智能控制專家控制理論基礎(chǔ)的培訓(xùn)課件

1、智能控制專家控制理論基礎(chǔ)的培訓(xùn)課件 上世紀(jì)80年代初，人工智能中專家系統(tǒng)的思想和方法開始被引入控制系統(tǒng)的研究和工程應(yīng)用中。 專家系統(tǒng)能處理定性的、啟發(fā)式或不確定的知識(shí)信息，經(jīng)過各種推理來達(dá)到系統(tǒng)的任務(wù)目標(biāo)。專家系統(tǒng)為解決傳統(tǒng)控制理論的局限性提供了重要的啟示，二者的結(jié)合導(dǎo)致了專家控制這一方法。 2.1 專家系統(tǒng)2.1.1 專家系統(tǒng)概述1定義 專家系統(tǒng)是一類包含知識(shí)和推理的智能計(jì)算機(jī)程序，其內(nèi)部包含某領(lǐng)域?qū)＜宜降闹R(shí)和經(jīng)驗(yàn)，具有解決專門問題的能力。2發(fā)展歷史 分為三個(gè)時(shí)期：(1) 初創(chuàng)期（1965-1971年） 第一代專家系統(tǒng)DENLDRA和MACSMA的出現(xiàn)，標(biāo)志著專家系統(tǒng)的誕生。其中DENL

2、DRA為推斷化學(xué)分子結(jié)構(gòu)的專家系統(tǒng)，由專家系統(tǒng)的奠基人，Stanford大學(xué)計(jì)算機(jī)系的Feigenbaum教授及其研究小組研制。MACSMA為用于數(shù)學(xué)運(yùn)算的數(shù)學(xué)專家系統(tǒng)，由麻省理工學(xué)院完成。（2）成熟期（1972-1977年）： 在此期間斯坦福大學(xué)研究開發(fā)了最著名的專家系統(tǒng)-血液感染病診斷專家系統(tǒng)MYCIN，標(biāo)志專家系統(tǒng)從理論走向應(yīng)用。另一個(gè)著名的專家系統(tǒng)-語音識(shí)別專家系統(tǒng)HEARSAY的出現(xiàn)，標(biāo)志著專家系統(tǒng)的理論走向成熟。（3）發(fā)展期（1978-現(xiàn)在） 在此期間，專家系統(tǒng)走向應(yīng)用領(lǐng)域，專家系統(tǒng)的數(shù)量增加，僅1987年研制成功的專家系統(tǒng)就有1000種。 專家系統(tǒng)可以解決的問題一般包括解釋、預(yù)測(cè)

3、、設(shè)計(jì)、規(guī)劃、監(jiān)視、修理、指導(dǎo)和控制等。目前，專家系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療診斷、語音識(shí)別、圖象處理、金融決策、地質(zhì)勘探、石油化工、教學(xué)、軍事、計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。2.1.2 專家系統(tǒng)構(gòu)成 專家系統(tǒng)主要由知識(shí)庫和推理機(jī)構(gòu)成，專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。知識(shí)庫規(guī)則庫數(shù)據(jù)庫推理機(jī)解釋程序調(diào)度程序推理咨詢知識(shí)獲取領(lǐng)域?qū)＜覍＜蚁到y(tǒng)用戶專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)2.1.3 專家系統(tǒng)的建立 1知識(shí)庫 知識(shí)庫包含三類知識(shí)：（1）基于專家經(jīng)驗(yàn)的判斷性規(guī)則；（2）用于推理、問題求解的控制性規(guī)則；（3）用于說明問題的狀態(tài)、事實(shí)和概念以及當(dāng)前的條件和常識(shí)等的數(shù)據(jù)。 知識(shí)庫包含多種功能模塊，主要有知識(shí)查詢、檢索、增刪、修改和擴(kuò)充等

4、。知識(shí)庫通過人機(jī)接口與領(lǐng)域?qū)＜蚁鄿贤?，?shí)現(xiàn)知識(shí)的獲取。2推理機(jī) 推理機(jī)是用于對(duì)知識(shí)庫中的知識(shí)進(jìn)行推理來得到結(jié)論的“思維”機(jī)構(gòu)。推理機(jī)包括三種推理方式：（1）正向推理：從原始數(shù)據(jù)和已知條件得到結(jié)論；（2）反向推理：先提出假設(shè)的結(jié)論，然后尋找支持的證據(jù)，若證據(jù)存在，則假設(shè)成立；（3）雙向推理：運(yùn)用正向推理提出假設(shè)的結(jié)論，運(yùn)用反向推理來證實(shí)假設(shè)。3知識(shí)的表示 常用的知識(shí)表示方法為：產(chǎn)生式規(guī)則，框架，語義網(wǎng)絡(luò)，過程。其中產(chǎn)生式規(guī)則是專家系統(tǒng)最流行的表達(dá)方法。由產(chǎn)生式規(guī)則表示的專家系統(tǒng)又稱為基于規(guī)則的系統(tǒng)或產(chǎn)生式系統(tǒng)。 產(chǎn)生式規(guī)則的表達(dá)方式為：IF E THEN H WITH CF(E,H)其中，E表示

