淺析模糊控制技術(shù)(論文)

1、淺析模糊控制技術(shù)摘要：模糊控制技術(shù)對工業(yè)自動化的進(jìn)程有著極大地推動作用，本文簡要地講述了模糊控制理論的起源及其基本原理，并介紹了模糊控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。關(guān)鍵詞：模糊控制 模糊集合 隸屬函數(shù)正文1.引言20世紀(jì)中葉以來，在科學(xué)技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展過程中，自動控制理論與技術(shù)的發(fā)展發(fā)揮了巨大的作用，并取得了令人滿意的控制結(jié)果，是現(xiàn)代高新技術(shù)的重要手段之一。常規(guī)控制是建立在被控對象的精確數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，根據(jù)被控對象的狀態(tài)做出反應(yīng)的一種控制方式。但隨著多變量大系統(tǒng)時代的到來，其精確數(shù)學(xué)模型難以建立。由此產(chǎn)生了模糊控制理論及其技術(shù)應(yīng)用。2模糊控制理論的產(chǎn)生及其概要在控制技術(shù)的應(yīng)用過程中，對于多變量、非線性

2、、多因素影響的生產(chǎn)過程，即使不知道該過程的數(shù)學(xué)模型，有經(jīng)驗的操作人員也能夠根據(jù)長期的實踐觀察和操作經(jīng)驗進(jìn)行有效地控制，而采用傳統(tǒng)的自動控制方法效果并不理想。從這一點(diǎn)引申開來，是否可將人的操作經(jīng)驗總結(jié)為若干條控制規(guī)則以避開復(fù)雜的模型建造過程？模糊控制理論與技術(shù)由此應(yīng)運(yùn)而生。模糊控制最重要的特征是反映人們的經(jīng)驗以及人們的常識推理規(guī)則，而這些經(jīng)驗與常識推理規(guī)則是通過語言來表達(dá)的。如“溫度上升過快，則稍微降低升溫速度”就是一種基于經(jīng)驗表達(dá)的語言。在控制系統(tǒng)的運(yùn)用初期，由于對系統(tǒng)缺乏了解，控制效果可能不太好，但經(jīng)過若干次探索后終能實驗預(yù)期的理想控制，這就是經(jīng)驗對模糊控制系統(tǒng)的重要性。與傳統(tǒng)的控制相比較，

3、模糊控制有其明顯的優(yōu)越性。由于模糊控制實質(zhì)上是用計算機(jī)去執(zhí)行操作人員的控制策略，因而可以避開對象復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，力圖對人們關(guān)于某個控制問題的成功與失敗的經(jīng)驗進(jìn)行加工，總結(jié)出知識，從中提煉出控制規(guī)則，實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的控制。模糊理論的基礎(chǔ)是模糊集合理論，主要包括模糊集合理論、模糊邏輯、模糊推理和模糊控制等方面的內(nèi)容。在普通集合中，任何一個元素或個體與任何一個集合之間的關(guān)系只有“屬于”和“不屬于”兩種情況，兩者必須其一，而且只居其一，絕對不允許模棱兩可。鑒于普通集合只能表達(dá)“非此即彼”概念的情形，美國加州大學(xué)控制專家l.a.zadeh教授創(chuàng)立了模糊集合理論，即用模糊集合來刻畫模糊概念。這里提出了隸屬函

4、數(shù)的概念，所謂隸屬函數(shù)，是指用于表征模糊集合隸屬度的特征函數(shù)，即它表示論域中一個元素屬于其模糊子集的程度。隸屬程度取值介于0和1之間。隸屬函數(shù)的確定實質(zhì)上是人們對客觀事物中介過渡的定性描述，這種描述本質(zhì)上是客觀的。由于模糊及理論研究的對象具有“模糊性”和經(jīng)驗性，每個人對同一模糊概念的認(rèn)識和理解存在差異，因此，隸屬函數(shù)的確定又含有一定的主觀因素。盡管確定隸屬函數(shù)的方法帶有客觀因素，但主觀的反映和客觀的存在是有一定的聯(lián)系的，是受到客觀之約的。因此，隸屬函數(shù)的確定應(yīng)遵守一些基本原則。如：表示隸屬函數(shù)的模糊集合必須是凸模糊集合；變量所取隸屬函數(shù)通常是對稱和平衡的，一般情況下，描述變量的語言值安排得越多

5、，模糊控制系統(tǒng)的分辨率就越高，其系統(tǒng)響應(yīng)的結(jié)果就越平滑，但模糊規(guī)則會明顯增多，計算時間增加，設(shè)計困難加大。如果描述變量的語言值安排得太少，則其系統(tǒng)的響應(yīng)可能會太不敏感，并可能無法及時提供輸出控制跟隨小的輸入變化，以使系統(tǒng)的輸出會在期望值附近振蕩。實踐表明，一般取39個為宜，并且通常取奇數(shù)個，在“零”、“適中”或者“正?！奔系膬蛇呎Z言值通常對稱取。隸屬函數(shù)要符合人們的語義順序，避免不恰當(dāng)?shù)闹丿B。3模糊控制的應(yīng)用與發(fā)展 以人類自然語言變量的概念作為描述手動控制策略的基礎(chǔ)來實現(xiàn)模糊控制，必須解決三個基本問題：第一，先通過傳感器把要監(jiān)測的物理量變成電量，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器把它轉(zhuǎn)換成精確的數(shù)字量，精確輸

