智能控制研第五章專家控制系統(tǒng)第1頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月專家系統(tǒng)基本原理專家系統(tǒng)的主要類型及其結(jié)構(gòu)專家控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與類型專家控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例

第2頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1專家系統(tǒng)的基本概念

5.1.1專家系統(tǒng)的定義與一般結(jié)構(gòu)1．專家系統(tǒng)的定義定義5.1專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)是一種模擬人類專家解決領(lǐng)域問題的計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)。

專家系統(tǒng)是一個(gè)智能計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)，其內(nèi)部含有大量的某個(gè)領(lǐng)域?qū)＜宜降闹R(shí)與經(jīng)驗(yàn)，能夠利用人類專家的知識(shí)和解決問題的方法來處理該領(lǐng)域問題,以人類專家的水平完成特別困難的某一專業(yè)領(lǐng)域的任務(wù)。第3頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2.專家系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)

專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是指專家系統(tǒng)各組成部分的構(gòu)造方法和組織形式圖5.1專家系統(tǒng)簡化結(jié)構(gòu)圖第4頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5.2理想專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第5頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月一般應(yīng)用程序與專家系統(tǒng)的區(qū)別在于：前者把問題求解的知識(shí)隱含地編入程序，而后者則把其應(yīng)用領(lǐng)域的問題求解知識(shí)單獨(dú)組成一個(gè)實(shí)體，即為知識(shí)庫。知識(shí)庫的處理是通過與知識(shí)庫分開的控制策略進(jìn)行的。更明確地說，一般應(yīng)用程序把知識(shí)組織為兩級：數(shù)據(jù)級和程序級；而大多數(shù)專家系統(tǒng)則將知識(shí)組織成三級；數(shù)據(jù)、知識(shí)庫和控制。第6頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月專家系統(tǒng)的主要組成部分如下：(1)知識(shí)庫（KnowledgeBase）用于存儲(chǔ)某領(lǐng)域?qū)＜蚁到y(tǒng)的專門知識(shí)，包括事實(shí)、可行操作與規(guī)則等。(2)綜合數(shù)據(jù)庫（GlobalDatabase）又稱全局?jǐn)?shù)據(jù)庫或總數(shù)據(jù)庫，它用于存儲(chǔ)領(lǐng)域或問題的初始數(shù)據(jù)和推理過程中得到的中間數(shù)據(jù)（信息），即被處理對象的一些當(dāng)前事實(shí)。第7頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)推理機(jī)（ReasoningMachine）推理機(jī)用于記憶所采用的規(guī)則和控制策略的程序，使整個(gè)專家系統(tǒng)能夠以邏輯方式協(xié)調(diào)地工作。推理機(jī)能夠根據(jù)知識(shí)進(jìn)行推理和導(dǎo)出結(jié)論，而不是簡單地搜索現(xiàn)成的答案。(4)解釋器（Explainator）解釋器能夠向用戶解釋專家系統(tǒng)的行為，包括解釋推理結(jié)論的正確性以及系統(tǒng)輸出其它候選解的原因。(5)接口（Interface）接口又稱界面，它能夠使系統(tǒng)與用戶進(jìn)行對話，使用戶能夠輸入必要的數(shù)據(jù)、提出問題和了解推理過程及推理結(jié)果等。第8頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1.2專家系統(tǒng)的建造步驟建立專家系統(tǒng)的一般步驟如下：(1)設(shè)計(jì)初始知識(shí)庫。知識(shí)庫的設(shè)計(jì)是建立專家系統(tǒng)最重要和最艱巨的任務(wù)。初始知識(shí)庫的設(shè)計(jì)包括：(a)問題的知識(shí)化，即辨別所研究問題的實(shí)質(zhì)，如要解決的任務(wù)是什么，它是如何定義的，可否把它分解為子問題或子任務(wù)，它包含哪些典型數(shù)據(jù)等。(b)知識(shí)的概念化，即概括知識(shí)表示所需要的關(guān)鍵概念及其關(guān)系，如數(shù)據(jù)類型、已知條件（狀態(tài)）和目標(biāo)（狀態(tài)）、提出的假設(shè)以及控制策略等。第9頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月(c)概念的形式化，即確定用來組織知識(shí)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)用人工智能中各種知識(shí)表示方法把與概念化過程有關(guān)的關(guān)鍵概念、子問題及信息流特性等變換為比較正式的表達(dá)，它包括假設(shè)空間、過程模型和數(shù)據(jù)特性等。(d)形式的規(guī)則化，即編制規(guī)則、把形式化了的知識(shí)變換為由編程語言表示的可供計(jì)算機(jī)執(zhí)行的語句和程序。(e)規(guī)則的合法化，即確認(rèn)規(guī)則化了知識(shí)的合理性，檢驗(yàn)規(guī)則的有效性。第10頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)原型機(jī)（prototype）的開發(fā)與試驗(yàn)。包括整個(gè)模型的典型知識(shí)，而且只涉及與試驗(yàn)有關(guān)的足夠簡單的任務(wù)和推理過程。(3)知識(shí)庫的改進(jìn)與歸納。反復(fù)對知識(shí)庫及推理規(guī)則進(jìn)行改進(jìn)試驗(yàn)，歸納出更完善的結(jié)果。圖5.3建立專家系統(tǒng)的步驟第11頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2專家系統(tǒng)的主要類型及其結(jié)構(gòu)

