離散時(shí)間控制系統(tǒng)在智能控制中應(yīng)用

1、控制理論與控制工程離散時(shí)間控制系統(tǒng)在智能控制中應(yīng)用2014年 8月25日摘要：智能控制理論既是一種新型的控制理論又是人工智能的基礎(chǔ)。它具有非常豐富的研究?jī)?nèi)容諸如專家系統(tǒng)、模糊控制理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、進(jìn)化算法.。文中分析智能控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀及存在問(wèn)題。著重介紹離散時(shí)間控制系統(tǒng)在智能控制中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：離散時(shí)間控制系統(tǒng) 智能控制一智能控制的特點(diǎn)自動(dòng)控制理論是自動(dòng)控制科學(xué)的核心。經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論都是建立在控制對(duì)象的精確的數(shù)學(xué)模型上的控制理論。但是，實(shí)際中的許多復(fù)雜系統(tǒng)都具有非線性、時(shí)變性、變結(jié)構(gòu)、不確定性、多層次、多因素等特點(diǎn)，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。因此，世界各國(guó)控制理論界都在探索

2、新一代的控制理論去解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制問(wèn)題以適應(yīng)社會(huì)對(duì)自動(dòng)化的要求。近年來(lái)，把傳統(tǒng)控制理論與模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等人工智能技術(shù)相結(jié)合，從待解決問(wèn)題領(lǐng)域的知識(shí)出發(fā)，充分利用熟練操作者的豐富經(jīng)驗(yàn)、思維和判斷能力，對(duì)上述復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行控制，逐步形成了基于知識(shí)不依賴于精確數(shù)學(xué)模型的智能控制理論的雛形。智能控制特點(diǎn)如下：（1）智能控制系統(tǒng)一般具有以知識(shí)表示的非數(shù)學(xué)廣義模型和以數(shù)學(xué)模型表示的混合控制過(guò)程，它適用于含有復(fù)雜性、不完全性、模糊性、不確定性和不存在已知算法的生產(chǎn)過(guò)程。（2）智能控制器具有分層信息處理和決策機(jī)構(gòu)。它實(shí)際上是對(duì)人神經(jīng)結(jié)構(gòu)和專家決策機(jī)構(gòu)的一種模仿。（3）智能控制器具有非線性和變結(jié)構(gòu)

3、的特點(diǎn)。（4）智能控制器具有多目標(biāo)優(yōu)化能力。（5）智能控制器能夠在復(fù)雜環(huán)境下學(xué)習(xí)。二智能故障診斷系統(tǒng)智能故障診斷系統(tǒng)的目的是為了保證設(shè)備安全、高效、可靠地運(yùn)行。為此，必須合理地構(gòu)建智能故障診斷與容錯(cuò)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)研究?jī)?nèi)容主要有智能故障診斷與容錯(cuò)控制結(jié)構(gòu)、方案、策略以及實(shí)驗(yàn)方法的研究，同時(shí)包括模糊故障診斷、專家系統(tǒng)故障診斷、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷、信息融合故障診斷、智能體故障診斷、智能結(jié)構(gòu)故障診斷、機(jī)內(nèi)測(cè)試故障診斷、集成化故障診斷、網(wǎng)絡(luò)化故障診斷與容錯(cuò)的研究。智能故障診斷系統(tǒng)可以采用專家控制。專家控制是以專家系統(tǒng)為技術(shù)背景的。專家系統(tǒng)是人工智能領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，在20世紀(jì)70年代曾極大的推動(dòng)了人工

