第10章 专家控制系统设计.ppt

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1、第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 1第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 所谓的专家控制，是指将专家系统的理所谓的专家控制，是指将专家系统的理论和技术与控制理论方法和技术相结合，仿论和技术与控制理论方法和技术相结合，仿效专家的智能，实现对较为复杂问题的控制。效专家的智能，实现对较为复杂问题的控制。2第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 10.1 专家控制系统的知识表示专家控制系统的知识表示 知知识识表表示示就就是是知知识识的的形形式式化化，就就是是研研究究用用机机器器表表示示知知识识的的可可行行的的、有有效效的的

2、、通通用用的的原原则则和和方方法法。目目前前常常用用的的知知识识表表示示方方法法有有：语语义义网网络络法法、产产生生式式规规则则、框框架架表表示示法法、与与或或图图法法、过过程程表表示示法、黑板结构、法、黑板结构、Petri网络法、神经网络等。网络法、神经网络等。3第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 由由规规则则形形式式表表示示知知识识构构成成的的知知识识库库称称为为规规则则库库，由由规规则则库库构构成成的的系系统统称称为为产产生生式式系系统统。因因此此，产产生生式规则表示法也常被称为产生式表示法。式规则表示法也常被称为产生式表示法。通常，产生式系统包含通常，产生式系统包含3个基本

3、组成部分。个基本组成部分。10.1.1 产生规则表示法产生规则表示法 4第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 1规则库规则库 该库存放了若干规则，每条产生式规则是一个以该库存放了若干规则，每条产生式规则是一个以“如果满足这个条件，就应当采取这个操作如果满足这个条件，就应当采取这个操作”形式形式表示的语句，各条规则之间相互作用不大。产生式表示的语句，各条规则之间相互作用不大。产生式规则的一般形式为规则的一般形式为“条件条件行动行动”或或“前提前提结论结论”，即用，即用“IF THEN”语句表示一个知识项。语句表示一个知识项。在产生式系统的执行过程中，如果一条规则的条在产生式系统的执行过

4、程中，如果一条规则的条件部分都被满足，那么，这条规则就可以被应用，件部分都被满足，那么，这条规则就可以被应用，即系统的控制部分可以执行规则的操作部分。即系统的控制部分可以执行规则的操作部分。5第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 2数据库数据库 数据库是产生式规则的中心，每个产生式的左数据库是产生式规则的中心，每个产生式的左边表示在启用这一规则之前数据库内必须准备好边表示在启用这一规则之前数据库内必须准备好的条件。执行产生式规则的操作会引起数据库的的条件。执行产生式规则的操作会引起数据库的变化，这就使得其它产生式规则的条件可能被满变化，这就使得其它产生式规则的条件可能被满足。足。6第

5、第10章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 3控制器控制器其作用是说明下一步应该选用什么规则，也其作用是说明下一步应该选用什么规则，也就是如何运用规则。通常从选择规则到执行就是如何运用规则。通常从选择规则到执行规则分成三步：匹配、冲突解决和操作。规则分成三步：匹配、冲突解决和操作。7第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 (1)匹配匹配 把数据库和规则的条件部分相匹配。如果两把数据库和规则的条件部分相匹配。如果两者完全匹配，则把这条规则称为触发规则者完全匹配，则把这条规则称为触发规则 当按规则当按规则的操作部分去执行时，把这条规则称为被启用规则。的操作部分去执行时，把这条规则称为被启

6、用规则。被触发的规则不一定总是被启用的规则。因为可能被触发的规则不一定总是被启用的规则。因为可能同时有几条规则的条件部分被满足。同时有几条规则的条件部分被满足。(2)冲突解决冲突解决 当有一个以上的规则条件部分和当前数当有一个以上的规则条件部分和当前数据库相匹配时，就需要决定首先使用哪一规则，这据库相匹配时，就需要决定首先使用哪一规则，这称为冲突解决。称为冲突解决。(3)操作操作 操作就是执行规则的操作部分经过操作以后，操作就是执行规则的操作部分经过操作以后，当前数据库将被修改。然后，其他的规则有可能被当前数据库将被修改。然后，其他的规则有可能被使用。使用。8第第10章章 专家控制系统设计专家

