专家控制系统

1、12 在传统控制系统中，系统的运行排斥了在传统控制系统中，系统的运行排斥了人的干预，人人的干预，人-机之间缺乏交互。控制器对机之间缺乏交互。控制器对被控对象在环境中的参数、结构的变化缺乏被控对象在环境中的参数、结构的变化缺乏应变能力。应变能力。 传统控制理论的不足，在于它必须依赖传统控制理论的不足，在于它必须依赖于被控对象严格的数学模型，试图对精确模于被控对象严格的数学模型，试图对精确模型来求取最优的控制效果。而实际的被控对型来求取最优的控制效果。而实际的被控对象存在着许多难以建模的因素。象存在着许多难以建模的因素。3 上世纪上世纪80年代初，人工智能中专家系统年代初，人工智能中专家系统的思想

2、和方法开始被引入控制系统的研究和的思想和方法开始被引入控制系统的研究和工程应用中。工程应用中。 专家系统能处理专家系统能处理定性的定性的、启发式启发式或或不确不确定定的知识信息，经过各种的知识信息，经过各种推理推理来达到系统的来达到系统的任务目标。专家系统为解决传统控制理论的任务目标。专家系统为解决传统控制理论的局限性提供了重要的启示，二者的结合导致局限性提供了重要的启示，二者的结合导致了专家控制这一方法。了专家控制这一方法。 4 专家系统专家系统专家控制专家控制专家专家PID控制控制专家专家PID控制仿真实例控制仿真实例专家整定专家整定PID控制控制主要内容主要内容51 专家系统 专家系统概

3、述专家系统概述 专家系统的分类与组成专家系统的分类与组成 专家系统建立专家系统建立61定义定义 一个智能计算机程序，它应用一个智能计算机程序，它应用知识知识和和推理推理过程来求解那些需要大量的人类专家经过程来求解那些需要大量的人类专家经验才能解决的难题。（费根鲍姆）验才能解决的难题。（费根鲍姆） 一、专家系统概述、专家系统概述7 一个智能计算机程序系统，其内部含一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的验，能够利用人类专家的知识知识和解决问和解决问题的题的经验方法经验方法来处理该领域的高水平难来处理该领域的高水平难

4、题。（蔡自兴）题。（蔡自兴）8 一种在相关领域中具有专家水平解题一种在相关领域中具有专家水平解题能力的智能程序系统，它能运用领域专家多能力的智能程序系统，它能运用领域专家多年积累的年积累的经验与专门知识经验与专门知识，模拟人类专家的，模拟人类专家的思维过程，求解需要专家才能解决的困难问思维过程，求解需要专家才能解决的困难问题。题。 一类包含知识和推理的智能计算机程一类包含知识和推理的智能计算机程序，其内部包含某领域专家水平的序，其内部包含某领域专家水平的知识和经知识和经验验，具有解决专门问题的能力。，具有解决专门问题的能力。9专家系统定义专家系统定义1011 122. 发展历史发展历史 初创期

5、（1965-1971） 成熟期（1972-1977） 发展期（1978-至今）13(1)初创期（初创期（1965-1971年）年） 第 一 代 专 家 系 统第 一 代 专 家 系 统 D E N L D R A 和和MACSYMA的出现，标志着专家系统的诞的出现，标志着专家系统的诞生。其中生。其中DENLDRA为推断化学分子结构的为推断化学分子结构的专家系统，由专家系统的奠基人，专家系统，由专家系统的奠基人，Stanford大学计算机系的大学计算机系的Feigenbaum教授及其研究教授及其研究小组研制。小组研制。MACSYMA为用于数学运算的为用于数学运算的数学专家系统，由麻省理工完成。数

6、学专家系统，由麻省理工完成。1415（2）成熟期（）成熟期（1972-1977年）年） 在此期间斯坦福大学研究开发了最著在此期间斯坦福大学研究开发了最著名的专家系统名的专家系统-血液感染病诊断专家系统血液感染病诊断专家系统MYCIN，标志专家系统从理论走向应用。，标志专家系统从理论走向应用。另一个著名的专家系统另一个著名的专家系统-语音识别专家系统语音识别专家系统HEARSAY的出现，标志着专家系统的理的出现，标志着专家系统的理论走向成熟。论走向成熟。1617（3）发展期（）发展期（1978-现在）现在） 18193. 专家系统的四个要素专家系统的四个要素20 为解决特定领域的具体问题，除需要

7、一些公共的为解决特定领域的具体问题，除需要一些公共的常识，还需要大量与所研究领域问题密切相关的常识，还需要大量与所研究领域问题密切相关的知识；知识； 一般采用启发式的解题方法；一般采用启发式的解题方法； 在解题过程中除了用演绎方法外，有时还要求助在解题过程中除了用演绎方法外，有时还要求助于归纳方法和抽象方法；于归纳方法和抽象方法； 需处理问题的模糊性、不确定性和不完全性；需处理问题的模糊性、不确定性和不完全性； 能对自身的工作过程进行推理能对自身的工作过程进行推理(自推理或解释自推理或解释)； 采用基于知识的问题求解方法；采用基于知识的问题求解方法； 知识库与推理机分离。知识库与推理机分离。