5.2.1基于規(guī)則的專家系統(tǒng)1.基于規(guī)則的專家系統(tǒng)的工作模型

知識(shí)庫（規(guī)則）工作存儲(chǔ)器（事實(shí)）推理機(jī)圖5.4基于規(guī)則的工作模型第12頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月基于規(guī)則的專家系統(tǒng)采用下列模塊來建立產(chǎn)生式系統(tǒng)的模型：知識(shí)庫:以一套規(guī)則建立人的長期存儲(chǔ)器模型工作存儲(chǔ)器:建立人的短期存儲(chǔ)器模型，存放問題事實(shí)和由規(guī)則激發(fā)而推斷出的新事實(shí)推理機(jī):借助于把存放在工作存儲(chǔ)器內(nèi)的問題事實(shí)和存放在知識(shí)庫內(nèi)的規(guī)則結(jié)合起來，建立人的推理模型，以推斷出新的信息第13頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2.基于規(guī)則專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

解釋器用戶界面開發(fā)界面外部程序工作存儲(chǔ)器推理機(jī)知識(shí)庫用戶知識(shí)工程師圖5.5基于規(guī)則專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)第14頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2.2基于框架的專家系統(tǒng)基于框架的專家系統(tǒng)建立在框架的基礎(chǔ)之上；基于框架的專家系統(tǒng)采用面向目標(biāo)編程技術(shù)；基于框架的設(shè)計(jì)和面向目標(biāo)的編程共享許多特征；在設(shè)計(jì)基于框架系統(tǒng)時(shí)，專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者們把目標(biāo)叫做框架。1.面向目標(biāo)編程與基于框架設(shè)計(jì)第15頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月特征名稱值側(cè)面規(guī)則目標(biāo)議程表人類男人女人約翰李勇麗達(dá)王紅類（class）槽(Slots)子類（subclass)例子(instances)規(guī)則(rules)目標(biāo)議程表(goalagenda)2.基于框架專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖5.6人類的框架分層結(jié)構(gòu)第16頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月3.基于框架專家系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)方法基于框架專家系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)步驟與基于規(guī)則的專家系統(tǒng)相似，主要差別在于如何看待和使用知識(shí)；在設(shè)計(jì)基于框架的專家系統(tǒng)時(shí)，把整個(gè)問題和每件事想像為編織起來的事物；在辨識(shí)事物之后，尋找把這些事物組織起來的方法；對于任何類型的專家系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)是個(gè)高度交互的過程。第17頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2.3基于模型的專家系統(tǒng)1.基于模型專家系統(tǒng)的提出關(guān)于人工智能的一個(gè)觀點(diǎn)；綜合各種模型的專家系統(tǒng)比基于邏輯心理模型的系統(tǒng)具有更強(qiáng)的功能，從而有可能顯著改進(jìn)專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；在諸多模型中，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的應(yīng)用最為廣泛。第18頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專家系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型從知識(shí)表示、推理機(jī)制到控制方式，與目前專家系統(tǒng)中的基于邏輯的心理模型有本質(zhì)的區(qū)別。三種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與專家系統(tǒng)集成模式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)支持專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)支持神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同式的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)第19頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)知識(shí)獲取學(xué)習(xí)示例網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)算法解釋器專家神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用戶知識(shí)庫推理機(jī)圖5.7神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)第20頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月關(guān)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的幾個(gè)問題神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的知識(shí)表示是一種隱式表示；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過實(shí)例學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)知識(shí)自動(dòng)獲?。