智能控制導論國家精品課程配套教材蔡自興1智能控制教學課件第3章

專家控制3.1專家系統(tǒng)的基本概念3.2專家系統(tǒng)的主要類型及其結構3.3專家控制系統(tǒng)的結構與類型3.4專家控制系統(tǒng)應用舉例3.5小結智能系統(tǒng)與智能軟件研究所23.1專家系統(tǒng)的基本概念3.1.1專家系統(tǒng)的定義與一般結構專家系統(tǒng)的定義專家系統(tǒng)：專家系統(tǒng)是一個智能計算機程序系統(tǒng)，是一種模擬人類專家解決領域問題的計算機程序系統(tǒng)?；谥R的專家：專家系統(tǒng)是廣泛應用專門知識以解決人類專家水平問題和人工智能的一個分支。專家系統(tǒng)又稱為基于知識的專家系統(tǒng)。33.1.1專家系統(tǒng)的結構與類型專家系統(tǒng)的結構3.1專家系統(tǒng)的基本概念接口知識庫解釋器計劃議程中間解調(diào)度器協(xié)調(diào)器執(zhí)行器用戶黑板推理機知識庫推理機專家知識輸入或提問答案理想專家系統(tǒng)的結構圖專家系統(tǒng)的簡化結構圖43.1.1專家系統(tǒng)的結構與類型專家系統(tǒng)的主要組成部分知識庫（knowledgebase）用于存儲某領域專家系統(tǒng)的專門知識，包括事實、可行操作與規(guī)則等綜合數(shù)據(jù)庫（globaldatabase）用于存儲領域或問題的初始數(shù)據(jù)和推理過程中得到的中間數(shù)據(jù)（信息），即被處理對象的一些當前事實。推理機（reasoningmachine）用于記憶所采用的規(guī)則和控制策略的程序，使整個專家系統(tǒng)能夠以邏輯方式協(xié)調(diào)地工作解釋器（explainator）能夠向用戶解釋專家系統(tǒng)的行為接口（interface）它能夠使系統(tǒng)與用戶進行對話，使用戶能夠輸入必要的數(shù)據(jù)、提出問題和了解推理過程及推理結果等3.1專家系統(tǒng)的概念53.1.2專家系統(tǒng)的建造步驟專家系統(tǒng)的建造步驟

設計初始化知識庫問題知識化知識概念化形式規(guī)則化規(guī)則合法化

原型機的開發(fā)與試驗知識庫的改進與歸納3.1專家系統(tǒng)的基本概念63.1.3建造專家系統(tǒng)的步驟與設計技巧專家系統(tǒng)的建造步驟

設計初始化知識庫問題知識化知識概念化形式規(guī)則化規(guī)則合法化

原型機的開發(fā)與試驗知識庫的改進與歸納3.1專家系統(tǒng)的基本概念知識化概念化形式化規(guī)則化合法化問題知識概念結構規(guī)則改進再設計形式重新闡述建造專家系統(tǒng)的步驟流程圖73.2

專家系統(tǒng)的主要類型及其結構專家系統(tǒng)的類型基于規(guī)則的專家系統(tǒng)基于規(guī)則專家系統(tǒng)的工作模型第3章專家控制知識庫（規(guī)則）工作存儲器（事實）推理機83.2.1