8、4专家系统特点专家系统特点21二、专家系统的分类与组成二、专家系统的分类与组成22a. 按用途分类按用途分类 （专家系统专家系统）诊断型诊断型控制型控制型解释型解释型监测型监测型预测型预测型维修型维修型设计型设计型教学型教学型规划型规划型调度型调度型1.专家系统分类专家系统分类231）诊断型专家系统）诊断型专家系统 这是根据对症状的观察与分析、推出故这是根据对症状的观察与分析、推出故障的原因及排除故障方案的一类系统。其障的原因及排除故障方案的一类系统。其应用领域包括医疗、电子、机械、农业、应用领域包括医疗、电子、机械、农业、经济等。经济等。2）解释型专家系统）解释型专家系统 根据表层信息解释深

9、层结构或内部可能根据表层信息解释深层结构或内部可能情况的一类专家系统。情况的一类专家系统。243）预测型专家系统）预测型专家系统 根据过去和现在观测到的数据预测未来根据过去和现在观测到的数据预测未来情况的系统。其应用领域有气象预报、人情况的系统。其应用领域有气象预报、人口预测、农业产量估计、水文、经济、军口预测、农业产量估计、水文、经济、军事形势的预测等。事形势的预测等。4）设计型专家系统）设计型专家系统 这是按给定的要求进行产品设计的一类这是按给定的要求进行产品设计的一类专家系统，它广泛应用于线路设计、机械专家系统，它广泛应用于线路设计、机械产品设计及建筑设计等领域。产品设计及建筑设计等领域

10、。255）决策型专家系统）决策型专家系统 这是对各种可能的决策方案进行综合评这是对各种可能的决策方案进行综合评判和选优的一类专家系统，它包括各种领判和选优的一类专家系统，它包括各种领域的智能决策及咨询。域的智能决策及咨询。6）规划型专家系统）规划型专家系统 这是用于制订行动规划的一类专家系统，这是用于制订行动规划的一类专家系统，可用于自动程序设计、机器人规划、交通可用于自动程序设计、机器人规划、交通运输调度、军事计划制订及农作物施肥方运输调度、军事计划制订及农作物施肥方案规划等。案规划等。267）控制专家系统）控制专家系统 控制专家系统的任务是自适应地管理一控制专家系统的任务是自适应地管理一个

11、受控对象或客体的全部行为，使之满足个受控对象或客体的全部行为，使之满足预定要求。预定要求。 控制专家系统的特点是，能够解释当前控制专家系统的特点是，能够解释当前情况，预测未来发生的情况、可能发生的情况，预测未来发生的情况、可能发生的问题及其原因，不断修正计划并控制计划问题及其原因，不断修正计划并控制计划的执行。所以说，控制专家系统具有解释、的执行。所以说，控制专家系统具有解释、预测、诊断、规划和执行等多种功能。预测、诊断、规划和执行等多种功能。278）教学型专家系统）教学型专家系统 这是能过行辅助教学的一类系统。它不这是能过行辅助教学的一类系统。它不仅能传授知识，而且还能对学生进行教学仅能传授

12、知识，而且还能对学生进行教学辅导，具有调试和诊断功能，加上多媒体辅导，具有调试和诊断功能，加上多媒体技术，其具有良好的人技术，其具有良好的人-机界面。机界面。9）监视型专家系统）监视型专家系统 这是用于对某些行为进行监视并在必要这是用于对某些行为进行监视并在必要时进行干预的专家系统。时进行干预的专家系统。282. 专家系统的构成专家系统的构成知识库知识库规则库规则库数据库数据库推理机推理机解释程序解释程序调度程序调度程序推理咨询推理咨询知识获取知识获取领域专家领域专家专家系统专家系统用户用户2930 知识库(Knowlege Base)知识库用来存放专家提供的知识。专家系统的问题求解过程是通过

13、知识库中的知识来模拟专家的思维方式的，因此，知识库是专知识库是专家系统质量是否优越的关键所在，家系统质量是否优越的关键所在，即知识库中知识的质量和数量决定着专家系统的质量水平。一般来说，专家系统中的知识库与专家系统程序是相互独立的，用户可以通过改变、完善知识库中的知识内容来提高专家系统的性能。 31推理机针对当前问题的条件或已知信息，反复匹配知识库中的规则，获得新的结论，以得到问题求解结果。 由此可见，推理机就如同专家解决问题的思维方式，知识库就是通过推理机来实现其价值的。 推理机(Inference Mechanism)32 综合数据库(Global Database) 综合数据库专门用于存

14、储推理过程中所需的原始数据、中间结果和最终结论，往往是作为暂时的工作存储区(Working Memory) 。解释器能够根据用户的提问，对结论、求解过程做出说明，因而使专家系统更具有人情味。33 知识获取(Knowledge Acquisition) 通过人工方法或机器学习的方法，将某个领域内的事实性知识和领域专家所特有的经验性知识转化为计算机程序的过程。 知识获取是专家系统知识库是否优越的关键，也是专家系统设计的“瓶颈”问题，通过知识获取，可以扩充和修改知识库中的内容，也可以实现自动学习功能。34 解释接口(Explanation Interface)解释接口提供使用者友善的解释说明及咨询功

