在傳統控制系統中，系統的運行排斥了人的干預，人-機之間缺乏交互。控制器對被控對象在環境中的參數、結構的變化缺乏應變能力。傳統控制理論的不足，在于它必須依賴于被控對象嚴格的數學模型，試圖對精確模型來求取最優的控制效果，而實際的被控對象存在著許多難以建模的因素。第2章專家控制1精品PPT|借鑒參考第一頁，共四十一頁。

上世紀80年代初，人工智能中專家系統的思想和方法開始被引入控制系統的研究和工程應用中。專家系統能處理定性的、啟發式或不確定的知識信息，經過各種推理來達到系統的任務目標。專家系統為解決傳統控制理論的局限性提供了重要的啟示，二者的結合導致了專家控制這一方法。2精品PPT|借鑒參考第二頁，共四十一頁。2.1專家系統

2.1.1專家系統概述

2.1.2專家系統構成

2.1.3專家系統的建立2.2專家控制

2.2.1概述

2.2.2基本原理

2.2.3專家控制的關鍵技術及特點2.3專家PID控制

2.3.1專家PID控制原理

2.3.2仿真程序及分析3精品PPT|借鑒參考第三頁，共四十一頁。2.1專家系統2.1.1專家系統概述1．定義

專家系統是一類包含知識和推理的智能計算機程序，其內部包含某領域專家的知識和經驗，具有解決專門問題的能力。4精品PPT|借鑒參考第四頁，共四十一頁。2．發展歷史

分為三個時期：(1)初創期（1965-1971年）第一代專家系統DENLDRA和MACSMA的出現，標志著專家系統的誕生。其中DENLDRA為推斷化學分子結構的專家系統，由專家系統的奠基人，Stanford大學計算機系的Feigenbaum教授及其研究小組研制。MACSMA為用于數學運算的專家系統，由麻省理工學院完成。5精品PPT|借鑒參考第五頁，共四十一頁。（2）成熟期（1972-1977年）

在此期間斯坦福大學研究開發了最著名的專家系統-血液感染病診斷專家系統MYCIN，標志專家系統從理論走向應用。另一個著名的專家系統-語音識別專家系統HEARSAY的出現，標志著專家系統的理論走向成熟。6精品PPT|借鑒參考第六頁，共四十一頁。（3）發展期（1978-現在）

在此期間，專家系統走向應用領域，專家系統的數量增加，僅1987年研制成功的專家系統就有1000多種。專家系統可以解決的問題一般包括解釋、預測、設計、規劃、監視、修理、指導和控制等。目前，專家系統已經廣泛地應用于醫療診斷、語音識別、圖象處理、金融決策、地質勘探、石油化工、教學、軍事、計算機設計等領域。7精品PPT|借鑒參考第七頁，共四十一頁。知識庫規則庫數據庫推理機解釋程序調度程序推理咨詢知識獲取領域專家專家系統用戶專家系統的結構

專家系統主要由知識庫和推理機構成。2.1.2專家系統構成8精品PPT|借鑒參考第八頁，共四十一頁。2.1.3專家系統的建立

1．知識庫知識庫包含三類知識：（1）基于專家經驗的判斷性規則；（2）用于推理、問題求解的控制性規則；（3）用于說明問題的狀態、事實和概念以及當前的條件和常識等。

知識庫包含多種功能模塊，主要有知識查詢、檢索、增刪、修改和擴充等。知識庫通過人機接口與領域專家相溝通，實現知識的獲取。9精品PPT|借鑒參考第九頁，共四十一頁。2．推理機

推理機是用于對知識庫中的知識進行推理來得到結論的“思維”機構。推理機包括三種推理方式：（1）正向推理：從原始數據和已知條件得到結論；（2）反向推理：先提出假設的結論，然后尋找支持的證據，若證據存在，則假設成立；（3）雙向推理：運用正向推理提出假設的結論，運用反向推理來證實假設。10精品PPT|借鑒參考第十頁，共四十一頁。3．知識的表示常用的知識表示方法為：產生式規則，框架，語義網絡，過程。其中產生式規則是專家系統最流行的表達方法。由產生式規則表示的專家系統又稱為基于規則的系統或產生式系統。

產生式規則的表達方式為：IFETHENHWITHCF(E,H)其中，E表示規則的前提條件，即證據，它可以是單獨命題，也可以是復合命題；H表示規則的結論部分，即假設，也是命題；CF（CertaintyFactor）為規則的強度，反映當前提為真時，規則對結論的影響程度。11精品PPT|借鑒參考第十一頁，共四十一頁。4．專家系統開發語言

