第四章专家控制系统
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。
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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
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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。
智能控制整理
第一章：1、传统控制方法包括经典控制和现代控制，是基于被控对象精确模型的控制方式，缺乏灵活性和应变能力，适于解决线性、时不变性等相对简单的控制。
2、智能控制的研究对象具备以下的一些特点：不确定性的模型、高度的非线性、复杂的任务要求。
3、IC(智能控制)=AC(自动控制)∩AI(人工智能) ∩OR(运筹学)4、AC：描述系统的动力学特征，是一种动态反馈。
AI ：是一个用来模拟人思维的知识处理系统，具有记忆、学习、信息处理、形式语言、启发推理等功能。
OR：是一种定量优化方法，如线性规划、网络规划、调度、管理、优化决策和多目标优化方法等。
5、智能控制：即设计一个控制器，使之具有学习、抽象、推理、决策等功能，并能根据环境信息的变化作出适应性，从而实现由人来完成的任务。
6、智能控制的几个重要分支为模糊控制、神经网络控制和遗传算法。
7、智能控制的特点：1，学习功能2，适应功能3，自组织功能4，优化功能8、智能控制的研究工具：1，符号推理与数值计算的结合2，模糊集理论3，神经网络理论4，遗传算法5，离散事件与连续时间系统的结合。
9、智能控制的应用领域，例如智能机器人控制、计算机集成制造系统、工业过程控制、航空航天控制和交通运输系统等。
第二章：10、专家系统：是一类包含知识和推理的智能计算机程序，其内部包含某领域专家水平的知识和经验，具有解决专门问题的能力。
11、专家系统的构成：由知识库和推理机（知识库由数据库和规则库两部分构成）12、专家系统的建立：1，知识库2，推理机3，知识的表示4，专家系统开发语言5，专家系统建立步骤。
13、专家控制：是智能控制的一个重要分支，又称专家智能控制。
所谓专家控制，是将专家系统的理论和技术同控制理论、方法与技术相结合，在未知环境下，仿效专家的经验，实现对系统的控制。
14、专家控制的基本结构：15、专家控制与专家系统的区别：1，专家控制能完成专门领域的功能，辅助用户决策；专家控制能进行独立的、实时的自动决策。
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。
第3章专家系统控制(3.4专家控制系统)
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。
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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。
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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。
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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：
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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。
智能控制技术(第2章-专家系统与专家控制系统)教材
（2）推理机的设计
① 选择推理方式；
② 选择推理算法：选择各种搜索算法，如 深度优先搜索、广度优先搜索、启发式优 先搜索等。
（3）人─机接口的设计
① 设计“用户 ─ 专家系统接口”：用于咨 询理解和结论解释； ② 设计“专家 ─ 专家系统接口”：用于知 识库扩充及系统维护。
2.3 专家控制系统的设计方法
2. 2、专家系统的基本结构与实现
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2-4所示。
用户
领域专家
知识工程师
人机接口
解释机构
知识获取机构 专 家 系 统 核 心
数据库
推理机
知识库
专家系统的结构
1．知识库
知识库包含三类知识：
（1）基于专家经验的判断性规则；
（ 2 ）用于推理、问题求解的控制性规则； （ 3 ）用于说明问题的状态、事实和概念 以及当前的条件和常识等的数据。
等价问题（更易）
4、“与或图”表示法