15、能。 35 人机界面（Human-Machine Interface） 人机界面是系统与用户进行交流时的界面。通过该界面，用户输入基本信息、回答系统提出的相关问题，并输出推理结果及相关的解释等。 36三、专家系统的建立三、专家系统的建立37 知识库包含三类知识：知识库包含三类知识： （1）基于专家经验的判断性规则；）基于专家经验的判断性规则； （2）用于推理、问题求解的控制性规则；）用于推理、问题求解的控制性规则； （3）用于说明问题的状态、事实和概念以）用于说明问题的状态、事实和概念以 及当前的条件和常识等的数据。及当前的条件和常识等的数据。1知识库知识库38 知识库包含多种功能模块，主要有

16、知识库包含多种功能模块，主要有知识查询、检索、增删、修改和扩充等。知识查询、检索、增删、修改和扩充等。 知识库通过人机接口与领域专家相知识库通过人机接口与领域专家相沟通，实现知识的获取。沟通，实现知识的获取。39 推理机是用于对知识库中的知识进行推理推理机是用于对知识库中的知识进行推理来得到结论的来得到结论的“思维思维”机构。推理机包括三种机构。推理机包括三种推理方式：推理方式： （1 1）正向推理正向推理：从原始数据和已知条件得到：从原始数据和已知条件得到结论；结论； （2 2）反向推理反向推理：先提出假设的结论，然后寻：先提出假设的结论，然后寻找支持的证据，若证据存在，则假设成立；找支持的

17、证据，若证据存在，则假设成立； （3 3）双向推理双向推理：运用正向推理提出假设的结：运用正向推理提出假设的结论，运用反向推理来证实假设。论，运用反向推理来证实假设。2推理机40 人工智能中常用的知识表示方法为：产人工智能中常用的知识表示方法为：产生式规则，框架，语义网络、过程。生式规则，框架，语义网络、过程。 其中其中产生式规则产生式规则是专家系统最流行的表是专家系统最流行的表达方法。由产生式规则表示的专家系统又称达方法。由产生式规则表示的专家系统又称为基于规则的系统或产生式系统。为基于规则的系统或产生式系统。3知识的表示41 产生式规则的表达方式为：产生式规则的表达方式为：IF E THE

18、N H WITH CF ( E,H ) 其中，其中，E表示规则的前提条件，即证据，表示规则的前提条件，即证据，它可以是单独命题，也可以是复合命题；它可以是单独命题，也可以是复合命题；H表示规则的结论部分，即假设，也是命题；表示规则的结论部分，即假设，也是命题；CF（Certainty Factor）为规则的强度，反映）为规则的强度，反映当前提为真时，规则对结论的影响程度。当前提为真时，规则对结论的影响程度。42例例 子子在在“动物识别动物识别”专家系统中有这样一条规则：专家系统中有这样一条规则：IF IF 能做单腿跳吗能做单腿跳吗 = = 否否 ANDAND 在苏格兰吗在苏格兰吗 = = 是是

19、 ANDAND 高度高度 = = 大大THEN THEN 动物动物 = = 马马43 （1）C语言，人工智能语言（如语言，人工智能语言（如Prolog，Lisp等）；等）； （2）专家系统开发工具）专家系统开发工具(Expert Systems Tools)：已经建好的专家系统框架，包括知：已经建好的专家系统框架，包括知识表达和推理机。在运用专家系统开发工具识表达和推理机。在运用专家系统开发工具开发专家系统时，只需要加入领域知识。开发专家系统时，只需要加入领域知识。4专家系统开发语言445. 专家系统建立步骤一般步骤与方一般步骤与方法法45 确定知识类型：叙述性知识，过程性确定知识类型：叙述性

20、知识，过程性知识，控制性知识；知识，控制性知识； 确定知识表达方法；确定知识表达方法； 知识库管理系统的设计：实现规则的知识库管理系统的设计：实现规则的保存、编辑、删除、增加、搜索等功能。保存、编辑、删除、增加、搜索等功能。（1）知识库的设计）知识库的设计46 选择推理方式；选择推理方式； 选择推理算法：选择各种搜索选择推理算法：选择各种搜索算法，如深度优先搜索、广度优先搜索、算法，如深度优先搜索、广度优先搜索、启发式优先搜索等。启发式优先搜索等。（2）推理机的设计）推理机的设计47 设计设计“用户用户专家系统接口专家系统接口”：用：用于咨询理解和结论解释；于咨询理解和结论解释； 设计设计“专

21、家专家专家系统接口专家系统接口”：用：用于知识库扩充及系统维护。于知识库扩充及系统维护。（3）人）人机接口的设计机接口的设计482.2 专家控制49一、概一、概 述述 瑞 典 学 者瑞 典 学 者 K. J. Astrom于于 1983年 在年 在“Implementation of an Autotuner Using Expert System Ideas”一文中，首先把人工智能中的专家一文中，首先把人工智能中的专家系统引入智能控制领域，于系统引入智能控制领域，于1986年在年在“Expert Control”提出提出“专家控制专家控制”的概念，构成一种智的概念，构成一种智能控制方法。能控

22、制方法。50 专家控制（专家控制（Expert Control）是智能控）是智能控制的一个重要分支，又称专家智能控制。制的一个重要分支，又称专家智能控制。 所谓所谓专家控制专家控制，是将专家系统的理论和，是将专家系统的理论和技术同控制理论、方法与技术相结合，在未技术同控制理论、方法与技术相结合，在未知环境下，仿效专家的经验，实现对系统的知环境下，仿效专家的经验，实现对系统的控制。控制。51 专家控制试图在传统控制的基础上专家控制试图在传统控制的基础上“加加入入”一个富有经验的控制工程师，实现控制一个富有经验的控制工程师，实现控制的功能，它由知识库和推理机构构成主体框的功能，它由知识库和推理机构

