专家控制系统课件.ppt

1、信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日 在传统控制系统中，系统的运行排斥了在传统控制系统中，系统的运行排斥了人的干预，人人的干预，人-机之间缺乏交互。控制器对机之间缺乏交互。控制器对被控对象在环境中的参数、结构的变化缺乏被控对象在环境中的参数、结构的变化缺乏应变能力。应变能力。传统控制理论的不足，在于它必须依赖传统控制理论的不足，在于它必须依赖于被控对象严格的数学模型，试图对精确模于被控对象严格的数学模型，试图对精确模型来求取最优的控制效果。而实际的被控对型来求取最优的控制效果。而实际的被控对象存在着许多

2、难以建模的因素。象存在着许多难以建模的因素。信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日 上世纪上世纪80年代初，人工智能中专家系统年代初，人工智能中专家系统的思想和方法开始被引入控制系统的研究和的思想和方法开始被引入控制系统的研究和工程应用中。工程应用中。专家系统能处理专家系统能处理定性的定性的、启发式启发式或或不确不确定定的知识信息，经过各种的知识信息，经过各种推理推理来达到系统的来达到系统的任务目标。专家系统为解决传统控制理论的任务目标。专家系统为解决传统控制理论的局限性提供了重要的启示，二者的结合导致局限性提供了重要的启示，二者的结合导致了专家控制这一方法。了专家控

3、制这一方法。信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日2.1 专家系统专家系统2.2 专家控制专家控制2.3 专家专家PID控制控制2.4 专家专家PID控制仿真实例控制仿真实例2.5 专家整定专家整定PID控制控制本本 章章 作作 业业主要内容主要内容信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日w专家系统概述专家系统概述w专家系统的分类与组成专家系统的分类与组成w专家系统建立专家系统建立信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日1定义定义 一个智能计算机程序，它应用一个智能计算机程序，它应用知识知识和和推理推理过程来求解那些需要

4、大量的人类专家经过程来求解那些需要大量的人类专家经验才能解决的难题。（费根鲍姆）验才能解决的难题。（费根鲍姆）信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日 一个智能计算机程序系统，其内部含一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的验，能够利用人类专家的知识知识和解决问和解决问题的题的经验方法经验方法来处理该领域的高水平难来处理该领域的高水平难题。（蔡自兴）题。（蔡自兴）信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日 一种在相关领域中具有专家水平解题一种在相关领域中具有专家水平解

5、题能力的智能程序系统，它能运用领域专家多能力的智能程序系统，它能运用领域专家多年积累的年积累的经验经验与与专门知识专门知识，模拟人类专家的，模拟人类专家的思维过程，求解需要专家才能解决的困难问思维过程，求解需要专家才能解决的困难问题。题。一类包含知识和推理的智能计算机程一类包含知识和推理的智能计算机程序，其内部包含某领域专家水平的序，其内部包含某领域专家水平的知识知识和和经经验验，具有解决专门问题的能力。，具有解决专门问题的能力。信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日信息工程与自动化学院信息工程与自动化学

6、院2023年年1月月6日日 信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日w初创期（1965-1971）w成熟期（1972-1977）w发展期（1978-至今）信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日(1)初创期（初创期（1965-1971年）年）第 一 代 专 家 系 统第 一 代 专 家 系 统 D E N L D R A 和和MACSYMA的出现，标志着专家系统的诞的出现，标志着专家系统的诞生。其中生。其中DENLDRA为推断化学分子结构的为推断化学分子结构的专家系统，由专家系统的奠基人，专家系统，由专家系统的奠基人，Stanford大学计算机系

7、的大学计算机系的Feigenbaum教授及其研究教授及其研究小组研制。小组研制。MACSYMA为用于数学运算的为用于数学运算的数学专家系统，由麻省理工完成。数学专家系统，由麻省理工完成。信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日（2）成熟期（）成熟期（1972-1977年）年）在此期间斯坦福大学研究开发了最著在此期间斯坦福大学研究开发了最著名的专家系统名的专家系统-血液感染病诊断专家系统血液感染病诊断专家系统MYCIN，标志专家系统从理论走向应用。，标志专家系统从理论走向应用。另一个著名的专家系统另一个著名的