(1)C語言，人工智能語言（如Prolog，Lisp等）；

(2)專家系統開發工具：已經建好的專家系統框架，包括知識表達和推理機。在運用專家系統開發工具開發專家系統時，只需要加入領域專家的知識。12精品PPT|借鑒參考第十二頁，共四十一頁。PPT內容概述在傳統控制系統中，系統的運行排斥了人的干預，人-機之間缺乏交互。控制器對被控對象在環境中的參數、結構的變化缺乏應變能力。推理機是用于對知識庫中的知識進行推理來得到結論的“思維”機構。（3）雙向推理：運用正向推理提出假設的結論，運用反向推理來證實假設。(2)專家系統開發工具：已經建好的專家系統框架，包括知識表達和推理機。在運用專家系統開發工具開發專家系統時，只需要加入領域專家的知識。（4）可以定性地描述控制系統的性能，如“超調小”、“偏差增大”等。專家控制引入了專家系統的思想，但與專家系統存在區別：。事實──已知的靜態數據。證據──測量到的動態數據。目標──系統的性能指標。由多條產生式規則構成規則庫。按專家控制在控制系統中的作用和功能，可將專家控制器分為以下兩種類型：。直接型專家控制器用于取代常規控制器，直接控制生產過程或被控對象。用以協調局部控制器或各子控制系統的運行，實現大系統的全局穩定和優化。40第十三頁，共四十一頁。5．專家系統建立步驟

（1）知識庫的設計

①確定知識類型：敘述性知識，過程性知識，控制性知識；

②確定知識表達方法；

③知識庫管理系統的設計：實現規則的保存、編輯、刪除、增加、搜索等功能。14精品PPT|借鑒參考第十四頁，共四十一頁。

（2）推理機的設計

①選擇推理方式；

②選擇推理算法：選擇各種搜索算法，如深度優先搜索、廣度優先搜索、啟發式優先搜索等。（3）人─機接口的設計

①設計“用戶─專家系統接口”：用于咨詢理解和結論解釋；

②設計“專家─專家系統接口”：用于知識庫擴充及系統維護。返回15精品PPT|借鑒參考第十五頁，共四十一頁。2.2專家控制

2.2.1概述

瑞典學者K.J.Astrom在1983年首先把人工智能中的專家系統引入智能控制領域，于1986年提出“專家控制”的概念，構成一種智能控制方法。專家控制（ExpertControl）是智能控制的一個重要分支，又稱專家智能控制。所謂專家控制，是將專家系統的理論和技術同控制理論、方法與技術相結合，在未知環境下，仿效專家的經驗，實現對系統的控制。16精品PPT|借鑒參考第十六頁，共四十一頁。

專家控制試圖在傳統控制的基礎上“加入”一個富有經驗的控制工程師，實現控制的功能，它由知識庫和推理機構構成主體框架，通過對控制領域知識（先驗經驗、動態信息、目標等）的獲取與組織，按某種策略及時地選用恰當的規則進行推理輸出，實現對實際對象的控制。

17精品PPT|借鑒參考第十七頁，共四十一頁。知識庫實時推理機A/D被控對象D/A控制算法庫專家控制的結構

1．結構

專家控制的基本結構如下圖所示。

2.2.2基本原理

18精品PPT|借鑒參考第十八頁，共四十一頁。2．功能（1）能夠滿足任意動態過程的控制需要，尤其適用于帶有時變、非線性和強干擾的控制；（2）控制過程可以利用對象的先驗知識；（3）通過修改、增加控制規則，可不斷積累知識，改進控制性能；（4）可以定性地描述控制系統的性能，如“超調小”、“偏差增大”等；

（5）對控制性能可進行解釋；（6）可通過對控制閉環中的單元進行故障檢測來獲取經驗規則。19精品PPT|借鑒參考第十九頁，共四十一頁。3.與專家系統的區別專家控制引入了專家系統的思想，但與專家系統存在區別：（1）專家系統能完成專門領域的功能，輔助用戶決策；專家控制能進行獨立的、實時的自動決策。專家控制比專家系統對可靠性和抗干擾性有著更高的要求。（2）專家系統處于離線工作方式，而專家控制要求在線獲取反饋信息，即要求在線工作方式。20精品PPT|借鑒參考第二十頁，共四十一頁。4.知識表示專家控制將系統視為基于知識的系統，控制系統的知識表示如下：（1）受控過程的知識

①先驗知識：包括問題的類型及開環特性；

②動態知識：包括中間狀態及特性變化。（2）控制、辨識、診斷知識

①定量知識：各種算法；

②定性知識：各種經驗、邏輯、直觀判斷。21精品PPT|借鑒參考第二十一頁，共四十一頁。

按照專家系統知識庫的結構，有關知識可以分類組織，形成數據庫和規則庫，從而構成專家控制系統的知識源。數據庫包括：事實──已知的靜態數據。例如傳感器測量誤差、運行閾值、報警閾值、操作序列的約束條件、受控過程的單元組態等；證據──測量到的動態數據。例如傳感器的輸出值、儀器儀表的測試結果等。證據的類型是各異的，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；22精品PPT|借鑒參考第二十二頁，共四十一頁。

假設──由事實和證據推導的中間結果，作為當前事實集合的補充。例如，通過各種參數估計算法推得的狀態估計等；目標──系統的性能指標。例如對穩定性的要求，對靜態工作點的尋優、對現有控制規律是否需要改進的判斷等。目標既可以是預定的，也可以是根據外部命令或內部運行狀況在線地動態建立的。專家控制的規則庫一般采用產生式規則表示：

