專家控制控制

在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)的運(yùn)行排斥了人的干預(yù)，人-機(jī)之間缺乏交互?？刂破鲗?duì)被控對(duì)象在環(huán)境中的參數(shù)、結(jié)構(gòu)的變化缺乏應(yīng)變能力。傳統(tǒng)控制理論的不足，在于它必須依賴于被控對(duì)象嚴(yán)格的數(shù)學(xué)模型，試圖對(duì)精確模型來求取最優(yōu)的控制效果，而實(shí)際的被控對(duì)象存在著許多難以建模的因素。第2章專家控制1精品PPT|借鑒參考第一頁，共四十一頁。

上世紀(jì)80年代初，人工智能中專家系統(tǒng)的思想和方法開始被引入控制系統(tǒng)的研究和工程應(yīng)用中。專家系統(tǒng)能處理定性的、啟發(fā)式或不確定的知識(shí)信息，經(jīng)過各種推理來達(dá)到系統(tǒng)的任務(wù)目標(biāo)。專家系統(tǒng)為解決傳統(tǒng)控制理論的局限性提供了重要的啟示，二者的結(jié)合導(dǎo)致了專家控制這一方法。2精品PPT|借鑒參考第二頁，共四十一頁。2.1專家系統(tǒng)

2.1.1專家系統(tǒng)概述

2.1.2專家系統(tǒng)構(gòu)成

2.1.3專家系統(tǒng)的建立2.2專家控制

2.2.1概述

2.2.2基本原理

2.2.3專家控制的關(guān)鍵技術(shù)及特點(diǎn)2.3專家PID控制

2.3.1專家PID控制原理

2.3.2仿真程序及分析3精品PPT|借鑒參考第三頁，共四十一頁。2.1專家系統(tǒng)2.1.1專家系統(tǒng)概述1．定義

專家系統(tǒng)是一類包含知識(shí)和推理的智能計(jì)算機(jī)程序，其內(nèi)部包含某領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)和經(jīng)驗(yàn)，具有解決專門問題的能力。4精品PPT|借鑒參考第四頁，共四十一頁。2．發(fā)展歷史

分為三個(gè)時(shí)期：(1)初創(chuàng)期（1965-1971年）第一代專家系統(tǒng)DENLDRA和MACSMA的出現(xiàn)，標(biāo)志著專家系統(tǒng)的誕生。其中DENLDRA為推斷化學(xué)分子結(jié)構(gòu)的專家系統(tǒng)，由專家系統(tǒng)的奠基人，Stanford大學(xué)計(jì)算機(jī)系的Feigenbaum教授及其研究小組研制。MACSMA為用于數(shù)學(xué)運(yùn)算的專家系統(tǒng)，由麻省理工學(xué)院完成。5精品PPT|借鑒參考第五頁，共四十一頁。（2）成熟期（1972-1977年）

在此期間斯坦福大學(xué)研究開發(fā)了最著名的專家系統(tǒng)-血液感染病診斷專家系統(tǒng)MYCIN，標(biāo)志專家系統(tǒng)從理論走向應(yīng)用。另一個(gè)著名的專家系統(tǒng)-語音識(shí)別專家系統(tǒng)HEARSAY的出現(xiàn)，標(biāo)志著專家系統(tǒng)的理論走向成熟。6精品PPT|借鑒參考第六頁，共四十一頁。（3）發(fā)展期（1978-現(xiàn)在）

在此期間，專家系統(tǒng)走向應(yīng)用領(lǐng)域，專家系統(tǒng)的數(shù)量增加，僅1987年研制成功的專家系統(tǒng)就有1000多種。專家系統(tǒng)可以解決的問題一般包括解釋、預(yù)測(cè)、設(shè)計(jì)、規(guī)劃、監(jiān)視、修理、指導(dǎo)和控制等。目前，專家系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療診斷、語音識(shí)別、圖象處理、金融決策、地質(zhì)勘探、石油化工、教學(xué)、軍事、計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。7精品PPT|借鑒參考第七頁，共四十一頁。知識(shí)庫規(guī)則庫數(shù)據(jù)庫推理機(jī)解釋程序調(diào)度程序推理咨詢知識(shí)獲取領(lǐng)域?qū)＜覍＜蚁到y(tǒng)用戶專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

