智能控制课件完整版本

（第7课）

第四章专家控制智能控制IntelligentControlExpertControlSystemECS

专家系统+工程控制论

ECS广泛应用于故障诊断、工业设计及过程控制。第四章专家控制14.1专家系统专家系统（ExpertSystem)是人工智能应用研究最活跃和最广泛的课题之一。

1965年第一个化学专家系统DENDRAL诞生。

2专家系统是一个智能计算机程序系统内部含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知识和解决问题的方法来处理该领域问题基于知识库的程序，知识来源于专家

处理现实需要由专家分析解决的问题

通过推理解决问题3专家系统的类型解释专家系统预测专家系统诊断专家系统设计专家系统规划专家系统监视专家系统控制专家系统调试专家系统教学专家系统修理专家系统4专家系统的特点

启发性：推理思考

透明性：解释本身的推理过程，回答用户的提问

灵活性：增长、修改、更新知识5专家系统结构

P241图4.1知识库推理机专家知识输入或提问答案6知识库和推理机是两个主要组成部分。

知识库：判断性知识叙述性知识

推理机：解释程序调度程序

接口：人机交互专家系统是一种智能计算机程序7接口事实规则解释器计划议程中间解执行器调度器协调器黑板推理机知识库用户8专家系统建立过程

知识获取：来源与专家、教科书、资料库及工程师

知识表达：由知识工程师整理、以正确形式储存于知识库中。知识表达方式具备：表达专家知识能力能方便使用

系统建立9产生式系统ProductionSystem,PS

ES是基于PS的基础上发展起来的，基于POST（1943）提出的产生式规则。第一个化学领域的专家系统DENDRAL（Stanford）即采用PS

知识表达方式10

PS由事实和规则构成事实：静态的知识，如事物、事件和它们之间的关系。

规则（产生式规则）：表示推理和行为的过程。

IF—THEN前项表示条件，可由各条件用逻辑连接词组成不同组合；后项为当条件为真时采取的行动或结论。11产生式系统结构控制策略产生式规则数据库12

产生式系统推理：13框架理论Frame

着重结构、组织七十年代由MT的M.Minsky提出的一种知识表达方法，作为理解视觉、自然语言对话及其它复杂行为的一种基础。

框架：人类日常分析和思维，使用从过去的经验中积累的知识。这些知识规模巨大而以很好的形式保留在人们的记忆中。14FrameFrame_nameSlot_name_1:Aspect_11,Aspect_value_11Aspect_12,Aspect_value_12Slot_name_n:Aspect_n1,Aspect_value_n1Aspect_n2,Aspect_value_n2框架通常描述一类物体，由一组描述物体的各方面的槽组成，每个槽有自己的名字和值。在复杂结构中，槽下面可设几个侧面，每个侧面各有自己的值。15槽或侧面的取值可以是二值逻辑的T或F，可以是实数值，可以是文字以及其它形式的定义域。还可以是一组子程序，称为框架的程序附件框架结构中，各框架有联系：

纵向，继承关系，利于学习

横向，信息联系。16

例，学校人员Personnel网络Teacher_1PersonnelFacultyFaculty-TeacherFaculty-CarderStudentTeacher_217在框架表示的知识库中，主要有两种活动，一是填槽，即框架中未知内容的槽需要填写；二是“匹配”，根据已知事件寻找合适的框架，并将该内容填入槽中。主要推理形式：默认推理：通过继承关系匹配18语义网络由语言符号的网络格式表示人类知识构造的一种形式。19

不确定性

结论不确定性证据不确定性知识的不确定性

专家系统应用于某些领域时，结论很少是完全确定的，因而，面临不确定问题。

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证据不确定性

PS前提部分，事实（观察到的）具有不确定性，如看到的物体白色/灰色？

可信度-1~+1（或0~1）

当规则具有一个以上的条件时，就需要根据各条件的可信度求总条件的可信度。21以模糊理论为基础的处理方法（取最小）ANDAND0.90.51.00.5ANDAND0.90.51.00.45以概率论为基础的处理方法（相乘）22OROR0.90.51.01.0取最大23

专家控制目标

模拟、延伸、扩展“控制专家”的思想、策略和方法ECS的功能P246

4.2专家控制基本原理24专家控制系统与专家系统的区别

专家系统：专门领域的问题咨询、推理辅助用户决策

专家控制：对控制动作独立决策

专家系统：离线

专家控制：在线25专家控制算法

实质：

解析控制规律+启发式逻辑算法

传统控制的特长：能够针对精确描述的解析模型进行精确的数值求解。

传统控制的缺陷：难于在大范围或复杂环境中取得完美控制效果。

需要启发式逻辑26其实，传统控制技术中也存在许多启发式逻辑，如：

PID参数整定和优化不同算法的协调未建模动态的处理系统在线运行的辅助操作但并未形式化处理。这正是专家控制的作用27

专家控制系统设计（1）模型描述如何描述复杂的工业系统如何描述人的智能控制方式28

几种模型：解析模型（白色的）、模糊模型灰色模型（部分已知、部分未知）模糊：内涵明确，外延不明确灰色：外延明确，内涵不明确知识模型IFTHENECS中应用最多一般地，在设计ECS时，可将上述模型进行有机结合，形成一个综合模型29（2）信息处理和特征提取通过检测仪表或软仪表获取信息过程、运行、环境特征提取：特征行为：描述各种运行状态行为特征集合30（3）控制策略

控制模态：开环、闭环、反馈、定性、定量等。

控制策略：比例、微分、积分、保持、增量、状态反馈、典型操作（如Bang-Bang等）31（4）知识库存放问题求解需要的领域知识（5）自学习机构衡量智能水平的重要标志实现较难32（6）推理机由行为空间B到控制规则集U的映射集合。（7）数据库各种已知条件、实时数据等当前信息，以及与特定问题有关的各种临时数据的集合。33

间接和直接ECS4.3专家控制系统的典型结构控制器对象ECS间接ECSECS对象直接ECS34

Åström原型结构

K.J.Åström,1986,“ExpertControl”P251图4.4

特点：知识及处理过程分离

知识基、数值算法、通讯并行运行35数值算法：控制（PID、FUZZY…）辨识（RLS…）监控内部通讯：Box邮箱：Out,In,Answer,Result,Timer知识基结构：知识源、黑板、调度器364.4专家控制示例

374.5专家控制技术的研究课题请自己查阅近期文献

实时推理

P264

非单调推理异步事件推理

按时序推理带有时间约束推理并行推理不确定推理知识获取

P266

浅层知识与深层知识专家经验知识动态知识38

广义上讲，各种智能控制方法研究的共同点就是使工程控制系统具有某种“仿人”的智能。39

稳定性分析

P270

ECS实际是非线性控制4.6仿人智能控制概念和定义特征模型：

描述控制系统行为特征全体特征状态的集合一般由偏差和偏差变化率等组合构成教材P274q1~q8特征辨识40特征记忆

用于系统校正，适应学习及系统监控等。

特征记忆表现了控制器前期决策与控制的效果及控制要求和对象性质控制模态

控制方式41原理和结构

特征辨识→仿人推