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1、第第2章章专家限制专家限制在在传传统统限限制制系系统统中中，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。限限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、结结构构的的变变更更缺缺乏乏应变实力。应变实力。传传统统限限制制理理论论的的不不足足，在在于于它它必必需需依依靠靠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限限制制效效果果。而而实实际际的的被被控控对对象存在着很多难以建模的因素。象存在着很多难以建模的因素。上上世世纪纪80年年头头初初，人人工工智智能能中中专专家家系系统统的的思思
2、想想和和方方法法起起先先被被引引入入限限制制系系统统的的探探讨讨和和工程应用中。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学学问问信信息息，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限限制制理理论论的的局局限限性性供供应应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限制这一方法。了专家限制这一方法。2.1专家系统专家系统2.1.1、专家系统概述、专家系统概述1定义定义专专家家系系统统是是一一类类包包含含学学问问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
3、某某领领域域专专家家水水平平的的学学问和阅历，具有解决特地问题的实力。问和阅历，具有解决特地问题的实力。2发展历史发展历史分为三个时期：分为三个时期：(1)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，标标记记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高高校校计计算算机机系系的的Feigenbaum教教授授及及其其探探讨讨小小组组研研制制。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
4、统统，由麻省理工学院完成。由麻省理工学院完成。（2）成熟期（）成熟期（1972-1977年）：年）：在在此此期期间间斯斯坦坦福福高高校校探探讨讨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，标标记记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，标标记记着着专专家家系系统统的的理理论走向成熟。论走向成熟。（3）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
5、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说说明明、预预料料、设设计计、规规划划、监监视视、修修理理、指指导导和和限限制制等等。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。2.1.2、专家系统构成、专家系统构成专家系统主要由学问库和推理机构专家系统主要由学问库和推理机构成，专家系统的结构如图成，专家系统的结构如图2.
6、1所示。所示。知识库知识库知识库知识库规则库规则库规则库规则库数据库数据库数据库数据库推理机推理机推理机推理机解释程序解释程序解释程序解释程序调度程序调度程序调度程序调度程序推理咨询推理咨询推理咨询推理咨询知识获取知识获取知识获取知识获取领域专家领域专家领域专家领域专家专家系统专家系统专家系统专家系统用户用户用户用户专家系统的结构专家系统的结构2.1.32.1.3、专家系统的建立、专家系统的建立1学问库学问库学问库包含三类学问：学问库包含三类学问：（1）基于专家阅历的推断性规则；）基于专家阅历的推断性规则；（2）用于推理、问题求解的限制性规则；）用于推理、问题求解的限制性规则；（3）用用于于说
7、说明明问问题题的的状状态态、事事实实和和概概念念以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。学学问问库库包包含含多多种种功功能能模模块块，主主要要有有学学问问查查询询、检检索索、增增删删、修修改改和和扩扩充充等等。学学问问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，实现学问的获得。相沟通，实现学问的获得。2推理机推理机推推理理机机是是用用于于对对学学问问库库中中的的学学问问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；（
