第四章專家控制系統(tǒng)

1、1第第4章章 專家控制系統(tǒng)專家控制系統(tǒng) 專家控制（專家控制（Expert Control）是智能控制）是智能控制的一個重要分支，又稱專家智能控制。的一個重要分支，又稱專家智能控制。 它在將人工智能中專家系統(tǒng)的理論和技它在將人工智能中專家系統(tǒng)的理論和技術(shù)同自動控制的理論、方法和技術(shù)有機術(shù)同自動控制的理論、方法和技術(shù)有機結(jié)合的基礎(chǔ)上，在未知環(huán)境下模仿專家結(jié)合的基礎(chǔ)上，在未知環(huán)境下模仿專家的智能，實現(xiàn)對系統(tǒng)的有效控制。的智能，實現(xiàn)對系統(tǒng)的有效控制。 24.1專家系統(tǒng)基礎(chǔ)專家系統(tǒng)基礎(chǔ) 4.1.1什么是專家系統(tǒng)什么是專家系統(tǒng) 從本質(zhì)上講，從本質(zhì)上講，專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)是一類包含著知識和推是一類包含著知識和

2、推理的智能計算機程序理的智能計算機程序 ?，F(xiàn)在習(xí)慣于把每一個利用了大量領(lǐng)域知識的大現(xiàn)在習(xí)慣于把每一個利用了大量領(lǐng)域知識的大而復(fù)雜的人工智能系統(tǒng)都統(tǒng)稱為而復(fù)雜的人工智能系統(tǒng)都統(tǒng)稱為專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)。 專家系統(tǒng)可以解決的問題一般包括解釋、預(yù)測、專家系統(tǒng)可以解決的問題一般包括解釋、預(yù)測、診斷、設(shè)計、規(guī)劃、監(jiān)視、修理、指導(dǎo)和控制診斷、設(shè)計、規(guī)劃、監(jiān)視、修理、指導(dǎo)和控制等。等。3 4.1專家系統(tǒng)基礎(chǔ)專家系統(tǒng)基礎(chǔ) 4.1.1什么是專家系統(tǒng)什么是專家系統(tǒng) 專家系統(tǒng)和傳統(tǒng)的計算機專家系統(tǒng)和傳統(tǒng)的計算機“應(yīng)用程序應(yīng)用程序”最本質(zhì)的不同之處在于，專家系統(tǒng)所最本質(zhì)的不同之處在于，專家系統(tǒng)所要解決的問題一般沒有算法解

3、，并且要解決的問題一般沒有算法解，并且經(jīng)常要在不完全、不精確或不確定的經(jīng)常要在不完全、不精確或不確定的信息基礎(chǔ)上做出結(jié)論。信息基礎(chǔ)上做出結(jié)論。 44.1.2專家系統(tǒng)的組成專家系統(tǒng)的組成 n專家系統(tǒng)的基本組成專家系統(tǒng)的基本組成 推 理 機知識庫綜合數(shù)據(jù)庫知識獲取解釋接口用戶問題描述領(lǐng)域?qū)＜医獯?、建議或解釋5知識庫知識庫 知識庫是知識的存儲器，用于存儲領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗性知識庫是知識的存儲器，用于存儲領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗性知識以及有關(guān)的事實、一般常識等。知識庫中的知識知識以及有關(guān)的事實、一般常識等。知識庫中的知識來源于知識獲取機構(gòu)，同時它又為推理機提供求解問來源于知識獲取機構(gòu)，同時它又為推理機提供求解問題所

4、需的知識。題所需的知識。 4.1.2專家系統(tǒng)的組成專家系統(tǒng)的組成 推理機推理機 推理機是專家系統(tǒng)的推理機是專家系統(tǒng)的“思維思維”機構(gòu)，實際上是求解問機構(gòu)，實際上是求解問題的計算機軟件系統(tǒng)。題的計算機軟件系統(tǒng)。 推理機的運行可以有不同的控制策略。推理機的運行可以有不同的控制策略。 6綜合數(shù)據(jù)庫（全局數(shù)據(jù)庫）綜合數(shù)據(jù)庫（全局數(shù)據(jù)庫） 又稱為又稱為“黑板黑板”或或“數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫”。它是用于存放推理的。它是用于存放推理的初始證據(jù)、中間結(jié)果以及最終結(jié)果等的工作存儲器初始證據(jù)、中間結(jié)果以及最終結(jié)果等的工作存儲器（Working Memory）。）。 解釋接口解釋接口 又稱人又稱人-機界面，它把用戶輸人的信