8、专家系统-语音识别专家系统语音识别专家系统HEARSAY的出现，标志着专家系统的理的出现，标志着专家系统的理论走向成熟。论走向成熟。信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日（3）发展期（）发展期（1978-现在）现在）信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日 为解决特定领域的具体问题，除需要一些公共的为解决特定领域的具体问题，除需要一些公共的常识，还需要大量

9、与所研究领域问题密切相关的常识，还需要大量与所研究领域问题密切相关的知识；知识；一般采用启发式的解题方法；一般采用启发式的解题方法；在解题过程中除了用演绎方法外，有时还要求助在解题过程中除了用演绎方法外，有时还要求助于归纳方法和抽象方法；于归纳方法和抽象方法；需处理问题的模糊性、不确定性和不完全性；需处理问题的模糊性、不确定性和不完全性；能对自身的工作过程进行推理能对自身的工作过程进行推理(自推理或解释自推理或解释)；采用基于知识的问题求解方法；采用基于知识的问题求解方法；知识库与推理机分离。知识库与推理机分离。信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日信息工程与自动化学

10、院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日a.按用途分类按用途分类 （专家系统专家系统）诊断型诊断型控制型控制型解释型解释型监测型监测型预测型预测型维修型维修型设计型设计型教学型教学型规划型规划型调度型调度型信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日b.按输出结果分类按输出结果分类分析型分析型设计型设计型信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日c.按知识表示分类按知识表示分类基于产生式规则基于产生式规则基于一阶谓词基于一阶谓词基于框架基于框架基于语义网基于语义网信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日d.按知识分类按知识

11、分类精确推理型精确推理型不精确推理型不精确推理型（模糊专家系统）（模糊专家系统）信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日e.按采用技术分类按采用技术分类符号推理专家系统符号推理专家系统神经网络专家系统神经网络专家系统信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日f.按规模分类按规模分类大型协同式大型协同式专家系统专家系统微专家系统微专家系统信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日g.按规模分类按规模分类集中式集中式分布式分布式单机型单机型网络型网络型（网上专家系统）（网上专家系统）信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023

12、年年1月月6日日知识库知识库规则库规则库数据库数据库推理机推理机解释程序解释程序调度程序调度程序推理咨询推理咨询知识获取知识获取领域专家领域专家专家系统专家系统用户用户信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日知识库用来存放专家提供的知识。专家系统的问题求解过程是通过知识库中的知识来模拟专家的思维方式的，因此，知识库是专家系统质量是否优越的关键所在，即知识库中知识的质量和数量决定着专家系统的质量水平。一般来说，专家系统中的知识库与专家系统程序是相互独立的，用户可以通过改变、完善知识库中的知识内容来提高专家系统

13、的性能。信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日推理机针对当前问题的条件或已知信息，反复匹配知识库中的规则，获得新的结论，以得到问题求解结果。由此可见，推理机就如同专家解决问题的思维方式，知识库就是通过推理机来实现其价值的。信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日 综合数据库专门用于存储推理过程中所需的原始数据、中间结果和最终结论，往往是作为暂时的工作存储区(Working Memory)。解释器能够根据用户的提问，对结论、求解过程做出说明，因而使专家系统更具有人情味。信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日 通过人工方法

14、或机器学习的方法，将某个领域内的事实性知识和领域专家所特有的经验性知识转化为计算机程序的过程。知识获取是专家系统知识库是否优越的关键，也是专家系统设计的“瓶颈”问题，通过知识获取，可以扩充和修改知识库中的内容，也可以实现自动学习功能。信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日解释接口提供使用者友善的解释说明及咨询功能。信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日 人机界面是系统与用户进行交流时的界面。通过该界面，用户输入基本信息、回答系统提出的相关问题，并输出推理结果及相关的解释等。信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日信息工

15、程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日 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）用于说明问题的状态、事实和概念以）用于说明问题的状态、事实和概念以 及当前的条件和常识等的数据。及当前的条件和常识等的数据。信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日 知识库包含多种功能模块，主要有知识库包含多种功能模块，主要有知识查询、检索、增删、修改和扩充等。知识查询、检索、增删、修改和扩充等。知识库通过人机接口与领域专家相知识库通过

