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课程设计题目：专家PID控制系统仿真专家PID控制系统仿真摘要简单介绍了常规PID控制的优缺点和专家控制的基本原理，介绍了专家PID控制的系统结构，针对传递函数数学模型设计控制器。
基于MATLAB的simulink仿真软件进行应用实现，仿真和应用实现结果均表明，专家PID控制具有比常规PID更好的控制效果，且具有实现简单和专家规则容易获取的优点。
论文主要研究专家PID控制器的设计及应用，完成了以下工作：（1）介绍了专家PID控制和一般PID控制的原理。
（2）针对任务书给出的受控对象传递函数G(s)=523500/(s3+87.35s2+10470s) ，并且运用MATLAB实现了对两种PID控制器的设计及simulink仿真，且对两种PID控制器进行了比较。
（3）结果分析，总结。
仿真结果表明，专家PID控制采用多分段控制，其控制精度更好，且具有优越的抗扰性能。
关键词：专家PID，专家系统，MATLAB，simulink仿真Expert PID control system simulationAbstractThe advantages and disadvantages of conventional PID control and the basic principle of expert control are briefly introduced, and the structure of expert PID control system is introduced. Simulink simulation software based on MATLAB is implemented. The simulation and application results show that the expert PID control has better control effect than the conventional PID, and has the advantages of simple and easy to get.This paper mainly studies the design and application of the expert PID controller:(1) the principle of PID control and PID control is introduced in this paper.(2) the controlled object transfer function G (s) =523500/ (s3+87.35s2+10470s), and the use of MATLAB to achieve the design and Simulink simulation of two kinds of PID controller, and the comparison of two kinds of PID controller.(3) result analysis, summary.The simulation results show that the control accuracy of the expert PID control is better than that of the control.Key words:Expert PID , MA TLAB, expert system, Simulink, simulation目录摘要 (I)Abstract ..................................................................................................................................... I II 第一章引言 . (2)1.1 研究目的和意义 (2)1.2国内外研究现状和发展趋势 (3)第二章PID控制器综述 (3)2.1常规PID控制器概述 (3)2.2专家PID控制器 (4)第三章专家PID控制在MATLAB上的实现 (5)3.1简介 (5)3.2设计专家PID 控制器的实现方法 (5)3.3.专家PID控制器的S函数的M文件实现 (7)3.4专家PID控制器的simulink设计 (8)3.5专家PID控制和传统PID比较 (13)第四章结论 (14)4.1专家PID控制系统的优缺点及解决方案 (14)4.2最终陈述 (14)第一章引言近十几年，国内外对智能控制的理论研究和应用研究十分活跃，智能控制技术发展迅速，如专家控制、自适应控制、模糊控制等，现已成为工业过程控制的重要组成部分。
