從模糊控制的成功看控制的發展

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摘要：
控制科學在解決21世紀的社會復雜問題上及跨學科問題方面具有不可替代的重要作用，也是能夠提供最適當、最聰明方法的學科領域之一。今后的控制科學方法需要以一種集成的方式來考慮系統以及相關的設計要求。將控制科學與其它領域密切結合，解決我國經濟與社會發展中基礎技術科學、工業、農業、能源、國防、乃至國家安全所涉及的控制與自動化的重大基礎理論問題，帶動社會全面信息化和工業化的一些關鍵技術的發展。
一.模糊控制的產生
二.模糊控制的突出特點：
三.模糊控制的成功應用
四.模糊控制的展望
模糊控制應用領域涉及各各方面，控制方法也有廣很大進展，模糊控制器的性能不斷提高。模糊控制的理論和應用雖然已經取得了很大的進展，但尚缺乏重大的突破，因此模糊控制無論在理論和應用上都有待于進一步的深入研究和探討。

關鍵詞：
模糊控制發展成功應用展望

從模糊控制的成功看控制的發展

20世紀以來，控制科學與工程技術對近代世界技術文明的許多成就作出了巨大貢獻，發展了許多研究方法和開創了不少交叉科學，它是現代技術科學的思想基石和方法學。控制科學與工程技術的歷史是輝煌的，但我們應該面對客觀世界的現實，更加積極地、嚴謹地開拓和創造未來。控制科學在解決21世紀的社會復雜問題上及跨學科問題方面具有不可替代的重要作用，也是能夠提供最適當、最聰明方法的學科領域之一。今后的控制科學方法需要以一種集成的方式來考慮系統以及相關的設計要求。將控制科學與其它領域密切結合，解決我國經濟與社會發展中基礎技術科學、工業、農業、能源、國防、乃至國家安全所涉及的控制與自動化的重大基礎理論問題，帶動社會全面信息化和工業化的一些關鍵技術的發展。
一.模糊控制的產生
模糊控制是英國倫敦大學馬達尼（E、H、Mamdani）教授首先提出的，他與1974年對發動機組的模糊控制進行實驗并獲成功，其后，丹麥對水泥生產爐的模糊控制實驗又獲成功，并與1980年開始實用化。自此以后模糊控制的應用急速發展，所謂模糊控制，就是用模糊數學方法實施的控制。傳統的控制多用線性或非線性的各類方程組（微分方程組或積分方程組或代數方程組）描述系統的餓狀態，困難大，而模糊控制的優點是可避開這些高此、非線性的狀態方程的困難。他把人的知識或經驗用模糊推理規則的形式記述并進行模糊推理，用計算機實施與人腦類似的巧妙控制。下面舉一例說明之。
為了用空調機使室溫保持在最適宜的溫度（比如250C）模糊控制器（記為FCR）是怎樣工作呢？首先FCR中設計一些模糊推理規則。像如下三條：
規則1 若室溫熱則加強制冷。
規則2 若室溫適宜則制冷力保持原樣。
規則3 若室溫過冷則減弱制冷。
這些規則中，“熱”、“適宜”、“過冷”、“強”、“原樣”、“弱”等都是模糊集。當判明室內的溫度（比如300C）時，FCR中的“精確- 模糊轉換器”會按照預先設計好的算法，分別算出300C對模糊集“熱”（記為H）、“合適”（記為G）、“過冷”（記為C）的隸屬度H（30）、G（30）、C（30），然后FCR中的模糊算法器就根據規則1、2、3，按模糊推理方法算出模糊控制量。最后這模糊控制量再通過一個“模糊--精確轉換器”化為確定的控制量，對空調機的制冷力強弱實施定量的控制，盡量保持室溫在最適宜的溫度。至于按模糊推理規則計算模糊控制量的算法，則多種多樣，這里僅介紹馬達尼的模糊推理法。按該推理法，上例中可求：
H（30）∧強（y ）=I(y)
G（30）∧原樣（y）=Ⅱ(y)
C（30）∧弱（y）=Ⅲ(y)
其中符號“∧”表示“取小”，“強(y)”表示對“強”的隸屬度，“弱(y)”表y對弱的隸屬度等等，求模糊控制量就是求：B=Ⅰ∪Ⅱ∪Ⅲ，這里符號“∪”表集合的“并”運算，為求確定的控制量，一般是求B的重心值，由于這里是用H（30）、G（30）、C（30）分別對“強”、“原樣”、“弱”的頭部進行切割，所以此法也稱“頭切法”。例中C（30）=0，Ⅲ=0所以B實際是I、Ⅱ兩面積的迭加，重心值宰65%處。本例說明了模糊空調的基本原理。