5、規(guī)則的前提條件，即證據(jù)，它可以是單獨(dú)命題，也可以是復(fù)合命題；H表示規(guī)則的結(jié)論部分，即假設(shè)，也是命題；CF（Certainty Factor）為規(guī)則的強(qiáng)度，反映當(dāng)前提為真時(shí)，規(guī)則對(duì)結(jié)論的影響程度。4專家系統(tǒng)開發(fā)語言（1）C語言，人工智能語言（如Prolog，Lisp等）；（2）專家系統(tǒng)開發(fā)工具：已經(jīng)建好的專家系統(tǒng)框架，包括知識(shí)表達(dá)和推理機(jī)。在運(yùn)用專家系統(tǒng)開發(fā)工具開發(fā)專家系統(tǒng)時(shí)，只需要加入領(lǐng)域知識(shí)。5專家系統(tǒng)建立步驟（1）知識(shí)庫的設(shè)計(jì) 確定知識(shí)類型：敘述性知識(shí)，過程性知識(shí)，控制性知識(shí)； 確定知識(shí)表達(dá)方法； 知識(shí)庫管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：實(shí)現(xiàn)規(guī)則的保存、編輯、刪除、增加、搜索等功能。（2）推理機(jī)的設(shè)計(jì) 選擇

6、推理方式； 選擇推理算法：選擇各種搜索算法，如深度優(yōu)先搜索、廣度優(yōu)先搜索、啟發(fā)式優(yōu)先搜索等。（3）人機(jī)接口的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)“用戶專家系統(tǒng)接口”：用于咨詢理解和結(jié)論解釋； 設(shè)計(jì)“專家專家系統(tǒng)接口”：用于知識(shí)庫擴(kuò)充及系統(tǒng)維護(hù)。第二節(jié) 專家控制 一、概述 瑞典學(xué)者K.J.Astrom在1983年首先把人工智能中的專家系統(tǒng)引入智能控制領(lǐng)域，于1986年提出“專家控制”的概念，構(gòu)成一種智能控制方法。 專家控制（Expert Control）是智能控制的一個(gè)重要分支，又稱專家智能控制。所謂專家控制，是將專家系統(tǒng)的理論和技術(shù)同控制理論、方法與技術(shù)相結(jié)合，在未知環(huán)境下，仿效專家的經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。 專家控制

7、試圖在傳統(tǒng)控制的基礎(chǔ)上“加入”一個(gè)富有經(jīng)驗(yàn)的控制工程師，實(shí)現(xiàn)控制的功能，它由知識(shí)庫和推理機(jī)構(gòu)構(gòu)成主體框架，通過對(duì)控制領(lǐng)域知識(shí)（先驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)、動(dòng)態(tài)信息、目標(biāo)等）的獲取與組織，按某種策略及時(shí)地選用恰當(dāng)?shù)囊?guī)則進(jìn)行推理輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際對(duì)象的控制。 二、基本原理 1結(jié)構(gòu) 專家控制的基本結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。 知識(shí)庫實(shí)時(shí)推理機(jī)A/D被控對(duì)象D/A控制算法庫圖2.2 專家控制的結(jié)構(gòu) 2功能（1）能夠滿足任意動(dòng)態(tài)過程的控制需要，尤其適用于帶有時(shí)變、非線性和強(qiáng)干擾的控制；（2）控制過程可以利用對(duì)象的先驗(yàn)知識(shí)；（3）通過修改、增加控制規(guī)則，可不斷積累知識(shí)，改進(jìn)控制性能；（4）可以定性地描述控制系統(tǒng)的性能，如“超調(diào)小”、

