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)的理論和技術同自動限制的理論、方法和技術有機結合的基礎上，在未知環(huán)境下仿照專家的智能，實現對系統(tǒng)的有效限制。1§4.1專家系統(tǒng)基礎

4.1.1什么是專家系統(tǒng)

從本質上講，專家系統(tǒng)是一類包含著學問和推理的智能計算機程序?，F在習慣于把每一個利用了大量領域學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、預料、診斷、設計、規(guī)劃、監(jiān)視、修理、指導和限制等。2§

4.1專家系統(tǒng)基礎

4.1.1什么是專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)和傳統(tǒng)的計算機“應用程序”最本質的不同之處在于，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上做出結論。34.1.2專家系統(tǒng)的組成

專家系統(tǒng)的基本組成

4學問庫學問庫是學問的存儲器，用于存儲領域專家的閱歷性學問以及有關的事實、一般常識等。學問庫中的學問來源于學問獲得機構，同時它又為推理機供應求解問題所需的學問。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，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綜合數據庫（全局數據庫）

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

說明接口又稱人-機界面，它把用戶輸人的信息轉換成系統(tǒng)內規(guī)范化的表示形式，然后交給相應模塊去處理，把系統(tǒng)輸出的信息轉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？”“結論是如何得出的？”等問題。4.1.2專家系統(tǒng)的組成

6學問獲得學問獲得是指通過人工方法或機器學習的方法，將某個領域內的事實性學問和領域專家所特有的閱歷性學問轉化為計算機程序的過程。對學問庫的修改和擴充也是在系統(tǒng)的調試和驗證中進行的，是一件很困難的工作。學問獲得被認為是專家系統(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)的學問表示學問表示就是學問的形式化，就是探討用機器表示學問的可行的、有效的、通用的原則和方法。常用的學問表示方法為：產生式規(guī)則，框架，語義網絡，過程。其中產生式規(guī)則是專家系統(tǒng)最流行的表達方法。由產生式規(guī)則表示的專家系統(tǒng)又稱為基于規(guī)則的系統(tǒng)或產生式系統(tǒng)。

8產生式規(guī)則的表達方式為：IFETHENHWITHCF(E,H)其中，E表示規(guī)則的前提條件，即證據，它可以是單獨命題，也可以是復合命題；H表示規(guī)則的結論部分，即假設，也是命題；CF（CertaintyFactor）為規(guī)則的強度，反映當前提為真時，規(guī)則對結論的影響程度。9（1）學問庫的設計①確定學問類型：敘述性學問，過程性學問，限制性學問；②確定學問表達方法；③學問庫管理系統(tǒng)的設計：實現規(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─機接口的設計①設計“用戶─專家系統(tǒng)接口”：用于詢問理解和結論說明；②設計“專家─專家系統(tǒng)接口”：用于學問庫擴充及系統(tǒng)維護。11§4.2專家限制

4.2.1概述瑞典學者K.J.Astrom在1983年首先把人工智能中的專家系統(tǒng)引入智能限制領域，于1986年提出“專家限制”的概念，構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)的理論和技術同限制理論、方法與技術相結合，在未知環(huán)境下，仿效專家的閱歷，實現對系統(tǒng)的限制。13專家限制試圖在傳統(tǒng)限制的基礎上“加入”一個富有閱歷的限制工程師，實現限制的功能，它由學問庫和推理機構構成主體框架，通過對限制領域學問（先驗閱歷、動態(tài)信息、目標等）的獲得與組織，按某種策略剛好地選用恰當的規(guī)則進行推理輸出，實現對實際對象的限制。144.2.2基本原理