7、控制系统设计 规则式表示法的特点：规则式表示法的特点：(1)自然性自然性 与人的思维相似，容易理解，便于人与人的思维相似，容易理解，便于人机交换信息。机交换信息。(2)独立性独立性 每一条规则为一基本知识单元，规则每一条规则为一基本知识单元，规则之间不互相调用、修改，且增删方便，知识库容之间不互相调用、修改，且增删方便，知识库容易扩充和完善。易扩充和完善。(3)一致性一致性 固定格式，易于设计、控制。固定格式，易于设计、控制。(4)有效性有效性 可表示精确和不精确知识。可表示精确和不精确知识。9第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 不足之处：不足之处：(1)效率不高效率不高 由于规则

8、库每条规则的独立性，当由于规则库每条规则的独立性，当知识库比较大时，搜索效率变低。在求解复杂问知识库比较大时，搜索效率变低。在求解复杂问题时容易引起题时容易引起“组合爆炸组合爆炸”。(2)能力局限能力局限 对于一些结构性知识，规则式表示对于一些结构性知识，规则式表示效率就很低。效率就很低。10第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 10.1.2 语义网络表示法语义网络表示法 语义网络是通过概念及其相互间语义关系，图解语义网络是通过概念及其相互间语义关系，图解表示知识网络。其中，结点表示事物或事件的概表示知识网络。其中，结点表示事物或事件的概念，结点间用弧线连接，弧上有标记说明语义关念，

9、结点间用弧线连接，弧上有标记说明语义关系。另外，结点可以是变量，通过增加中间结点系。另外，结点可以是变量，通过增加中间结点可以使语义网络表示多元关系。基于语义网络的可以使语义网络表示多元关系。基于语义网络的最简单的推理是通过继承关系得到结点事物的属最简单的推理是通过继承关系得到结点事物的属性值。性值。语义网络的推理过程主要有两种：一种是继承，语义网络的推理过程主要有两种：一种是继承，另外一种是匹配。另外一种是匹配。11第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 语义网络表示方法的特点：语义网络表示方法的特点：(1)结构性结构性 能把各种事物有机联系起来，比较正能把各种事物有机联系起来，比较

10、正确地反映了人类对客观事物的本质认识。确地反映了人类对客观事物的本质认识。(2)联想性联想性 作为人类联想记忆模型，它着重于表作为人类联想记忆模型，它着重于表达知识的语义关系，体现了联想思维过程。达知识的语义关系，体现了联想思维过程。(3)信息共享信息共享 下层节点可以共享上层节点的某些下层节点可以共享上层节点的某些属性。属性。(4)自然性自然性 它是一个有向图，直观地描述了事物它是一个有向图，直观地描述了事物之间的关系，符合人的习惯。之间的关系，符合人的习惯。12第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 缺点：缺点：(1)缺乏推理的严格性，在推理过程中，必须有缺乏推理的严格性，在推理过

11、程中，必须有语义联系的意义。对对象性质的可继承性必须有语义联系的意义。对对象性质的可继承性必须有非常清晰的认识，否则将会引出错误的结论。非常清晰的认识，否则将会引出错误的结论。(2)不便于表达深层知识，如与时间有关的动态不便于表达深层知识，如与时间有关的动态知识等。知识等。13第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 人人们们对对现现实实世世界界中中各各种种事事物物的的认认识识都都是是以以某某种种类类似似于于框框架架的的结结构构存存储储在在人人脑脑中中的的，当当面面临临新新事事物物时时，就就从从脑脑中中取取出出一一个个近近似似的的框框架架来来进进行行匹匹配配，如如能能匹匹配配成成功功，就

12、就得得到到了了对对此此事事物物的的认认识识；如如果果匹匹配配不不成成功功，则则寻寻找找原原因因，重重新新取取一一个个更更能能与与新新事事物物匹匹配配的的框框架架，或或者者根根据据实实际际情情况况对对最最相相近近的的框架进行修改、补充，从而形成新的认识。框架进行修改、补充，从而形成新的认识。10.1.3 框架表示法框架表示法 14第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 框框架架表表示示法法也也是是一一种种结结构构化化知知识识表表示示法法，它它适适合合描描述述比比较较复复杂杂的的状状态态。框框架架的的顶顶层层是是框框架架名名，用用以以指指称称某某个个概概念念、对对象象或或事事件件，其其下下

13、层层由由若若干干个个称称为为槽槽的的结结构构组组成成，每每个个槽槽都都由由槽槽名名和和槽槽值值这这两两部部分分组组成成。对对于于一一个个比比较较复复杂杂一一些些的的框框架架，槽槽还还可可以以分分为为若若干干侧侧面面，每每个个侧侧面面由由侧侧面面名名和和侧侧面面值值组组成成无无论论是是槽槽值值或或者者侧侧面面值值，一一般般都都事事先先规规定定了了赋赋值值的的约约束束条条件件，只只有有满满足足条条件件的的值值才才能能填填进进去。去。15第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 框架的一般形式是：框架的一般形式是：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）16第第10章章 专