16、人机接口与领域专家相沟通，实现知识的获取。沟通，实现知识的获取。信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日 推理机是用于对知识库中的知识进行推理推理机是用于对知识库中的知识进行推理来得到结论的来得到结论的“思维思维”机构。推理机包括三种机构。推理机包括三种推理方式：推理方式：（1 1）正向推理正向推理：从原始数据和已知条件得到：从原始数据和已知条件得到结论；结论；（2 2）反向推理反向推理：先提出假设的结论，然后寻：先提出假设的结论，然后寻找支持的证据，若证据存在，则假设成立；找支持的证据，若证据存在，则假设成立；（3 3）双向推理双向推理：运用正向推理提出假设的结：运用

17、正向推理提出假设的结论，运用反向推理来证实假设。论，运用反向推理来证实假设。信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日 人工智能中常用的知识表示方法为：产人工智能中常用的知识表示方法为：产生式规则，框架，语义网络、过程。生式规则，框架，语义网络、过程。其中其中产生式规则产生式规则是专家系统最流行的表是专家系统最流行的表达方法。由产生式规则表示的专家系统又称达方法。由产生式规则表示的专家系统又称为基于规则的系统或产生式系统。为基于规则的系统或产生式系统。信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日 产生式规则的表达方式为：产生式规则的表达方式为：IF E

18、 THEN H WITH CF(E,H)其中，其中，E表示规则的前提条件，即证据，表示规则的前提条件，即证据，它可以是单独命题，也可以是复合命题；它可以是单独命题，也可以是复合命题；H表示规则的结论部分，即假设，也是命题；表示规则的结论部分，即假设，也是命题；CF（Certainty Factor）为规则的强度，反映）为规则的强度，反映当前提为真时，规则对结论的影响程度。当前提为真时，规则对结论的影响程度。信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日在在“动物识别动物识别”专家系统中有这样一条规则：专家系统中有这样一条规则：IF IF 能做单腿跳吗能做单腿跳吗 =否否 AN

19、DAND 在苏格兰吗在苏格兰吗 =是是 ANDAND 高度高度 =大大THEN THEN 动物动物 =马马信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日 （1）C语言，人工智能语言（如语言，人工智能语言（如Prolog，Lisp等）；等）；（2）专家系统开发工具）专家系统开发工具(Expert Systems Tools)：已经建好的专家系统框架，包括知：已经建好的专家系统框架，包括知识表达和推理机。在运用专家系统开发工具识表达和推理机。在运用专家系统开发工具开发专家系统时，只需要加入领域知识。开发专家系统时，只需要加入领域知识。信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院202

20、3年年1月月6日日一般步骤与方一般步骤与方法法信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日 确定知识类型：叙述性知识，过程性确定知识类型：叙述性知识，过程性知识，控制性知识；知识，控制性知识；确定知识表达方法；确定知识表达方法；知识库管理系统的设计：实现规则的知识库管理系统的设计：实现规则的保存、编辑、删除、增加、搜索等功能。保存、编辑、删除、增加、搜索等功能。（1）知识库的设计）知识库的设计信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日 选择推理方式；选择推理方式；选择推理算法：选择各种搜索选择推理算法：选择各种搜索算法，如深度优先搜索、广度优先搜索、算

21、法，如深度优先搜索、广度优先搜索、启发式优先搜索等。启发式优先搜索等。（2）推理机的设计）推理机的设计信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日 设计设计“用户用户专家系统接口专家系统接口”：用：用于咨询理解和结论解释；于咨询理解和结论解释；设计设计“专家专家专家系统接口专家系统接口”：用：用于知识库扩充及系统维护。于知识库扩充及系统维护。（3）人）人机接口的设计机接口的设计信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日一、概一、概 述述 瑞 典 学 者瑞 典 学 者 K.J.Astrom于

22、于 1983年 在年 在“Implementation of an Autotuner Using Expert System Ideas”一文中，首先把人工智能中的专家一文中，首先把人工智能中的专家系统引入智能控制领域，于系统引入智能控制领域，于1986年在年在“Expert Control”提出提出“专家控制专家控制”的概念，构成一种智的概念，构成一种智能控制方法。能控制方法。信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日 专家控制（专家控制（Expert Control）是智能控）是智能控制的一个重要分支，又称专家智能控制。制的一个重要分支，又称专家智能控制。所谓所谓专