工业自动化中的专家系统控制技术工业自动化是现代工业的核心技术之一，随着科技的不断发展，工业自动化也逐渐进步和完善。
在自动化控制中，专家系统控制技术是其中一种比较先进和高效的技术。
本文将介绍专家系统控制技术在工业自动化中的应用和意义。
一、专家系统的概念专家系统（Expert System），是一种仿真人类专家决策思维过程的计算机系统，它可以利用先进的知识表示、推理、数据处理等技术，实现对一类特定问题领域的专业知识精细化处理和高效推理，以达到智能化决策、诊断、分析、设计和优化等目的。
二、专家系统控制技术的应用在工业生产中，专家系统控制技术应用广泛，他能够高效的解决生产厂家在生产过程中所遇到的问题，从而优化整个生产管理和流程。
以下是一些专家系统控制技术的应用：1. 故障诊断生产力受到故障的影响，特别的是对于对生产所关键的机械零部件出现故障，会导致生产受到较大的影响。
专家系统可以利用历史数据和专业的知识将故障问题尽快找到根本原因，从而进行有效的修复。
2. 智能决策在生产过程中，有一些决策如生产流程等是需要根据实际情况进行调整的，而专家系统控制技术可以帮助生产管理者进行智能决策。
通过离线算法方法，将机器学习方法与问题约束结合起来，帮助生产管理者根据历史数据进行瞬时决策调整。
3. 质效分析在工业生产中，质量控制和生产监控都是生产管理者十分关心的领域。
而专家系统可以实现对生产流程的实时监控、质效分析和监测，帮助生产管理者及时识别问题并对质量问题进行追踪分析。
三、专家系统应该如何设计专家系统的控制技术在工业自动化中是十分有效的。
但如何创建一个好的专家系统则是值得关注的问题。
1. 准确率方面专家系统虽然很智能，但它的准确率也非常重要。
在专家系统开发的过程中，需要严苛地根据实际生产情况，制定准确及实效性的规则。
2. 可靠性方面专家系统在应用过程中，需要达到极高的稳定性。
必须严格保证系统的安全和正确性，确保生产过程的流畅和准确。
1、什么是专家系统？它具有哪些特点和优点?1）专家系统：专家系统（Expert System）是一种在特定领域内具有专家水平解决问题能力的程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的经验方法来处理该领域的高水平难题。
也就是说，专家系统是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统，它应用人工智能技术和计算机技术，根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以便解决那些需要人类专家才能处理好的复杂问题。
简而言之，专家系统是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。
2）专家系统的特点：①启发性：专家系统要解决的问题，其结构往往是不合理的，其问题求解知识不仅包括理论知识和常识，而且包括专家本人的启发知识；②透明性：专家系统能够解释本身的推理过程和回答用户提出的问题，以便让用户了解推理过程，增大对专家系统的信任感；③灵活性：专家系统的灵活性是指它的扩展和丰富知识库的能力，以及改善非编程状态下的系统性能，即自学习能力；④符号操作：与常规程序进行数据处理和数字计算不同，专家系统强调符号处理和符号操作（运算），使用符号表示知识，用符号集合表示问题的概念。
一个符号是一串程序设计，并可用于表示现实世界中的概念；⑤ 不确定性推理：领域专家求解问题的方法大多数是经验性的，经验知识一般用于表示不精确性并存在一定概率的问问题。
止匕外，所提供的有关问题的信息往往是不确定的。
专家系统能够综合应用模糊和不确定的信息与知识，进行推理；⑥为解决特定领域的具体问题，除需要一些公共的常识，还需要大量与所研究领域问题密切相关的知识；⑦ 一般采用启发式的解题方法；⑧在解题过程中除了用演绎方法外，有时还要求助于归纳方法和抽象方法；⑨需处理问题的模糊性、不确定性和不完全性；⑩能对自身的工作过程进行推理（自推理或解释）；11采用基于知识的问题求解方法；12知识库与推理机分离。
第7章 专家控制系统教学内容首先介绍专家系统基本概念、特征、组成以及基本类型。
然后讲授专家控制系统的工作原理，最后介绍了建立专家系统的步骤和专家控制器。
教学重点1．专家系统的概念，即它是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。
将专家系统同控制理论和技术相结合，对系统进行控制形成专家控制系统。
把专家系统作为控制器称为专家控制器。
专家系统的基本组成，即由知识库、推理机、解释接口等组成。
2．专家控制系统工作原理。
专家系统设计的基本步骤：认识和阶段化概念，实现阶段，获取知识、构造外部知识库，调试和检验阶段。
教学难点专家系统的工作原理、知识的表示和获取，专家系统的设计。
