现代控制工程-第12章专家控制系统

ModernControlEngineering第12章专家系统与专家控制教材：王万良，现代控制工程，高等教育出版社，20112第12章专家系统与专家控制12.0专家系统的产生和发展12.1专家系统12.2专家控制系统12.3专家控制系统的知识表示12.4专家控制系统的推理机12.5专家控制系统的搜索技术12.6电脑充绒机专家控制系统312.0专家系统的产生和发展第一阶段:初创期（20世纪60年代中期－20世纪70年代初）DENDRAL系统（1968年，斯坦福大学费根鲍姆等人）——推断化学分子结构的专家系统MYCSYMA系统（1971年，麻省理工学院）——用于数学运算的数学专家系统特点：高度的专业化。专门问题求解能力强。结构、功能不完整。移植性差。缺乏解释功能。412.0专家系统的产生和发展第二阶段:成熟期（20世纪70年代中－20世纪80年代初）MYCIN系统（斯坦福大学）——血液感染病诊断专家系统PROSPECTOR系统（斯坦福研究所）——探矿专家系统CASNET系统（拉特格尔大学）：用于青光眼诊断与治疗。AM系统（1981年，斯坦福大学）：模拟人类进行概括、抽象和归纳推理，发现某些数论的概念和定理。HEARSAY系统（卡内基－梅隆大学）——语音识别专家系统512.0专家系统的产生和发展第二阶段:成熟期（20世纪70年代中期－20世纪80年代初）特点：（1）单学科专业型专家系统。（2）系统结构完整，功能较全面，移植性好。（3）具有推理解释功能，透明性好。（4）采用启发式推理、不精确推理。（5）用产生式规则、框架、语义网络表达知识。（6）用限定性英语进行人－机交互。612.0专家系统的产生和发展第三阶段：发展期（20世纪80年代至今）专家系统XCON（DEC公司、卡内基－梅隆大学）：为VAX计算机系统制订硬件配置方案。专家系统开发工具：骨架系统：EMYCIN、KAS、EXPERT等。通用型知识表达语言：OPS5等。专家系统开发环境：AGE等。712.0专家系统的产生和发展第三阶段：发展期（20世纪80年代至今）我国研制开发的专家系统：施肥专家系统（中国科学院合肥智能机械研究所）新构造找水专家系统（南京大学）勘探专家系统及油气资源评价专家系统（吉林大学）服装剪裁专家系统及花布图案设计专家系统（浙江大学）关幼波肝病诊断专家系统（北京中医学院）812.1.1专家系统的概念12.1.2专家系统的一般结构12.1.3实时专家系统12.1专家系统912.1.1专家系统的概念1.定义费根鲍姆（E.A.Feigenbaum）：“专家系统是一种智能的计算机程序，它运用知识和推理来解决只有专家才能解决的复杂问题。”专家系统：一类包含知识和推理的智能计算机程序。1012.1.1专家系统的概念2.专家系统的基本组成推理机数据库规则库专家系统用户知识获取推理咨询解释程序调度程序知识库11专家系统的特点（1）具有专家水平的专业知识。（2）能进行有效的推理。（3）启发性。（4）灵活性。（5）透明性。（6）交互性。一个计算机程序系统的透明性：系统自身及其行为能被用户所理解。12.1.1专家系统的概念12专家系统与传统程序的比较（1）编程思想：传统程序=数据结构+算法专家系统=知识+推理（2）传统程序：关于问题求解的知识隐含于程序中。专家系统：知识单独组成知识库，与推理机分离。（3）处理对象：传统程序：数值计算和数据处理。专家系统：符号处理。12.1.1专家系统的概念13专家系统与传统程序的比较（4）传统程序：不具有解释功能。专家系统：具有解释功能。（5）传统程序：产生正确的答案。专家系统：通常产生正确的答案，有时产生错误的答案。（6）系统的体系结构不同。12.1.1专家系统的概念14专家系统的类型15专家系统的应用16专家系统的应用1712.1.2专家系统的一般结构人机接口用户领域专家知识工程师解释机构知识获取机构数据库推理机知识库专家系统核心专家系统的一般结构人机接口解释机构知识获取机构数据库推理机知识库专家系统核心1812.1.3实时专家系统实时专家系统是具有实时性的专家系统。