专家控制+实验(1)

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1、第第2 2章章 专家控制专家控制在传统控制系统中，系统的运行排斥了人的干预在传统控制系统中，系统的运行排斥了人的干预，人，人- -机之间缺乏交互。控制器对被控对象在环境中机之间缺乏交互。控制器对被控对象在环境中的参数、结构的变化缺乏应变能力。的参数、结构的变化缺乏应变能力。传统控制理论的不足，在于它必须依赖于被控对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，试图对精确模型来求取最优的象严格的数学模型，试图对精确模型来求取最优的控制效果。而实际的被控对象存在着许多难以建模控制效果。而实际的被控对象存在着许多难以建模的因素。的因素。上世纪上世纪8080年代初，人工智能中专家系统的思

2、想年代初，人工智能中专家系统的思想和方法开始被引入控制系统的研究和工程应用中。和方法开始被引入控制系统的研究和工程应用中。专家系统能处理定性的、启发式或不确定的知专家系统能处理定性的、启发式或不确定的知识信息，经过各种推理来达到系统的任务目标。专识信息，经过各种推理来达到系统的任务目标。专家系统为解决传统控制理论的局限性提供了重要的家系统为解决传统控制理论的局限性提供了重要的启示，二者的结合导致了专家控制这一方法。启示，二者的结合导致了专家控制这一方法。 2.1 2.1 专家系统专家系统2.1.1 专家系统概述1 1定义定义专家系统是一类包含知识和推理的智能计算机专家系统是一类包含知识和推理的

3、智能计算机程序，其内部包含某领域专家水平的知识和经验程序，其内部包含某领域专家水平的知识和经验 ，具有解决专门问题的能力。，具有解决专门问题的能力。2 2发展历史发展历史分为三个时期：分为三个时期：(1) (1) 初创期（初创期（1965-19711965-1971年）年）第一代专家系统第一代专家系统DENLDRADENLDRA和和MACSMAMACSMA的出现的出现，标志着专家系统的诞生。其中，标志着专家系统的诞生。其中DENLDRADENLDRA为推断化为推断化学分子结构的专家系统，由专家系统的奠基人，学分子结构的专家系统，由专家系统的奠基人，StanfordStanford大学计算机系的

4、大学计算机系的FeigenbaumFeigenbaum教授及其研究教授及其研究小组研制。小组研制。MACSMAMACSMA为用于数学运算的数学专家系为用于数学运算的数学专家系统，由麻省理工学院完成。统，由麻省理工学院完成。（2 2）成熟期（）成熟期（1972-19771972-1977年）：年）：在此期间斯坦福大学研究开发了最著名的专家在此期间斯坦福大学研究开发了最著名的专家系统系统- -血液感染病诊断专家系统血液感染病诊断专家系统MYCINMYCIN，标志专家系，标志专家系统从理论走向应用。另一个著名的专家系统统从理论走向应用。另一个著名的专家系统- -语音语音识别专家系统识别专家系统HEA

5、RSAYHEARSAY的出现，标志着专家系统的的出现，标志着专家系统的理论走向成熟。理论走向成熟。（3 3）发展期（）发展期（1978-1978-现在）现在）在此期间，专家系统走向应用领域，专家系统在此期间，专家系统走向应用领域，专家系统 的数量增加，仅的数量增加，仅19871987年研制成功的专家系统就有年研制成功的专家系统就有 10001000种。种。专家系统可以解决的问题一般包括解释、预测专家系统可以解决的问题一般包括解释、预测、设计、规划、监视、修理、指导和控制等。目前、设计、规划、监视、修理、指导和控制等。目前 ，专家系统已经广泛地应用于医疗诊断、语音识别，专家系统已经广泛地应用于医

6、疗诊断、语音识别 、图象处理、金融决策、地质勘探、石油化工、教、图象处理、金融决策、地质勘探、石油化工、教 学、军事、计算机设计等领域。学、军事、计算机设计等领域。2.1.2 专家系统构成专家系统主要由知识库和推理机构成，专专家系统主要由知识库和推理机构成，专家系统的结构如图家系统的结构如图2.12.1所示。所示。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 用户用户专家系统的结构专家系统的结构2.1.3 2.1.3 专家系统的建立专家系统的建立 1 1知识库知识库知识库包含三类知识：知识库包含

7、三类知识：（1 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 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 3）用于说明问题的状态、事实和概念以及当前的）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。条件和常识等的数据。知识库包含多种功能模块，主要有知识查询、检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。知识库通过人机接口与索、增删、修改和扩充等。知识库通过人机接口与领域专家相沟通，实现知识的获取。领域专家相沟通，实现知识的获取。2 2推理机推理机推理机是用于对知识库中的知识进行推理来得推理机是用于对知识库中的

8、知识进行推理来得 到结论的到结论的“思维思维”机构。推理机包括三种推理方式机构。推理机包括三种推理方式 ：（1 1）正向推理：从原始数据和已知条件得到结论；）正向推理：从原始数据和已知条件得到结论；（2 2）反向推理：先提出假设的结论，然后寻找支持）反向推理：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；的证据，若证据存在，则假设成立；（3 3）双向推理：运用正向推理提出假设的结论，运）双向推理：运用正向推理提出假设的结论，运 用反向推理来证实假设。用反向推理来证实假设。3 3知识的表示知识的表示常用的知识表示方法为：产生式规则，框架，常用的知识表示方法为：产生式规则，框架，

