专家控制系统课后大作业

5-1 什么是专家系统？它具有哪些特点和优点？
专家系统（Expert System) 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。

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处理的复杂问题。

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。

专家系统的特点如下：
（1）启发性。

不仅能使用逻辑知识，也能使用启发性知识，它运用规范的专门知识和直觉的评判知识进行判断、推理和联想，实现问题求解；
（2）透明性。

它使用户在对专家系统结构不了解的情况下，可以进行相互交往，并了解知识的内容和推理思路，系统还能回答用户的一些有关系统自身行为的问题；
（3）灵活性。

专家系统的知识与推理机构的分离，使系统不断接纳新的知识，从而确保系统内知识不断增长以满足商业和研究的需要；
（4）实用性。

可长期保存人类专家的知识与经验，且工作效率高、可靠性好、能汇集众多专家的特长，达到高于任何单个专家的水平，是保存、传播、使用及提高专家知识与经验的有效工具；
（5）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。

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；
（6）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且存在一定概率的问题。

此外，其提供的有关信息往往是不确定的。

而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；
专家系统的优点如下：
（1）专家系统能够高效率、准确、周到、迅速和不知疲倦地进行工作；
（2）专家系统解决实际问题时不受周围环境的影响，也不可能遗漏忘记；
（3）军事专家系统的水平是一个国家国防现代化的重要标志之一；
（4）专家系统的研制和应用，具有巨大的经济效益和社会效益；
（5）研究专家系统能够促进整个科学技术的发展；
（6）能汇集多领域专家的知识和经验以及他们协作解决重大问题的能力；
（7）专家系统能促进各领域的发展，它使各领域专家的专业知识和经验得到总结和精炼，能够广泛有力地传播专家的知识、经验和能力；
（8）可以使专家的专长不受时间和空间的限制，以便于推广各类珍贵和稀缺的专家知识与经验。

5-2 专家系统由哪些部分构成？各部分的作用为何？
专家系统通常由人机交互界面、知识库、推理机、解释器、综合数据库、知识获取等6个部分构成，专家系统的基本结构如下图所示。

（1）知识库
定义：用来存放专家提供的知识，其是问题求解所需要的领域知识的集合，包括基本事实、规则和其他有关信息。

知识的表示形式可以是多种多样的，包括框架、规则、语义网络等等。

作用：专家系统的问题求解过程是通过知识库中的知识来模拟专家的思维方式的，因此，知识库是专家系统质量是否优越的关键所在，即知识库中知识的质量和数量决定着专家系统的质量水平。

一般来说，用户可以通过改变、完善知识库中的知识内容来提高专家系统的性能。

（2）推理机
定义：推理机是实施问题求解的核心执行机构，它针对当前问题的条件或已知信息，反复匹配知识库中的规则，获得新的结论，以得到问题求解结果并将结果记录到动态库的适当空间中。

作用：推理机用于记忆所采用的规则和控制策略的程序，使整个专家系统能够以逻辑方式协调地工作。

推理机能够根据知识进行推理和导出结论，而不是简单地搜索现成的答案。

（3）人机界面
定义：人机界面是系统与用户进行交流时的界面。

作用：通过该界面，用户输入基本信息、回答系统提出的相关问题，并输出推理结果及相关的解释等。

（4）综合数据库
定义：其也称为动态库或工作存储器，是反映当前问题求解状态的集合。

作用：综合数据库专门用于存储推理过程中所需的原始数据、中间结果和最终结论，往往是作为暂时的存储区。

综合数据库中由各种事实、命题和关系组成的状态，既是推理机选用知识的依据，也是解释机制获得推理路径的来源。

（5）解释器
定义：用于对求解过程做出说明，并回答用户的提问的机构。

作用：解释器能够根据用户的提问，对结论、求解过程做出说明，系统通常需要反向跟踪动态库中保存的推理路径，并把它翻译成用户能接受的自然语言表达方式。

（6）知识获取
定义：知识获取机是专家系统中把问题求解的各种专门知识从人类专家的头脑中或其他知识源那里转换到知识库中的一个重要机构。

作用：知识获取是专家系统知识库是否优越的关键，负责建立、修改和扩充知识库，也可以实现自动学习功能。

5-3 专家系统程序与一般的问题求解软件程序有何不同？开发专家系统与开发其他软件的任务有何不同？
专家系统程序与一般的问题求解软件程序的区别如以下所示：
（1）一般问题程序把问题求解的知识隐含地编入程序，而专家系统则将知识与运用知识的过程即推理机分离。