4、智能的發(fā)展。它是一個(gè)基于知識(shí)的啟發(fā)式推理系統(tǒng)，具有特定的組成結(jié)構(gòu)和知識(shí)表達(dá)，可以根據(jù)一個(gè)或多個(gè)專家所提供的領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行推理，模擬人類的決策，提供復(fù)雜問(wèn)題的參考判斷，為實(shí)現(xiàn)機(jī)器智能提供了有效的途徑和工具。三采用離散時(shí)間控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)近年來(lái)，數(shù)字控制器在控制系統(tǒng)中的使用呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。數(shù)字控制通常用于獲得最優(yōu)系統(tǒng)性能，如最高的生產(chǎn)效率、最大的效益、最低的成本或最小的能耗等等。近來(lái)，計(jì)算機(jī)控制的應(yīng)用使得一些事件，如工業(yè)機(jī)器人的“智能”運(yùn)動(dòng)，汽車燃料節(jié)約的最優(yōu)化，家用電器和設(shè)備工作性能的改善等等成為可能。數(shù)字控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)在于控制的決策性能和靈活性。動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的控制趨向于數(shù)字控制方式而非模擬控制

5、方式，其主要原因歸結(jié)于低成本數(shù)字的計(jì)算機(jī)的涌現(xiàn)，以及他們采用的數(shù)字信號(hào)具有連續(xù)時(shí)間信號(hào)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。四遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的智能故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)是指人工操作到達(dá)不了的系統(tǒng)。例如航天方面、有腐蝕性或放射性的操作環(huán)境等。故障診斷專家系統(tǒng)，是以遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)為對(duì)象建立的故障診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)基本覆蓋了遠(yuǎn)程系統(tǒng)中的常見(jiàn)故障，以在線診斷為手段，對(duì)此過(guò)程進(jìn)行了實(shí)時(shí)診斷。系統(tǒng)前端是由傳感器測(cè)取各種信息，經(jīng)過(guò)信號(hào)分析、處理后傳輸給該系統(tǒng)，進(jìn)行故障診斷。此系統(tǒng)以常見(jiàn)故障組成故障集，由于遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)過(guò)程復(fù)雜，例如補(bǔ)給航天器和目標(biāo)航天器之間的相互操作影響、制約等。因此對(duì)之加以特點(diǎn)分析和分類歸納，采用層次分類原理進(jìn)

6、行分層次診斷。系統(tǒng)從多路對(duì)加注過(guò)程的信息進(jìn)行采集，進(jìn)行信號(hào)處理提取故障征兆，組成征兆集。然后分層次采用相應(yīng)的診斷方法進(jìn)行推理診斷，依據(jù)診斷結(jié)果對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自學(xué)習(xí)修正，并對(duì)成功案例進(jìn)行判別。如果判別結(jié)果為新案例，則將此案例放入故障庫(kù)，以擴(kuò)充系統(tǒng)的故障庫(kù)。是個(gè)多層古典信息處理系統(tǒng)，包括3個(gè)分開的部分，處理器、知識(shí)基礎(chǔ)以及交互界面（接收器和感應(yīng)器）知識(shí)基礎(chǔ)是多層次的：診斷分析是用有規(guī)律的規(guī)則表示的，情景辨識(shí)層是用控制規(guī)則表示的，控制策略層主要是根據(jù)所建立的模型，利用情景辨識(shí)層篩選出的規(guī)則，結(jié)合分析進(jìn)程結(jié)果與圖案匹配進(jìn)行事實(shí)篩選，處理器是為了來(lái)處理這3個(gè)層次之間的相互聯(lián)系而被建立的。（1） 處理器處理器

7、包括兩個(gè)主要部分：情景辨識(shí)模塊（監(jiān)視）和診斷推理工具，第3部分在未來(lái)將有可能會(huì)實(shí)現(xiàn)，程序執(zhí)行模塊。情景辨識(shí)進(jìn)程在先前已被解釋過(guò)，在每個(gè)瞬間，系統(tǒng)在情景規(guī)則中運(yùn)行，這些包括臨界的情景模式（來(lái)自控制系統(tǒng)與事實(shí)相符合）當(dāng)情景相符合時(shí)，也就是說(shuō)辨識(shí)，推導(dǎo)出的一個(gè)可能的情景并選擇診斷規(guī)則，這個(gè)工作是通過(guò)規(guī)則篩選來(lái)實(shí)現(xiàn)的（如圖1所示），診斷推理工具基本上在正向推理實(shí)施，（也就是）在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)上前景化，假設(shè)用戶對(duì)診斷進(jìn)程有影響，反向推理功能也是有用的。因此，用戶應(yīng)該向?qū)＜蚁到y(tǒng)詢問(wèn)來(lái)將診斷的真實(shí)性。（2） 知識(shí)基礎(chǔ)知識(shí)指對(duì)學(xué)科領(lǐng)域的理解，但在開發(fā)專家系統(tǒng)時(shí)，不能試圖獲取所有的專家知識(shí)。而應(yīng)該從故障診斷領(lǐng)域選取

