智能控制導(dǎo)論IC-Ch3

智能控制導(dǎo)論國(guó)家精品課程配套教材蔡自興1智能控制教學(xué)課件第3章

專家控制3.1專家系統(tǒng)的基本概念3.2專家系統(tǒng)的主要類型及其結(jié)構(gòu)3.3專家控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與類型3.4專家控制系統(tǒng)應(yīng)用舉例3.5小結(jié)智能系統(tǒng)與智能軟件研究所23.1專家系統(tǒng)的基本概念3.1.1專家系統(tǒng)的定義與一般結(jié)構(gòu)專家系統(tǒng)的定義專家系統(tǒng)：專家系統(tǒng)是一個(gè)智能計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)，是一種模擬人類專家解決領(lǐng)域問題的計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)?；谥R(shí)的專家：專家系統(tǒng)是廣泛應(yīng)用專門知識(shí)以解決人類專家水平問題和人工智能的一個(gè)分支。專家系統(tǒng)又稱為基于知識(shí)的專家系統(tǒng)。33.1.1專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與類型專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)3.1專家系統(tǒng)的基本概念接口知識(shí)庫(kù)解釋器計(jì)劃議程中間解調(diào)度器協(xié)調(diào)器執(zhí)行器用戶黑板推理機(jī)知識(shí)庫(kù)推理機(jī)專家知識(shí)輸入或提問答案理想專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖專家系統(tǒng)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖43.1.1專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與類型專家系統(tǒng)的主要組成部分知識(shí)庫(kù)（knowledgebase）用于存儲(chǔ)某領(lǐng)域?qū)＜蚁到y(tǒng)的專門知識(shí)，包括事實(shí)、可行操作與規(guī)則等綜合數(shù)據(jù)庫(kù)（globaldatabase）用于存儲(chǔ)領(lǐng)域或問題的初始數(shù)據(jù)和推理過程中得到的中間數(shù)據(jù)（信息），即被處理對(duì)象的一些當(dāng)前事實(shí)。推理機(jī)（reasoningmachine）用于記憶所采用的規(guī)則和控制策略的程序，使整個(gè)專家系統(tǒng)能夠以邏輯方式協(xié)調(diào)地工作解釋器（explainator）能夠向用戶解釋專家系統(tǒng)的行為接口（interface）它能夠使系統(tǒng)與用戶進(jìn)行對(duì)話，使用戶能夠輸入必要的數(shù)據(jù)、提出問題和了解推理過程及推理結(jié)果等3.1專家系統(tǒng)的概念53.1.2專家系統(tǒng)的建造步驟專家系統(tǒng)的建造步驟

設(shè)計(jì)初始化知識(shí)庫(kù)問題知識(shí)化知識(shí)概念化形式規(guī)則化規(guī)則合法化

原型機(jī)的開發(fā)與試驗(yàn)知識(shí)庫(kù)的改進(jìn)與歸納3.1專家系統(tǒng)的基本概念63.1.3建造專家系統(tǒng)的步驟與設(shè)計(jì)技巧專家系統(tǒng)的建造步驟

設(shè)計(jì)初始化知識(shí)庫(kù)問題知識(shí)化知識(shí)概念化形式規(guī)則化規(guī)則合法化

原型機(jī)的開發(fā)與試驗(yàn)知識(shí)庫(kù)的改進(jìn)與歸納3.1專家系統(tǒng)的基本概念知識(shí)化概念化形式化規(guī)則化合法化問題知識(shí)概念結(jié)構(gòu)規(guī)則改進(jìn)再設(shè)計(jì)形式重新闡述建造專家系統(tǒng)的步驟流程圖73.2

專家系統(tǒng)的主要類型及其結(jié)構(gòu)專家系統(tǒng)的類型基于規(guī)則的專家系統(tǒng)基于規(guī)則專家系統(tǒng)的工作模型第3章專家控制知識(shí)庫(kù)（規(guī)則）工作存儲(chǔ)器（事實(shí)）推理機(jī)83.2.1