教学要求1．了解专家系统的概念，理解专家控制系统、专家控制器的概念。
2．掌握专家系统的特征、组成和基本类型。
3．理解专家控制系统的工作原理。
知识的表示和获取。
4．掌握建立专家系统的步骤。
5．了解专家控制器的组成，专家控制器的设计原则。
7.1 概述7.1.1 专家系统的起源与发展人工智能科学家一直在致力于研制在某种意义上讲能够思维的计算机软件，用以“智能化”的处理、解决实际问题。
60年代，科学家们试图通过找到解决多种不同类型问题的通用方法来模拟思维的复杂过程，并将这些方法用于通用目的的程序中。
然而事实证明这种“通用”程序处理的问题类型越多，对任何个别问题的处理能力似乎就越差。
后来，科学家们认识到了问题的关键即计算机界程序解决问题的能力取决于它所具有的知识量的大小。
为使一个程序智能化，必须使其具有相关领域的大量高层知识。
为解决某具体专业领域问题的计算机程序系统的开发研制工作，导致专家系统这一新兴学科的兴起。
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，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识和经验，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。
1965年斯坦福大学开始建立用于分析化合物内部结构的DENTRAL系统，首先使用了“专家系统”的概念。
第三章 专家控制系统3.1 专家系统概述1.专家及专家系统的定义专家指的是那些对解决专门问题非常熟悉的人们，他们的这种专门技术通常源于丰富的经验以及他们处理问题的详细专业知识。
定义 3.1专家系统主要指的是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的经验方法来处理该领域的高水平难题。
也就是说，专家系统是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统，它应用人工智能技术和计算机技术，根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以便解决那些需要人类专家才能处理好的复杂问题。
简而言之，专家系统是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。
专家系统的基本功能取决于它所含有的知识，因此，有时也把专家系统称为基于知识的系统（knowledge-based system）。
3.1.1 专家系统的特点及优点1.专家系统的特点与常规的计算机程序系统比较，专家系统具有下列特点：（1）启发性 专家系统要解决的问题，其结构往往是不合理的，其问题求解（problem-solving）知识不仅包括理论知识和常识，而且包括专家本人的启发知识。
（2）透明性 专家系统能够解释本身的推理过程和回答用户提出的问题，以便让用户了解推理过程，增大对专家系统的信任感。
（3） 灵活性 专家系统的灵活性是指它的扩展和丰富知识库的能力，以及改善非编程状态下的系统性能，即自学习能力。
（4）符号操作。
与常规程序进行数据处理和数字计算不同，专家系统强调符号处理和符号操作（运算），使用符号表示知识，用符号集合表示问题的概念。
一个符号是一串程序设计，并可用于表示现实世界中的概念。
（5）不确定性推理。
领域专家求解问题的方法大多数是经验性的；经验知识一般用于表示不精确性并存在一定概率的问题。
此外，所提供的有关问题的信息往往是不确定的。
专家系统能够综合应用模糊和不确定的信息与知识，进行推理。
1、什么是专家系统？它具有哪些特点和优点？答：1)专家系统：专家系统(Expert System)是一种在特定领域内具有专家水平解决问题能力的程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的经验方法来处理该领域的高水平难题。
也就是说，专家系统是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统，它应用人工智能技术和计算机技术，根据某领域—个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以便解决那些需要人类专家才能处理好的复杂问题。
简而言之，专家系统是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。
2)专家系统的特点：①启发性：专家系统要解决的问题，其结构往往是不合理的，其问题求解知识不仅包括理论知识和常识，而且包括专家本人的启发知识；②透明性：专家系统能够解释本身的推理过程和回答用户提出的问题，以便让用户了解推理过程，增大对专家系统的信任感；③灵活性：专家系统的灵活性是指它的扩展和丰富知识库的能力，以及改善非编程状态下的系统性能，即自学习能力；④符号操作：与常规程序进行数据处理和数字计算不同，专家系统强调符号处理和符号操作（运算），使用符号表示知识，用符号集合表示问题的概念。