14、家控制系统设计专家控制系统设计 框架表示法有以下特点：框架表示法有以下特点：(1)结构性结构性 它善于表达结构性知识，它善于表达结构性知识，(2)统一性统一性 框架把各种类型的知识用相同的数据结构框架把各种类型的知识用相同的数据结构表示，所以框架式可以适合作为知识的统一表示模表示，所以框架式可以适合作为知识的统一表示模型。型。(3)经济性经济性 由于采用层次知识表示，因此下层框架可由于采用层次知识表示，因此下层框架可以继承上层框架的槽性，而且可以补充、修改，减以继承上层框架的槽性，而且可以补充、修改，减少了知识的冗余，具有很好的经济性。少了知识的冗余，具有很好的经济性。(4)自然性框架表示体现

15、了人们在观察事物时的思维自然性框架表示体现了人们在观察事物时的思维活动，自然给出一个简洁的构造，学者很好理解掌活动，自然给出一个简洁的构造，学者很好理解掌握。握。17第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 其缺点如下：其缺点如下：(1)不善于表达过程性知识，因此，人们往不善于表达过程性知识，因此，人们往往与产生式表示法结合起来使用，使其起往与产生式表示法结合起来使用，使其起到互补的效果。到互补的效果。(2)由于推理方法不固定，泛用性高，在建由于推理方法不固定，泛用性高，在建立知识库等方面给用户造成较大负担。立知识库等方面给用户造成较大负担。18第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统

16、设计 状态空间是利用状态变量和操作符号，表状态空间是利用状态变量和操作符号，表示系统或问题的有关知识的符号体系，通常可示系统或问题的有关知识的符号体系，通常可以用三元组来表示：以用三元组来表示：其中，其中，Q s表示初始状态，表示初始状态，Qg表示目标状态，表示目标状态，F表示操作。表示操作。10.1.4 状态空间表示法状态空间表示法 19第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 10.1.5 黑板模型结构黑板模型结构 黑板模型是通过抽取口语理解系统黑板模型是通过抽取口语理解系统HEARSAY-的特的特点而形成的。这是一种功能较强的问题求解模型，能处点而形成的。这是一种功能较强的问题求解

17、模型，能处理大量不同表达的知识，并能提供组织、协调、应用这理大量不同表达的知识，并能提供组织、协调、应用这些知识的手段。这种模型采用机遇推理模型，把求解过些知识的手段。这种模型采用机遇推理模型，把求解过程看作是一个产生部分解并由部分解组合出一个满意的程看作是一个产生部分解并由部分解组合出一个满意的解的过程。黑板模型的主要优点在于它控制上灵活性，解的过程。黑板模型的主要优点在于它控制上灵活性，并能综合不同的知识表达和推理技术。黑板模型通常由并能综合不同的知识表达和推理技术。黑板模型通常由三个主要部分组成，如图三个主要部分组成，如图10.1所示。所示。20第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统

18、设计 黑板结构知识源知识源知识源控制单元图10.1 黑板模型结构21第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 1黑板数据结构黑板数据结构 它它是是全全局局性性的的数数据据结结构构。用用于于组组织织问问题题求求解解数数据据，处处理理知知识识源源之之间间的的通通信信。黑黑板板结结构构是是一一个个全全局局数数据据库库，即即各各个个知知识识源源都都可可以以访访问问的的公公共共关关系系数数据据库库它它存存放放、记记录录了了包包括括事事实实、证证据据、假假设设和和目目标标所所说说明明的的静静态态、动动态态数数据据。这这些些数数据据分分别别为为不不同同的的知知识识源源所所关关注注通通过过知知识识源源的

19、的访访问问，整整个个数数据据库库起起到到在在各各个个知知识识源源之之间间传传递递信信息息的的作作用用；通通过过知知识识源源的的推推理理，数数据据信信息息得得到到增增删删、修修改改、更更新新。黑黑板板被被划划分分成成若若干干分分层层结结构构的的黑黑板板区区，数数据据的的实实体体及及其其属属性性被被组组织织到到黑黑板板的的各各个个层层次次中中某某一一层层上上实实体体的的有有关关信信息息（实实体体属属性性）作作为为一一组组知知识识源源的的输输入入反反馈馈回回来来，这些知识源为这一层或其他层提供新的信息。这些知识源为这一层或其他层提供新的信息。22第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 2知识

