第四章专家控制系统42页PPT
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第四章 专家系统与专家控制
4.1 专家系统的概念
4.1.3 专家系统的类型
关于专家系统的分类，目前还无定论。我 们仅从几个不同的侧面对此进行讨论。 （1）按用途分类 按用途分类，专家系统可分为：诊断型、 解释型、预测型、决策型、设计型、规划型、控 制型、调度型等几种类型。 （2）按输出结果分类 按输出结果分类，专家系统可分为分析型 和设计型。 9
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4.1 专家系统的概念
(1)专家拥有丰富的专业知识和实践经验， 或者说他（她）拥有丰富的理论知识和经验知 识，特别是经验知识； (2)专家具有独特的思维方式，即独特的分 析问题和解决问题的方法和策略。 专家系统应该具备以下四个要素： (1) 应用于某专门领域； (2) 拥有专家级知识； (3) 能模拟专家的思维； (4) 能达到专家级水平。 5
4.1 专家系统的概念
所以，准确一点讲，专家系统应该是：应 用于某一专门领域，拥有该领域相当数量的专 家级知识，能模拟专家的思维，能达到专家级 水平，能像专家一样解决困难和复杂的实际问 题的计算机(软件)系统。
6
4.1 专家系统的概念
4.1.2 专家系统的特点
同一般的计算机应用系统（如数值计算、数 据处理系统等）相比，专家系统具有下列特点： (1)从处理的问题性质看，专家系统善于解决 那些不确定性的、非结构化的、没有算法解或虽有 算法解但在现有的机器上无法实施的困难问题。 (2)从处理问题的方法看，专家系统则是靠知 识和推理来解决问题（不像传统软件系统使用固定 的算法来解决问题），所以，专家系统是基于知识 的智能问题求解系统。 7
18
4.2 专家系统的结构
（2）推理机（Inferense Engine） 所谓推理机，就是实现（机器）推理的程 序，是使用知识库中的知识进行推理而解决问 题的。所以，推理机也就是专家的思维机制， 即专家分析问题、解决问题的方法的一种算法 表示和机器实现。
【浙大名师课件】智能控制技术第4章 专家控制系统
象
用户
专家控制系统结构图
4.2专家控制系统的结构和原理
4.2.2 专家控制系统的结构和原理
2．内部过程的通信专家控制器内部过程的通信过程为：
（1）出口信箱将控制配量命令、控制算法的参数变更值以及信息发送请求从知识基统送往 数值算法部分。
（2）人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-机接口及定时操作部分送往知识基系统。这些信 息具有优先级说明，并形成先进先出的队列。在知识塞系统内部另有一个信箱，进人的 信息按照优先级排序插入待处理信息，以便尽快处理最主要的问题。
4.2 专家控制系统的结构和原理
4.2.2 专家控制系统的结构和原理
1．专家控制系统的结构
专家控制系统有知识基系统、数值算法库和人-机接口三个并发运行的子过 程。子过程之间的通信是通过五个信箱进行的。
应答信箱
知
出口信箱
识
基
定时器信箱
系
统
入口信箱
解释信箱
定时操作 人机接口
数
A/D
值
被
算
控
法
对
库
D/A
专家系统的核心是知识，所以建立专家系统的主要任务是获取知识 建立知识库。建立专家系统的过程如图4-7所示。
重新需求分析
重新公式化
重新设计
确认问题 特征
确认
需求 找出表示 概念 设计组织 结构
知识的概念
知识的结构
概念化
形式化
形成可运 行程序
测试
精练 系统
评价建造 的系统
实现
图4-7 专家系统建立过程示意图
4.1 专家系统概述
专家控制系统
1、什么是专家系统？它具有哪些特点和优点?1）专家系统：专家系统（Expert System）是一种在特定领域内具有专家水平解决问题能力的程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的经验方法来处理该领域的高水平难题。
也就是说，专家系统是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统，它应用人工智能技术和计算机技术，根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以便解决那些需要人类专家才能处理好的复杂问题。
简而言之，专家系统是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。