基于規(guī)則的專家系統(tǒng)基于規(guī)則專家系統(tǒng)的結構3.2專家的主要類型及其結構解釋器外部程序用戶界面工作存儲器開發(fā)界面知識庫推理機知識工程師用戶93.2.2建造專家系統(tǒng)的步驟與設計技巧基于框架的專家系統(tǒng)面向目標編程與基于框架設計基于框架的專家系統(tǒng)就是建立在框架的基礎之上的面向目標編程涉及其所有數(shù)據(jù)均以目標的形式出現(xiàn)基于框架專家系統(tǒng)的結構的與基于規(guī)則的專家系統(tǒng)的定義類似，基于框架的專家系統(tǒng)是個人計算機程序，該程序使用一組包含在知識庫內(nèi)的框架對工作存儲器內(nèi)的具體問題信息進行處理3.2專家系統(tǒng)的主要類型及其結構103.2.3基于模型的專家系統(tǒng)基于模型專家系統(tǒng)的提出人工智能是對各種定性模型的獲得、表達及使用的計算方法進行研究的學問知識系統(tǒng)中的知識庫是由各種模型綜合而成的，而這些模型又往往是定性的模型。模型的建立與知識密切相關，模型概括了定性的物理模型和心理模型專家系統(tǒng)的設計，是由一些原理與運行方式不同的模型綜合而成基于神經(jīng)網(wǎng)絡的專家系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡支持專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)支持神經(jīng)網(wǎng)絡協(xié)同式神經(jīng)網(wǎng)絡專家系統(tǒng)3.2專家系統(tǒng)的主要類型及其結構113.2.3基于模型的專家系統(tǒng)專家控制系統(tǒng)定義專家控制系統(tǒng)應用專家系統(tǒng)的概念和技術，模擬人類專家的控制知識與經(jīng)驗而建造的控制系統(tǒng)。專家系統(tǒng)只對專門領域的問題完成咨詢作用，協(xié)同用戶進行工作專家系統(tǒng)通常以離線的方式工作，而專家控制系統(tǒng)需要在線獲得動態(tài)信息，并對系統(tǒng)進行實時控制3.2專家系統(tǒng)的主要類型及其結構123.3專家控制系統(tǒng)的結構與類型3.3.1專家控制系統(tǒng)的控制要求與設計原則專家控制系統(tǒng)的控制要求運行可靠性高它通常具有方便的監(jiān)控能力

決策能力強決策是基于知識的控制系統(tǒng)的關鍵能力之一

應用通用性好包括易于開發(fā)、示例多樣性、便于混合知識表示、全局數(shù)據(jù)庫的活動維數(shù)、基本硬件的機動性、多種推理機制（如假想推理、非單調(diào)推理和近似推理）以及開放式的可擴充結構等

控制與處理的靈活性包括控制策略的靈活性、數(shù)據(jù)管理的靈活性、經(jīng)驗表示的靈活性、解釋說明的靈活性、模式匹配的靈活性以及過程連接的靈活性等

擬人能力專家控制系統(tǒng)的控制水平必須達到人類專家的水準

133.3.1專家控制系統(tǒng)的控制要求與設計原則專家控制器的設計原則模型描述的多樣性解析模型離散事件模型模糊模型規(guī)則模型基于模型的模型在線處理的靈巧性控制策略的靈活性決策機構的遞階性推理與決策的實時性3.3

專家控制系統(tǒng)的結構與類型143.3.2

專家控制系統(tǒng)的結構專家控制器取代傳統(tǒng)控制的PID控制器，即構成專家控制系統(tǒng)。知識庫和推理機是專家控制器的核心組成部分3.3

專家控制系統(tǒng)的結構與類型知識庫推理機工作存儲器受控裝置專家控制系統(tǒng)原理圖輸出專家控制器給對輸入RU指令輸入Y153.3.2專家控制系統(tǒng)的結構專家控制器的典型結構3.3

專家控制系統(tǒng)的結構與類型用戶接口推理機知識庫D/A執(zhí)行器A/D傳感器控制算法數(shù)字處理領域數(shù)據(jù)執(zhí)行器控制器

監(jiān)控該裝置或過程的操作運行

檢查系統(tǒng)部件可能出現(xiàn)的失效或故障，替換有關故障部件或修改控制算法，以便維持系統(tǒng)的應有性能在特殊情況下，選擇合適的控制算法來適應系統(tǒng)參數(shù)或環(huán)境的變化163.3.2專家控制系統(tǒng)的結構工業(yè)專家控制器KB存放工業(yè)過程控制的領域知識，DB和LA組成