23、构成主体框架，通过对控制领域知识（先验经验、动态架，通过对控制领域知识（先验经验、动态信息、目标等）的获取与组织，按某种策略信息、目标等）的获取与组织，按某种策略及时地选用恰当的规则进行推理输出，实现及时地选用恰当的规则进行推理输出，实现对实际对象的控制。对实际对象的控制。 知识库知识库实时实时推理机推理机A/D被控被控对象对象D/A控制控制算法库算法库专家控制的基本结构专家控制的基本结构1结构结构53 （1）能够满足任意动态过程的控制需要，）能够满足任意动态过程的控制需要，尤其适用于带有时变、非线性和强干扰的控制；尤其适用于带有时变、非线性和强干扰的控制； （2）控制过程可以利用对象的先验知

24、识；）控制过程可以利用对象的先验知识； （3）通过修改、增加控制规则，可不断积）通过修改、增加控制规则，可不断积累知识，改进控制性能；累知识，改进控制性能； 2功能功能54 （4）可以定性地描述控制系统的性能，如）可以定性地描述控制系统的性能，如“超调小超调小”、“偏差增大偏差增大”等；等； （5）对控制性能可进行解释；）对控制性能可进行解释；（6）可通过对控制闭环中的单元进行故障）可通过对控制闭环中的单元进行故障检测来获取经验规则。检测来获取经验规则。55 专家控制引入了专家系统的思想，但与专家控制引入了专家系统的思想，但与专家系统存在区别：专家系统存在区别： （1）专家系统能完成专门领域问

25、题的咨专家系统能完成专门领域问题的咨询功能，辅助用户决策；专家控制能进行独询功能，辅助用户决策；专家控制能进行独立的、实时的自动决策。专家控制比专家系立的、实时的自动决策。专家控制比专家系统对可靠性和抗干扰性有着更高的要求。统对可靠性和抗干扰性有着更高的要求。3. 与专家系统的区别与专家系统的区别56 （2）专家系统处于离线工作方式，而专家系统处于离线工作方式，而专家控制要求在线获取动态反馈信息，联专家控制要求在线获取动态反馈信息，联机完成控制，即要求在线工作方式。机完成控制，即要求在线工作方式。57专家控制系统的工作原理专家控制系统的工作原理定时信箱定时信箱出口信箱出口信箱应答信箱应答信箱入

26、口信箱入口信箱解释信箱解释信箱定时操作定时操作人人-机接口机接口数数值值算算法法库库受受控控过过程程知知识识基基系系统统A/DD/A用户用户专家控制系统的典型结构专家控制系统的典型结构58专家控制系统的工作原理专家控制系统的工作原理 专家控制系统有以下三个并发运行的子过程专家控制系统有以下三个并发运行的子过程:l知识基系统知识基系统l数值算法库数值算法库l人人- -机接口机接口 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箱进行的行的: 出口信箱出口信箱 入口信箱入口信箱 应答信箱应答信箱 解释信箱解释信箱 定时器信箱定时器信箱59 系统的控制器控制器由位于下层

27、的数值算法库和位于上层的知识基子系统两大部分组成。60 数值算法库数值算法库包含的是定量的解析知识，进行数值包含的是定量的解析知识，进行数值计算，快速、精确、由控制、辨识和监控三类算法计算，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，拥有最高组成，按常规编程直接作用于受控过程，拥有最高的优先权。的优先权。 控制算法根据来自知识基系统的配置命令和测控制算法根据来自知识基系统的配置命令和测量信号，例如量信号，例如PIDPID算法、极点配置算法、最小方差算法、极点配置算法、最小方差算法、离散滤波器算法等，每次运行一种控制算法。算法、离散滤波器算法等，每次运行一种控制算法

28、。 辨识算法和监控算法在某种意义上是从数值信辨识算法和监控算法在某种意义上是从数值信号流中抽取特征信息，可以看作是滤波器或特征抽号流中抽取特征信息，可以看作是滤波器或特征抽取器，仅当系统运行状况发生某种变化时，才往知取器，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。在稳态运行期间，知识基系识基系统中发送信息。在稳态运行期间，知识基系统是闲置的，整个系统按传统控制方式运行。统是闲置的，整个系统按传统控制方式运行。61 知识基子系统知识基子系统位于系统上层，对数值算法进行决位于系统上层，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，进行策、协调和组织，包含有定性的启发式知识

29、，进行符号推理，按专家系统的设计规范编码，通过数值符号推理，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，连接的信箱中有读或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。写信息的队列。62 内部过程的通信功能如下：内部过程的通信功能如下：出口信箱出口信箱 将控制将控制配置命令配置命令、控制算法控制算法的的参数变更值参数变更值以及以及信息发信息发送请求送请求从知识基系统送往数值算法部分。从知识基系统送往数值算法部分。入口信箱入口信箱 将将算法执行结果算法执行结果、检测预报信号检测预报信号、对于、对于信息发送请求信息发送请求的答案的答案、用户口命令用户口命令以及以及定时中

