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1、智智能能控控制制第第1 1章章绪绪论论1智能控制的提出智能控制的提出传传统统控控制制方方法法包包括括经经典典控控制制和和现现代代控控制制，是是基基于于被被控控对对象象精精确确模模型型的的控控制制方方式式，缺缺乏乏灵灵活活性性和和应应变变能能力力，适适于于解解决决线线性性、时时不不变变性性等等相相对对简简单单的的控控制制问问题题，难难以以解解决决对对复复杂杂系系统统的的控控制制。在在传传统统控控制制的的实实际际应应用用遇遇到到很很多多难难解解决决的的问题，主要表现以下几点：问题，主要表现以下几点：第第1节节智能控制的发展过程智能控制的发展过程（1）实实际际系系统统由由于于存存在在复复杂杂性性、非
2、非线线性性、时时变变性性、不不确确定定性性和和不不完完全全性性等等，无无法法获获得得精确的数学模型。精确的数学模型。（2）某某些些复复杂杂的的和和包包含含不不确确定定性性的的控控制制过过程程无无法法用用传传统统的的数数学学模模型型来来描描述述，即即无无法法解解决建模问题。决建模问题。（3）针针对对实实际际系系统统往往往往需需要要进进行行一一些些比比较较苛苛刻刻的的线线性性化化假假设设，而而这这些些假假设设往往往往与与实实际际系系统统不符合。不符合。（4）实实际际控控制制任任务务复复杂杂，而而传传统统的的控控制制任任务务要要求求低低，对对复复杂杂的的控控制制任任务务，如如机机器器人人控控制制、C
3、IMS、社社会会经经济济管管理理系系统统等等复复杂杂任任务务无无能能为为力。力。在在生生产产实实践践中中，复复杂杂控控制制问问题题可可通通过过熟熟练练操操作作人人员员的的经经验验和和控控制制理理论论相相结结合合去去解解决决，由由此此，产产生生了了智智能能控控制制。智智能能控控制制将将控控制制理理论论的的方方法法和和人人工工智智能能技技术术灵灵活活地地结结合合起起来来，其控制方法适应对象的复杂性和不确定性。其控制方法适应对象的复杂性和不确定性。2 2 智能控制的概念智能控制的概念智智能能控控制制是是一一门门交交叉叉学学科科，著著名名美美籍籍华华人人傅傅京京逊逊教教授授1971年年首首先先提提出出
4、智智能能控控制制是是人人工工智智能能与与自自动动控控制制的的交交叉叉，即即二二元元论论。美美国国学学者者G.N.Saridis1977年年在在此此基基础础上上引引入入运运筹筹学学，提出了三元论的智能控制概念，即提出了三元论的智能控制概念，即IC=ACAIOR式中各子集的含义为式中各子集的含义为IC智能控制（智能控制（IntelligentControl）AI人人工工智智能能（ArtificialIntelligence）AC自动控制（自动控制（AutomaticControl）OR运运筹筹学学（OperationalResearch）图1-1 基于三元论的智能控制 人人工工智智能能（AI）是是
5、一一个个用用来来模模拟拟人人思思维维的的知知识识处处理理系系统统，具具有有记记忆忆、学学习习、信信息息处处理理、形式语言、启发推理等功能。形式语言、启发推理等功能。自自动动控控制制（AC）描描述述系系统统的的动动力力学学特特性性，是一种动态反馈。是一种动态反馈。运运筹筹学学（OR）是是一一种种定定量量优优化化方方法法，如如线线性性规规划划、网网络络规规划划、调调度度、管管理理、优优化化决决策和多目标优化方法等。策和多目标优化方法等。三三元元论论除除了了“智智能能”与与“控控制制”外外还还强强调调了了更更高高层层次次控控制制中中调调度度、规规划划和和管管理理的的作作用用，为递阶智能控制提供了理论
6、依据。为递阶智能控制提供了理论依据。所所谓谓智智能能控控制制，即即设设计计一一个个控控制制器器（或或系系统统），使使之之具具有有学学习习、抽抽象象、推推理理、决决策策等等功功能能，并并能能根根据据环环境境（包包括括被被控控对对象象或或被被控控过过程程）信信息息的的变变化化作作出出适适应应性性反反应应，从从而而实实现由人来完成的任务。现由人来完成的任务。3智能控制的发展智能控制的发展智智能能控控制制是是自自动动控控制制发发展展的的最最新新阶阶段段，主主要要用用于于解解决决传传统统控控制制难难以以解解决决的的复复杂杂系系统统的的控控制制问问题题。控控制制科科学学的的发发展展过过程程如如图图1-2所