8、與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)故障診斷主題有關(guān)的專家知識(shí)，成功開發(fā)專家系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)在于域的確定，域是指足夠集中的主題領(lǐng)域，例如在此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)故障診斷域。在獲取該領(lǐng)域的專家知識(shí)之后，將要在專家系統(tǒng)中表示這些知識(shí)。這就需要找到一種在該故障診斷系統(tǒng)中構(gòu)造知識(shí)的方法，讓系統(tǒng)按照專家一樣的方式處理問(wèn)題。知識(shí)表示是一種用來(lái)在專家系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)中對(duì)知識(shí)編碼的方法。知識(shí)基礎(chǔ)包括3種實(shí)體（和3種記憶有關(guān)的）短期，中期和長(zhǎng)期記憶。短期記憶是處理對(duì)象的。對(duì)象是被專家系統(tǒng)操作并且同其環(huán)境的交流（即是說(shuō)，用戶和被控系統(tǒng)）。對(duì)象的第一層包括數(shù)字的（例：壓強(qiáng)，溫度）以及邏輯的（例：液位）狀態(tài)變量它是以被控對(duì)象的狀態(tài)為特征的，

9、被定義為最小狀態(tài)變量的情景對(duì)實(shí)際情景的特征是很必須的。在這個(gè)層面上，許多情景可以被考慮；實(shí)際情形，感知情形以及期望情景。在專家系統(tǒng)中，實(shí)際情景是被以來(lái)自被控對(duì)象的事件為特征的。感知情景是基于實(shí)際的，期望情景是以在情景規(guī)則中臨界的情景模式為特征，并且會(huì)在中期記憶中被描述。對(duì)象的第二層包括：對(duì)用戶的問(wèn)題，應(yīng)用在系統(tǒng)上的步驟，經(jīng)用戶的診斷，每個(gè)對(duì)象都是通過(guò)一個(gè)框架表示的，它包括不同的內(nèi)容，它的名稱、狀態(tài)描述以及代碼。中期記憶處理容差方程以及情景，容差方程的概念是基于模糊系列理論，容差方程是數(shù)字或邏輯變量的可能分布，用一個(gè)容差方程，對(duì)可能性的描述就像：“壓強(qiáng)接近最大值”，“壓強(qiáng)減小”，容差方程被主觀量

10、表以及用戶的判斷來(lái)定義的。長(zhǎng)期記憶包括離散和連續(xù)進(jìn)程（對(duì)控制狀態(tài)以及診斷錯(cuò)誤有用的），情景規(guī)則的基礎(chǔ)過(guò)去常常用來(lái)控制被控系統(tǒng)，當(dāng)一個(gè)臨界情景（模式與通過(guò)情景規(guī)則所期望的情景模式相符合時(shí)）被識(shí)別出時(shí)，相關(guān)情景的子規(guī)則可以使診斷處理過(guò)程變得靈活。規(guī)則指關(guān)聯(lián)已知知識(shí)和待推導(dǎo)或推測(cè)的其他信息的知識(shí)結(jié)構(gòu)。規(guī)則是過(guò)程性知識(shí)的一種形式，它把給定信息與一些行為關(guān)聯(lián)起來(lái)。這個(gè)行為可以是對(duì)新信息或需要執(zhí)行過(guò)程的斷言。規(guī)則結(jié)構(gòu)從邏輯上連接IF部分中的一個(gè)或多個(gè)前提（也稱條件）到THEN部分中的一個(gè)或多個(gè)后部（也稱結(jié)論）。每個(gè)診斷規(guī)則稱為一般規(guī)則，包括語(yǔ)言，代表一個(gè)離散或連續(xù)過(guò)程執(zhí)行。診斷通常通過(guò)二進(jìn)制樹形網(wǎng)格表示，

