智能控制(第三版)chap2-專家控制

第2章專家控制主要介紹專家控制的基本概念和基本方法。2.1專家系統(tǒng)2.2專家控制2.3專家PID控制

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。傳統(tǒng)的控制器對(duì)被控對(duì)象參數(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(lái)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。2

上世紀(jì)80年代初，人工智能中專家系統(tǒng)的思想和方法被引入到控制系統(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)，經(jīng)過(guò)各種推理來(lái)實(shí)現(xiàn)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)致了專家控制的出現(xiàn)。32.1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(lèi)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)＜宜降闹R(shí)和經(jīng)驗(yàn)，具有解決專門(mén)問(wèn)題的能力。42．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為推斷化學(xué)分子結(jié)構(gòu)的專家系統(tǒng)。MACSMA為用于數(shù)學(xué)運(yùn)算的數(shù)學(xué)專家系統(tǒng)。5（2）成熟期（1972-1977年）：斯坦福大學(xué)開(kāi)發(fā)了著名的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。（3）發(fā)展期（1978-現(xiàn)在）專家系統(tǒng)走向應(yīng)用領(lǐng)域。目前，專家系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療診斷、語(yǔ)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。62.1.2專家系統(tǒng)構(gòu)成

專家系統(tǒng)主要由知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)構(gòu)成，如圖2.1所示。7知識(shí)庫(kù)規(guī)則庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)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)82.1.3專家系統(tǒng)的建立1．知識(shí)庫(kù)知識(shí)庫(kù)包含三類(lèi)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(wèn)題求解的控制性規(guī)則；（3）用于說(shuō)明問(wèn)題的狀態(tài)、事實(shí)和概念以及當(dāng)前的條件和常識(shí)等的數(shù)據(jù)。9

知識(shí)庫(kù)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(kù)通過(guò)人機(jī)接口與領(lǐng)域?qū)＜蚁鄿贤?，?shí)現(xiàn)知識(shí)的獲取。102．推理機(jī)推理機(jī)是用于對(duì)知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)進(jìn)行推理來(lái)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)和已知條件得出結(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(lái)證實(shí)假設(shè)。113．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(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)，過(guò)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)。12

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。134．專家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)語(yǔ)言（1）C語(yǔ)言，人工智能語(yǔ)言（如Prolog，Lisp等）；（2）專家系統(tǒng)開(kāi)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(kāi)發(fā)工具開(kāi)發(fā)專家系統(tǒng)時(shí)，只需要加入領(lǐng)域知識(shí)。145．專家系統(tǒng)建立步驟（1）知識(shí)庫(kù)的設(shè)計(jì)①確定知識(shí)類(lèi)型（數(shù)據(jù)庫(kù)）：敘述性知識(shí)，過(guò)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(kù)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。15（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(kù)擴(kuò)充及系統(tǒng)維護(hù)。16補(bǔ)充內(nèi)容：前向推理和后向推理參考：(澳)MichaelNegnevitsky,人工智能-智能系統(tǒng)指南（原書(shū)第3版）,陳薇

等譯，機(jī)械工業(yè)出版社。2012年8月17補(bǔ)充內(nèi)容：前向推理和后向推理假設(shè)數(shù)據(jù)庫(kù)最初包含5個(gè)事實(shí)：A，B，C，D，E。知識(shí)庫(kù)最初包含3條規(guī)則：推理鏈（可用于解釋結(jié)論）18補(bǔ)充內(nèi)容：前向推理和后向推理推理引擎如果決定何時(shí)觸發(fā)哪一條規(guī)則？主要有兩種方法：前向和后向。再看前面的例子（增加了2條規(guī)則）：箭頭表明規(guī)則的IF部分成立時(shí),可推出THEN部分19前向推理根據(jù)前面的規(guī)則，按照前向推理過(guò)程如下：第1輪：2個(gè)規(guī)則被觸發(fā)

