第四章专家控制系统..优秀PPT.ppt

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1、第第4 4章章 专家限制系统专家限制系统 专家限制（专家限制（Expert ControlExpert Control）是智能限制）是智能限制的一个重要分支，又称专家智能限制。的一个重要分支，又称专家智能限制。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限制的理论、方法和技术有机术同自动限制的理论、方法和技术有机结合的基础上，在未知环境下仿照专家结合的基础上，在未知环境下仿照专家的智能，实现对系统的有效限制。的智能，实现对系统的有效限制。14.1专家系统基础专家系统基础什么是专家系统什么是专家系统从本质上讲，专家系统是一类包含着学问和推从本质上讲，专家系统是一类

2、包含着学问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学问的大现在习惯于把每一个利用了大量领域学问的大而困难的人工智能系统都统称为专家系统。而困难的人工智能系统都统称为专家系统。专家系统可以解决的问题一般包括说明、预料、专家系统可以解决的问题一般包括说明、预料、诊断、设计、规划、监视、修理、指导和限制诊断、设计、规划、监视、修理、指导和限制等。等。2 4.1专家系统基础专家系统基础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

3、所要解决的问题一般没有算法解，并且常常要在不完全、不精确或不确定且常常要在不完全、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。3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学问库学问库 学问库是学问的存储器，用于存储领域专家的阅历学问库是学问的存储器，用于存储领域专家的阅历性学问以及有关的事实、一般常识等。学问库中的学性学问以及有关的事实、一般常识等。学问库中的学问来源于学问获得机构，同时它又为推理机供应求解问来源于学问获得机构，同时它又为推理机供应求解问题所需的学问。问题所需的学问。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

4、系统的“思维思维”机构，事实上是求解机构，事实上是求解问题的计算机软件系统。问题的计算机软件系统。推理机的运行可以有不同的限制策略。推理机的运行可以有不同的限制策略。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）。）。说明接口说明接口 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，把系规范化的表示形式，然后

5、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统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，回答用户提出的示给用户，回答用户提出的“为什么？为什么？”“”“结论是如结论是如何得出的？何得出的？”等问题。等问题。专家系统的组成专家系统的组成6学问获得学问获得 学问获得是指通过人工方法或机器学习的方法，学问获得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学问和领域专家所特有将某个领域内的事实性学问和领域专家所特有的阅历性学问转化为计算机程序的过程。的阅历性学问转化为计算机程序的过程。对学问库的修改和扩充也是在系统的调试和验对学问库的修改和扩充也是在系统的

6、调试和验证中进行的，是一件很困难的工作。学问获得证中进行的，是一件很困难的工作。学问获得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。专家系统的组成专家系统的组成74.1.3专家系统的学问表示专家系统的学问表示n学问表示就是学问的形式化，就是探讨用机学问表示就是学问的形式化，就是探讨用机器表示学问的可行的、有效的、通用的原则器表示学问的可行的、有效的、通用的原则和方法。和方法。n常用的学问表示方法为：产生式规则，框架，常用的学问表示方法为：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

7、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。n8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）学问库的设计）学问库的设计确确

8、定定学学问问类类型型：叙叙述述性性学学问问，过过程程性性学学问问，限制性学问；限制性学问；确定学问表达方法；确定学问表达方法；学学问问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、搜寻等功能。编辑、删除、增加、搜寻等功能。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寻寻算算法法，如如深深度度优优先搜寻、广度优先搜寻、启发式优先搜寻等。先搜寻、广度优先搜寻、启发式优先搜寻等。（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

9、接接口口”：用用于于询询问问理理解解和结论说明；和结论说明；设设计计“专专家家专专家家系系统统接接口口”：用用于于学学问问库库扩扩充及系统维护。充及系统维护。114.2专家限制专家限制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限限制制领领域域，于于1986年年提提出出“专专家家限限制制”的的概概念念，构构成成一种智能限制方法。一种智能限制方法。12专专家家限限制制（ExpertControl）是是智智能能限限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限限制制。所所谓谓专专家家限限制制

10、，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限限制制理理论论、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的阅阅历历，实实现现对系统的限制。对系统的限制。13 专家限制试图在传统限制的基础上专家限制试图在传统限制的基础上“加加入入”一个富有阅历的限制工程师，实现限一个富有阅历的限制工程师，实现限制的功能，它由学问库和推理机构构成主制的功能，它由学问库和推理机构构成主体框架，通过对限制领域学问（先验阅历、体框架，通过对限制领域学问（先验阅历、动态信息、目标等）的获得与组织，按某动态信息、目标等）的获得与组织，按某种策略刚好地选用恰当的规则进行推理输种策