8、“偏差增大”等；（5）對(duì)控制性能可進(jìn)行解釋；（6）可通過對(duì)控制閉環(huán)中的單元進(jìn)行故障檢測(cè)來獲取經(jīng)驗(yàn)規(guī)則。3 與專家系統(tǒng)的區(qū)別 專家控制引入了專家系統(tǒng)的思想，但與專家系統(tǒng)存在區(qū)別：（1）專家系統(tǒng)能完成專門領(lǐng)域的功能，輔助用戶決策；專家控制能進(jìn)行獨(dú)立的、實(shí)時(shí)的自動(dòng)決策。專家控制比專家系統(tǒng)對(duì)可靠性和抗干擾性有著更高的要求。（2）專家系統(tǒng)處于離線工作方式，而專家控制要求在線獲取反饋信息，即要求在線工作方式。4. 知識(shí)表示 專家控制將系統(tǒng)視為基于知識(shí)的系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的知識(shí)表示如下：（1）受控過程的知識(shí) 先驗(yàn)知識(shí)：包括問題的類型及開環(huán)特性； 動(dòng)態(tài)知識(shí)：包括中間狀態(tài)及特性變化。（2）控制、辨識(shí)、診斷知識(shí) 定量

9、知識(shí)：各種算法； 定性知識(shí)：各種經(jīng)驗(yàn)、邏輯、直觀判斷。 按照專家系統(tǒng)知識(shí)庫的結(jié)構(gòu)，有關(guān)知識(shí)可以分類組織，形成數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫，從而構(gòu)成專家控制系統(tǒng)的知識(shí)源。數(shù)據(jù)庫包括：事實(shí)已知的靜態(tài)數(shù)據(jù)。例如傳感器測(cè)量誤差、運(yùn)行閾值、報(bào)警閾值、操作序列的約束條件、受控過程的單元組態(tài)等；證據(jù)測(cè)量到的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。例如傳感器的輸出值、儀器儀表的測(cè)試結(jié)果等。證據(jù)的類型是各異的，常常帶有噪聲、延遲，也可能是不完整的，甚至相互之間有沖突；假設(shè)由事實(shí)和證據(jù)推導(dǎo)的中間結(jié)果，作為當(dāng)前事實(shí)集合的補(bǔ)充。例如，通過各種參數(shù)估計(jì)算法推得的狀態(tài)估計(jì)等；目標(biāo)系統(tǒng)的性能指標(biāo)。例如對(duì)穩(wěn)定性的要求，對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的尋優(yōu)、對(duì)現(xiàn)有控制規(guī)律是否需要改進(jìn)的判

10、斷等。目標(biāo)既可以是預(yù)定的，也可以是根據(jù)外部命令或內(nèi)部運(yùn)行狀況在線地動(dòng)態(tài)建立的。專家控制的規(guī)則庫一般采用產(chǎn)生式規(guī)則表示：IF 控制局勢(shì)（事實(shí)和數(shù)據(jù)） THEN 操作結(jié)論由多條產(chǎn)生式規(guī)則構(gòu)成規(guī)則庫。5 分類 按專家控制在控制系統(tǒng)中的作用和功能，可將專家控制器分為以下兩種類型：(1) 直接型專家控制器 直接專家控制器用于取代常規(guī)控制器，直接控制生產(chǎn)過程或被控對(duì)象。具有模擬（或延伸，擴(kuò)展）操作工人智能的功能。該控制器的任務(wù)和功能相對(duì)比較簡單，但是需要在線、實(shí)時(shí)控制。因此，其知識(shí)表達(dá)和知識(shí)庫也較簡單，通常由幾十條產(chǎn)生式規(guī)則構(gòu)成，以便于增刪和修改。 直接型專家控制器的示意圖見圖中的虛線所示。知識(shí)庫信息獲取

11、與處理推理機(jī) 構(gòu)被控對(duì) 象傳感器控制規(guī)則庫直接型專家控制器圖 直接型專家控制器(2)間接型專家控制器 間接型專家控制器用于和常規(guī)控制器相結(jié)合，組成對(duì)生產(chǎn)過程或被控對(duì)象進(jìn)行間接控制的智能控制系統(tǒng)。具有模擬（或延伸，擴(kuò)展）控制工程師智能的功能。該控制器能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)化適應(yīng)、協(xié)調(diào)、組織等高層決策的智能控制。按照高層決策功能的性質(zhì)，間接型專家控制器可分為以下幾種類型： 優(yōu)化型專家控制器：是基于最優(yōu)控制專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)和運(yùn)用。通過設(shè)置整定值、優(yōu)化控制參數(shù)或控制器，實(shí)現(xiàn)控制器的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)優(yōu)化。 適應(yīng)型專家控制器：是基于自適應(yīng)控制專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)和運(yùn)用。根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行狀態(tài)和測(cè)試數(shù)據(jù)，相應(yīng)地調(diào)整控制規(guī)律

