第7章 專家系統(tǒng)技術(shù)課件

第七章專家控制技術(shù)第7章專家系統(tǒng)技術(shù)7.1概述專家系統(tǒng)是一個(gè)具有大量專門知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)的程序系統(tǒng)，根據(jù)某個(gè)領(lǐng)域的專家提供的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推理和判斷，模擬人類專家的決策過程。

第7章專家系統(tǒng)技術(shù)7.1.1概述一般專家系統(tǒng)由知識(shí)庫、數(shù)據(jù)庫、推理機(jī)、解釋器及知識(shí)獲取器五個(gè)部分組成。(1)知識(shí)庫。知識(shí)庫用于存取和管理所獲取的專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，供推理機(jī)利用，具有知識(shí)存儲(chǔ)、檢索、編輯、增刪、修改和擴(kuò)充等功能。(2)數(shù)據(jù)庫。用來存放系統(tǒng)推理過程中用到的控制信息、中間假設(shè)和中間結(jié)果。(3)推理機(jī)。用于利用知識(shí)進(jìn)行推理，求解專門問題，具有啟發(fā)推理、算法推理；正向、反向或雙向推理；串行或并行推理等功能。(4)解釋器。解釋器用于作為專家系統(tǒng)與用戶之間的“人-機(jī)”接口，其功能是向用戶解釋系統(tǒng)的行為。(5)知識(shí)獲取。知識(shí)獲取是專家系統(tǒng)與專家的“界面”。知識(shí)庫中的知識(shí)一般都是通過“人工移植”方法獲得，“界面”就是知識(shí)工程師(專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者)，采用“專題面談”、“口語記錄分析”等方式獲取知識(shí)，經(jīng)過整理以后，再輸入知識(shí)庫。第7章專家系統(tǒng)技術(shù)7.1.2專家系統(tǒng)的特征

具有專家水平的知識(shí)：必須表現(xiàn)專家的技能和高度的技巧以及足夠的魯棒性。系統(tǒng)的魯棒性是指不管數(shù)據(jù)正確與否，都能夠得到正確的結(jié)論或者指出錯(cuò)誤。能進(jìn)行有效的推理：能夠運(yùn)用專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)進(jìn)行搜索、推理。具有透明性：在推理時(shí)，不僅能夠得到答案，而且還能給出推理的依據(jù)具有靈活性：知識(shí)的更新和擴(kuò)充靈活方便復(fù)雜性：人類的知識(shí)可以定性或定量的表示，專家系統(tǒng)經(jīng)常表現(xiàn)為定性推理和定量計(jì)算的混合形式，比較復(fù)雜