簧窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的推理是個(gè)正向非線性數(shù)值計(jì)算過程，同時(shí)也是一種并行推理機(jī)制；同一知識(shí)領(lǐng)域的幾個(gè)獨(dú)立的專家系統(tǒng)可組合成更大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)。第21頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月5.3專家控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與類型定義：應(yīng)用專家系統(tǒng)的概念和技術(shù)，模擬人類專家的控制知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)而建造的控制系統(tǒng)，稱為專家控制系統(tǒng)。專家系統(tǒng)與專家控制系統(tǒng)之間的差別：(1)專家系統(tǒng)——對專門領(lǐng)域的問題完成咨詢作用，協(xié)助用戶進(jìn)行工作。專家系統(tǒng)的推理是以知識(shí)為基礎(chǔ)的，其推理結(jié)果為知識(shí)項(xiàng)、新知識(shí)項(xiàng)或?qū)υR(shí)項(xiàng)的變更知識(shí)項(xiàng)。專家控制系統(tǒng)——需要獨(dú)立和自動(dòng)地對控制作用做出決策，其推理結(jié)果可為變更的知識(shí)項(xiàng)，或?yàn)閱?dòng)（執(zhí)行）某些解析算法。第22頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)專家系統(tǒng)通常以離線(off-line)方式工作，而專家控制系統(tǒng)需要獲取在線(on-line)動(dòng)態(tài)信息，并對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制(real-timecontrol)。按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，專家控制一般有兩種形式：專家控制系統(tǒng)和專家控制器（ExpertController，EC）。前者系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，研制代價(jià)較高，具有較好的技術(shù)性能，可用于需要較高技術(shù)的裝置或過程。后者結(jié)構(gòu)比較簡單，研制代價(jià)明顯低于前者，技術(shù)性能又能滿足工業(yè)過程控制的一般要求，因而獲得了比較廣泛的應(yīng)用。第23頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月5.3.1專家控制系統(tǒng)的控制要求與設(shè)計(jì)原則TheControlRequirementsandDesignFundamentalsofECS傳統(tǒng)的自適應(yīng)控制存在兩個(gè)顯著缺點(diǎn)，即要求具有準(zhǔn)確的裝置模型以及不能為自適應(yīng)機(jī)理設(shè)定有意義的目標(biāo)。專家控制器不存在這些缺點(diǎn)，因?yàn)樗荛_了裝置的數(shù)學(xué)模型，并為自適應(yīng)設(shè)計(jì)提供有意義的時(shí)域目標(biāo)。一般來說，對專家控制系統(tǒng)沒有統(tǒng)一的、固定的要求，這種要求應(yīng)由具體應(yīng)用來決定。但我們?nèi)钥蓪＜铱刂葡到y(tǒng)提出一些綜合性的要求。第24頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月1.專家控制系統(tǒng)的控制要求(TheControlRequirementsofECS)(1)運(yùn)行可靠性高對于某些特別的裝置或系統(tǒng)，如果不采用專家控制器來取代常規(guī)控制器，那么，整個(gè)控制系統(tǒng)將變得非常復(fù)雜，尤其是其硬件結(jié)構(gòu)。其結(jié)果使系統(tǒng)的可靠性大為下降。(2)決策能力強(qiáng)大多數(shù)專家控制系統(tǒng)要求具有不同水平的決策能力。專家控制系統(tǒng)能夠處理不確定性、不完全性和不精確性之類的問題，而這些問題常常難以用常規(guī)控制方法來解決。(3)應(yīng)用通用性好包括易于開發(fā)、示例多樣性、便于混合知識(shí)表示、多種推理機(jī)制（如假想推理、非單調(diào)推理和近似推理）以及開放式的可擴(kuò)充結(jié)構(gòu)等。決策是基于知識(shí)的控制系統(tǒng)的關(guān)鍵能力之一第25頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月(4)控制與處理的靈活性包括控制策略的靈活性、數(shù)據(jù)管理的靈活性、經(jīng)驗(yàn)表示的靈活性、解釋說明的靈活性、模式匹配的靈活性以及過程鏈接的靈活性等。(5)擬人能力專家控制系統(tǒng)的控制水平必須達(dá)到人類專家的水準(zhǔn)。總之，專家控制系統(tǒng)的控制要求是根據(jù)應(yīng)用情況指定的。例如，當(dāng)某個(gè)裝置具有明顯的調(diào)節(jié)器非線性時(shí)，專家調(diào)節(jié)器的目標(biāo)是雙重的。第一個(gè)目標(biāo)是根據(jù)飽和程度和階躍下降，線性地估計(jì)調(diào)節(jié)器的非線性特性。第二個(gè)目標(biāo)是調(diào)節(jié)ＰＩ控制器使閉環(huán)階躍響應(yīng)處在預(yù)先設(shè)定的范圍內(nèi)。