12、，校正控制參數(shù)，修改整定值或控制器，適應(yīng)生產(chǎn)過程、對(duì)象特性或環(huán)境條件的漂移和變化。 協(xié)調(diào)型專家控制器：是基于協(xié)調(diào)控制專家和調(diào)度工程師的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)和運(yùn)用。用以協(xié)調(diào)局部控制器或各子控制系統(tǒng)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)大系統(tǒng)的全局穩(wěn)定和優(yōu)化。 組織型專家控制器：是基于控制工程的組織管理專家或總設(shè)計(jì)師的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)和運(yùn)用。用以組織各種常規(guī)控制器，根據(jù)控制任務(wù)的目標(biāo)和要求，構(gòu)成所需要的控制系統(tǒng)。 間接型專家控制器可以在線或離線運(yùn)行。通常，優(yōu)化型、適應(yīng)型需要在線、實(shí)時(shí)、聯(lián)機(jī)運(yùn)行。協(xié)調(diào)型、組織型可以離線、非實(shí)時(shí)運(yùn)行，作為相應(yīng)的計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)。 間接型專家控制器的示意圖如圖所示。專家控制器被控對(duì) 象傳感器控制算法特

13、征提取圖 間接型專家控制器三、專家控制的關(guān)鍵技術(shù)及特點(diǎn)1專家控制的關(guān)鍵技術(shù)(1) 知識(shí)的表達(dá)方法；(2)從傳感器中識(shí)別和獲取定量的控制信號(hào)；(3)將定性知識(shí)轉(zhuǎn)化為定量的控制信號(hào)；(4)控制知識(shí)和控制規(guī)則的獲取。2專家控制的特點(diǎn)（1）靈活性：根據(jù)系統(tǒng)的工作狀態(tài)及誤差情況，可靈活地選取相應(yīng)的控制律；（2）適應(yīng)性：能根據(jù)專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，調(diào)整控制器的參數(shù)，適應(yīng)對(duì)象特性及環(huán)境的變化；（3）魯棒性：通過利用專家規(guī)則，系統(tǒng)可以在非線性、大偏差下可靠地工作。第三節(jié) 專家PID控制一、專家PID控制原理 PID專家控制的實(shí)質(zhì)是，基于受控對(duì)象和控制規(guī)律的各種知識(shí)，無需知道被控對(duì)象的精確模型，利用專家經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì)PI

14、D參數(shù)。專家PID控制是一種直接型專家控制器。 典型的二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)誤差曲線如圖所示。對(duì)于典型的二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)過程作如下分析。圖 典型二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)誤差曲線 令 表示離散化的當(dāng)前采樣時(shí)刻的誤差值， 和 分別表示前一個(gè)和前兩個(gè)采樣時(shí)刻的誤差值，則有 根據(jù)誤差及其變化，可設(shè)計(jì)專家PID控制器，該控制器可分為以下五種情況進(jìn)行設(shè)計(jì)：（1）當(dāng) 時(shí)，說明誤差的絕對(duì)值已經(jīng)很大。不論誤差變化趨勢(shì)如何，都應(yīng)考慮控制器的輸出應(yīng)按最大（或最小）輸出，以達(dá)到迅速調(diào)整誤差，使誤差絕對(duì)值以最大速度減小。此時(shí)，它相當(dāng)于實(shí)施開環(huán)控制。（2）當(dāng) 或 時(shí)，說明誤差在朝誤差絕對(duì)值增大方向變化，或誤差為某一常值，未發(fā)生變化。 此時(shí)，如果 ，說明誤差也較大，可考慮由控制器實(shí)施較強(qiáng)的控制作用，以達(dá)到扭轉(zhuǎn)誤差絕對(duì)值朝減小方向變化，并迅速減小誤差的絕對(duì)值，控制器輸出為 如果，說明盡管誤差朝絕對(duì)值增大方向變化，但誤差絕對(duì)值本身并不很大，可考慮控制器實(shí)施一般的控制作用，只要扭轉(zhuǎn)誤差的變化趨勢(shì)，使其朝誤差絕對(duì)值減小方向變化，控制器輸出為（3）當(dāng) 、 或者 時(shí)，說明誤差的絕對(duì)值朝減小的方向變化，或者已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)。此時(shí)，可考慮采取保持控制器輸出不變。（4）當(dāng) 、 時(shí)，說明誤差處于極值狀態(tài)。如果此時(shí)誤差的絕對(duì)值較大，即 ，可考慮實(shí)施較強(qiáng)的控制作用。如果此時(shí)誤差的絕對(duì)值較小，即 ，可考慮實(shí)施較弱的控