智能控制技术第2章-专家系统与专家控制系统.ppt
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第第2章章专家系统与专家控制系统专家系统与专家控制系统在在传传统统控控制制系系统统中中,系系统统的的运运行行排排斥斥了了人人的的干干预预,人人-机机之之间间缺缺乏乏交交互互。
控控制制器器对对被被控控对对象象在在环环境境中中的的参参数数、结结构构的的变变化化缺缺乏应变能力。
乏应变能力。
传传统统控控制制理理论论的的不不足足,在在于于它它必必须须依依赖赖于于被被控控对对象象严严格格的的数数学学模模型型,试试图图对对精精确确模模型型来来求求取取最最优优的的控控制制效效果果。
而而实实际际的的被被控控对对象存在着许多难以建模的因素。
象存在着许多难以建模的因素。
上上世世纪纪80年年代代初初,人人工工智智能能中中专专家家系系统统的的思思想想和和方方法法开开始始被被引引入入控控制制系系统统的的研研究究和和工程应用中。
工程应用中。
专专家家系系统统能能处处理理定定性性的的、启启发发式式或或不不确确定定的的知知识识信信息息,经经过过各各种种推推理理来来达达到到系系统统的的任任务务目目标标。
专专家家系系统统为为解解决决传传统统控控制制理理论论的的局局限限性性提提供供了了重重要要的的启启示示,二二者者的的结结合合导导致致了专家控制这一方法。
了专家控制这一方法。
2.1概述概述2.1.1、什么是专家系统、什么是专家系统1定义定义专专家家系系统统是是一一类类包包含含知知识识和和推推理理的的智智能能计计算算机机程程序序,其其内内部部包包含含某某领领域域专专家家水水平平的的知识和经验,具有解决专门问题的能力。
知识和经验,具有解决专门问题的能力。
2.1.2专家系统的发展历程专家系统的发展历程分为四个阶段:
分为四个阶段:
(1)孕期期()孕期期(1965年以前)年以前)专家系统历史的一些重要事件专家系统历史的一些重要事件1956年人工智能诞生;年人工智能诞生;两两项项历历史史意意义义的的突突破破:
LT系系统统与与西西洋洋跳跳棋棋程程序;序;1957年开始通用问题求解程序年开始通用问题求解程序GPS.
(2)初创期(初创期(1965-1971年)年)第第一一代代专专家家系系统统DENLDRA和和MACSMA的的出出现现,标标志志着着专专家家系系统统的的诞诞生生。
其其中中DENLDRA为为推推断断化化学学分分子子结结构构的的专专家家系系统统,由由专专家家系系统统的的奠奠基基人人,Stanford大大学学计计算算机机系系的的Feigenbaum教教授授及及其其研研究究小小组组研研制制。
MACSMA为为用用于于数数学学运运算算的的数数学学专专家家系系统统,由由麻麻省省理理工工学院完成。
学院完成。
(3)成熟期()成熟期(1972-1977年):
年):
在在此此期期间间斯斯坦坦福福大大学学研研究究开开发发了了最最著著名名的的专专家家系系统统-血血液液感感染染病病诊诊断断专专家家系系统统MYCIN,标标志志专专家家系系统统从从理理论论走走向向应应用用。
另另一一个个著著名名的的专专家家系系统统-语语音音识识别别专专家家系系统统HEARSAY的的出出现现,标标志志着着专专家家系系统统的的理理论走向成熟。
论走向成熟。
(4)发展期()发展期(1978-现在)现在)在在此此期期间间,专专家家系系统统走走向向应应用用领领域域,专专家家系系统统的的数数量量增增加加,仅仅1987年年研研制制成成功的专家系统就有功的专家系统就有1000种。
种。
专专家家系系统统可可以以解解决决的的问问题题一一般般包包括括解解释释、预预测测、设设计计、规规划划、监监视视、修修理理、指指导导和和控控制制等等。
目目前前,专专家家系系统统已已经经广广泛泛地地应应用用于于医医疗疗诊诊断断、语语音音识识别别、图图象象处处理理、金金融融决决策策、地地质质勘勘探探、石石油油化化工工、教学、军事、计算机设计等领域。
教学、军事、计算机设计等领域。