7、示。所示。开环控制开环控制开环控制开环控制 确定性反馈控制确定性反馈控制确定性反馈控制确定性反馈控制最优控制最优控制最优控制最优控制 随机控制随机控制随机控制随机控制自适应控制自适应控制自适应控制自适应控制鲁棒控制鲁棒控制鲁棒控制鲁棒控制自学习控制自学习控制自学习控制自学习控制 智能控制智能控制智能控制智能控制图图图图1-2 1-2 1-2 1-2 控制科学的发展过程控制科学的发展过程控制科学的发展过程控制科学的发展过程 从从二二十十世世纪纪60年年代代起起，由由于于空空间间技技术术、计计算算机机技技术术及及人人工工智智能能技技术术的的发发展展，控控制制界界学学者者在在研研究究自自组组织织、自
8、自学学习习控控制制的的基基础础上上，为为了了提提高高控控制制系系统统的的自自学学习习能能力力，开开始始注注意意将将人人工工智智能能技技术术与与方方法法应用于控制中。应用于控制中。1966年年，J.M.Mendal首首先先提提出出将将人人工工智能技术应用于飞船控制系统的设计；智能技术应用于飞船控制系统的设计；1971年年，傅傅京京逊逊首首次次提提出出智智能能控控制制这这一一概概念念，并并归归纳纳了了三三种种类类型型的的智智能能控控制制系统：系统：（1）人人作作为为控控制制器器的的控控制制系系统统：人人作作为为控控制制器器的的控控制制系系统统具具有有自自学学习习、自自适适应应和自组织的功能；和自组
9、织的功能；（2）人人机机结结合合作作为为控控制制器器的的控控制制系系统统：机机器器完完成成需需要要连连续续进进行行的的并并需需快快速速计计算算的的常常规规控控制制任任务务，人人则则完完成成任任务务分分配配、决决策策、监监控等任务；控等任务；（3）无无人人参参与与的的自自主主控控制制系系统统：为为多多层层的的智智能能控控制制系系统统，需需要要完完成成问问题题求求解解和和规规划划、环环境境建建模模、传传感感器器信信息息分分析析和和低低层层的的反反馈馈控控制任务。如自主机器人。制任务。如自主机器人。1985年年8月，月，IEEE在美国纽约召开了第在美国纽约召开了第一界智能控制学术讨论会，随后成立了一
10、界智能控制学术讨论会，随后成立了IEEE智能控制专业委员会；智能控制专业委员会；1987年年1月，月，在美国举行第一次国际智能控制大会，标在美国举行第一次国际智能控制大会，标志智能控制领域的形成。志智能控制领域的形成。近近年年来来，神神经经网网络络、模模糊糊数数学学、专专家家系系统统、进进化化论论等等各各门门学学科科的的发发展展给给智智能能控控制制注注入入了了巨巨大大的的活活力力，由由此此产产生生了了各各种智能控制方法。种智能控制方法。智智能能控控制制的的几几个个重重要要分分支支为为专专家家控控制制、模糊控制、神经网络控制和遗传算法。模糊控制、神经网络控制和遗传算法。第第2节节智能控制的几个重
11、要分支智能控制的几个重要分支1模糊控制模糊控制 传统控制方法均是建立在被控对象精确数学模型基础上的，然而，随着系统复杂程度的提高，将难以建立系统的精确数学模型。在工程实践中，人们发现，一个复杂的控制系统可由一个操作人员凭着丰富的实践经验得到满意的控制效果。这说明，如果通过模拟人脑的思维方法设计控制器，可实现复杂系统的控制，由此产生了模糊控制。1965年美国加州大学自动控制系L.A.Zedeh提出模糊集合理论，奠定了模糊控制的基础；1974年伦敦大学的Mamdani博士利用模糊逻辑，开发了世界上第一台模糊控制的蒸汽机，从而开创了模糊控制的历史；1983年日本富士电机开创了模糊控制在日本年日本富士
12、电机开创了模糊控制在日本的第一项应用的第一项应用水净化处理，之后，富士电水净化处理，之后，富士电机致力于模糊逻辑元件的开发与研究，并于机致力于模糊逻辑元件的开发与研究，并于1987年在仙台地铁线上采用了模糊控制技术，年在仙台地铁线上采用了模糊控制技术，1989年将模糊控制消费品推向高潮，使日本年将模糊控制消费品推向高潮，使日本成为模糊控制技术的主导国家。成为模糊控制技术的主导国家。模糊控制的发展可分为三个阶段：模糊控制的发展可分为三个阶段：（1）1965年年-1974年年为为模模糊糊控控制制发发展展的的第第一一阶阶段，即模糊数学发展和形成阶段；段，即模糊数学发展和形成阶段；（2）1974年年-
13、1979年年为为模模糊糊控控制制发发展展的的第第二二阶阶段，产生了简单的模糊控制器；段，产生了简单的模糊控制器；（3）1979年年现现在在为为模模糊糊控控制制发发展展的的第第三三阶阶段，即高性能模糊控制阶段。段，即高性能模糊控制阶段。2神经网络控制神经网络控制神经网络的研究已经有几十年的历史。n1943年McCulloch和Pitts提出了神经元数学模型；n1950年-1980年为神经网络的形成期，有少量成果，如1975年Albus提出了人脑记忆模型CMAC网络，1976年Grossberg提出了用于无导师指导下模式分类的自组织网络；n1980年以后为神经网络的发展期，1982年Hopfiel