5、息轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)內(nèi)規(guī)機界面，它把用戶輸人的信息轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)內(nèi)規(guī)范化的表示形式，然后交給相應(yīng)模塊去處理，把系統(tǒng)范化的表示形式，然后交給相應(yīng)模塊去處理，把系統(tǒng)輸出的信息轉(zhuǎn)換成用戶易于理解的外部表示形式顯示輸出的信息轉(zhuǎn)換成用戶易于理解的外部表示形式顯示給用戶，回答用戶提出的給用戶，回答用戶提出的“為什么？為什么？”“”“結(jié)論是如何結(jié)論是如何得出的？得出的？”等問題。等問題。 4.1.2專家系統(tǒng)的組成專家系統(tǒng)的組成 7知識獲取知識獲取 知識獲取是指通過人工方法或機器學(xué)習(xí)的方法，知識獲取是指通過人工方法或機器學(xué)習(xí)的方法，將某個領(lǐng)域內(nèi)的事實性知識和領(lǐng)域?qū)＜宜赜袑⒛硞€領(lǐng)域內(nèi)的事實性知識和領(lǐng)域?qū)＜宜赜械慕?jīng)驗性知

6、識轉(zhuǎn)化為計算機程序的過程。的經(jīng)驗性知識轉(zhuǎn)化為計算機程序的過程。對知識庫的修改和擴充也是在系統(tǒng)的調(diào)試和驗對知識庫的修改和擴充也是在系統(tǒng)的調(diào)試和驗證中進行的，是一件很困難的工作。知識獲取證中進行的，是一件很困難的工作。知識獲取被認為是專家系統(tǒng)中的一個被認為是專家系統(tǒng)中的一個“瓶頸瓶頸”問題。問題。 4.1.2專家系統(tǒng)的組成專家系統(tǒng)的組成 84.1.3專家系統(tǒng)的知識表示專家系統(tǒng)的知識表示 n知識表示知識表示就是知識的形式化，就是研究用機就是知識的形式化，就是研究用機器表示知識的可行的、有效的、通用的原則器表示知識的可行的、有效的、通用的原則和方法。和方法。n常用的知識表示方法為：產(chǎn)生式規(guī)則，框架，常

7、用的知識表示方法為：產(chǎn)生式規(guī)則，框架，語義網(wǎng)絡(luò)，過程。其中產(chǎn)生式規(guī)則是專家系語義網(wǎng)絡(luò)，過程。其中產(chǎn)生式規(guī)則是專家系統(tǒng)最流行的表達方法。由產(chǎn)生式規(guī)則表示的統(tǒng)最流行的表達方法。由產(chǎn)生式規(guī)則表示的專家系統(tǒng)又稱為基于規(guī)則的系統(tǒng)或產(chǎn)生式系專家系統(tǒng)又稱為基于規(guī)則的系統(tǒng)或產(chǎn)生式系統(tǒng)。統(tǒng)。 9 產(chǎn)生式規(guī)則的表達方式為：產(chǎn)生式規(guī)則的表達方式為：IF E THEN H WITH CF(E,H)其中，其中，E表示規(guī)則的前提條件，即證據(jù)，它表示規(guī)則的前提條件，即證據(jù)，它可以是單獨命題，也可以是復(fù)合命題；可以是單獨命題，也可以是復(fù)合命題；H表表示規(guī)則的結(jié)論部分，即假設(shè)，也是命題；示規(guī)則的結(jié)論部分，即假設(shè)，也是命題；CF

8、（Certainty Factor）為規(guī)則的強度，反映當(dāng)）為規(guī)則的強度，反映當(dāng)前提為真時，規(guī)則對結(jié)論的影響程度。前提為真時，規(guī)則對結(jié)論的影響程度。10（1）知識庫的設(shè)計）知識庫的設(shè)計 確定知識類型：敘述性知識，過程性知識，確定知識類型：敘述性知識，過程性知識，控制性知識；控制性知識； 確定知識表達方法；確定知識表達方法； 知識庫管理系統(tǒng)的設(shè)計：實現(xiàn)規(guī)則的保存、知識庫管理系統(tǒng)的設(shè)計：實現(xiàn)規(guī)則的保存、編輯、刪除、增加、搜索等功能。編輯、刪除、增加、搜索等功能。4.1.44.1.4專家系統(tǒng)建立步驟專家系統(tǒng)建立步驟11（2）推理機的設(shè)計）推理機的設(shè)計 選擇推理方式；選擇推理方式； 選擇推理算法：選擇各

