智能控制-第2章專家控制理論基礎(chǔ)

1、第2章 專家控制 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。控制器對被控對象在環(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象嚴(yán)格的數(shù)學(xué)模型，試圖對精確模型來求取最優(yōu)的控制效果。而實(shí)際的被控對象存在著許多難以建模的因素。上世紀(jì)80年代初，人工智智能中專專家系統(tǒng)統(tǒng)的思想想和方法法開始被被引入控控制系統(tǒng)統(tǒng)的研究究和工程程應(yīng)用中中。專家系統(tǒng)統(tǒng)能處理理定性的的、啟發(fā)發(fā)式或不不確定的的知識信信息，經(jīng)經(jīng)過各種種推理來來達(dá)到系系統(tǒng)的任任務(wù)目標(biāo)標(biāo)。專家家系統(tǒng)為為解決傳傳統(tǒng)控制制理論的的局限性性提供了了重要的的啟示，二者的的結(jié)合導(dǎo)導(dǎo)致了專專家控制制這一方

2、方法。2.1專家系統(tǒng)統(tǒng)2.1.1專家系統(tǒng)統(tǒng)概述1定義專家系統(tǒng)統(tǒng)是一類類包含知知識和推推理的智智能計(jì)算算機(jī)程序序，其內(nèi)內(nèi)部包含含某領(lǐng)域域?qū)＜宜降闹R和經(jīng)經(jīng)驗(yàn)，具具有解決決專門問問題的能能力。2發(fā)展歷歷史分為三個(gè)個(gè)時(shí)期：(1)初創(chuàng)期（1965-1971年）第一代專專家系統(tǒng)統(tǒng)DENLDRA和MACSMA的出現(xiàn)，標(biāo)志著著專家系系統(tǒng)的誕誕生。其其中DENLDRA為推斷化化學(xué)分子子結(jié)構(gòu)的的專家系系統(tǒng)，由由專家系系統(tǒng)的奠奠基人，Stanford大學(xué)計(jì)算算機(jī)系的的Feigenbaum教授及其其研究小小組研制制。MACSMA為用于數(shù)數(shù)學(xué)運(yùn)算算的數(shù)學(xué)學(xué)專家系系統(tǒng)，由由麻省理理工學(xué)院院完成。（2）成熟期期（1

3、972-1977年）：在此期間間斯坦福福大學(xué)研研究開發(fā)發(fā)了最著著名的專專家系統(tǒng)統(tǒng)-血液感染染病診斷斷專家系系統(tǒng)MYCIN，標(biāo)志專家家系統(tǒng)從從理論走走向應(yīng)用用。另一一個(gè)著名名的專家家系統(tǒng)-語音識別別專家系系統(tǒng)HEARSAY的出現(xiàn)，標(biāo)志著著專家系系統(tǒng)的理理論走向向成熟。（3）發(fā)展期期（1978-現(xiàn)在）在此期間間，專家家系統(tǒng)走走向應(yīng)用用領(lǐng)域，專家系系統(tǒng)的數(shù)數(shù)量增加加，僅1987年研制成成功的專專家系統(tǒng)統(tǒng)就有1000種。專家系統(tǒng)統(tǒng)可以解解決的問問題一般般包括解解釋、預(yù)預(yù)測、設(shè)設(shè)計(jì)、規(guī)規(guī)劃、監(jiān)監(jiān)視、修修理、指指導(dǎo)和控控制等。目前，專家系系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)廣泛地地應(yīng)用于于醫(yī)療診診斷、語語音識別別、圖象象處理、金融

4、決決策、地地質(zhì)勘探探、石油油化工、教學(xué)、軍事、計(jì)算機(jī)機(jī)設(shè)計(jì)等等領(lǐng)域。2.1.2專專家系系統(tǒng)構(gòu)成成專家系統(tǒng)統(tǒng)主要由由知識庫庫和推理理機(jī)構(gòu)成成，專家家系統(tǒng)的的結(jié)構(gòu)如如圖2.1所示。知識庫規(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獲取領(lǐng)域?qū)＜覍＜蚁到y(tǒng)用戶專家系統(tǒng)統(tǒng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)2.1.3專家系統(tǒng)統(tǒng)的建立立1知識庫庫知識庫包包含三類類知識：（1）基于專專家經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)的判斷斷性規(guī)則則；（2）用于推推理、問問題求解解的控制制性規(guī)則則；（3）用于說說明問題題的狀態(tài)態(tài)、事實(shí)實(shí)和概念念以及當(dāng)當(dāng)前的條條件和常常識等的的數(shù)據(jù)。知識庫包包含多種種功能模模塊，主主要有知知識查詢詢、檢索索、增刪刪、修改改和擴(kuò)充充等。知知識庫通