2）专家系统的特点：①启发性：专家系统要解决的问题，其结构往往是不合理的，其问题求解知识不仅包括理论知识和常识，而且包括专家本人的启发知识；②透明性：专家系统能够解释本身的推理过程和回答用户提出的问题，以便让用户了解推理过程，增大对专家系统的信任感；③灵活性：专家系统的灵活性是指它的扩展和丰富知识库的能力，以及改善非编程状态下的系统性能，即自学习能力；④符号操作：与常规程序进行数据处理和数字计算不同，专家系统强调符号处理和符号操作（运算），使用符号表示知识，用符号集合表示问题的概念。
一个符号是一串程序设计，并可用于表示现实世界中的概念；⑤ 不确定性推理：领域专家求解问题的方法大多数是经验性的，经验知识一般用于表示不精确性并存在一定概率的问问题。
止匕外，所提供的有关问题的信息往往是不确定的。
专家系统能够综合应用模糊和不确定的信息与知识，进行推理；⑥为解决特定领域的具体问题，除需要一些公共的常识，还需要大量与所研究领域问题密切相关的知识；⑦ 一般采用启发式的解题方法；⑧在解题过程中除了用演绎方法外，有时还要求助于归纳方法和抽象方法；⑨需处理问题的模糊性、不确定性和不完全性；⑩能对自身的工作过程进行推理（自推理或解释）；11采用基于知识的问题求解方法；12知识库与推理机分离。
智能控制课件
特征辨识
40
特征记忆 用于系统校正，适应学习及系统监控等。
特征记忆表现了控制器前期决策与控制 的效果及控制要求和对象性质
控制模态 控制方式
41
原理和结构 特征辨识→仿人推理→多模态控制 典型控制模态
P277 m1~m6, ψ1 ~ψ6 结构P278 图4.18 仿人智能控制的特点 分层的信息处理和决策机构 在线的特征辨识和特征记忆 多模态控制 启发式直觉推理逻辑
24
专家控制系统与专家系统的区别
专家系统 ：专门领域的问题咨询、推理 辅助用户决策 专家控制：对控制动作独立决策
专家系统 ：离线 专家控制： 在线
25
专家控制算法
实质： 解析控制规律+启发式逻辑算法
传统控制的特长：能够针对精确描述的 解析模型进行精确的数值求解。 传统控制的缺陷：难于在大范围或复杂 环境中取得完美控制效果。
异步事件推理
37
按时序推理 并行推理
带有时间约束推理 不确定推理
知识获取 P266
浅层知识与深层知识 专家经验知识 动态知识
38
稳定性分析 P270 ECS实际是非线性控制
4.6 仿人智能控制
广义上讲，各种智能控制方法研究的共 同点就是使工程控制系统具有某种“仿 人”的智能。
39
概念和定义
特征模型： 描述控制系统行为特征 全体特征状态的集合 一般由偏差和偏差变化率等组合构成 教材P274 q1 ~ q8
智能控制课件
第四章 专家控制
Expert Control System ECS 专家系统 + 工程控制论
ECS广泛应用于故障诊断、工业设计及 过程控制。
1
4.1 专家系统
专家系统（Expert System)是人工智能 应用研究最活跃和最广泛的课题之一。 1965年第一个化学专家系统DENDRAL 诞生。
40
特征记忆 用于系统校正，适应学习及系统监控等。
特征记忆表现了控制器前期决策与控制 的效果及控制要求和对象性质
控制模态 控制方式
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原理和结构 特征辨识→仿人推理→多模态控制 典型控制模态
P277 m1~m6, ψ1 ~ψ6 结构P278 图4.18 仿人智能控制的特点 分层的信息处理和决策机构 在线的特征辨识和特征记忆 多模态控制 启发式直觉推理逻辑
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专家控制系统与专家系统的区别
专家系统 ：专门领域的问题咨询、推理 辅助用户决策 专家控制：对控制动作独立决策
专家系统 ：离线 专家控制： 在线
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专家控制算法
实质： 解析控制规律+启发式逻辑算法
传统控制的特长：能够针对精确描述的 解析模型进行精确的数值求解。 传统控制的缺陷：难于在大范围或复杂 环境中取得完美控制效果。
异步事件推理
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按时序推理 并行推理
带有时间约束推理 不确定推理
知识获取 P266
浅层知识与深层知识 专家经验知识 动态知识
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稳定性分析 P270 ECS实际是非线性控制
4.6 仿人智能控制