第7章專家系統(tǒng)技術(shù)7.1.3專家系統(tǒng)的應(yīng)用診斷型專家系統(tǒng)：根據(jù)癥狀，得到故障的原因及排除故障的方案。如各種故障診斷系統(tǒng)及醫(yī)療診斷系統(tǒng)解釋型專家系統(tǒng)：根據(jù)表征現(xiàn)象和信息解釋其深層含義。如：衛(wèi)星圖像分析預(yù)測型專家系統(tǒng)：根據(jù)以往數(shù)據(jù)預(yù)測未來情況。如：天氣預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)型專家系統(tǒng)：根據(jù)設(shè)計(jì)要求和指標(biāo)進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，如：電路板線路設(shè)計(jì)決策型專家系統(tǒng)：對(duì)各種可能的決策方案進(jìn)行綜合評(píng)判。規(guī)劃型專家系統(tǒng)：根據(jù)任務(wù)進(jìn)行行動(dòng)規(guī)劃。如：交通導(dǎo)航調(diào)度控制專家系統(tǒng)：根據(jù)控制過程的狀態(tài)變化，依據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)，合理地選擇控制動(dòng)作，達(dá)到優(yōu)化的目的第7章專家系統(tǒng)技術(shù)7.2專家系統(tǒng)的知識(shí)表示方法知識(shí)表示就是知識(shí)的形式化，就是研究用機(jī)器表示知識(shí)的可行的、有效的、通用的原則和方法。目前用于專家系統(tǒng)的知識(shí)表示中，產(chǎn)生式方法是最常用的一種方法。通常，產(chǎn)生式系統(tǒng)包含下述3個(gè)基本組成部分：規(guī)則庫數(shù)據(jù)庫控制器第7章專家系統(tǒng)技術(shù)1)規(guī)則庫該庫存放了若干規(guī)則，每條產(chǎn)生式規(guī)則是一個(gè)以“如果滿足這個(gè)條件，就應(yīng)當(dāng)采取這個(gè)操作”形式表示的語句。各條規(guī)則之間相互作用不大。規(guī)則可有如下形式第7章專家系統(tǒng)技術(shù)2)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫是產(chǎn)生式規(guī)則的中心，每個(gè)產(chǎn)生式的左邊表示在啟用這一規(guī)則之前數(shù)據(jù)庫內(nèi)必須準(zhǔn)備好的條件。執(zhí)行產(chǎn)生式規(guī)則的操作會(huì)引起數(shù)據(jù)庫的變化，這就使得其它產(chǎn)生式規(guī)則的條件可能被滿足。3)控制器其作用是說明下一步應(yīng)該選用什么規(guī)則，也就是如何運(yùn)用規(guī)則。通常從選擇規(guī)則到執(zhí)行規(guī)則分成三步：匹配、沖突解決和操作。①匹配。把數(shù)據(jù)庫和規(guī)則的條件部分相匹配。如果兩者完全匹配，則把這條規(guī)則稱為觸發(fā)規(guī)則。當(dāng)按規(guī)則的操作部分去執(zhí)行時(shí)，這條規(guī)則稱為被啟用規(guī)則。②沖突解決。當(dāng)有一個(gè)以上的規(guī)則條件和當(dāng)前數(shù)據(jù)庫相匹配時(shí)，就需要決定首先使用哪一條規(guī)則，這稱為沖突解決。③操作。操作就是執(zhí)行規(guī)則的操作部分，經(jīng)過操作以后，當(dāng)前數(shù)據(jù)庫將被修改。然后，其他的規(guī)則有可能被使用。第7章專家系統(tǒng)技術(shù)產(chǎn)生式系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)第7章專家系統(tǒng)技術(shù)7.3專家系統(tǒng)的推理機(jī)制根據(jù)問題求解的推理過程中推理的方向，知識(shí)推理方法可分為正向推理、反向推理和正反向混合推理三類。(1)正向推理。正向推理是由原始數(shù)據(jù)出發(fā)，按照一定策略，運(yùn)用知識(shí)庫中專家的知識(shí)，推斷出結(jié)論的方法。這種推理方式，由于是由數(shù)據(jù)到結(jié)論，也叫數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)策略。(2)反向推理。反向推理是先提出假設(shè)(結(jié)論)，然后去找支持這個(gè)結(jié)論的證據(jù)的方法。這種由結(jié)論到數(shù)據(jù)的策略稱為目標(biāo)驅(qū)動(dòng)策略。(3)正反向混合推理。運(yùn)用正向推理幫助系統(tǒng)提出假設(shè)，然后運(yùn)用反向推理尋找支持該假設(shè)的證據(jù)。第7章專家系統(tǒng)技術(shù)7.4專家控制系統(tǒng)第7章專家系統(tǒng)技術(shù)(1)知識(shí)庫。由事實(shí)集和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)公式、規(guī)則等構(gòu)成。事實(shí)集包括對(duì)象的有關(guān)知識(shí)，如結(jié)構(gòu)、類型及特征等。控制規(guī)則有自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、參數(shù)自調(diào)整等方面的規(guī)則。經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)包括對(duì)象的參數(shù)變化范圍、控制參數(shù)的調(diào)整范圍及其限幅值、傳感器特性、系統(tǒng)誤差、執(zhí)行機(jī)構(gòu)特征、控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)以及經(jīng)驗(yàn)公式。(2)控制算法庫。存放控制策略及控制方法，如PID、PI、Fuzzy、神經(jīng)控制NC、預(yù)測控制算法等，是直接基本控制方法集。

