智能控制课件完整版本

（第（第7课）课）第四章第四章 专家控制专家控制Intelligent ControlExpert Control System ECS 专家系统专家系统+工程控制论工程控制论 ECS广泛应用于故障诊断、工业设计及广泛应用于故障诊断、工业设计及 过程控制。过程控制。第四章第四章 专家控制专家控制14.1 专家系统专家系统专家系统专家系统（Expert System)是人工智能是人工智能应用研究最活跃和最广泛的课题之一。应用研究最活跃和最广泛的课题之一。1965年第一个化学专家系统年第一个化学专家系统DENDRAL诞生。诞生。2专家系统专家系统是一个智能计算机程序系统是一个智能计算机程序系统 内部含有大量的某个领域专家水平的知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识与经验，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问题解决问题的方法来处理该领域问题 基于知识库的程序，知识来源于专家基于知识库的程序，知识来源于专家 处理现实需要由专家分析解决的问题处理现实需要由专家分析解决的问题 通过推理解决问题通过推理解决问题3专家系统的类型专家系统的类型 解释专家系统解释专家系统 预测专家系统预测专家系统 诊断专家系统诊断专家系统 设计专家系统设计专家系统 规划专家系统规划专家系统 监视专家系统监视专家系统 控制专家系统控制专家系统 调试专家系统调试专家系统 教学专家系统教学专家系统 修理专家系统修理专家系统4专家系统的特点专家系统的特点 启发性：启发性：推理思考推理思考 透明性：透明性：解释本身的推理过程，回答用解释本身的推理过程，回答用户的提问户的提问 灵活性：灵活性：增长、修改、更新知识增长、修改、更新知识5专家系统结构专家系统结构 P241 图图4.1知识库知识库推理机推理机专家知识输入或提问答案6 知识库和推理机是两个主要组成部分。知识库和推理机是两个主要组成部分。知识库：知识库：判断性知识判断性知识 叙述性知识叙述性知识 推理机：推理机：解释程序解释程序 调度程序调度程序 接口：接口：人机交互人机交互 专家系统是一种智能计算机程序专家系统是一种智能计算机程序7接口接口事实事实规则规则解释器计划计划议程议程中间解中间解执行器执行器调度器调度器协调器协调器黑板黑板推理机推理机知识库知识库用户8专家系统建立过程专家系统建立过程 知识获取：知识获取：来源与专家、教科书、资料来源与专家、教科书、资料库及工程师库及工程师 知识表达：知识表达：由知识工程师整理、以正确由知识工程师整理、以正确形式储存于知识库中。形式储存于知识库中。知识表达方式具备：知识表达方式具备：表达专家知识能力表达专家知识能力 能方便使用能方便使用 系统建立系统建立9 产生式系统产生式系统 Production System,PS ES是基于是基于PS的基础上发展起来的，的基础上发展起来的，基于基于POST（1943）提出的产生式规则。）提出的产生式规则。第一个化学领域的专家系统第一个化学领域的专家系统DENDRAL（Stanford）即采用）即采用PS 知识表达方式知识表达方式10 PS由事实和规则构成由事实和规则构成 事实：静态的知识，如事物、事件和它事实：静态的知识，如事物、事件和它们之间的关系。们之间的关系。规则（产生式规则）：规则（产生式规则）：表示推理和行为表示推理和行为的过程。的过程。IF THEN 前项表示条件，可由各条件用逻辑连接前项表示条件，可由各条件用逻辑连接词组成不同组合；词组成不同组合；后项为当条件为真时采取的行动或结论。后项为当条件为真时采取的行动或结论。11产生式系统结构产生式系统结构控制策略控制策略产生式规则产生式规则数据库数据库12 产生式系统推理：产生式系统推理：13框架理论框架理论 Frame 着重结构、组织着重结构、组织 七十年代由七十年代由MT的的M.Minsky提出的一提出的一种知识表达方法，作为理解视觉、自然种知识表达方法，作为理解视觉、自然语言对话及其它复杂行为的一种基础。语言对话及其它复杂行为的一种基础。框架：框架：人类日常分析和思维，使用从人类日常分析和思维，使用从 过去的经验中积累的知识。这过去的经验中积累的知识。这 些知识规模巨大而以很好的形些知识规模巨大而以很好的形 式保留在人们的记忆中。式保留在人们的记忆中。