77539

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

Изменения во внешней среде влияют не только на сам МО но и на выбор требований к цели и качеству управления и как следствие на характер желаемых траекторий движения рабочих органов. Современные МО должны обладать возможностями выполнения функций принятия решений и управления близкими к интеллектуальным функциям человека а по скорости получения решений существенно превышать возможности человека. Эти функции реализуются с помощью современных средств вычислительной техники в интеллектуальных системах управления ИСУ.

Русский

2015-02-02

66 KB

57 чел.

Лекция  

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Мехатронные системы, создаваемые в различных областях техники, способны не только удовлетворять традиционным требованиям по таким категориям качества, как быстродействие, точность, надежность и пр., но и обладать новыми свойствами. К таким свойствам относится способность перестраиваться  при изменяющихся технологических условиях, адаптироваться к ставящимся целям, учитывать текущее состояние окружающей среды и самих мехатронных объектов (МО), т.е. решать трудноформализуемые и даже неформализуемые задачи. Изменения во внешней среде влияют не только на сам МО, но и на выбор требований к цели и качеству управления и, как следствие, на характер желаемых траекторий движения рабочих органов. В свою очередь выбор альтернативы поведения в зависимости от условий внешней среды чрезвычайно сложен и, как правило, трудно представим с помощью корректных математических выражений.

В связи с этим в последнее время бурно развивается подход, связанный с концепцией качественного отражения внешнего мира и состояний МО с помощью искусственного интеллекта. Современные МО должны обладать возможностями выполнения функций принятия решений и управления, близкими к интеллектуальным функциям человека, а по скорости получения решений существенно превышать возможности человека. Эти функции реализуются с помощью современных средств вычислительной техники в интеллектуальных системах управления (ИСУ).

Построение управления как осмысленного потока информации требует использования БД, если контекст и отношения сообщений постоянны и могут быть заданы конечным набором записей, и БЗ, если семантика информации достаточно сложна, контекст переменен, цель корректируется в процессе управления. Это, как минимум, требует реструктуризации внутренних связей базы данных при акте обработки информационного потока. Указанное требование реструктуризации, обеспечивающее практическую возможность активного (актуализированного) отношения к информации, является отличительным моментом возникновения интеллектуального управления.

  1.  Среди перспективных методов ИУ  в мире признан метод нечеткого управления, управления посредством динамических ЭС и нейронных сетей, используемых в широком спектре МО.

Выявлены три особенности ИУ [Прикладные нечеткие системы…2]. Первая заключается в том, что такое управление является логическим, реализуя условные высказывания типа «если…то». Логике управления эксперта поставлено в соответствие некоторое действие.  Это дало возможность использовать более полную информацию в отличие от классической теории управления, изменять режимы управления в зависимости от времени и значений параметров, в том числе при нештатных ситуациях.

 Вторая особенность – параллельное управление. В отличие от традиционных классических методов управления, в которых обобщенное правило управления представляется с помощью одной формулы, здесь используется большое число частных правил, каждое из которых действует в локальной области информационного пространства. Для каждой регулируемой величины создаются свои правила управления. Отпадает необходимость в целевых функциях и в соответствующих решениях задач оптимального управления. Такое управление справляется с многообразием ставящихся целей, в том числе, с взаимно противоречащими целями.

 Третья особенность – возможность организации управления в виде диалога с оператором. При этом оператор легко понимает действия регулятора и за счет обучения может улучшать способности ИСУ.

 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ

Отличительной особенностью интеллектуальности в управлении МО является возможность системной обработки знаний и принятия решений на базе таких информационных технологий как технологии ЭС, нечеткой логики,  нечетких множеств и нейронных сетей.  ИУ является кардинальным подходом к экспертному построению алгоритмов функционирования МО, выработке стратегии, тактики действий и формированию управляющих воздействий.

Теория ИУ опирается на системный подход в том смысле, что она, ориентируясь на системную, а не на описательную сложность, рассматривает ОУ во внешнем мире и признает существование внутренней целевой установки на уровне поддержания стабильности своего существования и достижения целей. 