23、家控制专家控制，是将专家系统的理论和，是将专家系统的理论和技术同控制理论、方法与技术相结合，在未技术同控制理论、方法与技术相结合，在未知环境下，仿效专家的经验，实现对系统的知环境下，仿效专家的经验，实现对系统的控制。控制。信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日 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，实现控制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体框的功能，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、动态架，通过对控制领域知识（先验经验、动态信息、目标等）的获取

24、与组织，按某种策略信息、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出，实现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。对实际对象的控制。信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日知识库知识库实时实时推理机推理机A/D被控被控对象对象D/A控制控制算法库算法库专家控制的基本结构专家控制的基本结构1结构结构信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日 （1）能够满足任意动态过程的控制需要，）能够满足任意动态过程的控制需要，尤其适用于带有时变、非线性和强干扰的控制；尤其适用于带有时变、非线性和强干扰的控制；（2）控制过程可以利

25、用对象的先验知识；）控制过程可以利用对象的先验知识；（3）通过修改、增加控制规则，可不断积）通过修改、增加控制规则，可不断积累知识，改进控制性能；累知识，改进控制性能；2功能功能信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日（4）可以定性地描述控制系统的性能，如）可以定性地描述控制系统的性能，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）可通过对控制闭环中的单元进行故障）可通过对控制闭环中的单元进行故障检测来获取经验规则。检测来获取经验规则。信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日 专家控制引

26、入了专家系统的思想，但与专家控制引入了专家系统的思想，但与专家系统存在区别：专家系统存在区别：（1）专家系统能完成专门领域问题的）专家系统能完成专门领域问题的咨咨询询功能，功能，辅助辅助用户决策；专家控制能进行用户决策；专家控制能进行独独立立的、的、实时实时的自动决策。专家控制比专家系的自动决策。专家控制比专家系统对可靠性和抗干扰性有着更高的要求。统对可靠性和抗干扰性有着更高的要求。3.与专家系统的区别与专家系统的区别信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日 （2）专家系统处于）专家系统处于离线离线工作方式，而工作方式，而专家控制要求在线获取动态反馈信息，联专家控制要求

27、在线获取动态反馈信息，联机完成控制，即要求机完成控制，即要求在线在线工作方式。工作方式。信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日 专家控制将系统视为基于知识的系统，专家控制将系统视为基于知识的系统，控制系统的知识库由控制系统的知识库由 事实集事实集 经验数据、经验公式经验数据、经验公式 规则规则等构成。等构成。4.主要组成部分主要组成部分信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日（1 1）事实集事实集-主要包括被控对象的有关知识，主要包括被控对象的有关知识，如结构、类型及待征、还有参数

28、变化范围等。如结构、类型及待征、还有参数变化范围等。（2 2）经验数据经验数据-包括被控对象的参数变化范围、包括被控对象的参数变化范围、控制参数的调整范围及其限幅值。传感器的静、动控制参数的调整范围及其限幅值。传感器的静、动态持性、系统误差、执行机构的特征、控制系统的态持性、系统误差、执行机构的特征、控制系统的性能指标以及由控制专家给出或由实验总结出的经性能指标以及由控制专家给出或由实验总结出的经验公式。验公式。（3 3）控制规则控制规则-有自适应、自学习、参数自调有自适应、自学习、参数自调整等方面的规则。整等方面的规则。信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日 存放控

29、制策略及控制方法，如存放控制策略及控制方法，如PID、PI、Fuzzy、神经控制神经控制NC、预测控制算法等，是直接基本控制、预测控制算法等，是直接基本控制方法集。方法集。信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日 根据一定的推理策略根据一定的推理策略(正向推理正向推理)从知识库中选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、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，用决策的结果指导控制得出相应的最佳控制决策，用决策的结果指导控制作用。作用。信息工

30、程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日控制推理模型控制推理模型专家控制中的问题求解机制可表示为如下的推理模型：专家控制中的问题求解机制可表示为如下的推理模型：一种智能算子；集为具体推理机构的输出；和事实集为知识库中的经验数据；为控制器的输入信息集；为控制器的输出作用集其中：fiiikkkeeeuuuIKEfUqpnm,.,I,.,K,.,E,.,U),(21212121信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日智能算子可以一般地表示为智能算子可以一般地表示为 IF E AND K THEN(IF I THEN U)在此，智能算子的含义用了产生式的形式。