一个符号是一串程序设计，并可用于表示现实世界中的概念；⑤不确定性推理：领域专家求解问题的方法大多数是经验性的，经验知识一般用于表示不精确性并存在一定概率的问冋题。
此外，所提供的有关问题的信息往往是不确定的。
专家系统能够综合应用模糊和不确定的信息与知识，进行推理；⑥为解决特定领域的具体问题，除需要一些公共的常识，还需要大量与所研究领域问题密切相关的知识；⑦一般采用启发式的解题方法；⑧在解题过程中除了用演绎方法外，有时还要求助于归纳方法和抽象方法；⑨需处理问题的模糊性、不确定性和不完全性；⑩能对自身的工作过程进行推理(自推理或解释)；11 采用基于知识的问题求解方法；12 知识库与推理机分离。
3)专家系统的优点：①专家系统能够高效率、准确、周到、迅速和不知疲倦地进行工作；②专家系统解决实际问题时不受周围环境的景响，也不可能遗漏和忘记；③可以使专家的专长不受时间和空间的限制，以便推广珍贵和稀缺的专家知识与经验；④专家系统能促进各领堿的发展，它使各领域专家的专业知识和经验得到总结和精炼，能够广泛有力地传播专家的知识、经验和能力；⑤专家系统能汇集多领域专家的知识和经验以及他们协作解决重大问题的能力，它拥有更渊博的知识、更丰富的经验和更强的工作能力；⑥军事专家系统的水平是一个国家国防现代化的重要标志之一；⑦专家系统的研制和应用，具有巨大的经济效益和社会效益；⑧研究专家系统能够促进整个科学技术的发展。
专家系统对人工智能各个领域的发展起了很大的促进作用，并将对科技、经济、国防、教育、社会和人民生活产生极其深远的影响。
2、专家系统由哪些部分构成？各部分的作用为何？答：1)专家系统的构成：专家系统通常由人机交互界面、知识库、推理机、解释器、综合数据库、知识获取等6个部分构成。
结构简化图如图2-1所示:图2-1 专家系统结构简化图2)各部分的作用：①知识库：是问题求解所需要的领域知识的集合，包括基本事实、规则和其他有关信息。
知识的表示形式可以是多种多样的，包括框架、规则、语义网络等等。
知识库中的知识源于领域专家，是决定专家系统能力的关键，即知识库中知识的质量和数量决定着专家系统的质量水平。
知识库是专家系统的核心组成部分。
一般来说，专家系统中的知识库与专家系统程序是相互独立的，用户可以通过改变、完善知识库中的知识内容来提高专家系统的性能。
②推理机：是实施问题求解的核心执行机构，它实际上是对知识进行解释的程序，根据知识的语义，对按一定策略找到的知识进行解释执行，并把结果记录到动态库的适当空间中。
推理机的程序与知识库的具体内容无关，即推理机和知识库是分离的，这是专家系统的重要特征。
它的优点是对知识库的修改无须改动推理机，但是纯粹的形式推理会降低问题求解的效率。
将推理机和知识库相结合也不失为一种可选方法。
③知识获取：负责建立、修改和扩充知识库，是专家系统中把问题求解的各种专门知识从人类专家的头脑中或其他知识源那里转换到知识库中的一个重要机构。
知识获取可以是手工的，也可以采用半自动知识获取方法或自动知识获取方法。
④人机界面：是系统与用户进行交流时的界面。
通过该界面，用户输入基本信息、回答系统提出的相关问题。
系统输出推理结果及相关的解释也是通过人机交互界面。
⑤综合数据库：也称为动态库或工作存储器，是反映当前问题求解状态的集合，用于存放系统运行过程中所产生的所有信息，以及所需要的原始数据，包括用户输入的信息、推理的中间结果、推理过程的记录等。
综合数据库中由各种事实、命题和关系组成的状态，既是推理机选用知识的依据，也是解释机制获得推理路径的来源。
⑥解释器：用于对求解过程做出说明，并回答用户的提问。
两个最基本的问题是“why”和“how”。
解释机制涉及程序的透明性，它让用户理解程序正在做什么和为什么这样做，向用户提供了关于系统的一个认识窗口。
在很多情况下，解释机制是非常重要的。
为了回答“为什么”得到某个结论的询问，系统通常需要反向跟踪动态库中保存的推理路径，并把它翻译成用户能接受的自然语言表达方式。
3、专家系统程序与一般的问题求解软件程序有何不同？开发专家系统与开发其他软件的任务有何不同？答：1)专家系统程序与一般的问题求解软件程序的区别:①一般问题程序把问题求解的知识隐含地编入程序，而专家系统则将知识与运用知识的过程即推理机分离。
(使专家系统具有更大的灵活性，使系统易于修改)②传统程序是依据某一确定的算法和数据结构来求解某一确定的问题，而专家系统是依据知识和推理来求解问题，这是专家系统与传统程序的最大区别。
传统程序=数据结构+算法专家系统=知识+推理③从处理对象来看，传统程序主要是面向数值计算和数据处理，而专家系统则面向符号处理。