第2輪：1個(gè)規(guī)則第3輪：1個(gè)規(guī)則逐條查詢各規(guī)則是否成立20前向推理前向推理是數(shù)據(jù)（事實(shí)）驅(qū)動(dòng)的推理技術(shù)，即搜索信息并推出新的信息。每次只執(zhí)行一條規(guī)則。當(dāng)有規(guī)則觸發(fā)時(shí)，就將新的事實(shí)添加到數(shù)據(jù)庫(kù)中。任何規(guī)則只能執(zhí)行一次。當(dāng)無(wú)規(guī)則可觸發(fā)時(shí)，匹配-觸發(fā)循環(huán)終止。21前向推理前向推理中，有些被觸發(fā)的規(guī)則與問(wèn)題的目標(biāo)無(wú)關(guān)。前面的例子中，C→L與目標(biāo)Z無(wú)關(guān)，卻也觸發(fā)了。前向推理方法效率較低。22后向推理后向推理是目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的方法。專家系統(tǒng)設(shè)定一個(gè)目標(biāo)，推理引擎的任務(wù)便是找到推出目標(biāo)的論據(jù)。步驟如下：首先在知識(shí)庫(kù)中搜索含有目標(biāo)的規(guī)則，即THEN部分包含目標(biāo)的規(guī)則。若找到該規(guī)則，再在數(shù)據(jù)庫(kù)中查找與之相匹配的事實(shí)，若找到，則觸發(fā)該規(guī)則，即證明目標(biāo)，完成推理。若沒(méi)有找到與之相匹配的事實(shí)，則將規(guī)則壓棧，重新設(shè)定新目標(biāo)，先證明壓棧規(guī)則的IF部分。以此類(lèi)推，直到不能證明新目標(biāo)。23后向推理第1~3步：24后向推理第4~6步：25后向推理前向鏈接后向鏈接觸發(fā)的規(guī)則條數(shù)4條3條是否允許用戶輸入數(shù)據(jù)推理前就確定數(shù)據(jù)，推理過(guò)程中不需要用戶輸入數(shù)據(jù)設(shè)定推理目標(biāo)后，只需要那些支持推理的數(shù)據(jù)，有可能需要用戶輸入數(shù)據(jù)庫(kù)中沒(méi)有的事實(shí)26第二節(jié)專家控制一、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。272011北京：隆德大學(xué)自動(dòng)化控制系的KarlJohan?str?m

教授28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。29

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(kù)和推理機(jī)構(gòu)成主體框架，通過(guò)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。

30二、基本原理

1．結(jié)構(gòu)

專家控制的基本結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。

31知識(shí)庫(kù)實(shí)時(shí)推理機(jī)A/D被控對(duì)象D/A控制算法庫(kù)圖2.2專家控制的結(jié)構(gòu)

322．功能（1）能夠滿足任意動(dòng)態(tài)過(guò)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(guò)程可以利用對(duì)象的先驗(yàn)知識(shí)；（3）通過(guò)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；33（5）對(duì)控制性能可進(jìn)行解釋；（6）可通過(guò)對(duì)控制閉環(huán)中的單元進(jìn)行故障檢測(cè)來(lái)獲取經(jīng)驗(yàn)規(guī)則。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(mén)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。34（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。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(guò)程的知識(shí)①先驗(yàn)知識(shí)：包括問(wèn)題的類(lèi)型及開(kāi)環(huán)特性；②動(dòng)態(tài)知識(shí)：包括中間狀態(tài)及特性變化。35（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。按照專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)的結(jié)構(gòu)，有關(guān)知識(shí)可以分類(lèi)組織，形成數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)，從而構(gòu)成專家控制系統(tǒng)的知識(shí)源。36數(shù)據(jù)庫(kù)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(guò)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(lèi)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；37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(guò)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。38專家控制的規(guī)則庫(kù)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(kù)。5.分類(lèi)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(lèi)型：39(1)直接型專家控制器直接專家控制器用于取代常規(guī)控制器，直接控制生產(chǎn)過(guò)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(kù)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。直接型專家控制器的示意圖見(jiàn)圖中的虛線所示。40直接型專家控制器知識(shí)庫(kù)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(kù)直接型專家控制器y_r+41(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(guò)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。間接型專家控制器可分為以下幾種類(lèi)型：42①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(guò)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。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。在線調(diào)整控制律，校正控制參數(shù)，以適應(yīng)生產(chǎn)過(guò)程、對(duì)象特性或環(huán)境條件的漂移和變化。43③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。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)。44

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)。間接型專家控制器的示意圖如圖所示。45間接型專家控制器專家控制器被控對(duì)象傳感器控制算法特征提取r_+yr+46三、專家控制的關(guān)鍵技術(shù)及特點(diǎn)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)別和獲取定量的控制信號(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。472．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(guò)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。482.3.1專家PID控制原理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(wú)需知道被控對(duì)象的精確模型，利用專家經(jīng)驗(yàn)來(lái)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)誤差曲線如圖所示。對(duì)于典型的二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)過(guò)程作如下分析。2.3專家PID控制49典型二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)誤差曲線50

令e(k)表示離散化的當(dāng)前采樣時(shí)刻的誤差值，e(k-1)和e(k-2)分別表示前一個(gè)和前兩個(gè)采樣時(shí)刻的誤差值，則有51

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)：Rule1:當(dāng)|e(k)|>M1時(shí)，說(shuō)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?。┹敵觯赃_(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(kāi)環(huán)控制。52

Rule2:當(dāng)或時(shí)，說(shuō)明誤差在向著誤差絕對(duì)值增大方向變化，或誤差為某一常值，未發(fā)生變化。

1）此時(shí)，如果|e(k)|>M2，說(shuō)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：可采用比例系數(shù)較大的比例控制：532）如果|e(k)|<M2，說(shuō)明盡管誤差向著絕對(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)，使其朝向誤差絕對(duì)值減小方向變