31、在此，智能算子的含义用了产生式的形式。EKIU信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日 动态库用来存放系统推理过程中用到的数据、动态库用来存放系统推理过程中用到的数据、中间结果，实时采集与处理的数据。中间结果，实时采集与处理的数据。信息获取主要是通过闭环控制系统的反馈信息信息获取主要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及系统的输入信息，获取控制系统的误差及误差变化量、系统的特征信息化量、系统的特征信息(如超调量、上升时间等如超调量、上升时间等)。信息的处理包括必要的待征识别、滤波措施等。信息的处理包括必要的待征识别、滤波措施等。信息工

32、程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日 按专家控制在控制系统中的按专家控制在控制系统中的作用和功作用和功能能，可将专家控制器分为以下两种类型：，可将专家控制器分为以下两种类型：直接型专家控制器直接型专家控制器 间接型专家控制器间接型专家控制器信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日 直接专家控制器用于直接专家控制器用于取代常规控制器取代常规控制器，直直接控制接控制生产过程或被控对象。具有模拟（或延生产过程或被控对象。具有模拟（或延伸，扩展）操作工人智能的功能。该控制器的伸，扩展）操作工人智能的功能。该控制器的任务和功能相对比较简单，但是需要任务和功能

33、相对比较简单，但是需要在线在线、实实时时控制。因此，其知识表达和知识库也较控制。因此，其知识表达和知识库也较简单简单，通常由几十条产生式规则构成，以便于增删和通常由几十条产生式规则构成，以便于增删和修改。修改。信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日知识库知识库信息获取信息获取与处理与处理推理推理机构机构被 控被 控对对 象象传感器传感器控制控制规则库规则库直接型专家控制器直接型专家控制器信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日 间接型专家控制器用于间接型专家控制器用于和常规控制器相结和常规控制器相结合合，组成对生产过程或被控对象进行，组成对生产

34、过程或被控对象进行间接控制间接控制的智能控制系统。具有模拟（或延伸，扩展）的智能控制系统。具有模拟（或延伸，扩展）控制工程师智能的功能。该控制器能够实现优控制工程师智能的功能。该控制器能够实现优化适应、协调、组织等化适应、协调、组织等高层决策高层决策的智能控制。的智能控制。按照高层决策功能的性质，间接型专家控制器按照高层决策功能的性质，间接型专家控制器可分为以下几种类型：可分为以下几种类型：信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日 优化型专家控制器：优化型专家控制器：是基于最优控制是基于最优控制专家的知识和经验的总结和运用。通过设置专家的知识和经验的总结和运用。通过设置

35、整定值、优化控制参数或控制器，实现控制整定值、优化控制参数或控制器，实现控制器的静态或动态优化。器的静态或动态优化。信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日 适应型专家控制器：适应型专家控制器：是基于自适应控是基于自适应控制专家的知识和经验的总结和运用。根据制专家的知识和经验的总结和运用。根据现场运行状态和测试数据，相应地调整控现场运行状态和测试数据，相应地调整控制规律，校正控制参数，修改整定值或控制规律，校正控制参数，修改整定值或控制器，适应生产过程、对象特性或环境条制器，适应生产过程、对象特性或环境条件的漂移和变化。件的漂移和变化。信息工程与自动化学院信息工程与自动

36、化学院2023年年1月月6日日 协调型专家控制器：协调型专家控制器：是基于协调控制专家是基于协调控制专家和调度工程师的知识和经验的总结和运用。和调度工程师的知识和经验的总结和运用。用以协调局部控制器或各子控制系统的运行，用以协调局部控制器或各子控制系统的运行，实现大系统的全局稳定和优化。实现大系统的全局稳定和优化。信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日 组织型专家控制器：组织型专家控制器：是基于控制工程的组是基于控制工程的组织管理专家或总设计师的知识和经验的总结织管理专家或总设计师的知识和经验的总结和运用。用以组织各种常规控制器，根据控和运用。用以组织各种常规控制器，

37、根据控制任务的目标和要求，构成所需要的控制系制任务的目标和要求，构成所需要的控制系统。统。信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日 间接型专家控制器可以间接型专家控制器可以在线在线或或离线离线运行。运行。通常，优化型、适应型需要在线、实时、联通常，优化型、适应型需要在线、实时、联机运行。协调型、组织型可以离线、非实时机运行。协调型、组织型可以离线、非实时运行，作为相应的计算机辅助系统。运行，作为相应的计算机辅助系统。信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日专家控制器专家控制器被控对象被控对象传感器传感器控制算法控制算法特征提取特征提取间接型专家控