1．結構

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構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問；（3）通過修改、增加限制規(guī)則，可不斷積累學問，改進限制性能；（4）可以定性地描述限制系統(tǒng)的性能，如“超調小”、“偏差增大”等；（5）對限制性能可進行說明；（6）可通過對限制閉環(huán)中的單元進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)能完成特地領域的功能，協助用戶決策；專家限制能進行獨立的、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.學問表示專家限制將系統(tǒng)視為基于學問的系統(tǒng)，限制系統(tǒng)的學問表示如下：（1）受控過程的學問①先驗學問：包括問題的類型及開環(huán)特性；②動態(tài)學問：包括中間狀態(tài)及特性變更。（2）限制、辨識、診斷學問①定量學問：各種算法；②定性學問：各種閱歷、邏輯、直觀推斷。依據專家系統(tǒng)學問庫的結構，有關學問可以分類組織，形成數據庫和規(guī)則庫，從而構成專家限制系統(tǒng)的學問源。18數據庫包括：事實──已知的靜態(tài)數據。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──測量到的動態(tài)數據。例如傳感器的輸出值、儀器儀表的測試結果等。證據的類型是各異的，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──由事實和證據推導的中間結果，作為當前事實集合的補充。例如，通過各種參數估計算法推得的狀態(tài)估計等；目標──系統(tǒng)的性能指標。例如對穩(wěn)定性的要求，對靜態(tài)工作點的尋優(yōu)、對現有限制規(guī)律是否須要改進的推斷等。目標既可以是預定的，也可以是依據外部吩咐或內部運行狀況在線地動態(tài)建立的。專家限制的規(guī)則庫一般接受產生式規(guī)則表示：IF限制局勢（事實和數據）THEN操作結論由多條產生式規(guī)則構成規(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。該限制器的任務和功能相對比較簡潔，但是須要在線、實時限制。因此，其學問表達和學問庫也較簡潔，通常由幾十條產生式規(guī)則構成，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)限制器相結合，組成對生產過程或被控對象進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。該限制器能夠實現優(yōu)化適應、協調、組織等高層決策的智能限制。依據高層決策功能的性質，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)限制專家的學問和閱歷的總結和運用。通過設置整定值、優(yōu)化限制參數或限制器，實現限制器的靜態(tài)或動態(tài)優(yōu)化。②適應型專家限制器：是基于自適應限制專家的學問和閱歷的總結和運用。依據現場運行狀態(tài)和測試數據，相應地調整限制規(guī)律，校正限制參數，修改整定值或限制器，適應生產過程、對象特性或環(huán)境條件的漂移和變更。24③協調型專家限制器：是基于協調限制專家和調度工程師的學問和閱歷的總結和運用。用以協調局部限制器或各子限制系統(tǒng)的運行，實現大系統(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計師的學問和閱歷的總結和運用。用以組織各種常規(guī)限制器，依據限制任務的目標和要求，構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、適應型須要在線、實時、聯機運行。協調型、組織型可以離線、非實時運行，作為相應的計算機協助系統(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專家限制的關鍵技術及特點1．專家限制的關鍵技術(1)學問的表達方法；(2)從傳感器中識別和獲得定量的限制信號；(3)將定性學問轉化為定量的限制信號；(4)限制學問和限制規(guī)則的獲得。2．專家限制的特點（1）敏捷性：依據系統(tǒng)的工作狀態(tài)及誤差狀況，可敏捷地選取相應的限制律；（2）適應性：能依據專家學問和閱歷，調整限制器的參數，適應對象特性及環(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專家限制的實質是，基于受控對象和限制規(guī)律的各種學問，無需知道被控對象的精確模型，利用專家閱歷來設計PID參數。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)單位階躍響應誤差曲線典型的二階系統(tǒng)單位階躍響應誤差曲線如圖所示。對于典型的二階系統(tǒng)階躍響應過程作如下分析。29

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30依據誤差及其變更，可設計專家PID限制器，該限制器可分為以下五種狀況進行設計：（1）當時，說明誤差的確定值已經很大。不論誤差變更趨勢如何，都應考慮限制器的輸出應按最大（或最?。┹敵觯赃_到快速調整誤差，使誤差確定值以最大速度減小。此時，它相當于實施開環(huán)限制。31（2）當或時，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，以達到扭轉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、或者時，說明誤差的確定值朝減小的方向變更，或者已經達到平衡狀態(tài)。此時，可考慮實行保持限制器輸出不變。（4）當、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，，為隨意小的正實數。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的階躍響應其中對象采樣時間為1ms。接受專家PID設計限制器。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。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