第二章----專家控制系統(tǒng).ppt

1、1,第2章 專家控制,專家控制（Expert Control）是智能控制的一個重要分支，又稱專家智能控制。,它在將人工智能中專家系統(tǒng)的理論和技術(shù)同自動控制的理論、方法和技術(shù)有機結(jié)合的基礎(chǔ)上，在未知環(huán)境下模仿專家的智能，實現(xiàn)對系統(tǒng)的有效控制。,2,2.1專家系統(tǒng),1、什么是專家系統(tǒng),從本質(zhì)上講，專家系統(tǒng)是一類包含著知識和推理的智能計算機程序 。,現(xiàn)在習慣于把每一個利用了大量領(lǐng)域知識的大而復雜的人工智能系統(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解釋、預測、診斷、設(shè)計、規(guī)劃、監(jiān)視、修理、指導和控制等。,3,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

2、沒有算法解，并且經(jīng)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。,4,2、專家系統(tǒng)發(fā)展歷史,分為三個時期： (1) 初創(chuàng)期（1965-1971年） 第一代專家系統(tǒng)DENLDRA和MACSMA的出現(xiàn)，標志著專家系統(tǒng)的誕生。 DENLDRA為推斷化學分子結(jié)構(gòu)的專家系統(tǒng)，由Stanford大學研制。MACSMA為數(shù)學專家系統(tǒng)，由麻省理工學院完成。,5,（2）成熟期（1972-1977年）： 在此期間斯坦福大學研究開發(fā)了最著名的專家系統(tǒng)-血液感染病診斷專家系統(tǒng)，標志專家系統(tǒng)從理論走向應(yīng)用。 另一個著名的專家系統(tǒng)-語音識別專家系統(tǒng)的出現(xiàn)，標志著專家系統(tǒng)的理論走向成熟。,2、專家系統(tǒng)發(fā)展歷史,6,（3

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種。 1、蔬菜栽培農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)開發(fā)框架； 2、農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)知識庫與數(shù)據(jù)庫規(guī)范與系統(tǒng)實現(xiàn)；,2、專家系統(tǒng)發(fā)展歷史,7,3.專家系統(tǒng)的組成,專家系統(tǒng)的基本組成,8,知識庫 知識庫是知識的存儲器，用于存儲領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗性知識以及有關(guān)的事實、一般常識等。知識庫中的知識來源于知識獲取機構(gòu)，同時它又為推理機提供求解問題所需的知識。,3.專家系統(tǒng)的組成,知識庫包含三類知識： （1）基于專家經(jīng)驗的判斷性規(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)、事實和概念以及

4、當前條件的數(shù)據(jù)。,9,3.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)，實際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控制策略。,知識庫包含多種功能模塊，主要有知識查詢、檢索、增刪、修改和擴充等。知識庫通過人機接口與領(lǐng)域?qū)＜蚁鄿贤ǎ瑢崿F(xiàn)知識的獲取。,10,綜合數(shù)據(jù)庫（全局數(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（Working Memory）。,解釋接口 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

5、出的“為什么？”“結(jié)論是如何得出的？”等問題。,3.專家系統(tǒng)的組成,11,知識獲取 知識獲取是指通過人工方法或機器學習的方法，將某個領(lǐng)域內(nèi)的事實性知識和領(lǐng)域?qū)＜宜赜械慕?jīng)驗性知識轉(zhuǎn)化為計算機程序的過程。 對知識庫的修改和擴充也是在系統(tǒng)的調(diào)試和驗證中進行的，是一件很困難的工作。知識獲取被認為是專家系統(tǒng)中的一個“瓶頸”問題。,3.專家系統(tǒng)的組成,12,4. 專家系統(tǒng)的特征及類型,專家系統(tǒng)的基本特征,具有專家水平的專門知識 能進行有效的推理 專家系統(tǒng)的透明性和靈活性 具有一定的復雜性與難度,13,專家系統(tǒng)的類型,診斷型專家系統(tǒng) 解釋型專家系統(tǒng) 預測型專家系統(tǒng) 設(shè)計型專家系統(tǒng) 決策型專家系統(tǒng) 控制專家

