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1、第五章 专家控制系统 Chapter 5 Expert Control System,智 能 控 制Intelligent Control,专家系统基本原理专家系统的主要类型及其结构专家控制系统的结构与类型专家控制系统的应用实例,5.1 专家系统的基本概念,5.1.1 专家系统的定义与一般结构1专家系统的定义定义5.1 专家系统,专家系统是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。,专家系统是一个智能计算机程序系统，其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解决问题的方法来处理该领域问题,以人类专家的水平完成特别困难的某一专业领域的任务。,2.专家系统的一般结构
2、,专家系统的结构是指专家系统各组成部分的构造方法和组织形式,图5.1 专家系统简化结构图,图5.2 理想专家系统结构图,一般应用程序与专家系统的区别在于：,前者把问题求解的知识隐含地编入程序，而后者则把其应用领域的问题求解知识单独组成一个实体，即为知识库。,知识库的处理是通过与知识库分开的控制策略进行的。更明确地说，一般应用程序把知识组织为两级：数据级和程序级；而大多数专家系统则将知识组织成三级；数据、知识库和控制。,专家系统的主要组成部分如下：,(1)知识库（Knowledge Base）,用于存储某领域专家系统的专门知识，包括事实、可行操作与规则等。,(2)综合数据库（Global Dat
3、abase）,又称全局数据库或总数据库，它用于存储领域或问题的初始数据和推理过程中得到的中间数据（信息），即被处理对象的一些当前事实。,(3)推理机（Reasoning Machine）,推理机用于记忆所采用的规则和控制策略的程序，使整个专家系统能够以逻辑方式协调地工作。,推理机能够根据知识进行推理和导出结论，而不是简单地搜索现成的答案。,(4)解释器（Explainator）,解释器能够向用户解释专家系统的行为，包括解释推理结论的正确性以及系统输出其它候选解的原因。,(5)接口（Interface）,接口又称界面，它能够使系统与用户进行对话，使用户能够输入必要的数据、提出问题和了解推理过程及
4、推理结果等。,5.1.2 专家系统的建造步骤,建立专家系统的一般步骤如下：,(1)设计初始知识库。知识库的设计是建立专家系统最重要和最艰巨的任务。初始知识库的设计包括：,(a)问题的知识化，即辨别所研究问题的实质，如要解决的任务是什么，它是如何定义的，可否把它分解为子问题或子任务，它包含哪些典型数据等。,(b)知识的概念化，即概括知识表示所需要的关键概念及其关系，如数据类型、已知条件（状态）和目标（状态）、提出的假设以及控制策略等。,(c)概念的形式化，即确定用来组织知识的数据结构形式，应用人工智能中各种知识表示方法把与概念化过程有关的关键概念、子问题及信息流特性等变换为比较正式的表达，它包括
5、假设空间、过程模型和数据特性等。,(d)形式的规则化，即编制规则、把形式化了的知识变换为由编程语言表示的可供计算机执行的语句和程序。,(e)规则的合法化，即确认规则化了知识的合理性，检验规则的有效性。,(2)原型机（prototype）的开发与试验。,包括整个模型的典型知识，而且只涉及与试验有关的足够简单的任务和推理过程。,(3)知识库的改进与归纳。反复对知识库及推理规则进行改进试验，归纳出更完善的结果。,图5.3 建立专家系统的步骤,5.2 专家系统的主要类型及其结构,5.2.1 基于规则的专家系统,1.基于规则的专家系统的工作模型,基于规则的专家系统采用下列模块来建立产生式系统的模型：,知
