第四章专家控制系统...ppt

第第4章章专家控制系统专家控制系统专家控制（专家控制（ExpertControl）是智能控制的是智能控制的一个重要分支，又称专家智能控制。一个重要分支，又称专家智能控制。它在将人工智能中专家系统的理论和技它在将人工智能中专家系统的理论和技术同自动控制的理论、方法和技术有机术同自动控制的理论、方法和技术有机结合的基础上，在未知环境下模仿专家结合的基础上，在未知环境下模仿专家的智能，实现对系统的有效控制。的智能，实现对系统的有效控制。14.1专家系统基础专家系统基础4.1.1什么是专家系统什么是专家系统从本质上讲，从本质上讲，专家系统专家系统是一类包含着知识和推是一类包含着知识和推理的智能计算机程序理的智能计算机程序。现在习惯于把每一个利用了大量领域知识的大现在习惯于把每一个利用了大量领域知识的大而复杂的人工智能系统都统称为而复杂的人工智能系统都统称为专家系统专家系统。专家系统可以解决的问题一般包括解释、预测、专家系统可以解决的问题一般包括解释、预测、诊断、设计、规划、监视、修理、指导和控制诊断、设计、规划、监视、修理、指导和控制等。等。2 4.1专家系统基础专家系统基础4.1.1什么是专家系统什么是专家系统专家系统和传统的计算机专家系统和传统的计算机“应用程序应用程序”最本质的不同之处在于，专家系统最本质的不同之处在于，专家系统所要解决的问题一般没有算法解，并所要解决的问题一般没有算法解，并且经常要在不完全、不精确或不确定且经常要在不完全、不精确或不确定的信息基础上做出结论。的信息基础上做出结论。34.1.2专家系统的组成专家系统的组成n专家系统的基本组成专家系统的基本组成4知识库知识库知识库是知识的存储器，用于存储领域专家的经验性知识库是知识的存储器，用于存储领域专家的经验性知识以及有关的事实、一般常识等。知识库中的知识知识以及有关的事实、一般常识等。知识库中的知识来源于知识获取机构，同时它又为推理机提供求解问来源于知识获取机构，同时它又为推理机提供求解问题所需的知识。题所需的知识。4.1.2专家系统的组成专家系统的组成推理机推理机 推理机是专家系统的推理机是专家系统的“思维思维”机构，实际上是求解问机构，实际上是求解问题的计算机软件系统。题的计算机软件系统。推理机的运行可以有不同的控制策略。推理机的运行可以有不同的控制策略。5综合数据库（全局数据库）综合数据库（全局数据库）又称为又称为“黑板黑板”或或“数据库数据库”。它是用于存放推理的。它是用于存放推理的初始证据、中间结果以及最终结果等的工作存储器初始证据、中间结果以及最终结果等的工作存储器（WorkingMemory）。）。解释接口解释接口又称人又称人-机界面，它把用户输人的信息转换成系统内规机界面，它把用户输人的信息转换成系统内规范化的表示形式，然后交给相应模块去处理，把系统范化的表示形式，然后交给相应模块去处理，把系统输出的信息转换成用户易于理解的外部表示形式显示输出的信息转换成用户易于理解的外部表示形式显示给用户，回答用户提出的给用户，回答用户提出的“为什么？为什么？”“”“结论是如何结论是如何得出的？得出的？”等问题。等问题。4.1.2专家系统的组成专家系统的组成6知识获取知识获取知识获取是指通过人工方法或机器学习的方法，知识获取是指通过人工方法或机器学习的方法，将某个领域内的事实性知识和领域专家所特有将某个领域内的事实性知识和领域专家所特有的经验性知识转化为计算机程序的过程。的经验性知识转化为计算机程序的过程。对知识库的修改和扩充也是在系统的调试和验对知识库的修改和扩充也是在系统的调试和验证中进行的，是一件很困难的工作。知识获取证中进行的，是一件很困难的工作。知识获取被认为是专家系统中的一个被认为是专家系统中的一个“瓶颈瓶颈”问题。问题。