6、系統(tǒng),4. 專家系統(tǒng)的特征及類型,14,5.專家系統(tǒng)的知識表示,知識表示就是知識的形式化，就是研究用機器表示知識的可行的、有效的、通用的原則和方法。 目前常用的知識表示方法有：邏輯表示法、語義網(wǎng)絡(luò)法、產(chǎn)生式規(guī)則、特性表示法、框架表示法、與或圖法、過程表示法、黑板結(jié)構(gòu)、Petri網(wǎng)絡(luò)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。,15,產(chǎn)生式規(guī)則表示法,產(chǎn)生式規(guī)則表示法,16,產(chǎn)生式規(guī)則表示法,規(guī)則庫：存放了若干規(guī)則，每條產(chǎn)生式規(guī)則是一個以“如果滿足這個條件，就應(yīng)當采取這個操作”形式表示的語句。 數(shù)據(jù)庫：是產(chǎn)生式規(guī)則注意的中心，每個產(chǎn)生式規(guī)則的左半部分表示在啟用這一規(guī)則之前數(shù)據(jù)庫內(nèi)必須準備好的條件。 控制器 ：是說明下一步應(yīng)

7、該選用什么規(guī)則，也就是如何運用規(guī)則。通常從選擇規(guī)則到執(zhí)行規(guī)則分成三步：匹配、沖突解決和操作。,17,6.專家系統(tǒng)的推理機制,推理是指依據(jù)一定的原則從已有的事實推出結(jié)論的過程，這個原則就是推理的核心。專家系統(tǒng)中的自動推理是知識推理。而知識推理是指在計算機或智能機器中，在知識表達的基礎(chǔ)上，進行機器思維，求解問題，實現(xiàn)知識推理的智能操作過程。 在專家系統(tǒng)中，可以依據(jù)專家所具有的知識的特點來選擇知識表示的方法，而知識推理技術(shù)同知識表示方法有密切關(guān)系。,18,推理方法的分類,1、根據(jù)知識表示的特點，知識推理方法可分為圖搜索方法和邏輯論證方法兩類。 2、根據(jù)問題求解的推理過程中是否運用啟發(fā)性知識，知識推理

8、方法可分為啟發(fā)推理和非啟發(fā)推理兩類。 3、根據(jù)問題求解的推理過程中結(jié)論是否精確，知識推理方法可分為精確推理和不精確推理兩類。,19,推理方式的分類,4、根據(jù)問題求解的推理過程中特殊和一般的關(guān)系，知識推理方法可分為演繹推理、歸納推理兩類。 5、根據(jù)問題求解的推理過程中推理的方向，知識推理方法可分為正向推理、反向推理和正反向混合推理三類。,20,推理方式的分類,專家系統(tǒng)中把領(lǐng)域知識表示成必然的因果關(guān)系、邏輯關(guān)系，推理的結(jié)論是肯定的，這種推理稱為精確推理。除此以外，更重要的是以專家的經(jīng)驗知識對不確定的事實，根據(jù)不充分的證據(jù)和不完全的知識進行推理，這種推理稱為不精確推理。應(yīng)該指出，所謂不精確推理不是要

9、使推理變得不精確，而是提供一種在采用目前已有的精確推理方式無法進行推理的情況下的推理方式，以便得到更加精確的推理結(jié)論。不精確推理又稱非精確性推理，其核心問題是處理在推理過程中專家知識的不精確性和推理證據(jù)的不精確性，并給出這些不精確性在推理過程中的傳播規(guī)則。,21,正向推理,從原始數(shù)據(jù)和已知條件得到結(jié)論,22,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,23,（1）廣度優(yōu)先搜索,所謂廣度優(yōu)先搜索方法是按“最早產(chǎn)生的節(jié)點優(yōu)先擴展”的搜索方法。具體地說，搜索的節(jié)點是一層一層地檢查的，只有在上一層的每一個節(jié)點都檢查完畢之后，這一層的節(jié)點才能開始檢查，也就是說，節(jié)點的擴展是按