專家系統(tǒng)主要由知識(shí)庫和推理機(jī)構(gòu)成。2.1.2專家系統(tǒng)構(gòu)成8精品PPT|借鑒參考第八頁，共四十一頁。2.1.3專家系統(tǒng)的建立

1．知識(shí)庫知識(shí)庫包含三類知識(shí)：（1）基于專家經(jīng)驗(yàn)的判斷性規(guī)則；（2）用于推理、問題求解的控制性規(guī)則；（3）用于說明問題的狀態(tài)、事實(shí)和概念以及當(dāng)前的條件和常識(shí)等。

知識(shí)庫包含多種功能模塊，主要有知識(shí)查詢、檢索、增刪、修改和擴(kuò)充等。知識(shí)庫通過人機(jī)接口與領(lǐng)域?qū)＜蚁鄿贤?，?shí)現(xiàn)知識(shí)的獲取。9精品PPT|借鑒參考第九頁，共四十一頁。2．推理機(jī)

推理機(jī)是用于對(duì)知識(shí)庫中的知識(shí)進(jìn)行推理來得到結(jié)論的“思維”機(jī)構(gòu)。推理機(jī)包括三種推理方式：（1）正向推理：從原始數(shù)據(jù)和已知條件得到結(jié)論；（2）反向推理：先提出假設(shè)的結(jié)論，然后尋找支持的證據(jù)，若證據(jù)存在，則假設(shè)成立；（3）雙向推理：運(yùn)用正向推理提出假設(shè)的結(jié)論，運(yùn)用反向推理來證實(shí)假設(shè)。10精品PPT|借鑒參考第十頁，共四十一頁。3．知識(shí)的表示常用的知識(shí)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)。

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(dú)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(qiáng)度，反映當(dāng)前提為真時(shí)，規(guī)則對(duì)結(jié)論的影響程度。11精品PPT|借鑒參考第十一頁，共四十一頁。4．專家系統(tǒng)開發(fā)語言

(1)C語言，人工智能語言（如Prolog，Lisp等）；

(2)專家系統(tǒng)開發(fā)工具：已經(jīng)建好的專家系統(tǒng)框架，包括知識(shí)表達(dá)和推理機(jī)。在運(yùn)用專家系統(tǒng)開發(fā)工具開發(fā)專家系統(tǒng)時(shí)，只需要加入領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)。12精品PPT|借鑒參考第十二頁，共四十一頁。PPT內(nèi)容概述在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)的運(yùn)行排斥了人的干預(yù)，人-機(jī)之間缺乏交互?？刂破鲗?duì)被控對(duì)象在環(huán)境中的參數(shù)、結(jié)構(gòu)的變化缺乏應(yīng)變能力。推理機(jī)是用于對(duì)知識(shí)庫中的知識(shí)進(jìn)行推理來得到結(jié)論的“思維”機(jī)構(gòu)。（3）雙向推理：運(yùn)用正向推理提出假設(shè)的結(jié)論，運(yùn)用反向推理來證實(shí)假設(shè)。(2)專家系統(tǒng)開發(fā)工具：已經(jīng)建好的專家系統(tǒng)框架，包括知識(shí)表達(dá)和推理機(jī)。在運(yùn)用專家系統(tǒng)開發(fā)工具開發(fā)專家系統(tǒng)時(shí)，只需要加入領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)。（4）可以定性地描述控制系統(tǒng)的性能，如“超調(diào)小”、“偏差增大”等。專家控制引入了專家系統(tǒng)的思想，但與專家系統(tǒng)存在區(qū)別：。事實(shí)──已知的靜態(tài)數(shù)據(jù)。證據(jù)──測(cè)量到的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。目標(biāo)──系統(tǒng)的性能指標(biāo)。由多條產(chǎn)生式規(guī)則構(gòu)成規(guī)則庫。按專家控制在控制系統(tǒng)中的作用和功能，可將專家控制器分為以下兩種類型：。直接型專家控制器用于取代常規(guī)控制器，直接控制生產(chǎn)過程或被控對(duì)象。用以協(xié)調(diào)局部控制器或各子控制系統(tǒng)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)大系統(tǒng)的全局穩(wěn)定和優(yōu)化。40第十三頁，共四十一頁。5．專家系統(tǒng)建立步驟