广义上讲，各种智能控制方法研究的共 同点就是使工程控制系统具有某种“仿 人”的智能。
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概念和定义
特征模型： 描述控制系统行为特征 全体特征状态的集合 一般由偏差和偏差变化率等组合构成 教材P274 q1 ~ q8
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第四章 专家控制
Expert Control System ECS 专家系统 + 工程控制论
ECS广泛应用于故障诊断、工业设计及 过程控制。
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4.1 专家系统
专家系统（Expert System)是人工智能 应用研究最活跃和最广泛的课题之一。 1965年第一个化学专家系统DENDRAL 诞生。
现代控制工程专家控制系统PPT课件
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第28页/共86页
12.3.2 产生式知识表示
• 产生式的形式描述及语义——巴科斯范式BNF（backus normal form）
<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>…
• 规则库：
r1： IF r2： IF r3： IF r4： IF r5： IF r6： IF
该动物有毛发 THEN 该动物是哺乳动物 该动物有奶 THEN 该动物是哺乳动物 该动物有羽毛 THEN 该动物是鸟 该动物会飞 AND 会下蛋 THEN 该动物是鸟 该动物吃肉 THEN 该动物是食肉动物 该动物有犬齿 AND 有爪 AND 眼盯前方
5
第5页/共86页
12.1 专家系统
12.1.1 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
6
第6页/共86页
12.1.1 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。”
（置信度）
例如： IF 发烧 THEN 感冒 （0.6）
26
第26页/共86页
12.3.2 产生式知识表示
3. 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）
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12.3.2 产生式知识表示
• 产生式的形式描述及语义——巴科斯范式BNF（backus normal form）
<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>…
• 规则库：
r1： IF r2： IF r3： IF r4： IF r5： IF r6： IF
该动物有毛发 THEN 该动物是哺乳动物 该动物有奶 THEN 该动物是哺乳动物 该动物有羽毛 THEN 该动物是鸟 该动物会飞 AND 会下蛋 THEN 该动物是鸟 该动物吃肉 THEN 该动物是食肉动物 该动物有犬齿 AND 有爪 AND 眼盯前方
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12.1 专家系统
12.1.1 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
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12.1.1 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。”
（置信度）
例如： IF 发烧 THEN 感冒 （0.6）
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12.3.2 产生式知识表示
3. 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）
专家系统PPT教学课件
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图灵测试
• 如果电脑能在5分钟内回答由人类测试者提出的一 系列问题，且其超过30%的回答让测试者误认为 是人类所答，则电脑通过测试。
10
• 图灵测试问题举例
• 问： 你会下国际象棋吗？
• 问：你会下国际象棋吗？ • 答：是的。
• 答：是的。
• 问：你会下国际象棋吗？
