（精选幻灯片）第2章专家控制.ppt

1、在传统的控制系统中，系统的运行排除了人为干预，缺乏人机交互。控制器对环境中被控对象的参数和结构的变化缺乏应变能力。传统控制理论的不足在于必须依赖于被控对象严格的数学模型，并试图从精确的模型中获得最佳的控制效果，但实际被控对象中有许多难以建模的因素。20世纪80年代初，人工智能中专家系统的思想和方法开始被引入到控制系统的研究和工程应用中。专家系统可以处理定性的、启发式的或不确定的知识信息，并通过各种推理实现系统的任务目标。专家系统为解决传统控制理论的局限性提供了重要启示，二者的结合导致了专家控制。2，2，2.1专家系统2.1.1专家系统概述2.1.2专家系统组成2.1.3专家系统建立2.2专家控

2、制2.2.1概述2.2.2基本原理2.2.3专家控制的关键技术和特点2.3专家PID控制2.3.1专家PID控制原理2.3.2模拟程序和分析2.1专家系统2.1.1专家系统概述1定义专家系统是一种包含知识和推理的智能计算机程序，它包含专家在一个其发展历史可分为三个时期：(1)在初始阶段(1965-1971)，第一代专家系统DENLDRA和MACSMA的出现标志着专家系统的诞生。DENLDRA是一个推断化学分子结构的专家系统，由专家系统的创始人、斯坦福大学的费根鲍姆教授及其研究团队开发。MACSMA是由麻省理工学院完成的数学运算专家系统。成熟期(1972-1977年)在此期间，斯坦福大学研究和开

3、发了最著名的专家系统多智能体集成，标志着专家系统从理论走向应用。另一个著名的专家系统“道听途说”的出现标志着专家系统理论的成熟。发展时期(1978年至今)在此期间，专家系统进入应用领域，专家系统的数量增加。仅在1987年，就成功开发了1000多种专家系统。专家系统能够解决的问题一般包括解释、预测、设计、规划、监测、修复、指导和控制等。目前，专家系统已经广泛应用于医学诊断、语音识别、图像处理、金融决策、地质勘探、石油化工、教学、军事、计算机设计等领域。专家系统的结构主要由知识库和推理机组成。2.1.2专家系统的组成，8，2.1.3专家系统的建立，1知识库包含三种知识：(1)基于专家经验的判断规则

4、；(2)控制推理和解决问题的规则；(3)用于解释问题的现状、事实和概念，以及现状和常识。知识库包含许多功能模块，包括知识查询、检索、添加、删除、修改和扩展。知识库通过人机界面与领域专家交流，实现知识获取。推理机推理机是对知识库中的知识进行推理以得出结论的一种“思维”机制。推理机包括三种推理模式：(1)正向推理：从原始数据和已知条件中得出结论；(2)逆向推理：首先提出假设的结论，然后寻找支持证据。如果证据存在，假设成立；(3)双向推理：用正向推理得出假设的结论，用反向推理证明假设。常见的知识表示方法有产生式规则、框架、语义网络和过程。其中，产生式规则是专家系统最常用的表达方法。以生产规则为代表的

5、专家系统也称为基于规则的系统或生产系统。生产规则的表达式是：如果E那么H与CF(E，H)，其中E代表规则的前提条件，即证据，它可以是单个命题或复合命题；h表示规则的结论部分，即假设，这也是一个命题；确定性因子是规则的强度，它反映了前提为真时规则对结论的影响。专家系统开发语言(1) C语言、人工智能语言(如Prolog、Lisp等)。)；(2)专家系统开发工具：建立的专家系统框架，包括知识表达和推理机。当使用专家系统开发工具开发专家系统时，只需要添加领域专家的知识。建立专家系统的步骤：(1)知识库的设计决定了知识的类型：叙事知识、过程知识和控制知识；确定知识表达方法；知识库管理系统设计：实现规则

6、的保存、编辑、删除、添加和搜索功能。13、(2)推理机的设计选择了推理模式；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、启发式优先搜索等。(3)人机界面“用户专家系统界面”设计：用于咨询理解和结论解释；为知识库扩展和系统维护设计“专家专家系统接口”。1983年，瑞典学者阿斯特罗姆首次将人工智能中的专家系统引入智能控制领域，并于1986年提出了“专家控制”的概念，构成了一种智能控制方法。专家控制是智能控制的一个重要分支，也称为专家智能控制。所谓专家控制就是将专家系统的理论和技术与控制理论、方法和技术相结合，模仿专家的经验来实现对未知环境下系统的控制。专家控制试图在传统控制的基础

7、上“加入”一个有经验的控制工程师来实现控制的功能。它以知识库和推理机制为主要框架，通过获取和组织控制领域的知识(先验经验、动态信息、目标等)。)，根据一定的策略及时选择合适的规则进行推理输出，实现对实际对象的控制。16、专家控制结构，1结构专家控制的基本结构如下图所示。2.2.2基本原理，17，2功能(1)能满足任何动态过程的控制需要，特别适用于时变、非线性和强干扰的控制；(2)对象的先验知识可用于控制过程；(3)通过修改和增加控制规则，可以积累知识，提高控制性能；(4)能定性描述控制系统的性能，如“小超调量”和“偏差增大”；(5)控制性能可以解释；(6)经验规则可以通过控制闭环中单元的故障检