第26頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月(a)解析模型：微分方程、差分方程、傳遞函數(shù)、狀態(tài)空間表達(dá)式和脈沖傳遞函數(shù)等。(b)離散事件模型:主要應(yīng)用在復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析方面。(c)模糊模型在未知對象的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型而只掌握了被控過程的一些定性知識(shí)時(shí)，用模糊數(shù)學(xué)的方法建立系統(tǒng)的輸入和輸出模糊集以及它們之間的模糊關(guān)系則較為方便。2.專家控制器的設(shè)計(jì)原則（TheDesignFundamentalsofEC）(1)模型描述的多樣性指的是在設(shè)計(jì)過程中，對被控對象和控制器的模型應(yīng)采用多樣化的描述形式，不應(yīng)拘泥于單純的解析模型。第27頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月(d)規(guī)則模型產(chǎn)生式規(guī)則的基本形式為：

ＩＦ（條件）ＴＨＥＮ（操作或結(jié)論）（5.1）(e)基于模型的模型對于基于模型的專家系統(tǒng)，其知識(shí)庫含有不同的模型，其中包括物理模型和心理模型（如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和視覺知識(shí)模型等），而且通常是定性模型。這種方法能夠通過離線預(yù)計(jì)算來減少在線計(jì)算，產(chǎn)生簡化模型使之與所執(zhí)行的任務(wù)逐一匹配?？傊趯＜铱刂破鞯脑O(shè)計(jì)過程中，應(yīng)根據(jù)不同情況選擇一種或幾種恰當(dāng)?shù)拿枋龇绞?，以求更好地反映過程特性，增強(qiáng)系統(tǒng)的信息處理能力。第28頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月專家控制器一般模型可用如下形式表示：

U=f(E,K,I,G)(5.2)式中f為智能算子，其基本形式為：

IFEANDKTHEN(IFIANDGTHENU)(5.3)E={e1

,e2

,...,em

}為控制器輸入集；K={k1

,k2

,...,kn

}為知識(shí)庫中的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)與事實(shí)集；I={i1