30、断信号定时中断信号分别从数值算法分别从数值算法库、人库、人-机接口及定时操作部分送往知识基系统。这些机接口及定时操作部分送往知识基系统。这些信息具有优先级说明，并形成先入先出的队列。在知识信息具有优先级说明，并形成先入先出的队列。在知识基系统内部另有一个信箱，进入的信息按照优先级排序基系统内部另有一个信箱，进入的信息按照优先级排序插入待处理信息，以便尽快处理最主要的问题插入待处理信息，以便尽快处理最主要的问题。63应答信箱应答信箱 传送数值算法对知识基系统的信息发送请求的通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。应答信号。解释信箱解释信箱 传送知识基系统发出的人传送知识基系统发

31、出的人-机通信结果，包括用户机通信结果，包括用户对知识库的编辑、查询、算法执行原因、推理结果、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运行情况解释。推理过程跟踪等系统运行情况解释。定时器信箱定时器信箱 用于发送知识基子系统内部推理过程需要的定时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。等待信号，供定时操作部分处理。64 人人-机接口子过程传播两类命令：机接口子过程传播两类命令：l一类是面向数值算法库的命令，如改变参数或改一类是面向数值算法库的命令，如改变参数或改变操作方式；变操作方式；l另一类是指挥知识基系统去做什么的命令，如跟另一类是指挥

32、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。65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 专家控制把系统视为基于知识的系统，系统包专家控制把系统视为基于知识的系统，系统包含的知识信息可以表示如下：含的知识信息可以表示如下：控制系统控制系统的知识的知识受控过程受控过程的知识的知识控制、辨识控制、辨识诊断知识诊断知识先验知识先验知识动态知识动态知识问题类型问题类型开环特性开环特性定量知识：各种解析算法定量知识：各种解析算法定性知识：各种经验、逻辑、直观判断定性知识：各种经验、逻辑、直观判断问题

33、类型问题类型开环特性开环特性66 数据库包括：数据库包括：l事实事实已知的静态数据。已知的静态数据。l证据证据测量到的动态数据。测量到的动态数据。l假设假设由事实和证据推导提到的中间结果，作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。为当前事实集合的补充。l目标目标系统的性能指标。系统的性能指标。67规则库一般用产生式规则表示，即：规则库一般用产生式规则表示，即：IF （控制局势）（控制局势）THEN （操作结论）（操作结论）其中，其中，l控制局势控制局势即为事实、证据、假设和目标等各种即为事实、证据、假设和目标等各种数据项表示的前提条件。数据项表示的前提条件。l操作结论操作结论即

34、为定性的推理结果，它可以是对原即为定性的推理结果，它可以是对原有控制局势知识条目的更新，还可以是某种控制、有控制局势知识条目的更新，还可以是某种控制、估计算法的激活。估计算法的激活。68（2）知识基系统的黑板法模型知识基系统的黑板法模型 知识基系统的结构如下图。它由一组知识源、黑板机构和调知识基系统的结构如下图。它由一组知识源、黑板机构和调度器三部分组成。度器三部分组成。整个知识基系统采用黑板法模型进行问题求整个知识基系统采用黑板法模型进行问题求解。解。黑板是一切知识源可以访问的公用数据结构。黑板是一切知识源可以访问的公用数据结构。黑板机构黑板机构（结合数据库）（结合数据库）知识源知识源1推理

35、规则推理规则操作原语操作原语局部数据库局部数据库知识源知识源2推理规则推理规则操作原语操作原语局部数据库局部数据库知识源知识源n推理规则推理规则操作原语操作原语局部数据库局部数据库调度器调度器调度规则调度规则调度数据库调度数据库69 知识源是与控制问题子任务有关的一些独立知识模知识源是与控制问题子任务有关的一些独立知识模块。可以把它们看作是不同子任务问题领域的小专家。块。可以把它们看作是不同子任务问题领域的小专家。每一个知识源有比较完整的知识库结构，包括：每一个知识源有比较完整的知识库结构，包括：推理规则推理规则采用采用IF-THEN产生式规则，条件部分是产生式规则，条件部分是全局数据库（黑板

36、）或是局部数据库中的状态描述，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息或局部数据库内容的修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。改或添加。局部数据库局部数据库存放与子任务相关的中间结果，用框存放与子任务相关的中间结果，用框架表示，其中各槽的值即为这些中间结果。架表示，其中各槽的值即为这些中间结果。70黑板机构黑板机构存放记录，包括事实、证据、假设和目存放记录，包括事实、证据、假设和目标据说标据说 明的静态、动态数据。这些数据分别为不同的明的静态、动态数据。这些数据分别为不同的知识源所关注。通过知识源的访问，整个数据库起到知识源所关注。通过知识源

37、的访问，整个数据库起到在各个知识源之间传递信息的作用。通过知识源的推在各个知识源之间传递信息的作用。通过知识源的推理，数据信息得到增删、修改、更新。理，数据信息得到增删、修改、更新。 调度器的作用是根据黑板的变化激活适当的知识源，调度器的作用是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。并形成有次序的调度队列。激活知识源可以采用串行或并行激活的方式，从而形激活知识源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略。成多种不同的调度策略。71串行激活又分成相继触发、预定顺序和动态生成顺序三串行激活又分成相继触发、预定顺序和动态生成顺序三种方式种方式，相继触发相继触发一个激活知