IF控制局勢（事實和數據）THEN操作結論由多條產生式規則構成規則庫。23精品PPT|借鑒參考第二十三頁，共四十一頁。5.分類按專家控制在控制系統中的作用和功能，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型專家控制器用于取代常規控制器，直接控制生產過程或被控對象。具有模擬（或延伸，擴展）操作工人智能的功能。該控制器的任務和功能相對比較簡單，但是需要在線、實時控制。因此，其知識表達和知識庫也較簡單，通常由幾十條產生式規則構成，以便于增刪和修改。直接型專家控制器如下圖中的虛線所示。24精品PPT|借鑒參考第二十四頁，共四十一頁。知識庫信息獲取與處理推理機構被控對象傳感器控制規則庫直接型專家控制器圖直接型專家控制器25精品PPT|借鑒參考第二十五頁，共四十一頁。

(2)間接型專家控制器間接型專家控制器用于和常規控制器相結合，組成對生產過程或被控對象進行間接控制的智能控制系統。具有模擬（或延伸，擴展）控制工程師智能的功能。該控制器能夠實現優化適應、協調、組織等高層決策的智能控制。按照高層決策功能的性質，間接型專家控制器可分為以下幾種類型：

①優化型專家控制器：是基于最優控制專家的知識和經驗的總結和運用。通過設置整定值、優化控制參數或控制器，實現控制器的靜態或動態優化。26精品PPT|借鑒參考第二十六頁，共四十一頁。

②適應型專家控制器：是基于自適應控制專家的知識和經驗的總結和運用。根據現場運行狀態和測試數據，相應地調整控制規律，校正控制參數，修改整定值或控制器，適應生產過程、對象特性或環境條件的漂移和變化。

③協調型專家控制器：是基于協調控制專家和調度工程師的知識和經驗的總結和運用。用以協調局部控制器或各子控制系統的運行，實現大系統的全局穩定和優化。27精品PPT|借鑒參考第二十七頁，共四十一頁。

④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計師的知識和經驗的總結和運用。用以組織各種常規控制器，根據控制任務的目標和要求，構成所需要的控制系統。間接型專家控制器可以在線或離線運行。通常，優化型、適應型需要在線、實時、聯機運行。協調型、組織型可以離線、非實時運行，作為相應的計算機輔助系統。間接型專家控制器如下圖所示。28精品PPT|借鑒參考第二十八頁，共四十一頁。專家控制器被控對象傳感器控制算法特征提取圖間接型專家控制器29精品PPT|借鑒參考第二十九頁，共四十一頁。1．專家控制的關鍵技術

(1)知識的表達方法；

(2)從傳感器中識別和獲取定量的信號；

(3)將定性知識轉化為定量的控制信號；

(4)控制知識和控制規則的獲取。

2．專家控制的特點（1）靈活性：根據系統的工作狀態及誤差情況，可靈活地選取相應的控制律；（2）適應性：能根據專家知識和經驗，調整控制器的參數，適應對象特性及環境的變化；（3）魯棒性：通過利用專家規則，系統可以在非線性、大偏差下可靠地工作。返回2.2.3專家控制的關鍵技術及特點30精品PPT|借鑒參考第三十頁，共四十一頁。PID專家控制的實質是，基于受控對象和控制規律的各種知識，無需知道被控對象的精確模型，利用專家經驗來設計PID參數。專家PID控制是一種直接型專家控制器。典型的二階系統單位階躍響應誤差曲線如下圖所示。2.3專家PID控制

2.3.1專家PID控制原理31精品PPT|借鑒參考第三十一頁，共四十一頁。圖典型二階系統單位階躍響應誤差曲線

對于典型的二階系統階躍響應過程作如下分析。32精品PPT|借鑒參考第三十二頁，共四十一頁。

令表示離散化的當前采樣時刻的誤差值，和分別表示前一個和前兩個采樣時刻的誤差值，則有33精品PPT|借鑒參考第三十三頁，共四十一頁。

根據誤差及其變化，可設計專家PID控制器，該控制器可分為以下五種情況進行設計：（1）當時，說明誤差的絕對值已經很大。不論誤差變化趨勢如何，都應考慮控制器的輸出應按最大（或最小）輸出，以達到迅速調整誤差，使誤差絕對值以最大速度減小。此時，它相當于實施開環控制。34精品PPT|借鑒參考第三十四頁，共四十一頁。精品PPT·收集整理第三十五頁，共四十一頁。（2）當或時，說明誤差在朝誤差絕對值增大方向變化，或誤差為某一常值，未發生變化。此時，如果，說明誤差也較大，可考慮由控制器實施較強的控制作用，以達到扭轉誤差絕對值朝減小方向變化，并迅速減小誤差的絕對值，控制器輸出為36精品PPT|借鑒參考第三十六頁，共四十一頁。

如果，說明盡管誤差朝絕對值增大方向變化，但誤差絕對值本身并不很大，可考慮控制器實施一般的控制作用，只要扭轉誤差的變化趨勢，使其朝誤差絕對值減小方向變化，控制器輸出為37精品PPT|借鑒參考第三十七頁，共四十一頁。（3）當、或者