它一方面要满足专家系统功能的要求，另一方面还必须受时间条件的约束，即满足实时性要求。实时专家系统的特点：(1)操作方式：实时专家系统的信息输入主要来自外界过程的传感器，且往往从多个独立的传感器输入。(2)输出去向：实时专家系统直接送往过程的控制器或（和）向生产人员送出诊断、预报、操作指导等信息。1912.1.3实时专家系统(3)数据特征：实时专家系统数据是连续时变的，是实时数据，信息量往往很大。(4)中断功能：实时专家系统一方面要满足专家系统功能的要求，另一方面还必须受时间条件的约束，即满足实时性的要求。(5)实时性：实时专家系统响应要求快，常常为毫秒、秒级。实时性的要求是实时专家系统首先必须考虑的。(6)推理过程：实时专家系统采用实时推理。2012.2专家控制系统12.2.1专家控制系统的概念12.2.2间接专家控制12.2.3直接专家控制12.2.4专家控制器2112.2.1专家控制系统的概念从专家系统的角度来说，专家控制是专家系统的一个重要分支，属于实时专家系统研究领域；从自动控制的角度来说，专家控制是智能控制的一个重要分支，是将专家系统的思想和方法引入控制系统，从而形成一种新的控制方法。许多生产过程具有强烈的非线性、时变性及不确定性，专家控制模拟人类推理能力，把生产操作人员、工程师的经验与控制算法结合起来，即把符号推理与数值运算结合起来，为过程控制提供了一种新的控制方法。2212.2.2间接专家控制间接专家控制也称为专家监督控制。其中，常规控制器控制过程运行。专家系统只是通过对常规控制器的调整，间接地影响被控过程。设定输出专家系统控制器控制对象2312.2.3直接专家控制在直接专家控制系统中，专家系统根据所测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。设定输出专家系统控制对象2412.2.4专家控制器对简单控制对象，可以简化成如图所示结构，通常将简单的专家控制系统称为专家控制器。学习与适应装置LA数据库DB特征识别信息处理FR&IP推理机IE控制规则集CRS控制对象传感器EeuRSIUY被控制量专家控制器KG知识库KBEC2512.3专家控制系统的知识表示12.3.1知识表示12.3.2产生式知识表示12.3.3产生式系统12.3.4产生式系统的例子——动物识别系统12.3.5产生式表示法的特点2612.3.1知识表示专家系统是建立在知识的基础之上的，专家控制是基于知识的控制。知识表示是将人类知识形式化或者模型化。目前已经提出了许多知识表示方法，例如一阶谓词逻辑、产生式、框架、状态空间、人工神经网络、遗传编码等。在专家控制系统中，特别是在专家控制器中，产生式表示法用得十分广泛。27“产生式”：1943年，美国数学家波斯特（E.Post）首先提出。1972年，纽厄尔和西蒙在研究人类的认知模型中开发了基于规则的产生式系统。产生式通常用于表示事实、规则以及它们的不确定性度量，适合于表示事实性知识和规则性知识。12.3.2产生式知识表示281.确定性规则知识的产生式表示2.不确定性规则知识的产生式表示基本形式：IFPTHENQ或者：例如：r4：IF动物会飞AND会下蛋THEN该动物是鸟QP基本形式：IFPTHENQ（置信度）或者：（置信度）例如：IF发烧THEN感冒（0.6）QP12.3.2产生式知识表示293.确定性事实性知识的产生式表示4.不确定性事实性知识的产生式表示三元组表示：（对象，属性，值）或者：（关系，对象1，对象2）例：老李年龄是40岁：（Li，age，40）老李和老王是朋友：（friend，Li，Wang）四元组表示：（对象，属性，值，置信度）或者：（关系，对象1，对象2，置信度）例：老李年龄很可能是40岁：（Li，age，40，0.8）老李和老王不大可能是朋友：（friend，Li，Wang，0.1）12.3.2产生式知识表示30产生式与谓词逻辑中的蕴含式的区别：（1）除逻辑蕴含外，产生式还包括各种操作、规则、变换、算子、函数等。