14、d提出了Hopfield网络，解决了回归网络的学习问题，1986年美国的PDP研究小组提出了BP网络，实现了有导师指导下的网络学习，为神经网络的应用开辟了广阔的发展前景。n将神经网络引入控制领域就形成了神经网络控制。n神经网络控制是从机理上对人脑生理系统进行简单结构模拟的一种新兴智能控制方法。神经网络具有并行机制、模式识别、记忆和自学习能力的特点，它能充分逼近任意复杂的非线性系统，能够学习与适应不确定系统的动态特性，有很强的鲁棒性和容错性等，因此，神经网络控制在控制领域有广泛的应用。3 3 智能智能算法算法n 智能算法是人工智能的一个重要分支，是基于人工智能技术的搜索算法，有代表性的有遗传算法
15、、粒子群算法、差分进化算法和蚁群算法等。n遗遗传传算算法法由由美美国国的的J.H.HollandJ.H.Holland教教授授在在19751975年年提提出出，8080年年代代中中期期开开始始逐逐步步成成熟熟。从从19851985年年起起，国国际际上上开开始始举举行行遗遗传传算算法法国国际际会会议议。目目前前遗遗传传算算法法已已经经被被广广泛泛应应用用于于许许多多实实际际问问题题，成成为为用用来来解解决决高高度度复复杂杂问问题的新思路和新方法。题的新思路和新方法。n遗遗传传算算法法可可用用于于模模糊糊控控制制规规则则的的优优化化及及神神经经网网络络参参数及权值的学习，在智能控制领域有广泛的应用
16、。数及权值的学习，在智能控制领域有广泛的应用。第第3 3节节智能控制的特点、工具及应用智能控制的特点、工具及应用1 1 智能控制的特点智能控制的特点（1）学学习习功功能能：智智能能控控制制器器能能通通过过从从外外界界环环境境所所获获得得的的信信息息进进行行学学习习，不不断断积积累累知知识识，使系统的控制性能得到改善；使系统的控制性能得到改善；（2）适适应应功功能能：智智能能控控制制器器具具有有从从输输入入到到输输出出的的映映射射关关系系，可可实实现现不不依依赖赖于于模模型型的的自自适适应应控控制制，当当系系统统某某一一部部分分出出现现故故障障时时，也也能能进行控制；进行控制；（3）自自组组织织
17、功功能能：智智能能控控制制器器对对复复杂杂的的分分布布式式信信息息具具有有自自组组织织和和协协调调的的功功能能，当当出出现现多多目目标标冲冲突突时时，它它可可以以在在任任务务要要求求的的范范围围内内自自行行决决策，主动采取行动。策，主动采取行动。（4）优优化化能能力力：智智能能控控制制能能够够通通过过不不断断优优化化控控制制参参数数和和寻寻找找控控制制器器的的最最佳佳结结构构形形式式，获获得得整体最优的控制性能。整体最优的控制性能。2 2 智能控制的研究工具智能控制的研究工具（1）符号推理与数值计算的结合）符号推理与数值计算的结合例例如如专专家家控控制制，它它的的上上层层是是专专家家系系统统，
18、采采用用人人工工智智能能中中的的符符号号推推理理方方法法；下下层层是是传传统统意义下的控制系统，采用数值计算方法。意义下的控制系统，采用数值计算方法。（2）模糊集理论）模糊集理论模模糊糊集集理理论论是是模模糊糊控控制制的的基基础础，其其核核心心是是采采用用模模糊糊规规则则进进行行逻逻辑辑推推理理，其其逻逻辑辑取取值值可可在在0与与1之之间间连连续续变变化化，其其处处理理的的方方法法是是基基于于数值的而不是基于符号的。数值的而不是基于符号的。（3）神经元网络理论）神经元网络理论神神经经网网络络通通过过许许多多简简单单的的关关系系来来实实现现复复杂杂的的函函数数，其其本本质质是是一一个个非非线线性
19、性动动力力学学系系统统，但但它它不不依依赖赖数数学学模模型型，是是一一种种介介于于逻逻辑辑推推理理和数值计算之间的工具和方法。和数值计算之间的工具和方法。（4）遗传算法遗传算法遗遗传传算算法法根根据据适适者者生生存存、优优胜胜劣劣汰汰等等自自然然进进化化规规则则来来进进行行搜搜索索计计算算和和问问题题求求解解。对对许许多多传传统统数数学学难难以以解解决决或或明明显显失失效效的的复复杂杂问问题题，特特别别是是优优化化问问题题，GA提提供供了了一一个个行行之之有有效效的的途径。途径。（5）离散事件与连续时间系统的结合）离散事件与连续时间系统的结合主主要要用用于于计计算算机机集集成成制制造造系系统统