6、识库:以一套规则建立人的长期存储器模型工作存储器:建立人的短期存储器模型，存放问题事实和由规则激发而推断出的新事实推理机:借助于把存放在工作存储器内的问题事实和存放在知识库内的规则结合起来，建立人的推理模型，以推断出新的信息,2.基于规则专家系统的结构,图5.5 基于规则专家系统的结构,5.2.2 基于框架的专家系统,基于框架的专家系统建立在框架的基础之上；基于框架的专家系统采用面向目标编程技术；基于框架的设计和面向目标的编程共享许多特征；在设计基于框架系统时，专家系统的设计者们把目标叫做框架。,1.面向目标编程与基于框架设计,特征,名称,值,侧面,规则,目标议程表,人类,男人,女人,约翰,李
7、勇,丽达,王红,类（class）槽(Slots)子类（subclass)例子(instances)规则(rules)目标议程表(goal agenda),2.基于框架专家系统的结构,图5.6 人类的框架分层结构,3.基于框架专家系统的一般设计方法,基于框架专家系统的主要设计步骤与基于规则的专家系统相似，主要差别在于如何看待和使用知识；在设计基于框架的专家系统时，把整个问题和每件事想像为编织起来的事物；在辨识事物之后，寻找把这些事物组织起来的方法；对于任何类型的专家系统，其设计是个高度交互的过程。,5.2.3 基于模型的专家系统,1.基于模型专家系统的提出,关于人工智能的一个观点；综合各种模型的
8、专家系统比基于逻辑心理模型的系统具有更强的功能，从而有可能显著改进专家系统的设计；在诸多模型中，人工神经网络模型的应用最为广泛。,2.基于神经网络的专家系统,神经网络模型从知识表示、推理机制到控制方式，与目前专家系统中的基于逻辑的心理模型有本质的区别。三种神经网络模型与专家系统集成模式神经网络支持专家系统专家系统支持神经网络协同式的神经网络专家系统,神经网络专家系统的基本结构,关于神经网络专家系统的几个问题,神经网络的知识表示是一种隐式表示；神经网络通过实例学习实现知识自动获取；神经网络的推理是个正向非线性数值计算过程，同时也是一种并行推理机制；同一知识领域的几个独立的专家系统可组合成更大的神
9、经网络专家系统。,5.3 专家控制系统的结构与类型,定义：应用专家系统的概念和技术，模拟人类专家的控制知 识与经验而建造的控制系统，称为专家控制系统。,专家系统与专家控制系统之间的差别：,(1)专家系统 对专门领域的问题完成咨询作用，协助用户进行工作。专家系统的推理是以知识为基础的，其推理结果为知识项、新知识项或对原知识项的变更知识项。,专家控制系统需要独立和自动地对控制作用做出决策，其推理结果可为变更的知识项，或为启动（执行）某些解析算法。,(2)专家系统通常以离线(off-line)方式工作，而专家控制系统需要获取在线(on-line)动态信息，并对系统进行实时控制(real-time c
10、ontrol)。,按照系统结构的复杂性，专家控制一般有两种形式：专家控制系统和专家控制器（Expert Controller，EC）。,前者系统结构比较复杂，研制代价较高，具有较好的技术性能，可用于需要较高技术的装置或过程。后者结构比较简单，研制代价明显低于前者，技术性能又能满足工业过程控制的一般要求，因而获得了比较广泛的应用。,5.3.1 专家控制系统的控制要求与设计原则The Control Requirements and Design Fundamentals of ECS,传统的自适应控制存在两个显著缺点，即要求具有准确的装置模型以及不能为自适应机理设定有意义的目标。专家控制器不存在
11、这些缺点，因为它避开了装置的数学模型，并为自适应设计提供有意义的时域目标。,一般来说，对专家控制系统没有统一的、固定的要求，这种要求应由具体应用来决定。但我们仍可对专家控制系统提出一些综合性的要求。,1.专家控制系统的控制要求(The Control Requirements of ECS),(1)运行可靠性高,对于某些特别的装置或系统，如果不采用专家控制器来取代常规控制器，那么，整个控制系统将变得非常复杂，尤其是其硬件结构。其结果使系统的可靠性大为下降。,(2)决策能力强,大多数专家控制系统要求具有不同水平的决策能力。专家控制系统能够处理不确定性、不完全性和不精确性之类的问题，而这些问题常常
