的对策在航空方面专家系统将应用于90年代的飞机座舱中;正在研究机上故障监控和诊断的飞行专家系统F(LEs),此外飞行员的粗心大意或没有经验会导致知识的误用还有在现代飞机上操纵面是有余度的例如副翼坏了可用正在开发机上智能武器发射系统.为诊断间题求解的实时知识基的专家系统,机上早期报警实时咨询系统,研究参数自适应和性能自适应的自组织控制系统;研究飞行管理专家系统等襟翼来代替但如果飞行员的能力太差无法用襟翼来操纵飞机这表征误用能力的结果据美国有关资料的统计从1961年到1979年空中运输器致命事故原因的目录如下i妇研在航天方面1985年mMF司alsytmo制了航夭飞机地面控制系统的样机,研究航天器自动rsevon反向推力报警灯工作不正常;起落架报警灯工作不正常;姿态仪表的电气系统掉电自主式交会的专家系统,研究空间站公共舱温度系统的智能控制以及研究有关空间站过程控制的实时专家系统等;,在飞行中湍流骨架的故障;由于飞行员没有调整液压损失;液压系统性能下降;为作进一步说明下面介绍一个知识基的重构飞行控制系统该系统的功能是当故障引起飞机在结构上发生变化时系统也作相应的变化也即改变电传”方向舵支架材料故障;方向舵控制系统工作不正常;飞行控制系统故障,操纵飞行控制系统的数学模型和增盖从而保证整个飞机系统正常工作图3是该系统的结构图该图虚线下面主要是电传操纵飞行控制系统虚线上面是专发动机吊架的故障综上所述航空航天技术的发展对控制方面可归家系统部分它通过人机接口与飞行员联系息门与电传操纵飞行控制系统发生联系下例示出专家系统中的规则1通过信纳出三方面的要求1要求保证有极高的可靠性,2要求进一步提高航空航天器的性能,如果传感器(例如副冀位置传感器)超过它佑抹1991年《浏撞技术》第1期望值并且该传感器只感受一个操纵面(包动控制技术的阶段飞行管理系统的研制刚刚开始因此智能控制应用千航空航天领域尚未提到日程上来括滚转速率)超过它们的期望值:那么多半是传感器的故障和多半是电源(该传感器)的故障但我们认为应采取迎头赶上的对策一方面应花大力气实现数字化电传操纵打好基础,另一方面应马上、丫、。:专家系统统着手开展智能控制应用的预研工作这样到下世纪初耀酱0^/DlIFsEN钾刚慨R补偿重构实现则使我国应用智能控制成为可能缩短我国与先进国家在航空航天技术方面的差距sT阳定位FID致据管理系统统规参考文献M.htJ总数据库L叹运行MMsC停止柳KenFr.okonvlhete吐ExeprtysstemaPPIactinot员行飞盆Ptolcfth90te,073578/851985IEEE传感器信模型与增益益估计器控制器二tf.Cr】,O助化.fr1Araelt油七knwol团即SPIE比,幻ex息epADsyste日。d妇助oemstiePrbln肠Ivinglo635门PUcationsofArtifjdlIantlli,lt1e11c1986加mr胜BKl锐目Ara如adisorysy匀for比borne时IynItellwrann垃9VSPIEV1987l786AP!j.玄i咖fAltif盛山l图3知识蓦的重构飞行控制系统6gl沈已图中FDI诊断与别—故障o研—普通似然率sMM型—多模;识MA朋etn,AflightaneP了tsy‘temFLES)for(von匕以”己faultmtinsitringtificialdd坦gntl叱en.田妇spIEol635A即“四frAni沈1111986ao.v百dA。H.de加.An即liCa之lnco幻ofAr硬廿沁如ln比li结柬语专家系统因其明显的实用价值在80年代得到极为迅盆的发展liseC0roconf企hej姆urabory愈f!lght订01N87185301981专家系统是首先在咨询和诊断范畴突6〕〔ucMreBAnd脚.d目Knowldegen咖ernsfotia破的加上这些年来的努力逐步实现了专家系统的实时化因此在航空航天领域中广泛应用实时专家系fl切由tIEEE~n犯mntex讲rt、ystem73578/5505‘1985统是必然的趋势回顾80年代智能控制虽开展了广M公yAautG创川,肠Exeperhtrtsystem旧u胜seniautomatdo泛的研究和作了应用的尝试但作为全面实用推广的时期尚未到来90年代人们将继续对智能控制理论的建立(例如对定性模型的研究)和完善作出努力并且要解决在具体应用中的实际间题即智能控制的硬nomosus伸eeveihe一e耐z姗v1987GV.eb翻...0.时klonnitellicgnte叩trProcloft址s即cnIttatioommocnSMCmdaulthermalytmEIEECnfVl21986e软件间题〔9〕Fr曰Hi砂山山dFlightd廿ollrAt相ty声Pex讲rtsytm1985从另一方面来看当前的智能控制应用的主要范圈是监控诊断规划决策即高层次的智能活动而较frhS.vuttle口nuocRnrtProcROBEXS85〔10〕o沁加加毗加ocal一目mee.Xt沐rsystemforsp.cecat少涉及直接对控制对象的智能操纵也就是说还不能反应操作能手的经验和技能虽然国外也研究了在飞t幻nprce归ntrJPrOCRO旧EX习8691a6.11〕〔张仲俊燕自兴智能控制与智能控制系统信息与控行领城中的智能机器人但这也只刚开始其原因是要获取和组织实施操纵能手的技能和经验知识其难度制12〕〔19年第5期周其鉴等智能控侧及其展望信息与控制第2期1987年远远大于获取专家在诊断决策等方面的经验知识但人们将朝着这方向去努力因为只有实现这些才能构〔13〕苏士权等知识工程在实时控制中的应用控制与决策成较完善的智能控制1988我国在航空航天技术上落后干先进国家在飞行控制方面尚处于实现数字化电传操纵和研制实现主年〔14〕蒋断松人工智能及智能控侧系统综述自动化学报vx7N21981年