(3)實(shí)時(shí)推理機(jī)。根據(jù)一定的推理策略(正向推理)從知識(shí)庫中選擇有關(guān)知識(shí)，對(duì)控制專家提供的控制算法、事實(shí)、證據(jù)以及實(shí)時(shí)采集的系統(tǒng)特性數(shù)據(jù)進(jìn)行推理，直到得出相應(yīng)的最佳控制決策，由決策的結(jié)果指導(dǎo)控制作用。(4)信息獲取與處理。信息獲取是通過閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋信息及系統(tǒng)的輸入信息，獲取控制系統(tǒng)的誤差及誤差變化量、特征信息。信息處理包括特征識(shí)別、濾波等。(5)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫。用來存放推理過程中的數(shù)據(jù)、中間結(jié)果、實(shí)時(shí)采集與處理的數(shù)據(jù)第7章專家系統(tǒng)技術(shù)7.4.1直接專家控制在直接專家控制中，專家系統(tǒng)直接給出控制信號(hào)，影響被控過程。直接專家控制系統(tǒng)根據(jù)測量到的過程信息及知識(shí)庫中的規(guī)則，導(dǎo)出每一采樣時(shí)刻的控制信號(hào)第7章專家系統(tǒng)技術(shù)1）知識(shí)庫建立直接專家控制知識(shí)模型可用如下形式表示：U=f(E,K,O)其中，f為智能算子，其基本形式為：IFEANDKTHEN(IFOTHENU)其中，E={e1,e2,…,em}為控制器輸入信息集；K={k1,k2,…,kn}為知識(shí)庫中的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)與事實(shí)集；O={O1,O2,…,Op}為推理機(jī)構(gòu)的輸出集；U={u1,u2,…,un}為控制規(guī)則輸出集。第7章專家系統(tǒng)技術(shù)2）控制知識(shí)的獲取控制知識(shí)是從控制專家或?qū)ｉT操作人員的操作過程基礎(chǔ)上概括、總結(jié)歸納而成的?？刂浦R(shí)總結(jié)為“IFTHEN”形式的啟發(fā)式規(guī)則3）推理方法的選用對(duì)于簡單的知識(shí)結(jié)構(gòu)，可采用以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的正向推理方法，逐次判別各規(guī)則的條件，若滿足條件執(zhí)行該規(guī)則，否則繼續(xù)搜索。第7章專家系統(tǒng)技術(shù)例如一個(gè)溫度專家控制規(guī)則的獲取過程如下：控制輸入量為溫度給定值與熱電偶測量反饋信號(hào)的誤差，輸出量為雙向可控硅導(dǎo)通率。分析誤差曲線：當(dāng)誤差較大時(shí)，可以采用開關(guān)控制盡快減少誤差當(dāng)誤差較小時(shí)，采用PI控制提高精度，優(yōu)化動(dòng)態(tài)過程第7章專家系統(tǒng)技術(shù)(1)RuleIFe(t)>M1THENU(t)=Umax(2)RuleIFe(t)<-M1THENU(t)=0(3)RuleIF|e(t)|<=M1THENU(t)=U(t-1)+Kp*(e(t)-e(t-1))+Ki*e(t)(4)RuleIFU(t)<0THENU(t)=0(5)RuleIFU(t)>UmaxTHENU(t)=Umax第7章專家系統(tǒng)技術(shù)7.4.2間接專家控制基于知識(shí)的控制器既包含算法又包含邏輯，在這種情況下，系統(tǒng)自然可以按算法和邏輯分離進(jìn)行構(gòu)造。系統(tǒng)的底層可能是簡單的PID、Fuzzy等算法。系統(tǒng)根據(jù)一些用規(guī)則實(shí)現(xiàn)的啟發(fā)性知識(shí)，使不同功能算法都能正常運(yùn)行。這種專家控制是專家系統(tǒng)間接地對(duì)控制信號(hào)起作用，因而被稱為間接專家控制系統(tǒng)。第7章專家系統(tǒng)技術(shù)例7.1一種基于專家模糊控制磨削加工質(zhì)量控制系統(tǒng)1）問題描述磨削加工質(zhì)量控制就是通過控制磨床砂輪的進(jìn)給速度來控制加工物品的表面粗糙度Ra為表面粗糙度CLA值(μm),f為砂輪進(jìn)給速度(mm/rev),Vw為磨削速度(m/s),Vs為砂輪線速度(m/s),K為油、水冷卻條件.第7章專家系統(tǒng)技術(shù)2）系統(tǒng)設(shè)計(jì)其中Ra_d為預(yù)期的表面精糙度;Ra為實(shí)際表面粗糙度的測量值;e為Ra_d和Ra進(jìn)行比較的偏差;ef為進(jìn)給速度的變化率第7章專家系統(tǒng)技術(shù)3）知識(shí)庫設(shè)計(jì)在控制過程中，根據(jù)誤差的變化情況選擇不同的控制模式。1）當(dāng)誤差較大時(shí)，此時(shí)的控制目標(biāo)是盡快消除誤差，所以可以采用Band-Band控制，以最大的進(jìn)給速度給進(jìn)砂輪。2）當(dāng)誤差較小時(shí)，此時(shí)控制目標(biāo)是提高控制精度，采用PI控制3）誤差在前兩種情況中間時(shí)，采用模糊控制，消除不確定性的影響IF|e|>A,THENOUT=1; Band-BandIF|e|<=Aand|e|>B,THENOUT=2; FCIF|e|<=B,THENOUT=3 PI知識(shí)庫：第7章專家系統(tǒng)技術(shù)4）控制規(guī)則集Band-Band控制IFe>ATHENef=Umax;IFe<-ATHENef=-Umax.PI控制ef(k)=ef(k-1)+Kp(e(k)-e(k-1))+Ki(e(k))第7章專家系統(tǒng)技術(shù)Fuzzy控制器的輸入為偏差e和偏差變化率ec,輸出為ef.設(shè)定E、EC、EF的論域均為:{-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5}.對(duì)應(yīng)的模糊子集為:非常大(HB)、很大(VB)、大(B)、比較大(NB)、一點(diǎn)點(diǎn)大(LB)、零(Z)、一點(diǎn)點(diǎn)小(LS)、比較小(NS)、小(S)、很小(VS)、非常小(HS).隸屬函數(shù)采用高斯函數(shù).FC控制第7章專家系統(tǒng)技術(shù)控制規(guī)則表用Max-Min方法進(jìn)行模糊推理用加權(quán)平均法進(jìn)行去模糊化第7章專家系統(tǒng)技術(shù)4）控制效果在開始磨削時(shí)設(shè)定初始值：f0=0.003mm/rev,Vw0=0.31m/s,Vs0=28m/s,K0=1,突然將Ra0提高到0.05,響應(yīng)曲線：1：專家控制2：模糊控制第7章專家系統(tǒng)技術(shù)當(dāng)K突然從1變?yōu)?.2或0.75時(shí),維持表面粗糙度的要求不變,采用專家模糊控制器的系統(tǒng)的響應(yīng)曲線：可以看出采用專家模糊控制器的系統(tǒng)對(duì)參數(shù)變化和負(fù)載擾動(dòng)有強(qiáng)的魯棒性.1：K為1.2的響應(yīng)曲線2：K為0.75的響應(yīng)曲線第7章專家系統(tǒng)技術(shù)實(shí)時(shí)專家智能PID控制系統(tǒng)第7章專家系統(tǒng)技術(shù)知識(shí)庫的總結(jié)：1.如果e(k)>δ,說明誤差已經(jīng)很大,此時(shí)應(yīng)減少誤差,調(diào)整比例部分,使誤差絕對(duì)值以最大速度減小，積分為0，微分為0。即IF｜e｜>δ,THENKp=1.5×Kp，Ki＝0，Kd＝0。2.如果e(k)<δ,說明誤差在允許的范圍內(nèi),此時(shí)應(yīng)分幾種情況: 1)e(k)×Δe(k)>0,e(k)和Δe(k)同號(hào),說明誤差在朝絕對(duì)值增大的方向變化, 如果｜ｅ｜≥Ｍ,考慮由控制器實(shí)施較強(qiáng)的控制作用,同時(shí)增大比例和微分，減少積分,使誤差朝絕對(duì)值減小的方向變化,并迅速減小誤差的絕對(duì)值。IFe×Δe>0AND|e|>M,THENKp=1.5×Kp;Kd=1.2×Kd;Ki=0.5*Ki。