12、难以用常规控制方法来解决。,(3)应用通用性好,包括易于开发、示例多样性、便于混合知识表示、多种推理机制（如假想推理、非单调推理和近似推理）以及开放式的可扩充结构等。,(4)控制与处理的灵活性,包括控制策略的灵活性、数据管理的灵活性、经验表示的灵活性、解释说明的灵活性、模式匹配的灵活性以及过程链接的灵活性等。,(5)拟人能力,专家控制系统的控制水平必须达到人类专家的水准。,总之，专家控制系统的控制要求是根据应用情况指定的。例如，当某个装置具有明显的调节器非线性时，专家调节器的目标是双重的。第一个目标是根据饱和程度和阶跃下降，线性地估计调节器的非线性特性。第二个目标是调节控制器使闭环阶跃响应处在
13、预先设定的范围内。,(a)解析模型：微分方程、差分方程、传递函数、状态空间表达式和脉冲传递函数等。,(b)离散事件模型:主要应用在复杂系统的设计和分析方面。,(c)模糊模型,在未知对象的准确数学模型而只掌握了被控过程的一些定性知识时，用模糊数学的方法建立系统的输入和输出模糊集以及它们之间的模糊关系则较为方便。,2.专家控制器的设计原则（The Design Fundamentals of EC）,(1)模型描述的多样性,指的是在设计过程中，对被控对象和控制器的模型应采用多样化的描述形式，不应拘泥于单纯的解析模型。,(d)规则模型,产生式规则的基本形式为：（条件）（操作或结论）（5.1）,(e)
14、基于模型的模型,对于基于模型的专家系统，其知识库含有不同的模型，其中包括物理模型和心理模型（如神经网络模型和视觉知识模型等），而且通常是定性模型。,这种方法能够通过离线预计算来减少在线计算，产生简化模型使之与所执行的任务逐一匹配。,总之，在专家控制器的设计过程中，应根据不同情况选择一种或几种恰当的描述方式，以求更好地反映过程特性，增强系统的信息处理能力。,专家控制器一般模型可用如下形式表示：U=f(E,K,I,G)(5.2)式中 f 为智能算子，其基本形式为：IF E AND K THEN(IF I AND G THEN U)(5.3)E=e1,e2,.,em 为控制器输入集；K=k1,k2,
15、.,kn 为知识库中的经验数据与事实集；I=i1,i2,.,ip 为推理机构的输出集；G：为规则修改指令；U=u1,u2,.,uq为控制器输出集。,智能算子的基本含义是：根据输入信息和知识库中的经验数据与规则进行推理，然后根据推理结果，输出相应的控制行为。,(2)在线处理的灵巧性,智能控制系统的重要特征之一就是能够以有用的方式来划分和构造信息。在设计专家控制器时，应十分注意对过程在线信息的处理与利用。灵活地处理与利用在线信息将提高系统的信息处理能力和决策水平。,(3)控制策略的灵活性,控制策略的灵活性是设计专家控制器所应遵循的一条重要原则。,专家式控制器中还应设计异常情况处理的适应性策略，以增
16、强系统的应变能力。,(4)决策机构的递阶性,人的神经系统是由大脑、小脑、脑干、背髓组成的一个分层递阶决策系统。,以仿智为核心的智能控制，其控制器的设计必然要体现分层递阶的原则，即根据智能水平的不同层次构成分级递阶的决策机构。,(5)推理与决策的实时性,要求知识库的规模不宜过大，推理机构应尽可能简单，以满足工业过程的实时性要求。,5.3.2 专家控制系统的结构(The Structure of Expert Control System),以专家控制器取代传统控制器,如反馈控制系统中的PID控制器,即可构成专家控制系统。而如同专家系统一样,知识库和推理机是专家控制器的两个核心组成部分。,几乎所有