38、制器间接型专家控制器信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日不论哪种专家控制器的设计都必须解决以下几个问不论哪种专家控制器的设计都必须解决以下几个问题：题：(1)用什么知识表示方法描述一个系统的待征知识用什么知识表示方法描述一个系统的待征知识?(2)怎样从传感器数据中获取和识别定性的知识怎样从传感器数据中获取和识别定性的知识?(3)如何把定性推理的结果量化成执行器定量的控制如何把定性推理的结果量化成执行器定量的控制信号：信号：(4)怎样分析和保证系统的稳定性怎样分析和保证系统的稳定性?(5)怎样获取控制知识和学习规则怎样获取控制知识和学习规则?信息工程与自动化学院信息工

39、程与自动化学院2023年年1月月6日日1专家控制的关键技术专家控制的关键技术 (1)知识的表达方法；知识的表达方法；(2)从传感器中识别和获取定量的控制信从传感器中识别和获取定量的控制信号；号；(3)将定性知识转化为定量的控制信号；将定性知识转化为定量的控制信号；(4)控制知识和控制规则的获取。控制知识和控制规则的获取。信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日2专家控制的特点专家控制的特点 （1）灵活性灵活性：根据系统的工作状态及误：根据系统的工作状态及误差情况，可灵活地选取相应的控制律；差情况，可灵活地选取相应的控制律；（2）适应性适应性：能根据专家知识和经验，：能根

40、据专家知识和经验，调整控制器的参数，适应对象特性及环境调整控制器的参数，适应对象特性及环境的变化；的变化；（3）鲁棒性鲁棒性：通过利用专家规则，系统：通过利用专家规则，系统可以在非线性、大偏差下可靠地工作。可以在非线性、大偏差下可靠地工作。信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日 （4）高可靠性高可靠性及长期运行的及长期运行的连续性连续性；（5）在线控制的）在线控制的实时性实时性；（6）维护的）维护的方便性方便性。信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日 PID专家控制的实质是，基于受控对象和专家控制的实质是，基于受控对象和控制规律的各种知识，无

41、需知道被控对象的控制规律的各种知识，无需知道被控对象的精确模型，利用专家经验来设计精确模型，利用专家经验来设计PID参数。专参数。专家家PID控制是一种控制是一种直接型专家控制器直接型专家控制器。信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日 在直接专家在直接专家PID控制中，专家控制器直接给出控制中，专家控制器直接给出控制信号，影响被控过程。直接专家控制信号，影响被控过程。直接专家PID控制器根控制器根据测量到的过程信息及知识库中的规则，导出每一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。很明显，在这种情况下，专采样时刻的控制信号。很明显，在这种情况下，

42、专家家PID控制器直接包括在控制回路中，每一采样时控制器直接包括在控制回路中，每一采样时刻必须由专家刻必须由专家PID控制器给出控制信号，系统方可控制器给出控制信号，系统方可正常运行。正常运行。信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日 控制知识控制知识(规则、事实规则、事实)是从控制专家或是从控制专家或专门操作人员的操作过程基础上概括、总结专门操作人员的操作过程基础上概括、总结归纳而成的。归纳而成的。信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日典型二阶系统单位阶跃响应误差曲线典型二阶系统

43、单位阶跃响应误差曲线 典型的二阶系统单位阶跃响应误差曲线如图典型的二阶系统单位阶跃响应误差曲线如图所示。对于典型的二阶系统阶跃响应过程作如下所示。对于典型的二阶系统阶跃响应过程作如下分析。分析。信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日 2111kekekekekeke 令令 表示离散化的当前采样时刻的误表示离散化的当前采样时刻的误差值，差值，和和 分别表示前一个分别表示前一个和前两个采样时刻的误差值，则有和前两个采样时刻的误差值，则有1ke2ke ke 选取选取 为特征量。为特征量。)1(),(),(kekeke信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月

