第3章专家系统控制(34专家控制系统)

1、13.4 专家控制系统专家控制系统 3.4.1 专家控制系统的特点专家控制系统的特点n根据专家系统技术在控制系统中应用的复杂程根据专家系统技术在控制系统中应用的复杂程度，可以分为专家控制系统和专家式控制器两度，可以分为专家控制系统和专家式控制器两种主要形式。种主要形式。 n专家控制系统具有全面的专家系统结构、完善专家控制系统具有全面的专家系统结构、完善的知识处理功能和实时控制的可靠性能。它包的知识处理功能和实时控制的可靠性能。它包括有知识获取子系统和学习子系统，人一机接括有知识获取子系统和学习子系统，人一机接口要求较高。口要求较高。n专家式控制器，多为工业专家控制器，是专家专家式控制器，多为工

2、业专家控制器，是专家控制系统的简化形式，针对具体的控制对象或控制系统的简化形式，针对具体的控制对象或过程，着重于启发式控制知识的开发，具有实过程，着重于启发式控制知识的开发，具有实时算法和逻辑功能。时算法和逻辑功能。 23.4.2 专家控制系统的工作原理专家控制系统的工作原理n专家控制系统的典型结构图专家控制系统的典型结构图 31. 专家控专家控制系统的制系统的工作原理工作原理n专家控制系统专家控制系统有知识基系统、数值算法库和人有知识基系统、数值算法库和人一机接口三个并发运行的子过程。一机接口三个并发运行的子过程。n三个运行子过程之间的通信是通过五个信箱进三个运行子过程之间的通信是通过五个信

3、箱进行的，这五个信箱即出口信箱、入口信箱、应行的，这五个信箱即出口信箱、入口信箱、应答信箱、解释信箱和定时器信箱。答信箱、解释信箱和定时器信箱。41. 专家控专家控制系统的制系统的工作原理工作原理n系统的控制器系统的控制器由位于下层的数值算法库和位于由位于下层的数值算法库和位于上层的知识基子系统两大部分组成。上层的知识基子系统两大部分组成。n数值算法库数值算法库包含的是定量的解析知识，进行数包含的是定量的解析知识，进行数值计算，快速、精确，由控制、辨识和监控三值计算，快速、精确，由控制、辨识和监控三类算法组成，按常规编程直接作用于受控过程，类算法组成，按常规编程直接作用于受控过程，拥有最高的优

4、先权。拥有最高的优先权。 51. 专家专家控制系控制系统的工统的工作原理作原理n控制算法控制算法根据来自知识基系统的配置命令和测量信号计根据来自知识基系统的配置命令和测量信号计算控制信号，例如算控制信号，例如PID算法、最小方差算法等，每次运算法、最小方差算法等，每次运行一种控制算法。行一种控制算法。n辨识算法和监控算法辨识算法和监控算法在某种意义上是从数值信号流中抽在某种意义上是从数值信号流中抽取特征信息，仅当系统运行状况发生某种变化时，才往取特征信息，仅当系统运行状况发生某种变化时，才往知识基系统中发送信息。知识基系统中发送信息。n在稳态运行期间，在稳态运行期间，知识基系统是闲置的，整个系

5、统按传知识基系统是闲置的，整个系统按传统控制方式运行。统控制方式运行。 61. 专家专家控制系控制系统的工统的工作原理作原理n知识基子系统知识基子系统位于系统上层，对数值算法进行位于系统上层，对数值算法进行决策、协调和组织，包含有定性的启发式知识，决策、协调和组织，包含有定性的启发式知识，进行符号推理，按专家系统的设计规范编码，进行符号推理，按专家系统的设计规范编码，通过数值算法库与受控过程间接相连，连接的通过数值算法库与受控过程间接相连，连接的信箱中有读或写信息的队列。信箱中有读或写信息的队列。 7内部过程内部过程的通信功的通信功能如下：能如下： n 出口信箱出口信箱 将控制配置命令、控制算

