第3章专家系统控制

26
专家控制的理想目标（续）
（6）控制性能方面的问题能够得到诊断，控制闭 环中的单元，包括传感器和执行机构等的故障可 以得到检测；
（7）用户可以访问系统内部的信息，并进行交互，例 如对象或过程的动态特性，控制性能的统计分析等。
专家控制的上述目标复盖了传统控制在一定程度 上可以达到的功能，但又超过了传统控制技术。
第3章专家控制
专家控制是智能控制的一个重要分支，又 称专家智能控制。
所谓专家控制，是把专家系统的理论和技 术同控制理论、方法与技术相结合，在未 知环境下，仿效专家的智能，实现对系统 的控制。
基于专家控制的原理所设计的系统或控制 器，分别称为专家控制系统或专家控制器。
1
3.1 专家系统概述 3.1.1 什么是专家系统
40
3.3.1 专家控制器的结构
专家控制器通 常由知识库 （KB）、控 制规则集 （CRS）、推 理机（IE）和 特征识别与信 息处理（FR＆ IP）四部分组 成。
41
知识库：
用于存放工业过程控制的领域知识，由经验数据库 （DB）和学习与适应装置（LA）组成。
经验数据库主要存储经验和事实集；
控制专家系统的任务是自适应地管理一个 受控对象或客体的全部行为，使之满足预 定要求。
控制专家系统的特点是，能够解释当前情 况，预测未来发生的情况、可能发生的问 题及其原因，不断修正计划并控制计划的 执行。所以说，控制专家系统具有解释、 预测、诊断、规划和执行等多种功能。
21
（7）监视型专家系统
而专家控制则要求能对控制动作进行独立 的、自动的决策，
它的功能一定要具有连续的可靠性，较强 的抗干扰性。
29
与一般专家系统的差别
（2）在控制方式上：
通常的专家系统一般处于离线工作方式， 而专家控制则要求在线地获取动态反馈信
息，联机完成控制， 它的功能一定要具有使用的灵活性，符合
要求的实时性。
11
（2）能进行有效的推理
专家系统具有启发性，能够运用人类 专家的经验和知识进行启发式的搜索、 试探性推理、不精确推理或不完全推 理。
12
（3）专家系统的透明性和灵活性
透明性是指它能够在求解问题时，不仅能得到 正确的解答，还能知道给出该解答的依据；
灵活性表现在绝大多数专家系统中都采用了知 识库与推理机相分离的构造原则，彼此相互独 立，使得知识的更新和扩充比较灵活方便。
39
3.3 专家控制器
专家控制器实际上是由专家系统构成的控 制器。具有专家控制器的控制系统称为直 接专家控制系统。
专家控制器通过对过程变量和控制变量的 观测，分析，根据已具有的知识给出控制 信号。
专家控制一般用于具有高度非线性或难于 用数学解析式描述的对象或过程的控制， 因为在这些埸合传统控制器设计很难适用。
参数估计和控制器设计主要由各种算法实现，统称 为自校正算法。
33
传统控制技术中的启发式控制逻辑——
（1）控制算法的参数整定
对于不精确模型的PID控制算法，参数整定常常 根据临界增盖（Kc）和临界周期（tc）来确定Kp， Ki，Kd的经验取值。
34
传统控制技术中的启发式控制逻辑——
（2）控制算法的参数优化
如果由于参数估计不当造成系统不稳定，则需 启发一种Kc－tc估计器重新估计参数。
最后如果发现自校正控制已收敛到最小方差控 制，则转入控制状态。
37
传统控制技术中的启发式控制逻辑——
（5）未建模动态的处理
在PID控制中，系统元件的非线性并未考虑。
当系统启停或设定值跳变时，在积分项的作用下 系统输出将产生很大超调，为此需要进行逻辑判 断才能防止，即若误差过大，则取消积分项。
13
（4）具有一定的复杂性与难度
人类的知识，特别是经验性知识，大多是 不精确、不完全或模糊的，这就为知识的 表示和利用带来了一定的困难。
另外，专家系统所求解的问题都是结构不 良且难度较大的问题，不存在确定的求解 方法和求解路径，这就从客观上造成了建 造专家系统的困难性和复杂性。
14
2. 专家系统的类型
这是用于对某些行为进行监视并在必 要时进行干预的专家系统。
例如当情况异常时发出警报，可用于 核电站的安全监视、机场监视、森林 监视、疾病监视、防空监视等。
22
3.2 专家控制的基本原理
专家控制是指将专家系统的规范和运 行机制与传统控制理论和技术相结合 而成的实时控制系统。
23
3.2.1 专家控制的功能目标
10
（1）具有专家水平的专门知识
人类专家之所以能称为专家，是由于他掌握了 某一领域的专门知识，使其在处理问题时比别 人技高一筹。
一个专家系统为了能像人类专家那样工作，必 须表现专家的技能和高度的技巧以及有足够的 鲁棒性。
系统的鲁棒性是指不管数据是正确还是病态不 正确的；它都能够正确地处理，或者得到正确 的结论，或者指出错误。