• 问：你会下国际象棋吗？ • 答：是的。
有知识，不断更新。由于这一特点，使得 专家系统具有十分广泛的应用领域。
7
专家系统的特点
(4) 实用性 专家系统是根据问题的实际需求开发的，这一特 点就决定了它具有坚实的应用背景。
8
专家系统的特点
(5)具有一定的复杂性及难度 专家系统拥有知识，可以运用知识进行推 理，模拟人类的思维过程。但是，人类的 知识是丰富多彩的，思维方式也是多种多 样的。因此，要真正实现对人类思维的模 拟，是一件非常困难的工作，并有赖于其 他许多学科的共同发展。
• 答：是的，我不是已经说 过了吗？
• 问：请再次回答，你会下国际 • 问：请再次回答答：你烦不烦，干吗老提 同样的问题。
11
• 2014年6月7日发生了一件事情：聊天程序“尤金·古斯特 曼”（Eugene Goostman）在英国皇家学会举行的2014 图灵测试大会上冒充一个13岁乌克兰男孩而骗过了33%的 评委，从而“通过”了图灵测试。
3
小 i机器人
/
4
专家系统的特点
专家系统具有下列特点： (1)具有专家水平的专门知识 专家系统为了能够像人类专家那样去解决 实际问题，就必须具有专家级的知识．知 识越丰富，解决问题的能力就越强。
5
专家系统的特点
(2)透明性 专家系统能够解释本身的推理过程并回答
图灵测试
• 如果电脑能在5分钟内回答由人类测试者提出的一 系列问题，且其超过30%的回答让测试者误认为 是人类所答，则电脑通过测试。
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• 图灵测试问题举例
• 问： 你会下国际象棋吗？
• 问：你会下国际象棋吗？ • 答：是的。
• 答：是的。
• 问：你会下国际象棋吗？
• 问：你会下国际象棋吗？ • 答：是的。
有知识，不断更新。由于这一特点，使得 专家系统具有十分广泛的应用领域。
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专家系统的特点
(4) 实用性 专家系统是根据问题的实际需求开发的，这一特 点就决定了它具有坚实的应用背景。
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专家系统的特点
(5)具有一定的复杂性及难度 专家系统拥有知识，可以运用知识进行推 理，模拟人类的思维过程。但是，人类的 知识是丰富多彩的，思维方式也是多种多 样的。因此，要真正实现对人类思维的模 拟，是一件非常困难的工作，并有赖于其 他许多学科的共同发展。
• 答：是的，我不是已经说 过了吗？
• 问：请再次回答，你会下国际 • 问：请再次回答答：你烦不烦，干吗老提 同样的问题。
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• 2014年6月7日发生了一件事情：聊天程序“尤金·古斯特 曼”（Eugene Goostman）在英国皇家学会举行的2014 图灵测试大会上冒充一个13岁乌克兰男孩而骗过了33%的 评委，从而“通过”了图灵测试。
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小 i机器人
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专家系统的特点
专家系统具有下列特点： (1)具有专家水平的专门知识 专家系统为了能够像人类专家那样去解决 实际问题，就必须具有专家级的知识．知 识越丰富，解决问题的能力就越强。
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专家系统的特点
(2)透明性 专家系统能够解释本身的推理过程并回答
智能控制研专家控制系统
(2) 决策能力强 大多数专家控制系统要求具有不同水平的决策能力。专家控制系统能够处理不确定 性、不完全性和不精确性之类的问题，而这些问题常常难以用常规控制方法来解决。
(3) 应用通用性好 包括易于开发、示例多样性、便于混合知识表示、多种推理机制（如假想推理、非 单调推理和近似推理）以及开放式的可扩充结构等。
5.1 专家系统的基本概念
1．专家系统的定义
定义5.1 专家系统
专家系统是一个智能计算机程序系统，其内部含 有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用 人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域问题, 以人类专家的水平完成特别困难的某一专业领域的任 务。