Главная  идея ИУ техническими системами – синтез и реализация процедур управления объектами, в том числе, алгоритмов функционирования, стратегии и тактики действий, формирования управляющих воздействий,  на основе анализа внешних ситуаций и состояний объектов с использованием информационных технологий и механизмов обработки знаний.

ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Ниже приведены определения ряда понятий теории интеллектуального управления МО, согласующиеся с классической теорией автоматического управления.

Объект интеллектуального управления  (ОИУ) – устройство, осуществляющее двигательные функции, на которое подаются управляющие воздействия, синтезируемое интеллектуальной подсистемой.

Устройство интеллектуального управления (УИУ) – устройство с функциями искусственного интеллекта, формирующее управляющие воздействия.

Интеллектуальный управляемый объект (ИУО) - МО, в котором ОИУ в совокупности с УИУ представляют единый блок, формируемый целевым назначением МО.

Активные системы – интеллектуальные системы, включенные в УИУ, принимающие решения на основе получаемой информации и собственной БЗ, формирующие альтернативы поведения и соответствующие управляющие воздействия. К таким системам относятся  активные экспертные системы, активные нейронные сети и др., структура которых, по сравнению с обычными, дополнена блоком интерфейса с ОУ.

В последнее время к активным системам прибавились так называемые открытые системы. Это системы, способные с течением времени на основании опыта совершенствовать свое поведение за счет функционирования механизмов обучения и самообучения.

Под самообучением понимается накопление знаний, повышение интеллектуальности и совершенствование собственного поведения за счет внутреннего управления в интеллектуальных системах.  

Системам управления МО, в том числе технологического назначения, при изменении складывающейся ситуации часто приходится решать задачи неоднократного назначения текущей цели управления и "осознанную" оценку ее достижимости с учетом сложившихся обстоятельств, а также проверку соответствия запланированной программы движения требуемому качеству. Здесь под текущей целью управления понимается совокупность назначаемых на определенном шаге критериальной базы (совокупности критериев качества) и терминальных условий (конечных условий общей или текущей цели), определяющих ход выполнения процесса и конечное состояние объекта, для которого предназначен этот процесс. Такого рода системы работают не иначе как в непрерывном режиме усвоения и реструктуризации информации. Это говорит о представлении ИСУ как существенно динамической.

Интеллектуальными системами управления (ИСУ) будем называть такие системы автоматического управления, в которых процесс принятия решений и формирование управляющих воздействий осуществляется с использованием механизмов приобретения, обработки и использования информации, понимаемой как “знание”.

СТЕПЕНИ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОСТИ

ИСУ могут иметь различную степень интеллектуальности: в малом, большом и в целом.  Под степенью интеллектуальности можно подразумевать включение в ИСУ различных средств борьбы с недоопределенностью либо самого ОУ, либо его поведения в изменяющемся динамическом внешнем мире.

ИСУ, обладающими свойством "интеллектуальности в малом", используют при функционировании механизмы принятия решений на базе имеющихся знаний как средства преодоления неопределенности входной информации, модели УО или его поведения. Они ориентированы лишь на обработку знаний с целью поиска решения задачи управления рабочими органами.

ИСУ, обладающие свойством "интеллектуальности в большом", должны иметь еще возможности выполнения функций самоорганизации (самоперестройки по результатам обучения), обучения, прогнозирования и адаптации к изменяющимся условиям.

ИСУ с “интеллектуальностью в целом” включает систему оценки ситуаций и принятия стратегических решений.  Такая система при использовании знаний на базе качественных понятий и структурных отношений между ними обеспечивает не только процесс регулирования объекта, но и осуществляет неоднократный выбор терминальных условий и критериальной базы с помощью обобщенной оценки качества движения и достижимости поставленной цели. Эти условия и совокупность критериев определяют текущую цель управления, а также соответственно реконфигурацию способа регулирования и программы действий, исходя из заданной высшей цели функционирования системы.