20、（CIMS）和和智智能能机机器器人人的的智智能能控控制制。以以CIMS为为例例，上上层层任任务务的的分分配配和和调调度度、零零件件的的加加工工和和传传输输等等可可用用离离散散事事件件系系统统理理论论进进行行分分析析和和设设计计；下下层层的的控控制制，如如机机床床及及机机器器人人的的控控制制，则则采采用常规的连续时间系统方法。用常规的连续时间系统方法。3 3 智能控制的应用智能控制的应用作作为为智智能能控控制制发发展展的的高高级级阶阶段段，智智能能控控制制主主要要解解决决那那些些用用传传统统控控制制方方法法难难以以解解决决的的复复杂杂系系统统的的控控制制问问题题，其其中中包包括括智智能能机机器器
21、人人控控制制、计计算算机机集集成成制制造造系系统统（CIMS）、工工业业过过程程控控制制、航航空空航航天天控控制制、社社会会经经济济管管理理系系统统、交交通通运运输输系系统统、环环保保及及能能源源系系统统等等。下下面面以以智智能能控控制制在在运动控制和过程控制中的应用为例进行说明。运动控制和过程控制中的应用为例进行说明。（1）在机器人控制中的应用）在机器人控制中的应用智智能能机机器器人人是是目目前前机机器器人人研研究究中中的的热热门门课课题题。J.S.Albus于于1975年年提提出出小小脑脑模模型型小小脑脑模模型型关关节节控控 制制 器器（CerebellarModelArculationC
22、ontroller，简简称称CMAC），它它是是仿仿照照小小脑脑如如何何控控制制肢肢体体运运动动的的原原理理而而建建立立的的神神经经网网络络模模型型，采采用用CMAC，可可实实现现机机器器人人的的关关节节控控制制，这这是是神经网络在机器人控制的一个典型应用。神经网络在机器人控制的一个典型应用。E.H.Mamdan于于20世世纪纪80年年代代初初首首次次将将模模糊控制应用于一台实际机器人的操作臂控制。糊控制应用于一台实际机器人的操作臂控制。目目前前工工业业上上用用的的90%以以上上的的机机器器人人都都不不具具有有智智能能。随随着着机机器器人人技技术术的的迅迅速速发发展展，需需要要各种具有不同程度
23、智能的机器人。各种具有不同程度智能的机器人。（2）在过程控制中的应用）在过程控制中的应用过过程程控控制制是是指指石石油油、化化工工、冶冶金金、轻轻工工、纺纺织织、制制药药、建建材材等等工工业业生生产产过过程程的的自自动动控控制制，它它是是自自动动化化技技术术的的一一个个极极其其重重要要的的方方面面。智能控制在过程控制上有着广泛的应用。智能控制在过程控制上有着广泛的应用。在在石石油油化化工工方方面面，1994年年美美国国的的Gensym公公司司和和Neuralware公公司司联联合合将将神神经经网网络络用用于于炼炼油厂的非线性工艺过程。油厂的非线性工艺过程。在在冶冶金金方方面面，日日本本的的新新
24、日日铁铁公公司司于于1990年年将将专专家家控控制制系系统统应应用用于于轧轧钢钢生生产产过过程程。在在化化工工方方面面，日日本本的的三三菱菱化化学学合合成成公公司司研研制制出出用用于乙烯工程模糊控制系统。于乙烯工程模糊控制系统。将将智智能能控控制制应应用用于于过过程程控控制制领领域域，是是过过程程控制发展的方向。控制发展的方向。思考题与习题思考题与习题1简述智能控制的概念。简述智能控制的概念。2智智能能控控制制由由哪哪几几部部分分组组成成？各各自自的的特特点点是什么？是什么？3比较智能控制和传统控制的特点？比较智能控制和传统控制的特点？4智智能能控控制制有有那那些些应应用用领领域域？试试举举出
25、出一一个个应用实例。应用实例。第第2章章专家控制专家控制 在在在在传传传传统统统统控控控控制制制制系系系系统统统统中中中中，系系系系统统统统的的的的运运运运行行行行排排排排斥斥斥斥了了了了人人人人的的的的干干干干预预预预，人人人人-机机机机之之之之间间间间缺缺缺缺乏乏乏乏交交交交互互互互。控控控控制制制制器器器器对对对对被被被被控控控控对对对对象象象象在在在在环环环环境境境境中中中中的的的的参数、结构的变化缺乏应变能力。参数、结构的变化缺乏应变能力。参数、结构的变化缺乏应变能力。参数、结构的变化缺乏应变能力。传传传传统统统统控控控控制制制制理理理理论论论论的的的的不不不不足足足足，在在在在于于
26、于于它它它它必必必必须须须须依依依依赖赖赖赖于于于于被被被被控控控控对对对对象象象象严严严严格格格格的的的的数数数数学学学学模模模模型型型型，试试试试图图图图对对对对精精精精确确确确模模模模型型型型来来来来求求求求取取取取最最最最优优优优的的的的控控控控制制制制效效效效果果果果。而而而而实实实实际际际际的的的的被被被被控控控控对对对对象象象象存存存存在在在在着着着着许许许许多多多多难难难难以以以以建建建建模模模模的因素。的因素。的因素。的因素。上上上上世世世世纪纪纪纪8080年年年年代代代代初初初初，人人人人工工工工智智智智能能能能中中中中专专专专家家家家系系系系统统统统的的的的思思思思想想想