例如，“如果炉温超过上限，则立即关闭风门”是产生式，但不是蕴含式。（2）蕴含式只能表示精确知识，而产生式不仅可以表示精确的知识，还可以表示不精确知识。蕴含式的匹配总要求是精确的。产生式匹配可以是精确的，也可以是不精确的，只要按某种算法求出的相似度落在预先指定的范围内就认为是可匹配的。12.3.2产生式知识表示31产生式的形式描述及语义——巴科斯范式BNF（backusnormalform）产生式::=前提结论前提::=简单条件|复合条件结论::=事实|操作复合条件::=简单条件AND简单条件[AND简单条件…|简单条件OR简单条件[OR简单条件…操作::=操作名[(变元，…)]符号“::=”表示“定义为”；符号“|”表示“或者是”；符号“[]”表示“可缺省”。12.3.2产生式知识表示3212.3.3产生式系统控制规则库推理机综合数据库产生式系统的基本结构3312.3.3产生式系统1.规则库2.综合数据库规则库:用于描述相应领域内知识的产生式集合。综合数据库(事实库、上下文、黑板等)：一个用于存放问题求解过程中各种当前信息的数据结构。3．推理机由一组程序组成，负责整个产生式系统的运行，实现对问题的求解。3412.3.3产生式系统4．控制系统控制系统要做以下几项工作：（1）从规则库中选择与综合数据库中的已知事实进行匹配。（2）匹配成功的规则可能不止一条，进行冲突消解。（3）执行某一规则时，如果其右部是一个或多个结论，则把这些结论加入到综合数据库中：如果其右部是一个或多个操作，则执行这些操作。（4）对于不确定性知识，在执行每一条规则时还要按一定的算法计算结论的不确定性。（5）检查综合数据库中是否包含了最终结论，决定是否停止系统的运行。3512.3.4产生式系统的例子——动物识别系统例如：动物识别系统——识别虎、金钱豹、斑马、长颈鹿、鸵鸟、企鹅、信天翁等七种动物的产生式系统。3612.3.4产生式系统的例子——动物识别系统规则库：r1：IF该动物有毛发THEN该动物是哺乳动物r2：IF该动物有奶THEN该动物是哺乳动物r3：IF该动物有羽毛THEN该动物是鸟r4：IF该动物会飞AND会下蛋THEN该动物是鸟r5：IF该动物吃肉THEN该动物是食肉动物r6：IF该动物有犬齿AND有爪AND眼盯前方THEN该动物是食肉动物r7：IF该动物是哺乳动物AND有蹄THEN该动物是有蹄类动物r8：IF该动物是哺乳动物AND是反刍动物THEN该动物是有蹄类动物3712.3.4产生式系统的例子——动物识别系统r9：IF该动物是哺乳动物AND是食肉动物AND是黄褐色AND身上有暗斑点THEN该动物是金钱豹r10：IF该动物是哺乳动物AND是食肉动物AND是黄褐色AND身上有黑色条纹THEN该动物是虎r11：IF该动物是有蹄类动物AND有长脖子AND有长腿AND身上有暗斑点THEN该动物是长颈鹿r12：IF该动物有蹄类动物AND身上有黑色条纹THEN该动物是斑马r13：IF该动物是鸟AND有长脖子AND有长腿AND不会飞AND有黑白二色THEN该动物是鸵鸟r14：IF该动物是鸟AND会游泳AND不会飞AND有黑白二色THEN该动物是企鹅r15：IF该动物是鸟AND善飞THEN该动物是信天翁3812.3.4产生式系统的例子——动物识别系统设已知初始事实存放在综合数据库中：该动物身上有：暗斑点，长脖子，长腿，奶，蹄推理过程：（1）从规则库中取出r1，检查其前提是否可与综合数据库中的已知事实匹配。匹配失败则r1不能被用于推理。然后取r2进行同样的工作。匹配成功则r2被执行。综合数据库：该动物身上有：暗斑点，