4.1.2专家系统的组成专家系统的组成74.1.3专家系统的知识表示专家系统的知识表示 n知识表示知识表示就是知识的形式化，就是研究用机就是知识的形式化，就是研究用机器表示知识的可行的、有效的、通用的原则器表示知识的可行的、有效的、通用的原则和方法。和方法。n常用的知识表示方法为：产生式规则，框架，常用的知识表示方法为：产生式规则，框架，语义网络，过程。其中产生式规则是专家系语义网络，过程。其中产生式规则是专家系统最流行的表达方法。由产生式规则表示的统最流行的表达方法。由产生式规则表示的专家系统又称为基于规则的系统或产生式系专家系统又称为基于规则的系统或产生式系统。统。8产生式规则的表达方式为：产生式规则的表达方式为：IFETHENHWITHCF(E,H)其其中中，E表表示示规规则则的的前前提提条条件件，即即证证据据，它它可可以以是是单单独独命命题题，也也可可以以是是复复合合命命题题；H表表示示规规则则的的结结论论部部分分，即即假假设设，也也是是命命题题；CF（CertaintyFactor）为为规规则则的的强强度度，反反映映当前提为真时，规则对结论的影响程度。当前提为真时，规则对结论的影响程度。9（1）知识库的设计）知识库的设计确确定定知知识识类类型型：叙叙述述性性知知识识，过过程程性性知知识识，控制性知识；控制性知识；确定知识表达方法；确定知识表达方法；知知识识库库管管理理系系统统的的设设计计：实实现现规规则则的的保保存存、编辑、删除、增加、搜索等功能。编辑、删除、增加、搜索等功能。4.1.44.1.4专家系统建立步骤专家系统建立步骤10（2）推理机的设计）推理机的设计选择推理方式；选择推理方式；选选择择推推理理算算法法：选选择择各各种种搜搜索索算算法法，如如深深度度优优先搜索、广度优先搜索、启发式优先搜索等。先搜索、广度优先搜索、启发式优先搜索等。（3）人）人机接口的设计机接口的设计设设计计“用用户户专专家家系系统统接接口口”：用用于于咨咨询询理理解解和结论解释；和结论解释；设设计计“专专家家专专家家系系统统接接口口”：用用于于知知识识库库扩扩充及系统维护。充及系统维护。114.2专家控制专家控制4.2.1概述概述瑞瑞典典学学者者K.J.Astrom在在1983年年首首先先把把人人工工智智能能中中的的专专家家系系统统引引入入智智能能控控制制领领域域，于于1986年年提提出出“专专家家控控制制”的的概概念念，构构成成一种智能控制方法。一种智能控制方法。12专专家家控控制制（ExpertControl）是是智智能能控控制制的的一一个个重重要要分分支支，又又称称专专家家智智能能控控制制。所所谓谓专专家家控控制制，是是将将专专家家系系统统的的理理论论和和技技术术同同控控制制理理论论、方方法法与与技技术术相相结结合合，在在未未知知环环境境下下，仿仿效效专专家家的经验，实现对系统的控制。的经验，实现对系统的控制。13 专家控制试图在传统控制的基础上专家控制试图在传统控制的基础上“加入加入”一个富有经验的控制工程师，实现控制的功能，一个富有经验的控制工程师，实现控制的功能，它由知识库和推理机构构成主体框架，通过对控它由知识库和推理机构构成主体框架，通过对控制领域知识（先验经验、动态信息、目标等）的制领域知识（先验经验、动态信息、目标等）的获取与组织，按某种策略及时地选用恰当的规则获取与组织，按某种策略及时地选用恰当的规则进行推理输出，实现对实际对象的控制。进行推理输出，实现对实际对象的控制。