二.模糊控制的突出特點
(1)模糊控制是一種基于規則的控制，它直接采用語言型控制規則，出發點是現場操作人員的控制經驗或相關專家的知識，在設計中不需要建立被控對象的精確的數學模型，因而使得控制機理和策略易于接受與理解，設計簡單，便于應用。
(2)由工業過程的定性認識出發，比較容易建立語言控制規則，因而模糊控制對那些數學模型難以獲取，動態特性不易掌握或變化非常顯著的對象非常適用。
(3)基于模型的控制算法及系統設計方法，由于出發點和性能指標的不同，容易導致較大差異；但一個系統語言控制規則卻具有相對的獨立性，利用這些控制規律間的模糊連接，容易找到折中的選擇，使控制效果優于常規控制器。
(4)模糊控制是基于啟發性的知識及語言決策規則設計的，這有利于模擬人工控制的過程和方法，增強控制系統的適應能力，使之具有一定的智能水平。
(5)模糊控制系統的魯棒性強，干擾和參數變化對控制效果的影響被大大減弱，尤其適合于非線性、時變及純滯后系統的控制。
三.模糊控制的成功應用
由于模糊控制的數學模型簡單，效果又好，所以對各國政府和眾多的企業都有極大的魅力，他們投入了大量的人力和財務，支持模糊控制應用的研究，現在不僅水泥爐、而且冶金爐、玻璃爐、化工過程的餓模糊控制也開發了，電車運行控制、集裝箱吊裝機控制、水凈化廠藥品注入控制等許多模糊控制都已開發成功，模糊控制的家用電器，像模糊空調機、模糊攝像機、模糊洗衣機、模糊沐浴器、模糊電飯煲等已相繼上市且性能奇好。比如日本松下電器公司的神經-模糊洗衣機，就能根據衣服的布料質量數量，污漬的類型和程度，從13位專家設計的千余種洗衣方法中選擇最適當的方法洗衣。日立全自動模糊洗衣機也能根據布量，布質決定水流的強度和洗滌的時間，其判決能力很接近人腦。因此模糊產品深受歡迎。日本、南朝鮮、臺灣等地已先后出現過“模糊熱”，非用“模糊”命名的產品賣不出去！今后原子爐運行控制，飛機離著陸控制，機器人等高水平的模糊控制，也必將研制成功。除模糊控制外，各種診斷的專家系統、證券投資系統、市場模糊預測、企事業單位評估、地震預報、聲音圖象識別等方面，也都有許多成果。
四.模糊控制的展望
模糊系統理論還有一些重要的理論課題還沒有解決。其中兩個重要的問題是：如何獲得模糊規則及隸屬函數，這在目前完全憑經驗來進行；以及如何保證模糊系統的穩定性。大體說來，在模糊控制理論和應用方面應加強研究的主要方向為：
(1)適合于解決工程上普遍問題的穩定性分析方法，穩定性評價理論體系；控制器的魯棒性分析，系統的可控性分析和可觀性判定方法等。
(2)模糊控制規則設計方法的研究，包括模糊集合隸屬函數設定方法，量化水平，采樣周期的最優選擇，規則的系數，最小實現以及規則和隸屬函數參數自動生成等問題；進一步則要求我們給出模糊控制器的系統化設計方法。
(3)模糊控制器參數最優調整理論的確定，以及修正推理規則的學習方式和算法等。
(4)模糊動態模型的辨識方法。
(5)模糊預測系統的設計方法和提高計算速度的方法。
(6)神經網絡與模糊控制相結合，有望發展一套新的智能控制理論。
(7)模糊控制算法改進的研究：由于模糊邏輯的范疇很廣，包含大量的概念和原則；然而這些概念和原則能真正的在模糊邏輯系統中得到應用的卻為數不多。這方面的嘗試有待深入。
(8)最優模糊控制器設計的研究：依據恰當提出的性能指標，規范控制規則的設計依據，并在某種意義上達到最優。
(9)簡單、實用且具有模糊推理功能的模糊集成芯片和模糊控制裝置、通用模糊控制系統的開發和推廣應用。
在短短20多年時間里，模糊控制得到長足發展。它的應用領域涉及各各方面，控制方法也有廣很大進展，模糊控制器的性能不斷提高。模糊控制系統易于接受，設計簡單，維護方便，而且比常規控制系統穩定性好，魯棒性高。由于它的這些特點，模糊控制正在得到越來越廣泛的應用。但是我們也應該看到，模糊控制的理論和應用雖然已經取得了很大的進展，但是就目前的狀況來看，尚缺乏重大的突破，因此模糊控制無論在理論和應用上都有待于進一步的深入研究和探討。

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