5、通過人機(jī)機(jī)接口與與領(lǐng)域?qū)＜蚁鄿蠝贤?，?shí)實(shí)現(xiàn)知識識的獲取取。2推理機(jī)機(jī)推理機(jī)是是用于對對知識庫庫中的知知識進(jìn)行行推理來來得到結(jié)結(jié)論的“思維”機(jī)構(gòu)。推理機(jī)機(jī)包括三三種推理理方式：（1）正向推推理：從從原始數(shù)數(shù)據(jù)和已已知條件件得到結(jié)結(jié)論；（2）反向推推理：先先提出假假設(shè)的結(jié)結(jié)論，然然后尋找找支持的的證據(jù)，若證據(jù)據(jù)存在，則假設(shè)設(shè)成立；（3）雙向推推理：運(yùn)運(yùn)用正向向推理提提出假設(shè)設(shè)的結(jié)論論，運(yùn)用用反向推推理來證證實(shí)假設(shè)設(shè)。3知識的的表示常用的知知識表示示方法為為：產(chǎn)生生式規(guī)則則，框架架，語義義網(wǎng)絡(luò)，過程。其中產(chǎn)產(chǎn)生式規(guī)規(guī)則是專專家系統(tǒng)統(tǒng)最流行行的表達(dá)達(dá)方法。由產(chǎn)生生式規(guī)則則表示的的專家系系統(tǒng)又稱稱為基

6、于于規(guī)則的的系統(tǒng)或或產(chǎn)生式式系統(tǒng)。產(chǎn)生式規(guī)規(guī)則的表表達(dá)方式式為：IFE THENHWITH CF(E,H)其中，E表示規(guī)則則的前提提條件，即證據(jù)據(jù)，它可可以是單單獨(dú)命題題，也可可以是復(fù)復(fù)合命題題；H表示規(guī)則則的結(jié)論論部分，即假設(shè)設(shè)，也是是命題；CF（CertaintyFactor）為規(guī)則的的強(qiáng)度，反映當(dāng)當(dāng)前提為為真時(shí)，規(guī)則對對結(jié)論的的影響程程度。4專家系系統(tǒng)開發(fā)發(fā)語言（1）C語言，人人工智能能語言（如Prolog，Lisp等）；（2）專家系系統(tǒng)開發(fā)發(fā)工具：已經(jīng)建建好的專專家系統(tǒng)統(tǒng)框架，包括知知識表達(dá)達(dá)和推理理機(jī)。在在運(yùn)用專專家系統(tǒng)統(tǒng)開發(fā)工工具開發(fā)發(fā)專家系系統(tǒng)時(shí)，只需要要加入領(lǐng)領(lǐng)域知識識。5專家

7、系系統(tǒng)建立立步驟（1）知識庫庫的設(shè)計(jì)計(jì) 確定定知識類類型：敘敘述性知知識，過過程性知知識，控控制性知知識； 確定定知識表表達(dá)方法法； 知識識庫管理理系統(tǒng)的的設(shè)計(jì)：實(shí)現(xiàn)規(guī)規(guī)則的保保存、編編輯、刪刪除、增增加、搜搜索等功功能。（2）推理機(jī)機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì) 選擇擇推理方方式； 選擇擇推理算算法：選選擇各種種搜索算算法，如如深度優(yōu)優(yōu)先搜索索、廣度度優(yōu)先搜搜索、啟啟發(fā)式優(yōu)優(yōu)先搜索索等。（3）人機(jī)機(jī)接口的的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)計(jì)“用戶戶專家家系統(tǒng)接接口”：用于咨咨詢理解解和結(jié)論論解釋； 設(shè)計(jì)計(jì)“專家家專家家系統(tǒng)接接口”：用于知知識庫擴(kuò)擴(kuò)充及系系統(tǒng)維護(hù)護(hù)。第二節(jié)專專家控控制一、概述述瑞典學(xué)者者K.J.Astrom在1983

8、年首先把把人工智智能中的的專家系系統(tǒng)引入入智能控控制領(lǐng)域域，于1986年提出“專家控控制”的的概念，構(gòu)成一一種智能能控制方方法。專家控制制（ExpertControl）是智能控控制的一一個(gè)重要要分支，又稱專專家智能能控制。所謂專專家控制制，是將將專家系系統(tǒng)的理理論和技技術(shù)同控控制理論論、方法法與技術(shù)術(shù)相結(jié)合合，在未未知環(huán)境境下，仿仿效專家家的經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)對系統(tǒng)統(tǒng)的控制制。專家控制制試圖在在傳統(tǒng)控控制的基基礎(chǔ)上“加入”一個(gè)富富有經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)的控制制工程師師，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)控制的的功能，它由知知識庫和和推理機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)成成主體框框架，通通過對控控制領(lǐng)域域知識（先驗(yàn)經(jīng)經(jīng)驗(yàn)、動動態(tài)信息息、目標(biāo)標(biāo)等）的的獲取與與組織，

