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1 引言

　　近半個世紀(jì)以來，經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論、方法和技術(shù)（簡稱傳統(tǒng)控制），取得了令人矚目的成就。但是，無論是現(xiàn)代控制理論還是大系統(tǒng)理論，其分析、綜合和設(shè)計都是建立在嚴(yán)格和精確的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)之上的。而在科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)力高速發(fā)展的今天，人們對大規(guī)模、復(fù)雜、不確定性系統(tǒng)實行自動控制的要求不斷提高。因此，傳統(tǒng)的基于精確數(shù)學(xué)模型的控制理論的局限性日益明顯。

　　（1） 傳統(tǒng)控制所面臨的難題

　　傳統(tǒng)控制方法的設(shè)計和分析是建立在系統(tǒng)的精確模型基礎(chǔ)上的，而實際系統(tǒng)由于存在復(fù)雜性、時變性、不確定性和不完全性等，一般無法獲得精確的數(shù)學(xué)模型;采用傳統(tǒng)控制理論進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時，必須提出并遵循一些苛刻的假設(shè)，而這些假設(shè)往往與實際情況不符，使得所設(shè)計的系統(tǒng)性能與實際情況相差很遠(yuǎn);對某些復(fù)雜的帶有時變性與不確定性的系統(tǒng)，即使獲得了良好的控制性能，當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生變化時，其性能也會顯著變差;為了提高控制性能，傳統(tǒng)的控制理論可能變得相當(dāng)復(fù)雜，從而增加了設(shè)備投資，降低了系統(tǒng)可靠性。

　?。?） 傳統(tǒng)控制的缺陷與不足

　　對環(huán)境的干擾和不確定性缺乏足夠的魯棒性;

　　突發(fā)事件的處理需要人工的干預(yù);

　　無法處理非數(shù)字和不精確的信息;

　　無法通過在線學(xué)習(xí)以提高自身性能。

　　以上因素正是傳統(tǒng)控制技術(shù)需要突破的一些癥結(jié)，于是，專家控制的基本思想就應(yīng)運(yùn)而生了。

2 專家控制的基本思想

　　專家控制是智能控制的一個重要分支，它是把專家系統(tǒng)的思想和方法引入控制系統(tǒng)及其工程應(yīng)用。就其實質(zhì)而言，專家控制是基于控制對象和控制規(guī)律的各種知識的總和，而且要以智能的方式使用這些知識，求得受控系統(tǒng)更可能地優(yōu)化和實用化，它反映出智能控制的許多重要特征和功能。

　　2.1 專家控制的基本思想#p#分頁標(biāo)題#e#

　　專家控制=自動控制理論和方法+人工智能專家系統(tǒng)技術(shù)實際系統(tǒng)中存在的啟發(fā)式邏輯本質(zhì)上是實現(xiàn)控制目標(biāo)的各種規(guī)律性的經(jīng)驗知識，這些經(jīng)驗知識難以用一般性的數(shù)值形式表達(dá)，而適合用符號形式加以描述;再者，這些經(jīng)驗知識既不能簡單的羅列，有難以用用解析的方法綜合，因而必須給予恰當(dāng)?shù)慕M織，并能自動地進(jìn)行推理，人工智能中的專家技術(shù)恰恰為這種經(jīng)驗知識的表示和處理提供了有效辦法。

　　人工智能領(lǐng)域中發(fā)展起來的專家系統(tǒng)是一種基于知識的、智能的計算機(jī)程序系統(tǒng)。

　?。?） 專家系統(tǒng)的兩個要素

　　知識庫：存儲有某個專門領(lǐng)域中事先總結(jié)的按某種格式表示的專家水平的知識條目。

　　推理機(jī)制：按照類似專家水平的問題求解方法，調(diào)用知識庫中的條目進(jìn)行推理、判斷和決策。

　　專家系統(tǒng)的知識庫和推理機(jī)制在組織結(jié)構(gòu)上分離建造，而在運(yùn)行過程中又相互作用，這使得系統(tǒng)具有較大的靈活性：知識的增刪、修正和更新獨(dú)立于推理機(jī)制，具有很好的透明性—推理的結(jié)論和根據(jù)可以與系統(tǒng)外部交互。

　　總之，專家系統(tǒng)將專門領(lǐng)域的問題求解思路、經(jīng)驗、方式組織成一個實際運(yùn)行的形式系統(tǒng)，表現(xiàn)出一種擬人的智能性，它與傳統(tǒng)的自動控制理論和方法的結(jié)合，形成了專家控制的基本思想。