38、识源的操作结果作为另一个知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。识源的触发条件，自然激发，此起彼伏。预定顺序预定顺序按控制过程的某种原理，预先编一个知识按控制过程的某种原理，预先编一个知识源序列，依次触发。源序列，依次触发。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，激活每个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，通过逐步比较系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，以及系统的当前状统的期望状态与

39、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移的序列，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。即动态生成了知识源的激活序列。72 并行激活方式并行激活方式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。例如系统处于稳态控制方式时，一个知识源负责实际例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，而另外一些知识源同时实现多方面控制算法的执行，而另外一些知识源同时实现多方面的监控作用。的监控作用。 调度器调度器的结构类似于的结构类似于一个知识库一个知识库，其中包括一个，其中包括一个调度数据库调度

40、数据库，用框架形式记录着各个知识源的激活状，用框架形式记录着各个知识源的激活状态的信息，以及某些知识源等待激活的条件信息。态的信息，以及某些知识源等待激活的条件信息。调调度器内部的规则库度器内部的规则库包括了体现各种调度策略的产生式包括了体现各种调度策略的产生式规则。整个调度器的工作所需的时间信息，如知识源规则。整个调度器的工作所需的时间信息，如知识源等待激活、彼此中断等，是由定时操作部分提供的。等待激活、彼此中断等，是由定时操作部分提供的。73控制推理模型控制推理模型专家控制中的问题求解机制可表示为如下的推理模型：专家控制中的问题求解机制可表示为如下的推理模型：一种智能算子；集为具体推理机构

41、的输出；和事实集为知识库中的经验数据；为控制器的输入信息集；为控制器的输出作用集其中：fiiikkkeeeuuuIKEfUqpnm,.,I,.,K,.,E,.,U),(21212121智能算子可以一般地表示为智能算子可以一般地表示为 IF E AND K THEN (IF I THEN U)在此，智能算子的含义用了产生式的形式。在此，智能算子的含义用了产生式的形式。EKIU75 按专家控制在控制系统中的按专家控制在控制系统中的作用和功作用和功能能，可将专家控制器分为以下两种类型：，可将专家控制器分为以下两种类型： 直接型专家控制器直接型专家控制器 间接型专家控制器间接型专家控制器三三. .专家

42、控制系统分类专家控制系统分类76 直接专家控制器用于直接专家控制器用于取代常规控制器，直取代常规控制器，直接控制接控制生产过程或被控对象。具有模拟（或延生产过程或被控对象。具有模拟（或延伸，扩展）操作工人智能的功能。该控制器的伸，扩展）操作工人智能的功能。该控制器的任务和功能相对比较简单，但是需要任务和功能相对比较简单，但是需要在线、实在线、实时控制时控制。因此，其知识表达和知识库也较。因此，其知识表达和知识库也较简单简单，通常由几十条产生式规则构成，以便于增删和通常由几十条产生式规则构成，以便于增删和修改。修改。 1. 直接型专家控制知识库知识库信息获取信息获取与处理与处理推理推理机构机构被

43、 控被 控对对 象象传感器传感器控制控制规则库规则库直接型专家控制器直接型专家控制器78 间接型专家控制器用于间接型专家控制器用于和常规控制器相结和常规控制器相结合合，组成对生产过程或被控对象进行，组成对生产过程或被控对象进行间接控制间接控制的智能控制系统。具有模拟（或延伸，扩展）的智能控制系统。具有模拟（或延伸，扩展）控制工程师智能的功能。该控制器能够实现优控制工程师智能的功能。该控制器能够实现优化适应、协调、组织等化适应、协调、组织等高层决策高层决策的智能控制。的智能控制。按照高层决策功能的性质，间接型专家控制器按照高层决策功能的性质，间接型专家控制器可分为以下几种类型：可分为以下几种类型

44、：2. 间接型专家控制（监督专家控制）79 优化型专家控制器优化型专家控制器：是基于最优控制是基于最优控制专家的知识和经验的总结和运用。通过设置专家的知识和经验的总结和运用。通过设置整定值、优化控制参数或控制器，实现控制整定值、优化控制参数或控制器，实现控制器的静态或动态优化。器的静态或动态优化。 80 适应型专家控制器适应型专家控制器：是基于自适应控是基于自适应控制专家的知识和经验的总结和运用。根据制专家的知识和经验的总结和运用。根据现场运行状态和测试数据，相应地调整控现场运行状态和测试数据，相应地调整控制规律，校正控制参数，修改整定值或控制规律，校正控制参数，修改整定值或控制器，适应生产过

45、程、对象特性或环境条制器，适应生产过程、对象特性或环境条件的漂移和变化。件的漂移和变化。81 协调型专家控制器协调型专家控制器：是基于协调控制专家是基于协调控制专家和调度工程师的知识和经验的总结和运用。和调度工程师的知识和经验的总结和运用。用以协调局部控制器或各子控制系统的运行，用以协调局部控制器或各子控制系统的运行，实现大系统的全局稳定和优化。实现大系统的全局稳定和优化。82 组织型专家控制器：组织型专家控制器：是基于控制工程的是基于控制工程的组织管理专家或总设计师的知识和经验的组织管理专家或总设计师的知识和经验的总结和运用。用以组织各种常规控制器，总结和运用。用以组织各种常规控制器，根据控