144.2.24.2.2基本原理基本原理 1结构结构知识库知识库知识库知识库实时实时实时实时推理机推理机推理机推理机A/DA/D被控被控被控被控对象对象对象对象D/AD/A控制控制控制控制算法库算法库算法库算法库专家控制的结构专家控制的结构152功能功能（1）能能够够满满足足任任意意动动态态过过程程的的控控制制需需要要，尤尤其其适用于带有时变、非线性和强干扰的控制；适用于带有时变、非线性和强干扰的控制；（2）控制过程可以利用对象的先验知识；）控制过程可以利用对象的先验知识；（3）通通过过修修改改、增增加加控控制制规规则则，可可不不断断积积累累知知识，改进控制性能；识，改进控制性能；（4）可以定性地描述控制系统的性能，如）可以定性地描述控制系统的性能，如“超超调小调小”、“偏差增大偏差增大”等；等；（5）对控制性能可进行解释；）对控制性能可进行解释；（6）可通过对控制闭环中的单元进行故障检测）可通过对控制闭环中的单元进行故障检测来获取经验规则。来获取经验规则。163.与专家系统的区别与专家系统的区别专专家家控控制制引引入入了了专专家家系系统统的的思思想想，但但与与专专家家系统存在区别：系统存在区别：（1）专专家家系系统统能能完完成成专专门门领领域域的的功功能能，辅辅助助用用户户决决策策；专专家家控控制制能能进进行行独独立立的的、实实时时的的自自动动决决策策。专专家家控控制制比比专专家家系系统统对对可可靠靠性性和和抗抗干干扰扰性有着更高的要求。性有着更高的要求。（2）专专家家系系统统处处于于离离线线工工作作方方式式，而而专专家家控控制制要求在线获取反馈信息，即要求在线工作方式。要求在线获取反馈信息，即要求在线工作方式。174.知识表示知识表示专专家家控控制制将将系系统统视视为为基基于于知知识识的的系系统统，控控制制系系统的知识表示如下：统的知识表示如下：（1）受控过程的知识）受控过程的知识 先验知识：包括问题的类型及开环特性；先验知识：包括问题的类型及开环特性；动态知识：包括中间状态及特性变化。动态知识：包括中间状态及特性变化。（2）控制、辨识、诊断知识）控制、辨识、诊断知识定量知识：各种算法；定量知识：各种算法；定性知识：各种经验、逻辑、直观判断。定性知识：各种经验、逻辑、直观判断。按照专家系统知识库的结构，有关知识可以分按照专家系统知识库的结构，有关知识可以分类组织，形成数据库和规则库，从而构成专家控类组织，形成数据库和规则库，从而构成专家控制系统的知识源。制系统的知识源。18数据库包括：数据库包括：事事实实已已知知的的静静态态数数据据。例例如如传传感感器器测测量量误误差差、运运行行阈阈值值、报报警警阈阈值值、操操作作序序列列的的约约束束条条件件、受受控过程的单元组态等；控过程的单元组态等；证证据据测测量量到到的的动动态态数数据据。例例如如传传感感器器的的输输出出值值、仪仪器器仪仪表表的的测测试试结结果果等等。证证据据的的类类型型是是各各异异的的，常常常常带带有有噪噪声声、延延迟迟，也也可可能能是是不不完完整整的的，甚至相互之间有冲突；甚至相互之间有冲突；19假假设设由由事事实实和和证证据据推推导导的的中中间间结结果果，作作为为当当前前事事实实集集合合的的补补充充。例例如如，通通过过各各种种参参数数估估计计算算法推得的状态估计等；法推得的状态估计等；目标目标系统的性能指标。例如对稳定性的要求，系统的性能指标。例如对稳定性的要求，对静态工作点的寻优、对现有控制规律是否需要对静态工作点的寻优、对现有控制规律是否需要改进的判断等。目标既可以是预定的，也可以是改进的判断等。目标既可以是预定的，也可以是根据外部命令或内部运行状况在线地动态建立的。根据外部命令或内部运行状况在线地动态建立的。专家控制的规则库一般采用产生式规则表示：专家控制的规则库一般采用产生式规则表示：IF控制局势（事实和数据）控制局势（事实和数据）THEN操作结论操作结论由多条产生式规则构成规则库。由多条产生式规则构成规则库。205.分类分类按专家控制在控制系统中的作用和功能，可将按专家控制在控制系统中的作用和功能，可将专家控制器分为以下两种类型：专家控制器分为以下两种类型：(1)直接型专家控制器直接型专家控制器直接专家控制器用于取代常规控制器，直接控直接专家控制器用于取代常规控制器，直接控制生产过程或被控对象。具有模拟（或延伸，扩制生产过程或被控对象。