Интеллектуальные системы управления

ТЕМА 13.

Новое поколение систем — интеллектуальные системы (ИС) — вызвало к жизни другие принципы организации компонентов систем, появились иные понятия, термины, блоки, не встречавшиеся ранее в разработках и, следовательно, в научной литературе.

Интеллектуальные системы способны синтезировать цель, принимать решение к действию, обеспечивать действие для достижения цели, прогнозировать значения параметров результата действия и сопоставлять их с реальными, образуя обратную связь, корректировать цель или управление

На рисунке 13.1 приведена структурная схема ИС, где выделены два крупных блока системы: синтез цели и ее реализация.

В первом блоке на основе активного оценивания информации, полученной от системы датчиков, при наличии мотивации и знаний синтезируется цель и принимается решение к действию. Активное оценивание информации осуществляется под воздействием пусковых сигналов. Изменчивость окружающей среды и собственного состояния системы может приводить к потребности в чем-либо (мотивации), а при наличии знаний может быть синтезирована цель.

Под целью понимается идеальное, мысленное предвосхищение результата деятельности. Продолжая активно оценивать информацию об окружающей среде и собственном состоянии системы, в том числе объекта управления, при сопоставлении вариантов достижения цели можно принять решение к действию.

Далее, во втором блоке динамическая экспертная система (ДЭС) на основании текущих сведений об окружающей среде и собственном состоянии ИС при наличии цели и знаний осуществляет экспертную оценку, принимает решение об управлении, прогнозирует результаты действия и вырабатывает управление.

Представленное в кодированном виде управление преобразуется в физический сигнал и поступает на исполнительные устройства.

Объект управления, получая сигнал от исполнительных устройств, осуществляет то или иное действие, результаты которого, представленные в виде параметров, по цепи обратной связи 2 поступают в ДЭС, где сравниваются с прогнозированными. Одновременно параметры результата действия, интерпретированные в соответствии со свойствами цели и поступающие в блок I, могут использоваться для эмоциональной оценки достигнутого результата: например, цель достигнута, но результат не нравится.

Если цель достигается по всем параметрам, то управление подкрепляется. В противном случае происходит коррекция управления. Когда же цель недостижима, то корректируется цель.

Следует заметить, что при внезапных изменениях состояния окружающей среды, или объекта управления, или системы в целом возможен синтез новой цели и организация ее достижения.

Структура ИС наряду с новыми элементами содержит традиционные элементы и связи, центральное место в ней занимает динамическая экспертная система.

Блок 1 — синтез цели           Блок II — реализация цели

                      Рисунок 13.1 – Структурная схема ИС

Формально ИС описывается следующими шестью выражениями:

TXS МТ;

TMS СТ;

CTS  RT;

ТХ = {AT}XT + {BT}UT;

TY = {DT} XT;

TRY СТ,

где Т — множество моментов времени;

X, S, M, C, R и Y — множества состояний системы, окружающей среды, мотивации, цели, прогнозируемого и реального ре­зультата;

А, В и D — матрицы параметров;

,  — интеллектуальные операто­ры преобразования, использующие знания.

В этом описании сочетаются представления объектов системы в виде множества значений, либо множества высказываний, либо каких-то других форм.

Динамические свойства ИС могут быть описаны в пространстве состояний. Интеллектуальные операторы, реализующие восприятие, представление, формирование понятия, суждения и умозаключения в процессе познания, являются формальным средством обработки сведений и знаний, а также принятия решения. Все эти аспекты должны быть положены в основу построения ДЭС, функционирующих в реальном времени и реальном мире.

Динамическая экспертная система есть некоторое комплексное образование, способное оценивать состояние системы и среды, сопоставлять параметры желаемого и реального результатов действия, принимать решение и вырабатывать управление, способствующее достижению цели. Для этого ДЭС должна обладать запасом знаний и располагать методами решения задач. Знания, передаваемые экспертной системе, можно разделить на три категории:

1) концептуальное (на уровне понятий) знание — это знание, воплощенное в словах человеческой речи или, конкретнее, — в научно-технических терминах и, естественно, в стоящих за этими терминами классах и свойствах объектов окружающей среды. Сюда же входят связи, отношения и зависимости между понятиями и их свойствами, причем связи абстрактные, также выраженные словами и терминами. Концептуальное знание — это сфера, главным образом, фундаментальных наук, если учитывать, что понятие есть высший продукт высшего продукта материи — мозга;

