模糊控制第1章引言

模糊控制

FuzzyControl任課教師：黃巧莉西南大學(xué)計信院自動化系Email:qlhuang@課程教學(xué)安排理論學(xué)時：36學(xué)時實驗學(xué)時：9學(xué)時學(xué)分：2.5分考試方式：閉卷考試教材：《模糊系統(tǒng)與模塊控制教程》王立新著清華大學(xué)出版社《模糊控制》課代表課程評分標準學(xué)期考試：65％實驗成績：15％平時成績：20％課程內(nèi)容引言模糊控制的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)模糊控制的邏輯學(xué)基礎(chǔ)模糊控制器的設(shè)計模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計和仿真第1章引言為什么研究模糊系統(tǒng)什么是模糊系統(tǒng)模糊系統(tǒng)應(yīng)用的領(lǐng)域及方式模糊理論的主要研究領(lǐng)域模糊理論及其應(yīng)用的簡史1.1為什么研究模糊系統(tǒng)隨著控制對象的復(fù)雜性、非線性、滯后性和耦合性的增加，人們獲得精確知識量的能力相對減少，運用傳統(tǒng)精確控制的可能性也在減小。正像“L.A.Zadeh不相容原理”所說，當一個系統(tǒng)復(fù)雜性增大時，人們能使其清晰化的能力將會降低，達到一定閥值時，復(fù)雜性和清晰性將是相互排斥的”，這時便產(chǎn)生了模糊控制。人類思維的主要根據(jù)是概念模式和思維圖像，而不是數(shù)量，但是計算機工作的依據(jù)則正好相反。作為人類思維外殼的自然語言，當然就帶有模糊性。模糊理論是一個充滿爭議的領(lǐng)域，主要原因之一是人們對模糊（朦朧的、不精確的，不合乎邏輯的，不明白的）這個詞的誤解。模糊理論并非“模糊的理論”，而是研究模糊對象，利用模糊信息的精確理論。與其它實用性理論一樣，模糊系統(tǒng)理論所追求的目標是為解決各種實際問題提供更加有效的思路與方法。從本質(zhì)上看，盡管模糊系統(tǒng)理論描述的現(xiàn)象可能是模糊的，但理論本身卻是精確的。模糊系統(tǒng)是一個被精確定義的系統(tǒng)，模糊控制也是一種被精確定義的特殊的非線性控制。模糊控制是以模糊集合理論和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)，把專家用自然語言表述的知識和控制經(jīng)驗，通過模糊理論轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)函數(shù)，再用計算機進行處理。研究模糊系統(tǒng)理論的一個原因現(xiàn)實世界太復(fù)雜以至于無法做到精確描述，為了得到一個合理的且可跟蹤的模型就必須引入近似性（即模糊性）概念。模糊理論的精確性，既能概括出現(xiàn)實世界的關(guān)鍵性質(zhì)，又便于用數(shù)學(xué)分析的方法跟蹤研究；這是所有工程理論的共同特點，要有普適性，抽象性，嚴密性，可分析性。研究模糊系統(tǒng)理論的另一個原因一個好的工程理論應(yīng)將兩類信息整合到系統(tǒng)設(shè)計中去，一個是用自然語言描述系統(tǒng)性能的專家，一個是傳感器提供的測量數(shù)據(jù)和根據(jù)自然法則推導(dǎo)出來的數(shù)學(xué)模型。模糊理論能系統(tǒng)地描述人類知識，并將其同其它信息（如數(shù)學(xué)模型和感官測量）一起嵌入到工程系統(tǒng)中。模糊理論提供了一套系統(tǒng)而有效的方法，將以自然語言表達的知識轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)形式，從而使這些知識得以有效的應(yīng)用。模糊系統(tǒng)與通常的專家系統(tǒng)的不同之處在于，模糊系統(tǒng)是把專家知識先轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)形式，然后加以應(yīng)用，而專家系統(tǒng)是把專家知識用計算機語言來表述。即模糊系統(tǒng)把符合（自然語言表達的知識）轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)函數(shù)，而專家系統(tǒng)把一種符號轉(zhuǎn)換成另一種符號。一旦語言轉(zhuǎn)換成了數(shù)學(xué)函數(shù)，我們就可以借助于豐富的數(shù)學(xué)工具建立一套理論體系，把人和物理系統(tǒng)統(tǒng)一起來加以描述和研究。模糊系統(tǒng)理論的特點強調(diào)充分利用各種所能獲得的信息，包括數(shù)據(jù)信息，模型信息，語言信息等。將各種信息融為一體，在一個統(tǒng)一的數(shù)學(xué)框架下進行研究。強調(diào)實用性與理論完備性相結(jié)合，以實用性為先導(dǎo)。應(yīng)用對象不局限于某個特定領(lǐng)域，而廣泛適用于工程、經(jīng)濟、金融、管理、社會等各個領(lǐng)域。模糊控制的特點模糊控制是以人對被控對象的操作經(jīng)驗為依據(jù)而設(shè)計控制器，不依賴于被控對象的精確數(shù)學(xué)模型；作為模糊控制核心的控制規(guī)則是用自然語言表述的，易于被操作人員接受；模糊控制規(guī)則通過模糊集合論和模糊推理理論，可以轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)函數(shù)，便于用計算機軟件實現(xiàn)；可以對復(fù)雜被控對象進行有效控制，魯棒性和適應(yīng)性好。1.2什么是模糊系統(tǒng)模糊系統(tǒng)是基于知識或基于規(guī)則的系統(tǒng)，其核心是由IF-THEN規(guī)則組成的知識庫。例：一條模糊的IF-THEN規(guī)則

