智能控制第七章专家系统

智能控制第七章专家系统第1页，共30页，2023年，2月20日，星期五目录专家系统的知识表示法2专家控制系统4专家系统的结构以各部分组成的功能、人机界面、知识库31专家系统的推理知识33第2页，共30页，2023年，2月20日，星期五7.1专家系统的结构以各部分组成的功能、人机界面、知识库专家知识人机接口知识获取推理机知识库数据库解释器第3页，共30页，2023年，2月20日，星期五7.2专家系统的知识表示法一、谓词法

谓词逻辑表示法以数理逻辑为基础，是目前为止能够表达人类思维活动规律的一种最精确的形式语言，他与人类的自然语言比较接近，又可方便地存储到计算机中区，兵被计算机做精确处理，最早应用于AI。谓词是用于刻画个体的性质、状态或个体间关系的。第4页，共30页，2023年，2月20日，星期五7.2专家系统的知识表示法二.产生式规则表示法

产生式表示法又称为产生式规则表示法。有心理学籍认为，人脑对知识的存储就是产生式形式。产生式最早由P.Post于1943年提出，用于构造Post机计算模型；1972A.Newell和H.A.Simon在研究人类的认识模型中提出了Rule-Based产生式系统方法及规则表示模型。目前，产生式表示法已经成为人工智能中应用最多的一种知识表示法，许多成功的专家系统都用它来表示知识。第5页，共30页，2023年，2月20日，星期五7.2专家系统的知识表示法三、框架表示法

框架表示法有M.Minsky1975年提出，它针对人们在理解事情情况时的心理学模型，论述了人们理解问题的一种思想方法。框架表示法最早用作视觉感知、自然语言对话等问题的知识表示，目前已作为一种通用数据结构来表示知识对象。<框架名><槽名1><槽值1>|<侧面名11><侧面值111，侧面值112,···><侧面名12><侧面值121，侧面值122,···>第6页，共30页，2023年，2月20日，星期五7.2专家系统的知识表示法例：“计算机主机”框架框架名<计算机主机>主机品牌：联想1+1生产厂商：北京联想集团公司CPU：品牌：Intel型号：奔腾Ⅲ/933主板：品牌：QDI型号：ATXVA5内存：品牌：现代型号：SDRAM容量：128MB硬盘：品牌：Seagate型号：ST320423A容量：20GB第7页，共30页，2023年，2月20日，星期五7.2专家系统的知识表示法四、“与或图”表示法与/或树表示法是一种用于表示复杂问题及复杂问题及其求解过程的形式化方法。与/或树采用分解和变换的思想，将复杂问题转化为一系列本原问题，通过对这些本原问题的求解来实现对原问题的求解。本原问题：是指那种不能或不需要再进行分解或变化，且可以直接解答的问题。第8页，共30页，2023年，2月20日，星期五7.2专家系统的知识表示法五、黑板专家控制系统黑板专家控制系统结构图第9页，共30页，2023年，2月20日，星期五7.2专家系统的知识表示法黑板结构是一种强功能的专家系统结构和问题求解模型，它能够处理大量不同的、错误的和不完全的知识，以求解问题。基本黑板结构是由一个黑板（ＢＢ）、一套独立的知识源（KSs）和一个调度器组成。黑板为一共享数据区；知识源存储各种相关知识；调度器起控制作用。黑板系统提供了一种用于组织知识应用和知识源之间合作的工具。黑板系统的最大优点在于它能够提供控制的灵活性和具有综合各种不同的知识表示和推理技术的能力。例如，一个产生式规则系统或基于框架的系统可以作为黑板系统的一部分。第10页，共30页，2023年，2月20日，星期五7.2专家系统的知识表示法(1)黑板：黑板用于存储所有知识源可访问的知识，它的全局数据结构被用于组织问题求解数据，并处理各知识源之间的通讯问题。放在黑板上的对象可以是输入数据、局部结果、假设、选择方案和最后结果等。各知识源之间的交互作用是通过黑板执行的。一个黑板可被分割为无数个子黑板；也就是说，按照求解问题的不同方面，可把黑板分为几个黑板层。(2)知识源：知识源是领域知识的自选模块；每个知识源可视为专门用于处理一定类型的较窄领域信息或知识的独立程序，而且具有决定是否应当把自身信息提供给问题求解过程的能力。黑板系统中的知识源是独立分开的，每个知识源具有自己的工作过程或规则集合和自有的数据结构，包含知识源正确运行所必须的信息。知识源的动作部分执行实际的问题求解，并产生黑板的变化。知识源能够遵循各种不同的知识表示方法和推理机制。因此，知识源的动作部分可为一个含有正向／逆向搜索的产生式规则系统，或者是一个具有填槽过程的基于框架的系统。(3)控制器：黑板系统的主要求解机制是由某个知识源向黑板增添新的信息开始的。然后，这一事件触发其它对新送来的信息感兴趣的知识源。接着，对这些被触发的知识源执行某些测试过程，以决定它们是否能够被合法执行。最后，一个被触发了的知识源被选中，执行向黑板增添信息的任务。这个循环不断进行下去。第11页，共30页，2023年，2月20日，星期五7.2专家系统的知识表示法六、Petri网表示方法三种基本元素：位置、转换、标记。pj和pk代表第j和第k个位置。yj和yk表示这两个位置的标记。ti是某个转换。yjykpjpkti第12页，共30页，2023年，2月20日，星期五7.2专家系统的知识表示法产生式规则为