17、的专家控制系统（控制器）都包含知识库、推理机、控制规则集和或控制算法等。,图5.9 专家控制器的典型结构,1.工业专家控制器(Industrial Expert Controller),专家控制器（EC）的基础是知识库（KB），KB存储工业过程控制的领域知识，由经验数据库（）和学习与适应装置（）组成。,图5.10 工业专家控制器简化结构图,的知识库用产生式规则来建立，这种表达方式具有较高的灵活性，每条产生式规则都可独立地增删、修改，使知识库的内容便于更新。,控制规则集（Control Rule Set,）是对受控过程的各种控制模式和经验的归纳和总结。,特征识别与信息处理（Feature Rec
18、ognition&Information Processing，）：实现对信息的提取与加工，为控制决策和学习适应提供依据。它主要包括抽取动态过程的特征信息，识别系统的特征状态，并对特征信息作必要的加工。,黑板结构是一种强功能的专家系统结构和问题求解模型，它能够处理大量不同的、错误的和不完全的知识，以求解问题。,2.黑板专家控制系统（Blackboard Expert Control System),黑板系统的最大优点在于它能够提供控制的灵活性和具有综合各种不同的知识表示和推理技术的能力。例如，一个产生式规则系统或基于框架的系统可以作为黑板系统的一部分。,基本黑板结构是由一个黑板（）、一套独立的
19、知识源（KSs）和一个调度器组成。黑板系统提供了一种用于组织知识应用和知识源之间合作的工具。,图5.11 黑板专家控制系统的结构,黑板(BB):为一共享数据区；放在黑板上的对象可以是输入数据、局部结果、假设、选择方案和最后结果等。各知识源之间的交互作用是通过黑板执行的。,知识源(KSs):存储各种相关知识；每个知识源可视为专门用于处理一定类型的较窄领域信息或知识的独立程序，而且具有决定是否应当把自身信息提供给问题求解过程的能力。,控制器:控制黑板是一个含有控制数据项的数据库，这些控制数据项被控制器用来从一组潜在可执行的知识源中挑选出一个供执行用的知识源。,5.3.3 专家控制系统的类型(The
20、 Types of ECS),专家控制器有时又称为基于知识的控制器。以基于知识控制器在整个系统中的作用为基础，可把专家控制系统分为直接专家控制系统（Direct ECS）和间接专家控制系统（Indirect ECS)两种。,在直接专家控制系统中，控制器向系统提供控制信号，并直接对受控过程产生作用;而在间接专家控制系统中，控制器间接地对受控过程产生作用。,直接专家控制系统如下图（）所示。间接专家控制系统又可称为监控式专家控制系统或参数自适应控制系统。如下图（）所示。,(a)(b)图5.12 两种专家控制系统,在间接专家系统中，智能（基于知识）控制器用于调整常规控制器的参数，监控受控对象的某些特征
21、，如超调、上升时间和稳定时间等，然后拟定校正参数的规则，以保证控制系统处于稳定的和高质量的运行状态。,上述两种控制系统的主要区别是在知识的设计目标上：,直接专家控制系统的基于知识控制器直接模仿人类专家或人类的认知能力，并为控制器设计两种规则：训练规则和机器规则。训练规则由一系列产生式规则组成，它们把控制误差直接映射为受控对象的作用。机器规则是由积累和学习人类专家师傅的控制经验得到的动态规则，并用于实现机器的学习过程。,5.4 专家控制系统应用举例,1.实时控制系统的定义,如果一个控制系统：(1)对受控过程表现出预定的足够快的实时行为；(2)具有严格的响应时间限制而与所用算法无关；那么这种系统称
22、为实时控制系统。,2.实时系统与非实时系统的根本区别,实时系统具有与外部环境及时交互作用的能力。,3.实时专家控制系统的具体要求和设计特点：,5.4.1 实时控制系统的特点与要求,准确地表示知识与时间的关系。具有快速和灵敏的上下文激活规则。能够控制任意时变非线性过程。能够进行时序推理、并行推理和非单调推理。修正序列式基本控制知识。具有中断过程和异步事件处理能力。及时获取动态和静态过程信息，以便对控制系统进行实时序 列诊断。对不再需要的存储元件进行有效的回收，并保持传感器的过程。接受来自操作者的交互指令序列。连接常规控制器和其它应用软件。能够进行多专家系统之间以及专家系统与用户之间的通讯。,5.