10、它們接近起始節(jié)點的程度依次進行的。這種方法是考慮了每一種可能，所以這種搜索可能是一種非常長的過程，但如果存在任何解答的話，它能保證最終找到最短的解答序列。,推理算法,24,廣度優(yōu)先搜索,25,（2）深度優(yōu)先搜索,所謂深度優(yōu)先搜索方法就是按“最晚產(chǎn)生（最深的）節(jié)點優(yōu)先擴展”的搜索方法，深度相等的節(jié)點其順序可以任意排列。也就是總是向親代到子代方向進行，直到不得不返回追蹤的搜索。然而實際上，從樹的觀點看，不是從左枝開始，就是從右枝開始。,26,7.專家系統(tǒng)的知識獲取,知識獲取的任務(wù),1、抽取知識 2、知識轉(zhuǎn)換 3、知識輸入 4、知識檢測,27,知識獲取方式,1、非自動知識獲取 在非自動知識獲取方式中

11、，知識獲取一般分為兩步進行，首先由知識工程師從領(lǐng)域?qū)＜液陀嘘P(guān)技術(shù)文獻獲取知識，然后由知識工程師用某種知識編輯軟件輸入到知識庫中。 2、自動知識獲取 自動知識獲取是指系統(tǒng)自身具有獲取知識的能力，它不僅可以直接與領(lǐng)域?qū)＜覍υ?，從專家提供的原始信息中“學習”到專家系統(tǒng)所需的知識，而且還能從系統(tǒng)自身的運行實踐中總結(jié)、歸納出新的知識，發(fā)現(xiàn)知識中可能存在的錯誤，不斷自我完善，建立起性能優(yōu)良、知識完善的知識庫。,28,知識獲取的心理學法,1、交談法（Interviews）。 交談是獲取領(lǐng)域?qū)＜宜褂玫膶I(yè)概念和術(shù)語最常見的方法，特別是在缺乏書面資料的情況下，通過交談可以準確地把握專業(yè)概念和術(shù)語的內(nèi)涵。 2、

12、觀察法（Observation）。 知識工程師通過觀察，可以對有關(guān)問題領(lǐng)域產(chǎn)生感性認識，從而可以加深對問題復雜性的理解以及對問題所涉及到的因素的影響有一個直觀的認識。在專家與知識工程師沒有時間進行充分交談的情況下，觀察法是知識獲取的又一個基本手段，并且一些專業(yè)知識很難用語言表達，所以直接觀察專家的解題過程是獲取知識的一個有效途徑。,29,知識獲取的心理學法,3、草案分析法（Protocol Analysis）。 草案分析或者稱為個案分析，也叫口語記錄分析，它要求領(lǐng)域?qū)＜以谔幚砣蝿?wù)的過程中“大聲思考”（think aloud）：如就此問題專家正在想什么？他想采用什么方法來解決？哪些現(xiàn)象正引起他的

13、注意？為什么遇到阻礙等。 4、多維技術(shù)（Multi-dimension techniques）。 多維技術(shù)主要用于獲取專家的結(jié)構(gòu)性知識。在專家系統(tǒng)的大部分應(yīng)用領(lǐng)域，專業(yè)的概念、數(shù)據(jù)往往具有一定規(guī)則的明顯結(jié)構(gòu)特征。多維技術(shù)正是有效地獲取問題領(lǐng)域的概念組織方式的有效手段。許多領(lǐng)域問題、概念都呈現(xiàn)出多方面的特性，多維技術(shù)逐個研究不同事物在某一特性（維）上表現(xiàn)出的聯(lián)系，再將它們抽取為事物之間的概念相關(guān)模型，進而獲得專家知識的結(jié)構(gòu)特征，如卡片分類、格柵分析等。,30,知識獲取的機器學習法,在基于機器學習的自動知識獲取模式中，系統(tǒng)的學習機通過學習從知識源中獲取知識，并進行積累，從而使知識庫得以擴充與更新。