CRS是對受控過程的各種控制模式和經(jīng)驗的歸納和總結

FR＆IP實現(xiàn)對信息的提取與加工，為決策和學習提供依據(jù)

3.3

專家控制系統(tǒng)的結構與類型R傳感器對象知識庫(KB)控制規(guī)則集(CRS)特征識別與信息處理(FR&IP)推理機構(IE)SIUKYGUe專家控制器(EC)173.3.2專家控制系統(tǒng)的結構黑板專家控制系統(tǒng)黑板（BB）、知識源（KSs）、控制器

3.3

專家控制系統(tǒng)的結構與類型輸入數(shù)據(jù)···用戶接口知識源n黑板知識源1知識源2控制單元···第1層第k層第(k-1)層︰︰第i層︰︰第2層183.3.3專家控制系統(tǒng)的類型直接專家控制系統(tǒng)和間接專家控制系統(tǒng)直接專家控制系統(tǒng)的基于知識控制器直接模仿人類專家或人類的認知能力，并為控制器設計兩種規(guī)則：訓練規(guī)則和機器規(guī)則在間接專家系統(tǒng)中，智能（基于知識）控制器用于調(diào)整常規(guī)控制器的參數(shù)，監(jiān)控受控對象的某些特征3.3

專家控制系統(tǒng)的結構與類型基于知識控制過程過程常規(guī)控制器基于知識控制193.4專家控制系統(tǒng)應用舉例3.4.1

實時控制系統(tǒng)的特點與要求實時控制系統(tǒng)定義對受控過程表現(xiàn)出預定的足夠快的實時行為具有嚴格的響應時間限制而與所有算法無關實時控制系統(tǒng)具有與外部環(huán)境及時交互作用的能力系統(tǒng)在與外部環(huán)境交互作用時，受到處理（控制）時間的約束實時控制系統(tǒng)的具體要求和設計特點準確的表示知識與時間的關系。具有快速和靈敏的上下文激活規(guī)則能夠控制任意時變非線性過程203.4.1

實時控制系統(tǒng)的特點與要求實時控制系統(tǒng)的具體要求和設計特點能夠進行時序推理、并行推理和非單調(diào)推理修正序列的基本控制知識具有中斷過程和異步時間處理能力及時獲取動態(tài)和靜態(tài)過程信息，以便于對控制系統(tǒng)進行實時診斷有效回收不再需要的存儲元件，并保持傳感器的過程接受來自操作者的交互指令序列連接常規(guī)控制器和其他應用軟件能夠進行多專家系統(tǒng)之間以及專家系統(tǒng)與用戶之間的通信3.4專家控制系統(tǒng)應用舉例213.4.2

高爐監(jiān)控專家系統(tǒng)高爐管理系統(tǒng)的復雜數(shù)學模型

數(shù)據(jù)分析爐內(nèi)靜態(tài)狀況分析爐況診斷開發(fā)和建立專家系統(tǒng)對高爐控制的主要目的利用人工智能技術，建立準備的控制系統(tǒng)將高爐操作技術標準化和規(guī)范化靈活處理經(jīng)常性的系統(tǒng)變化要求3.4專家控制系統(tǒng)應用舉例223.4.2

高爐監(jiān)控專家系統(tǒng)高爐監(jiān)控專家系統(tǒng)的結構與功能

組成部分異常爐況預測系統(tǒng)（AFS），用于預測爐內(nèi)爐料滑動和溝道的產(chǎn)生情況高爐熔煉監(jiān)控系統(tǒng)（HCS），用于判斷爐內(nèi)熔煉過程并指導操作員對高爐進行合理的操作系統(tǒng)功能推理的預處理部分，用常規(guī)的方法在過程計算機上執(zhí)行推理部分，用知識工程技術在AI（人工智能）處理器上實現(xiàn)3.4專家控制系統(tǒng)應用舉例233.5小結專家控制系統(tǒng)是有廣泛應用的智能控制領域之一根據(jù)系統(tǒng)的