第四章專家控制系統(tǒng)

第4章專家限制系統(tǒng)專家限制（ExpertControl）是智能限制的一個重要分支，又稱專家智能限制。它在將人工智能中專家系統(tǒng)的理論和技術(shù)同自動限制的理論、方法和技術(shù)有機結(jié)合的基礎(chǔ)上，在未知環(huán)境下仿照專家的智能，實現(xiàn)對系統(tǒng)的有效限制。1§4.1專家系統(tǒng)基礎(chǔ)

4.1.1什么是專家系統(tǒng)

從本質(zhì)上講，專家系統(tǒng)是一類包含著學(xué)問和推理的智能計算機程序?，F(xiàn)在習(xí)慣于把每一個利用了大量領(lǐng)域?qū)W問的大而困難的人工智能系統(tǒng)都統(tǒng)稱為專家系統(tǒng)。專家系統(tǒng)可以解決的問題一般包括說明、預(yù)料、診斷、設(shè)計、規(guī)劃、監(jiān)視、修理、指導(dǎo)和限制等。2§

4.1專家系統(tǒng)基礎(chǔ)

4.1.1什么是專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)和傳統(tǒng)的計算機“應(yīng)用程序”最本質(zhì)的不同之處在于，專家系統(tǒng)所要解決的問題一般沒有算法解，并且常常要在不完全、不精確或不確定的信息基礎(chǔ)上做出結(jié)論。34.1.2專家系統(tǒng)的組成

專家系統(tǒng)的基本組成

4學(xué)問庫學(xué)問庫是學(xué)問的存儲器，用于存儲領(lǐng)域?qū)＜业拈啔v性學(xué)問以及有關(guān)的事實、一般常識等。學(xué)問庫中的學(xué)問來源于學(xué)問獲得機構(gòu)，同時它又為推理機供應(yīng)求解問題所需的學(xué)問。4.1.2專家系統(tǒng)的組成

推理機推理機是專家系統(tǒng)的“思維”機構(gòu)，事實上是求解問題的計算機軟件系統(tǒng)。推理機的運行可以有不同的限制策略。5綜合數(shù)據(jù)庫（全局?jǐn)?shù)據(jù)庫）

又稱為“黑板”或“數(shù)據(jù)庫”。它是用于存放推理的初始證據(jù)、中間結(jié)果以及最終結(jié)果等的工作存儲器（WorkingMemory）。

說明接口又稱人-機界面，它把用戶輸人的信息轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)內(nèi)規(guī)范化的表示形式，然后交給相應(yīng)模塊去處理，把系統(tǒng)輸出的信息轉(zhuǎn)換成用戶易于理解的外部表示形式顯示給用戶，回答用戶提出的“為什么？”“結(jié)論是如何得出的？”等問題。4.1.2專家系統(tǒng)的組成

6學(xué)問獲得學(xué)問獲得是指通過人工方法或機器學(xué)習(xí)的方法，將某個領(lǐng)域內(nèi)的事實性學(xué)問和領(lǐng)域?qū)＜宜赜械拈啔v性學(xué)問轉(zhuǎn)化為計算機程序的過程。對學(xué)問庫的修改和擴充也是在系統(tǒng)的調(diào)試和驗證中進(jìn)行的，是一件很困難的工作。學(xué)問獲得被認(rèn)為是專家系統(tǒng)中的一個“瓶頸”問題。4.1.2專家系統(tǒng)的組成

74.1.3專家系統(tǒng)的學(xué)問表示學(xué)問表示就是學(xué)問的形式化，就是探討用機器表示學(xué)問的可行的、有效的、通用的原則和方法。常用的學(xué)問表示方法為：產(chǎn)生式規(guī)則，框架，語義網(wǎng)絡(luò)，過程。其中產(chǎn)生式規(guī)則是專家系統(tǒng)最流行的表達(dá)方法。由產(chǎn)生式規(guī)則表示的專家系統(tǒng)又稱為基于規(guī)則的系統(tǒng)或產(chǎn)生式系統(tǒng)。