9、按某種種策略及及時(shí)地選選用恰當(dāng)當(dāng)?shù)囊?guī)則則進(jìn)行推推理輸出出，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)對實(shí)際際對象的的控制。二、基本本原理1結(jié)構(gòu)專家控制制的基本本結(jié)構(gòu)如如圖2.2所示。知識庫實(shí)時(shí)推理機(jī)A/D被控對象D/A控制算法庫圖2.2專家控制制的結(jié)構(gòu)構(gòu)2功能（1）能夠滿滿足任意意動態(tài)過過程的控控制需要要，尤其其適用于于帶有時(shí)時(shí)變、非非線性和和強(qiáng)干擾擾的控制制；（2）控制過過程可以以利用對對象的先先驗(yàn)知識識；（3）通過修修改、增增加控制制規(guī)則，可不斷斷積累知知識，改改進(jìn)控制制性能；（4）可以定定性地描描述控制制系統(tǒng)的的性能，如“超超調(diào)小”、“偏偏差增大大”等；（5）對控制制性能可可進(jìn)行解解釋；（6）可通過過對控制制閉環(huán)中中的單元

10、元進(jìn)行故故障檢測測來獲取取經(jīng)驗(yàn)規(guī)規(guī)則。3與專家系系統(tǒng)的區(qū)區(qū)別專家控制制引入了了專家系系統(tǒng)的思思想，但但與專家家系統(tǒng)存存在區(qū)別別：（1）專家系系統(tǒng)能完完成專門門領(lǐng)域的的功能，輔助用用戶決策策；專家家控制能能進(jìn)行獨(dú)獨(dú)立的、實(shí)時(shí)的的自動決決策。專專家控制制比專家家系統(tǒng)對對可靠性性和抗干干擾性有有著更高高的要求求。（2）專家系系統(tǒng)處于于離線工工作方式式，而專專家控制制要求在在線獲取取反饋信信息，即即要求在在線工作作方式。4.知識表示示專家控制制將系統(tǒng)統(tǒng)視為基基于知識識的系統(tǒng)統(tǒng)，控制制系統(tǒng)的的知識表表示如下下：（1）受控過過程的知知識 先驗(yàn)驗(yàn)知識：包括問問題的類類型及開開環(huán)特性性； 動態(tài)態(tài)知識：包括中中

11、間狀態(tài)態(tài)及特性性變化。（2）控制、辨識、診斷知知識 定量量知識：各種算算法； 定性性知識：各種經(jīng)經(jīng)驗(yàn)、邏邏輯、直直觀判斷斷。按照專家家系統(tǒng)知知識庫的的結(jié)構(gòu)，有關(guān)知知識可以以分類組組織，形形成數(shù)據(jù)據(jù)庫和規(guī)規(guī)則庫，從而構(gòu)構(gòu)成專家家控制系系統(tǒng)的知知識源。數(shù)據(jù)庫包包括：事實(shí)已知知的靜態(tài)態(tài)數(shù)據(jù)。例如傳傳感器測測量誤差差、運(yùn)行行閾值、報(bào)警閾閾值、操操作序列列的約束束條件、受控過過程的單單元組態(tài)態(tài)等；證據(jù)測量量到的動動態(tài)數(shù)據(jù)據(jù)。例如如傳感器器的輸出出值、儀儀器儀表表的測試試結(jié)果等等。證據(jù)據(jù)的類型型是各異異的，常常常帶有有噪聲、延遲，也可能能是不完完整的，甚至相相互之間間有沖突突；假設(shè)由事實(shí)實(shí)和證據(jù)據(jù)推導(dǎo)的的