20、源知识源 问题求解所需的领域知识划分为知识源。知识源可具问题求解所需的领域知识划分为知识源。知识源可具有有“条件条件动作动作”的形式。知识源是与具体子任务有关的的形式。知识源是与具体子任务有关的一些知识模块，可以表示成过程、规则集或逻辑断言的一些知识模块，可以表示成过程、规则集或逻辑断言的形式。知识源可以视为一个大规则，这个大规则的条件形式。知识源可以视为一个大规则，这个大规则的条件部分称为知识源先决条件，动作部分称为知识源体。知部分称为知识源先决条件，动作部分称为知识源体。知识源先决条件一旦与黑板状态匹配，该知识源便被激活，识源先决条件一旦与黑板状态匹配，该知识源便被激活，知识源体的执行将导

21、致黑板状态的变化。知识源之间不知识源体的执行将导致黑板状态的变化。知识源之间不能直接通信，它们之间的信息交换唯有通过黑板才能进能直接通信，它们之间的信息交换唯有通过黑板才能进行。行。23第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 3控制单元控制单元 由黑板监督程序和调度程序组成，其作用就是决定下由黑板监督程序和调度程序组成，其作用就是决定下一步需激活的知识源或需处理的黑板信息。当一个知识一步需激活的知识源或需处理的黑板信息。当一个知识源所感兴趣的黑板变化类型出现时，它的条件部分即被源所感兴趣的黑板变化类型出现时，它的条件部分即被放入调度队列中。当一个知识源的条件部分成立时，它放入调度队列中

22、。当一个知识源的条件部分成立时，它的动作部分即被放入调度队列中。而调度队列中的各个的动作部分即被放入调度队列中。而调度队列中的各个活动的执行次序由调度程序根据调度原则计算出的优先活动的执行次序由调度程序根据调度原则计算出的优先级确定。优先级可根据竞争原则、正确性原则、重要性级确定。优先级可根据竞争原则、正确性原则、重要性原则、功效原则、目标满足性原则等原则来确定。因此，原则、功效原则、目标满足性原则等原则来确定。因此，在问题求解的每一步，都可能是自底向上的综合、自顶在问题求解的每一步，都可能是自底向上的综合、自顶向下的目标生成或假说评价等活动。这种随机地利用最向下的目标生成或假说评价等活动。这

23、种随机地利用最好的数据与最有希望的方法的问题求解策略称为机遇问好的数据与最有希望的方法的问题求解策略称为机遇问题求解。题求解。24第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 10.1.6 与或图表示法与或图表示法1与或图概念与或图概念 与或图是一种超图，图中用几条超弧线连接一个父节与或图是一种超图，图中用几条超弧线连接一个父节点和它的一组后继节点，加到一个节点上的点和它的一组后继节点，加到一个节点上的“与与”或或“或或”标记取决于该节点对其父节点的关系。例如，设问标记取决于该节点对其父节点的关系。例如，设问题题A既可由求解既可由求解B和和C来解决，也可由求解问题来解决，也可由求解问题D、E

24、和和F，或者单独求解问题，或者单独求解问题G来解决。这一关系，我们可以用图来解决。这一关系，我们可以用图10.2来表示。来表示。25第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 ABCDEFG图10.2 问题A的子问题替换26第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 (1)分解分解“与与”树树 将复杂的大问题分解成一组简单的小问题，将将复杂的大问题分解成一组简单的小问题，将总问题分解为子问题。若所有子问题都解决了，总问题分解为子问题。若所有子问题都解决了，则总问题也解决了，这是则总问题也解决了，这是“与与”的逻辑关系。而的逻辑关系。而子问题又可以分为子子问题，如此类推可以形成子问题又可

25、以分为子子问题，如此类推可以形成问题分解的树图，称为问题分解的树图，称为“与与”树，如图树，如图10.3所示。所示。27第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 ADE图图10.3“与与”树问题的分解树问题的分解BFGC总问题总问题子问题子问题子子问题子子问题28第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 (2)变换变换“或或”树树 将较难的问题变换为较易的等价问题。若一个将较难的问题变换为较易的等价问题。若一个难问题可以等价变换为几个容易问题，则任何一难问题可以等价变换为几个容易问题，则任何一个容易问题解决了，也就解决了原有的难问题，个容易问题解决了，也就解决了原有的难问题，这是这