具有模拟（或延伸，扩展）操作工人智能的功能。该控制器的任务和功展）操作工人智能的功能。该控制器的任务和功能相对比较简单，但是需要在线、实时控制。因能相对比较简单，但是需要在线、实时控制。因此，其知识表达和知识库也较简单，通常由几十此，其知识表达和知识库也较简单，通常由几十条产生式规则构成，以便于增删和修改。条产生式规则构成，以便于增删和修改。直接型专家控制器的示意图见图中的虚线所示。直接型专家控制器的示意图见图中的虚线所示。21知识库知识库知识库知识库信息获信息获信息获信息获取与处取与处取与处取与处理理理理推推推推 理理理理机机机机 构构构构被被被被 控控控控对对对对 象象象象传感器传感器传感器传感器控制控制控制控制规则规则规则规则库库库库直接型直接型直接型直接型专家控制器专家控制器专家控制器专家控制器图图直接型专家控制器直接型专家控制器22(2)间接型专家控制器间接型专家控制器间间接接型型专专家家控控制制器器用用于于和和常常规规控控制制器器相相结结合合，组组成成对对生生产产过过程程或或被被控控对对象象进进行行间间接接控控制制的的智智能能控控制制系系统统。具具有有模模拟拟（或或延延伸伸，扩扩展展）控控制制工工程程师师智智能能的的功功能能。该该控控制制器器能能够够实实现现优优化化适适应应、协协调调、组组织织等等高高层层决决策策的的智智能能控控制制。按按照照高高层层决决策策功功能能的的性性质质，间间接接型型专专家家控控制制器器可可分分为为以以下下几几种种类型：类型：23 优优化化型型专专家家控控制制器器：是是基基于于最最优优控控制制专专家家的的知知识识和和经经验验的的总总结结和和运运用用。通通过过设设置置整整定定值值、优优化化控控制制参参数数或或控控制制器器，实实现现控控制制器器的的静静态态或或动态优化。动态优化。适适应应型型专专家家控控制制器器：是是基基于于自自适适应应控控制制专专家家的的知知识识和和经经验验的的总总结结和和运运用用。根根据据现现场场运运行行状状态态和和测测试试数数据据，相相应应地地调调整整控控制制规规律律，校校正正控控制制参参数数，修修改改整整定定值值或或控控制制器器，适适应应生生产产过过程、对象特性或环境条件的漂移和变化程、对象特性或环境条件的漂移和变化。24 协协调调型型专专家家控控制制器器：是是基基于于协协调调控控制制专专家家和和调调度度工工程程师师的的知知识识和和经经验验的的总总结结和和运运用用。用用以以协协调调局局部部控控制制器器或或各各子子控控制制系系统统的的运运行行，实实现现大系统的全局稳定和优化。大系统的全局稳定和优化。组组织织型型专专家家控控制制器器：是是基基于于控控制制工工程程的的组组织织管管理理专专家家或或总总设设计计师师的的知知识识和和经经验验的的总总结结和和运运用用。用用以以组组织织各各种种常常规规控控制制器器，根根据据控控制制任任务务的目标和要求，构成所需要的控制系统。的目标和要求，构成所需要的控制系统。25间间接接型型专专家家控控制制器器可可以以在在线线或或离离线线运运行行。通通常常，优优化化型型、适适应应型型需需要要在在线线、实实时时、联联机机运运行行。协协调调型型、组组织织型型可可以以离离线线、非非实实时时运运行行，作为相应的计算机辅助系统。作为相应的计算机辅助系统。间接型专家控制器的示意图如图所示。间接型专家控制器的示意图如图所示。专家控制器专家控制器专家控制器专家控制器被被被被 控控控控对对对对 象象象象传感器传感器传感器传感器控制算法控制算法控制算法控制算法特征提取特征提取特征提取特征提取264.2.3专家控制的关键技术及特点专家控制的关键技术及特点1专家控制的关键技术专家控制的关键技术(1)知识的表达方法；知识的表达方法；(2)从传感器中识别和获取定量的控制信号；从传感器中识别和获取定量的控制信号；(3)将定性知识转化为定量的控制信号；将定性知识转化为定量的控制信号；(4)控制知识和控制规则的获取。