9、種搜索算法，如深度優(yōu)選擇推理算法：選擇各種搜索算法，如深度優(yōu)先搜索、廣度優(yōu)先搜索、啟發(fā)式優(yōu)先搜索等。先搜索、廣度優(yōu)先搜索、啟發(fā)式優(yōu)先搜索等。（3）人）人機接口的設(shè)計機接口的設(shè)計 設(shè)計設(shè)計“用戶用戶專家系統(tǒng)接口專家系統(tǒng)接口”：用于咨詢理解：用于咨詢理解和結(jié)論解釋；和結(jié)論解釋； 設(shè)計設(shè)計“專家專家專家系統(tǒng)接口專家系統(tǒng)接口”：用于知識庫擴：用于知識庫擴充及系統(tǒng)維護。充及系統(tǒng)維護。124.2專家控制專家控制4.2.1概述概述 瑞典學(xué)者瑞典學(xué)者K.J.Astrom在在1983年首先把人年首先把人工智能中的專家系統(tǒng)引入智能控制領(lǐng)域，工智能中的專家系統(tǒng)引入智能控制領(lǐng)域，于于1986年提出年提出“專家控制專家

10、控制”的概念，構(gòu)成的概念，構(gòu)成一種智能控制方法。一種智能控制方法。13專家控制（專家控制（Expert Control）是智能控制的）是智能控制的一個重要分支，又稱專家智能控制。所謂專家一個重要分支，又稱專家智能控制。所謂專家控制，是將專家系統(tǒng)的理論和技術(shù)同控制理論、控制，是將專家系統(tǒng)的理論和技術(shù)同控制理論、方法與技術(shù)相結(jié)合，在未知環(huán)境下，仿效專家方法與技術(shù)相結(jié)合，在未知環(huán)境下，仿效專家的經(jīng)驗，實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。的經(jīng)驗，實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。14專家控制試圖在傳統(tǒng)控制的基礎(chǔ)上專家控制試圖在傳統(tǒng)控制的基礎(chǔ)上“加入加入”一個富有經(jīng)驗的控制工程師，實現(xiàn)控制的功能，一個富有經(jīng)驗的控制工程師，實現(xiàn)控制的功能

11、，它由知識庫和推理機構(gòu)構(gòu)成主體框架，通過對控它由知識庫和推理機構(gòu)構(gòu)成主體框架，通過對控制領(lǐng)域知識（先驗經(jīng)驗、動態(tài)信息、目標(biāo)等）的制領(lǐng)域知識（先驗經(jīng)驗、動態(tài)信息、目標(biāo)等）的獲取與組織，按某種策略及時地選用恰當(dāng)?shù)囊?guī)則獲取與組織，按某種策略及時地選用恰當(dāng)?shù)囊?guī)則進行推理輸出，實現(xiàn)對實際對象的控制。進行推理輸出，實現(xiàn)對實際對象的控制。154.2.24.2.2基本原理基本原理 1結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 專家控制的結(jié)構(gòu)專家控制的結(jié)構(gòu) 162功能功能（1）能夠滿足任意動態(tài)過程的控制需要，尤其）能夠滿足任意動態(tài)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；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

12、用對象的先驗知識；）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(guī)則，可不斷積累知）通過修改、增加控制規(guī)則，可不斷積累知識，改進控制性能；識，改進控制性能；（4）可以定性地描述控制系統(tǒng)的性能，如）可以定性地描述控制系統(tǒng)的性能，如“超超調(diào)小調(diào)小”、“偏差增大偏差增大”等；等；（5）對控制性能可進行解釋；）對控制性能可進行解釋；（6）可通過對控制閉環(huán)中的單元進行故障檢測）可通過對控制閉環(huán)中的單元進行故障檢測來獲取經(jīng)驗規(guī)則。來獲取經(jīng)驗規(guī)則。173. 與專家系統(tǒng)的區(qū)別與專家系統(tǒng)的區(qū)別 專家控制引入了專家系統(tǒng)的思想，但與專家專家控制引入了專家系統(tǒng)的思想，但與專家系統(tǒng)存在區(qū)別：系統(tǒng)存在區(qū)別：（