8、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，然然后后找寻支持的证据，若证据存在，则假设成立；找寻支持的证据，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，运用反向推理来证明假设。结论，运用反向推理来证明假设。3学问的表示学问的表示常常用用的的学学问问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
9、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
10、好的的专专家家系系统统框框架架，包包括括学学问问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，只须要加入领域学问。时，只须要加入领域学问。5专家系统建立步骤专家系统建立步骤（1）学问库的设计）学问库的设计确确定定学学问问类类型型：叙叙述述性性学学问问，过过程程性性学学问，限制性学问；问，限制性学问；确定学问表达方法；确定学问表达方法；学学问问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、搜寻等功能。存、编辑、删除、增加、搜寻等功能。（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
11、算法法：选选择择各各种种搜搜寻寻算算法法，如如深深度度优优先先搜搜寻寻、广广度度优优先先搜搜寻寻、启启发发式式优优先搜寻等。先搜寻等。（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”：用用于于询询问理解和结论说明；问理解和结论说明；设设计计“专专家家专专家家系系统统接接口口”：用用于于学学问库扩充及系统维护。问库扩充及系统维护。其次节 专家限制 一、概述 瑞典学者K.J.Astrom在1983年首先把人工智能中的专家系统引入智能限制领域，于1986年提出“专家限制”的概念，构成一种智能限制方法。专专家家限限制制（ExpertControl）是是智智能能限限制制的
12、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限限制制。所所谓谓专专家家限限制制，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限限制制理理论论、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阅阅历历，实实现现对系统的限制。对系统的限制。专家限制试图在传统限制的基础上专家限制试图在传统限制的基础上“加加入入”一个富有阅历的限制工程师，实现限一个富有阅历的限制工程师，实现限制的功能，它由学问库和推理机构构成主制的功能，它由学问库和推理机构构成主体框架，通过对限制领域学问（先验阅历、体框架，通过对限制领域学问（先验阅历、动态信息、目标等）的获得与组织，
13、按某动态信息、目标等）的获得与组织，按某种策略刚好地选用恰当的规则进行推理输种策略刚好地选用恰当的规则进行推理输出，实现对实际对象的限制。出，实现对实际对象的限制。二、基本原理二、基本原理 1结构结构专家限制的基本结构如图专家限制的基本结构如图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限制的结构专家限制的结构专家限制的结构专家限制的结构 2功能功能（1）能能够够满满足足随随意意动动态态过过程程的的限限制制须须要要，尤尤其其适适用用于于带带有有时时变变、非非
14、线线性性和和强强干干扰扰的的限制；限制；（2）限制过程可以利用对象的先验学问；）限制过程可以利用对象的先验学问；（3）通通过过修修改改、增增加加限限制制规规则则，可可不不断断积累学问，改进限制性能；积累学问，改进限制性能；（4）可可以以定定性性地地描描述述限限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）对限制性能可进行说明；）对限制性能可进行说明；（6）可可通通过过对对限限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得阅历规则。障检测来获得阅历规则。3.与专家系统的区分与专家系统的区分专专家家限限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
15、专家系统存在区分：专家系统存在区分：（1）专专家家系系统统能能完完成成特特地地领领域域的的功功能能，协协助助用用户户决决策策；专专家家限限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。专专家家限限制制比比专专家家系系统统对对牢靠性和抗干扰性有着更高的要求。牢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，而而专专家家限限制制要要求求在在线线获获得得反反馈馈信信息息，即即要要求在线工作方式。求在线工作方式。4.学问表示学问表示专专家家限限制制将将系系统统视视为为基基于于学学问问的的系系统统，限制系统的学问表示如下：限制系统的学问表示如下：（1）