（1）知識(shí)庫的設(shè)計(jì)

①確定知識(shí)類型：敘述性知識(shí)，過程性知識(shí)，控制性知識(shí)；

②確定知識(shí)表達(dá)方法；

③知識(shí)庫管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：實(shí)現(xiàn)規(guī)則的保存、編輯、刪除、增加、搜索等功能。14精品PPT|借鑒參考第十四頁，共四十一頁。

（2）推理機(jī)的設(shè)計(jì)

①選擇推理方式；

②選擇推理算法：選擇各種搜索算法，如深度優(yōu)先搜索、廣度優(yōu)先搜索、啟發(fā)式優(yōu)先搜索等。（3）人─機(jī)接口的設(shè)計(jì)

①設(shè)計(jì)“用戶─專家系統(tǒng)接口”：用于咨詢理解和結(jié)論解釋；

②設(shè)計(jì)“專家─專家系統(tǒng)接口”：用于知識(shí)庫擴(kuò)充及系統(tǒng)維護(hù)。返回15精品PPT|借鑒參考第十五頁，共四十一頁。2.2專家控制

2.2.1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)引入智能控制領(lǐng)域，于1986年提出“專家控制”的概念，構(gòu)成一種智能控制方法。專家控制（ExpertControl）是智能控制的一個(gè)重要分支，又稱專家智能控制。所謂專家控制，是將專家系統(tǒng)的理論和技術(shù)同控制理論、方法與技術(shù)相結(jié)合，在未知環(huán)境下，仿效專家的經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。16精品PPT|借鑒參考第十六頁，共四十一頁。

專家控制試圖在傳統(tǒng)控制的基礎(chǔ)上“加入”一個(gè)富有經(jīng)驗(yàn)的控制工程師，實(shí)現(xiàn)控制的功能，它由知識(shí)庫和推理機(jī)構(gòu)構(gòu)成主體框架，通過對(duì)控制領(lǐng)域知識(shí)（先驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)、動(dòng)態(tài)信息、目標(biāo)等）的獲取與組織，按某種策略及時(shí)地選用恰當(dāng)?shù)囊?guī)則進(jìn)行推理輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際對(duì)象的控制。

17精品PPT|借鑒參考第十七頁，共四十一頁。知識(shí)庫實(shí)時(shí)推理機(jī)A/D被控對(duì)象D/A控制算法庫專家控制的結(jié)構(gòu)

1．結(jié)構(gòu)

專家控制的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。

2.2.2基本原理

18精品PPT|借鑒參考第十八頁，共四十一頁。2．功能（1）能夠滿足任意動(dòng)態(tài)過程的控制需要，尤其適用于帶有時(shí)變、非線性和強(qiáng)干擾的控制；（2）控制過程可以利用對(duì)象的先驗(yàn)知識(shí)；（3）通過修改、增加控制規(guī)則，可不斷積累知識(shí)，改進(jìn)控制性能；（4）可以定性地描述控制系統(tǒng)的性能，如“超調(diào)小”、“偏差增大”等；

（5）對(duì)控制性能可進(jìn)行解釋；（6）可通過對(duì)控制閉環(huán)中的單元進(jìn)行故障檢測(cè)來獲取經(jīng)驗(yàn)規(guī)則。19精品PPT|借鑒參考第十九頁，共四十一頁。3.與專家系統(tǒng)的區(qū)別專家控制引入了專家系統(tǒng)的思想，但與專家系統(tǒng)存在區(qū)別：（1）專家系統(tǒng)能完成專門領(lǐng)域的功能，輔助用戶決策；專家控制能進(jìn)行獨(dú)立的、實(shí)時(shí)的自動(dòng)決策。專家控制比專家系統(tǒng)對(duì)可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，而專家控制要求在線獲取反饋信息，即要求在線工作方式。20精品PPT|借鑒參考第二十頁，共四十一頁。4.知識(shí)表示專家控制將系統(tǒng)視為基于知識(shí)的系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的知識(shí)表示如下：（1）受控過程的知識(shí)

①先驗(yàn)知識(shí)：包括問題的類型及開環(huán)特性；

②動(dòng)態(tài)知識(shí)：包括中間狀態(tài)及特性變化。（2）控制、辨識(shí)、診斷知識(shí)