Это представление предполагает наличие ряда кибернетически полезных свойств:

  •  направленность действий, связанных с контролем выполнения поставленной задачи и поиском компромисса между заданными требованиями и изменившимися условиями;
  •  кардинальное расширение воспринимаемого потока информации за счет оценки состояния внешней среды и последующее сокращение его избыточности при классификации и обобщении;
  •  подчиненность друг другу задач регулирования, планирования действий и выбора стратегии поведения в виде параллельно действующих обратных связей;
  •  использование в трудноформализуемых задачах целесообразных процедур интеллектуального типа, учитывающих ограниченные ресурсы на принятие решений.

2.6.2. Принципы организации интеллектуальных систем управления

В целом структура ИСУ, обладающая свойством интеллектуальности в целом, отвечает следующим принципам организации интеллектуальных управляющих структур УО:

  1.  Полнота интеллектуальных функций путем реализации процедур оценивания поступающей информации, стратегического и координационного и тактического планирования на элементах искусственного интеллекта.
  2.  Расширение воспринимаемого потока информации за счет оценки состояния самого объекта, процесса, результата и внешней среды.
  3.  Интеллектуальность в синтезировании образов состояний системы за счет экспертной оценки, их ранжирования по уровням и обобщения ситуаций.
  4.  Выработка оценки тех факторов, по которым не удается получить данных, формирование предположений на основе опыта.
  5.  Направленность действий, связанных с контролем выполнения поставленной задачи и поиском пути достижения цели.
  6.  Иерархичность в системе принятия решений по планированию и управлению. Подчиненность друг другу задач регулирования, планирования действий и выбора стратегии поведения.
  7.  Открытость систем с целью повышения интеллектуальности и совершенствования качества функционирования. Открытость систем обеспечивается возможностью выполнения таких функций, как самонастройка, самоорганизация и самообучение. Это требует организации в управляющей системе процесса приобретения и пополнения знаний.
  8.  Сохраняемость функционирования (возможно, с некоторой потерей качества или эффективности) при отказах в высших уровнях иерархии управляющей структуры. Чрезвычайно важно сохранение автономного функционирования в рамках более простого (автоматного) поведения системы, характерного для нижних уровней структуры управления.

Приведенный перечень принципов характерен для систем с интеллектуальностью в целом. Для ИСУ с другими степенями интеллектуальности он соответственно ограничивается.

СТРУКТУРА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Иерархическая структура ИСУ, состоит из трех обобщенных уровней (организационного, координационного и исполнительного), упорядоченных в соответствии с неким базовым принципом, считающимся в теории интеллектуальных машин фундаментальным [Захаров, 97…4]. Принцип имеет аббревиатуру IPDI (Increasing Precision with Decreasing Intelligence). Принцип сформулирован Саридисом [Saridis, 1989…8] и означает, что по мере продвижения к высшим уровням иерархической структуры повышается интеллектуальность системы, но снижается ее точность и наоборот. Каждому из уровней (которые, в свою очередь, могут быть многоуровневыми) соответствует специальная  подсистема,  реализующая перечисленные ниже функции, характерные для этого уровня.

Так, например, на верхнем уровне структуры имеется основанная на знаниях организационная подсистема с функциями рассуждения, планирования и принятия решений по организации процесса решения задачи. Промежуточному уровню соответствует основанная на знаниях координационная подсистема, осуществляющая согласование по взаимодействию между верхним и нижним уровнями интеллектуализации, с функциями, направленными на планирование работы нижнего уровня. Самому нижнему уровню, исполнительному система управления аппаратными средствами, решающими сведенную к конкретным алгоритмам поставленную задачу с высокими требованиями к точности и функциями, которые базируются на методах теории автоматического управления. Задачи, решаемые на уровне исполнения, включают в себя выбор подходящего регулятора, удовлетворяющего определенным условиям достижения поставленной цели.