27、想和方法开始被引入控制系统的研究和工程应用中。和方法开始被引入控制系统的研究和工程应用中。和方法开始被引入控制系统的研究和工程应用中。和方法开始被引入控制系统的研究和工程应用中。专专专专家家家家系系系系统统统统能能能能处处处处理理理理定定定定性性性性的的的的、启启启启发发发发式式式式或或或或不不不不确确确确定定定定的的的的知知知知识识识识信信信信息息息息，经经经经过过过过各各各各种种种种推推推推理理理理来来来来达达达达到到到到系系系系统统统统的的的的任任任任务务务务目目目目标标标标。专专专专家家家家系系系系统统统统为为为为解解解解决决决决传传传传统统统统控控控控制制制制理理理理论论论论的的的的
28、局局局局限限限限性性性性提提提提供供供供了了了了重重重重要要要要的的的的启示，二者的结合导致了专家控制这一方法。启示，二者的结合导致了专家控制这一方法。启示，二者的结合导致了专家控制这一方法。启示，二者的结合导致了专家控制这一方法。2.12.1专家系统专家系统专家系统专家系统2.1.1专家系统概述专家系统概述1 1定义定义定义定义 专专专专家家家家系系系系统统统统是是是是一一一一类类类类包包包包含含含含知知知知识识识识和和和和推推推推理理理理的的的的智智智智能能能能计计计计算算算算机机机机程程程程序序序序，其其其其内内内内部部部部包包包包含含含含某某某某领领领领域域域域专专专专家家家家水水水水
29、平平平平的的的的知知知知识识识识和和和和经经经经验验验验，具有解决专门问题的能力。具有解决专门问题的能力。具有解决专门问题的能力。具有解决专门问题的能力。2 2发展历史发展历史发展历史发展历史分为三个时期：分为三个时期：分为三个时期：分为三个时期：(1)(1)初创期（初创期（初创期（初创期（1965-19711965-1971年）年）年）年）第第第第一一一一代代代代专专专专家家家家系系系系统统统统DENLDRADENLDRA和和和和MACSMAMACSMA的的的的出出出出现现现现，标标标标志志志志着着着着专专专专家家家家系系系系统统统统的的的的诞诞诞诞生生生生。其其其其中中中中DENLDRAD
30、ENLDRA为为为为推推推推断断断断化化化化学学学学分分分分子子子子结结结结构构构构的的的的专专专专家家家家系系系系统统统统，由由由由专专专专家家家家系系系系统统统统的的的的奠奠奠奠基基基基人人人人，StanfordStanford大大大大学学学学计计计计算算算算机机机机系系系系的的的的FeigenbaumFeigenbaum教教教教授授授授及及及及其其其其研研研研究究究究小小小小组组组组研研研研制制制制。MACSMAMACSMA为为为为用用用用于于于于数数数数学学学学运运运运算算算算的的的的数数数数学学学学专专专专家家家家系系系系统，由麻省理工学院完成。统，由麻省理工学院完成。统，由麻省理工
31、学院完成。统，由麻省理工学院完成。（2 2 2 2）成熟期（）成熟期（）成熟期（）成熟期（1972-19771972-19771972-19771972-1977年）：年）：年）：年）：在在在在此此此此期期期期间间间间斯斯斯斯坦坦坦坦福福福福大大大大学学学学研研研研究究究究开开开开发发发发了了了了最最最最著著著著名名名名的的的的专专专专家家家家系系系系统统统统-血血血血液液液液感感感感染染染染病病病病诊诊诊诊断断断断专专专专家家家家系系系系统统统统MYCINMYCINMYCINMYCIN，标标标标志志志志专专专专家家家家系系系系统统统统从从从从理理理理论论论论走走走走向向向向应应应应用用用用。
32、另另另另一一一一个个个个著著著著名名名名的的的的专专专专家家家家系系系系统统统统-语语语语音音音音识识识识别别别别专专专专家家家家系系系系统统统统HEARSAYHEARSAYHEARSAYHEARSAY的的的的出出出出现现现现，标标标标志志志志着着着着专专专专家家家家系系系系统统统统的的的的理论走向成熟。理论走向成熟。理论走向成熟。理论走向成熟。（3 3）发展期（）发展期（）发展期（）发展期（1978-1978-现在）现在）现在）现在）在在在在此此此此期期期期间间间间，专专专专家家家家系系系系统统统统走走走走向向向向应应应应用用用用领领领领域域域域，专专专专家家家家系系系系统统统统的的的的数数