6、法的参数将控制配置命令、控制算法的参数变更值以及信息发送请求从知识基系统送往数值变更值以及信息发送请求从知识基系统送往数值算法部分。算法部分。n 入口信箱入口信箱 将算法执行结果、检测预报信号、将算法执行结果、检测预报信号、对于信息发送请求的答案、用户命令以及定时中对于信息发送请求的答案、用户命令以及定时中断信号分别从数值算法库、人一机接口及定时操断信号分别从数值算法库、人一机接口及定时操作部分送往知识基系统。作部分送往知识基系统。 8内部过内部过程的通程的通信功能信功能如下：如下：n 应答信箱应答信箱 传送数值算法对知识基系统的信传送数值算法对知识基系统的信息发送请求的通信应答信号。息发送请

7、求的通信应答信号。n 解释信箱解释信箱 传送知识基系统发出的人一机通传送知识基系统发出的人一机通信结果，包括用户对知识库的编辑、查询、算信结果，包括用户对知识库的编辑、查询、算法执行原因、推理结果、推理过程跟踪等系统法执行原因、推理结果、推理过程跟踪等系统运行情况的解释。运行情况的解释。9内部过内部过程的通程的通信功能信功能如下：如下：n 定时器信箱定时器信箱 用于发送知识基子系统内部推理用于发送知识基子系统内部推理过程需要的定时等待信号，供定时操作部分处理。过程需要的定时等待信号，供定时操作部分处理。n人一机接口子过程传播两类命令：一类人一机接口子过程传播两类命令：一类是面向数是面向数值算法

8、库的命令，如改变参数或改变操作方式；值算法库的命令，如改变参数或改变操作方式；另一类另一类是指挥知识基系统去做什么的命令，如跟是指挥知识基系统去做什么的命令，如跟踪、添加、清除或在线编辑规则等。踪、添加、清除或在线编辑规则等。 102. 知识基系统的内部组织和推理机制知识基系统的内部组织和推理机制 （1）控制的知识表示）控制的知识表示 n专家控制专家控制把系统视为基于知识的系统，把系统视为基于知识的系统，系统包系统包含含的知识信息可以表示如下：的知识信息可以表示如下：11数据库包括：数据库包括：n事实事实已知的静态数据。已知的静态数据。例如传感器测量误例如传感器测量误差、运行阈值、报警阈值、操

9、作序列的约束条差、运行阈值、报警阈值、操作序列的约束条件、受控过程的单元组态等。件、受控过程的单元组态等。n证据证据测量到的动态数据。测量到的动态数据。例如传感器的输例如传感器的输出值、仪器仪表的测试结果等。出值、仪器仪表的测试结果等。n假设假设由事实和证据推导提到的中间结果由事实和证据推导提到的中间结果，作为当前事实集合的补充。作为当前事实集合的补充。例如，通过各种参例如，通过各种参数估计算法推得的状态估计等。数估计算法推得的状态估计等。n目标目标系统的性能指标。系统的性能指标。例如对稳定性的要例如对稳定性的要求，对静态工作点的寻优，对现有控制规律是求，对静态工作点的寻优，对现有控制规律是否

10、需要改进的判断等。否需要改进的判断等。12（2）知识基系统的黑板法模型）知识基系统的黑板法模型n知识基系统的结构知识基系统的结构如图如图3.10所示，它由一组知所示，它由一组知识源、黑板机构和调度器三部分组成。识源、黑板机构和调度器三部分组成。 13黑板法黑板法:n是一种高度结构化的问题求解模型是一种高度结构化的问题求解模型，用于适时，用于适时问题求解，即在最适当的时机运用知识进行推问题求解，即在最适当的时机运用知识进行推理。理。n它的特点它的特点是能够决定什么时候使用知识、怎样是能够决定什么时候使用知识、怎样使用知识。使用知识。n另外还规定了领域知识的组织方法，其中包括另外还规定了领域知识的

11、组织方法，其中包括知识源知识源I（KS）这种知识模型，以及数据库的）这种知识模型，以及数据库的层次结构等。层次结构等。14知识源知识源是与控制问题子任务有关的一些是与控制问题子任务有关的一些独立知识模块。独立知识模块。 n推理规则推理规则采用采用“IFTHEN”产生式规则，产生式规则，条件部分是全局数据库（黑板）或是局部数据条件部分是全局数据库（黑板）或是局部数据库中的状态描述，动作或结论部分是对黑板信库中的状态描述，动作或结论部分是对黑板信息或局部数据库内容的修改或添加。息或局部数据库内容的修改或添加。n局部数据库局部数据库存放与子任务相关的中间结果，存放与子任务相关的中间结果，用框架表示，