26、是“或或”的逻辑关系。而这些容易问题还有可的逻辑关系。而这些容易问题还有可能变换为若干更容易的问题，如此下去，可以形能变换为若干更容易的问题，如此下去，可以形成问题变换的成问题变换的“或或”树。如图树。如图10.4所示。所示。29第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 2与或图构成规则与或图构成规则 先定义一个概念：本原问题先定义一个概念：本原问题可以直接解答的问题可以直接解答的问题叫本原问题。叫本原问题。与或图的构成规则如下：与或图的构成规则如下：(1)与或图中的每个节点代表一个要解决的单一向题或与或图中的每个节点代表一个要解决的单一向题或问题集合，图中的起始节点对应总问题。问题集合

27、，图中的起始节点对应总问题。(2)对应于本原问题的节点为叶节点，它没有后代。对应于本原问题的节点为叶节点，它没有后代。(3)对于把算符（与操作对于把算符（与操作/或操作）应用于问题或操作）应用于问题A的每种的每种可能情况，都把问题变换为个子问题集合，有向弧线自可能情况，都把问题变换为个子问题集合，有向弧线自A指向后继节点，表示所求得的子问题集合。指向后继节点，表示所求得的子问题集合。30第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 ADE图图10.4“或或”树问题的变换树问题的变换BFGC总问题总问题等价问题等价问题等价问题等价问题31第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 10.1

28、.7 综合知识的表达方法综合知识的表达方法 在专家控制中，由于其研究对象的复杂性决定了知在专家控制中，由于其研究对象的复杂性决定了知识表达与处理模式的多样化，因而有效的途径应当是根识表达与处理模式的多样化，因而有效的途径应当是根据实际背景和环境条件，研究综合集成的知识表达方法。据实际背景和环境条件，研究综合集成的知识表达方法。这种综合集成方法是在集成各种应用的知识模型基础上这种综合集成方法是在集成各种应用的知识模型基础上进行的，应该能够综合多种知识模型的优点，既能够表进行的，应该能够综合多种知识模型的优点，既能够表达类似于经验型的非结构化定性知识，又能够表达系统达类似于经验型的非结构化定性知识

29、，又能够表达系统变量间定量的动态解析型深层知识，以便将控制理论中变量间定量的动态解析型深层知识，以便将控制理论中成熟的控制策略加以利用。成熟的控制策略加以利用。32第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 在综合型知识表达中，应当考虑的关键问题主要有：在综合型知识表达中，应当考虑的关键问题主要有：(1)符号值与数值变量、模糊变量之间的转换。这可符号值与数值变量、模糊变量之间的转换。这可以通过神经网络知识模型和定性物理模型的有效配合来以通过神经网络知识模型和定性物理模型的有效配合来实现。实现。(2)对规则型知识的赋时和时序匹配。对规则型知识的赋时和时序匹配。(3)各种不同的知识模型间的转换

30、关系及其协调性原各种不同的知识模型间的转换关系及其协调性原理和方法。理和方法。(4)知识的组织应当按照自上而下，逐步求精的原则知识的组织应当按照自上而下，逐步求精的原则设计综合型表达及其相应的调度和处理策略。设计综合型表达及其相应的调度和处理策略。33第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 10.2 专家控制系统的基本原理专家控制系统的基本原理 专家系统与控制理论相结合，尤其是启发式推专家系统与控制理论相结合，尤其是启发式推理与反馈控制理论相结合，形成了专家控制系统。理与反馈控制理论相结合，形成了专家控制系统。专家控制系统的出现，改变了传统的控制系统设计专家控制系统的出现，改变了传统的

31、控制系统设计中单纯依靠数学模型的局面，使知识模型与数学模中单纯依靠数学模型的局面，使知识模型与数学模型相结合，知识信息处理技术与控制技术相结合，型相结合，知识信息处理技术与控制技术相结合，是人工智能与控制理论方法和技术相结合的典型产是人工智能与控制理论方法和技术相结合的典型产物。物。34第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 10.2.1 专家控制系统与专家系统的区别专家控制系统与专家系统的区别 根据一般的定义，专家控制系统是应用专家系统的理论根据一般的定义，专家控制系统是应用专家系统的理论与技术，模拟人类专家的控制知识与经验建造的控制系统。与技术，模拟人类专家的控制知识与经验建造的控

32、制系统。因此，它与通常的专家系统有以下两点重要的区别：因此，它与通常的专家系统有以下两点重要的区别：(1)通常的专家系统只对专门领域的问题进行咨询工作，通常的专家系统只对专门领域的问题进行咨询工作，它的推理是以知识为基础的，其推理结果一般用于辅助用户它的推理是以知识为基础的，其推理结果一般用于辅助用户的决策；而专家控制系统则要求能独立和自动地对控制作用的决策；而专家控制系统则要求能独立和自动地对控制作用作出决策，它的功能一定要具有连续的可靠性，足够的抗干作出决策，它的功能一定要具有连续的可靠性，足够的抗干扰性。扰性。(2)通常的专家系统一般都是以离线方式工作的，对系统通常的专家系统一般都是以离

