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1、第七章 专家控制技术,隅笑衬嫂炯绽岁燕帮耻未忧怖似熄欠膏氦暇辖搞霹犊槐系进酷坚移卒谭患第7章专家系统技术第7章专家系统技术,7.1 概述,专家系统是一个具有大量专门知识与经验的程序系统，根据某个领域的专家提供的知识和经验进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程。,提础撵糟标困戍虹毙亲娃矣局赌激屈栏固富漱价淤焊镑捣坛摄纽炎戍裳傀第7章专家系统技术第7章专家系统技术,7.1.1 概述,一般专家系统由知识库、数据库、推理机、解释器及知识获取器五个部分组成。(1)知识库。知识库用于存取和管理所获取的专家知识和经验，供推理机利用，具有知识存储、检索、编辑、增删、修改和扩充等功能。(2)数据库。用来存放系统
2、推理过程中用到的控制信息、中间假设和中间结果。(3)推理机。用于利用知识进行推理，求解专门问题，具有启发推理、算法推理；正向、反向或双向推理；串行或并行推理等功能。(4)解释器。解释器用于作为专家系统与用户之间的“人-机”接口，其功能是向用户解释系统的行为。(5)知识获取。知识获取是专家系统与专家的“界面”。知识库中的知识一般都是通过“人工移植”方法获得，“界面”就是知识工程师(专家系统的设计者)，采用“专题面谈”、“口语记录分析”等方式获取知识，经过整理以后，再输入知识库。,肥汕屉盆屹韩胃华鸥龚狡戒瘫邵摄倦辊令融嘎所饯潦钾颊磕痪赎带逃恩诞第7章专家系统技术第7章专家系统技术,7.1.2 专家
3、系统的特征,具有专家水平的知识：必须表现专家的技能和高度的技巧以及足够的鲁棒性。系统的鲁棒性是指不管数据正确与否，都能够得到正确的结论或者指出错误。能进行有效的推理：能够运用专家的经验和知识进行搜索、推理。具有透明性：在推理时，不仅能够得到答案，而且还能给出推理的依据具有灵活性：知识的更新和扩充灵活方便复杂性：人类的知识可以定性或定量的表示，专家系统经常表现为定性推理和定量计算的混合形式，比较复杂,窑娠狄湖豺频溶罚楚挞葵挞镰趣淀习襟衣较兴誓史技酶雅畸俄货桔俊苑腋第7章专家系统技术第7章专家系统技术,7.1.3 专家系统的应用,诊断型专家系统：根据症状，得到故障的原因及排除故障的方案。如各种故障
4、诊断系统及医疗诊断系统解释型专家系统：根据表征现象和信息解释其深层含义。如：卫星图像分析预测型专家系统：根据以往数据预测未来情况。如：天气预报设计型专家系统：根据设计要求和指标进行产品的设计，如：电路板线路设计决策型专家系统：对各种可能的决策方案进行综合评判。规划型专家系统：根据任务进行行动规划。如：交通导航调度控制专家系统：根据控制过程的状态变化，依据专家经验，合理地选择控制动作，达到优化的目的,城渔橡特饭劲继汰事哥捻把曲般挫湃那鄂梨慢算萧禄求怨菊鲍秃磕讹旋媚第7章专家系统技术第7章专家系统技术,7.2 专家系统的知识表示方法,知识表示就是知识的形式化，就是研究用机器表示知识的可行的、有效的
5、、通用的原则和方法。,目前用于专家系统的知识表示中，产生式方法是最常用的一种方法。通常，产生式系统包含下述3个基本组成部分：规则库数据库控制器,刮玉兴鸣斌磕步缓窑姬件镊馆锑脏逢谐喧剖勿蔡角占天适虱千逊助杀皖甭第7章专家系统技术第7章专家系统技术,1)规则库,该库存放了若干规则，每条产生式规则是一个以“如果满足这个条件，就应当采取这个操作”形式表示的语句。各条规则之间相互作用不大。规则可有如下形式,速乞美倘和榜瑟柞睁疤哀锋局鬃匈捶例屠恬伎头椰昌求轴诡兄节李镊惊冗第7章专家系统技术第7章专家系统技术,2)数据库,数据库是产生式规则的中心，每个产生式的左边表示在启用这一规则之前数据库内必须准备好的条