Архитектура МО с ИСУ может быть представлена в виде структуры, показанной на рисунке 2.15 [Тугенгольд, 1993…9]. ИСУ состоит из организационной, координационной и исполнительной подсистем. УО содержит механическую подсистему, передающую движение от приводных двигателей к исполнительным органам, а выполняемый технологический процесс и технологический объект (преобразуемый в готовый продукт) можно представить в виде отдельных подсистем.

Из организационной подсистемы, включающей активную ЭС принятия стратегических решений, выбранный наилучший из возможных план действий переносится в координационную подсистему со своей ЭС. Здесь формируется алгоритм детального выполнения этого плана и синтезируются управляющие воздействия на исполнительную подсистему  выбора действий и соответствующего координатно-параметрического управления.

Механизмы обратной связи между подсистемами, включающими технологический процесс и объект,  позволяют динамически корректировать и накапливать информацию на верхних уровнях.

Рис. 2.15. Структура мехатронного объекта с ИСУ

Во многих МО технологического назначения, транспорта, медицинской, бытовой техники и пр. целью выполняемого процесса является обеспечение качества результата по совокупности предъявляемых требований. Этим «определяются» суждения о требованиях к качеству управления рабочими органами, т.е. эти требования опосредованные.

Обобщенная структурно-функциональная схема ИСУ МО представлена на рис. 2.16. Она базируется на принятии решений при выполнении функций с учетом складывающейся конкретной ситуации. Система реализует следующую последовательность действий: оценка ситуации по поведению объекта управления, осуществляемого процесса и результата процесса (возможно по стадиям); коррекция критериальных баз и терминальных условий; моделирование и перепланирование программы движений; коррекция способа

регулирования движений рабочих органов. Эта последовательность осуществляется системой управления с многоуровневой иерархической структурой, которая имеет характерный для МС c интеллектуальным управлением состав уровней: тактический – I, координационный – II и организационный – III.

Рис. 2.16. Структурно-функциональная схема

интеллектуальной системы управления

 Уровень I имеет традиционную схему управления движениями исполнительных органов объекта  для реализации технологического процесса и получения результата. Изменения касаются лишь регулятора - возможности его перенастройки по решениям, принятым на более высоких уровнях.

Уровень II включает блоки мониторинга, координатора и формирователя с соответствующими связями. В задачи блока мониторинга входит  комплектование информации векторных  пространств параметров, необходимых для принятия решений. Этот блок идентифицирует измеряемые параметры состояния внешней среды, объекта управления, технологического процесса и его результата, и дает возможность диагностировать эти состояния и оценить их. Оценка, выполняемая ЭС блока, создает представление о качественных изменениях состояний, на основании чего ЭС координатора принимаются решения о необходимости нового программирования движений исполнительных органов объекта и формирования эталонных моделей движений. На этом уровне выполняется ситуативная оценка качественного состояния системы, необходимая для координационного управления. Координационный блок осуществляет процесс моделирования ситуаций на основе моделей, описывающих функционирование объекта управления и процесса с учетом результатов мониторинга, планирует программу движений исполнительных органов и их эталонные модели, адекватные сложившейся ситуации, проводит прогнозную оценку результатов. На основе принятых решений формируются управляющие воздействия для тактического уровня. В соответствии с выбранными эталонными моделями осуществляется коррекция регуляторов.

В ЭС организационного блока (уровень III) заранее вводятся цели управления, здесь производится выбор стратегии действий МО: переформирование этапов действий (по сравнению, например, с исходной

программой) для достижения основной цели, назначения текущих целей (например, цели прохода при точении детали), в соответствии формируемыми критериальными базами и терминальными условиями. Новая стратегия действий строится на основе функций самоорганизации и получаемого экспертного обобщения ситуаций от соответствующего блока, в котором синтезируется макромодель складывающихся ситуаций в технологическом процессе. Возможность достижения этапных целей и конечного результата обосновывается процедурами прогнозных оценок.