13、1）專家系統(tǒng)能完成專門領(lǐng)域的功能，輔助用）專家系統(tǒng)能完成專門領(lǐng)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(tǒng)對可靠性和抗干擾決策。專家控制比專家系統(tǒng)對可靠性和抗干擾性有著更高的要求。性有著更高的要求。（2）專家系統(tǒng)處于離線工作方式，而專家控制）專家系統(tǒng)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。要求在線獲取反饋信息，即要求在線工作方式。184. 知識表示知識表示 專家控制將系統(tǒng)視為基于知識的系統(tǒng)，控制系專家控制將系統(tǒng)視為基于知識的系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的知識表示如下：統(tǒng)的知識表示如下：（1）受控過程的知

14、識）受控過程的知識 先驗知識：包括問題的類型及開環(huán)特性；先驗知識：包括問題的類型及開環(huán)特性； 動態(tài)知識：包括中間狀態(tài)及特性變化。動態(tài)知識：包括中間狀態(tài)及特性變化。（2）控制、辨識、診斷知識）控制、辨識、診斷知識 定量知識：各種算法；定量知識：各種算法； 定性知識：各種經(jīng)驗、邏輯、直觀判斷。定性知識：各種經(jīng)驗、邏輯、直觀判斷。 按照專家系統(tǒng)知識庫的結(jié)構(gòu)，有關(guān)知識可以按照專家系統(tǒng)知識庫的結(jié)構(gòu)，有關(guān)知識可以分類組織，形成數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫，從而構(gòu)成專家分類組織，形成數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫，從而構(gòu)成專家控制系統(tǒng)的知識源?？刂葡到y(tǒng)的知識源。19數(shù)據(jù)庫包括：數(shù)據(jù)庫包括：事實事實已知的靜態(tài)數(shù)據(jù)。例如傳感器測量誤差、已知

15、的靜態(tài)數(shù)據(jù)。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(tài)等；控過程的單元組態(tài)等；證據(jù)證據(jù)測量到的動態(tài)數(shù)據(jù)。例如傳感器的輸出測量到的動態(tài)數(shù)據(jù)。例如傳感器的輸出值、儀器儀表的測試結(jié)果等。證據(jù)的類型是各異值、儀器儀表的測試結(jié)果等。證據(jù)的類型是各異的，常常帶有噪聲、延遲，也可能是不完整的，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；甚至相互之間有沖突；20假設(shè)假設(shè)由事實和證據(jù)推導(dǎo)的中間結(jié)果，作為當(dāng)由事實和證據(jù)推導(dǎo)的中間結(jié)果，作為當(dāng)前事實集合的補充。例如，通過各種參數(shù)估計算前事實集合的補充。例如，通過各種參數(shù)估

16、計算法推得的狀態(tài)估計等；法推得的狀態(tài)估計等；目標(biāo)目標(biāo)系統(tǒng)的性能指標(biāo)。例如對穩(wěn)定性的要求，系統(tǒng)的性能指標(biāo)。例如對穩(wěn)定性的要求，對靜態(tài)工作點的尋優(yōu)、對現(xiàn)有控制規(guī)律是否需要對靜態(tài)工作點的尋優(yōu)、對現(xiàn)有控制規(guī)律是否需要改進的判斷等。目標(biāo)既可以是預(yù)定的，也可以是改進的判斷等。目標(biāo)既可以是預(yù)定的，也可以是根據(jù)外部命令或內(nèi)部運行狀況在線地動態(tài)建立的。根據(jù)外部命令或內(nèi)部運行狀況在線地動態(tài)建立的。專家控制的規(guī)則庫一般采用產(chǎn)生式規(guī)則表示：專家控制的規(guī)則庫一般采用產(chǎn)生式規(guī)則表示：IF 控制局勢（事實和數(shù)據(jù)）控制局勢（事實和數(shù)據(jù)） THEN 操作結(jié)論操作結(jié)論由多條產(chǎn)生式規(guī)則構(gòu)成規(guī)則庫。由多條產(chǎn)生式規(guī)則構(gòu)成規(guī)則庫。215

