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

51 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

19943. Произведения, созданные в связи с выполнением трудового договора. Возникновение авторских прав и их регистрация 19.4 KB
  Лекция №4 Тема: произведения созданные в связи с выполнением трудового договора. Возникновение авторских прав и их регистрация. Трудовой договор – это соглашение между работником предприятием и работодателем в соответствии с которым работник обязуется выполнить ра
19944. Изобретательство и патентные работы 19.6 KB
  Лекция №5 Тема: изобретательство и патентные работы. Гражданский хозяйственный кодекс подзаконный акт МИН об утверждении правил составление подачи заявки на изобретение и заявки на полезные модели. Изобретение полезная модель – это результат интеллектуальной де
19945. Охрана полезных моделей (ОПМ) 22.96 KB
  Лекция №6 Тема: охрана полезных моделей ОПМ. 1891 год – первый закон об охране полезных моделей в Германии. В качестве полезной модели может быть зарегистрирована любая форма конфигурация или расположение элементов созданного объекта инструмента прибора которые п
19946. Комплекс испытательных средств для исследования ползучести и состава газообразных продуктов деления 329.83 KB
  Рассмотреть комплекс испытательных средств для исследования ползучести и состава газообразных продуктов деления, взаимосвязи его систем с облучательными устройствами и испытуемыми образцами. Обратить внимание на унификацию узлов установок, их объединение в облучательное устройство в зависимости от поставленных задач. Представить схему измерений комплекса и его элементы, параметры при испытании топливных композиций. Познакомить слушателей с газовым стендом, спектрометрическим комплексом и электроосадителем.
19947. Технология производства образцов диоксида урана двух партий 141.84 KB
  Изучались образцы диоксида урана двух технологий. Один тип образцов (тип с) по традиционной для реакторов ВВЭР технологии. Другой (тип f) изготовлен во Франции по технологии DCI и исследовался в соответствии с межгосударственной программой. Такие образцы, обладая повышенной пластичностью, предназначены для твэлов реакторов, способных работать в режимах покрытия пиковых нагрузок в электросетях.
19948. Качественные представления о двухстадийном диффузионном переносе ГПД. Обзор физических моделей и их сопоставление 47.3 KB
  Обосновать необходимость разработки двухстадийной диффузионной модели миграции ГПД для объяснения полученных экспериментальных результатов. Представить краткий обзор моделей двухстадийного переноса. Рассмотреть систему диффуравнений, условия однозначности и решение стационарной задачи.
19949. Частные случаи решения задачи и их сопоставление с экспериментальными результатами 41.7 KB
  Рассмотреть частные случаи решения задачи и сопоставить их с экспериментальными результатами. Обосновать дополнительные гипотезы о связях между параметрами переноса и необходимость их введения при решении задачи по восстановлению параметров по экспериментальным данным. Представить методику определения энергий активации и предэкпоненциальных членов коэффициентов диффузии.
19950. Связи между параметрами переноса и влияние на них дополнительных гипотез 57.09 KB
  Рассмотреть связи между параметрами переноса и влияние на них дополнительных гипотез. Представить методику определения предэкпонентных членов коэффициентов диффузии. Обосновать желание использовать дополнительные экспериментальные материалы по выходу ГПД в низкотемпературной области. Предложить модель для описания выхода ГПД при низкой температуре. Поставить и решить соответствующую задачу. Сопоставить расчет с экспериментом.
19951. Предположение о равенстве зернограничных параметров переноса в низкотемпературной и высокотемпературной области для образца с (Топливо ВВЭР) 93.93 KB
  Ввести предположение о равенстве зернограничных параметров переноса в низкотемпературной и высокотемпературной области для образца с (Топливо ВВЭР). Рассмотреть связи (аналитическая и графическая форма) между параметрами переноса и влияние на них указанного выше предположения. Представить численные значения параметров переноса и погрешности их восстановления. Сопоставить полученные результаты с данными других авторов.