优化工业应用中的专家控制策略

由本章第9节介绍的模糊控制算法可知，模糊控制是基于人的经验的，具有“仿人智能”的特性。故也称其为是智能控制，或说它是智能控制之一。本节讨论的专家控制，则具有“高度仿人智能”的特性，是模糊控制的进一步发展，更是智能控制，或说更是智能控制之一。

1.专家控制概念

图4-65所示为专家系统简化结构。它主要由知识库与推理机组成。知识库存储大量专家知识。而推理机则根据输入或提问，运用一定的推理规则，在与知识库交互中，求得与输入对应的输出，或推出提问的答案。

专家系统知识库的数据有的为手工录入，有的可自动生成，更高级的还可自学习，不断地在使用中充实、完善。

图4-65 专家系统简化结构

专家系统可用于各种不同的场合：如总结医生看病的经验而建立的专家系统，可进行特殊疾病诊断；再如总结设备修理的经验而建立设备诊断知识库，可协助进行设备故障诊断等。这些技术在实际中得到了很好的运用，也取得了可喜的成果。

专家（Expert Control）控制则在此基础上，还要更进一步。要把专家系统和实际控制过程结合起来，用专家系统做实际控制过程的调节器。为此，专家控制就要不间断地监测被控系统状态，并运用相应的推理规则，在与它的知识库交互中，实时求得与系统状态对应的控制输出，使被控系统的工作能达到预期的效果。

可知：专家控制的知识库应是完备的，对应于每一被控系统状态，必须要有相应的控制输出答案，而这个答案必须达到人类专家的水准；专家控制的求解过程应是自动的，能根据接收到的反馈信号进行独立的、自动的决策，产生相应的控制输出；专家控制还应是实时的，要很快对反馈输入做出反应。实时性问题是专家控制应用于工业控制面临的最大困难。

为了满足工业过程的实时性要求，知识库的规模不宜过大，推理机也应尽可能简单。含有与控制有关的知识，能有效地进行推理也就够了。

在设计专家控制时，应十分注意对过程在线信息的处理与利用。在信息存储方面，应对那些对做出控制决策有意义的特征信息进行记忆，对于过时的信息则应加以遗忘；在信息处理方面，应把数值计算与符号运算结合起来；在信息利用方面，应对各种反映过程特性的特征信息加以抽取和利用，不要仅限于误差和误差的一阶导数。灵活地处理与利用在线信息将提高系统的信息处理能力和决策水平。

控制策略的灵活性是对专家控制所的又一要求。工业对象本身的时变性与不确定性以及现场干扰的随机性，要求专家控制采用不同控制策略，并能通过在线获取的信息灵活地修改控制策略或控制参数，以保证获得优良的控制品质。此外，专家控制还应设计异常情况处理的适应性策略，以增强系统的应变能力。

运用专家控制，可使控制系统的设计不完全依赖于被控对象的数学模型，而主要利用人的有关知识，也可使被控对象按一定要求达到预定的控制目的。所以，在复杂的工业控制环境中，有许多未知因素和不确定因素，而利用专家知识可实现对其控制时，使用专家控制是很合适的。

2.专家控制类型

专家控制的主要形式有专家控制系统和专家式控制器（expert controller）两种。前者系统结构复杂、研制代价高，因而目前应用较少；后者结构简单、研制代价低，性能又能满足工业过程控制的一般要求，因而获得日益广泛的应用。

3.专家控制结构

专家控制系统因为应用的场合和控制要求的不同，其结构也可能不一样。然而，几乎所有的专家控制系统（控制器）都包含知识库、推理机、控制规则集和控制算法等。

图4-66给出了一种专家控制器的框图。

图4-66 专家控制器

从图4-66可知，知识库由经验数据库和学习与适应装置组成。经验数据库存储经验和事实；学习与适应装置在线获取信息，补充或修改知识库内容，改进系统性能，提高问题求解能力。控制规则集（CRS）是对被控过程的各种控制模式和经验的归纳和总结。由于规则条数不多，搜索空间很小，推理机构（IE）就十分简单，采用向前推理方法逐次判别各种规则的条件，满足则执行，否则继续搜索。

特征识别与信息处理（FR&IP）部分的作用是实现对信息的提取与加工，为控制决策和学习适应提供依据。它主要包括抽取动态过程的特征信息，识别系统的特征状态，并对特征信息作必要的加工。

专家控制器的输入集为

E=（R，e，Y，U），e=R-Y

式中 R——参考控制输入；

e——误差信号；

Y——受控输出；

U——控制器的输出集。

专家控制器的模型可用式U=f（E，K，I）表示，智能算子f为几个算子的复合运算

f=ghp

其中 g：E→S；h：S×K→I；p：I→U

g、h、p均为智能算子，其形式为

IF A THEN B

其中，A为前提或条件，B为结论。A与B之间的关系可以包括解析表达式、Fuzzy关系、因果关系和经验规则等多种形式。B还可以是一个子规则集。

上述系统当然是比较复杂的。只能运行在PC的平台上。PLC使用的专家控制应力求简单、有效。其结构要简化一些。随着PLC性能进一步提高，较为复杂，以至于知识库可自动扩充、能自学习的专家系统会越来越多地出现。