30
3.2.2 控制作用的实现
专家控制所实现的控制作用是控制规律的解析 算法与各种启发式控制逻辑的有机结合。
传统控制理论和技术的成就和特长在于它针对 精确描述的解析模型进行精确的数值求解。
经典的PID控制就是一个精确的线性方程所表 示的算法 :
u(t)

K
p
e(t)
1 Ti
t
e( )d
0
Td
d dt
e(t)
31
高级控制形态的参数自适应控制系统 如图：
参数估计部分对受控模型的动态参数进行递 推估计;
控制器设计部分根据受控对象参数的变化对 控制器参数进行相应的调节。
32
当受控对象的动力学特性由于内部不确定性或外部 环境干扰不确定性而发生变化时，自适应控制能自 动地校正控制作用。
（1）诊断型专家系统 （2）解释型专家系统 （3）预测型专家系统 （4）设计型专家系统 （5）规划型专家系统 （6）控制专家系统 （7）监视型专家系统
15
（1）诊断型专家系统
这是根据对症状的观察与分析，推出故障 的原因及排除故障方案的一类系统。
其应用领域包括医疗、电子、机械、农业、 经济等，如诊断细菌感染并提供治疗方案 的 MYCIN 专家系统，IBM公司的计算机故 障论断系统DART/DASD。
控制器参数的校正和优化 ,就是通过对系 统误差的模式识别，分别识别出过程响应曲线 的超调量、阻尼比和衰减振荡周期，然后根据 事先设定好的超调量，阻尼等约束条件，在线 校正Kp，Ki，Kd 这3个参数，直至过程的响 应曲线为某种指标下的最佳响应曲线。
35
传统控制技术中的启发式控制逻辑——
（3）不同算法的选择
从本质上讲，专家系统是一类包含着知识和推理的 智能计算机程序，能够利用人类专家的知识和解决 问题的方法来处理该领域的问题。
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、指导和控制等。
专家系统和传统的计算机“应用程序”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。
早期的专家系统完全依靠领域专家和知识工程 师，把领域内的知识总结归纳出来，规范化后 送入知识库。
目前，一些专家系统已经具有了自动知识获取 的功能。
9
3.1.3 专家系统的特征及类型
1. 专家系统的基本特征
（1）具有专家水平的专门知识 （2）能进行有效的推理 （3）专家系统的透明性和灵活性 （4）具有一定的复杂性与难度
4
3.1.2 专家系统的基本组成
专家系统由知识库、推理机、综合数据库、解 释接口和知识获取等五部分组成。
5
（1）知识库
知识库是知识的存储器，用于存储领域专家 的经验性知识以及有关的事实、一般常识等。
（2）推理机
推理机是专家系统的“思维”机构，实际上是求解 问题的计算机软件系统。 其主要功能是协调、控制系统，决定如何选用知识 库中的有关知识，对用户提供的证据进行推理，求 得问题的解答或证明某个结论的正确性。
2
专家系统的发展
第一代专家系统（1972～1981年）只利用人 类专家的启发式知识，即只利用浅层表达方式 和推理方法。
浅层知识一般表示成产生式规则的形式，即如 果（前提>，那么<结论>。
这种形式的浅层知识之所以具有启发性，是因 为它从观测到的数据（前提）联想到中间事实 或最终结论，
这种逻辑推理过程短、效率高。
7
（4）解释接口
解释接口又称人一机界面。
把用户输入的信息转换成系统内规范化的表示 形式。
把系统输出的信息转换成用户易于理解的外部 表示形式显示给用户。
另外，能对自己的行为做出解释，可以帮助系 统建造者发现知识库及推理机中的错误，有助 于对系统的调试。
8
（5）知识获取
知识获取是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。
27
专家控制的理想目标（续）
专家控制试图在控制闭环中“加入”一个 富有经验的控制工程师，可对控制、辨识、 测量、监视、诊断等方面的各种方法和算 法进行选择，而且透明地面向系统外部的 用户。
28
与一般专家系统的差别
（1）在控制功能上：
通常的专家系统只完成专门领域问题的咨 询功能，它的推理结果一般用于辅助用户 的决策；
16
（2）解释型专家系统
根据表层信息解释深层结构或内部可 能情况的一类专家系统，如卫星云图 分析、地质结构及化学结构分析等。
17
（3）预测型专家系统
根据过去和现在观测到的数据预测未 来情况的系统。
其应用领域有气象预报、人口预测、 农业产量估计、水文、经济、军事形 势的预测等，如台风路径预报专家系 统TYT。
专家控制的功能目标是模拟、延伸、扩展“控 制专家”的思想、策略和方法。