33、线方式工作的，对系统运行速度没有很高的要求；而专家控制系统则要求在线动态运行速度没有很高的要求；而专家控制系统则要求在线动态地采集数据，处理数据，进行推理和决策，对过程进行及时地采集数据，处理数据，进行推理和决策，对过程进行及时的控制，因此一定要具有使用的灵活性和控制的实时性。的控制，因此一定要具有使用的灵活性和控制的实时性。35第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 与一般专家系统相比，专家控制系统在控制领域中特别与一般专家系统相比，专家控制系统在控制领域中特别强调实时性，要求实时控制专家系统做到：强调实时性，要求实时控制专家系统做到：(1)能确切地表达与时间有关的知识。能确切地表达

34、与时间有关的知识。(2)存储可显示、能方便地在线修改基本的控制知识。存储可显示、能方便地在线修改基本的控制知识。(3)能进行时序推理、并行推理和非单调推理。能进行时序推理、并行推理和非单调推理。(4)能控制任意的随时间变化的非线性过程。能控制任意的随时间变化的非线性过程。(5)具有中断处理能力，可处理可能发生的异步事件。具有中断处理能力，可处理可能发生的异步事件。(6)允许用户与系统交互对话，及时获得过程的动态和允许用户与系统交互对话，及时获得过程的动态和静态信息，以便对系统进行实时、在线诊断。静态信息，以便对系统进行实时、在线诊断。(7)与常规的控制器和其它应用软件有良好的接口。与常规的控制

35、器和其它应用软件有良好的接口。36第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 实时控制专家系统的知识表示应包括：时间实时控制专家系统的知识表示应包括：时间知识、深层知识、通用知识和元知识等。知识、深层知识、通用知识和元知识等。目前在专家智能控制系统中应用广泛的主要有目前在专家智能控制系统中应用广泛的主要有三种类型的专家控制系统：三种类型的专家控制系统：实时专家控制；实时专家控制；控制系统辅助设计专家系统；控制系统辅助设计专家系统；实时故障诊断与实时故障诊断与控制专家系统。它们与前面介绍的专家系统有很控制专家系统。它们与前面介绍的专家系统有很大的差别。虽然专家控制系统是基于专家系统建大的差别

36、。虽然专家控制系统是基于专家系统建立起来的，但它与专家系统的主要区别是，专家立起来的，但它与专家系统的主要区别是，专家控制系统在实时控制时必须：控制系统在实时控制时必须：37第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 (1)将操作人员从系统的环路中撤走（一般专将操作人员从系统的环路中撤走（一般专家系统中操作人员是作为系统的组成部分，通过家系统中操作人员是作为系统的组成部分，通过人机对话完成）。人机对话完成）。(2)建立自动的实时数据采集子系统，需将传建立自动的实时数据采集子系统，需将传感器的输出信息作预处理。感器的输出信息作预处理。(3)根据可利用的环境信息（对象模型），综根据可利用的环境

37、信息（对象模型），综合适当的控制算法。被控对象的模型可以是预知合适当的控制算法。被控对象的模型可以是预知的，也可以在线辨识。推理机制要求做到离线和的，也可以在线辨识。推理机制要求做到离线和在线推理，并具有递阶结构的推理过程。在线推理，并具有递阶结构的推理过程。38第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 10.2.2 专家控制系统的结构专家控制系统的结构一般控制专家系统的基本结构如图一般控制专家系统的基本结构如图10.5所示。所示。人机接口人机接口知识库知识库信息获取与处信息获取与处理理实时推理实时推理机机动态数据动态数据库库控制算法库控制算法库被被控控对对象象D/AA/D图10.5 专

38、家控制系统结构39第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 1知识库知识库 由事实集和经验数据、经验公式、规则等构成。事实由事实集和经验数据、经验公式、规则等构成。事实集主要包括被控对象的有关知识，如结构、类型及特征、集主要包括被控对象的有关知识，如结构、类型及特征、参数变化范围等。控制规则有自适应、自学习、参数自参数变化范围等。控制规则有自适应、自学习、参数自调整等方面的规则。经验数据包括被控对象的参数变化调整等方面的规则。经验数据包括被控对象的参数变化范围、控制参数的调整范围及其限幅值、传感器的静动范围、控制参数的调整范围及其限幅值、传感器的静动态特性、系统误差、执行机构的特征、控制