9、语义网络，过程。其中产生式规则是专家系统最流语义网络，过程。其中产生式规则是专家系统最流 行的表达方法。由产生式规则表示的专家系统又称行的表达方法。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。产生式规则的表达方式为：产生式规则的表达方式为：IF E THEN H WITH CF(E,H)IF E THEN H WITH CF(E,H)其中，其中，E E表示规则的前提条件，即证据，它可以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；是单独命题，也可以是复合命题；HH表示规则的表示规则的结论部分，即假设，也是命题；结论部分，即假设，

10、也是命题；CFCF（Certainty Certainty FactorFactor）为规则的强度，反映当前提为真时，规）为规则的强度，反映当前提为真时，规则对结论的影响程度。则对结论的影响程度。4 4专家系统开发语言专家系统开发语言（1 1）C C语言，人工智能语言（如语言，人工智能语言（如PrologProlog，LispLisp等）等）；（2 2）专家系统开发工具：已经建好的专家系统框）专家系统开发工具：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架，包括知识表达和推理机。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。工具开发专家系统时，只需要加入领域知

11、识。5 5专家系统建立步骤专家系统建立步骤（1 1）知识库的设计）知识库的设计 确定知识类型：叙述性知识，过程性知识，控制性确定知识类型：叙述性知识，过程性知识，控制性知识；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：实现规则的保存、编辑、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。删除、增加、搜索等功能。（2 2）推理机的设计）推理机的设计 选择推理方式；选择推理方式； 选择推理算法：选择各种搜索算法，如深度优先选择推理算法：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。搜索、广度优先搜索、启发式优先搜索等。（3 3）人）人

12、 机接口的设计机接口的设计 设计设计“ “用户用户 专家系统接口专家系统接口” ”：用于咨询理解和结论：用于咨询理解和结论解释；解释； 设计设计“ “专家专家 专家系统接口专家系统接口” ”：用于知识库扩充及系：用于知识库扩充及系统维护。统维护。第二节第二节 专家控制专家控制 一、概述一、概述瑞典学者瑞典学者K.J.AstromK.J.Astrom在在19831983年首先把人工智能年首先把人工智能中的专家系统引入智能控制领域，于中的专家系统引入智能控制领域，于19861986年提出年提出“ “专家控制专家控制” ”的概念，构成一种智能控制方法。的概念，构成一种智能控制方法。专家控制（专家控制

13、（Expert Expert ControlControl）是智能控制的一个）是智能控制的一个重要分支，又称专家智能控制。所谓专家控制，是重要分支，又称专家智能控制。所谓专家控制，是将专家系统的理论和技术同控制理论、方法与技术将专家系统的理论和技术同控制理论、方法与技术相结合，在未知环境下，仿效专家的经验，实现对相结合，在未知环境下，仿效专家的经验，实现对系统的控制。系统的控制。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“ “加入加入” ”一个富一个富有经验的控制工程师，实现控制的功能，它由知识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架，通过对控制领

14、域知识库和推理机构构成主体框架，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，（先验经验、动态信息、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，按某种策略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。实现对实际对象的控制。 二、基本原理 1 1结构结构专家控制的基本结构如图专家控制的基本结构如图2.22.2所示。所示。 知识库知识库实时实时 推理机推理机A/DA/D被控被控 对象对象D/AD/A控制控制 算法库算法库图图2.2 2.2 专家控制的结构专家控制的结构 2 2功能功能 （1 1）能够满足任意动态过程的控制需要，尤其适用）能够满足任意动

15、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；于带有时变、非线性和强干扰的控制；（2 2）控制过程可以利用对象的先验知识；）控制过程可以利用对象的先验知识；（3 3）通过修改、增加控制规则，可不断积累知识，）通过修改、增加控制规则，可不断积累知识，改进控制性能；改进控制性能； （4 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 5）对控制性能可进行解释；）对控制性能可进行解释； （6 6）可通过对控制闭环中的单元进行故障检测来）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。获取经验

16、规则。3 3 与专家系统的区别与专家系统的区别专家控制引入了专家系统的思想，但与专家系专家控制引入了专家系统的思想，但与专家系统存在区别：统存在区别： （1 1）专家系统能完成专门领域的功能，辅助用户）专家系统能完成专门领域的功能，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 。专家控制比专家系统对可靠性和抗干扰性有着。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。更高的要求。（2 2）专家系统处于离线工作方式，而专家控制）专家系统处于离线工作方式，而专家控制要求在线获取反馈信息，即要求在线工作方式。要求在线获取反馈信息，即要求在线工作方式。4. 4. 知识表示知识表示专家控制将系统视为基于知识的系统，控制系专家控制将系统视为基于知识的系统，控制系统的知识表示如下：统的知识表示如下： （1 1）受控过程的知识）受控过程的知识