2)  фактуальное, предметное знание — это совокупность сведений о качественных и количественных характеристиках конкретных объектов. Именно с этой категорией знания связываются термины «информация» и «данные», хотя такое употребление этих терминов несколько принижает их значение. Любое знание несет информацию и может быть представлено в виде данных; фактуальное знание — это то, с чем всегда имели дело вычислительные машины и с чем они больше всего имеют дело до сих пор. Современную форму накопления данных принято называть базами данных. Конечно, для организации баз данных, для поиска в них нужной информации надо опираться на концептуальное знание;

3) алгоритмическое, процедурное знание — это то, что принято называть словами «умение», «технология» и др. В вычислительном деле алгоритмическое знание реализуется в виде алгоритмов, программ и подпрограмм, но не всяких, а таких, которые могут передаваться из рук в руки и использоваться без участия авторов. Такая реализация алгоритмического знания называется программным продуктом. Наиболее распространенные формы программного продукта — пакеты прикладных программ, программные системы и другие, ориентированные на конкретную область применения ДЭС. Организация и использование пакетов прикладных программ базируется на концептуальном знании.

Ясно, что концептуальное знание является более высокой, определяющей категорией знания, хотя, с точки зрения практики, другие категории могут казаться более важными.

Именно поэтому, вероятно, концептуальное знание редко воплощается в форме, доступной для обработки на вычислительных машинах. А если воплощается, то чаще всего неполно и односторонне. Носителем концептуального знания остается в большинстве случаев человек. Это тормозит автоматизацию многих процессов.

Представления концептуального знания, а точнее, системы, реализующие все три категории знания, но выделяющие концептуальное знание на первый план и работающие на основе его интенсивного использования, называются базами знаний.

Создание и широкое применение баз знаний в ИС — одна из актуальнейших задач. Концептуальную часть базы знаний будем называть моделью предметной области, алгоритмическую часть — программной системой, а фактуальную часть — базой данных.

Следующая функция ДЭС — решение задач. Задача может быть решена машиной только в том случае, если она формально поставлена — если для нее написана формальная спецификация. Последняя должна опираться на некоторую базу знаний. Модель предметной области описывает общую обстановку, в которой возникла задача, а спецификация — содержание задачи. В совокупности они позволяют установить, какие абстрактные связи и зависимости, в каких сочетаниях и в какой последовательности должны быть использованы для решения задачи.

Прикладные программы представляют собой конкретные средства, стоящие за этими зависимостями, а также содержат алгоритмы для решения возникающих при этом уравнений. Наконец, база данных поставляет все исходные данные или часть их для выполнения этих алгоритмов, недостающие данные должны содержаться в спецификации.

Этим трем частям баз знаний соответствуют три этапа решения задачи:

1) построение абстрактной программы решения (включая возникновение задачи, ее постановку и спецификацию);

2) перевод задачи на подходящий машинный язык;

3) трансляция и выполнение программы.

Построение абстрактной программы связано с представлением и обработкой концептуального знания в ИС и по определению является достоянием искусственного интеллекта.

Искусственный интеллект связывают с обработкой текстов, устных сообщений на естественном языке, с анализом и обработкой информации (распознавание всех видов изображений, доказательство теорем, логический вывод и т.д.).

Функциями ДЭС являются также оценка результатов решения задачи, формирование параметров будущего результата действия, принятие решения об управлении, выработка управления и сличение параметров желаемого и реального результатов. Здесь предусматривается моделирование процессов для оценки возможных последствий и корректности решения задачи.

Отметим, что в реальных случаях существует проблема описания исследуемых объектов. Такое описание неправомерно считать частью спецификации задачи, поскольку относительно одного объекта ставится, как правило, много задач, что, естественно, требуется учитывать при формировании базы знаний. Кроме того, может оказаться, что возникшую задачу не решить до конца автоматически, например, из-за неполноты спецификации или описания объекта.

Поэтому в ИС целесообразен на определенных стадиях интерактивный режим работы с ДЭС. Надо помнить, что модель предметной области описывает общую обстановку (знание), а спецификация — содержание задачи. Очень важными проблемами являются создание единой программной среды и синтез алгоритмов непосредственно по постановке задачи.

В зависимости от цели, которая стоит перед ИС, база знаний, алгоритмы решения задачи, принятия решения, выработки управления могут, естественно, иметь различное представление, зависящее, в свою очередь, от характера решения задач. Соответственно этому можно видеть три типа ДЭС.  Структура ДЭС первого типа приведена на рисунке 13.2.

Рисунок 13.2 – Структура ДЭС первого типа

Здесь предполагается, что концептуальные и фактуальные знания точно отражают процессы и сведения, относящиеся к некоторой предметной области.