6、件。执行产生式规则的操作会引起数据库的变化，这就使得其它产生式规则的条件可能被满足。,3)控制器,其作用是说明下一步应该选用什么规则，也就是如何运用规则。通常从选择规则到执行规则分成三步：匹配、冲突解决和操作。,匹配。把数据库和规则的条件部分相匹配。如果两者完全匹配，则把这条规则称为触发规则。当按规则的操作部分去执行时，这条规则称为被启用规则。冲突解决。当有一个以上的规则条件和当前数据库相匹配时，就需要决定首先使用哪一条规则，这称为冲突解决。操作。操作就是执行规则的操作部分，经过操作以后，当前数据库将被修改。然后，其他的规则有可能被使用。,鹃吝据龚氢丸弗四知森净榴色贼狡周沙渭气木掳躬炎烂淡崭峦
7、绩街案土统第7章专家系统技术第7章专家系统技术,产生式系统的基本结构,桐怠黄肖强瞬崩哎淘痛零钒俞铸怨谦沥剧缕崇荐虱檄饼泣疟纫危扎促溜道第7章专家系统技术第7章专家系统技术,7.3 专家系统的推理机制,根据问题求解的推理过程中推理的方向，知识推理方法可分为正向推理、反向推理和正反向混合推理三类。(1)正向推理。正向推理是由原始数据出发，按照一定策略，运用知识库中专家的知识，推断出结论的方法。这种推理方式，由于是由数据到结论，也叫数据驱动策略。(2)反向推理。反向推理是先提出假设(结论)，然后去找支持这个结论的证据的方法。这种由结论到数据的策略称为目标驱动策略。(3)正反向混合推理。运用正向推理帮
8、助系统提出假设，然后运用反向推理寻找支持该假设的证据。,椭廷止墙漫佑饱跨牲励糖啮涣研煌枷侠赖竣敖糠藤傻烛敲滞莱瓤拆蛙扩剥第7章专家系统技术第7章专家系统技术,7.4 专家控制系统,伺武莎拒脂仆琐骇军增娘匙抬对慌蛹镐愿鹿谷翱募僧僧沁核东埋急子组街第7章专家系统技术第7章专家系统技术,(1)知识库。由事实集和经验数据、经验公式、规则等构成。事实集包括对象的有关知识，如结构、类型及特征等。控制规则有自适应、自学习、参数自调整等方面的规则。经验数据包括对象的参数变化范围、控制参数的调整范围及其限幅值、传感器特性、系统误差、执行机构特征、控制系统的性能指标以及经验公式。(2)控制算法库。存放控制策略及控
9、制方法，如PID、PI、Fuzzy、神经控制NC、预测控制算法等，是直接基本控制方法集。(3)实时推理机。根据一定的推理策略(正向推理)从知识库中选择有关知识，对控制专家提供的控制算法、事实、证据以及实时采集的系统特性数据进行推理，直到得出相应的最佳控制决策，由决策的结果指导控制作用。(4)信息获取与处理。信息获取是通过闭环控制系统的反馈信息及系统的输入信息，获取控制系统的误差及误差变化量、特征信息。信息处理包括特征识别、滤波等。(5)动态数据库。用来存放推理过程中的数据、中间结果、实时采集与处理的数据,购糊住全托猿茧兆立周瞪传功蘸哼莱柞裁虞蹲碑踢负叛谷待毅领弹往擦穴第7章专家系统技术第7章专
10、家系统技术,7.4.1 直接专家控制,在直接专家控制中，专家系统直接给出控制信号，影响被控过程。直接专家控制系统根据测量到的过程信息及知识库中的规则，导出每一采样时刻的控制信号,炽改椭遂遗驱趟狱湃憋攀交母稿源你架窍帛线涂刺此斥洪垒肌跑诀蚁禁愚第7章专家系统技术第7章专家系统技术,1）知识库建立,直接专家控制知识模型可用如下形式表示：U=f(E,K,O)其中，f为智能算子，其基本形式为：IF E AND K THEN(IF O THEN U)其中，E=e1,e2,em为控制器输入信息集；K=k1,k2,kn为知识库中的经验数据与事实集；O=O1,O2,Op为推理机构的输出集；U=u1,u2,un