12、中間結(jié)結(jié)果，作作為當(dāng)前前事實(shí)集集合的補(bǔ)補(bǔ)充。例例如，通通過各種種參數(shù)估估計(jì)算法法推得的的狀態(tài)估估計(jì)等；目標(biāo)系統(tǒng)的的性能指指標(biāo)。例例如對穩(wěn)穩(wěn)定性的的要求，對靜態(tài)態(tài)工作點(diǎn)點(diǎn)的尋優(yōu)優(yōu)、對現(xiàn)現(xiàn)有控制制規(guī)律是是否需要要改進(jìn)的的判斷等等。目標(biāo)標(biāo)既可以以是預(yù)定定的，也也可以是是根據(jù)外外部命令令或內(nèi)部部運(yùn)行狀狀況在線線地動態(tài)態(tài)建立的的。專家控制制的規(guī)則則庫一般般采用產(chǎn)產(chǎn)生式規(guī)規(guī)則表示示：IF控制局勢勢（事實(shí)實(shí)和數(shù)據(jù)據(jù)）THEN操作結(jié)論論由多條產(chǎn)產(chǎn)生式規(guī)規(guī)則構(gòu)成成規(guī)則庫庫。5分類按專家控控制在控控制系統(tǒng)統(tǒng)中的作作用和功功能，可可將專家家控制器器分為以以下兩種種類型：(1)直接型專專家控制制器直接專家家控制器器用

13、于取取代常規(guī)規(guī)控制器器，直接接控制生生產(chǎn)過程程或被控控對象。具有模模擬（或或延伸，擴(kuò)展）操作工工人智能能的功能能。該控控制器的的任務(wù)和和功能相相對比較較簡單，但是需需要在線線、實(shí)時(shí)時(shí)控制。因此，其知識識表達(dá)和和知識庫庫也較簡簡單，通通常由幾幾十條產(chǎn)產(chǎn)生式規(guī)規(guī)則構(gòu)成成，以便便于增刪刪和修改改。直接型專專家控制制器的示示意圖見見圖中的的虛線所所示。知識庫信息獲取與處理推理機(jī) 構(gòu)被控對 象傳感器控制規(guī)則庫直接型專家控制器圖直直接型專專家控制制器(2)間接型專專家控制制器間接型專專家控制制器用于于和常規(guī)規(guī)控制器器相結(jié)合合，組成成對生產(chǎn)產(chǎn)過程或或被控對對象進(jìn)行行間接控控制的智智能控制制系統(tǒng)。具有模模擬（

14、或或延伸，擴(kuò)展）控制工工程師智智能的功功能。該該控制器器能夠?qū)崒?shí)現(xiàn)優(yōu)化化適應(yīng)、協(xié)調(diào)、組織等等高層決決策的智智能控制制。按照照高層決決策功能能的性質(zhì)質(zhì)，間接接型專家家控制器器可分為為以下幾幾種類型型： 優(yōu)化化型專家家控制器器：是基基于最優(yōu)優(yōu)控制專專家的知知識和經(jīng)經(jīng)驗(yàn)的總總結(jié)和運(yùn)運(yùn)用。通通過設(shè)置置整定值值、優(yōu)化化控制參參數(shù)或控控制器，實(shí)現(xiàn)控控制器的的靜態(tài)或或動態(tài)優(yōu)優(yōu)化。 適應(yīng)應(yīng)型專家家控制器器：是基基于自適適應(yīng)控制制專家的的知識和和經(jīng)驗(yàn)的的總結(jié)和和運(yùn)用。根據(jù)現(xiàn)現(xiàn)場運(yùn)行行狀態(tài)和和測試數(shù)數(shù)據(jù)，相相應(yīng)地調(diào)調(diào)整控制制規(guī)律，校正控控制參數(shù)數(shù)，修改改整定值值或控制制器，適適應(yīng)生產(chǎn)產(chǎn)過程、對象特特性或環(huán)環(huán)境條件

15、件的漂移移和變化化。 協(xié)調(diào)調(diào)型專家家控制器器：是基基于協(xié)調(diào)調(diào)控制專專家和調(diào)調(diào)度工程程師的知知識和經(jīng)經(jīng)驗(yàn)的總總結(jié)和運(yùn)運(yùn)用。用用以協(xié)調(diào)調(diào)局部控控制器或或各子控控制系統(tǒng)統(tǒng)的運(yùn)行行，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)大系統(tǒng)統(tǒng)的全局局穩(wěn)定和和優(yōu)化。 組織織型專家家控制器器：是基基于控制制工程的的組織管管理專家家或總設(shè)設(shè)計(jì)師的的知識和和經(jīng)驗(yàn)的的總結(jié)和和運(yùn)用。用以組組織各種種常規(guī)控控制器，根據(jù)控控制任務(wù)務(wù)的目標(biāo)標(biāo)和要求求，構(gòu)成成所需要要的控制制系統(tǒng)。間接型專專家控制制器可以以在線或或離線運(yùn)運(yùn)行。通通常，優(yōu)優(yōu)化型、適應(yīng)型型需要在在線、實(shí)實(shí)時(shí)、聯(lián)聯(lián)機(jī)運(yùn)行行。協(xié)調(diào)調(diào)型、組組織型可可以離線線、非實(shí)實(shí)時(shí)運(yùn)行行，作為為相應(yīng)的的計(jì)算機(jī)機(jī)輔助系系統(tǒng)。