2.2、专家系统的基本结构与实现、专家系统的基本结构与实现专家系统主要由知识库和推理机构专家系统主要由知识库和推理机构成,专家系统的结构如图成,专家系统的结构如图2-4所示。
所示。
专家系统的结构专家系统的结构用户用户人机接口人机接口人机接口人机接口领域专家领域专家知识工程师知识工程师解释机构解释机构解释机构解释机构知识获取机构知识获取机构知识获取机构知识获取机构数据库数据库数据库数据库推理机推理机推理机推理机知识库知识库知识库知识库专专家家系系统统核核心心1知识库知识库知识库包含三类知识:
知识库包含三类知识:
(1)基于专家经验的判断性规则;)基于专家经验的判断性规则;
(2)用于推理、问题求解的控制性规则;)用于推理、问题求解的控制性规则;(3)用用于于说说明明问问题题的的状状态态、事事实实和和概概念念以及当前的条件和常识等的数据。
以及当前的条件和常识等的数据。
知知识识库库包包含含多多种种功功能能模模块块,主主要要有有知知识识查查询询、检检索索、增增删删、修修改改和和扩扩充充等等。
知知识识库库通通过过人人机机接接口口与与领领域域专专家家相沟通,实现知识的获取。
相沟通,实现知识的获取。
2推理机推理机推推理理机机是是用用于于对对知知识识库库中中的的知知识识进进行行推推理理来来得得到到结结论论的的“思思维维”机机构构。
推推理理机机包包括括三三种推理方式:
种推理方式:
(1)正正向向推推理理:
从从原原始始数数据据和和已已知知条条件件得得到结论;到结论;
(2)反反向向推推理理:
先先提提出出假假设设的的结结论论,然然后后寻找支持的证据,若证据存在,则假设成立;寻找支持的证据,若证据存在,则假设成立;(3)双双向向推推理理:
运运用用正正向向推推理理提提出出假假设设的的结论,运用反向推理来证实假设。
结论,运用反向推理来证实假设。
3知识的表示知识的表示常常用用的的知知识识表表示示方方法法为为:
产产生生式式规规则则,框框架架,语语义义网网络络,过过程程。
其其中中产产生生式式规规则则是是专专家家系系统统最最流流行行的的表表达达方方法法。
由由产产生生式式规规则则表表示示的的专专家家系系统统又又称称为为基基于于规规则则的的系系统或产生式系统。
统或产生式系统。
产生式规则的表达方式为:
产生式规则的表达方式为:
IFETHENHWITHCF(E,H)其其中中,E表表示示规规则则的的前前提提条条件件,即即证证据据,它它可可以以是是单单独独命命题题,也也可可以以是是复复合合命命题题;H表表示示规规则则的的结结论论部部分分,即即假假设设,也也是是命命题题;CF(CertaintyFactor)为为规规则则的的强强度度,反反映映当当前前提提为为真真时时,规规则则对对结结论的影响程度。
论的影响程度。
4专家系统开发语言专家系统开发语言
(1)C语语言言,人人工工智智能能语语言言(如如Prolog,Lisp等);等);
(2)专专家家系系统统开开发发工工具具:
已已经经建建好好的的专专家家系系统统框框架架,包包括括知知识识表表达达和和推推理理机机。
在在运运用用专专家家系系统统开开发发工工具具开开发发专专家家系系统统时,只需要加入领域知识。
时,只需要加入领域知识。
2.2.2专家系统的实现专家系统的实现1、专家系统的建立原则、专家系统的建立原则l知知识识与与知知识识处处理理机机构构分分开开和和互互相相独独立的原则立的原则l按系统功能实现模块化构造的原则按系统功能实现模块化构造的原则l交互性原则交互性原则2、专家系统的建立步骤、专家系统的建立步骤l问题选择和定义阶段问题选择和定义阶段l原型构造阶段原型构造阶段l规划和设计阶段规划和设计阶段l实实施施阶阶段段、测测试试和和评评介介阶阶段段以以及及集集成和维护阶段成和维护阶段l测试和评价阶段测试和评价阶段l集成和维护阶段集成和维护阶段
(1)知识库的设计)知识库的设计确确定定知知识识类类型型:
叙叙述述性性知知识识,过过程程性性知知识,控制性知识;识,控制性知识;确定知识表达方法;确定知识表达方法;知知识识库库管管理理系系统统的的设设计计:
实实现现规规则则的的保保存、编辑、删除、增加、搜索等功能。
存、编辑、删除、增加、搜索等功能。