①定量知識(shí)：各種算法；

②定性知識(shí)：各種經(jīng)驗(yàn)、邏輯、直觀判斷。21精品PPT|借鑒參考第二十一頁，共四十一頁。

按照專家系統(tǒng)知識(shí)庫的結(jié)構(gòu)，有關(guān)知識(shí)可以分類組織，形成數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫，從而構(gòu)成專家控制系統(tǒng)的知識(shí)源。數(shù)據(jù)庫包括：事實(shí)──已知的靜態(tài)數(shù)據(jù)。例如傳感器測(cè)量誤差、運(yùn)行閾值、報(bào)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(cè)量到的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。例如傳感器的輸出值、儀器儀表的測(cè)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；22精品PPT|借鑒參考第二十二頁，共四十一頁。

假設(shè)──由事實(shí)和證據(jù)推導(dǎo)的中間結(jié)果，作為當(dāng)前事實(shí)集合的補(bǔ)充。例如，通過各種參數(shù)估計(jì)算法推得的狀態(tài)估計(jì)等；目標(biāo)──系統(tǒng)的性能指標(biāo)。例如對(duì)穩(wěn)定性的要求，對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的尋優(yōu)、對(duì)現(xiàn)有控制規(guī)律是否需要改進(jìn)的判斷等。目標(biāo)既可以是預(yù)定的，也可以是根據(jù)外部命令或內(nèi)部運(yùn)行狀況在線地動(dòng)態(tài)建立的。專家控制的規(guī)則庫一般采用產(chǎn)生式規(guī)則表示：

IF控制局勢(shì)（事實(shí)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。23精品PPT|借鑒參考第二十三頁，共四十一頁。5.分類按專家控制在控制系統(tǒng)中的作用和功能，可將專家控制器分為以下兩種類型：

(1)直接型專家控制器直接型專家控制器用于取代常規(guī)控制器，直接控制生產(chǎn)過程或被控對(duì)象。具有模擬（或延伸，擴(kuò)展）操作工人智能的功能。該控制器的任務(wù)和功能相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但是需要在線、實(shí)時(shí)控制。因此，其知識(shí)表達(dá)和知識(shí)庫也較簡(jiǎn)單，通常由幾十條產(chǎn)生式規(guī)則構(gòu)成，以便于增刪和修改。直接型專家控制器如下圖中的虛線所示。24精品PPT|借鑒參考第二十四頁，共四十一頁。知識(shí)庫信息獲取與處理推理機(jī)構(gòu)被控對(duì)象傳感器控制規(guī)則庫直接型專家控制器圖直接型專家控制器25精品PPT|借鑒參考第二十五頁，共四十一頁。

(2)間接型專家控制器間接型專家控制器用于和常規(guī)控制器相結(jié)合，組成對(duì)生產(chǎn)過程或被控對(duì)象進(jìn)行間接控制的智能控制系統(tǒng)。具有模擬（或延伸，擴(kuò)展）控制工程師智能的功能。該控制器能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)化適應(yīng)、協(xié)調(diào)、組織等高層決策的智能控制。按照高層決策功能的性質(zhì)，間接型專家控制器可分為以下幾種類型：

①優(yōu)化型專家控制器：是基于最優(yōu)控制專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)和運(yùn)用。通過設(shè)置整定值、優(yōu)化控制參數(shù)或控制器，實(shí)現(xiàn)控制器的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)優(yōu)化。26精品PPT|借鑒參考第二十六頁，共四十一頁。

②適應(yīng)型專家控制器：是基于自適應(yīng)控制專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)和運(yùn)用。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)和測(cè)試數(shù)據(jù)，相應(yīng)地調(diào)整控制規(guī)律，校正控制參數(shù)，修改整定值或控制器，適應(yīng)生產(chǎn)過程、對(duì)象特性或環(huán)境條件的漂移和變化。

③協(xié)調(diào)型專家控制器：是基于協(xié)調(diào)控制專家和調(diào)度工程師的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)和運(yùn)用。用以協(xié)調(diào)局部控制器或各子控制系統(tǒng)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)大系統(tǒng)的全局穩(wěn)定和優(yōu)化。27精品PPT|借鑒參考第二十七頁，共四十一頁。