33、数数量量量量增增增增加加加加，仅仅仅仅19871987年年年年研研研研制制制制成成成成功功功功的的的的专专专专家家家家系系系系统统统统就就就就有有有有10001000种。种。种。种。专专专专家家家家系系系系统统统统可可可可以以以以解解解解决决决决的的的的问问问问题题题题一一一一般般般般包包包包括括括括解解解解释释释释、预预预预测测测测、设设设设计计计计、规规规规划划划划、监监监监视视视视、修修修修理理理理、指指指指导导导导和和和和控控控控制制制制等等等等。目目目目前前前前，专专专专家家家家系系系系统统统统已已已已经经经经广广广广泛泛泛泛地地地地应应应应用用用用于于于于医医医医疗疗疗疗诊诊诊诊断
34、断断断、语语语语音音音音识识识识别别别别、图图图图象象象象处处处处理理理理、金金金金融融融融决决决决策策策策、地地地地质质质质勘勘勘勘探探探探、石石石石油油油油化化化化工工工工、教教教教学学学学、军事、计算机设计等领域。军事、计算机设计等领域。军事、计算机设计等领域。军事、计算机设计等领域。2.1.2专家系统构成专家系统构成专家系统主要由知识库和推理机构成，专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家系统的结构如图2-1所示。所示。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解释程序序调度程调度程序序推理咨推理咨询询知识获知识获取取领域专领域专家家专家系专家系统统用户用户
35、图图2-1专家系统的结构专家系统的结构2.1.3 2.1.3 专家系统的建立专家系统的建立1 1知识库知识库知识库知识库知识库包含三类知识：知识库包含三类知识：知识库包含三类知识：知识库包含三类知识：（1 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；）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 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；）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 3）用用用用于于于于说说说说明明明明问问问问题题题题的的的的状状状状态态态态、事事事事实实实实和和和和概概概概念念念念以以以以及及
36、及及当当当当前前前前的的的的条件和常识等的数据。条件和常识等的数据。条件和常识等的数据。条件和常识等的数据。知知知知识识识识库库库库包包包包含含含含多多多多种种种种功功功功能能能能模模模模块块块块，主主主主要要要要有有有有知知知知识识识识查查查查询询询询、检检检检索索索索、增增增增删删删删、修修修修改改改改和和和和扩扩扩扩充充充充等等等等。知知知知识识识识库库库库通通通通过过过过人人人人机机机机接接接接口口口口与与与与领域专家相沟通，实现知识的获取。领域专家相沟通，实现知识的获取。领域专家相沟通，实现知识的获取。领域专家相沟通，实现知识的获取。2 2 2 2 推理机推理机推理机推理机 推推推推
37、理理理理机机机机是是是是用用用用于于于于对对对对知知知知识识识识库库库库中中中中的的的的知知知知识识识识进进进进行行行行推推推推理理理理来来来来得得得得到结论的到结论的到结论的到结论的“思维思维思维思维”机构。推理机包括三种推理方式：机构。推理机包括三种推理方式：机构。推理机包括三种推理方式：机构。推理机包括三种推理方式：（1 1 1 1）正向推理：从原始数据和已知条件得到结论；）正向推理：从原始数据和已知条件得到结论；）正向推理：从原始数据和已知条件得到结论；）正向推理：从原始数据和已知条件得到结论；（2 2 2 2）反反反反向向向向推推推推理理理理：先先先先提提提提出出出出假假假假设设设设
38、的的的的结结结结论论论论，然然然然后后后后寻寻寻寻找找找找支支支支持持持持的证据，若证据存在，则假设成立；的证据，若证据存在，则假设成立；的证据，若证据存在，则假设成立；的证据，若证据存在，则假设成立；（3 3 3 3）双双双双向向向向推推推推理理理理：运运运运用用用用正正正正向向向向推推推推理理理理提提提提出出出出假假假假设设设设的的的的结结结结论论论论，运运运运用反向推理来证实假设。用反向推理来证实假设。用反向推理来证实假设。用反向推理来证实假设。3 3知识的表示知识的表示知识的表示知识的表示 常常常常用用用用的的的的知知知知识识识识表表表表示示示示方方方方法法法法为为为为：产产产产生生生
