第3章专家系统控制(3.4专家控制系统)

13


知识源 —是与控制问题子任务有关的一些独立知识模块。



推理规则——采用“IF—THEN”产生式规则， 条件部分是全局数据库（黑板）或是局部数据 库中的状态描述，动作或结论部分是对黑板信 息或局部数据库内容的修改或添加。 局部数据库——存放与子任务相关的中间结果， 用框架表示，其中各槽的值即为这些中间结果。 操作原语——一类是对全局或局部数据库内容 的增添、删除和修改操作，另一类是对本知识 源或其他知识源的控制操作，包括激活、中止 和固定时间间隔等待或条件等待。
5
1. 专家 控制系 统的工 作原理

知识基子系统位于系统上层，对数值算法进行 决策、协调和组织，包含有定性的启发式知识， 进行符号推理，按专家系统的设计规范编码， 通过数值算法库与受控过程间接相连，连接的 信箱中有读或写信息的队列。
6
内部过程 的通信功 能如下：
① 出口信箱 将控制配置命令、控制算法的参数 变更值以及信息发送请求从知识基系统送往数值 算法部分。 ② 入口信箱 将算法执行结果、检测预报信号、 对于信息发送请求的答案、用户命令以及定时中 断信号分别从数值算法库、人一机接口及定时操 作部分送往知识基系统。
9
2. 知识基系统的内部组织和推理机制 （1）控制的知识表示

专家控制把系统视为基于知识的系统，系统包 含的知识信息可以表示如下：
10
数据库包括：




事实——已知的静态数据。例如传感器测量误 差、运行阈值、报警阈值、操作序列的约束条 件、受控过程的单元组态等。 证据——测量到的动态数据。例如传感器的输 出值、仪器仪表的测试结果等。 假设——由事实和证据推导提到的中间结果， 作为当前事实集合的补充。例如，通过各种参 数估计算法推得的状态估计等。 目标——系统的性能指标。例如对稳定性的要 求，对静态工作点的寻优，对现有控制规律是 否需要改进的判断等。


系统的控制器由位于下层的数值算法库和位于 上层的知识基子系统两大部分组成。 数值算法库包含的是定量的解析知识，进行数 值计算，快速、精确，由控制、辨识和监控三 类算法组成，按常规编程直接作用于受控过程， 拥有最高的优先权。
4
1. 专家 控制系 统的工 作原理



控制算法根据来自知识基系统的配置命令和测量信号计 算控制信号，例如PID算法、最小方差算法等，每次运 行一种控制算法。 辨识算法和监控算法在某种意义上是从数值信号流中抽 取特征信息，仅当系统运行状况发生某种变化时，才往 知识基系统中发送信息。 在稳态运行期间，知识基系统是闲置的，整个系统按传 统控制方式运行。

16
串行激活类型

相继触发——一个激活知识源的操作结果作为另一个 知识源的触发条件，自然激发，此起彼伏。 预定顺序——按控制过程的某种原理，预先编一个知 识源序列，依次触发。例如初始调节，在检测到不同 的报警状态时，系统返回到稳态控制方式等情况。 动态生成顺序——对知识源的激活顺序进行在线规划。 每个知识源都可以附上一个目标状态和初始状态，激 活一个知识源即为系统状态的一个转移，通过逐步比 较系统的期望状态与知识源的目标状态，以及系统的 当前状态与知识源的初始状态，就可以规划出状态转 移的序列，即动态生成了知识源的激活序列。
14
黑板机构

存放记录，包括事实、证据、假设和目标 所说明的静态、动态数据。 这些数据分别为不同的知识源所关注。
通过知识源的访问，整个数据库起到在各 个知识源之间传递信息的作用。 通过知识源的推理，数据信息得到增删、 修改、更新。


15
调度器
作用是根据黑板的变化激活适当的知 识源，并形成有次序的调度队列。 激活知识源可以采用串行或并行激活 的方式，从而形成多种不同的调度策 略。 串行激活又分成相继触发、预定顺序 和动态生成顺序三种方式。
18

（3）控制的推理模型

专家控制中的问题求解机制可以表示成如下的 推理模型：
U f ( E, K , I )
U (u1, u2 , , um ) 为控制器的输出作用集；
E (e1, e2 , , en ) 为控制器的输入集；
K (k1, k2 , , k p ) 为系统的数据项集；
17


并行激活方式

是指同时激活一个以上的知识源方式。例 如系统处于稳态控制方式时，一个知识源 负责实际控制算法的执行，而另外一些知 识源同时实现多方面的监控作用。 调度器的结构类似于一个知识库，其中包 括一个调度数据库，用框架形式记录着各 个知识源的激活状态的信息，以及某些知 识源等待激活的条件信息。
I (i1, i2 , in ) 为具体推理机构的输出集。
19
f 为一种智能算子，它可以一般地表示为：
பைடு நூலகம்

IF E and K THEN（IF I THEN U ）
即根据输入信息E和系统中的知识信息K进行 推理，然后根据推理结果I确定相应的控制行 为 U。 专家控制推理机制的控制策略一般仅仅用到正 向推理是不够的。当一个结论不能自动得到推 导时，就需要使用反向推理的方式，去调用前 链控制的产生式规则知识源或者过程式知识源 验证这一结论。
3.4 专家控制系统 3.4.1 专家控制系统的特点



根据专家系统技术在控制系统中应用的复杂程 度，可以分为专家控制系统和专家式控制器两 种主要形式。 专家控制系统具有全面的专家系统结构、完善 的知识处理功能和实时控制的可靠性能。它包 括有知识获取子系统和学习子系统，人一机接 口要求较高。 专家式控制器，多为工业专家控制器，是专家 控制系统的简化形式，针对具体的控制对象或 过程，着重于启发式控制知识的开发，具有实 时算法和逻辑功能。
1
3.4.2 专家控制系统的工作原理

专家控制系统的典型结构图
2
1. 专家控 制系统的 工作原理
专家控制系统有知识基系统、数值算法库和人 一机接口三个并发运行的子过程。 三个运行子过程之间的通信是通过五个信箱进 行的，这五个信箱即出口信箱、入口信箱、应 答信箱、解释信箱和定时器信箱。
3


1. 专家控 制系统的 工作原理
20

7


内部过 程的通 信功能 如下：


③ 应答信箱 传送数值算法对知识基系统的信 息发送请求的通信应答信号。 ④ 解释信箱 传送知识基系统发出的人一机通 信结果，包括用户对知识库的编辑、查询、算 法执行原因、推理结果、推理过程跟踪等系统 运行情况的解释。
8
内部过 程的通 信功能 如下：


⑤ 定时器信箱 用于发送知识基子系统内部推理 过程需要的定时等待信号，供定时操作部分处理。 人一机接口子过程传播两类命令：一类是面向数 值算法库的命令，如改变参数或改变操作方式； 另一类是指挥知识基系统去做什么的命令，如跟 踪、添加、清除或在线编辑规则等。
11
（2）知识基系统的黑板法模型

知识基系统的结构如图3.10所示，它由一组知 识源、黑板机构和调度器三部分组成。
12
黑板法:

是一种高度结构化的问题求解模型，用于适时 问题求解，即在最适当的时机运用知识进行推 理。 它的特点是能够决定什么时候使用知识、怎样 使用知识。 另外还规定了领域知识的组织方法，其中包括 知识源I（KS）这种知识模型，以及数据库的 层次结构等。