6、入量輸入至模糊控制器后，要把這精確的輸入量轉(zhuǎn)換成模糊集合的隸屬函數(shù)，這一步稱為精確量的模糊化，其目的是把傳感器的輸入轉(zhuǎn)換成知識庫可以理解和操作的變量格式；第二，根據(jù)有經(jīng)驗的操作者或者專家的經(jīng)驗制定出模糊控制規(guī)則，并進(jìn)行模糊邏輯推理，其目的是得到一個模糊輸出集合，即一個新的模糊集合隸屬函數(shù)，這一步稱為模糊控制規(guī)則形成和推理，其目的是用模糊輸入值去適配控制規(guī)則，為每個控制規(guī)則確定其適配的程度，并且通過加權(quán)計算合并那些規(guī)則的輸出，得到輸出控制模糊集合；第三，根據(jù)模糊邏輯推理得到的輸出模糊集合隸屬函數(shù)，用恰當(dāng)?shù)姆椒ㄕ乙粋€具有代表性的精確值作為控制量，這一步稱為模糊輸出量的解模糊判決，其目的是把分布范圍

7、概括合并成單點(diǎn)的輸出值，加到執(zhí)行器上實現(xiàn)控制。給定值 模糊控制的基本原理可由上圖表示，它的核心部分為模糊控制器，模糊控制的基本思想是：微機(jī)經(jīng)中斷采樣獲取被控制量的精確值，然后將此量與給定值比較得到偏差信號， 把偏差信號作為模糊控制器的一個輸入量，把其精確量進(jìn)行模糊化變成模糊量，偏差的模糊量可以用相應(yīng)的模糊語言表示，得到偏差的模糊語言集合的一個子集。再由模糊子集和模糊控制規(guī)則根據(jù)模糊推理的合成規(guī)則進(jìn)行模糊決策，得到模糊控制量；為了對被控對象施加精確地控制，還需要將模糊量轉(zhuǎn)換為精確量，這一步驟在原理圖中稱為“解模糊”。得到了精確地數(shù)字控制量后，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換變?yōu)榫_地模擬量送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對被控對象進(jìn)行

8、第一步控制。然后，中斷等待第二次采樣，進(jìn)行第二步控制，如此循環(huán)下去，就實現(xiàn)了被控對象的模糊控制。根據(jù)模糊控制的基本原理，模糊控制技術(shù)在全球范圍內(nèi)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，研究成果主要集中在以下幾個國家和地區(qū)：（1）日本模糊控制技術(shù)的研究與應(yīng)用從20世紀(jì)70年代初日本就開展模糊控制的研究，1972年日本關(guān)東地區(qū)成立了模糊控制系統(tǒng)研究會，1980年關(guān)西地區(qū)成立了模糊科學(xué)研究會，接著在*創(chuàng)建了國際模糊工程研究所（life），并且在這一年有關(guān)模糊技術(shù)的產(chǎn)品年產(chǎn)值就達(dá)10億日元，其中真正以模糊技術(shù)為核心的產(chǎn)品約占1億日元。日本在應(yīng)用方面最典型的成果有：仙臺地鐵的模糊控制系統(tǒng)；日本電機(jī)硝子開發(fā)的玻璃熔化爐模糊

9、控制系統(tǒng)；三菱、日立和富士分別開發(fā)的電梯模糊控制系統(tǒng)；大日本涂料開發(fā)的彩色印刷圖像評價系統(tǒng)；ntt和法政大學(xué)合作研制的模糊識別cai系統(tǒng)。在信息技術(shù)方面，日本已推出光模擬計算機(jī)、模擬模糊計算機(jī)、數(shù)字模糊計算機(jī)、神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)等。日本將模糊控制技術(shù)作為跨世紀(jì)的熱點(diǎn)技術(shù)，幾乎每天都有新的模糊控制產(chǎn)品問世。（2）美國與歐洲模糊控制技術(shù)的研究狀況美國的模糊工程是從nasa開始的。nasa早在1966年就給zadeh提供經(jīng)費(fèi)。目前，美國在模糊控制研究方面僅次于日本。在美國，從20世紀(jì)80年代中期就開始研制模糊控制器。最早應(yīng)用模糊邏輯控制的是水泥生產(chǎn)的控制，拉法基公司在世界各地的水泥窯爐中有25個窯爐采

10、用了包含模糊邏輯的g2實時專家系統(tǒng)。1993年ieee神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)會的刊物ieeetransacti*onfuzzysystem在美國創(chuàng)刊，這是模糊系統(tǒng)理論已作為一個獨(dú)立學(xué)科發(fā)展的標(biāo)志。美國政府機(jī)構(gòu)也開始致力于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯的研究，除了休斯頓的約翰遜宇航中心把模糊邏輯應(yīng)用于航天飛行器的對接和姿態(tài)調(diào)整外，位于華盛頓特區(qū)的nasa宇航中心也把模糊邏輯應(yīng)用于機(jī)器人控制和圖像處理，加州的nasa研究中心也在進(jìn)行信息處理的模糊應(yīng)用研究。歐洲對模糊邏輯的研究主要集中在模糊控制上。以德國為例，政府投入8億美元對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究，已研制出了第三代模糊微處理器fuzzy-166芯片，這是一個具有推理命令、模糊化命令、和解模糊命令的模糊芯片，除了可使用ansi-c或risc-c編輯器外，還可使用擴(kuò)展了的軟件fuzzy tech，該軟件提供了一個完整的圖形開發(fā)環(huán)境，而且，還可在轉(zhuǎn)換到目標(biāo)硬件前對模糊系統(tǒng)進(jìn)行在線模擬和優(yōu)化。特別是應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可自動生成模糊規(guī)則，由于德國本身所擁有的先進(jìn)工業(yè)技術(shù)和科研條件，其已在模糊控制技術(shù)的硬件方面毫不費(fèi)力地走在了前列。4.總結(jié)綜上所述，模糊控制技術(shù)是目前工業(yè)生產(chǎn)自動化研究的一個熱點(diǎn)，模糊理論還有很多不完善的地方，但它的廣闊應(yīng)用前景卻不可度