11、一般規(guī)則過(guò)去通過(guò)單一前提/單一結(jié)論的形式表示。這種在知識(shí)基礎(chǔ)層的特殊表達(dá)方式稱為范式。這種形式要求更快的推理，特別地，控制和超規(guī)則更容易被執(zhí)行。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是一致性檢查更容易，自動(dòng)化進(jìn)行。在目前，診斷過(guò)程是新鮮事物，僅在情景辨識(shí)部分包括了“模糊”思想。超規(guī)則是為提高系統(tǒng)的控制能力提出的，在診斷處理中這些超規(guī)則來(lái)自用戶的先驗(yàn)知識(shí)。當(dāng)主要的推理控制在正向鏈接推理中應(yīng)用，則反向鏈接推理可通過(guò)超規(guī)則來(lái)實(shí)現(xiàn)。1. 正向推理鏈接這種推理過(guò)程從事實(shí)出發(fā)，試圖使事實(shí)和規(guī)則部分的IF部相匹配，然后，啟用規(guī)則的THEN部分。這樣的過(guò)程是局部推理網(wǎng)絡(luò)，是純粹的正向鏈接推理，但是推理也可以是逆向的。2. 反向推理鏈接至

12、今，以規(guī)則為基礎(chǔ)的系統(tǒng)推理方法都假設(shè)從已知事實(shí)推論出新的事實(shí)。一個(gè)系統(tǒng)以這樣的方式運(yùn)行是正向鏈接推理，但逆向鏈接推理也是可能的。系統(tǒng)可以假設(shè)一個(gè)結(jié)論，然后利用IF-THEN規(guī)則去支持假設(shè)的事實(shí)。通過(guò)IF-THEN規(guī)則IDENTIFIER可逆向推理，以確定要尋找什么樣的事實(shí)。逆向移動(dòng)的鏈從所做的假設(shè)開始發(fā)展，如果所做的假設(shè)得到證實(shí)，那么這個(gè)鏈就成功地結(jié)束；如果要求的前提事實(shí)不能確定或者根據(jù)是不存在的，那么這個(gè)鏈就失敗。我們所研究的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)采用過(guò)程性知識(shí)表示方法，用產(chǎn)生式規(guī)則表示知識(shí)，便于對(duì)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行修改、刪除和擴(kuò)充。從而提高了知識(shí)庫(kù)的維護(hù)和自學(xué)習(xí)能力。（3） 專家推理推理方法

13、通過(guò)知識(shí)表示實(shí)現(xiàn)操作者對(duì)診斷過(guò)程的可視化。推理可分為精確推理和不精確推理。故障診斷專家系統(tǒng)主要使用不精確推理。不精確推理根據(jù)的事實(shí)可能不充分，經(jīng)驗(yàn)可能不完整，推理過(guò)程也比精確推理復(fù)雜，具體有以下幾種方法。1.基于規(guī)則表示知識(shí)的推理。該推理方法通常以專家經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)。有點(diǎn)是推理速度快，但從專家那里獲取經(jīng)驗(yàn)較難，規(guī)則集不完備，對(duì)沒(méi)有考慮的問(wèn)題系統(tǒng)易陷入困境。2.基于語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)的推理。故障樹分析是故障診斷中常用的一種方法，為進(jìn)程故障分析課建立相應(yīng)的語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)。該方法的有點(diǎn)是診斷速度快，便于修改和擴(kuò)展，對(duì)現(xiàn)象與原因關(guān)系簡(jiǎn)單的系統(tǒng)較為實(shí)用；缺點(diǎn)是建樹工作量大。3.基于深層知識(shí)的推理。深層知識(shí)是專家系統(tǒng)的一個(gè)重