,i2

,...,ip}為推理機(jī)構(gòu)的輸出集；G：

為規(guī)則修改指令；U={u1

,u2

,...,uq}為控制器輸出集。智能算子的基本含義是：根據(jù)輸入信息Ｅ和知識(shí)庫中的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)Ｋ與規(guī)則進(jìn)行推理，然后根據(jù)推理結(jié)果Ｉ，輸出相應(yīng)的控制行為Ｕ。第29頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)在線處理的靈巧性智能控制系統(tǒng)的重要特征之一就是能夠以有用的方式來劃分和構(gòu)造信息。在設(shè)計(jì)專家控制器時(shí)，應(yīng)十分注意對過程在線信息的處理與利用。靈活地處理與利用在線信息將提高系統(tǒng)的信息處理能力和決策水平。(3)控制策略的靈活性控制策略的靈活性是設(shè)計(jì)專家控制器所應(yīng)遵循的一條重要原則。專家式控制器中還應(yīng)設(shè)計(jì)異常情況處理的適應(yīng)性策略，以增強(qiáng)系統(tǒng)的應(yīng)變能力。第30頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月(4)決策機(jī)構(gòu)的遞階性人的神經(jīng)系統(tǒng)是由大腦、小腦、腦干、背髓組成的一個(gè)分層遞階決策系統(tǒng)。以仿智為核心的智能控制，其控制器的設(shè)計(jì)必然要體現(xiàn)分層遞階的原則，即根據(jù)智能水平的不同層次構(gòu)成分級遞階的決策機(jī)構(gòu)。(5)推理與決策的實(shí)時(shí)性要求知識(shí)庫的規(guī)模不宜過大，推理機(jī)構(gòu)應(yīng)盡可能簡單，以滿足工業(yè)過程的實(shí)時(shí)性要求。第31頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月5.3.2專家控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)(TheStructureofExpertControlSystem)以專家控制器取代傳統(tǒng)控制器,如反饋控制系統(tǒng)中的PID控制器,即可構(gòu)成專家控制系統(tǒng)。而如同專家系統(tǒng)一樣,知識(shí)庫和推理機(jī)是專家控制器的兩個(gè)核心組成部分。

第32頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月幾乎所有的專家控制系統(tǒng)（控制器）都包含知識(shí)庫、推理機(jī)、控制規(guī)則集和／或控制算法等。圖5.9專家控制器的典型結(jié)構(gòu)第33頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月1.工業(yè)專家控制器(IndustrialExpertController)專家控制器（EC）的基礎(chǔ)是知識(shí)庫（KB），KB存儲(chǔ)工業(yè)過程控制的領(lǐng)域知識(shí)，由經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫（ＤＢ）和學(xué)習(xí)與適應(yīng)裝置（ＬＡ）組成。圖5.10工業(yè)專家控制器簡化結(jié)構(gòu)圖主要存儲(chǔ)經(jīng)驗(yàn)和事實(shí)根據(jù)在線獲取的信息，補(bǔ)充或修改知識(shí)庫內(nèi)容，改進(jìn)系統(tǒng)性能，以便提高系統(tǒng)的問題求解能力第34頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月ＥＣ的知識(shí)庫用產(chǎn)生式規(guī)則來建立，這種表達(dá)方式具有較高的靈活性，每條產(chǎn)生式規(guī)則都可獨(dú)立地增刪、修改，使知識(shí)庫的內(nèi)容便于更新?？刂埔?guī)則集（ControlRuleSet,ＣＲＳ）是對受控過程的各種控制模式和經(jīng)驗(yàn)的歸納和總結(jié)。特征識(shí)別與信息處理（FeatureRecognition&InformationProcessing，ＦＲ＆ＩＰ）：實(shí)現(xiàn)對信息的提取與加工，為控制決策和學(xué)習(xí)適應(yīng)提供依據(jù)。它主要包括抽取動(dòng)態(tài)過程的特征信息，識(shí)別系統(tǒng)的特征狀態(tài)，并對特征信息作必要的加工。

第35頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月專家控制器的輸入集為：

E=(R,e,Y,U)(5.4)

e=R-Y(5.5)式中，Ｒ為參考控制輸入，ｅ為誤差信號(hào)，Ｙ為受控輸出，Ｕ為控制器的輸出集。Ｉ，Ｇ，Ｕ，Ｋ和Ｅ之間的關(guān)系已由式（5.2）表示，即：

U=f(E,K,I,G)式中，智能算子ｆ為幾個(gè)算子的復(fù)合運(yùn)算：

f=ghp(5.6)其中，ｇ，ｈ，ｐ也是智能算子，而且有：

(5.7)式中，Ｓ為特征信息輸出集，Ｇ為規(guī)則修改指令。第36頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月黑板結(jié)構(gòu)是一種強(qiáng)功能的專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和問題求解模型，它能夠處理大量不同的、錯(cuò)誤的和不完全的知識(shí)，以求解問題。2.黑板專家控制系統(tǒng)（BlackboardExpertControlSystem)黑板系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)在于它能夠提供控制的靈活性和具有綜合各種不同的知識(shí)表示和推理技術(shù)的能力。例如，一個(gè)產(chǎn)生式規(guī)則系統(tǒng)或基于框架的系統(tǒng)可以作為黑板系統(tǒng)的一部分。