14Frame Frame_name Slot_name_1:Aspect_11,Aspect_value_11 Aspect_12,Aspect_value_12 Slot_name_n:Aspect_n1,Aspect_value_n1 Aspect_n2,Aspect_value_n2 框架通常描述一类物体，由一组描述物体的各框架通常描述一类物体，由一组描述物体的各方方面面的的槽槽组成，每个槽有自己的名字和值。组成，每个槽有自己的名字和值。在复杂结构中，槽下面可设几个在复杂结构中，槽下面可设几个侧面侧面，每个侧面，每个侧面各有自己的值。各有自己的值。15槽或侧面的取值可以是二值逻辑的槽或侧面的取值可以是二值逻辑的T或或F，可以是实数值，可以是文字以及其它形可以是实数值，可以是文字以及其它形式的定义域。还可以是一组子程序，称式的定义域。还可以是一组子程序，称为框架的程序附件为框架的程序附件框架结构中，各框架有联系：框架结构中，各框架有联系：纵向，纵向，继承关系，利于学习继承关系，利于学习 横向，横向，信息联系。信息联系。16 例，学校人员例，学校人员Personnel网络网络Teacher_1PersonnelFacultyFaculty-TeacherFaculty-CarderStudentTeacher_217在框架表示的知识库中，主要有两种活动在框架表示的知识库中，主要有两种活动，一是填槽，一是填槽，即框架中未知内容的槽需要填即框架中未知内容的槽需要填写；写；二是二是“匹配匹配”，根据已知事件寻找合适的框根据已知事件寻找合适的框架，并将该内容填入槽中。架，并将该内容填入槽中。主要推理形式：主要推理形式：默认推理：默认推理：通过继承关系通过继承关系匹配匹配18 语义网络语义网络 由语言符号的网络格式表示人类知识构由语言符号的网络格式表示人类知识构造造 的一种形式。的一种形式。19 不确定性不确定性 结论不确定性结论不确定性 证据不确定性证据不确定性知识的不确定性知识的不确定性 专家系统应用于某些领域时，结论很少专家系统应用于某些领域时，结论很少是完全确定的，因而，面临不确定问题。是完全确定的，因而，面临不确定问题。20 证据不确定性证据不确定性 PS前提部分，事实（观察到的）具有不前提部分，事实（观察到的）具有不确定性，如看到的物体确定性，如看到的物体 白色白色/灰色灰色？可信度可信度 -1 +1（或（或 0 1）当规则具有一个以上的条件时，就需要当规则具有一个以上的条件时，就需要根据各条件的可信度求总条件的可信度。根据各条件的可信度求总条件的可信度。21以模糊理论为基础的处理方法（取最小）以模糊理论为基础的处理方法（取最小）ANDAND0.90.51.00.5ANDAND0.90.51.00.45以概率论为基础的处理方法（相乘）以概率论为基础的处理方法（相乘）22OROR0.90.51.01.0取最大取最大23 专家控制目标专家控制目标 模拟、延伸、扩展模拟、延伸、扩展“控制专家控制专家”的思想、的思想、策略和方法策略和方法 ECS的功能的功能 P246 4.2 专家控制基本原理专家控制基本原理24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 专家系统专家系统：专门领域的问题咨询、推理：专门领域的问题咨询、推理辅助用户决策辅助用户决策 专家控制：专家控制：对控制动作独立决策对控制动作独立决策 专家系统专家系统：离线离线 专家控制：专家控制：在线在线25 专家控制算法专家控制算法 实质：实质：解析控制规律解析控制规律+启发式逻辑算法启发式逻辑算法 传统控制的特长：传统控制的特长：能够针对精确描述的能够针对精确描述的解析模型进行精确的数值求解。解析模型进行精确的数值求解。传统控制的缺陷：传统控制的缺陷：难于在大范围或复杂难于在大范围或复杂环境中取得完美控制效果。环境中取得完美控制效果。需要启发式逻辑需要启发式逻辑26 其实，传统控制技术中也存在许多启发其实，传统控制技术中也存在许多启发式逻辑，如：式逻辑，如：PID参数整定和优化参数整定和优化 不同算法的协调不同算法的协调 未建模动态的处理未建模动态的处理 系统在线运行的辅助操作系统在线运行的辅助操作 但并未形式化处理。但并未形式化处理。