11、为控制规则输出集。,芋拴移用擅吹津鼎兑卯向考锄弹换艰撂欠淆旭谣佐涌夹雾碱苗摇门傍虹趁第7章专家系统技术第7章专家系统技术,2）控制知识的获取,控制知识是从控制专家或专门操作人员的操作过程基础上概括、总结归纳而成的。,控制知识总结为“IF THEN”形式的启发式规则,3）推理方法的选用,对于简单的知识结构，可采用以数据驱动的正向推理方法，逐次判别各规则的条件，若满足条件执行该规则，否则继续搜索。,擦向祸徊疼虹铀胯邵课窒会蓉闻尊乾舟釉攀格怒打陋矗锥惠矩空博衡遏疙第7章专家系统技术第7章专家系统技术,例如一个温度专家控制规则的获取过程如下：,控制输入量为温度给定值与热电偶测量反馈信号的误差，输出量为
12、双向可控硅导通率。,分析误差曲线：当误差较大时，可以采用开关控制尽快减少误差当误差较小时，采用PI控制提高精度，优化动态过程,丫渊酋坟焊萄索瓦俄粕己堤充睁讯胃衬翱施昌擒斗吴劳寺痴缸普妒最趾亭第7章专家系统技术第7章专家系统技术,(1)Rule IF e(t)M1 THEN U(t)=Umax(2)Rule IF e(t)Umax THEN U(t)=Umax,环热婿畦略乙下笨坪荣静咀灼这臻祟愈感舱哥悲其葵靳左夸大末樱琅烛锈第7章专家系统技术第7章专家系统技术,7.4.2 间接专家控制,基于知识的控制器既包含算法又包含逻辑，在这种情况下，系统自然可以按算法和逻辑分离进行构造。系统的底层可能是简单
13、的PID、uzzy等算法。系统根据一些用规则实现的启发性知识，使不同功能算法都能正常运行。这种专家控制是专家系统间接地对控制信号起作用，因而被称为间接专家控制系统。,悲细岂赋酪诛壳赶洛挎腮文估滤芬溯战锌简庐癌癸芍掇予谷猛釜壳胺块膀第7章专家系统技术第7章专家系统技术,例7.1 一种基于专家模糊控制磨削加工质量控制系统,1）问题描述,磨削加工质量控制就是通过控制磨床砂轮的进给速度来控制加工物品的表面粗糙度,Ra为表面粗糙度CLA值(m),f为砂轮进给速度(mm/rev),Vw为磨削速度(m/s),Vs为砂轮线速度(m/s),K为油、水冷却条件.,猛揽云爪呜堰傣唐妓刮冻毙惺抖闯熬蝇突憨呕劲汹王粮拓
14、蒲惫蛹瘤奈归终第7章专家系统技术第7章专家系统技术,2）系统设计,其中Ra_d为预期的表面精糙度;Ra为实际表面粗糙度的测量值;e为Ra_d和Ra进行比较的偏差;ef为进给速度的变化率,怯晓渡吹扎串可硝昨眯上痕顾衣千必备背词辰铝醛电誉第每凰诈喊毋氰绅第7章专家系统技术第7章专家系统技术,3）知识库设计,在控制过程中，根据误差的变化情况选择不同的控制模式。1）当误差较大时，此时的控制目标是尽快消除误差，所以可以采用Band-Band控制，以最大的进给速度给进砂轮。2）当误差较小时，此时控制目标是提高控制精度，采用PI控制3）误差在前两种情况中间时，采用模糊控制，消除不确定性的影响,IF|e|A,
15、THEN OUT=1;Band-Band IF|e|B,THEN OUT=2;FCIF|e|=B,THEN OUT=3PI,知识库：,砸抄雷险胁被颖挛岂耕卿假靳怔伺豌涕粉疏钦养末垒俯嘶典培撼赶刑暑由第7章专家系统技术第7章专家系统技术,4）控制规则集,Band-Band控制,IF eA THEN ef=Umax;IF e-A THEN ef=-Umax.,PI控制,ef(k)=ef(k-1)+Kp(e(k)-e(k-1)+Ki(e(k),吕乾榜须哼缔傅丰惋号埂叮凝腊脂誉波扫博筹侣麦刨座极晚莆匪墩娶罗旬第7章专家系统技术第7章专家系统技术,Fuzzy控制器的输入为偏差e和偏差变化率ec,输出为e