23、4.2 高炉监控专家系统,1.高炉控制概况,（1）数据分析：分析和采集传感器的数据。（2）炉内静态状况分析：当操作约束条件改变很大时，要根 据分析结果来寻求最合适的操作方法。（3）炉况诊断：控制操作过程基本上是基于传感器数据的采 集、分析和过程模型的建立。,开发和建立专家控制系统对高炉进行控制，其主要目的有三:（1）利用人工智能技术，建立准确的控制系统。（2）将高炉操作技术标准化和规范化。（3）灵活处理经常性的系统变化要求。,2.高炉监控专家系统的结构与功能,（1）决定目标：明确系统的功能与所涉及的范围。（2）获取知识：研究有关高炉领域的技术文献资料，研究高炉操作员手册；从领域专家搜集知识。（
24、3）知识的汇编与系统化：把专家的思维过程进行归纳整理分类；检查其合理性和存在的矛盾；传感器数据模式整理和分类、数据滤波、分级和求导（差分）；知识模糊性（不确定性）的表示。（4）规则结构的设计：将规则分组和结构化，考虑推理的速度。（5）系统功能的划分：实现在线实时处理；将系统功能划分为预处理和推理二部分。（6）构造原型系统：描述规则和黑板模型；将实际系统和测试系统形式化。（7）评估与调整：利用离线测试系统调试系统；检查系统的有效性；调节确定性因子的值。（8）应用和升级：增加和校正规则,4.专家系统的知识表示与知识库结构,AFS中知识库的构成,（1）知识库按递阶形式构成，便于以不同的方式来表示各子
25、库的专家知识。（2）将规则集合分到各子知识库，便于检查各规则集的有效性。（3）采用递阶式多知识库结构来划分规则，可以改善推理效率。,这种设计具有下列优点：,在异常炉况预测系统中，实用的规则具有如下的形式：IF 炉料下降的速度低于XX，THEN 有可能发生沟道（确定因子为：X.XX）IF 炉料下降速度的积分小于YY，THEN 有可能发生沟道（确定因子为：Y.YY）在异常炉况预测系统知识库中,建立了约100条规则;在高炉熔炼监控系统的知识库中,约有300条规则。,5 传感数据的预处理,第一步是对传感器数据进行平滑。,在这个回归过程中，利用每分钟测量一次的N个数据，并以此拟合成以下的线性方程：(5.
26、8)使(5.9)为最小，由此决定系统 和，从 中计算。这也就是最小平方法。,第二步则是利用第一步的结果，抽取传感器数据特定的交变模式（这些数据造成炉况变化）。,（1）比较数据变化的趋向。例如，计算气体入口温度、炉子轴向温度的变化率；计算气体利用率等。（2）计算数据的级别。即计算顶部气体压力、吹风压力损失及炉料下降速度等数据所处的范围，看它们是否大于（或小于）极限值。（3）计算方差。（4）计算数据的积分值。（5）预测（拟合）典型的变化模式。（6）计算变化的量。,炉内传热可以分为5级，由于级别本身具有含糊性，也有必要引入隶属函数。对不同的传感器数据，可用右图所示的三维隶属函数。通过对隶属函数的复合运算和多种输入的组合，经过推理，系统会采取最合适的动作（或规则）来对高炉进行操作。,以炉内传热过程为例,5.5 小 结,按照系统的控制机理，又可把专家控制系统分为直接专家系统和间接专家控制系统两种。前者由控制器直接向受控过程提供控制信号；而后者由控制器间接对受控制过程发生作用。,专家控制系统是近年来最活跃和广泛应用的智能控制领域之一。,根据系统结构的复杂性，可把专家控制系统分为两类，即专家控制器和专家控制系统。专家控制器的应用更为广泛，尤其是在工业过程控制上的应用。,大多数专家控制器控制系统具有递阶结构。在设计专家控制器时，应特别注重知识库和推理机或黑板的设计。,