这正是专家控制的作用这正是专家控制的作用27 专家控制系统设计专家控制系统设计（1）模型描述）模型描述 如何描述复杂的工业系统如何描述复杂的工业系统 如何描述人的智能控制方式如何描述人的智能控制方式28 几种模型：几种模型：解析模型（白色的）、解析模型（白色的）、模糊模型模糊模型 灰色模型（部分已知、部分未知）灰色模型（部分已知、部分未知）模糊：内涵明确，外延不明确模糊：内涵明确，外延不明确 灰色：外延明确，内涵不明确灰色：外延明确，内涵不明确 知识模型知识模型 IF THEN ECS中应用最多中应用最多 一般地，在设计一般地，在设计ECS时，可将上述模型时，可将上述模型进行有机结合，形成一个综合模型进行有机结合，形成一个综合模型 29（2）信息处理和特征提取）信息处理和特征提取 通过检测仪表或软仪表获取信息通过检测仪表或软仪表获取信息 过程、运行、环境过程、运行、环境 特征提取：特征提取：特征行为：特征行为：描述各种运行状态行为特征集合描述各种运行状态行为特征集合30（3）控制策略）控制策略 控制模态：控制模态：开环、闭环、反馈、定性、定开环、闭环、反馈、定性、定量等。量等。控制策略：控制策略：比例、微分、积分、保持、增比例、微分、积分、保持、增量、状态反馈、典型操作（如量、状态反馈、典型操作（如Bang-Bang等）等）31（4）知识库）知识库 存放问题求解需要的领域知识存放问题求解需要的领域知识（5）自学习机构）自学习机构 衡量智能水平的重要标志衡量智能水平的重要标志 实现较难实现较难32（6）推理机）推理机 由行为空间由行为空间B到控制规则集到控制规则集U的映射集的映射集合。合。（7）数据库）数据库 各种已知条件、实时数据等当前信息，各种已知条件、实时数据等当前信息，以及与特定问题有关的各种临时数据的以及与特定问题有关的各种临时数据的集合。集合。33 间接和直接间接和直接ECS4.3 专家控制系统的典型结构专家控制系统的典型结构控制器控制器对象对象ECS间接间接ECSECS对象对象直接直接ECS34 strm 原型结构原型结构 K.J.strm,1986,“Expert Control”P251图图4.4 特点：特点：知识及处理过程分离知识及处理过程分离 知识基、数值算法、通讯并行运行知识基、数值算法、通讯并行运行 35数值算法：数值算法：控制（控制（PID、FUZZY）辨识（辨识（RLS）监控监控内部通讯：内部通讯：Box邮箱：邮箱：Out,In,Answer,Result,Timer知识基结构：知识基结构：知识源、黑板、调度器知识源、黑板、调度器364.4 专家控制示例专家控制示例 374.5 专家控制技术的研究课题专家控制技术的研究课题请自己查阅近期文献请自己查阅近期文献 实时推理实时推理 P264 非单调推理非单调推理 异步事件推理异步事件推理 按时序推理按时序推理 带有时间约束推理带有时间约束推理 并行推理并行推理 不确定推理不确定推理 知识获取知识获取 P266 浅层知识与深层知识浅层知识与深层知识 专家经验知识专家经验知识 动态知识动态知识38 广义上讲，各种智能控制方法研究的共广义上讲，各种智能控制方法研究的共同点就是使工程控制系统具有某种同点就是使工程控制系统具有某种“仿人仿人”的智能。的智能。39 稳定性分析稳定性分析 P270 ECS实际是非线性控制实际是非线性控制4.6 仿人智能控制仿人智能控制概念和定义概念和定义 特征模型：特征模型：描述控制系统行为特征描述控制系统行为特征 全体特征状态的集合全体特征状态的集合 一般由偏差和偏差变化率等组合构成一般由偏差和偏差变化率等组合构成 教材教材P274 q1 q8 特征辨识特征辨识40 特征记忆特征记忆 用于系统校正，适应学习及系统监控等。用于系统校正，适应学习及系统监控等。特征记忆表现了控制器前期决策与控制特征记忆表现了控制器前期决策与控制的效果及控制要求和对象性质的效果及控制要求和对象性质 控制模态控制模态 控制方式控制方式41原理和结构原理和结构 特征辨识特征辨识仿人推理仿人推理多模态控制多模态控制 典型控制模态典型控制模态 P277 m1m6,1 6 结构结构P278 图图4.18仿人智能控制的特点仿人智能控制的特点 分层的信息处理和决策机构分层的信息处理和决策机构 在线的特征辨识和特征记忆在线的特征辨识和特征记忆 多模态控制多模态控制 启发式直觉推理逻辑启发式直觉推理逻辑4237没有作业没有作业此课件下载可自行编辑修改，供参考！此课件下载可自行编辑修改，供参考！部分内容来源于网络，如有侵权请与我联系删除！部分内容来源于网络，如有侵权请与我联系删除！此课件下载可自行编辑修改，供参考！此课件下载可自行编辑修改，供参考！部分内容来源于网络，如有侵权请与我联系删除！部分内容来源于网络，如有侵权请与我联系删除！