第3章专家系统控制(3.4专家控制系统)
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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：
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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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（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；
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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。
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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。
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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
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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。
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1. 专家控 制系统的 工作原理
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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。
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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。
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（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。
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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。
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。
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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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（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；
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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。
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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。
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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
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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。
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1. 专家控 制系统的 工作原理
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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。
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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。
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（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。
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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。