39、系统的性能态特性、系统误差、执行机构的特征、控制系统的性能指标以及由控制专家给出或由实验总结出的经验公式。指标以及由控制专家给出或由实验总结出的经验公式。2控制算法库控制算法库 存放控制策略及控制方法，如存放控制策略及控制方法，如PID、PI、Fuzzy、神经、神经控制控制NC、预测控制算法等，是直接基本控制方法集。、预测控制算法等，是直接基本控制方法集。40第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 3实时推理机实时推理机 根据一定的推理策略根据一定的推理策略(正向推理正向推理)从知识库中选择有关知从知识库中选择有关知识，对控制专家提供的控制算法、事实、证据以及实时采识，对控制专家提供的

40、控制算法、事实、证据以及实时采集的系统特性数据进行推理，直到得出相应的最佳控制决集的系统特性数据进行推理，直到得出相应的最佳控制决策，用决策的结果指导控制作用。策，用决策的结果指导控制作用。4信息获取与处理信息获取与处理 信息获取主要是通过闭环控制系统的反馈信息及系统信息获取主要是通过闭环控制系统的反馈信息及系统的输入信息，获取控制系统的误差及误差变化量、系统的的输入信息，获取控制系统的误差及误差变化量、系统的特征信息特征信息(如超调量、上升时间等如超调量、上升时间等)。信息的处理包括必要。信息的处理包括必要的特征识别、滤波措施等。的特征识别、滤波措施等。5动态数据库动态数据库 动态库用来存放

41、系统推理过程中用到的数据、中间结动态库用来存放系统推理过程中用到的数据、中间结果、实时采集与处理的数据。在设计专家控制系统时应根果、实时采集与处理的数据。在设计专家控制系统时应根据生产所遇到的被控系统复杂程度建造相应的知识模型、据生产所遇到的被控系统复杂程度建造相应的知识模型、推理策略及控制算法集。推理策略及控制算法集。41第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 对于一些被控对象，考虑到对其控制性能指标、可靠对于一些被控对象，考虑到对其控制性能指标、可靠性、实时性及对性能性、实时性及对性能/价格比的要求，可以将专家控制系价格比的要求，可以将专家控制系统简化成一个专家控制器。对于一些复杂

42、系统，可以采统简化成一个专家控制器。对于一些复杂系统，可以采用多级实时专家控制（组织级、协调级、基本实时控制用多级实时专家控制（组织级、协调级、基本实时控制级）构成。级）构成。在智能控制系统中，专家控制系统有时也通称为基于在智能控制系统中，专家控制系统有时也通称为基于知识的控制系统。根据专家系统方法和原理设计的控制知识的控制系统。根据专家系统方法和原理设计的控制器称之为基于知识控制器。按照基于知识控制器在整个器称之为基于知识控制器。按照基于知识控制器在整个智能控制系统中的作用，专家控制系统分成直接专家控智能控制系统中的作用，专家控制系统分成直接专家控制系统和间接专家控制系统二类。制系统和间接专

43、家控制系统二类。当基于知识的控制器直接影响被控对象时，这种控制当基于知识的控制器直接影响被控对象时，这种控制叫做直接专家控制，如图叫做直接专家控制，如图10.6所示。当基于知识的控制器所示。当基于知识的控制器仅仅间接影响控制系统时，这类控制称作间接专家控制仅仅间接影响控制系统时，这类控制称作间接专家控制系统，或监控专家控制，如图系统，或监控专家控制，如图10.7所示。所示。42第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 -给定值给定值专家控制器专家控制器执行器执行器传感器传感器被控对象被控对象变送器变送器被控参数被控参数图图10.6 直接专家控制系统直接专家控制系统D/A转换转换A/D转换

44、转换图图10.7 间间接专家控制系统接专家控制系统-给定值给定值普通控制器普通控制器执行器执行器传感器传感器被控对象被控对象变送器变送器被控参数被控参数D/A转换转换A/D转换转换专家控制器专家控制器特征提取特征提取43第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 不论那种专家控制器的设计都必须解决以下几个问题：不论那种专家控制器的设计都必须解决以下几个问题：(1)如何解决好知识的获取问题、以及如何进行实时性的如何解决好知识的获取问题、以及如何进行实时性的搜索以解决实时控制问题。搜索以解决实时控制问题。(2)用什么知识表示方法描述一个系统的特征知识。用什么知识表示方法描述一个系统的特征知识。