Тогда решение задачи, возникающей в этой области, будет получено на основе строгих математических методов, в соответствии с постановкой и спецификацией. Результаты исследования решения и прогноз используются для получения экспертной оценки и принятия решения о необходимости управления. Затем на основе подходящего алгоритма управления, имеющегося в базе знаний, формируется управляющее воздействие.

Эффективность и непротиворечивость этого воздействия, прежде чем оно поступит на объект управления, оценивается с помощью имитационной математической модели. Оценка должна выполняться быстрее реальных процессов в ИС.

Однако ДЭС, реализующие принятие решения, представляют собой сложные программные комплексы, предназначенные для автоматического принятия решения или для помощи лицам, принимающим решения, и при оперативном управлении сложными системами и процессами, как правило, работают в условиях жестких временных ограничений.

В отличие от ДЭС первого типа, предназначенных для поиска оптимального решения и базирующихся на строгих математических методах и моделях оптимизации, ДЭС второго типа в основном ориентированы на решение трудно формализуемых задач в отсутствие полной и достоверной информации (рис. 13.3). Здесь используются экспертные модели, построенные на основе знаний экспертов — специалистов в данной проблемной области, и эвристические методы поиска решения.

Одной из основных проблем при проектировании ДЭС второго типа является выбор формального аппарата для описания процессов принятия решений и построение на его основе модели принятия решений, адекватной проблемной области (семантически корректной). В качестве такого аппарата обычно используют продукционные системы. Однако основные исследования ведутся в контексте алгоритмической (детерминированной) трактовки продукционной системы с присущей ей последовательной схемой поиска решения.

Получающиеся в результате модели зачастую неадекватны реальным проблемным областям, характеризующимся недетерминизмом процесса поиска решения. Выход из такого положения — параллелизм при поиске.

Реально следует ориентироваться на объединение ДЭС первого и второго типа в расчетно-логическую ДЭС третьего типа, где база знаний сочетает описание в виде строгих математических формул с информацией экспертов, а также соответственно — математические методы поиска решения с нестрогими эвристическими методами, причем вес того или другого компонента определяется возможностью адекватного описания предметной области и способом отыскания решения (рис. 13.4).

Рисунок 13.3 – Структура ДЭС второго уровня

При разработке ДЭС возникают следующие проблемы:

определение состава базы знаний и ее формирование;

разработка новых и использование известных теорий и методов для описания информационных процессов в ИС;

разработка способов представления и организации использования знаний;

разработка алгоритмов и программного обеспечения с распараллеливанием и использованием «гибкой логики»;

отыскание подходящих вычислительных сред для реализации параллельных алгоритмов при формировании ДЭС.

Рисунок 13.4 – Структура ДЭС третьего уровня

Наряду с изложенным важно отметить, что ДЭС должны обладать свойством адаптации к динамической проблемной области, способностью ввода новых элементов и связей в описание ситуаций, изменения правил и стратегии функционирования объектов в процессе принятия решения и выработки управления, работы с неполной, нечеткой и противоречивой информацией и т.д.

Динамические экспертные системы функционируют в составе ИС, имеющих обратные связи, и поэтому важно обеспечить устойчивую работу таких ИС.

С традиционных позиций можно считать, что длительность реакции ДЭС на входные воздействия, т.е. время, затрачиваемое на обработку входной информации и выработку управляющего воздействия, есть чистое запаздывание. На основе частотного анализа можно оценить изменение фазовых свойств системы и тем самым определить запас устойчивости. При необходимости можно произвести коррекцию системы посредством фильтров.

Однако с точки зрения классической теории управления ИС являются многообъектными многосвязными системами, анализ устойчивости которых обычными способами весьма затруднителен.

В настоящее время теория робастного управления (-теория управления, -управление) является одной из интенсивно развивающихся ветвей теории управления. Сравнительно молодая (первые работы появились в начале 80-х гг.), она возникла из насущных практических проблем синтеза многомерных линейных систем управления, функционирующих в условиях различного рода возмущений и изменения параметров.

Можно подойти к проблеме проектирования управления реальным сложным объектом, функционирующим в условиях неопределенности, другим образом: не пытаться использовать один тип управления — адаптивный или робастный. Очевидно, следует выбирать тот тип, который соответствует состоянию окружающей среды и системы, определенному по имеющейся в распоряжении системы информации. Если же в процессе функционирования системы можно организовать получение информации, целесообразно использовать ее в процессе управления.

Но реализация такого комбинированного управления до недавнего времени наталкивалась на непреодолимые трудности при определении алгоритма выбора типа управления. Достигнутые в разработке проблем искусственного интеллекта успехи делают возможным синтез такого алгоритма.