16、受控过程的学问）受控过程的学问先验学问：包括问题的类型及开环特性；先验学问：包括问题的类型及开环特性；动态学问：包括中间状态及特性变更。动态学问：包括中间状态及特性变更。（2）限制、辨识、诊断学问）限制、辨识、诊断学问定量学问：各种算法；定量学问：各种算法；定性学问：各种阅历、逻辑、直观推断。定性学问：各种阅历、逻辑、直观推断。依依据据专专家家系系统统学学问问库库的的结结构构，有有关关学学问问可可以以分分类类组组织织，形形成成数数据据库库和和规规则则库库，从从而构成专家限制系统的学问源。而构成专家限制系统的学问源。数据库包括：数据库包括：事事实实已已知知的的静静态态数数据据。例例如如传传感感器
17、器测测量量误误差差、运运行行阈阈值值、报报警警阈阈值值、操操作作序序列列的的约束条件、受控过程的单元组态等；约束条件、受控过程的单元组态等；证证据据测测量量到到的的动动态态数数据据。例例如如传传感感器器的的输输出出值值、仪仪器器仪仪表表的的测测试试结结果果等等。证证据据的的类类型型是是各各异异的的，常常常常带带有有噪噪声声、延延迟迟，也也可能是不完整的，甚至相互之间有冲突；可能是不完整的，甚至相互之间有冲突；假假设设由由事事实实和和证证据据推推导导的的中中间间结结果果，作作为为当当前前事事实实集集合合的的补补充充。例例如如，通通过过各各种参数估计算法推得的状态估计等；种参数估计算法推得的状态估
18、计等；目目标标系系统统的的性性能能指指标标。例例如如对对稳稳定定性性的的要要求求，对对静静态态工工作作点点的的寻寻优优、对对现现有有限限制制规规律律是是否否须须要要改改进进的的推推断断等等。目目标标既既可可以以是是预预定定的的，也也可可以以是是依依据据外外部部吩吩咐咐或或内内部运行状况在线地动态建立的。部运行状况在线地动态建立的。专专家家限限制制的的规规则则库库一一般般接接受受产产生生式式规规则表示：则表示：IF限限制制局局势势（事事实实和和数数据据）THEN操作结论操作结论由多条产生式规则构成规则库。由多条产生式规则构成规则库。5.分类分类按按专专家家限限制制在在限限制制系系统统中中的的作作
19、用用和和功功能，可将专家限制器分为以下两种类型：能，可将专家限制器分为以下两种类型：(1)干脆型专家限制器干脆型专家限制器干干脆脆专专家家限限制制器器用用于于取取代代常常规规限限制制器器，干干脆脆限限制制生生产产过过程程或或被被控控对对象象。具具有有模模拟拟（或或延延长长，扩扩展展）操操作作工工人人智智能能的的功功能能。该该限限制制器器的的任任务务和和功功能能相相对对比比较较简简洁洁，但但是是须须要要在在线线、实实时时限限制制。因因此此，其其学学问问表表达达和和学学问问库库也也较较简简洁洁，通通常常由由几几十十条条产产生生式式规规则则构构成成，以便于增删和修改。以便于增删和修改。干干脆脆型型专
20、专家家限限制制器器的的示示意意图图见见图图中中的的虚虚线线所示。所示。知识库知识库知识库知识库信息获信息获信息获信息获取与处取与处取与处取与处理理理理推推推推 理理理理机机机机 构构构构被被被被 控控控控对对对对 象象象象传感器传感器传感器传感器控制控制控制控制规则规则规则规则库库库库直接型直接型直接型直接型专家控制器专家控制器专家控制器专家控制器图图干脆型专家限制器干脆型专家限制器(2)间接型专家限制器间接型专家限制器间间接接型型专专家家限限制制器器用用于于和和常常规规限限制制器器相相结结合合，组组成成对对生生产产过过程程或或被被控控对对象象进进行行间间接接限限制制的的智智能能限限制制系系统
21、统。具具有有模模拟拟（或或延延长长，扩扩展展）限限制制工工程程师师智智能能的的功功能能。该该限限制制器器能能够够实实现现优优化化适适应应、协协调调、组组织织等等高高层层决决策策的的智智能能限限制制。依依据据高高层层决决策策功功能能的的性性质质，间间接接型型专专家家限限制制器器可可分分为为以以下下几几种种类型：类型：优优化化型型专专家家限限制制器器：是是基基于于最最优优限限制制专专家家的的学学问问和和阅阅历历的的总总结结和和运运用用。通通过过设设置置整整定定值值、优优化化限限制制参参数数或或限限制制器器，实现限制器的静态或动态优化。实现限制器的静态或动态优化。适适应应型型专专家家限限制制器器：是
22、是基基于于自自适适应应限限制制专专家家的的学学问问和和阅阅历历的的总总结结和和运运用用。依依据据现现场场运运行行状状态态和和测测试试数数据据，相相应应地地调调整整限限制制规规律律，校校正正限限制制参参数数，修修改改整整定定值值或或限限制制器器，适适应应生生产产过过程程、对对象象特特性性或环境条件的漂移和变更。或环境条件的漂移和变更。协协调调型型专专家家限限制制器器：是是基基于于协协调调限限制制专专家家和和调调度度工工程程师师的的学学问问和和阅阅历历的的总总结结和和运运用用。用用以以协协调调局局部部限限制制器器或或各各子子限限制制系系统的运行，实现大系统的全局稳定和优化。统的运行，实现大系统的全
23、局稳定和优化。组组织织型型专专家家限限制制器器：是是基基于于限限制制工工程程的的组组织织管管理理专专家家或或总总设设计计师师的的学学问问和和阅阅历历的的总总结结和和运运用用。用用以以组组织织各各种种常常规规限限制制器器，依依据据限限制制任任务务的的目目标标和和要要求求，构构成成所所须须要要的限制系统。的限制系统。间间接接型型专专家家限限制制器器可可以以在在线线或或离离线线运运行行。通通常常，优优化化型型、适适应应型型须须要要在在线线、实实时时、联联机机运运行行。协协调调型型、组组织织型型可可以以离离线线、非非实实时时运运行行，作作为为相相应应的的计计算算机机协助系统。协助系统。间接型专家限制器