　　將專家系統(tǒng)技術(shù)引入控制領(lǐng)域，首先必須把控制系統(tǒng)看成一個基于知識的系統(tǒng)，而作為系統(tǒng)的核心部件的控制器則要體現(xiàn)知識推理的機(jī)制和結(jié)構(gòu)。

　　知識庫內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)可采用人工智能中知識表示的合適方法，其中，一部分知識可稱為數(shù)據(jù)，例如事實（先驗知識）、證據(jù)（動態(tài)信息）、假設(shè)（由事實、證據(jù)推得的中間狀態(tài)）和目標(biāo)（離線設(shè)定的或在線建立的性能指標(biāo)）、數(shù)據(jù)組織在一起，形成數(shù)據(jù)庫。另一部分知識可稱為規(guī)則，即定性的推理知識，它們往往表示為產(chǎn)生式規(guī)則，組成知識庫，在專家控制中，定量知識，即各種有關(guān)的解析算法，一般都獨(dú)立編碼，按常規(guī)的程序設(shè)計方法組織。

　　推理機(jī)制的基本功能在于按某種策略選用推理規(guī)則，對于專家控制，同樣可采用人工智能中的前向推理或后向推理策略。

　　一種典型的專家控制系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)如圖1所示：

#p#分頁標(biāo)題#e#

　　（2） 專家控制的兩個特點(diǎn)

　　定量知識和定性知識分離構(gòu)造。數(shù)值算法直接與受控對象或過程相連，以便得到快速的控制響應(yīng)。知識系統(tǒng)處于較高的智能層次，實現(xiàn)以智能啟發(fā)式邏輯推理為主的控制功能。

　　知識庫系統(tǒng)。數(shù)值算法和人—機(jī)通訊三個子過程并發(fā)運(yùn)行，其中，用戶通過人—機(jī)接口可以直接地與知識庫系統(tǒng)，進(jìn)而間接的與數(shù)值算法交互，以便操作人員對于控制系統(tǒng)進(jìn)行離線的修改或在線的監(jiān)督、干預(yù)。

　　2.2 專家控制的目標(biāo)與實現(xiàn)

　　專家控制系統(tǒng)≠專家系統(tǒng)

　　專家系統(tǒng)的理想目標(biāo)是要實現(xiàn)這樣一個控制器或控制系統(tǒng)：

　?。?） 滿足復(fù)雜動態(tài)過程的控制需要，例如任何時變的、非線性的，受到各種干擾的控制過程;

　?。?） 控制系統(tǒng)的運(yùn)行可以利用一些經(jīng)驗知識，而且只需要一些最少量的經(jīng)驗知識;

　　（3） 有關(guān)受控過程的知識可以不斷的增加、積累，據(jù)以改進(jìn)控制性能;

　?。?） 潛在的控制知識以透明的方式存放，易于修改和擴(kuò)充;

　?。?） 用戶可以對控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行定性的說明，例如“速度可能快”、“超調(diào)要小”等;

　?。?）用戶可以訪問系統(tǒng)的內(nèi)部信息，進(jìn)行交互，例如受控過程的動態(tài)特性、控制性能的統(tǒng)計分析、限制控制性能等因素，以及對當(dāng)前采用的控制作用的解釋等等。

　　專家控制的上述目標(biāo)可以看作是一種比較含糊的功能定義，它們覆蓋了傳統(tǒng)控制在一定程度上可以達(dá)到的功能，但又超過了傳統(tǒng)控制技術(shù)。作一個形象的比喻，專家控制是試圖在控制閉環(huán)中加入一個有經(jīng)驗的工程師，系統(tǒng)能為他提供一個“控制工具箱”，即可對控制、辯識、測量、監(jiān)視等各種算法選擇自便，調(diào)節(jié)自如。因此，專家控制實質(zhì)上是對一個“控制專家”的思路、經(jīng)驗、策略的模擬、延伸、擴(kuò)展。#p#分頁標(biāo)題#e#

3 基于plc的專家控制系統(tǒng)開發(fā)工具

　　3.1 現(xiàn)代plc技術(shù)的發(fā)展

　　可編程序控制器問世以來，經(jīng)過近30年的發(fā)展，產(chǎn)品已經(jīng)發(fā)展到第四代。其技術(shù)日臻完善，應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)展。目前，為了適合大中小企業(yè)的不同需要，進(jìn)一步擴(kuò)大plc在工業(yè)自動化領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，plc正朝著以下兩個方向發(fā)展：其一是低檔plc向小型、簡易、廉價的方向發(fā)展，使之能更加廣泛地取代繼電器控制;其二是中、高檔plc向大型、高速、多功能方向發(fā)展，使之能取代工業(yè)控制微機(jī)的部分功能，對大規(guī)模、復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行綜合性的自動控制。