45、(3)怎样从传感器数据中获取相识别定性的知识。怎样从传感器数据中获取相识别定性的知识。(4)如何把定性推理的结果量化成执行器定量的控制信号。如何把定性推理的结果量化成执行器定量的控制信号。(5)如何将过程的深层与浅层知识合理地结合起来，构造如何将过程的深层与浅层知识合理地结合起来，构造知识库。有效地自动修改知识库。知识库。有效地自动修改知识库。(6)如何进行专家控制系统的稳定性、可控性分析。如何进行专家控制系统的稳定性、可控性分析。(7)怎样获取控制知识和学习规则。怎样获取控制知识和学习规则。(8)如何建造通用的满足过程控制的专家开发工具。如何建造通用的满足过程控制的专家开发工具。44第第10

46、章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 10.3 专家控制系统的设计专家控制系统的设计 由于专家控制器在模型的描述上采用多种形式，就由于专家控制器在模型的描述上采用多种形式，就必然导致其实现方法的多样性。虽然构造专家控制器的必然导致其实现方法的多样性。虽然构造专家控制器的具体方法各不相同，但归结起来，其实现方法可分为两具体方法各不相同，但归结起来，其实现方法可分为两类：一类是保持专家控制器的结构特征，但其知识库的类：一类是保持专家控制器的结构特征，但其知识库的规模小，推理机构简单；另一类是以某种控制算法（例规模小，推理机构简单；另一类是以某种控制算法（例如如PID算法）为基础。引入专家系统技术

47、，以提高原控制算法）为基础。引入专家系统技术，以提高原控制器的决策水平。专家控制器结构简单，研制周期短，实器的决策水平。专家控制器结构简单，研制周期短，实时性好，具有广阔的应用前景。时性好，具有广阔的应用前景。45第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 10.3.1 专家控制系统的设计原则专家控制系统的设计原则1多样化的模型描述多样化的模型描述 在整个设计过程中，对被控对象和控制器的模型不应在整个设计过程中，对被控对象和控制器的模型不应局限于单纯的解析模型，应该采用多样化的形式进行描局限于单纯的解析模型，应该采用多样化的形式进行描述。述。在现有的控制理论中，控制系统的设计仅依赖于被控在

48、现有的控制理论中，控制系统的设计仅依赖于被控对象的数学解析模型。而在专家控制器的设计中，由于对象的数学解析模型。而在专家控制器的设计中，由于采用了专家控制系统技术，能够对各种精确的或模糊的采用了专家控制系统技术，能够对各种精确的或模糊的信息进行处理，因而允许对模型采用多种形式的描述。信息进行处理，因而允许对模型采用多种形式的描述。这些描述的主要形式有：这些描述的主要形式有：46第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 (1)解析模型解析模型(2)规则模型规则模型(3)模糊模型模糊模型(4)离散事件模型离散事件模型(5)基于模型的模型基于模型的模型47第第10章章 专家控制系统设计专家控制

49、系统设计 2在线处理的灵巧性在线处理的灵巧性 在专家控制器的设计过程中，在线信息的处理与利用在专家控制器的设计过程中，在线信息的处理与利用非常重要。在信息存储方面，针对做出控制决策有意义非常重要。在信息存储方面，针对做出控制决策有意义的特征信息进行记忆，对过时的信息则加以遗忘；在信的特征信息进行记忆，对过时的信息则加以遗忘；在信息处理方面，应把数值计算与运算结合起来；在信息利息处理方面，应把数值计算与运算结合起来；在信息利用方面，应对各种反映过程特性的特征信息加以提取和用方面，应对各种反映过程特性的特征信息加以提取和利用，不要只参考误差和误差的一阶导数。具备处理在利用，不要只参考误差和误差的一

50、阶导数。具备处理在线信息的灵活性将提高系统的信息处理能力和决策水平。线信息的灵活性将提高系统的信息处理能力和决策水平。48第第10章章 专家控制系统设计专家控制系统设计 3控制策略的灵活性控制策略的灵活性 这是设计专家控制器所应遵循的一条重要原则。当工这是设计专家控制器所应遵循的一条重要原则。当工业对象本身发生时变或存在现场干扰时，要求控制器采业对象本身发生时变或存在现场干扰时，要求控制器采用不同形式的开环与闭环控制器策略，通过在线获取的用不同形式的开环与闭环控制器策略，通过在线获取的信息灵活地修改控制器策略或控制器参数，以确保获得信息灵活地修改控制器策略或控制器参数，以确保获得优良的控制品质