如果一輛汽車的速度快，則施加給油門的力較小。這是一條用自然語言所描述的人類知識，“快”和“較小”是模糊的，模糊系統(tǒng)中采用連續(xù)的隸屬度函數(shù)來精確地描述。例1.1設(shè)計一個可以自動控制汽車速度的控制器司機在一般環(huán)境下采用三類規(guī)則來駕駛汽車如果速度慢，則施加給油門較大的力如果速度適中，則施加給油門正常大小的力如果速度快，則施加給油門較小的力模糊的IF-THEN規(guī)則就是將連續(xù)隸屬度函數(shù)所描述的自然語言，用IF-THEN的形式陳述。把一個事物屬于某個集合的特征函數(shù)可以取0到1間的任何數(shù)值，即用隸屬度函數(shù)表示一個事物屬于某個集合的程度。例1.2設(shè)計一個打氣時的氣球模型。氣球三個關(guān)鍵變量：氣球內(nèi)的空氣，空氣上升量和表面張力。構(gòu)建模糊系統(tǒng)的出發(fā)點是要得到一組來自專家或基于該領(lǐng)域知識的模糊IF-THEN規(guī)則，然后將這些規(guī)則組合到單一系統(tǒng)中。常見的模糊系統(tǒng)：純模糊系統(tǒng)TSK模糊系統(tǒng)有模糊器和解模糊器的模糊系統(tǒng)模糊系統(tǒng)常見的模糊系統(tǒng)：純模糊系統(tǒng)常見的模糊系統(tǒng)：TSK（Takagi，Sugeno和Kangol）模糊系統(tǒng)如果一輛汽車的速度x為快，則施加給油門的力為y=cx。TSK模糊系統(tǒng)的主要問題其規(guī)則的THEN部分是一個數(shù)學(xué)公式（如加權(quán)平均），可能無法提供一個自然的體系來表達人類知識；模糊邏輯的各種原理得到應(yīng)用的自由度也很有限，以至于在該體系中沒有很好體現(xiàn)模糊系統(tǒng)的廣泛用途。常見的模糊系統(tǒng)：有模糊器和解模糊器的模糊系統(tǒng)模糊系統(tǒng)的兩個特性是由一個實值向量向一個實值標量所作的多輸入單輸出映射，并且能夠得到這些映射的精確數(shù)學(xué)公式。是由來自模糊IF-THEN規(guī)則的人類知識所組成的基于知識的系統(tǒng)。模糊系統(tǒng)的重大貢獻為知識庫向整個非線性映射的轉(zhuǎn)換提供系統(tǒng)的程序，使基于知識的系統(tǒng)采用同數(shù)學(xué)模型及傳感器測量一樣的方式，可被應(yīng)用到工程實際中。1.3模糊系統(tǒng)應(yīng)用的領(lǐng)域及方式模糊洗衣機數(shù)字圖象穩(wěn)定器汽車中的模糊系統(tǒng)水泥窯的模糊控制地鐵的模糊控制模糊洗衣機模糊洗衣機是第一個應(yīng)用模糊系統(tǒng)的消費產(chǎn)品，它是由日本松下電子工業(yè)公司于1990年生產(chǎn)的。傳統(tǒng)全自動洗衣機實際上是一臺按事先設(shè)定好的參數(shù)進行順序控制的機器，它不能根據(jù)情況和條件的變化來改變參數(shù)。這種控制系統(tǒng)屬于開環(huán)控制系統(tǒng)。真正的智能化全自動洗衣機的目標應(yīng)該是，根據(jù)所洗衣服的數(shù)量、種類和臟的程度來決定水的多少、水流的強度和洗衣的時間，并可以動態(tài)地改變參數(shù)，以達到高效的目的。模糊控制洗衣機的結(jié)構(gòu)剖面模糊控制洗衣機電路框圖模糊控制洗衣機的控制結(jié)構(gòu)1.4模糊理論的主要研究領(lǐng)域1.5模糊理論及其應(yīng)用的簡史20世紀60年代：模糊理論的萌芽20世紀70年代：模糊理論的發(fā)展并實際應(yīng)用20世紀80年代：模糊理論的大規(guī)模應(yīng)用20世紀90年代：模糊理論仍有更多的挑戰(zhàn)20世紀60年代：模糊理論的萌芽1965年，美國加州大學(xué)自動控制系L.A.Zadeh教授把經(jīng)典集合與多值邏輯融為一體，用數(shù)字或函數(shù)表述和運算含有像“冷”、“熱”之類純屬主觀意義的模糊概念，創(chuàng)立了模糊集合理論，開創(chuàng)了模糊控制數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的研究。1968年，渣德提出了模糊算法。20世紀70年代：模糊理論的發(fā)展并實際應(yīng)用1970年，貝爾曼和渣德提出模糊決策。1971年，渣德提出模糊排序。1974年，倫敦大學(xué)教授E.H.Mamdani利用模糊邏輯開發(fā)了世界上第一臺模糊控制的蒸汽機，從而開創(chuàng)了模糊控制的歷史。反應(yīng)爐的溫度自動控制系統(tǒng)、模糊水泥窯控制器、十字路口交通管理......20世紀80年代：模糊理論的大規(guī)模應(yīng)用1980年，模糊控制的日本首次應(yīng)用----富士電子水凈化工廠1983年，模糊機器人。日本仙臺地鐵開發(fā)模糊系統(tǒng)，創(chuàng)造了世界上最先進的地鐵系統(tǒng)。在煉鋼、化工、家用電器、人文社科、經(jīng)濟系統(tǒng)以及醫(yī)學(xué)心理等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。20世紀90年代：模糊理論仍有更多的挑戰(zhàn)1992年，首屆IEEE模糊系統(tǒng)國際會議召開。1993年，創(chuàng)辦IEEE模糊系統(tǒng)會刊。模糊系統(tǒng)應(yīng)用于控制理論的方法和分析還停留在初級階段，仍有更多挑戰(zhàn)。參考書《模糊控制原理與應(yīng)用》，諸靜，機械工業(yè)出版社。得到國家自然科學(xué)基金資助，是國內(nèi)較好的模糊控制書籍之一。參考書《模糊控制·神經(jīng)控制和智能控制》，李士勇，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社。是被各種論文和書籍引用最多的智能控制書之一，其中有多個章節(jié)介紹模糊控制。參考書《智能控制》，劉金琨，電子工業(yè)出版社。