控制知识和控制规则的获取。2专家控制的特点专家控制的特点（1）灵活性：根据系统的工作状态及误差情况，）灵活性：根据系统的工作状态及误差情况，可灵活地选取相应的控制律；可灵活地选取相应的控制律；（2）适应性：能根据专家知识和经验，调整控）适应性：能根据专家知识和经验，调整控制器的参数，适应对象特性及环境的变化；制器的参数，适应对象特性及环境的变化；（3）鲁棒性：通过利用专家规则，系统可以在）鲁棒性：通过利用专家规则，系统可以在非线性、大偏差下可靠地工作。非线性、大偏差下可靠地工作。274.3专家专家PID控制控制4.3.14.3.1专家专家PIDPID控制原理控制原理PID专专家家控控制制的的实实质质是是，基基于于受受控控对对象象和和控控制制规规律律的的各各种种知知识识，无无需需知知道道被被控控对对象象的的精精确确模模型型，利利用用专专家家经经验验来来设设计计PID参参数数。专专家家PID控制是一种直接型专家控制器。控制是一种直接型专家控制器。28图图典型二阶系统单位阶跃响应误差曲线典型二阶系统单位阶跃响应误差曲线典型的二阶系统单位阶跃响应误差曲线如典型的二阶系统单位阶跃响应误差曲线如图所示。对于典型的二阶系统阶跃响应过程作图所示。对于典型的二阶系统阶跃响应过程作如下分析。如下分析。29 令令表表示示离离散散化化的的当当前前采采样样时时刻刻的的误误差差值值，和和分分别别表表示示前前一一个个和和前前两两个个采采样样时时刻刻的误差值，则有的误差值，则有30根根据据误误差差及及其其变变化化，可可设设计计专专家家PID控控制制器器，该控制器可分为以下五种情况进行设计：该控制器可分为以下五种情况进行设计：（1）当当时时，说说明明误误差差的的绝绝对对值值已已经经很很大大。不不论论误误差差变变化化趋趋势势如如何何，都都应应考考虑虑控控制制器器的的输输出出应应按按最最大大（或或最最小小）输输出出，以以达达到到迅迅速速调调整整误误差差，使使误误差差绝绝对对值值以以最最大大速速度度减减小小。此此时时，它它相相当当于于实施开环控制。实施开环控制。31（2）当当或或时时，说说明明误误差差在在朝朝误误差差绝绝对对值值增增大大方方向向变变化化，或或误误差差为为某某一一常常值值，未发生变化。未发生变化。此此时时，如如果果，说说明明误误差差也也较较大大，可可考考虑虑由由控控制制器器实实施施较较强强的的控控制制作作用用，以以达达到到扭扭转转误误差差绝绝对对值值朝朝减减小小方方向向变变化化，并并迅迅速速减减小小误误差的绝对值，控制器输出为差的绝对值，控制器输出为32如如果果，说说明明尽尽管管误误差差朝朝绝绝对对值值增增大大方方向向变变化化，但但误误差差绝绝对对值值本本身身并并不不很很大大，可可考考虑虑控控制制器器实实施施一一般般的的控控制制作作用用，只只要要扭扭转转误误差差的的变变化化趋趋势势，使使其其朝朝误误差差绝绝对对值值减减小小方方向向变变化化，控制器输出为控制器输出为33（3）当）当、或者或者时时，说说明明误误差差的的绝绝对对值值朝朝减减小小的的方方向向变变化化，或或者者已已经经达达到到平平衡衡状状态态。此此时时，可可考考虑虑采采取取保保持持控制器输出不变。控制器输出不变。（4）当当、时时，说说明明误误差差处处于于极极值值状状态态。如如果果此此时时误误差差的的绝绝对对值值较较大大，即即，可考虑实施较强的控制作用，可考虑实施较强的控制作用34如果此时误差的绝对值较小，即如果此时误差的绝对值较小，即，可考虑实施较弱的控制作用，可考虑实施较弱的控制作用（5）当当时时，说说明明误误差差的的绝绝对对值值很很小小，此时加入积分，减少稳态误差。此时加入积分，减少稳态误差。式中，式中，为增益放大系统，为增益放大系统，为抑制系数，为抑制系数，为任意小的正实数。，为任意小的正实数。35图中，图中，、区域，误差朝区域，误差朝绝对值减小的方向变化。