17、. 分類分類 按專家控制在控制系統(tǒng)中的作用和功能，可將按專家控制在控制系統(tǒng)中的作用和功能，可將專家控制器分為以下兩種類型：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 直接專家控制器用于取代常規(guī)控制器，直接控直接專家控制器用于取代常規(guī)控制器，直接控制生產(chǎn)過程或被控對象。具有模擬（或延伸，擴制生產(chǎn)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(wù)和功展）操作工人智能的功能。該控制器的任務(wù)和功能相對比較簡單，但是需要在線、實時控制。因能相對比較簡單，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，通常由幾十此，其知識表達和知識庫也較簡單，通

18、常由幾十條產(chǎn)生式規(guī)則構(gòu)成，以便于增刪和修改。條產(chǎn)生式規(guī)則構(gòu)成，以便于增刪和修改。 直接型專家控制器的示意圖見圖中的虛線所示。直接型專家控制器的示意圖見圖中的虛線所示。22圖圖 直接型專家控制器直接型專家控制器23(2)間接型專家控制器間接型專家控制器 間接型專家控制器用于和常規(guī)控制器相結(jié)合，間接型專家控制器用于和常規(guī)控制器相結(jié)合，組成對生產(chǎn)過程或被控對象進行間接控制的智能組成對生產(chǎn)過程或被控對象進行間接控制的智能控制系統(tǒng)。具有模擬（或延伸，擴展）控制工程控制系統(tǒng)。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?qū)崿F(xiàn)優(yōu)化適應(yīng)、協(xié)師智能的功能。該控制器能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)化適應(yīng)、協(xié)調(diào)、組織等高層決

19、策的智能控制。按照高層決策調(diào)、組織等高層決策的智能控制。按照高層決策功能的性質(zhì)，間接型專家控制器可分為以下幾種功能的性質(zhì)，間接型專家控制器可分為以下幾種類型：類型：24 優(yōu)化型專家控制器：是基于最優(yōu)控制專家優(yōu)化型專家控制器：是基于最優(yōu)控制專家的知識和經(jīng)驗的總結(jié)和運用。通過設(shè)置整定值、的知識和經(jīng)驗的總結(jié)和運用。通過設(shè)置整定值、優(yōu)化控制參數(shù)或控制器，實現(xiàn)控制器的靜態(tài)或優(yōu)化控制參數(shù)或控制器，實現(xiàn)控制器的靜態(tài)或動態(tài)優(yōu)化。動態(tài)優(yōu)化。 適應(yīng)型專家控制器：是基于自適應(yīng)控制專適應(yīng)型專家控制器：是基于自適應(yīng)控制專家的知識和經(jīng)驗的總結(jié)和運用。根據(jù)現(xiàn)場運行家的知識和經(jīng)驗的總結(jié)和運用。根據(jù)現(xiàn)場運行狀態(tài)和測試數(shù)據(jù)，相應(yīng)

20、地調(diào)整控制規(guī)律，校正狀態(tài)和測試數(shù)據(jù)，相應(yīng)地調(diào)整控制規(guī)律，校正控制參數(shù)，修改整定值或控制器，適應(yīng)生產(chǎn)過控制參數(shù)，修改整定值或控制器，適應(yīng)生產(chǎn)過程、對象特性或環(huán)境條件的漂移和變化程、對象特性或環(huán)境條件的漂移和變化。25 協(xié)調(diào)型專家控制器：是基于協(xié)調(diào)控制專家和協(xié)調(diào)型專家控制器：是基于協(xié)調(diào)控制專家和調(diào)度工程師的知識和經(jīng)驗的總結(jié)和運用。用以調(diào)度工程師的知識和經(jīng)驗的總結(jié)和運用。用以協(xié)調(diào)局部控制器或各子控制系統(tǒng)的運行，實現(xiàn)協(xié)調(diào)局部控制器或各子控制系統(tǒng)的運行，實現(xiàn)大系統(tǒng)的全局穩(wěn)定和優(yōu)化。大系統(tǒng)的全局穩(wěn)定和優(yōu)化。 組織型專家控制器：是基于控制工程的組織組織型專家控制器：是基于控制工程的組織管理專家或總設(shè)計師的知