基本黑板結(jié)構(gòu)是由一個(gè)黑板（ＢＢ）、一套獨(dú)立的知識(shí)源（KSs）和一個(gè)調(diào)度器組成。黑板系統(tǒng)提供了一種用于組織知識(shí)應(yīng)用和知識(shí)源之間合作的工具。第37頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5.11黑板專家控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)第38頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月黑板(BB):為一共享數(shù)據(jù)區(qū)；放在黑板上的對象可以是輸入數(shù)據(jù)、局部結(jié)果、假設(shè)、選擇方案和最后結(jié)果等。各知識(shí)源之間的交互作用是通過黑板執(zhí)行的。知識(shí)源(KSs):存儲(chǔ)各種相關(guān)知識(shí)；每個(gè)知識(shí)源可視為專門用于處理一定類型的較窄領(lǐng)域信息或知識(shí)的獨(dú)立程序，而且具有決定是否應(yīng)當(dāng)把自身信息提供給問題求解過程的能力?？刂破?控制黑板是一個(gè)含有控制數(shù)據(jù)項(xiàng)的數(shù)據(jù)庫，這些控制數(shù)據(jù)項(xiàng)被控制器用來從一組潛在可執(zhí)行的知識(shí)源中挑選出一個(gè)供執(zhí)行用的知識(shí)源。第39頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月5.3.3專家控制系統(tǒng)的類型(TheTypesofECS)專家控制器有時(shí)又稱為基于知識(shí)的控制器。以基于知識(shí)控制器在整個(gè)系統(tǒng)中的作用為基礎(chǔ)，可把專家控制系統(tǒng)分為直接專家控制系統(tǒng)（DirectECS）和間接專家控制系統(tǒng)（IndirectECS)兩種。在直接專家控制系統(tǒng)中，控制器向系統(tǒng)提供控制信號(hào)，并直接對受控過程產(chǎn)生作用;而在間接專家控制系統(tǒng)中，控制器間接地對受控過程產(chǎn)生作用。第40頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月直接專家控制系統(tǒng)如下圖（ａ）所示。間接專家控制系統(tǒng)又可稱為監(jiān)控式專家控制系統(tǒng)或參數(shù)自適應(yīng)控制系統(tǒng)。如下圖（ｂ）所示。(a)(b)

圖5.12兩種專家控制系統(tǒng)第41頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月在間接專家系統(tǒng)中，智能（基于知識(shí)）控制器用于調(diào)整常規(guī)控制器的參數(shù)，監(jiān)控受控對象的某些特征，如超調(diào)、上升時(shí)間和穩(wěn)定時(shí)間等，然后擬定校正ＰＩＤ參數(shù)的規(guī)則，以保證控制系統(tǒng)處于穩(wěn)定的和高質(zhì)量的運(yùn)行狀態(tài)。

上述兩種控制系統(tǒng)的主要區(qū)別是在知識(shí)的設(shè)計(jì)目標(biāo)上：直接專家控制系統(tǒng)的基于知識(shí)控制器直接模仿人類專家或人類的認(rèn)知能力，并為控制器設(shè)計(jì)兩種規(guī)則：訓(xùn)練規(guī)則和機(jī)器規(guī)則。訓(xùn)練規(guī)則由一系列產(chǎn)生式規(guī)則組成，它們把控制誤差直接映射為受控對象的作用。機(jī)器規(guī)則是由積累和學(xué)習(xí)人類專家／師傅的控制經(jīng)驗(yàn)得到的動(dòng)態(tài)規(guī)則，并用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器的學(xué)習(xí)過程。第42頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月5.4專家控制系統(tǒng)應(yīng)用舉例1.實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的定義如果一個(gè)控制系統(tǒng)：(1)對受控過程表現(xiàn)出預(yù)定的足夠快的實(shí)時(shí)行為；(2)具有嚴(yán)格的響應(yīng)時(shí)間限制而與所用算法無關(guān)；那么這種系統(tǒng)稱為實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。2.實(shí)時(shí)系統(tǒng)與非實(shí)時(shí)系統(tǒng)的根本區(qū)別實(shí)時(shí)系統(tǒng)具有與外部環(huán)境及時(shí)交互作用的能力。3.實(shí)時(shí)專家控制系統(tǒng)的具體要求和設(shè)計(jì)特點(diǎn)：5.4.1實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)與要求第43頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月