如果｜ｅ｜≤Ｍ,說明誤差的絕對(duì)值不很大,Kp、Ki不變，增強(qiáng)微分。

IFe×Δe>0AND｜e｜≤M,THENKp=Kp;Ki=Ki；Kd＝1.2*Kd。第7章專家系統(tǒng)技術(shù)2)ｅ(ｋ)×Δｅ(ｋ)<0,ｅ(ｋ),ｅ(ｋ)和Δｅ(ｋ)反號(hào),說明誤差在朝絕對(duì)值減小的方向變化,此時(shí)如果｜ｅ｜≥Ｍ,增強(qiáng)比例,減小積分,保持微分。IFｅ×Δｅ<0AND｜ｅ｜>M,THENKp=1.2×Kp;Ki=0.8×Ki；Kd＝Kd。如果｜ｅ｜≤Ｍ,說明誤差的絕對(duì)值不很大,可以增加快速性,加大積分。IFｅ×Δｅ>0AND｜ｅ｜≤M,Kp=0.8×Kp;Ki=1.2×Ki。3)ｅ(ｋ)≤ε,說明誤差在允許范圍內(nèi),可以保持控制器不變。IF｜ｅ｜≤ε,THENKp=Kp;Ki=Ki；Kd＝Kd。第7章專家系統(tǒng)技術(shù)IF｜e｜>30,THENKp=1.5×Kp，THENKi＝0，Kd＝0。IFe×Δe>0AND|e|>10,THENKp=1.5×Kp;Kd=1.2×Kd;Ki=0.5*Ki。IF