4.专家控制应用(www.xing528.com)

专家控制在我国已取得很大成功。正从教授、专家手中走出来，实现专家控制的工程化、实用化、转化为社会生产力。

实例1：广西大学自动化研究所已经开发出实时智能控制软件包RICP、智能集成开放控制器IIOC等产品。软件包RICP有以下3个软件组成：

1）模糊控制系统开发工具FCDS；

2）专家控制系统开发工具ECSS；

3）神经网络开发工具NNDS。

RICP提供模糊控制、专家控制、神经网络的开发工具，可帮助用户进行模糊控制、专家控制、神经网络的设计、分析和调试，用户无须掌握深奥的智能控制理论和知识，就可以在短时间内构建智能控制系统。

RICP采用COM、ODBC、ActiveX、OLE、OPC，将RICP软件包与国内外各种工业监控组态软件（“力控”“组态王”“MCGS”“世纪星”“天工”等）无缝连接，提供PLC、DCS、工控机、现场总线、以太网控制系统的接口。

RICP人机界面友好，软硬件配套集成，图形编程组态，用户无须掌握复杂的编程知识、技术，在常规控制设备中可实现智能控制。

RICP适用于难以建模、对象和任务复杂系统的控制，可解决工业生产过程控制的非线性，大滞后，不确定等难控问题。

实例2：恒压供水专家控制系统，用于城市高楼供水。它是非线性、不确定的控制过程，很难建立精确的数学模型。因此，有人将专家控制经验与传统的PID控制相结合，形成一套行之有效的控制算法，它的规则描述如下：

1）IFe（K）>M₁∧e（K）>0，THENu（K）=U₁

2）IFM₃<e（K）≤M₂∧e（K）>0，THENu（K）=u（K-1）+K₁e（K）-K₂e（K-1）

3）IFe（K）≤M₃，THENu（K）=u（K-1）

4）IFe（K）>M₁∧e（K）<0，THENu（K）=0，关变频器

5）IFM₃<e（K）≤M₁∧e（K）<0，THENu（K）=U₂

6）IFM₂<e（K）≤M₁∧e（K）>0，THENu（K）=U₃

其中，e（K）=K时刻压力设定值减去K时刻压力实测值。U₁，K₁，M_i（i=1，2，3）为现场设定值，由现场调试经验而定。M₁>M₂>M₃。控制过程首先验证条件，条件满足则激活相应的控制策略，各控制策略之间存在一定的相互关系。

采用上述控制系统及控制规则，实现了对北京商检局及总后军需研究所的地下温泉供水系统进行变频调速恒压供水自动控制的改造，压力值的控制精度达±0.2kg/m²满足用户要求，节能效果显著。

实例3：小直流电动机转速专家控制。

系统构成主要是：直流电动机，加载给直流电动机的可调压直流电源，测量电动机转速用的光电码盘及其脉冲检测装置。具体使用装置是沈阳旭风电子科技发展有限公司生产的TD3电源板、TS1、TS4实验板、PLC及模拟量模块元件板。

直流电动机转速由直流电源电压控制。这个电压高，电动机转速也高，两者大体为正比关系。而直流电源的电压则由PLC脉宽输出控制。本系统用的PLC为晶体管输出的PLC，可产生脉宽调制的脉冲输出。

电动机转动将带动光电码盘转动。脉冲检测装置将检测出脉冲信号。显然，脉冲信号的频率与电动机转速是正比关系的。系统用CPM2A的输入点000.00接收这高速脉冲信号。而且，每间隔1s计一次所采集到的脉冲数。这脉冲数也就是这个脉冲信号的频率。也就是这个频率的高低反映了电机转速高低。

用PLC对电动机转速进行专家控制的目的就是，不管出现怎样的扰动，电动机转速将随给定值变化。

它用的算法是，先计算计算偏差及偏差变化率，然后，根据偏差及偏差变化率的大小，按一定规则改变控制输出，达到控制所要求的效果。整个控制效果如何？将取决专家的经验，即选定好控制周期、比较参数及变化参数。

图4-67～图4-70为该系统的实际程序。其中：图4-67所示为偏差计算及确定偏差方向（正或负）及大小。从图知它主要用比较与减指令实现；图4-68所示为偏差变化率计算。并指明变化的大小及变化方向；图4-69所示为偏差变化分类。可依据此分类确定相应的控制输出。

图4-70所示依据偏差及偏差变化分类，确定控制输出应做的相应变化。输出用的是脉宽控制。而且，每一控制周期执行一次这个程序。这里的控制周期的长短，“多点”“少点”以及上述其它图中的“偏差很大”“变化很大值”等的数值，可按照专家或使用中积累的经验确定。图中只画出了负偏差的程序。正偏差时，情况类似。

图4-67 偏差计算

图4-68 偏差变化率计算

图4-69 偏差变化分类

图4-70 控制输出