8產(chǎn)生式規(guī)則的表達(dá)方式為：IFETHENHWITHCF(E,H)其中，E表示規(guī)則的前提條件，即證據(jù)，它可以是單獨命題，也可以是復(fù)合命題；H表示規(guī)則的結(jié)論部分，即假設(shè)，也是命題；CF（CertaintyFactor）為規(guī)則的強度，反映當(dāng)前提為真時，規(guī)則對結(jié)論的影響程度。9（1）學(xué)問庫的設(shè)計①確定學(xué)問類型：敘述性學(xué)問，過程性學(xué)問，限制性學(xué)問；②確定學(xué)問表達(dá)方法；③學(xué)問庫管理系統(tǒng)的設(shè)計：實現(xiàn)規(guī)則的保存、編輯、刪除、增加、搜尋等功能。4.1.4專家系統(tǒng)建立步驟10（2）推理機的設(shè)計①選擇推理方式；②選擇推理算法：選擇各種搜尋算法，如深度優(yōu)先搜尋、廣度優(yōu)先搜尋、啟發(fā)式優(yōu)先搜尋等。（3）人─機接口的設(shè)計①設(shè)計“用戶─專家系統(tǒng)接口”：用于詢問理解和結(jié)論說明；②設(shè)計“專家─專家系統(tǒng)接口”：用于學(xué)問庫擴充及系統(tǒng)維護(hù)。11§4.2專家限制

4.2.1概述瑞典學(xué)者K.J.Astrom在1983年首先把人工智能中的專家系統(tǒng)引入智能限制領(lǐng)域，于1986年提出“專家限制”的概念，構(gòu)成一種智能限制方法。12專家限制（ExpertControl）是智能限制的一個重要分支，又稱專家智能限制。所謂專家限制，是將專家系統(tǒng)的理論和技術(shù)同限制理論、方法與技術(shù)相結(jié)合，在未知環(huán)境下，仿效專家的閱歷，實現(xiàn)對系統(tǒng)的限制。13專家限制試圖在傳統(tǒng)限制的基礎(chǔ)上“加入”一個富有閱歷的限制工程師，實現(xiàn)限制的功能，它由學(xué)問庫和推理機構(gòu)構(gòu)成主體框架，通過對限制領(lǐng)域?qū)W問（先驗閱歷、動態(tài)信息、目標(biāo)等）的獲得與組織，按某種策略剛好地選用恰當(dāng)?shù)囊?guī)則進(jìn)行推理輸出，實現(xiàn)對實際對象的限制。144.2.2基本原理

1．結(jié)構(gòu)