44、6日日 根据误差及其变化，可设计专家根据误差及其变化，可设计专家PID控控制器，该控制器可分为以下五种情况进行设制器，该控制器可分为以下五种情况进行设计：计：（1）当）当 时，说明误差的绝对值已时，说明误差的绝对值已经很大。不论误差变化趋势如何，都应考虑经很大。不论误差变化趋势如何，都应考虑控制器的输出应按最大（或最小）输出，以控制器的输出应按最大（或最小）输出，以达到迅速调整误差，使误差绝对值以最大速达到迅速调整误差，使误差绝对值以最大速度减小。此时，它相当于实施开环控制。度减小。此时，它相当于实施开环控制。1Mke信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日 （2）当）

45、当说明误差在朝误差绝对值增大方向变化，或说明误差在朝误差绝对值增大方向变化，或误差为某一常值，未发生变化。误差为某一常值，未发生变化。时，或0)(0)()(kekeke信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日此时，如果此时，如果 ，说明误差也较大，说明误差也较大，可考虑由控制器实施较强的控制作用，以可考虑由控制器实施较强的控制作用，以达到扭转误差绝对值朝减小方向变化，并达到扭转误差绝对值朝减小方向变化，并迅速减小误差的绝对值，控制器输出为迅速减小误差的绝对值，控制器输出为2|)(|Mke 21211dip1kekekekkekkekekkkuku信息工程与自动化学院信息

46、工程与自动化学院2023年年1月月6日日 如果如果 ,说明尽管误差朝绝对值说明尽管误差朝绝对值增大方向变化，但误差绝对值本身并不很大，增大方向变化，但误差绝对值本身并不很大，可考虑控制器实施一般的控制作用，只要扭可考虑控制器实施一般的控制作用，只要扭转误差的变化趋势，使其朝误差绝对值减小转误差的变化趋势，使其朝误差绝对值减小方向变化，控制器输出为方向变化，控制器输出为 21211dipkekekekkekkekekkuku2|)(|Mke信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日（3）当）当 时，说明误差的绝对值朝减小的方向变化，或者已时，说明误差的绝对值朝减小的方向变化

47、，或者已经达到平衡状态。此时，可考虑采取保持控制器输经达到平衡状态。此时，可考虑采取保持控制器输出不变。出不变。0)(0)1()(,0)()(kekekekeke或者信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日4）当）当 时，说明误时，说明误差处于极值状态。如果此时误差的绝对值较大，差处于极值状态。如果此时误差的绝对值较大，即即 ，可考虑实施较强的控制作用，可考虑实施较强的控制作用 2Mke kekkkukump11 0)1()(,0)()(kekekeke信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日 如果此时误差的绝对值较小如果此时误差的绝对值较小 ，

48、可考虑实施较弱的控制作用可考虑实施较弱的控制作用 2Mke kekkkukump21)(ke（5）当）当 时，说明误差的绝对值时，说明误差的绝对值很小，此时加入积分，减少稳态误差。很小，此时加入积分，减少稳态误差。信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日 图中，图中，、区域，误差朝绝对区域，误差朝绝对值减小的方向变化。此时，可采取保持等待措施，值减小的方向变化。此时，可采取保持等待措施，相当于实施开环控制；相当于实施开环控制；、区域，区域，误差绝对值朝增大的方向变化。此时，可根据误差误差绝对值朝增大的方向变化。此时，可根据误差的大小分别实施较强或一般的控制作用，以抑制动

49、的大小分别实施较强或一般的控制作用，以抑制动态误差。态误差。信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日求三阶传递函数的阶跃响应求三阶传递函数的阶跃响应其中对象采样时间为其中对象采样时间为1ms。采用专家采用专家PID设计控制器。在仿真过程中，设计控制器。在仿真过程中，取取0.001，程序中的五条规则与控制算法的五种情况，程序中的五条规则与控制算法的五种情况相对应。相对应。s 10470+s 87.35 523500)(23pssG信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日采用采用z变换变换进行进行离散化离散化：ts=0.001;sys=tf(5.23

50、5e005,1,87.35,1.047e004,0);dsys=c2d(sys,ts,z);num,den=tfdata(dsys,v);仿真程序及分析仿真程序及分析信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日)3()4()2()3()1()2()3()4()2()3()1()2()(kunumkunumkunumkydenkydenkydenky经过经过z变换后的离散化对象为变换后的离散化对象为信息工程与自动化学院信息工程与自动化学院2023年年1月月6日日%专家PID控制clear all;close al