专家系统是一种模拟人类专家解决领域问题的计 算机程序系统。
第26页/共55页
(d) 规则模型
产生式规则的基本形式为： ＩＦ （条件） ＴＨＥＮ （操作或结论）
（5.1）
(e) 基于模型的模型
• 对于基于模型的专家系统，其知识库含有不同的模型，其中包括物理模型和心理模型 （如神经网络模型和视觉知识模型等），而且通常是定性模型。
• 这种方法能够通过离线预计算来减少在线计算，产生简化模型使之与所执行的任务 逐一匹配。
(4) 解释器（Explainator） • 解释器能够向用户解释专家系统的行为，包括解释推理结论的正确性以及系统输 出其它候选解的原因。 (5) 接口（Interface） • 接口又称界面，它能够使系统与用户进行对话，使用户能够输入必要的数据、提出 问题和了解推理过程及推理结果等。
第7页/共55页
(5.3)
E = {e1 , e2 , ... , em }为控制器输入集；
K = {k1 , k2 , ... , kn }为知识库中的经验数据与事实集；
(3) 应用通用性好 包括易于开发、示例多样性、便于混合知识表示、多种推理机制（如假想推理、非 单调推理和近似推理）以及开放式的可扩充结构等。
5.1 专家系统的基本概念
1．专家系统的定义
定义5.1 专家系统
专家系统是一个智能计算机程序系统，其内部含 有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用 人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域问题, 以人类专家的水平完成特别困难的某一专业领域的任 务。
专家系统是一种模拟人类专家解决领域问题的计 算机程序系统。
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(d) 规则模型
产生式规则的基本形式为： ＩＦ （条件） ＴＨＥＮ （操作或结论）
（5.1）
(e) 基于模型的模型
• 对于基于模型的专家系统，其知识库含有不同的模型，其中包括物理模型和心理模型 （如神经网络模型和视觉知识模型等），而且通常是定性模型。
• 这种方法能够通过离线预计算来减少在线计算，产生简化模型使之与所执行的任务 逐一匹配。
(4) 解释器（Explainator） • 解释器能够向用户解释专家系统的行为，包括解释推理结论的正确性以及系统输 出其它候选解的原因。 (5) 接口（Interface） • 接口又称界面，它能够使系统与用户进行对话，使用户能够输入必要的数据、提出 问题和了解推理过程及推理结果等。
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(5.3)
E = {e1 , e2 , ... , em }为控制器输入集；
K = {k1 , k2 , ... , kn }为知识库中的经验数据与事实集；
专家系统优秀PPT课件PPT课件
专家系统的基本组成
由上图可知
知识库
推理机
推理机的运行策略：
正向推理:是由原始数据出发，按一定的策略运用知识库中专家的知识，推 断出所需要的结论；
反向推理：是先提出结论，然后去寻找这个结论的证据，这种由结论到前 提数据策略称为“目标驱动策略”；
双向推理：综合利用正向推理和反向推理的优点，在实际使用过程中把正 向推理、反向推理混合运用。
门关闭,外阀门打开,系统排湿。
控制变量的选取 将偏差量化为 7个等级 , E = { ENB , ENM ,ENS , EO , EPS , EPB },表示
偏差值为负大、负中、负小、0、正小,正大的概念。 将偏差变化率量化为 5个等级, EC = { ECNB , ECNM , ECNS , ECO ,
综合数据库（全局数据库）
解释接口（人机界面）
知识获取
2.1.3 专家系统的类型及特征
具有专家的专业知识 能进行有效推理 专家系统的透明性和灵活性 具有一定的复杂性与难度
具有专家的专业知识
一个专家系统为了象人类专家那样工作，必须表现专 家的技能和高度的技巧以及有足够的鲁棒性
能进行有效的推理
专家系统的类型
对专家系统可以按不同的方法分类。可以按应用领域、知识表 示方法、控制策略、任务类型等分类。如按任务类型（解决问题） 来划分，常见的有解释型、预测型、诊断型、调试型、维护型、规 划型、设计型、监督型、控制型、教育型等。
专家系统所要解决的问题一般没有算法解，并且经常要在不完 全、不精确或不确定的信息基础上做出结论。
ECP },表示吸湿快速、中等速度、慢速、0、反吸。 输出时间 T = { TB ,TM , TS },表示时间为长、中、短。