与或图构成规则 •与或图中的每个节点代表一个要解决的 单一问题或问题集合，图中的起始节点对 应总问题。 •对应于本原问题的节点为叶节点，它没 有后裔。 •对于把算符（与操作／或操作）应用于 问题 A的每种可能情况，都把问题变换为 一个子问题集合；有向弧线自A指向后继 节点，表示所求得的子问题集合。
专家控制（Expert Control）是智能控 制的一个重要分支，又称专家智能控制。 所谓专家控制，是将专家系统的理论和 技术同控制理论、方法与技术相结合， 在未知环境下，仿效专家的经验，实现 对系统的控制。
专家控制试图在传统控制的基础上“加 入”一个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（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，实现对实际对象的控制。
智能控制（研究生）习题集
习题集第一章概论1.试从学科和能力两个方面说明什么是人工智能。
2.哪些思想、思潮、时间和人物在人工智能发展过程中起了重要作用?3.近年来人工智能研究取得哪些重要进展?4.为什么能够用计算机模拟人类智能?5.目前人工智能学界有哪些学派?它们的认知观为何?6.自动控制存在什么机遇与挑战?为什么要提出智能控制?7.简述智能控制的发展过程,并说明人工智能对自动控制的影响。
8.傅京孙对智能控制有哪些贡献?9.什么是智能控制?它具有哪些特点?10.智能控制器的一般结构和各部分的作用为何?它与传统控制器有何异同?11.智能控制学科有哪几种结构理论?这些理论的内容是什么?12.为什么要把信息论引入智能控制学科结构?13.人工智能不同学派的思想在智能控制上有何反映?第二章知识表示方法1.状态空间法、问题归约法、谓词逻辑法和语义网络法的要点是什么?它们有何本质上的联系及异同点?2.设有3个传教士和3个野人来到河边,打算乘一只船从右岸渡到左岸去。
该船的负载能力为两人。
在任何时候,如果野人人数超过传教士人数,那么野人就会把传教士吃掉。
他们怎样才能用这条船安全地把所有人都渡过河去?3.利用下图,用状态空间法规划一个最短的旅行路程:此旅程从城市A开始,访问其他城市不多于一次,并返回A。
选择一个状态表示,表示出所求得的状态空间的节点及弧线,标出适当的代价,并指明图中从起始节点到目标节点的最佳路径。
4.试说明怎样把一棵与或解树用来表达下图所示的电网络阻抗的计算。
单独的R、L或C可分别用R、jωL或1/jωC来计算,这个事实用作本原问题。
后继算符应以复合并联和串联阻抗的规则为基础。
5.试用四元数列结构表示四圆盘梵塔问题,并画出求解该问题的与或图。
6.用谓词演算公式表示下列英文句子(多用而不是省用不同谓词和项。
例如不要用单一的谓词字母来表示每个句子)。
A computer system is intelligent if it can perform a task which,if performed by a human, requires intelligence.7.把下列语句表示成语义网络描述:(1)All man are mortal.(2)Every cloud has a silver lining.(3)All branch managers of DEC participate in a profit-sharing plan.8.作为一个电影观众,请你编写一个去电影院看电影的剧本。
智能控制技术(第2章-专家系统与专家控制系统)
（3）成熟期（1972-1977年）： 在此期间斯坦福大学研究开发了最著名 的专家系统-血液感染病诊断专家系统 MYCIN，标志专家系统从理论走向应用。 另一个著名的专家系统-语音识别专家系统 HEARSAY的出现，标志着专家系统的理 论走向成熟。
（4）发展期（1978-现在） 在此期间，专家系统走向应用领域， 专家系统的数量增加，仅1987年研制成 功的专家系统就有1000种。 专家系统可以解决的问题一般包括解 释、预测、设计、规划、监视、修理、 指导和控制等。目前，专家系统已经广 泛地应用于医疗诊断、语音识别、图象 处理、金融决策、地质勘探、石油化工、 教学、军事、计算机设计等领域。
等价问题（更易）
4、“与或图”表示法
与或图构成规则 •与或图中的每个节点代表一个要解决的 单一问题或问题集合，图中的起始节点对 应总问题。 •对应于本原问题的节点为叶节点，它没 有后裔。 •对于把算符（与操作／或操作）应用于 问题 A的每种可能情况，都把问题变换为 一个子问题集合；有向弧线自A指向后继 节点，表示所求得的子问题集合。
（2）推理机的设计
① 选择推理方式；
② 选择推理算法：选择各种搜索算法，如 深度优先搜索、广度优先搜索、启发式优 先搜索等。
（3）人─机接口的设计
① 设计“用户─专家系统接口”：用于咨 询理解和结论解释； ② 设计“专家─专家系统接口”：用于知 识库扩充及系统维护。
2.3 专家控制系统的设计方法
2. 2、专家系统的基本结构与实现
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2-4所示。
用户
领域专家
知识工程师
人机接口