Действительно, поставим задачу: спроектировать систему, использующую адаптивное и робастное управление и осуществляющую выбор типа управления на основе методов искусственного интеллекта. Для этого рассмотрим особенности обоих типов и, учитывая их специфические качества, определим, как можно построить систему комбинированного управления.

Одним из основных понятий в теории робастного управления является понятие неопределенности. Неопределенность объекта отражает неточность модели объекта, причем как параметрическую, так и структурную.

Рассмотрим подробнее формы задания неопределенности в робастной теории управления с помощью простой системы — с одним входом и одним выходом (рисунок13.5).

Сигналы имеют следующую интерпретацию: r — задающий входной сигнал; u — входной сигнал (вход) объекта; d — внешнее возмущение; у — выходной сигнал (выход) объекта, измеряемый.

Рисунок 13.5 – Система с одним входом и одним выходом

В -теории управления неопределенность удобно задавать в частотной области. Предположим, что передаточная функциянормального объекта Р, и рассмотрим возмущенный объект, передаточная функция которого,

 где  W – фиксированная передаточная функция (весовая функция);

–произ­вольная устойчивая передаточная функция, удовлетворяющая неравенству  .

Такое возмущение  будем называть допустимым. Ниже приведем некоторые вари­анты моделей неопределенности:

Соответствующие предположения должны быть сделаны для величин  и W в каждом случае.

Неопределенность входных сигналов d отражает различную природу внешних возмущений, действующих на объект и регулятор. Неопределенный объект, таким образом, может рассматриваться как некое множество объектов.

Выберем некую характеристику систем с обратной связью, например устойчивость. Регулятор С является робастным относительно этой характеристики, если ею обладает любой из множества объектов, задаваемых неопределенностью.

Таким образом, понятие робастности подразумевает наличие регулятора, множества объектов и фиксацию определенной характеристики системы.

В этой работе мы не будем затрагивать всего множества задач, решаемых в рамках теории управления. Коснемся лишь задачи минимальной чувствительности: построения такого регулятора С, который стабилизирует замкнутую систему и минимизирует влияние внешних возмущений на выход у, иначе говоря, минимизирует норму матрицы передаточных функций от внешних возмущений к выходу у.

Одной из особенностей решения этой, да и всего множества задач робастного управления является тот факт, что мы заранее в процессе проектирования регулятора закладываем ограничения на входные воздействия и неопределенность объекта в виде неравенств .

В процессе функционирования робастной системы информация о неопределенностях в системе не используется для управления.

Естественно, это приводит к тому, что робастные системы консервативны и качество переходных процессов порой не удовлетворяет разработчиков этих систем.

Подобно робастной адаптивная система управления строится для объектов, информация о которых или о воздействиях на которые недоступна в начале функционирования системы. Чаще всего свойство адаптации достигается посредством формирования в явном или неявном виде математической модели объекта или входного воздействия.

Этим отличается как поисковое адаптивное управление, в основе которого поиск и удержание экстремума показателя качества управления, так и беспоисковое, в основе которого компенсация отклонения фактических изменений управляемых координат от желаемых изменений, соответствующих требуемому уровню показателя качества. Далее по уточненной модели происходит подстройка адаптивного регулятора.

Таким образом, основная особенность адаптивных систем управления – возможность получения информации в процессе функционирования и использования этой информации для управления.

Более того, в адаптивных системах всегда используется априорная информация о неопределенности в системе. Это принципиальное отличие адаптивного подхода от робастного.

Рассмотрим простейшую адаптивную систему управления, обеспечивающую отслеживания входного сигнала в присутствии помехи на входе объекта (рисунок 13.6).

Рисунок. 13.6–Адаптивная система управления

Формальное отличие от схемы на рисунке 13.5 — блок адаптации А, который на основании выходного сигнала объекта и сигнала, характеризующего заданное качество, вырабатывает сигнал подстройки коэффициентов адаптивного регулятора.

Имея в виду недостатки каждого из регуляторов, целесообразно попытаться использовать их достоинства, предложив комбинированную схему управления объектом. Адаптивная система при помощи блока адаптации вырабатывает некоторую информацию о состоянии внешней среды. В частности, в рассматриваемом случае можно получить информацию о внешнем возмущении d. Алгоритм управления Са соответствует текущему состоянию внешней среды, согласно заложенному в блоке адаптации критерию. Но адаптивная система требует, чтобы входной сигнал rимел достаточно широкий частотный диапазон, и накладывает жесткие ограничения на значение и частотный спектр сигнала внешнего возмущения d. Поэтому адаптивные системы могут работать только в узких диапазонах входного сигнала rи внешнего возмущения d. Вне этих диапазонов адаптивная система имеет низкое качество управления и может даже потерять устойчивость.