46、制任务的目标和要求，构成所需要根据控制任务的目标和要求，构成所需要的控制系统。的控制系统。83 间接型专家控制器可以间接型专家控制器可以在线或离线在线或离线运行。运行。通常，优化型、适应型需要在线、实时、联通常，优化型、适应型需要在线、实时、联机运行。协调型、组织型可以离线、非实时机运行。协调型、组织型可以离线、非实时运行，作为相应的计算机辅助系统。运行，作为相应的计算机辅助系统。专家控制器专家控制器被控对象被控对象传感器传感器控制算法控制算法特征提取特征提取间接型专家控制器间接型专家控制器853. 专家控制必须解决的问题不论哪种专家控制器的设计都必须解决以下几个问不论哪种专家控制器的设计都必

47、须解决以下几个问题：题：(1) 用什么知识表示方法描述一个系统的待征知识用什么知识表示方法描述一个系统的待征知识?(2) 怎样从传感器数据中获取和识别定性的知识怎样从传感器数据中获取和识别定性的知识?(3) 如何把定性推理的结果量化成执行器定量的控制如何把定性推理的结果量化成执行器定量的控制信号：信号：(4)怎样分析和保证系统的稳定性怎样分析和保证系统的稳定性?(5)怎样获取控制知识和学习规则怎样获取控制知识和学习规则?86四、专家控制的关键技术及特点四、专家控制的关键技术及特点1专家控制的关键技术专家控制的关键技术 (1) 知识的表达方法；知识的表达方法； (2)从传感器中识别和获取定量的控

48、制信从传感器中识别和获取定量的控制信号；号； (3) 将定性知识转化为定量的控制信号；将定性知识转化为定量的控制信号； (4) 控制知识和控制规则的获取。控制知识和控制规则的获取。872专家控制的特点专家控制的特点 （1）灵活性灵活性：根据系统的工作状态及误：根据系统的工作状态及误差情况，可灵活地选取相应的控制律；差情况，可灵活地选取相应的控制律； （2）适应性适应性：能根据专家知识和经验，：能根据专家知识和经验，调整控制器的参数，适应对象特性及环境调整控制器的参数，适应对象特性及环境的变化；的变化； （3）鲁棒性鲁棒性：通过利用专家规则，系统：通过利用专家规则，系统可以在非线性、大偏差下可靠

49、地工作。可以在非线性、大偏差下可靠地工作。88 （4）高可靠性及长期运行的连续性高可靠性及长期运行的连续性； （5）在线控制的）在线控制的实时性实时性； （6）维护的）维护的方便性方便性。 893 专家专家PID控制控制 PID专家控制的实质是，基于受控对象和专家控制的实质是，基于受控对象和控制规律的各种知识，无需知道被控对象的控制规律的各种知识，无需知道被控对象的精确模型，利用专家经验来设计精确模型，利用专家经验来设计PID参数。专参数。专家家PID控制是一种控制是一种直接型专家控制器直接型专家控制器。90 专家PID控制的工作原理 在直接专家在直接专家PID控制中，专家控制器直接给控制中，

50、专家控制器直接给出控制信号，影响被控过程。直接专家出控制信号，影响被控过程。直接专家PID控制控制器根据测量到的过程信息及知识库中的规则，导器根据测量到的过程信息及知识库中的规则，导出每一采样时刻的控制信号。很明显，在这种情出每一采样时刻的控制信号。很明显，在这种情况下，专家况下，专家PID控制器直接包括在控制回路中，控制器直接包括在控制回路中，每一采样时刻必须由专家每一采样时刻必须由专家PID控制器给出控制信控制器给出控制信号，系统方可正常运行。号，系统方可正常运行。92 控制知识的获取 控制知识控制知识( (规则、事实规则、事实) )是从控制专家是从控制专家或专门操作人员的操作过程基础上概

51、括、或专门操作人员的操作过程基础上概括、总结归纳而成的。总结归纳而成的。 93典型二阶系统单位阶跃响应误差曲线典型二阶系统单位阶跃响应误差曲线 典型的二阶系统单位阶跃响应误差曲线如图典型的二阶系统单位阶跃响应误差曲线如图所示。对于典型的二阶系统阶跃响应过程作如下所示。对于典型的二阶系统阶跃响应过程作如下分析。分析。94 2111kekekekekeke 令令 表示离散化的当前采样时刻的误表示离散化的当前采样时刻的误差值，差值， 和和 分别表示前一个分别表示前一个和前两个采样时刻的误差值，则有和前两个采样时刻的误差值，则有1ke2ke ke 选取选取 为特征量。为特征量。)1(),(),(kek

52、eke95 根据误差及其变化，可设计专家根据误差及其变化，可设计专家PID控控制器，该控制器可分为以下五种情况进行设制器，该控制器可分为以下五种情况进行设计：计： （1）当）当 时，说明误差的绝对值已时，说明误差的绝对值已经很大。不论误差变化趋势如何，都应考虑经很大。不论误差变化趋势如何，都应考虑控制器的输出应按最大（或最小）输出，以控制器的输出应按最大（或最小）输出，以达到迅速调整误差，使误差绝对值以最大速达到迅速调整误差，使误差绝对值以最大速度减小。此时，它相当于实施开环控制。度减小。此时，它相当于实施开环控制。 1e kM96 （2）当）当说明误差在朝误差绝对值增大方向变化，或说明误差在