解释机构
知识获取机构 专 家 系 统 核 心
数据库
14版《智能控制技术基础》课程教学大纲
0401061
课程类别
学科专业课
学分
2
总学时
32
开课学期
七
修读类别
选修课
开课单位
自动化学院自动化系
适用专业
自动化
先修课程
自动控制原理、控制系统仿真、现代控制理论、专业英语
主讲教师
梁雪慧董恩增
考核方式及各环节所占比例
考试课；
期末考试占70％，平时成绩占20％，实验占10%
课程概要
智能控制技术基础是工科高等学校自动化专业本科生的一门选修课。相对于传统控制理论及方法，该门课主要介绍一些先进的、有一定数学基础的控制方法及其应用，例如：模糊控制、神经网络控制、专家系统等。
4.习题课、课外作业、答疑和质疑
（1）习题课：安排在模糊控制的理论基础、模糊控制系统等章节中。
（2）课外习题：罗兵《智能控制技术》，2011年3月第1版，第一章1、3、6，第二章3、4、5、6、7、8，第三章1、4、6，第四章1、3，第五章1、2、4。
（3）答疑和质疑
每两周在规定时间和地点至少安排一次答疑或质疑。
5.考试环节
掌握：神经网络模型分类、前向神经网络及BP算法、动态网络特点与Hopfield网络
难点：前向网络及BP算法、神经网络控制。
第四章专家控制系统（4学时）
教学目的：
理解：专家系统的概念、专家控制的知识表示与推理、直接专家控制系统、间接专家控制系统等；
掌握：专家控制系统概念、专家控制系统结构与原理、专家控制的应用领域。
教学目的及要求
拓宽专业知识面，了解先进的控制理论及其应用领域，掌握基本的智能控制系统原理及其设计方法；学会应用MATLAB模糊工具箱实现模糊控制器的设计，通过仿真试验，分析控制器的应用效果，使学生具备基本的模糊控制系统的设计与分析能力。课程采用双语授课，使学生掌握专业知识的同时，提高外文文献的阅读和理解能力，并了解国际智能控制领域的最新动态。
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第四章专家控制系统
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4.1.2专家系统的组成
•知识库
知识库是知识的存储器，用于存储领域专家的经验性 知识以及有关的事实、一般常识等。知识库中的知识 来源于知识获取机构，同时它又为推理机提供求解问 题所需的知识。
•推理机
推理机是专家系统的“思维”机构，实际上是求解问 题的计算机软件系统。
推理机的运行可以有不同的控制策略。
第四章专家控制系统
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4.1.4专家系统的知识表示
1、产生式规则表示法
控制器
匹配、冲突解决
规则库
匹配 检索
第四章专家控制系统
数据库
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1、产生式规则表示法
规则库：存放了若干规则，每条产生式规则是一个 以“如果满足这个条件，就应当采取这个操作”形式 表示的语句。
数据库：是产生式规则注意的中心，每个产生式规 则的左半部分表示在启用这一规则之前数据库内必须 准备好的条件。
第四章专家控制系统
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4.1.2专家系统的组成
•综合数据库（全局数据库）
又称为“黑板”或“数据库”。它是用于存放推理的 初始证据、中间结果以及最终结果等的工作存储器 （Working Memory）。
•解释接口
又称人-机界面，它把用户输人的信息转换成系统内规 范化的表示形式，然后交给相应模块去处理，把系统
输出的信息转换成用户易于理解的外部表示形式显示
给用户，回答用户提出的“为什么？”“结论是如何
得出的？”等问题。
第四章专家控制系统
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4.1.2专家系统的组成
•知识获取
知识获取是指通过人工方法或机器学习的方法， 将某个领域内的事实性知识和领域专家所特有 的经验性知识转化为计算机程序的过程。
对知识库的修改和扩充也是在系统的调试和验 证中进行的，是一件很困难的工作。知识获取 被认为是专家系统中的一个“瓶颈”问题。
A
B
C
D
E
F
H
第四章专家控制系统
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4、“与或图”表示法
•分解“与”树 将复杂的大问题分解成 一组简单的小问题，将 总问题分解为子问题。 若所有子问题都解决了， 则总问题也解决了。这 是“与”的逻辑关系。 而子问题又可以分为子 子问题，如此类推可以 形成问题分解的树图， 称为“与”树。
第四章专家控制系统
第四章专家控制系统
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4.1.3 专家系统的特征及类型
1、专家系统的基本特征