Рассмотренные выше свойства робастного и адаптивного управления приводят к заключению, что в процессе функционирования системы в одних случаях выгодно использовать робастное управление, в других — адаптивное, т.е. иметь возможность комбинировать управление в зависимости от состояния внешней среды.

Комбинированное управление. Основной вопрос при проектировании систем комбинированного управления заключается в том, каким образом, на основании каких знаний (информации) осуществлять выбор того или иного типа управления.

Наиболее широкие возможности для этого представляют методы искусственного интеллекта. Их преимущество по сравнению с простыми переключающими алгоритмами состоит в использовании широкого спектра данных и знаний для формирования алгоритма выбора типа управления.

Если формально объединить схемы, приведенные на рисунках 13.5, 13.6, то получим схему комбинированного управления (рисунок 13.7).

Как видно из рисунка, сигнал управления и должен переключаться с робастного регулятора на адаптивный и наоборот — по мере изменения окружающей среды в процессе функционирования системы. Используя методы теории интеллектуальных систем, можно обеспечить переход с одного типа управления на другой в зависимости от условий работы системы.

Рисунок 13.6 – Схема комбинированного управления

Рассмотрим сначала, какую информацию можно использовать для работы интеллектуального блока системы. Как известно, системы с одним входом и одним выходом хорошо описываются в частотной области. Поэтому естественно использовать частотные характеристики для организации процесса принятия решений при выборе типа управления.

Как указывалось выше, частотная характеристика системы с робастным управлением соответствует наихудшему сочетанию параметров в области неопределенности. Поэтому робастное управление можно принять за одну из границ выбираемого управления.

Другая граница определяется возможностями исследуемой системы (быстродействие привода, энерговооруженность и т.д.). Между этими двумя границами находится область, где разумно использовать адаптивное управление.

Рисунок 13.7 – Схема комбинированного управления

Так как адаптивный алгоритм чувствителен к начальному этапу функционирования системы, то на этом этапе целесообразно использовать робастное управление, которое достаточно нечувствительно к скорости изменения внешней помехи. Но его недостатком является большая длительность переходных процессов и большие допустимые значения выходной координаты при действии помехи.

По истечении некоторого времени робастное управление имеет смысл переключить на адаптивное.

Адаптивное управление позволяет более точно отследить входной сигнал при наличии информации о помехе. Адаптивное управление требовательно к богатству спектра входного сигнала, и, например, при медленно меняющихся сигналах возможны срывы процессов адаптации или сильное их замедление. В такой ситуации необходимо снова переходить на робастное управление, гарантирующее устойчивость работы системы.

Из вышеизложенного следует, что для функционирования системы необходимо иметь информацию о частотном спектре полезного сигнала помехи и об отношении сигнал/шум.

Кроме того, требуется предварительная информация о частотном спектре, на котором работает адаптивная система, и о частных характеристиках объекта управления на границах области неопределенности. Из этой информации можно сформировать базу данных, в которую информация, индивидуальная для каждого класса объектов, заносится заранее. Информация о частотном спектре полезного сигнала, помех и об отношении сигнал/шум поступает в базу данных по мере функционирования системы и постоянно обновляется.

Содержимое базы данных может быть использовано в базе знаний, которая формируется в виде правил. В зависимости от конкретных свойств системы можно установить переключения двух типов управления. Требуемые правила формируются в одной из логических систем, подходящей для рассматриваемого случая.

Имея базы данных и знаний, можно разработать механизм принятия решений, который будет обеспечивать правильный выбор типа управления в зависимости от условий функционирования системы.

Рисунок 13.8 – Структурная схема системы с интеллектуальным блоком (ИБ)

Интеллектуальная часть системы работает дискретно, на заданных интервалах времени. На рисунке 13.8 приведена структурная схема системы с интеллектуальным блоком ИБ, обеспечивающим выбор типа управления.

На вход блока поступают сигнал rи измеряемый, выходной сигнал объекта у. В блоке предварительной обработки информации БПОИ по временным характеристикам сигналов r(t), y(t) определяются частотные характеристики входного сигнала r(w) и внешнего возмущения d(w), взаимное расположение спектров r(w) и d(w) и характерные значения отношения сигнал/шумr(w)/d(w). Вся эта информация поступает в базу данных БД. Блок принятия решения БПР, используя сформированную базу знаний БЗ и данные БД, вырабатывает решение, в соответствии с которым включается один из типов управления. На следующем интервале процесс повторяется с использованием новых данных.