21、識和經(jīng)驗的總結(jié)和運管理專家或總設(shè)計師的知識和經(jīng)驗的總結(jié)和運用。用以組織各種常規(guī)控制器，根據(jù)控制任務(wù)用。用以組織各種常規(guī)控制器，根據(jù)控制任務(wù)的目標(biāo)和要求，構(gòu)成所需要的控制系統(tǒng)。的目標(biāo)和要求，構(gòu)成所需要的控制系統(tǒng)。26間接型專家控制器可以在線或離線運行。間接型專家控制器可以在線或離線運行。通常，優(yōu)化型、適應(yīng)型需要在線、實時、聯(lián)通常，優(yōu)化型、適應(yīng)型需要在線、實時、聯(lián)機運行。協(xié)調(diào)型、組織型可以離線、非實時機運行。協(xié)調(diào)型、組織型可以離線、非實時運行，作為相應(yīng)的計算機輔助系統(tǒng)。運行，作為相應(yīng)的計算機輔助系統(tǒng)。 間接型專家控制器的示意圖如圖所示。間接型專家控制器的示意圖如圖所示。274.2.3專家控制的關(guān)鍵

22、技術(shù)及特點專家控制的關(guān)鍵技術(shù)及特點1專家控制的關(guān)鍵技術(shù)專家控制的關(guān)鍵技術(shù)(1) 知識的表達方法；知識的表達方法；(2)從傳感器中識別和獲取定量的控制信號；從傳感器中識別和獲取定量的控制信號；(3)將定性知識轉(zhuǎn)化為定量的控制信號；將定性知識轉(zhuǎn)化為定量的控制信號；(4)控制知識和控制規(guī)則的獲取?？刂浦R和控制規(guī)則的獲取。2專家控制的特點專家控制的特點（1）靈活性：根據(jù)系統(tǒng)的工作狀態(tài)及誤差情況，）靈活性：根據(jù)系統(tǒng)的工作狀態(tài)及誤差情況，可靈活地選取相應(yīng)的控制律；可靈活地選取相應(yīng)的控制律；（2）適應(yīng)性：能根據(jù)專家知識和經(jīng)驗，調(diào)整控）適應(yīng)性：能根據(jù)專家知識和經(jīng)驗，調(diào)整控制器的參數(shù)，適應(yīng)對象特性及環(huán)境的變化

23、；制器的參數(shù)，適應(yīng)對象特性及環(huán)境的變化；（3）魯棒性：通過利用專家規(guī)則，系統(tǒng)可以在）魯棒性：通過利用專家規(guī)則，系統(tǒng)可以在非線性、大偏差下可靠地工作。非線性、大偏差下可靠地工作。284.34.3.14.3.1專家專家PIDPID控制原理控制原理 PID專家控制的實質(zhì)是，基于受控對象和專家控制的實質(zhì)是，基于受控對象和控制規(guī)律的各種知識，無需知道被控對象的精控制規(guī)律的各種知識，無需知道被控對象的精確模型，利用專家經(jīng)驗來設(shè)計確模型，利用專家經(jīng)驗來設(shè)計PID參數(shù)。專家參數(shù)。專家PID控制是一種直接型專家控制器?？刂剖且环N直接型專家控制器。29圖圖 典型二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)誤差曲線典型二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)

24、誤差曲線 典型的二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)誤差曲線如典型的二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)誤差曲線如圖所示。對于典型的二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)過程作圖所示。對于典型的二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)過程作如下分析。如下分析。30令令 表示離散化的當(dāng)前采樣時刻的誤差值，表示離散化的當(dāng)前采樣時刻的誤差值， 和和 分別表示前一個和前兩個采樣時刻分別表示前一個和前兩個采樣時刻的誤差值，則有的誤差值，則有 2111kekekekekeke1ke2ke ke31 根據(jù)誤差及其變化，可設(shè)計專家根據(jù)誤差及其變化，可設(shè)計專家PID控制器，控制器，該控制器可分為以下五種情況進行設(shè)計：該控制器可分為以下五種情況進行設(shè)計：（1）當(dāng)）當(dāng) 時，說明誤差的絕對值已

25、經(jīng)很大。時，說明誤差的絕對值已經(jīng)很大。不論誤差變化趨勢如何，都應(yīng)考慮控制器的輸出不論誤差變化趨勢如何，都應(yīng)考慮控制器的輸出應(yīng)按最大（或最?。┹敵?，以達到迅速調(diào)整誤差，應(yīng)按最大（或最?。┹敵觯赃_到迅速調(diào)整誤差，使誤差絕對值以最大速度減小。此時，它相當(dāng)于使誤差絕對值以最大速度減小。此時，它相當(dāng)于實施開環(huán)控制。實施開環(huán)控制。 1Mke32（2）當(dāng)）當(dāng) 或或 時，說明誤差在朝時，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，誤差絕對值增大方向變化，或誤差為某一常值，未發(fā)生變化。未發(fā)生變化。 此時，如果此時，如果 ，說明誤差也較大，可，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