8、测获得。不同于专家系统专家控制引入了专家系统的思想，但它不同于专家系统：(1)专家系统可以完成特定领域的功能，辅助用户决策；专家控制可以做出独立、实时和自动的决策。专家控制比专家系统对可靠性和抗干扰性有更高的要求。(2)专家系统处于离线工作模式，专家控制需要在线反馈信息，即在线工作模式。知识表示专家控制将系统视为一个基于知识的系统，控制系统的知识表示如下：(1)被控过程的先验知识：包括问题的类型和开环特性；动态知识：包括中间状态和特征变化。(2)控制、识别和诊断的定量知识：各种算法；定性知识：各种经验、逻辑和直觉判断。根据专家系统知识库的结构，可以对相关知识进行分类和组织，形成数据库和规则库，

9、从而构成专家控制系统的知识来源。数据库包括已知事实的静态数据。例如，传感器测量误差、操作阈值、报警阈值、操作顺序的约束条件、受控过程的单元配置等。证据衡量的动态数据。例如，传感器的输出值、仪器仪表的测试结果等。证据的类型是不同的，往往带有噪音、延迟、不完整甚至相互冲突；21、假设从事实和证据中得出的中间结果是对当前事实集的补充。例如，从各种参数估计算法导出的状态估计；目标系统的性能指标。如稳定性要求、静态工作点的优化、判断现有控制律是否需要改进等。目标可以根据外部命令或内部操作条件预先确定或在线动态建立。专家控制的规则库一般用生产规则来表示：如果控制情况(事实和数据)，那么操作结论由若干生产规

10、则组成。根据专家控制在控制系统中的作用和功能，专家控制器可分为以下两种类型：(1)直接专家控制器直接专家控制器用来代替常规控制器，直接控制生产过程或被控对象。它具有模拟(或扩展、扩展)操作员智能的功能。控制器的任务和功能相对简单，但需要在线实时控制。因此，它的知识表达和知识库也比较简单，通常由几十条产生式规则组成，便于添加、删除和修改。下图中的虚线显示了直接专家控制器。直接专家控制器、间接专家控制器间接专家控制器用于与常规控制器相结合，形成一个对生产过程或被控对象进行间接控制的智能控制系统。它具有模拟(或扩展、扩展)控制工程师智能的功能。该控制器可以实现优化、适应、协调和组织等高层决策的智能控

11、制。根据高层决策功能的性质，间接专家控制器可以分为以下几种类型：优化专家控制器，它是基于最优控制专家的知识和经验的总结和应用。控制器的静态或动态优化可以通过设置设定值、优化控制参数或控制器来实现。自适应专家控制器是基于自适应控制专家的知识和经验的总结和应用。根据现场运行状态和试验数据，调整控制规律，修正控制参数，并相应地修改设定值或控制器，以适应生产过程、对象特性或环境条件的漂移和变化。协调专家控制器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应用。它用于协调局部控制器或子控制系统的运行，实现大系统的全局稳定和优化。组织专家控制器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总结和

12、应用。它用于根据控制任务的目标和要求，组织各种常规控制器，形成所需的控制系统。间接专家控制器可以在线或离线运行。通常，优化和适应需要在线、实时和在线操作。协调型和组织型可以作为相应的计算机辅助系统离线和非实时运行。下图显示了间接专家控制器。27、图形间接专家控制器、28、1专家控制的关键技术(1)知识表达方法；(2)从传感器识别和获取定量信号；(3)将定性知识转化为定量控制信号；(4)控制知识和控制规则的获取。2专家控制的特点(1)灵活性：根据系统的工作状态和误差，可以灵活选择相应的控制规律；(2)适应性：根据专家的知识和经验，可以调整控制器的参数，以适应对象特性和环境的变化；(3)鲁棒性：利

13、用专家规则，系统能够在非线性和大偏差下可靠工作。返回，2.2.3专家控制的关键技术和特点，29，PID专家控制的本质是在不知道被控对象的精确模型的情况下，根据被控对象和控制规律的各种知识，利用专家经验设计PID参数。专家PID控制是直接的专家控制器。t的单位阶跃响应误差曲线2.3专家PID控制2.3.1专家PID控制原理，图30、典型二阶系统单元阶跃响应误差曲线，典型二阶系统阶跃响应过程分析如下。31、分别让代表当前采样时刻的误差值和代表前一个和前两个采样时刻的误差值离散化，那么就有32、根据误差及其变化，可以设计一个专家PID控制器，它可以分为以下五种情况：(1)当时间合适时，它表明误差的绝

14、对值很大。无论误差变化趋势如何，都应考虑控制器的输出应为最大(或最小)输出，以便快速调整误差并在最大速度下减小误差的绝对值。此时，它相当于实现开环控制。33、(2)当或时，表示误差正朝着增加误差绝对值的方向变化，或者误差是一个常数值而没有变化。此时，如果表明误差也很大，则可以认为控制器应该实施强控制动作，以实现扭转误差的绝对值向减小方向变化，并迅速减小误差的绝对值。控制器的输出为34、如果它表明虽然误差向绝对值增大的方向变化，但误差本身的绝对值不是很大，可以认为控制器应该实施一个通用的控制动作，只要扭转误差的变化趋势，使其向误差绝对值减小的方向变化，控制器的输出为35、(3)当或、 这意味着误差的绝对值朝着减小的方向变化，或者已经达到平衡状态。 此时，可以考虑保持控制器的输出不变。(4)何时，何时，误差处于极端状态。如果此时误差的绝对值大，即可以考虑强控制作用，36，并且如果误差的绝对值小，即可以考虑弱控制作用(5)，这意味着误差的绝对值非常小，然后