39、生式式式式规规规规则则则则，框框框框架架架架，语语语语义义义义网网网网络络络络，过过过过程程程程。其其其其中中中中产产产产生生生生式式式式规规规规则则则则是是是是专专专专家家家家系系系系统统统统最最最最流流流流行行行行的的的的表表表表达达达达方方方方法法法法。由由由由产产产产生生生生式式式式规规规规则则则则表表表表示示示示的的的的专专专专家家家家系系系系统统统统又又又又称称称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。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。产生式规则的表达方式为：产生式规则的表达方式为：产生式规则的表达方式为：产生式规则的表达方式为：IF
40、ETHENHWITHCF(E,H)IFETHENHWITHCF(E,H)其其其其中中中中，E E表表表表示示示示规规规规则则则则的的的的前前前前提提提提条条条条件件件件，即即即即证证证证据据据据，它它它它可可可可以以以以是是是是单单单单独独独独命命命命题题题题，也也也也可可可可以以以以是是是是复复复复合合合合命命命命题题题题；HH表表表表示示示示规规规规则则则则的的的的结结结结论论论论部部部部分分分分，即即即即假假假假设设设设，也也也也是是是是命命命命题题题题；CFCF（CertaintyCertaintyFactorFactor）为为为为规规规规则则则则的的的的强强强强度度度度，反反反反映映
41、映映当当当当前前前前提提提提为为为为真真真真时时时时，规规规规则对结论的影响程度。则对结论的影响程度。则对结论的影响程度。则对结论的影响程度。4 4专家系统开发语言专家系统开发语言专家系统开发语言专家系统开发语言（1 1）C C语言，人工智能语言（如语言，人工智能语言（如语言，人工智能语言（如语言，人工智能语言（如PrologProlog，LispLisp等）；等）；等）；等）；（2 2）专专专专家家家家系系系系统统统统开开开开发发发发工工工工具具具具：已已已已经经经经建建建建好好好好的的的的专专专专家家家家系系系系统统统统框框框框架架架架，包包包包括括括括知知知知识识识识表表表表达达达达和和
42、和和推推推推理理理理机机机机。在在在在运运运运用用用用专专专专家家家家系系系系统统统统开开开开发发发发工具开发专家系统时，只需要加入领域知识。工具开发专家系统时，只需要加入领域知识。工具开发专家系统时，只需要加入领域知识。工具开发专家系统时，只需要加入领域知识。5 5专家系统建立步骤专家系统建立步骤专家系统建立步骤专家系统建立步骤（1 1）知识库的设计）知识库的设计）知识库的设计）知识库的设计 确确确确定定定定知知知知识识识识类类类类型型型型：叙叙叙叙述述述述性性性性知知知知识识识识，过过过过程程程程性性性性知知知知识识识识，控控控控制制制制性性性性知识；知识；知识；知识；确定知识表达方法；确
43、定知识表达方法；确定知识表达方法；确定知识表达方法；知知知知识识识识库库库库管管管管理理理理系系系系统统统统的的的的设设设设计计计计：实实实实现现现现规规规规则则则则的的的的保保保保存存存存、编编编编辑辑辑辑、删除、增加、搜索等功能。删除、增加、搜索等功能。删除、增加、搜索等功能。删除、增加、搜索等功能。（2 2）推理机的设计）推理机的设计）推理机的设计）推理机的设计 选择推理方式；选择推理方式；选择推理方式；选择推理方式；选选选选择择择择推推推推理理理理算算算算法法法法：选选选选择择择择各各各各种种种种搜搜搜搜索索索索算算算算法法法法，如如如如深深深深度度度度优优优优先先先先搜索、广度优先搜
44、索、启发式优先搜索等。搜索、广度优先搜索、启发式优先搜索等。搜索、广度优先搜索、启发式优先搜索等。搜索、广度优先搜索、启发式优先搜索等。（3 3）人）人）人）人 机接口的设计机接口的设计机接口的设计机接口的设计 设设设设计计计计“用用用用户户户户 专专专专家家家家系系系系统统统统接接接接口口口口”：用用用用于于于于咨咨咨咨询询询询理理理理解解解解和和和和结结结结论解释；论解释；论解释；论解释；设设设设计计计计“专专专专家家家家 专专专专家家家家系系系系统统统统接接接接口口口口”：用用用用于于于于知知知知识识识识库库库库扩扩扩扩充充充充及及及及系统维护。系统维护。系统维护。系统维护。2.2专家控