•具有专家水平的专门知识 •能进行有效的推理 •专家系统的透明性和灵活性 •具有一定的复杂性与难度
第四章专家控制系统
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4.1.3 专家系统的特征及类型
2、专家系统的类型
•诊断型专家系统
•解释型专家系统
•预测型专家系统
•设计型专制系统
总问题 等价问题（易）
等价问题（更易） 18
4、“与或图”表示法
与或图构成规则 •与或图中的每个节点代表一个要解决的单一问 题或问题集合，图中的起始节点对应总问题。 •对应于本原问题的节点为叶节点，它没有后裔。 •对于把算符（与操作／或操作）应用于问题 A 的每种可能情况，都把问题变换为一个子问题集 合；有向弧线自A指向后继节点，表示所求得的 子问题集合。
专家系统和传统的计算机“应用程序” 最本质的不同之处在于，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。
第四章专家控制系统
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4.1.2专家系统的组成
专家系统的基本组成
推理机 知识库 综合数据库
问题描述
解 释
用
接 口
户
解答、建议
或解释
知识获取
领域专家
从本质上讲，专家系统是一类包含着知识和推 理的智能计算机程序 。
现在习惯于把每一个利用了大量领域知识的大 而复杂的人工智能系统都统称为专家系统。
专家系统可以解决的问题一般包括解释、预测、 诊断、设计、规划、监视、修理、指导和控制 等。
第四章专家控制系统
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§ 4.1专家系统基础
4.1.1什么是专家系统
控制器 ：是说明下一步应该选用什么规则，也就是 如何运用规则。通常从选择规则到执行规则分成三步： 匹配、冲突解决和操作。
第四章专家控制系统
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4.1.4专家系统的知识表示
2、状态空间表示法 状态空间表示法是知识表达的基本方法。 状态空间是利用状态变量和操作符号，表示系 统或问题的有关知识的符号体系，通常可以用三 元组来表示：
第4章 专家控制系统
专家控制（Expert Control）是智能控制的 一个重要分支，又称专家智能控制。
它在将人工智能中专家系统的理论和技 术同自动控制的理论、方法和技术有机 结合的基础上，在未知环境下模仿专家 的智能，实现对系统的有效控制。
第四章专家控制系统
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§4.1专家系统基础
4.1.1什么是专家系统
总问题 子问题（简单）
子子问题（更简单）
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4、“与或图”表示法
•变换“或”树
将较难的问题变换为较
易的等价问题。若一个
较难问题可以等价变换
为几个容易问题，则任
何一个容易问题解决了，
也就解决了原有的难问
题，这是“或”的逻辑
关系。而这些容易问题
还有可能变换为若干更
容易的问题，如此下去，
可以形成问题变换的
•决策型专家系统
•控制专家系统
第四章专家控制系统
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4.1.4专家系统的知识表示
知识表示就是知识的形式化，就是研究用机 器表示知识的可行的、有效的、通用的原则 和方法。
目前常用的知识表示方法有：逻辑表示法、 语义网络法、产生式规则、特性表示法、框 架表示法、与或图法、过程表示法、黑板结 构、Petri网络法、神经网络等。
第四章专家控制系统
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3、框架表示法
框架的结构
（<框架名>）（<槽1>（<侧面l>（<值1>）
（<值2>）
┇）
（<侧面2>（<值1>）
（<值2>）
┇）
┇）
（<槽2>（<侧面l>（<值1>）
┇）
┇）
┇）
第四章专家控制系统
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4、“与或图”表示法
与或图概念 与或图是一种超图，图中用几条超弧线连接一个 父节点和它的一组后继节点，加到一个节点上的 “与”或“或”标记取决于该节点对其父节点的 关系。
第四章专家控制系统
<｛Qs｝，F，｛Qg｝> 其中Qs表示初始状态，Qg表示目标状态，F表示 操作。
第四章专家控制系统
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4.1.4专家系统的知识表示
3、框架表示法 框架是一个嵌套的连接表，用于表达问题的状 态和操作过程及其相互联系。 框架系统的嵌套式结构便于表达不同层次的知 识。通过扩充子框架，可以进一步描述问题的细 节。