　　3.2 基于plc的專家控制系統(tǒng)開發(fā)工具

　　“基于plc的專家控制系統(tǒng)開發(fā)工具”（ecstv2.2）所開發(fā)出的專家控制系統(tǒng)是用于工業(yè)實時控制，它是專家控制與常規(guī)控制的集成，即專家控制的控制策略通過常規(guī)的控制機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)，從而到達(dá)智能控制與常規(guī)控制相結(jié)合。paradym-31是世界著名工控廠家wizdom公司的paradym-3（p31）工作平臺，它有硬件和軟件兩部分組成，軟件部分是基于windows操作系統(tǒng)逼供內(nèi)具備圖形化開發(fā)環(huán)境的工作平臺，在圖形化的編程界面下，用戶可以在其中制作和調(diào)試自己的應(yīng)用程序（如梯形圖、順控圖、功能模塊圖），編譯過的應(yīng)用程序可下載到硬件部分進(jìn)行工作;硬件部分擁有獨(dú)立的cpu模塊，具備實時的控制器內(nèi)核。同時，通用的通訊端口可方便地與外部設(shè)備進(jìn)行rs232、modbus、及以太網(wǎng)通訊。因此，p31可通過該通訊端口進(jìn)行監(jiān)視、暫停、開始、更改某一變量數(shù)值等操作，從而達(dá)到可視化的控制被控對象的目的。

（1） “基于plc的專家控制系統(tǒng)開發(fā)工具”結(jié)構(gòu)圖

　　“基于plc的專家控制系統(tǒng)開發(fā)工具”結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。與其它開發(fā)工具相比，“基于plc的專家控制系統(tǒng)開發(fā)工具”的不同之處是：在主窗口處增加了“導(dǎo)入專家控制器”;在編輯子窗口處，“設(shè)計專家系統(tǒng)”菜單下的內(nèi)容又有所變化，該菜單下各項子菜單的作用如下：“創(chuàng)建專家系統(tǒng)控制器”是創(chuàng)建一個新的專家系統(tǒng)控制器，“導(dǎo)出專家系統(tǒng)控制器”是把創(chuàng)建好的專家系統(tǒng)控制器打開在“多頁編輯窗口”。在“創(chuàng)建專家系統(tǒng)控制器”中，“創(chuàng)建功能塊對話框”為用戶提供了創(chuàng)建輸入輸出變量以及內(nèi)部變量的接口，該窗口為用戶產(chǎn)生了一個空的專家系統(tǒng)，具體實現(xiàn)要在“多頁編輯窗口中”添加。

　　“多頁編輯窗口中”共有五項，它們分別是“專家控制頭文件”、“專家控制模塊”、“控制算法集”、“動態(tài)數(shù)據(jù)庫”、“知識庫”。其中，需要說明的是“專家控制頭文件”是由“創(chuàng)建功能塊對話框”產(chǎn)生的，在一般情況下，無須添加和修改。“存儲專家控制器到p31”是把編輯或修改后的內(nèi)容作為p31常規(guī)控制的一部分保存起來。#p#分頁標(biāo)題#e#

　?。?） 基于plc的專家控制器的產(chǎn)生過程

　　圖3講述了基于plc的專家控制器的產(chǎn)生過程，該過程有以下幾個步驟：

　　圖 3 基于plc的專家控制器的產(chǎn)生過程

　　首先，利用“基于plc的專家控制系統(tǒng)開發(fā)工具”產(chǎn)生一個專家系統(tǒng);

　　其次，通過相應(yīng)常規(guī)控制的開發(fā)平臺嵌入到常規(guī)plc控制中，與常規(guī)控制的其它模塊一起構(gòu)成了專家控制器;

　　然后，下載專家控制器的程序（梯形圖）到常規(guī)plc控制設(shè)備中，就能夠完成對一實際被控對象的控制任務(wù)。如圖4所示：

4 結(jié)束語

　　本文所介紹的基于plc的專家控制系統(tǒng)開發(fā)工具ecst具有專家控制系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境，靈活的知識表示和正向、反向的推理方法，可以與常規(guī)控制相結(jié)合，構(gòu)成實時專家控制系統(tǒng)。但是，與其它新技術(shù)一樣，專家控制所要求的目標(biāo)既難于全面實現(xiàn)，也難于一步到位，它仍需進(jìn)一步地完善。