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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，系统的运行排斥在传统控制系统中，系统的运行排斥了人的干预，人了人的干预，人- -机之间缺乏交互。控制器机之间缺乏交互。控制器对被控对象在环境中的参数、结构的变化缺对被控对象在环境中的参数、结构的变化缺乏应变能力。乏应变能力。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。上世纪上世纪8080年代初，人工智能中专家系统年代
2、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。专家系统能处理定性的、启发式或不确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定的知识信息，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。 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专家系统是一类包含知识和推理的智能计
3、算机程序，其内部包含某领域专家水平的计算机程序，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。知识和经验，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，标志着专家系统的诞生。其中的出现，标志着专家系统的诞生。其中 DENLDRADENLDRA为推断化学分子结构的专家系统为推断化学分子结构的专家系统 ，由专家系统的奠基人，由专家系统的奠基人，StanfordStanford大学计算大学计
4、算 机系的机系的FeigenbaumFeigenbaum教授及其研究小组研制教授及其研究小组研制 。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在此期间斯坦福大学研究开发了最著名 的专家系统的专家系统- -血液感染病诊断专家系统血液感染病诊断专家系统 MYCINMYCIN，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
5、 HEARSAYHEARSAY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。（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，在此期间，专家系统走向应用领域， 专家系统的数量增加，仅专家系统的数量增加，仅19871987年研制成年研制成 功的专家系统就有功的专家系统就有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、释、预测、设计、规划、监视、修理、 指导和控制等。目前，专家系统已经广指导和控制等。目前，专家系统已经广 泛地应用于医疗诊断、语音识别、
6、图象泛地应用于医疗诊断、语音识别、图象 处理、金融决策、地质勘探、石油化工处理、金融决策、地质勘探、石油化工 、教学、军事、计算机设计等领域。、教学、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成，专家系统的结构如图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2.1.32.1.3、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
7、：知识库包含三类知识：（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）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。以及当前的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。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推理机是用于对知
8、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：从原始数据和已知条件得）正向推理：从原始数据和已知条件得 到结论；到结论；（2 2）反向推理：先提出假设的结论，然后）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，则假设成立寻找支持的证据，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）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。结论，运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，常用的知识表示方法为：
9、产生式规则，框架，语义网络，过程。其中产生式规则框架，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为基于规则的系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。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，它可以是单独命题，也可以是复合命 题；题；HH表示规则的结论部分，即假设，表示规则
10、的结论部分，即假设， 也是命题；也是命题；CFCF（Certainty Certainty FactorFactor）为为 规则的强度，反映当前提为真时，规则规则的强度，反映当前提为真时，规则 对结论的影响程度。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）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。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开发专家系统在运用专家系统开发工具开发专家系统 时，
11、只需要加入领域知识。时，只需要加入领域知识。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，过程性知确定知识类型：叙述性知识，过程性知 识，控制性知识；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：实现规则的保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。存、编辑、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、启发式优深度优先搜索、广度优先搜索、
12、启发式优 先搜索等。先搜索等。（3 3）人）人 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：用于咨询 理解和结论解释；理解和结论解释； 设计设计“ “专家专家 专家系统接口专家系统接口” ”：用于知识：用于知识 库扩充及系统维护。库扩充及系统维护。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.K.J.AstromAstrom在在19831983年首先年首先把人工智能中的专家系统引入智能控把人工智能中的专家系统引入智能控 制领域，于制领域，于19861986年提出年提出“ “专家控制专家控制” ”的的概念，构成一种智能控制
13、方法。概念，构成一种智能控制方法。专家控制（专家控制（Expert Expert ControlControl）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 。所谓专家控制，是将专家系统的理论。所谓专家控制，是将专家系统的理论 和技术同控制理论、方法与技术相结合和技术同控制理论、方法与技术相结合 ，在未知环境下，仿效专家的经验，实，在未知环境下，仿效专家的经验，实 现对系统的控制。现对系统的控制。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“加加 入入”一个富有经验的控制工程师，实现控一个富有经验的控制工程师，实现控 制的功能，它由知识库
14、和推理机构构成主制的功能，它由知识库和推理机构构成主体框架，通过对控制领域知识（先验经验体框架，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，按、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。输出，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
15、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，尤其适用于带有时变、非线性和强干扰 的控制；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）通过修改、增加控制规则，可不断积累知识，改进控制性能；积累知识，改进控制性能； （4 4）可以定性地描述控制系统的性能，）可以定性地描述控制系统的性能， 如如“ “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）可通过对控制闭环中的单元
16、进行故障检测来获取经验规则。障检测来获取经验规则。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 1）专家系统能完成专门领域的功能，）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、辅助用户决策；专家控制能进行独立的、 实时的自动决策。专家控制比专家系统对实时的自动决策。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。可靠性和抗干扰性有着更高的要求。（2 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反馈信息，即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，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：控制系统的知识表示如下： （1 1）受控过程的知识