14、 學習機主要有以下兩種學習方式： 1、示教學習方式。 2、自動學習方式。,31, 2.2專家控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理,1.專家控制系統(tǒng)概述,專家控制系統(tǒng)具有全面的專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、完善的知識處理功能和實時控制的可靠性能。這種系統(tǒng)采用黑板等結(jié)構(gòu)，知識庫龐大，推理機復雜。它包括有知識獲取子系統(tǒng)和學習子系統(tǒng)，人-機接口要求較高。專家式控制器，多為工業(yè)專家控制器，是專家控制系統(tǒng)的簡化形式，針對具體的控制對象或過程，著重于啟發(fā)式控制知識的開發(fā)，具有實時算法和邏輯功能。設(shè)計較小的知識庫、簡單的推理機制，可以省去復雜的人-機接口。由于其結(jié)構(gòu)較為簡單，又能滿足工業(yè)過程控制的要求，因而應(yīng)用日益廣泛。,32,專家控制與一

15、般的專家系統(tǒng)的區(qū)別,（1）通常的專家系統(tǒng)只完成專門領(lǐng)域問題的咨詢功能，它的推理結(jié)果一般用于輔助用戶的決策；而專家控制則要求能對控制動作進行獨立的、自動的決策，它的功能一定要具有連續(xù)的可靠性和較強的抗擾性。 （2）通常的專家系統(tǒng)一般處于離線工作方式，而專家控制則要求在線地獲取動態(tài)反饋信息，因而是一種動態(tài)系統(tǒng)，它應(yīng)具有使用的靈活性和實時性，即能聯(lián)機完成控制。,1.專家控制系統(tǒng)概述,33,2.專家控制系統(tǒng)的控制要求與設(shè)計原則,專家控制系統(tǒng)的控制要求 （1）決策能力強。 （2）運行可靠性高。 （3）使用的通用性好。 （4）擬人能力強。 （5）控制與處理的靈活性。,34,專家控制器的設(shè)計原則 （1）多樣

16、化的模型描述。 （2）在線處理的靈巧性。 （3）靈活性的控制策略。 （4）決策機構(gòu)的遞階性。 （5）推理與決策的實時性。,2.專家控制系統(tǒng)的控制要求與設(shè)計原則,35,3.專家控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理,專家控制系統(tǒng)的工作原理,36,知識基系統(tǒng)的內(nèi)部組織和推理機制 （1）控制的知識表示,3.專家控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理,37,（2）數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫,3.專家控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理,按照專家系統(tǒng)知識庫的結(jié)構(gòu)，有關(guān)知識可以分類組織，形成數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫，從而構(gòu)成專家控制系統(tǒng)的知識源。 數(shù)據(jù)庫包括 事實：知識的靜態(tài)數(shù)據(jù)； 證據(jù)：測量到的動態(tài)數(shù)據(jù)； 假設(shè)：由事實和證據(jù)推導的中間結(jié)果； 目標：系統(tǒng)的性能指標。,38,（2

17、）數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫,3.專家控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理,專家控制的規(guī)則庫用產(chǎn)生式規(guī)則表示： IF 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。,39,4.直接式專家控制專家控制器,當基于知識的控制器直接影響被控對象時，這種控制叫做直接專家控制,40,5.間接式專家控制,專家系統(tǒng)間接地對控制信號起作用，或者說，當基于知識的控制器僅僅間接影響控制系統(tǒng)時（譬如監(jiān)督控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)一關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)；又如為了避免控制回路的突發(fā)效應(yīng)切斷參數(shù)估計過程等），我們把這種專家控制稱為間接專家控制系統(tǒng)，或監(jiān)控專家控制。,41,5.間接式專家控制,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：, 優(yōu)

