[科普中國(guó)]-進(jìn)化控制

發(fā)展

進(jìn)化控制(evolutionary control)源于生物的進(jìn)化機(jī)制。20世紀(jì)90年代末，即在遺傳算法等進(jìn)化計(jì)算思想提出20年后，在生物醫(yī)學(xué)界和自動(dòng)控制界出現(xiàn)研究進(jìn)化控制的苗頭。1998年，埃瓦爾德(Ewald)、薩斯曼(Sussmam)和維森特(Vicente)等人把進(jìn)化計(jì)算原理用于病毒性疾病控制。1997～1998年，作者、周翔提出機(jī)電系統(tǒng)的進(jìn)化控制思想，并把它應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航控制，取得初步研究成果。2002年，鄭浩然等把基于生命周期的進(jìn)化控制時(shí)序引入進(jìn)化計(jì)算過程，以提高進(jìn)化算法的性能。2003年媒體報(bào)道稱，英國(guó)國(guó)防實(shí)驗(yàn)室研制出一種具有自我修復(fù)功能的蛇形軍用機(jī)器人，該機(jī)器人的軟件依照遺傳算法，能夠使機(jī)器人在受傷時(shí)依然在“數(shù)字染色體”的控制下繼續(xù)蜿蜒前進(jìn)。盡管對(duì)進(jìn)化控制的研究，尚不多見，但已有一個(gè)好的開端，可望有較大的發(fā)展。2

基本思想進(jìn)化控制是建立在進(jìn)化計(jì)算和反饋控制相結(jié)合的基礎(chǔ)上的。反饋是一種基于刺激一反應(yīng)(或感知一動(dòng)作)行為的生物獲得適應(yīng)能力和提高性能的途徑，也是各種生物生存的重要調(diào)節(jié)機(jī)制和自然界基本法則。進(jìn)化是自然界的另一適應(yīng)機(jī)制。相對(duì)于反饋而言，進(jìn)化更著重于改變和影響生命特征的內(nèi)在本質(zhì)因素，通過反饋?zhàn)饔盟岣叩男阅苄枰蛇M(jìn)化作用加以鞏固。自然進(jìn)化需要漫長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)鞏固優(yōu)越的性能，而反饋?zhàn)饔脜s能夠在很短的時(shí)間內(nèi)加以實(shí)現(xiàn)。

從控制角度看，進(jìn)化計(jì)算的基本概念和要素(如編碼與解碼、適應(yīng)度函數(shù)、遺傳操作等)中都或多或少地隱含了反饋原理。例如，可把適應(yīng)函數(shù)視為控制理論中的性能目標(biāo)函數(shù)，對(duì)給定的目標(biāo)信息和作用效果的反饋信息。經(jīng)過比較評(píng)判，并據(jù)評(píng)判結(jié)果指導(dǎo)進(jìn)化操作。又如，遺傳操作中的選擇操作實(shí)質(zhì)上是一種維持優(yōu)良性能的調(diào)節(jié)作用，而交叉和變異操作則是兩種提高和改善性能可能性的操作。在編碼方式中，反饋?zhàn)饔貌粔蛑庇^，但其啟發(fā)知識(shí)實(shí)質(zhì)上也是一種反饋，一種類似PID中微分作用的先驗(yàn)性前饋?zhàn)饔谩?/p>

進(jìn)化機(jī)制與反饋控制機(jī)制的結(jié)合是可行的。對(duì)這種結(jié)合的進(jìn)一步理論分析和研究(如反饋?zhàn)饔脤?duì)適應(yīng)度函數(shù)的影響、進(jìn)化操作算子的控制和表示方式的選取等)將有助于對(duì)進(jìn)化計(jì)算收斂可控性、時(shí)間復(fù)雜度等方面的深入研究，并有利于進(jìn)化計(jì)算中一些基本問題的解決。2

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)化控制的研究開發(fā)者們已提出多種進(jìn)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但至今仍缺乏一般(通用)的和公認(rèn)的結(jié)構(gòu)模式。結(jié)合我們的研究體會(huì)，下面給出兩種比較典型的進(jìn)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

第一種可稱為直接進(jìn)化控制結(jié)構(gòu)，它是由遺傳算法(GA)直接作用于控制器，構(gòu)成基于GA的進(jìn)化控制器。進(jìn)化控制器對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行控制，再通過反饋形成進(jìn)化控制系統(tǒng)。在許多情況下，進(jìn)化控制器為一混合控制器。

第二種可稱為間接進(jìn)化控制，它是由進(jìn)化機(jī)制(進(jìn)化學(xué)習(xí))作用于系統(tǒng)模型，再綜合系統(tǒng)狀態(tài)輸出與系統(tǒng)模型輸出作用于進(jìn)化學(xué)習(xí)，然后系統(tǒng)再應(yīng)用一般閉環(huán)反饋控制原理構(gòu)成進(jìn)化控制系統(tǒng)。與第一種結(jié)構(gòu)相比，本結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其控制性能優(yōu)于前者。

在實(shí)際研究和應(yīng)用中進(jìn)化控制系統(tǒng)往往采用混合結(jié)構(gòu)，例如采用進(jìn)化計(jì)算與模糊預(yù)測(cè)控制的結(jié)合、遺傳算法與開關(guān)控制的集成、進(jìn)化機(jī)制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的綜合控制等。實(shí)際上它們屬于混合控制。3

意義進(jìn)化控制的意義在于為探索智能的本質(zhì)和產(chǎn)生智能的機(jī)制、以及復(fù)雜系統(tǒng)的控制提供了一套新的思路和視角，豐富了控制理論的內(nèi)容．為解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制尋求一種通用方法，因而有著重要的理論價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景．

已經(jīng)將本理論運(yùn)用于移動(dòng)機(jī)器人自主導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)，研制成新一代機(jī)器人產(chǎn)品原型—基于功能/行為集成的自主進(jìn)化導(dǎo)航移動(dòng)機(jī)器人，并應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境．將進(jìn)化控制機(jī)制與領(lǐng)域知識(shí)有機(jī)結(jié)合?？梢园驯狙芯砍晒麘?yīng)用于包括多智能體的協(xié)調(diào)控制及大型生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制等領(lǐng)域．4