知識庫實時推理機A/D被控對象D/A控制算法庫專家限制的結(jié)構(gòu)152．功能（1）能夠滿足隨意動態(tài)過程的限制須要，尤其適用于帶有時變、非線性和強干擾的限制；（2）限制過程可以利用對象的先驗學(xué)問；（3）通過修改、增加限制規(guī)則，可不斷積累學(xué)問，改進(jìn)限制性能；（4）可以定性地描述限制系統(tǒng)的性能，如“超調(diào)小”、“偏差增大”等；（5）對限制性能可進(jìn)行說明；（6）可通過對限制閉環(huán)中的單元進(jìn)行故障檢測來獲得閱歷規(guī)則。163.與專家系統(tǒng)的區(qū)分專家限制引入了專家系統(tǒng)的思想，但與專家系統(tǒng)存在區(qū)分：（1）專家系統(tǒng)能完成特地領(lǐng)域的功能，協(xié)助用戶決策；專家限制能進(jìn)行獨立的、實時的自動決策。專家限制比專家系統(tǒng)對牢靠性和抗干擾性有著更高的要求。（2）專家系統(tǒng)處于離線工作方式，而專家限制要求在線獲得反饋信息，即要求在線工作方式。174.學(xué)問表示專家限制將系統(tǒng)視為基于學(xué)問的系統(tǒng)，限制系統(tǒng)的學(xué)問表示如下：（1）受控過程的學(xué)問①先驗學(xué)問：包括問題的類型及開環(huán)特性；②動態(tài)學(xué)問：包括中間狀態(tài)及特性變更。（2）限制、辨識、診斷學(xué)問①定量學(xué)問：各種算法；②定性學(xué)問：各種閱歷、邏輯、直觀推斷。依據(jù)專家系統(tǒng)學(xué)問庫的結(jié)構(gòu)，有關(guān)學(xué)問可以分類組織，形成數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫，從而構(gòu)成專家限制系統(tǒng)的學(xué)問源。18數(shù)據(jù)庫包括：事實──已知的靜態(tài)數(shù)據(jù)。例如傳感器測量誤差、運行閾值、報警閾值、操作序列的約束條件、受控過程的單元組態(tài)等；證據(jù)──測量到的動態(tài)數(shù)據(jù)。例如傳感器的輸出值、儀器儀表的測試結(jié)果等。證據(jù)的類型是各異的，常常帶有噪聲、延遲，也可能是不完整的，甚至相互之間有沖突；19假設(shè)──由事實和證據(jù)推導(dǎo)的中間結(jié)果，作為當(dāng)前事實集合的補充。例如，通過各種參數(shù)估計算法推得的狀態(tài)估計等；目標(biāo)──系統(tǒng)的性能指標(biāo)。例如對穩(wěn)定性的要求，對靜態(tài)工作點的尋優(yōu)、對現(xiàn)有限制規(guī)律是否須要改進(jìn)的推斷等。目標(biāo)既可以是預(yù)定的，也可以是依據(jù)外部吩咐或內(nèi)部運行狀況在線地動態(tài)建立的。專家限制的規(guī)則庫一般接受產(chǎn)生式規(guī)則表示：IF限制局勢（事實和數(shù)據(jù)）THEN操作結(jié)論由多條產(chǎn)生式規(guī)則構(gòu)成規(guī)則庫。205.分類按專家限制在限制系統(tǒng)中的作用和功能，可將專家限制器分為以下兩種類型：(1)干脆型專家限制器干脆專家限制器用于取代常規(guī)限制器，干脆限制生產(chǎn)過程或被控對象。具有模擬（或延長，擴展）操作工人智能的功能。該限制器的任務(wù)和功能相對比較簡潔，但是須要在線、實時限制。因此，其學(xué)問表達(dá)和學(xué)問庫也較簡潔，通常由幾十條產(chǎn)生式規(guī)則構(gòu)成，以便于增刪和修改。干脆型專家限制器的示意圖見圖中的虛線所示。21知識庫信息獲取與處理推理機構(gòu)被控對象傳感器控制規(guī)則庫直接型專家控制器圖干脆型專家限制器22(2)間接型專家限制器間接型專家限制器用于和常規(guī)限制器相結(jié)合，組成對生產(chǎn)過程或被控對象進(jìn)行間接限制的智能限制系統(tǒng)。具有模擬（或延長，擴展）限制工程師智能的功能。該限制器能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)化適應(yīng)、協(xié)調(diào)、組織等高層決策的智能限制。依據(jù)高層決策功能的性質(zhì)，間接型專家限制器可分為以下幾種類型：23①優(yōu)化型專家限制器：是基于最優(yōu)限制專家的學(xué)問和閱歷的總結(jié)和運用。通過設(shè)置整定值、優(yōu)化限制參數(shù)或限制器，實現(xiàn)限制器的靜態(tài)或動態(tài)優(yōu)化。②適應(yīng)型專家限制器：是基于自適應(yīng)限制專家的學(xué)問和閱歷的總結(jié)和運用。依據(jù)現(xiàn)場運行狀態(tài)和測試數(shù)據(jù)，相應(yīng)地調(diào)整限制規(guī)律，校正限制參數(shù)，修改整定值或限制器，適應(yīng)生產(chǎn)過程、對象特性或環(huán)境條件的漂移和變更。24③協(xié)調(diào)型專家限制器：是基于協(xié)調(diào)限制專家和調(diào)度工程師的學(xué)問和閱歷的總結(jié)和運用。用以協(xié)調(diào)局部限制器或各子限制系統(tǒng)的運行，實現(xiàn)大系統(tǒng)的全局穩(wěn)定和優(yōu)化。④組織型專家限制器：是基于限制工程的組織管理專家或總設(shè)計師的學(xué)問和閱歷的總結(jié)和運用。用以組織各種常規(guī)限制器，依據(jù)限制任務(wù)的目標(biāo)和要求，構(gòu)成所須要的限制系統(tǒng)。25間接型專家限制器可以在線或離線運行。通常，優(yōu)化型、適應(yīng)型須要在線、實時、聯(lián)機運行。協(xié)調(diào)型、組織型可以離線、非實時運行，作為相應(yīng)的計算機協(xié)助系統(tǒng)。間接型專家限制器的示意圖如圖所示。專家控制器被控對象傳感器控制算法特征提取264.2.3專家限制的關(guān)鍵技術(shù)及特點1．專家限制的關(guān)鍵技術(shù)(1)學(xué)問的表達(dá)方法；(2)從傳感器中識別和獲得定量的限制信號；(3)將定性學(xué)問轉(zhuǎn)化為定量的限制信號；(4)限制學(xué)問和限制規(guī)則的獲得。2．專家限制的特點（1）敏捷性：依據(jù)系統(tǒng)的工作狀態(tài)及誤差狀況，可敏捷地選取相應(yīng)的限制律；（2）適應(yīng)性：能依據(jù)專家學(xué)問和閱歷，調(diào)整限制器的參數(shù)，適應(yīng)對象特性及環(huán)境的變更；（3）魯棒性：通過利用專家規(guī)則，系統(tǒng)可以在非線性、大偏差下牢靠地工作。27§4.3專家PID限制4.3.1專家PID限制原理PID專家限制的實質(zhì)是，基于受控對象和限制規(guī)律的各種學(xué)問，無需知道被控對象的精確模型，利用專家閱歷來設(shè)計PID參數(shù)。專家PID限制是一種干脆型專家限制器。28圖典型二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)誤差曲線典型的二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)誤差曲線如圖所示。對于典型的二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)過程作如下分析。29