26、考慮由控制器實施較強的控制作用，以達到扭轉(zhuǎn)誤差絕對值朝減小方向變化，并迅速減小誤轉(zhuǎn)誤差絕對值朝減小方向變化，并迅速減小誤差的絕對值，控制器輸出為差的絕對值，控制器輸出為 2Mke 21211dip1kekekekkekkekekkkuku0)()(keke0)(ke33 如果，如果， 說明盡管誤差朝絕對值增大方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(zhuǎn)誤差的控制器實施一般的控制作用，只要扭轉(zhuǎn)誤差的變化趨勢，使其朝誤差絕對值減小方向變化，變化趨勢，使其朝誤差絕對值減小方向變化，控制器輸出為控制器輸出

27、為 21211dipkekekekkekkekekkuku 2Mke34（3）當(dāng)）當(dāng) 、 或者或者 時，說明誤差的絕對值朝減小的方向變化，或時，說明誤差的絕對值朝減小的方向變化，或者已經(jīng)達到平衡狀態(tài)。此時，可考慮采取保持者已經(jīng)達到平衡狀態(tài)。此時，可考慮采取保持控制器輸出不變?？刂破鬏敵霾蛔?。（4）當(dāng)）當(dāng) 、 時，說明誤差時，說明誤差處于極值狀態(tài)。如果此時誤差的絕對值較大，處于極值狀態(tài)。如果此時誤差的絕對值較大，即即 ，可考慮實施較強的控制作用，可考慮實施較強的控制作用 0 keke 01 keke 0ke 0 keke 01 keke 2Mke kekkkukump11 35 如果此時誤差的絕

28、對值較小，即如果此時誤差的絕對值較小，即 ，可考慮實施較弱的控制作用，可考慮實施較弱的控制作用（5）當(dāng)）當(dāng) 時，說明誤差的絕對值很小，時，說明誤差的絕對值很小，此時加入積分，減少穩(wěn)態(tài)誤差。此時加入積分，減少穩(wěn)態(tài)誤差。 式中，式中， 為增益放大系統(tǒng)，為增益放大系統(tǒng)， 為抑制系數(shù)，為抑制系數(shù)， ，為任意小的正實數(shù)。，為任意小的正實數(shù)。 2Mke kekkkukump21 )(ke1k2k120,11kk36 圖中，圖中，、區(qū)域，誤差朝區(qū)域，誤差朝絕對值減小的方向變化。此時，可采取保持等絕對值減小的方向變化。此時，可采取保持等待措施，相當(dāng)于實施開環(huán)控制；待措施，相當(dāng)于實施開環(huán)控制；、區(qū)域，誤差絕對值

29、朝增大的方向變化。區(qū)域，誤差絕對值朝增大的方向變化。此時，可根據(jù)誤差的大小分別實施較強或一般此時，可根據(jù)誤差的大小分別實施較強或一般的控制作用，以抑制動態(tài)誤差。的控制作用，以抑制動態(tài)誤差。374.3.2仿真程序及分析仿真程序及分析仿真實例仿真實例求三階傳遞函數(shù)的階躍響應(yīng)求三階傳遞函數(shù)的階躍響應(yīng)其中對象采樣時間為其中對象采樣時間為1ms。 采用專家采用專家PID設(shè)計控制器。在仿真過程中，設(shè)計控制器。在仿真過程中， 取取0.001，程序中的五條規(guī)則與控制算法的，程序中的五條規(guī)則與控制算法的五種情況相對應(yīng)。五種情況相對應(yīng)。s 10470 + s 87.35 523500 )(23pssG384%Ex

30、pert PID Controller4clear all;4close all;4ts=0.001;4sys=tf(5.235e005,1,87.35,1.047e004,0); %Plant4dsys=c2d(sys,ts,z);4num,den=tfdata(dsys,v);4u_1=0;u_2=0;u_3=0;4y_1=0;y_2=0;y_3=0;4x=0,0,0;4x2_1=0;4kp=0.6;4ki=0.03; 4kd=0.01;4error_1=0;4for k=1:1:5004time(k)=k*ts; 程序程序394r(k)=1.0; %Tracing Step Signal4u(k)=kp*x(1)+