18、化型專家控制器：最優(yōu)控制專家知識、經(jīng)驗的總結(jié)運用。通過設(shè)置整定值、優(yōu)化控制器參數(shù)，實現(xiàn)控制性能的靜態(tài)、動態(tài)優(yōu)化。 適應(yīng)型專家控制器：自適應(yīng)控制專家知識、經(jīng)驗總結(jié)運用。根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，相應(yīng)調(diào)整控制規(guī)律，校正控制參數(shù)，適應(yīng)對象特性或環(huán)境條件的漂移變化。,42,5.間接式專家控制, 協(xié)調(diào)型專家控制器：協(xié)調(diào)控制專家和調(diào)度工程師知識、經(jīng)驗總結(jié)運用。用以協(xié)調(diào)局部控制器或各子控制系統(tǒng)的運行，實現(xiàn)全局穩(wěn)定和優(yōu)化。 組織型專家控制器：控制工程組織管理專家、總設(shè)計師知識的總結(jié)運用。組織各種常規(guī)控制器，根據(jù)控制任務(wù)目標，構(gòu)成所需的控制系統(tǒng)。,43,5.間接式專家控制,間接型專家控制器可以在線或離線運行。 優(yōu)化型、

19、適應(yīng)型需要在線、實時運行； 協(xié)調(diào)型、組織型可以離線、非實時運行，作為相應(yīng)的計算機輔助系統(tǒng)。,44,6.專家控制關(guān)鍵技術(shù)與特點,專家控制的關(guān)鍵技術(shù) (1) 知識的表達方法； (2)從傳感器識別獲取定量控制信號（入）； (3)將定性知識轉(zhuǎn)化為定量控制信號（出）； (4) 控制知識和控制規(guī)則的獲取。,45,6.專家控制關(guān)鍵技術(shù)與特點,2專家控制的特點 （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)專家知識和經(jīng)驗，調(diào)整控制器的參數(shù)，適應(yīng)對象特性及環(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。,46, 2.3專家控制系統(tǒng)

20、的設(shè)計與應(yīng)用實例,1、溫室氣候的專家控制 溫室氣候控制要求 溫度控制 濕度控制 光照強度控制 二氧化碳控制 溫室專家控制系統(tǒng)的設(shè)計 溫室氣候?qū)＜铱刂葡到y(tǒng)設(shè)計的核心是知識庫。由于溫室氣候控制涉及的因素較多，為了縮短推理時間，采用“規(guī)則架+規(guī)則體”的知識表示方法。,47,1、溫室氣候的專家控制,48,造紙過程的知識庫結(jié)構(gòu) 傳感器和執(zhí)行機構(gòu) 控制單元,2、造紙過程的專家智能控制,49,2、造紙過程的專家智能控制,50,2、造紙過程的專家智能控制,51,目前，在自動控制系統(tǒng)的研制開發(fā)應(yīng)用中，高精度、高速度移動是一個非常關(guān)鍵的問題。 針對存在的問題，利用前幾章介紹的智能控制理論和方法，對控制過程參數(shù)變化

21、大，非線性、負載擾動的實際直流調(diào)整系統(tǒng)，給出了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與專家控制相結(jié)合的實時智能控制方案和控制結(jié)構(gòu)，導出了智能控制算法。,3、直流調(diào)速系統(tǒng)的專家協(xié)調(diào)控制,52,3、直流調(diào)速系統(tǒng)的專家協(xié)調(diào)控制,53,3、直流調(diào)速系統(tǒng)的專家協(xié)調(diào)控制,54,3、直流調(diào)速系統(tǒng)的專家協(xié)調(diào)控制,55,3、專家PID控制,（1）專家PID控制原理,PID專家控制的實質(zhì)是，基于受控對象和控制規(guī)律的各種知識，無需知道被控對象的精確模型，利用專家經(jīng)驗來設(shè)計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。,56,3、專家PID控制,圖 典型二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)誤差曲線,57,3、專家PID控制,令 表示離散化的當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,根據(jù)誤差及其變化，設(shè)計專家PID控制器，控制器可分以下五種情況設(shè)計。,58,3、專家PID控制,（1）當 時，說明誤差的絕對值已經(jīng)很大。不論誤差變化趨勢如何，都應(yīng)考慮控制器的輸出應(yīng)按最大（或最小）輸出，以達到迅速調(diào)整誤差，使誤差絕對值以最大速度