準(zhǔn)確地表示知識(shí)與時(shí)間的關(guān)系。具有快速和靈敏的上下文激活規(guī)則。能夠控制任意時(shí)變非線性過程。能夠進(jìn)行時(shí)序推理、并行推理和非單調(diào)推理。修正序列式基本控制知識(shí)。具有中斷過程和異步事件處理能力。及時(shí)獲取動(dòng)態(tài)和靜態(tài)過程信息，以便對控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)序列診斷。對不再需要的存儲(chǔ)元件進(jìn)行有效的回收，并保持傳感器的過程。接受來自操作者的交互指令序列。連接常規(guī)控制器和其它應(yīng)用軟件。能夠進(jìn)行多專家系統(tǒng)之間以及專家系統(tǒng)與用戶之間的通訊。第44頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月5.4.2高爐監(jiān)控專家系統(tǒng)1.高爐控制概況

第45頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）數(shù)據(jù)分析：分析和采集傳感器的數(shù)據(jù)。（2）爐內(nèi)靜態(tài)狀況分析：當(dāng)操作約束條件改變很大時(shí)，要根據(jù)分析結(jié)果來尋求最合適的操作方法。（3）爐況診斷：控制操作過程基本上是基于傳感器數(shù)據(jù)的采集、分析和過程模型的建立。

開發(fā)和建立專家控制系統(tǒng)對高爐進(jìn)行控制，其主要目的有三:（1）利用人工智能技術(shù)，建立準(zhǔn)確的控制系統(tǒng)。（2）將高爐操作技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。（3）靈活處理經(jīng)常性的系統(tǒng)變化要求。第46頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月2.高爐監(jiān)控專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能

第47頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）決定目標(biāo)：明確系統(tǒng)的功能與所涉及的范圍。（2）獲取知識(shí)：研究有關(guān)高爐領(lǐng)域的技術(shù)文獻(xiàn)資料，研究高爐操作員手冊；從領(lǐng)域?qū)＜宜鸭R(shí)。（3）知識(shí)的匯編與系統(tǒng)化：把專家的思維過程進(jìn)行歸納整理分類；檢查其合理性和存在的矛盾；傳感器數(shù)據(jù)模式整理和分類、數(shù)據(jù)濾波、分級和求導(dǎo)（差分）；知識(shí)模糊性（不確定性）的表示。（4）規(guī)則結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)：將規(guī)則分組和結(jié)構(gòu)化，考慮推理的速度。（5）系統(tǒng)功能的劃分：實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)處理；將系統(tǒng)功能劃分為預(yù)處理和推理二部分。（6）構(gòu)造原型系統(tǒng)：描述規(guī)則和黑板模型；將實(shí)際系統(tǒng)和測試系統(tǒng)形式化。（7）評估與調(diào)整：利用離線測試系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)；檢查系統(tǒng)的有效性；調(diào)節(jié)確定性因子的值。（8）應(yīng)用和升級：增加和校正規(guī)則

第48頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月4.專家系統(tǒng)的知識(shí)表示與知識(shí)庫結(jié)構(gòu)

AFS中知識(shí)庫的構(gòu)成

第49頁，課件共55頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）知識(shí)庫按遞階形式構(gòu)成，便于以不同的方式來表示各子庫的專家知識(shí)。（2）將規(guī)則集合分到各子知識(shí)庫，便于檢查各規(guī)則集的有效性。（3）采用遞階式多知識(shí)庫結(jié)構(gòu)來劃分規(guī)則，可以改善推理效率。這種設(shè)計(jì)具有下列