令表示離散化的當(dāng)前采樣時刻的誤差值，和分別表示前一個和前兩個采樣時刻的誤差值，則有30依據(jù)誤差及其變更，可設(shè)計專家PID限制器，該限制器可分為以下五種狀況進(jìn)行設(shè)計：（1）當(dāng)時，說明誤差的確定值已經(jīng)很大。不論誤差變更趨勢如何，都應(yīng)考慮限制器的輸出應(yīng)按最大（或最小）輸出，以達(dá)到快速調(diào)整誤差，使誤差確定值以最大速度減小。此時，它相當(dāng)于實施開環(huán)限制。31（2）當(dāng)或時，說明誤差在朝誤差確定值增大方向變更，或誤差為某一常值，未發(fā)生變更。此時，假如，說明誤差也較大，可考慮由限制器實施較強的限制作用，以達(dá)到扭轉(zhuǎn)誤差確定值朝減小方向變更，并快速減小誤差的確定值，限制器輸出為32假如，說明盡管誤差朝確定值增大方向變更，但誤差確定值本身并不很大，可考慮限制器實施一般的限制作用，只要扭轉(zhuǎn)誤差的變更趨勢，使其朝誤差確定值減小方向變更，限制器輸出為33（3）當(dāng)、或者時，說明誤差的確定值朝減小的方向變更，或者已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)。此時，可考慮實行保持限制器輸出不變。（4）當(dāng)、時，說明誤差處于極值狀態(tài)。假如此時誤差的確定值較大，即，可考慮實施較強的限制作用34假如此時誤差的確定值較小，即，可考慮實施較弱的限制作用（5）當(dāng)時，說明誤差的確定值很小，此時加入積分，削減穩(wěn)態(tài)誤差。式中，為增益放大系統(tǒng)，為抑制系數(shù)，，為隨意小的正實數(shù)。35圖中，Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅶ、…區(qū)域，誤差朝確定值減小的方向變更。此時，可實行保持等待措施，相當(dāng)于實施開環(huán)限制；Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅷ、…區(qū)域，誤差確定值朝增大的方向變更。此時，可依據(jù)誤差的大小分別實施較強或一般的限制作用，以抑制動態(tài)誤差。364.3.2仿真程序及分析仿真實例求三階傳遞函數(shù)的階躍響應(yīng)其中對象采樣時間為1ms。接受專家PID設(shè)計限制器。在仿真過程中，取0.001，程序中的五條規(guī)則與限制算法的五種狀況相對應(yīng)。37%ExpertPIDControllerclearall;closeall;ts=0.001;sys=tf(5.235e005,[1,87.35,1.047e004,0]);%Plantdsys=c2d(sys,ts,'z');[num,den]=tfdata(dsys,'v');u_1=0;u_2=0;u_3=0;y_1=0;y_2=0;y_3=0;x=[0,0,0]';x2_1=0;kp=0.6;ki=0.03;kd=0.01;error_1=0;fork=1:1:500time(k)=k*ts;

程序38r(k)=1.0;%TracingStepSignalu(k)=kp*x(1)+kd*x(2)+ki*x(3);%PIDController%Expertcontrolruleifabs(x(1))>0.8%Rule1:Unclosedcontrolruleu(k)=0.45;elseifabs(x(1))>0.40u(k)=0.40;elseifabs(x(1))>0.20u(k)=0.12;elseifabs(x(1))>0.01u(k)=0.10;endifx(1)*x(2)>0|(x(2)==0)%Rule2ifabs(x(1))>=0.05u(k)=u_1+2*kp*x(1);elseu(k)=u_1+0.4*kp*x(1);endend39if(x(1)*x(2)<0&x(2)*x2_1>0)|(x(1)==0)%Rule3u(k)=u(k);endifx(1)*x(2)<0&x(2)*x2_1<0%Rule4ifabs(x(1))>=0.05u(k)=u_1+2*kp*error_1;elseu(k)=u_1+0.6*kp*error_1;endendifabs(x(1))<=0.001%Rule5:Integr