45、制专家控制2.2.12.2.1概述概述概述概述 瑞瑞瑞瑞典典典典学学学学者者者者K.J.AstromK.J.Astrom在在在在19831983年年年年首首首首先先先先把把把把人人人人工工工工智智智智能能能能中中中中的的的的专专专专家家家家系系系系统统统统引引引引入入入入智智智智能能能能控控控控制制制制领领领领域域域域，于于于于19861986年年年年提提提提出出出出“专家控制专家控制专家控制专家控制”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。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。专专专专家家家家控控控控制制制制（ExpertExpertControlC
46、ontrol）是是是是智智智智能能能能控控控控制制制制的的的的一一一一个个个个重重重重要要要要分分分分支支支支，又又又又称称称称专专专专家家家家智智智智能能能能控控控控制制制制。所所所所谓谓谓谓专专专专家家家家控控控控制制制制，是是是是将将将将专专专专家家家家系系系系统统统统的的的的理理理理论论论论和和和和技技技技术术术术同同同同控控控控制制制制理理理理论论论论、方方方方法法法法与与与与技技技技术术术术相相相相结结结结合合合合，在在在在未未未未知知知知环环环环境境境境下下下下，仿仿仿仿效效效效专专专专家家家家的的的的经经经经验验验验，实实实实现现现现对对对对系统的控制。系统的控制。系统的控制。
47、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“加入加入加入加入”一个一个一个一个富有经验的控制工程师，实现控制的功能，它由知富有经验的控制工程师，实现控制的功能，它由知富有经验的控制工程师，实现控制的功能，它由知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架，通过对控制领域知识库和推理机构构成主体框架，通过对控制领域知识库和推理机构构成主体框架，通过对控制领域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、动态信息、目标等）的获取与组织，识（先验经验、动态信息、目标等）的
48、获取与组织，识（先验经验、动态信息、目标等）的获取与组织，识（先验经验、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出，按某种策略及时地选用恰当的规则进行推理输出，按某种策略及时地选用恰当的规则进行推理输出，按某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。实现对实际对象的控制。实现对实际对象的控制。实现对实际对象的控制。2.2.2 2.2.2 专家控制的基本原理专家控制的基本原理1结构结构专家控制的基本结构如图专家控制的基本结构如图2-2所示。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
49、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图图2-2专家控制的结构专家控制的结构2 2功能功能功能功能（1 1）能能能能够够够够满满满满足足足足任任任任意意意意动动动动态态态态过过过过程程程程的的的的控控控控制制制制需需需需要要要要，尤尤尤尤其其其其适适适适用用用用于带有时变、非线性和强干扰的控制；于带有时变、非线性和强干扰的控制；于带有时变、非线性和强干扰的控制；于带有时变、非线性和强干扰的控制；（2 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；）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 3）通通通通过过过过修修修修改
50、改改改、增增增增加加加加控控控控制制制制规规规规则则则则，可可可可不不不不断断断断积积积积累累累累知知知知识识识识，改进控制性能；改进控制性能；改进控制性能；改进控制性能；（4 4）可可可可以以以以定定定定性性性性地地地地描描描描述述述述控控控控制制制制系系系系统统统统的的的的性性性性能能能能，如如如如“超超超超调调调调小小小小”、“偏差增大偏差增大偏差增大偏差增大”等；等；等；等；（5 5）对控制性能可进行解释；）对控制性能可进行解释；）对控制性能可进行解释；）对控制性能可进行解释；（6 6）可可可可通通通通过过过过对对对对控控控控制制制制闭闭闭闭环环环环中中中中的的的的单单单单元元元元进进