11、略刚好地选用恰当的规则进行推理输出，实现对实际对象的限制。出，实现对实际对象的限制。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限制的结构专家限制的结构 152功能功能（1）能能够够满满足足随随意意动动态态过过程程的的限限制制须须要要，尤尤其其适用于带有时变、非线性和强干扰的限制；适用于带有时变、非线性和强干扰的限制；（2）限制过程可以利用对象的先验学问；）限制过程可以利用对象的先验学问；（3）通通过过修修改改、增增加加限限

12、制制规规则则，可可不不断断积积累累学学问，改进限制性能；问，改进限制性能；（4）可可以以定定性性地地描描述述限限制制系系统统的的性性能能，如如“超超调小调小”、“偏差增大偏差增大”等；等；（5）对限制性能可进行说明；）对限制性能可进行说明；（6）可可通通过过对对限限制制闭闭环环中中的的单单元元进进行行故故障障检检测测来获得阅历规则。来获得阅历规则。163.与专家系统的区分与专家系统的区分专专家家限限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分：系统存在区分：（1）专专家家系系统统能能完完成成特特地地领领域域的的功功能能，协协助助用用户户决决策策；专专家家限限制制能

13、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。专专家家限限制制比比专专家家系系统统对对牢牢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，而而专专家家限限制制要求在线获得反馈信息，即要求在线工作方式。要求在线获得反馈信息，即要求在线工作方式。174.学问表示学问表示专专家家限限制制将将系系统统视视为为基基于于学学问问的的系系统统，限限制制系系统的学问表示如下：统的学问表示如下：（1）受控过程的学问）受控过程的学问先验学问：包括问题的类型及开环特性；先验学问：包括问题的类型及开环特性；动态学问：包括中间状态及特性变更。动

14、态学问：包括中间状态及特性变更。（2）限制、辨识、诊断学问）限制、辨识、诊断学问定量学问：各种算法；定量学问：各种算法；定性学问：各种阅历、逻辑、直观推断。定性学问：各种阅历、逻辑、直观推断。依依据据专专家家系系统统学学问问库库的的结结构构，有有关关学学问问可可以以分分类类组组织织，形形成成数数据据库库和和规规则则库库，从从而而构构成成专专家家限限制系统的学问源。制系统的学问源。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

15、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；目目标标系系统统的的性性能能指指标标。例例如如对对稳稳定定性性的的要要求求，对对静静态态工工作作点点的的寻寻优优、对对现现有有限

16、限制制规规律律是是否否须须要要改改进进的的推推断断等等。目目标标既既可可以以是是预预定定的的，也也可可以以是是依依据据外外部部吩吩咐咐或或内内部部运运行行状状况况在在线线地地动动态态建建立立的的。专家限制的规则库一般接受产生式规则表示：专家限制的规则库一般接受产生式规则表示：IF IF 限制局势（事实和数据）限制局势（事实和数据）THEN 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.分类分类按按专专家家限限制制在在限限制制系系统统中中的的作作用用和和功功能能，可可将将专家限制器分为以下两种类型：专家限制器分为以下两种类型：(1)干脆型专家限制器干脆

17、型专家限制器干干脆脆专专家家限限制制器器用用于于取取代代常常规规限限制制器器，干干脆脆限限制制生生产产过过程程或或被被控控对对象象。具具有有模模拟拟（或或延延长长，扩扩展展）操操作作工工人人智智能能的的功功能能。该该限限制制器器的的任任务务和和功功能能相相对对比比较较简简洁洁，但但是是须须要要在在线线、实实时时限限制制。因因此此，其其学学问问表表达达和和学学问问库库也也较较简简洁洁，通通常常由由几几十十条产生式规则构成，以便于增删和修改。条产生式规则构成，以便于增删和修改。干脆型专家限制器的示意图见图中的虚线所示。干脆型专家限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

18、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干脆型专家限制器干脆型专家限制器22(2)间接型专家限制器间接型专家限制器间间接接型型专专家家限限制制器器用用于于和和常常规规限限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限限制制的的智智能能限限制制系系统统。具具有有模模拟拟（或或延延长长，扩扩展展）限限制制工工程程师师智智能能的的功功能能。该该限限制制

19、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限限制制。依依据据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限限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限限制制器器：是是基基于于最最优优限限制制专专家家的的学学问问和和阅阅历历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、优优化化限限制制参参数数或或限限制制器器，实实现现限限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限限制制器器：是是基基于于自自适适应应限限制制专专家家的的学学问问和和阅阅历历的的总总结结和和运运用用。依依据

20、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限限制制规规律律，校校正正限限制制参参数数，修修改改整整定定值值或或限限制制器器，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更。程、对象特性或环境条件的漂移和变更。24 协协调调型型专专家家限限制制器器：是是基基于于协协调调限限制制专专家家和和调调度度工工程程师师的的学学问问和和阅阅历历的的总总结结和和运运用用。用用以以协协调调局局部部限限制制器器或或各各子子限限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限限制制器器：是是基基于于限限制制工工程程的的组组织织