此时，可采取保持等绝对值减小的方向变化。此时，可采取保持等待措施，相当于实施开环控制；待措施，相当于实施开环控制；、区域，误差绝对值朝增大的方向变化。区域，误差绝对值朝增大的方向变化。此时，可根据误差的大小分别实施较强或一般此时，可根据误差的大小分别实施较强或一般的控制作用，以抑制动态误差。的控制作用，以抑制动态误差。364.3.2仿真程序及分析仿真程序及分析仿真实例仿真实例求三阶传递函数的阶跃响应求三阶传递函数的阶跃响应其中对象采样时间为其中对象采样时间为1ms。采用专家采用专家PID设计控制器。在仿真过程中，设计控制器。在仿真过程中，取取0.001，程程序序中中的的五五条条规规则则与与控控制制算算法法的的五种情况相对应。五种情况相对应。374%Expert PID Controller4clear all;4close all;4ts=0.001;4sys=tf(5.235e005,1,87.35,1.047e004,0);%Plant4dsys=c2d(sys,ts,z);4num,den=tfdata(dsys,v);4u_1=0;u_2=0;u_3=0;4y_1=0;y_2=0;y_3=0;4x=0,0,0;4x2_1=0;4kp=0.6;4ki=0.03;4kd=0.01;4error_1=0;4for k=1:1:5004time(k)=k*ts;程序程序384r(k)=1.0;%Tracing Step Signal4u(k)=kp*x(1)+kd*x(2)+ki*x(3);%PID Controller4%Expert control rule4if abs(x(1)0.8%Rule1:Unclosed control rule4 u(k)=0.45;4elseif abs(x(1)0.40 4 u(k)=0.40;4elseif abs(x(1)0.20 4 u(k)=0.12;4elseif abs(x(1)0.01 4 u(k)=0.10;4end 4if x(1)*x(2)0|(x(2)=0)%Rule24 if abs(x(1)=0.054 u(k)=u_1+2*kp*x(1);4 else4 u(k)=u_1+0.4*kp*x(1);4 end4end394if(x(1)*x(2)0)|(x(1)=0)%Rule34 u(k)=u(k);4end4if x(1)*x(2)0&x(2)*x2_1=0.054 u(k)=u_1+2*kp*error_1;4 else4 u(k)=u_1+0.6*kp*error_1;4 end4end4if abs(x(1)=104 u(k)=10;4end4if u(k)=-104 u(k)=-10;4end404%Linear model4y(k)=-den(2)*y_1-den(3)*y_2-den(4)*y_3+num(1)*u(k)+num(2)*u_1+num(3)*u_2+num(4)*u_3;4error(k)=r(k)-y(k);4%-Return of parameters-%4u_3=u_2;u_2=u_1;u_1=u(k);4y_3=y_2;y_2=y_1;y_1=y(k);4x(1)=error(k);%Calculating P4x2_1=x(2);4x(2)=(error(k)-error_1)/ts;%Calculating D4x(3)=x(3)+error(k)*ts;%Calculating I4error_1=error(k);4end4figure(1);4plot(time,r,b,time,y,r);4xlabel(time(s);ylabel(r,y);4figure(2);4plot(time,r-y,r);4xlabel(time(s);ylabel(error);41结果结果42