基于規(guī)則的專家系統(tǒng)基于規(guī)則專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)3.2專家的主要類型及其結(jié)構(gòu)解釋器外部程序用戶界面工作存儲(chǔ)器開發(fā)界面知識(shí)庫(kù)推理機(jī)知識(shí)工程師用戶93.2.2建造專家系統(tǒng)的步驟與設(shè)計(jì)技巧基于框架的專家系統(tǒng)面向目標(biāo)編程與基于框架設(shè)計(jì)基于框架的專家系統(tǒng)就是建立在框架的基礎(chǔ)之上的面向目標(biāo)編程涉及其所有數(shù)據(jù)均以目標(biāo)的形式出現(xiàn)基于框架專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的與基于規(guī)則的專家系統(tǒng)的定義類似，基于框架的專家系統(tǒng)是個(gè)人計(jì)算機(jī)程序，該程序使用一組包含在知識(shí)庫(kù)內(nèi)的框架對(duì)工作存儲(chǔ)器內(nèi)的具體問題信息進(jìn)行處理3.2專家系統(tǒng)的主要類型及其結(jié)構(gòu)103.2.3基于模型的專家系統(tǒng)基于模型專家系統(tǒng)的提出人工智能是對(duì)各種定性模型的獲得、表達(dá)及使用的計(jì)算方法進(jìn)行研究的學(xué)問知識(shí)系統(tǒng)中的知識(shí)庫(kù)是由各種模型綜合而成的，而這些模型又往往是定性的模型。模型的建立與知識(shí)密切相關(guān)，模型概括了定性的物理模型和心理模型專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是由一些原理與運(yùn)行方式不同的模型綜合而成基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專家系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)支持專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)支持神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)3.2專家系統(tǒng)的主要類型及其結(jié)構(gòu)113.2.3基于模型的專家系統(tǒng)專家控制系統(tǒng)定義專家控制系統(tǒng)應(yīng)用專家系統(tǒng)的概念和技術(shù)，模擬人類專家的控制知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)而建造的控制系統(tǒng)。專家系統(tǒng)只對(duì)專門領(lǐng)域的問題完成咨詢作用，協(xié)同用戶進(jìn)行工作專家系統(tǒng)通常以離線的方式工作，而專家控制系統(tǒng)需要在線獲得動(dòng)態(tài)信息，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制3.2專家系統(tǒng)的主要類型及其結(jié)構(gòu)123.3專家控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與類型3.3.1專家控制系統(tǒng)的控制要求與設(shè)計(jì)原則專家控制系統(tǒng)的控制要求運(yùn)行可靠性高它通常具有方便的監(jiān)控能力

決策能力強(qiáng)決策是基于知識(shí)的控制系統(tǒng)的關(guān)鍵能力之一

應(yīng)用通用性好包括易于開發(fā)、示例多樣性、便于混合知識(shí)表示、全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)的活動(dòng)維數(shù)、基本硬件的機(jī)動(dòng)性、多種推理機(jī)制（如假想推理、非單調(diào)推理和近似推理）以及開放式的可擴(kuò)充結(jié)構(gòu)等

控制與處理的靈活性包括控制策略的靈活性、數(shù)據(jù)管理的靈活性、經(jīng)驗(yàn)表示的靈活性、解釋說明的靈活性、模式匹配的靈活性以及過程連接的靈活性等

擬人能力專家控制系統(tǒng)的控制水平必須達(dá)到人類專家的水準(zhǔn)

133.3.1專家控制系統(tǒng)的控制要求與設(shè)計(jì)原則專家控制器的設(shè)計(jì)原則模型描述的多樣性解析模型離散事件模型模糊模型規(guī)則模型基于模型的模型在線處理的靈巧性控制策略的靈活性決策機(jī)構(gòu)的遞階性推理與決策的實(shí)時(shí)性3.3

專家控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與類型143.3.2

專家控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)專家控制器取代傳統(tǒng)控制的PID控制器，即構(gòu)成專家控制系統(tǒng)。知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)是專家控制器的核心組成部分3.3

專家控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與類型知識(shí)庫(kù)推理機(jī)工作存儲(chǔ)器受控裝置專家控制系統(tǒng)原理圖輸出專家控制器給對(duì)輸入RU指令輸入Y153.3.2專家控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)專家控制器的典型結(jié)構(gòu)3.3

專家控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與類型用戶接口推理機(jī)知識(shí)庫(kù)D/A執(zhí)行器A/D傳感器控制算法數(shù)字處理領(lǐng)域數(shù)據(jù)執(zhí)行器控制器

監(jiān)控該裝置或過程的操作運(yùn)行

檢查系統(tǒng)部件可能出現(xiàn)的失效或故障，替換有關(guān)故障部件或修改控制算法，以便維持系統(tǒng)的應(yīng)有性能在特殊情況下，選擇合適的控制算法來適應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)或環(huán)境的變化163.3.2專家控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)工業(yè)專家控制器KB存放工業(yè)過程控制的領(lǐng)域知識(shí)，DB和LA組成