53、朝误差绝对值增大方向变化，或误差为某一常值，未发生变化。误差为某一常值，未发生变化。 00e(k ) e(k )e(k )或时，97此时，如果此时，如果 ，说明误差也较大，说明误差也较大，可考虑由控制器实施较强的控制作用，以可考虑由控制器实施较强的控制作用，以达到扭转误差绝对值朝减小方向变化，并达到扭转误差绝对值朝减小方向变化，并迅速减小误差的绝对值，控制器输出为迅速减小误差的绝对值，控制器输出为2|e(k )| M 21211dip1kekekekkekkekekkkuku98 如果如果 ,说明尽管误差朝绝对值说明尽管误差朝绝对值增大方向变化，但误差绝对值本身并不很大，增大方向变化，但误差绝

54、对值本身并不很大，可考虑控制器实施一般的控制作用，只要扭可考虑控制器实施一般的控制作用，只要扭转误差的变化趋势，使其朝误差绝对值减小转误差的变化趋势，使其朝误差绝对值减小方向变化，控制器输出为方向变化，控制器输出为 21211dipkekekekkekkekekkuku2|e(k )| M99 （3）当）当 时，说明误差的绝对值朝减小的方向变化，或者已时，说明误差的绝对值朝减小的方向变化，或者已经达到平衡状态。此时，可考虑采取保持控制器输经达到平衡状态。此时，可考虑采取保持控制器输出不变。出不变。0100e(k ) e(k ), e(k ) e(k)e(k )或者1004）当）当 时，说明误时

55、，说明误差处于极值状态。如果此时误差的绝对值较大，差处于极值状态。如果此时误差的绝对值较大，即即 ，可考虑实施较强的控制作用，可考虑实施较强的控制作用 2e kM kekkkukump11 010e(k ) e(k ), e(k ) e(k)101 如果此时误差的绝对值较小如果此时误差的绝对值较小 ，可考虑实施较弱的控制作用可考虑实施较弱的控制作用2e kM kekkkukump21 )(ke（5）当）当 时，说明误差的绝对值时，说明误差的绝对值很小，此时加入积分，减少稳态误差。很小，此时加入积分，减少稳态误差。102 图中，图中，、区域，误差朝绝对区域，误差朝绝对值减小的方向变化。此时，可采

56、取保持等待措施，值减小的方向变化。此时，可采取保持等待措施，相当于实施开环控制；相当于实施开环控制；、区域，区域，误差绝对值朝增大的方向变化。此时，可根据误差误差绝对值朝增大的方向变化。此时，可根据误差的大小分别实施较强或一般的控制作用，以抑制动的大小分别实施较强或一般的控制作用，以抑制动态误差。态误差。1034 专家PID控制仿真实例求三阶传递函数的阶跃响应求三阶传递函数的阶跃响应其中对象采样时间为其中对象采样时间为1ms。 采用专家采用专家PID设计控制器。在仿真过程中，设计控制器。在仿真过程中，取取0.001，程序中的五条规则与控制算法的五种情况，程序中的五条规则与控制算法的五种情况相对

57、应。相对应。s 10470 + s 87.35 523500 )(23pssG104采用采用z变换进行离散化变换进行离散化：ts=0.001;sys=tf(5.235e005,1,87.35,1.047e004,0); dsys=c2d(sys,ts,z);num,den=tfdata(dsys,v);仿真程序及分析仿真程序及分析105106)3()4()2()3() 1()2()3()4()2()3() 1()2()(kunumkunumkunumkydenkydenkydenky经过经过z变换后的离散化对象为变换后的离散化对象为107% 专家PID控制clear all;close all

58、;ts=0.001;sys=tf(5.235e005,1,87.35,1.047e004,0); dsys=c2d(sys,ts,z);num,den=tfdata(dsys,v);% 参数初始化u_1=0;u_2=0;u_3=0;y_1=0;y_2=0;y_3=0;x=0,0,0;x2_1=0; error_1=0;kp=0.6;ki=0.03; kd=0.01;% 控制程序for k=1:1:500time(k)=k*ts;108r(k)=1.0; % 给定信号u(k)=kp*x(1)+kd*x(2)+ki*x(3); %PID控制器输出%专家控制规则if abs(x(1)0.8 %规则1

59、：开环控制 u(k)=0.45;elseif abs(x(1)0.40 u(k)=0.40;elseif abs(x(1)0.20 u(k)=0.12; elseif abs(x(1)0.01 u(k)=0.10; end 109if x(1)*x(2)0|(x(2)=0) %Rule2 if abs(x(1)=0.05 u(k)=u_1+2*kp*x(1); else u(k)=u_1+0.4*kp*x(1); endend if (x(1)*x(2)0)|(x(1)=0) %Rule3 u(k)=u(k);end110if x(1)*x(2)0&x(2)*x2_1=0.05 u(k)=u_

60、1+2*kp*error_1; else u(k)=u_1+0.6*kp*error_1; endendif abs(x(1)=10 u(k)=10;endif u(k)=-10 u(k)=-10;end%离散化模型y(k)=-den(2)*y_1-den(3)*y_2-den(4)*y_3+num(1)*u(k)+num(2)*u_1+num(3)*u_2+num(4)*u_3;error(k)=r(k)-y(k);112%-过程参数更新-%u_3=u_2;u_2=u_1;u_1=u(k);y_3=y_2;y_2=y_1;y_1=y(k); x(1)=error(k); % Calculat