IFdjTHENdk(CF=ui)，若可信度ui为0.8djdkpjpk0.8第13页，共30页，2023年，2月20日，星期五7.3专家系统推理知识一、知识推理方法

1.表示特点图搜索方法 包括宽度优先方法和深度优先方法逻辑论证法

2.是否启发式启发推理非启发推理第14页，共30页，2023年，2月20日，星期五7.4专家控制系统一、原理

1系统要求

在适应控制的发展过程中，专家控制器为使用的自适应设计机理建立了一个新的重要的里程碑。至今为止的自适应控制存在俩个显著缺点，即要求具有准确度额装置模型以及不能为自适应机理设定有意义的目标。专家控制器不存在这些缺点，因为他避开了装置的数学模型，并未自适应涉及提供有意义的时域目标。第15页，共30页，2023年，2月20日，星期五7.4专家控制系统二、专家系统与专家控制系统的区别

基本Elman网络的动态反向传播学习算法可归纳如下：

1.操作人员系统环路

2.自动时时数据采集系统

3.可利用的环境信息适当的方法在线辨识专家系统只对专门领域的问题文成咨询作用，协助用户进行工作。专家系统的推理是以知识为基础的，其推理结果为知识项、新知识项或对原知识项的变更知识项。然而，专家控制系统需要独立和自动地对控制作用做出决策，其推理结果可为变更的知识项，或且为启动某些解析算法。第16页，共30页，2023年，2月20日，星期五7.4专家控制系统3.专家控制系统的基本结构及组成单元功能专家系统的结构式是指专家系统各组成部分的构造方法和组织形式。系统结构选择恰当与否，是与专家系统的适用性和有效性密切相关的，选择什么结构最为恰当，要根据系统的应用环境和所执行任务的特点确定。知识库推理机专家知识输入或提问答案