24、的示意图如图所示。间接型专家限制器的示意图如图所示。专家控制专家控制专家控制专家控制器器器器被被被被 控控控控对对对对 象象象象传感器传感器传感器传感器控制算法控制算法控制算法控制算法特征提取特征提取特征提取特征提取图图图图 间接型专家限制器间接型专家限制器间接型专家限制器间接型专家限制器三、专家限制的关键技术及特点三、专家限制的关键技术及特点1专家限制的关键技术专家限制的关键技术(1)学问的表达方法；学问的表达方法；(2)从从传传感感器器中中识识别别和和获获得得定定量量的的限限制制信号；信号；(3)将定性学问转化为定量的限制信号；将定性学问转化为定量的限制信号；(4)限制学问和限制规则的获得
25、。限制学问和限制规则的获得。2专家限制的特点专家限制的特点（1）敏敏捷捷性性：依依据据系系统统的的工工作作状状态态及及误误差差状况，可敏捷地选取相应的限制律；状况，可敏捷地选取相应的限制律；（2）适适应应性性：能能依依据据专专家家学学问问和和阅阅历历，调调整整限限制制器器的的参参数数，适适应应对对象象特特性性及及环环境境的的变更；变更；（3）鲁鲁棒棒性性：通通过过利利用用专专家家规规则则，系系统统可可以在非线性、大偏差下牢靠地工作。以在非线性、大偏差下牢靠地工作。第三节第三节专家专家PID限制限制n一、专家一、专家PIDPID限制原理限制原理PID专专家家限限制制的的实实质质是是，基基于于受受
26、控控对对象象和和限限制制规规律律的的各各种种学学问问，无无需需知知道道被被控控对对象象的的精精确确模模型型，利利用用专专家家阅阅历历来来设设计计PID参参数数。专专家家PID限限制制是是一一种种干干脆脆型型专家限制器。专家限制器。典典型型的的二二阶阶系系统统单单位位阶阶跃跃响响应应误误差差曲曲线线如如图图所所示示。对对于于典典型型的的二二阶阶系系统统阶阶跃跃响应过程作如下分析。响应过程作如下分析。图图图图 典型二阶系统单位阶跃响应误差曲线典型二阶系统单位阶跃响应误差曲线典型二阶系统单位阶跃响应误差曲线典型二阶系统单位阶跃响应误差曲线令令表表示示离离散散化化的的当当前前采采样样时时刻刻的的误误差
27、差值值，和和分分别别表表示示前前一一个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，则有依依据据误误差差及及其其变变更更，可可设设计计专专家家PID限限制制器器，该该限限制制器器可可分分为为以以下下五五种种状状况况进进行行设计：设计：（1）当当时时，说说明明误误差差的的确确定定值值已已经经很很大大。不不论论误误差差变变更更趋趋势势如如何何，都都应应考考虑虑限限制制器器的的输输出出应应按按最最大大（或或最最小小）输输出出，以以达达到到快快速速调调整整误误差差，使使误误差差确确定定值值以以最最大大速速度度减减小小。此此时时，它它相相当当于于实实施施开开环环限限制。制。（2）当当或或时时
28、，说说明明误误差差在在朝朝误误差差确确定定值值增增大大方方向向变变更更，或或误误差差为为某一常值，未发生变更。某一常值，未发生变更。此此时时，假假如如，说说明明误误差差也也较较大大，可可考考虑虑由由限限制制器器实实施施较较强强的的限限制制作作用用，以以达达到到扭扭转转误误差差确确定定值值朝朝减减小小方方向向变变更更，并快速减小误差的确定值，限制器输出为并快速减小误差的确定值，限制器输出为假假如如，说说明明尽尽管管误误差差朝朝确确定定值值增增大大方方向向变变更更，但但误误差差确确定定值值本本身身并并不不很很大大，可可考考虑虑限限制制器器实实施施一一般般的的限限制制作作用用，只只要要扭扭转转误误差
29、差的的变变更更趋趋势势，使使其其朝朝误误差差确确定定值值减减小小方向变更，限制器输出为方向变更，限制器输出为（3）当）当、或者或者时时，说说明明误误差差的的确确定定值值朝朝减减小小的的方方向向变变更更，或或者者已已经经达达到到平平衡衡状状态态。此此时时，可考虑实行保持限制器输出不变。可考虑实行保持限制器输出不变。（4）当当、时时，说说明明误误差差处处于于极极值值状状态态。假假如如此此时时误误差差的的确确定定值值较较大大，即即，可可考考虑虑实实施施较较强的限制作用强的限制作用假如此时误差的确定值较小，即假如此时误差的确定值较小，即，可可考考虑虑实实施施较较弱弱的的限限制制作用作用（5）当当时时，
30、说说明明误误差差的的确确定定值值很很小小，此此时时加加入入积积分分，削削减减稳态误差。稳态误差。图中，图中，、区域，误区域，误差朝确定值减小的方向变更。此时，可差朝确定值减小的方向变更。此时，可实行保持等待措施，相当于实施开环限实行保持等待措施，相当于实施开环限制；制；、区域，误差确区域，误差确定值朝增大的方向变更。此时，可依据定值朝增大的方向变更。此时，可依据误差的大小分别实施较强或一般的限制误差的大小分别实施较强或一般的限制作用，以抑制动态误差。作用，以抑制动态误差。二、仿真程序及分析仿真实例求三阶传递函数的阶跃响应其中对象采样时间为1ms。接受专家PID设计限制器。在仿真过程中，取0.001，程序中的五条规则与限制算法的五种状况相对应。仿真程序：仿真程序：chap3_1.m