(2)推理机的设计)推理机的设计选择推理方式;选择推理方式;选选择择推推理理算算法法:
选选择择各各种种搜搜索索算算法法,如如深深度度优优先先搜搜索索、广广度度优优先先搜搜索索、启启发发式式优优先搜索等。
先搜索等。
(3)人)人机接口的设计机接口的设计设设计计“用用户户专专家家系系统统接接口口”:
用用于于咨咨询理解和结论解释;询理解和结论解释;设设计计“专专家家专专家家系系统统接接口口”:
用用于于知知识库扩充及系统维护。
识库扩充及系统维护。
2.3专家控制系统的设计方法专家控制系统的设计方法
(1)专家控制系统的概念与分类)专家控制系统的概念与分类
(2)专家控制系统的设计结构)专家控制系统的设计结构(3)专家控制系统的开发步骤)专家控制系统的开发步骤(4)知识的获取与表示)知识的获取与表示(5)推理机制)推理机制2.3.1专家控制系统概念、分类专家控制系统概念、分类一、概述一、概述瑞瑞典典学学者者K.J.Astrom在在1983年年首首先先把把人人工工智智能能中中的的专专家家系系统统引引入入智智能能控控制制领领域域,于于1986年年提提出出“专专家家控控制制”的概念,构成一种智能控制方法。
的概念,构成一种智能控制方法。
专专家家控控制制(ExpertControl)是是智智能能控控制制的的一一个个重重要要分分支支,又又称称专专家家智智能能控控制制。
所所谓谓专专家家控控制制,是是将将专专家家系系统统的的理理论论和和技技术术同同控控制制理理论论、方方法法与与技技术术相相结结合合,在在未未知知环环境境下下,仿仿效效专专家家的的经经验验,实实现现对系统的控制。
对系统的控制。
专家控制试图在传统控制的基础上专家控制试图在传统控制的基础上“加加入入”一个富有经验的控制工程师,实现控一个富有经验的控制工程师,实现控制的功能,它由知识库和推理机构构成主制的功能,它由知识库和推理机构构成主体框架,通过对控制领域知识(先验经验、体框架,通过对控制领域知识(先验经验、动态信息、目标等)的获取与组织,按某动态信息、目标等)的获取与组织,按某种策略及时地选用恰当的规则进行推理输种策略及时地选用恰当的规则进行推理输出,实现对实际对象的控制。
出,实现对实际对象的控制。
二、基本原理二、基本原理1结构结构专家控制的基本结构如下图所示。
专家控制的基本结构如下图所示。
知识库知识库知识库知识库实时实时实时实时推理机推理机推理机推理机A/DA/D被控被控被控被控对象对象对象对象D/AD/A控制控制控制控制算法库算法库算法库算法库专家控制的结构专家控制的结构专家控制的结构专家控制的结构2功能功能
(1)能能够够满满足足任任意意动动态态过过程程的的控控制制需需要要,尤尤其其适适用用于于带带有有时时变变、非非线线性性和和强强干干扰扰的的控制;控制;
(2)控制过程可以利用对象的先验知识;)控制过程可以利用对象的先验知识;(3)通通过过修修改改、增增加加控控制制规规则则,可可不不断断积累知识,改进控制性能;积累知识,改进控制性能;(4)可可以以定定性性地地描描述述控控制制系系统统的的性性能能,如如“超调小超调小”、“偏差增大偏差增大”等;等;(5)对控制性能可进行解释;)对控制性能可进行解释;(6)可可通通过过对对控控制制闭闭环环中中的的单单元元进进行行故故障检测来获取经验规则。
障检测来获取经验规则。
3.与专家系统的区别与专家系统的区别专专家家控控制制引引入入了了专专家家系系统统的的思思想想,但但与与专家系统存在区别:
专家系统存在区别:
(1)专专家家系系统统能能完完成成专专门门领领域域的的功功能能,辅辅助助用用户户决决策策;专专家家控控制制能能进进行行独独立立的的、实实时时的的自自动动决决策策。
专专家家控控制制比比专专家家系系统统对对可靠性和抗干扰性有着更高的要求。
可靠性和抗干扰性有着更高的要求。
(2)专专家家系系统统处处于于离离线线工工作作方方式式,而而专专家家控控制制要要求求在在线线获获取取反反馈馈信信息息,即即要求在线工
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