专家简化结构图第17页，共30页，2023年，2月20日，星期五7.4专家控制系统专家系统的主要组成部分如下：(1)知识库：知识库用于存储某领域专家系统的专门知识，包括事实、可行操作与规则等。为了建立知识库，要解决知识获取和知识表示问题。知识获取涉及知识工程师如何从专家那里获得专门知识的问题；知识表示则要解决如何用计算机能够理解的形式表达和存储知识的问题。(2)综合数据库：综合数据库又称全局数据库或总数据库，它用于存储领域或问题的初始数据和推理过程中得到的中间数据（信息），即被处理对象的一些当前事实。(3)推理机：推理机用于记忆所采用的规则和控制策略的程序，使整个专家系统能够以逻辑方式协调地工作。推理机能够根据知识进行推理和导出结论，而不是简单地搜索现成的答案。(4)解释器：解释器能够向用户解释专家系统的行为，包括解释推理结论的正确性以及系统输出其它候选解的原因。(5)接口：接口又称界面，它能够使系统与用户进行对话，使用户能够输入必要的数据、提出问题和了解推理过程及推理结果等。系统则通过接口，要求用户回答提问，并回答用户提出的问题，进行必要的解释。第18页，共30页，2023年，2月20日，星期五7.4专家控制系统4.解决哪些知识？1.知识表述方法2.获取定性知识3把定性推理结论量化4.保证系统稳定性5.获取控制知识与学习规则第19页，共30页，2023年，2月20日，星期五7.4专家控制系统二、直接专家控制系统专家控制器有时又称为基于知识控制器。以基于知识控制器在整个系统中的作用为基础，可把专家控制系统分为直接专家控制系统和间接专家控制系统两种。在直接专家控制系统中，控制器向系统提供控制信号，并直接对受过程产生作用，如图所示。知识基控制器过程直接专家控制系统图第20页，共30页，2023年，2月20日，星期五7.4专家控制系统二、间接专家系统控制在间接专家控制系统中，控制器间接地对受控过程产生作用，如图所示。间接专家控制系统又可称为监控式专家控制系统或参数自适应控制系统。

间接专家系统控制图第21页，共30页，2023年，2月20日，星期五7.4专家控制系统1.知识库建立在专家控制的设计过程中，知识的表达是一项重要的内容。一般根据工业控制的特点及实时控制要求，采用产生式规则描述过程的因果关系，并通过带有调整因子的模糊控制规则建立控制规则集。

2、控制知识的获取

控制知识（规则、事实）是从控制专家或专门操作人员的操作过程基础上概括、总结归纳而成的。第22页，共30页，2023年，2月20日，星期五7.4专家控制系统3、推理方法的选用

实验表明，推理机制的类型与推理速度是密切相关的，而推理类型的选择又与规则库中的知识结构有关。在实时控制中，必须要在有限的采样周期内将控制信号确定出来。直接专家控制可以采用一种逐步改善控制信号精度的推理方式。逐步推理是把专家知识分成一些知识层，不同的知识层用于求解不同精度的解，这样就可以随着知识层的深入、逐步改善问题的解。对于简单的知识结构，可采用以数据驱动的正向推理方法，逐次判别各规则的条件，若满足条件执行该规则，否则继续搜索。第23页，共30页，2023年，2月20日，星期五7.4专家控制系统

上述两种控制系统的主要区别是在知识的设计目标上。直接专家控制系统的基于知识控制器直接模仿人类专家或人类的认知能力，并为控制器设计两种规则：训练规则和机器规则。训练规则由一系列产生式规则组成，它们把控制误差直接映射为受控对象的作用。机器规则是由积累和学习人类专家／师傅的控制经验得到的动态规则，并用于实现机器的学习过程。在间接专家系统中，智能（基于知识）控制器用于调整常规控制器的参数，监控受控对象的某些特征，如超调、上升时间和稳定时间等，然后拟定校正ＰＩＤ参数的规则，以保证控制系统处于稳定的和高质量的运行状态。

三、间接专家控制系统第24页，共30页，2023年，2月20日，星期五7.4专家控制系统间接专家系统控制图21、结构原理图第25页，共30页，2023年，2月20日，星期五7.4专家控制系统2、专家系统PLD控制结构设计

用专家系统实现智能PND控制的过程，实际上是模拟操作人员调解PID参数判断和决策过程，是将数字PID控制方法与专家系统融合起来，从模仿人征订参数的推理决策入手，以经典Ziegler-Nichols相现在最优控制征订规则为基础，利用实时控制信息和系统输出信息，将归纳为一系列征订规则，并把征订过程分成预整定和自整定两部分，预整