16、間接型專專家控制制器的示示意圖如如圖所示示。專家控制器被控對 象傳感器控制算法特征提取圖間間接型專專家控制制器三、專家家控制的的關(guān)鍵技技術(shù)及特特點(diǎn)1專家控控制的關(guān)關(guān)鍵技術(shù)術(shù)(1)知識的表表達(dá)方法法；(2)從傳感器器中識別別和獲取取定量的的控制信信號；(3)將定性知知識轉(zhuǎn)化化為定量量的控制制信號；(4)控制知識識和控制制規(guī)則的的獲取。2專家控控制的特特點(diǎn)（1）靈活性性：根據(jù)據(jù)系統(tǒng)的的工作狀狀態(tài)及誤誤差情況況，可靈靈活地選選取相應(yīng)應(yīng)的控制制律；（2）適應(yīng)性性：能根根據(jù)專家家知識和和經(jīng)驗(yàn)，調(diào)整控控制器的的參數(shù)，適應(yīng)對對象特性性及環(huán)境境的變化化；（3）魯棒性性：通過過利用專專家規(guī)則則，系統(tǒng)統(tǒng)可以在在非

17、線性性、大偏偏差下可可靠地工工作。第三節(jié)專專家PID控控制一、專家家PID控制原理理PID專家控制制的實(shí)質(zhì)質(zhì)是，基基于受控控對象和和控制規(guī)規(guī)律的各各種知識識，無需需知道被被控對象象的精確確模型，利用專專家經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)來設(shè)計(jì)計(jì)PID參數(shù)。專專家PID控制是一一種直接接型專家家控制器器。典型的二二階系統(tǒng)統(tǒng)單位階階躍響應(yīng)應(yīng)誤差曲曲線如圖圖所示。對于典典型的二二階系統(tǒng)統(tǒng)階躍響響應(yīng)過程程作如下下分析。圖典典型二階階系統(tǒng)單單位階躍躍響應(yīng)誤誤差曲線線令表表示離離散化的的當(dāng)前采采樣時(shí)刻刻的誤差差值，和分分別表表示前一一個(gè)和前前兩個(gè)采采樣時(shí)刻刻的誤差差值，則則有根據(jù)誤差差及其變變化，可可設(shè)計(jì)專專家PID控制器，該控制

18、制器可分分為以下下五種情情況進(jìn)行行設(shè)計(jì)：（1）當(dāng)時(shí)時(shí)，說明誤誤差的絕絕對值已已經(jīng)很大大。不論論誤差變變化趨勢勢如何，都應(yīng)考考慮控制制器的輸輸出應(yīng)按按最大（或最小小）輸出出，以達(dá)達(dá)到迅速速調(diào)整誤誤差，使使誤差絕絕對值以以最大速速度減小小。此時(shí)時(shí)，它相相當(dāng)于實(shí)實(shí)施開環(huán)環(huán)控制。（2）當(dāng)或或時(shí)，說明明誤差在在朝誤差差絕對值值增大方方向變化化，或誤誤差為某某一常值值，未發(fā)發(fā)生變化化。此時(shí)，如如果，說明明誤差也也較大，可考慮慮由控制制器實(shí)施施較強(qiáng)的的控制作作用，以以達(dá)到扭扭轉(zhuǎn)誤差差絕對值值朝減小小方向變變化，并并迅速減減小誤差差的絕對對值，控控制器輸輸出為如果，說說明盡管管誤差朝朝絕對值值增大方方向變化化，但誤誤差絕對對值本身身并不很很大，可可考慮控控制器實(shí)實(shí)施一般般的控制制作用，只要扭扭轉(zhuǎn)誤差差的變化化趨勢，使其朝朝誤差絕絕對值減減小方向向變化，控制器器輸出為為（3）當(dāng)、或或者者時(shí)，說明明誤差的的絕對值值朝減小小的方向向變化，或者已已經(jīng)達(dá)到到平衡狀狀態(tài)。此此時(shí)，可可考慮采采取保持持控制器器輸出不不變。（4）當(dāng)、時(shí)時(shí)，說明明誤差處處于極值值狀態(tài)。如果此此時(shí)誤差差的絕對對值較大大，即，可考考慮實(shí)施施較強(qiáng)的的控制作作用。如果此時(shí)時(shí)誤差的的絕對值值較小，即，可考慮慮