12、其中各槽的值即为这些中间结果。用框架表示，其中各槽的值即为这些中间结果。n操作原语操作原语一类是对全局或局部数据库内容一类是对全局或局部数据库内容的增添、删除和修改操作，另一类是对本知识的增添、删除和修改操作，另一类是对本知识源或其他知识源的控制操作，包括激活、中止源或其他知识源的控制操作，包括激活、中止和固定时间间隔等待或条件等待。和固定时间间隔等待或条件等待。 15黑板机构黑板机构n存放记录，包括事实、证据、假设和目标存放记录，包括事实、证据、假设和目标所说明的静态、动态数据。所说明的静态、动态数据。n这些数据分别为不同的知识源所关注。这些数据分别为不同的知识源所关注。n通过知识源的访问，

13、通过知识源的访问，整个数据库起到在各整个数据库起到在各个知识源之间传递信息的作用。个知识源之间传递信息的作用。n通过知识源的推理通过知识源的推理，数据信息得到增删、，数据信息得到增删、修改、更新。修改、更新。16调度器调度器n作用是作用是根据黑板的变化激活适当的知根据黑板的变化激活适当的知识源，并形成有次序的调度队列。识源，并形成有次序的调度队列。n激活知识源激活知识源可以采用串行或并行激活可以采用串行或并行激活的方式，从而形成多种不同的调度策的方式，从而形成多种不同的调度策略。略。n串行激活串行激活又分成相继触发、预定顺序又分成相继触发、预定顺序和动态生成顺序三种方式。和动态生成顺序三种方式

14、。17串行激活类型串行激活类型 n相继触发相继触发一个激活知识源的操作结果作为另一个一个激活知识源的操作结果作为另一个知识源的触发条件，自然激发，此起彼伏。知识源的触发条件，自然激发，此起彼伏。n预定顺序预定顺序按控制过程的某种原理，预先编一个知按控制过程的某种原理，预先编一个知识源序列，依次触发。例如初始调节，在检测到不同识源序列，依次触发。例如初始调节，在检测到不同的报警状态时，系统返回到稳态控制方式等情况。的报警状态时，系统返回到稳态控制方式等情况。n动态生成顺序动态生成顺序对知识源的激活顺序进行在线规划。对知识源的激活顺序进行在线规划。每个知识源都可以附上一个目标状态和初始状态，激每个

15、知识源都可以附上一个目标状态和初始状态，激活一个知识源即为系统状态的一个转移，通过逐步比活一个知识源即为系统状态的一个转移，通过逐步比较系统的期望状态与知识源的目标状态，以及系统的较系统的期望状态与知识源的目标状态，以及系统的当前状态与知识源的初始状态，就可以规划出状态转当前状态与知识源的初始状态，就可以规划出状态转移的序列，即动态生成了知识源的激活序列。移的序列，即动态生成了知识源的激活序列。18并行激活方式并行激活方式n是指同时激活一个以上的知识源方式。是指同时激活一个以上的知识源方式。例例如系统处于稳态控制方式时，一个知识源如系统处于稳态控制方式时，一个知识源负责实际控制算法的执行，而另

16、外一些知负责实际控制算法的执行，而另外一些知识源同时实现多方面的监控作用。识源同时实现多方面的监控作用。n调度器的结构类似于一个知识库调度器的结构类似于一个知识库，其中包，其中包括一个调度数据库，用框架形式记录着各括一个调度数据库，用框架形式记录着各个知识源的激活状态的信息，以及某些知个知识源的激活状态的信息，以及某些知识源等待激活的条件信息。识源等待激活的条件信息。 19（3）控制的推理模型）控制的推理模型n专家控制中的问题求解机制可以表示成如下的专家控制中的问题求解机制可以表示成如下的推理模型：推理模型：),(IKEfU 为控制器的输出作用集；为控制器的输出作用集； 为控制器的输入集；为控制器的输入集； 为系统的数据项集；为系统的数据项集； 为具体推理机构的输出集。为具体推理机构的输出集。 ),(21muuuU ),(21neeeE ),(21pkkkK ),(21niiiI 20 为一种智能算子，它可以一般地表示为：为一种智能算子，它可以一般地表示为： nIF E and K THEN（IF I THEN U