14、要特征。有點(diǎn)是從原理上對(duì)故障癥狀與成因進(jìn)行分析，知識(shí)集完備，擺脫了對(duì)經(jīng)驗(yàn)專家的依賴性；但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不可過(guò)于復(fù)雜，否則效率會(huì)降低。在我們的專家系統(tǒng)中采取分層診斷原理進(jìn)行分層次推理。每層根據(jù)具體情況選取適當(dāng)?shù)耐评矸椒?。診斷分析層主要利用專家經(jīng)驗(yàn)，將狀態(tài)信息變?yōu)橐?guī)則，因此該層是通過(guò)有規(guī)律的規(guī)則表示的?？刂撇呗詫舆x擇適應(yīng)于情景的規(guī)則并確定推理方向。情景辨識(shí)層通過(guò)策略層的結(jié)果進(jìn)行推理?？刂撇呗赃x擇混合控制，將數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制和目標(biāo)驅(qū)動(dòng)控制相結(jié)合。基本思想是：首先根據(jù)部分約束條件生成一些目標(biāo)，再利用全部約束條件逐個(gè)測(cè)試目標(biāo)。正向推理選擇目標(biāo)，反向推理證實(shí)目標(biāo)。選擇目標(biāo)的依據(jù)是只要支持該目標(biāo)的任一子目標(biāo)被證實(shí)為真

15、，該目標(biāo)就選為待證實(shí)目標(biāo)；反向推理之選擇與目標(biāo)相關(guān)的知識(shí)。必要時(shí)才收集新的證據(jù)。該控制策略可以提高推理效率。應(yīng)用于實(shí)際的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)專家系統(tǒng)，例如，通過(guò)傳感器所獲取的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊處理，利用專家知識(shí)得到故障診斷所需要的規(guī)則庫(kù)。結(jié)合攝像頭與傳感器的數(shù)據(jù)，可利用用戶邏輯得到基本的進(jìn)程范圍，在數(shù)據(jù)超出閾值時(shí)，正向推理得到是故障目標(biāo)，再通過(guò)反向推理確定目標(biāo)，若反向推理得到的目標(biāo)不只一個(gè)，可以申請(qǐng)獲得表示其他數(shù)據(jù)是否異常的規(guī)則，當(dāng)目標(biāo)一致時(shí)，即可得到準(zhǔn)確的故障目標(biāo)。(4) 交互界面在實(shí)現(xiàn)一個(gè)在用戶和專家系統(tǒng)之間的彩色圖形界面，輸入設(shè)備包括：鍵盤和鼠標(biāo)，界面是通過(guò)菜單控制的。HORSES是三角聯(lián)系的參與者，介于這個(gè)原因，包括環(huán)境的影響，人工操作者和被控系統(tǒng)是系統(tǒng)中的重要部分，在情景辨識(shí)層，來(lái)自環(huán)境的信息通過(guò)情景規(guī)則被過(guò)濾掉，在分析診斷中，信息被預(yù)言函數(shù)考慮，亦是，問(wèn)用戶一個(gè)問(wèn)題，運(yùn)用一個(gè)步驟檢查被控系統(tǒng)的值。五總結(jié)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)的開發(fā)本質(zhì)上是一種探索性努力。設(shè)計(jì)者對(duì)問(wèn)題常缺乏初步了解，使得他們首先尋求對(duì)問(wèn)題的一般理解，并使用這些信息作為探索附加信息的向?qū)?。通過(guò)這個(gè)只是收集和分析的反復(fù)過(guò)程，逐漸獲得對(duì)問(wèn)題的理解和求此問(wèn)題的見(jiàn)解。故障診斷專家系統(tǒng)的評(píng)價(jià)是一個(gè)迭代過(guò)程，將理論和實(shí)踐相結(jié)合。在控制理論中，系統(tǒng)模型是在實(shí)際和模型由相同輸入的前提下，通過(guò)比較現(xiàn)實(shí)