④組織型專家控制器：是基于控制工程的組織管理專家或總設(shè)計(jì)師的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)和運(yùn)用。用以組織各種常規(guī)控制器，根據(jù)控制任務(wù)的目標(biāo)和要求，構(gòu)成所需要的控制系統(tǒng)。間接型專家控制器可以在線或離線運(yùn)行。通常，優(yōu)化型、適應(yīng)型需要在線、實(shí)時(shí)、聯(lián)機(jī)運(yùn)行。協(xié)調(diào)型、組織型可以離線、非實(shí)時(shí)運(yùn)行，作為相應(yīng)的計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)。間接型專家控制器如下圖所示。28精品PPT|借鑒參考第二十八頁，共四十一頁。專家控制器被控對(duì)象傳感器控制算法特征提取圖間接型專家控制器29精品PPT|借鑒參考第二十九頁，共四十一頁。1．專家控制的關(guān)鍵技術(shù)

(1)知識(shí)的表達(dá)方法；

(2)從傳感器中識(shí)別和獲取定量的信號(hào)；

(3)將定性知識(shí)轉(zhuǎn)化為定量的控制信號(hào)；

(4)控制知識(shí)和控制規(guī)則的獲取。

2．專家控制的特點(diǎn)（1）靈活性：根據(jù)系統(tǒng)的工作狀態(tài)及誤差情況，可靈活地選取相應(yīng)的控制律；（2）適應(yīng)性：能根據(jù)專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，調(diào)整控制器的參數(shù)，適應(yīng)對(duì)象特性及環(huán)境的變化；（3）魯棒性：通過利用專家規(guī)則，系統(tǒng)可以在非線性、大偏差下可靠地工作。返回2.2.3專家控制的關(guān)鍵技術(shù)及特點(diǎn)30精品PPT|借鑒參考第三十頁，共四十一頁。PID專家控制的實(shí)質(zhì)是，基于受控對(duì)象和控制規(guī)律的各種知識(shí)，無需知道被控對(duì)象的精確模型，利用專家經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì)PID參數(shù)。專家PID控制是一種直接型專家控制器。典型的二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)誤差曲線如下圖所示。2.3專家PID控制

2.3.1專家PID控制原理31精品PPT|借鑒參考第三十一頁，共四十一頁。圖典型二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)誤差曲線

對(duì)于典型的二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)過程作如下分析。32精品PPT|借鑒參考第三十二頁，共四十一頁。

令表示離散化的當(dāng)前采樣時(shí)刻的誤差值，和分別表示前一個(gè)和前兩個(gè)采樣時(shí)刻的誤差值，則有33精品PPT|借鑒參考第三十三頁，共四十一頁。

根據(jù)誤差及其變化，可設(shè)計(jì)專家PID控制器，該控制器可分為以下五種情況進(jìn)行設(shè)計(jì)：（1）當(dāng)時(shí)，說明誤差的絕對(duì)值已經(jīng)很大。不論誤差變化趨勢(shì)如何，都應(yīng)考慮控制器的輸出應(yīng)按最大（或最?。┹敵?，以達(dá)到迅速調(diào)整誤差，使誤差絕對(duì)值以最大速度減小。此時(shí)，它相當(dāng)于實(shí)施開環(huán)控制。34精品PPT|借鑒參考第三十四頁，共四十一頁。精品PPT·收集整理第三十五頁，共四十一頁。（2）當(dāng)或時(shí)，說明誤差在朝誤差絕對(duì)值增大方向變化，或誤差為某一常值，未發(fā)生變化。此時(shí)，如果，說明誤差也較大，可考慮由控制器實(shí)施較強(qiáng)的控制作用，以達(dá)到扭轉(zhuǎn)誤差絕對(duì)值朝減小方向變化，并迅速減小誤差的絕對(duì)值，控制器輸出為36精品PPT|借鑒參考第三十六頁，共四十一頁。

如果，說明盡管誤差朝絕對(duì)值增大方向變化，但誤差絕對(duì)值本身并不很大，可考慮控制器實(shí)施一般的控制作用，只要扭轉(zhuǎn)誤差的變化趨勢(shì)，使其朝誤差絕對(duì)值減小方向變化，控制器輸出為37精品PPT|借鑒參考第三十七頁，共四十一頁。（3）當(dāng)、或者