21、管管理理专专家家或或总总设设计计师师的的学学问问和和阅阅历历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限限制制器器，依依据据限限制制任任务务的目标和要求，构成所须要的限制系统。的目标和要求，构成所须要的限制系统。25间间接接型型专专家家限限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、适适应应型型须须要要在在线线、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，作作为为相相应应的的计计算算机机协助系统。协助系统。间接型专家限制器的示意图如图所示。间接型专家限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

22、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专家限制的关键技术及特点专家限制的关键技术及特点1专家限制的关键技术专家限制的关键技术(1)学问的表达方法；学问的表达方法；(2)从传感器中识别和获得定量的限制信号；从传感器中识别和获得定量的限制信号；(3)将定性学问转化为定量的限制信号；将定性学问转化为定量的限制信号；(4)限制学问和限制规则的获得。限制学问和限制规则的获得。2专家限制的特点专家限制的特点（1）敏敏捷捷性性：依依据据系系统统的的工工作作状状态态及及误误差差状状况况，可敏捷地选取相

23、应的限制律；可敏捷地选取相应的限制律；（2）适适应应性性：能能依依据据专专家家学学问问和和阅阅历历，调调整整限限制器的参数，适应对象特性及环境的变更；制器的参数，适应对象特性及环境的变更；（3）鲁鲁棒棒性性：通通过过利利用用专专家家规规则则，系系统统可可以以在在非线性、大偏差下牢靠地工作。非线性、大偏差下牢靠地工作。274.3专家专家PID限制限制4.3.14.3.1专家专家PIDPID限制原理限制原理PID专专家家限限制制的的实实质质是是，基基于于受受控控对对象象和和限限制制规规律律的的各各种种学学问问，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，利利用用专专家家阅阅历历来来设设计

24、计PID参参数数。专专家家PID限制是一种干脆型专家限制器。限制是一种干脆型专家限制器。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依依据据误误差差及及其其变变更更，可可设设计计专专家家PID限限制制器器，该限制器可分为以下五种

25、状况进行设计：该限制器可分为以下五种状况进行设计：（1）当当时时，说说明明误误差差的的确确定定值值已已经经很很大大。不不论论误误差差变变更更趋趋势势如如何何，都都应应考考虑虑限限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，以以达达到到快快速速调调整整误误差差，使使误误差差确确定定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限制。实施开环限制。31（2）当当或或时时，说说明明误误差差在在朝朝误误差差确确定定值值增增大大方方向向变变更更，或或误误差差为为某某一一常常值值，未发生变更。未发生变更。此此时时，假假如如，说说明明误误差差也也较较大大，可可考考虑虑

26、由由限限制制器器实实施施较较强强的的限限制制作作用用，以以达达到到扭扭转转误误差差确确定定值值朝朝减减小小方方向向变变更更，并并快快速速减减小小误误差的确定值，限制器输出为差的确定值，限制器输出为32假假如如，说说明明尽尽管管误误差差朝朝确确定定值值增增大大方方向向变变更更，但但误误差差确确定定值值本本身身并并不不很很大大，可可考考虑虑限限制制器器实实施施一一般般的的限限制制作作用用，只只要要扭扭转转误误差差的的变变更更趋趋势势，使使其其朝朝误误差差确确定定值值减减小小方方向向变变更更，限制器输出为限制器输出为33（3）当）当、或者或者时时，说说明明误误差差的的确确定定值值朝朝减减小小的的方方

27、向向变变更更，或或者者已已经经达达到到平平衡衡状状态态。此此时时，可可考考虑虑实实行行保保持持限制器输出不变。限制器输出不变。（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。假假如如此此时时误误差差的的确确定定值值较较大大，即即，可考虑实施较强的限制作用，可考虑实施较强的限制作用34假如此时误差的确定值较小，即假如此时误差的确定值较小，即，可考虑实施较弱的限制作用，可考虑实施较弱的限制作用（5）当当时时，说说明明误误差差的的确确定定值值很很小小，此时加入积分，削减稳态误差。此时加入积分，削减稳态误差。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，为随意小的正实

28、数。，为随意小的正实数。35图中，图中，、区域，误差朝区域，误差朝确定值减小的方向变更。此时，可实行保持等确定值减小的方向变更。此时，可实行保持等待措施，相当于实施开环限制；待措施，相当于实施开环限制；、区域，误差确定值朝增大的方向变更。区域，误差确定值朝增大的方向变更。此时，可依据误差的大小分别实施较强或一般此时，可依据误差的大小分别实施较强或一般的限制作用，以抑制动态误差。的限制作用，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。接受专家接受专家PID设计限制器。在仿设计

29、限制器。在仿真过程中，真过程中，取取0.001，程序中的五条规则与限，程序中的五条规则与限制算法的五种状况相对应。制算法的五种状况相对应。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;4err

30、or_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

31、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;4end

32、404%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