传统程序处理的数据多是精确的，对数据的检索是基于模式的布尔匹配，而专家系统处理的数据和知识大多是不精确的、模糊的，知识的模式匹配也多是不精确的。
④传统程序一般不具有解释功能，而专家系统一般具有解释机构，可对自己的行为作出解释。
⑤传统程序因为是根据算法来求解问题，所以每次都能产生正确的答案，而专家系统则像人类专家那样工作，通常产生正确的答案，但有时也会产生错误的答案(这也是专家系统存在的问题之一)专家系统有能力从错误中吸取教训，改进对某一工作的问题求解能力。
⑥从系统的体系结构来看，传统程序与专家系统具有不同的结构。
2)开发专家系统与开发其他软件的任务的区别：一般应用程序把知识组织为两级：数据级和程序级；大多数专家系统则将知识组织成三级；数据、知识库和控制。
在数据级上，是已经解决了的特定问题的说明性知识以及需要求解问题的有关事件的当前状态。
在知识库级是专家系统的专门知识与经验。
是否拥有大量知识是专家系统成功与否的关键，因而知识表示就成为设计专家系统的关键。
在控制程序级，根据既定的控制策略和所求解问题的性质来决定应用知识库中的哪些知识。
4、什么叫做专家控制和专家控制系统？答：1)专家控制：专家控制(Expert Control)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，是将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，仿效专家的经验，实现对系统的控制。
专家控制试图在传统控制的基础上“加入”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进行推理输出，实现对实际对象的控制。
2)专家控制系统：专家控制系统(Expert Control System，ECS)主要指的是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的经验方法来处理该领域的高水平难题。
也就是说，专家系统是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统，它应用人工智能技术和计算机技术，根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以便解决那些需要人类专家才能处理好的复杂问题。
简而言之，专家系统是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。
5、专家控制系统有哪几种类型？它们有何区别？答：1)专家控制系统的分类：①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，通常由几十条产生式规则构成，以便于增删和修改。
如图5-1所示，图5-1 直接型专家控制器②间接型专家控制器：间接型专家控制器用于和常规控制器相结合，组成对生产过程或被控对象进行间接控制的智能控制系统。
具有模拟（或延伸，扩展）控制工程师智能的功能。
该控制器能够实现优化适应、协调、组织等高层决策的智能控制。
如图5-2所示。
按照高层决策功能的性质，间接型专家控制器可分为以下几种类型：a.优化型专家控制器：是基于最优控制专家的知识和经验的总结和运用。
通过设置整定值、优化控制参数或控制器，实现控制器的静态或动态优化。
b.适应型专家控制器：是基于自适应控制专家的知识和经验的总结和运用。
根据现场运行状态和测试数据，相应地调整控制规律，校正控制参数，修改整定值或控制器，适应生产过程、对象特性或环境条件的漂移和变化。
c.协调型专家控制器：是基于协调控制专家和调度工程师的知识和经验的总结和运用。
用以协调局部控制器或各子控制系统的运行，实现大系统的全局稳定和优化。
d.组织型专家控制器：是基于控制工程的组织管理专家或总设计师的知识和经验的总结和运用。
用以组织各种常规控制器，根据控制任务的目标和要求，构成所需要的控制系统。
e.间接型专家控制器:可以在线或离线运行。
通常，优化型、适应型需要在线、实时、联机运行。
协调型、组织型可以离线、非实时运行，作为相应的计算机辅助系统。
图5-2 间接型专家控制器2)区别：主要区别是在知识的设计目标上。
①直接专家控制系统的基于知识控制器直接模仿人类专家或人类的认知能力，并为控制器设计两种规则：训练规则和机器规则。
训练规则由一系列产生式规则组成，它们把控制误差直接映射为受控对象的作用。
机器规则是由积累和学习人类专家或师傅的控制经验得到的动态规则，并用于实现机器的学习过程。
②间接专家系统中，智能(基于知识)控制器用于调整常规控制器的参数，监控受控对象的某些特征，如超调、上升时间和稳定时间等，然后拟定校正PID 参数的规则，以保证控制系统处于稳定的和高质量的运行状态。