Кроме того, на уровень III вводятся способы проверки достижения поставленных целей и методы обучения с постепенным накоплением знаний о характере протекающих процессов (в том числе, и в самом объекте) и необходимых моделях управления для их реализации. Блок обобщения действует на базе аппарата обобщения получаемой информации (от блока мониторинга) в понятия по категориям:

  •  обладание некоторым определенным качеством, т.е. по признакам;
  •  кванторизация оценок, связанных с функциями принадлежности, динамика смещения оценок,
  •  формирование взвешенных отношений.

Следует обратить внимание на традиционную характеристику функций, выполняемых на уровнях II и III. Это неразрешимость проблемы формализации этих функций обычным аналитическим путем, необходимость использования не количественных, а качественных оценок и понятий на базе процедур обработки, накопления и использования знаний и метазнаний. Здесь используются динамические ЭС, работающие в реальном масштабе времени и способные с течением времени совершенствовать поведение МО, благодаря заложенным в них алгоритмам обучения.

На тактическом уровне I вектор состояния исполнительных органов при осуществлении процесса становится зависимым не только от вектора управляющих воздействий, но и от динамически изменяющихся нестабильных свойств элементов, участвующих в процессе, а также от специфических динамических явлений, сопровождающих процесс.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

51251. ПОВЕРКА ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ МЕТРАН-100 82 KB
  МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ПОВЕРКИ Методика поверки поставляемая производителем совместно с калибраторами Метран 515 и с датчиками давления предусматривает следующие условия ее проведения: При проведение поверки должны быть соблюдены следующие условия: температура окружающего воздуха должна быть в пределах 2020С; барометрическое давление должно быть в пределах 680780 мм рт. Перед проведением поверки должны быть выполнены следующие подготовительные работы: калибратор должен быть выдержан в условиях поверки не менее 2х часов; модуль...
51252. Расчет основных характеристик сети подвижной радиосвязи. Методические указания 429 KB
  На втором четырехчасовом занятии курсант: Снимает на кальку кроки местности с топокарты; Восстанавливает необходимые профили рельефа местности; Определяет эффективную высоту размещения фазового центра антенны станции радиодоступа; По формуле Хата рассчитывает зависимость величины затухания сигнала на границе зоны покрытия от величины радиуса зоны покрытия; Строит график полученной зависимости на миллиметровке; Из первого уравнения передачи определяет допустимую величину затухания сигнала на трассе; Определяет из графика радиус зоны покрытия...
51254. Кинематика материальной точки 47 KB
  Изучил основы теории погрешностей и методов обработки экспериментальных результатов. Научился определять кинематические харрактеристики по стробоскопическим фотографиям
51257. Исследование переходных процессов в электрических цепях с источником постоянного напряжения 122.5 KB
  Соберем цепь согласно схеме для конденсатора и сопротивления соединенных последовательно: Получаем осциллограммы тока напряжение на R2 поделенное на его сопротивление и напряжения на конденсаторе: Измерение параметров при включенной катушке индуктивности: Получим следующие осциллограммы: Рассчитаем постоянные времени и построим теоретические графики Исследование переходного процесса на последовательной RLC цепи: Осциллограммы переходного процесса:.
51258. ІСТОРІЯ ЕКОНОМІКИ ТА ЕКОНОМІЧНОЇ ДУМКИ 84.42 KB
  У методичних рекомендаціях викладено загальні положення та тематичний зміст практичних занять з нормативної навчальної дисципліни циклу природничо-наукової та загальноекономічної підготовки «Економічна історія». Наведено перелік питань для обговорення з кожної теми, тести для відповідей, перелік рекомендованої літератури.
51259. БОЛЬНИЧНАЯ ГИГИЕНА (РУКОВОДСТВО К ПРАКТИЧЕСКИМ ЗАНЯТИЯМ) 790.5 KB
  Вопросы гигиены лечебно-профилактических учреждений являются одними из самых существенных в курсе гигиены для студентов лечебного и педиатрического факультетов.