最新被推薦給本科生和研究生學(xué)習(xí)的參考書籍之一，有仿真實例作為必要的補充。參考書《AdaptiveFuzzySystemandControl:DesignandStabilityAnalysis》,L.X.Wang,PrenticeHallInc.,EnglewoodCliffs,NJ,1994。該書的中文版由國防工業(yè)出版社1995年出版，被SCI引用超過423次。參考書《ACOURSEINFUZZYSYSTEM&CONTROL》,L.X.Wang,Prentice-Hall,EnglewoodCliffs,NJ,1996。本教材的英文版，被SCI引用超過151次。經(jīng)典的參考文獻ZadehL.A.,“Fuzzysets”,InformationandControl,vol.8,pp.338-353,1965.ZadehL.A.,“Fuzzyalgorithms”,InformationandControl,vol.12,no.2,pp.94-102,1968.BellmanR.E.andZadehL.A.,“Decisionmakinginafuzzyenvironment”,ManagementandScience,vol.17,no.4,pp.141-164,1970.ZadehL.A.,“Similarityrelationsandfuzzyording”,InformationScience,vol.3,no.2,pp.177-200,1971.經(jīng)典的參考文獻ZadehL.A.,“Outlineofanewapproachtotheanalysisofcomplexsystemanddecisionprocess”,IEEE

Trans.onSystems,ManandCybern.,vol.3,no.1,pp.28-44,1973.MamdaniE.H.andS.Assilian,“Anexperimentinlinguisticsynthesiswithafuzzylogiccontroller”,Int.J.ManMach.Studies,vol.7,no.1,pp.1-13,1975.HolmbladL.P.andJ.J.Фstergaard,“Controlofacementkilnbyfuzzylogic”,In:Gupta,M.M.andE.Sanchez,eds.,FuzzyInformationandDecisionProcess,North-Holland,Amsterdam,pp.398-409,1982.期刊雜志《FuzzySetsandSystem》.《IEE