使专家系统具有更大的灵活性，使系统易于修改。

（2）传统程序一般不具有解释功能，而专家系统一般具有解释机构，可对自己的行为作出解释。

（3）传统程序是依据某一确定的算法和数据结构来求解某一确定的问题，而专家系统是依据知识和推理来求解问题，其为专家系统与传统程序的最大区别。

（4）从处理对象来看，传统程序主要是面向数值计算和数据处理，而专家系统则面向符号处理。

传统程序处理的数据多是精确的，对数据的检索是基于模式的布尔匹配，而专家系统处理的数据和知识大多是不精确的、模糊的，知识的模式匹配也多是不精确的。

开发专家系统与开发其他软件的任务的区别如下所示：
（1）对于一般的问题求解软件程序，知识组织分为数据级和程序级两级：数据级和程序级；而大多数专家系统则将知识组织分为三级：数据级、知识库和控制级。

（2）专家系统的开发设计主要以知识库和推理机为中心，即知识库+推理机=系统。

而传统的软件结构是：数据+算法=程序，传统编程技术开发数据处理系统，收集并通过复杂的算法来处理大量数据。

（3）专家系统的数据级是已经解决了的特定问题的说明性知识以及需要求解问题的有关事件的当前状态，知识库级储备了专家系统的专门知识与经验。

也就是说，拥有大量知识是专家系统开发的前提，因而知识表示是设计专家系统的关键。

5-4 什么叫做专家控制和专家控制系统？
（1）专家控制
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。

（2）专家控制系统
专家控制系统主要指的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经验方法来处理该领域的高水平难题。

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。

5-5专家控制系统有哪几种类型？它们有何区别？
（1）专家控制系统分类
专家控制系统分为直接型专家控制器和间接型专家控制器两类。

直接型专家控制器用于取代常规控制器，直接控制被控对象。

该控制器的任务简单，但是需要在线实时控制，因此，其知识表达和知识库也较简单，通常由几十条产生式规则构成，以便于增删和修改。

其结构如下图所示。

间接型专家控制器是用于和常规控制器相结合，组成对被控对象进行间接控制的智能控制系统。

该控制器能够实现优化、适应、协调、组织等高层决策的智能控制。

间接型专家控制器可以在线或离线运行。

其结构如下图所示。

而间接型专家控制器又可以分为以下几种类型：
①优化型专家控制器：最优控制专家知识、经验的总结运用。

通过设定整定
值、优化控制器参数，实现控制性能的静态动态优化；
②适应型专家控制器：自适应控制专家知识、经验总结运用。

根据现场测
试数据，相应调整控制规律，校正控制参数，适应对象特性或环境条件
的漂移变化；
③协调型专家控制器：协调控制专家和调度工程师知识、经验总结运用。

用以协调局部控制器或各子控制系统的运行，实现全局稳定和优化；
④组织型专家控制器：控制工程组织管理专家、总设计师知识的总结运用。

组织各种常规控制器，根据控制任务目标，构成所需的控制系统。

（2）两者区别
直接专家控制系统中，基于知识控制器直接模仿人类专家或人类的认知能力，并为控制器设计两种规则：训练规则和机器规则。

训练规则由一系列产生式规则组成，它们把控制误差直接映射为受控对象的作用。

机器规则是由积累和学习人类专家或师傅的控制经验得到的动态规则，并用于实现机器的学习过程。

而在间接专家系统中，智能控制器用于调整常规控制器的参数，监控受控对象的某些特征，如超调、上升时间和稳定时间等，然后拟定校正PID参数的规则，可以保证控制系统处于稳定的和高质量的运行状态，能够实现优化适应、协调、组织等高层决策的智能控制。