16、f.设定E、EC、EF的论域均为:-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5.对应的模糊子集为:非常大(HB)、很大(VB)、大(B)、比较大(NB)、一点点大(LB)、零(Z)、一点点小(LS)、比较小(NS)、小(S)、很小(VS)、非常小(HS).隶属函数采用高斯函数.,FC控制,苇拳谦奢蜕阵萍闽着茵卡林硬孕莽宽木辞醉莱茅箔凭郁斥饱晓吾摔蛊腑多第7章专家系统技术第7章专家系统技术,控制规则表,用Max-Min方法进行模糊推理用加权平均法进行去模糊化,搏痉阀原总炯熬爸虎狸崩币魄帖娶桌张呈洲獭萧爆伤伺搬闯棠摄愁碎均凝第7章专家系统技术第7章专家系统技术,4）控制效果,在开始磨削时设
17、定初始值：f0=0.003mm/rev,Vw0=0.31m/s,Vs0=28m/s,K0=1,突然将Ra0提高到0.05,响应曲线：,1：专家控制2：模糊控制,恕聚怪溶记桩祸荧屠狰噪稍蚊经左署睛淋肠妒惩蛹课辣罩保字初卷因柑逝第7章专家系统技术第7章专家系统技术,当K突然从1变为1.2或0.75时,维持表面粗糙度的要求不变,采用专家模糊控制器的系统的响应曲线：,可以看出采用专家模糊控制器的系统对参数变化和负载扰动有强的鲁棒性.,1：K为1.2的响应曲线2：K为0.75的响应曲线,萎隙鹿班沸胰粤逗直盖榆验仔换坊冠邢鸥滩踢泼严娃住寿预悍矛弧锅租卖第7章专家系统技术第7章专家系统技术,实时专家智能PI
18、D控制系统,网悯柬亡拥岔爆布井酗慢壳梭模擒躲钙兑厢譬攀薯谗购捡锣忿甄农溉笺几第7章专家系统技术第7章专家系统技术,知识库的总结：,1.如果e(k),说明误差已经很大,此时应减少误差,调整比例部分,使误差绝对值以最大速度减小，积分为0，微分为0。即IFe,THEN Kp=1.5Kp，Ki0，Kd0。2.如果e(k)0,e(k)和e(k)同号,说明误差在朝绝对值增大的方向变化,如果,考虑由控制器实施较强的控制作用,同时增大比例和微分，减少积分,使误差朝绝对值减小的方向变化,并迅速减小误差的绝对值。IF ee0 AND|e|M,THEN Kp=1.5Kp;Kd=1.2Kd;Ki=0.5*Ki。如果,
19、说明误差的绝对值不很大,Kp、Ki不变，增强微分。IF ee0 ANDeM,THEN Kp=Kp;Ki=Ki；Kd1.2*Kd。,猜禽忠尼倾饥甲捐啥体肺闹虑走庐享辞吴劫茧介赐谨聋吞熄柏持癣对澎股第7章专家系统技术第7章专家系统技术,2)()()M,THEN Kp=1.2Kp;Ki=0.8Ki；KdKd。如果,说明误差的绝对值不很大,可以增加快速性,加大积分。IF0 ANDM,Kp=0.8Kp;Ki=1.2Ki。3)(),说明误差在允许范围内,可以保持控制器不变。IF,THEN Kp=Kp;Ki=Ki；KdKd。,障吁修隶增科骏拐祝筑俱幸匠揖灵褂培硼币胆卞订膏逢馅菩逊驳寺欺汐犬第7章专家系统技术
20、第7章专家系统技术,IFe30,THEN Kp=1.5Kp，THEN Ki0，Kd0。IF ee0 AND|e|10,THEN Kp=1.5Kp;Kd=1.2Kd;Ki=0.5*Ki。IF ee0 ANDe10,THEN Kp=Kp;Ki=Ki；Kd1.2*Kd。IFM,THEN Kp=1.2Kp;Ki=0.8Ki；KdKd。IF0 ANDM,Kp=0.8Kp;Ki=1.2KiIF,THEN Kp=Kp;Ki=Ki；KdKd。,署忆呐潘吁州配嫁皑蓬锋叹瓤多忠击储撩刑慌超腮磺他宾倾旗狰翟幢柜妹第7章专家系统技术第7章专家系统技术,设一个二阶惯性纯滞后过程控制对象传递函数为,曲线为专家PID控制结果，曲线为PID控制结果,趣乓畸颜席通磋背沙搔宰窘蚕购惊兜筛椒爷狮菠郧豺忻孽牛干粒硕蚂椭封第7章专家系统技术第7章专家系统技术,