CRS是對(duì)受控過程的各種控制模式和經(jīng)驗(yàn)的歸納和總結(jié)

FR＆IP實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的提取與加工，為決策和學(xué)習(xí)提供依據(jù)

3.3

專家控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與類型R傳感器對(duì)象知識(shí)庫(kù)(KB)控制規(guī)則集(CRS)特征識(shí)別與信息處理(FR&IP)推理機(jī)構(gòu)(IE)SIUKYGUe專家控制器(EC)173.3.2專家控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)黑板專家控制系統(tǒng)黑板（BB）、知識(shí)源（KSs）、控制器

3.3

專家控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與類型輸入數(shù)據(jù)···用戶接口知識(shí)源n黑板知識(shí)源1知識(shí)源2控制單元···第1層第k層第(k-1)層︰︰第i層︰︰第2層183.3.3專家控制系統(tǒng)的類型直接專家控制系統(tǒng)和間接專家控制系統(tǒng)直接專家控制系統(tǒng)的基于知識(shí)控制器直接模仿人類專家或人類的認(rèn)知能力，并為控制器設(shè)計(jì)兩種規(guī)則：訓(xùn)練規(guī)則和機(jī)器規(guī)則在間接專家系統(tǒng)中，智能（基于知識(shí)）控制器用于調(diào)整常規(guī)控制器的參數(shù)，監(jiān)控受控對(duì)象的某些特征3.3

專家控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與類型基于知識(shí)控制過程過程常規(guī)控制器基于知識(shí)控制193.4專家控制系統(tǒng)應(yīng)用舉例3.4.1

實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)與要求實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)定義對(duì)受控過程表現(xiàn)出預(yù)定的足夠快的實(shí)時(shí)行為具有嚴(yán)格的響應(yīng)時(shí)間限制而與所有算法無關(guān)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)具有與外部環(huán)境及時(shí)交互作用的能力系統(tǒng)在與外部環(huán)境交互作用時(shí)，受到處理（控制）時(shí)間的約束實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的具體要求和設(shè)計(jì)特點(diǎn)準(zhǔn)確的表示知識(shí)與時(shí)間的關(guān)系。具有快速和靈敏的上下文激活規(guī)則能夠控制任意時(shí)變非線性過程203.4.1

實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)與要求實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的具體要求和設(shè)計(jì)特點(diǎn)能夠進(jìn)行時(shí)序推理、并行推理和非單調(diào)推理修正序列的基本控制知識(shí)具有中斷過程和異步時(shí)間處理能力及時(shí)獲取動(dòng)態(tài)和靜態(tài)過程信息，以便于對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷有效回收不再需要的存儲(chǔ)元件，并保持傳感器的過程接受來自操作者的交互指令序列連接常規(guī)控制器和其他應(yīng)用軟件能夠進(jìn)行多專家系統(tǒng)之間以及專家系統(tǒng)與用戶之間的通信3.4專家控制系統(tǒng)應(yīng)用舉例213.4.2

高爐監(jiān)控專家系統(tǒng)高爐管理系統(tǒng)的復(fù)雜數(shù)學(xué)模型

數(shù)據(jù)分析爐內(nèi)靜態(tài)狀況分析爐況診斷開發(fā)和建立專家系統(tǒng)對(duì)高爐控制的主要目的利用人工智能技術(shù)，建立準(zhǔn)備的控制系統(tǒng)將高爐操作技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化靈活處理經(jīng)常性的系統(tǒng)變化要求3.4專家控制系統(tǒng)應(yīng)用舉例223.4.2

高爐監(jiān)控專家系統(tǒng)高爐監(jiān)控專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能

組成部分異常爐況預(yù)測(cè)系統(tǒng)（AFS），用于預(yù)測(cè)爐內(nèi)爐料滑動(dòng)和溝道的產(chǎn)生情況高爐熔煉監(jiān)控系統(tǒng)（HCS），用于判斷爐內(nèi)熔煉過程并指導(dǎo)操作員對(duì)高爐進(jìn)行合理的操作系統(tǒng)功能推理的預(yù)處理部分，用常規(guī)的方法在過程計(jì)算機(jī)上執(zhí)行推理部分，用知識(shí)工程技術(shù)在AI（人工智能）處理器上實(shí)現(xiàn)3.4專家控制系統(tǒng)應(yīng)用舉例233.5小結(jié)專家控制系統(tǒng)是有廣泛應(yīng)用的智能控制領(lǐng)域之一根據(jù)系統(tǒng)的