从模糊控制的成功看控制的发展

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摘要：
控制科学在解决21世纪的社会复杂问题上及跨学科问题方面具有不可替代的重要作用，也是能够提供最适当、最聪明方法的学科领域之一。今后的控制科学方法需要以一种集成的方式来考虑系统以及相关的设计要求。将控制科学与其它领域密切结合，解决我国经济与社会发展中基础技术科学、工业、农业、能源、国防、乃至国家安全所涉及的控制与自动化的重大基础理论问题，带动社会全面信息化和工业化的一些关键技术的发展。
一.模糊控制的产生
二.模糊控制的突出特点：
三.模糊控制的成功应用
四.模糊控制的展望
模糊控制应用领域涉及各各方面，控制方法也有广很大进展，模糊控制器的性能不断提高。模糊控制的理论和应用虽然已经取得了很大的进展，但尚缺乏重大的突破，因此模糊控制无论在理论和应用上都有待于进一步的深入研究和探讨。

关键词：
模糊控制发展成功应用展望

从模糊控制的成功看控制的发展

20世纪以来，控制科学与工程技术对近代世界技术文明的许多成就作出了巨大贡献，发展了许多研究方法和开创了不少交叉科学，它是现代技术科学的思想基石和方法学。控制科学与工程技术的历史是辉煌的，但我们应该面对客观世界的现实，更加积极地、严谨地开拓和创造未来。控制科学在解决21世纪的社会复杂问题上及跨学科问题方面具有不可替代的重要作用，也是能够提供最适当、最聪明方法的学科领域之一。今后的控制科学方法需要以一种集成的方式来考虑系统以及相关的设计要求。将控制科学与其它领域密切结合，解决我国经济与社会发展中基础技术科学、工业、农业、能源、国防、乃至国家安全所涉及的控制与自动化的重大基础理论问题，带动社会全面信息化和工业化的一些关键技术的发展。
一.模糊控制的产生
模糊控制是英国伦敦大学马达尼（E、H、Mamdani）教授首先提出的，他与1974年对发动机组的模糊控制进行实验并获成功，其后，丹麦对水泥生产炉的模糊控制实验又获成功，并与1980年开始实用化。自此以后模糊控制的应用急速发展，所谓模糊控制，就是用模糊数学方法实施的控制。传统的控制多用线性或非线性的各类方程组（微分方程组或积分方程组或代数方程组）描述系统的饿状态，困难大，而模糊控制的优点是可避开这些高此、非线性的状态方程的困难。他把人的知识或经验用模糊推理规则的形式记述并进行模糊推理，用计算机实施与人脑类似的巧妙控制。下面举一例说明之。
为了用空调机使室温保持在最适宜的温度（比如250C）模糊控制器（记为FCR）是怎样工作呢？首先FCR中设计一些模糊推理规则。像如下三条：
规则1 若室温热则加强制冷。
规则2 若室温适宜则制冷力保持原样。
规则3 若室温过冷则减弱制冷。
这些规则中，“热”、“适宜”、“过冷”、“强”、“原样”、“弱”等都是模糊集。当判明室内的温度（比如300C）时，FCR中的“精确- 模糊转换器”会按照预先设计好的算法，分别算出300C对模糊集“热”（记为H）、“合适”（记为G）、“过冷”（记为C）的隶属度H（30）、G（30）、C（30），然后FCR中的模糊算法器就根据规则1、2、3，按模糊推理方法算出模糊控制量。最后这模糊控制量再通过一个“模糊--精确转换器”化为确定的控制量，对空调机的制冷力强弱实施定量的控制，尽量保持室温在最适宜的温度。至于按模糊推理规则计算模糊控制量的算法，则多种多样，这里仅介绍马达尼的模糊推理法。按该推理法，上例中可求：
H（30）∧强（y ）=I(y)
G（30）∧原样（y）=Ⅱ(y)
C（30）∧弱（y）=Ⅲ(y)
其中符号“∧”表示“取小”，“强(y)”表示对“强”的隶属度，“弱(y)”表y对弱的隶属度等等，求模糊控制量就是求：B=Ⅰ∪Ⅱ∪Ⅲ，这里符号“∪”表集合的“并”运算，为求确定的控制量，一般是求B的重心值，由于这里是用H（30）、G（30）、C（30）分别对“强”、“原样”、“弱”的头部进行切割，所以此法也称“头切法”。例中C（30）=0，Ⅲ=0所以B实际是I、Ⅱ两面积的迭加，重心值宰65%处。本例说明了模糊空调的基本原理。
二.模糊控制的突出特点
(1)模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确的数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。
(2)由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对那些数学模型难以获取，动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。
(3)基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同，容易导致较大差异；但一个系统语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器。
(4)模糊控制是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平。
(5)模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。
三.模糊控制的成功应用
由于模糊控制的数学模型简单，效果又好，所以对各国政府和众多的企业都有极大的魅力，他们投入了大量的人力和财务，支持模糊控制应用的研究，现在不仅水泥炉、而且冶金炉、玻璃炉、化工过程的饿模糊控制也开发了，电车运行控制、集装箱吊装机控制、水净化厂药品注入控制等许多模糊控制都已开发成功，模糊控制的家用电器，像模糊空调机、模糊摄像机、模糊洗衣机、模糊沐浴器、模糊电饭煲等已相继上市且性能奇好。比如日本松下电器公司的神经-模糊洗衣机，就能根据衣服的布料质量数量，污渍的类型和程度，从13位专家设计的千余种洗衣方法中选择最适当的方法洗衣。日立全自动模糊洗衣机也能根据布量，布质决定水流的强度和洗涤的时间，其判决能力很接近人脑。因此模糊产品深受欢迎。日本、南朝鲜、台湾等地已先后出现过“模糊热”，非用“模糊”命名的产品卖不出去！今后原子炉运行控制，飞机离着陆控制，机器人等高水平的模糊控制，也必将研制成功。除模糊控制外，各种诊断的专家系统、证券投资系统、市场模糊预测、企事业单位评估、地震预报、声音图象识别等方面，也都有许多成果。
四.模糊控制的展望
模糊系统理论还有一些重要的理论课题还没有解决。其中两个重要的问题是：如何获得模糊规则及隶属函数，这在目前完全凭经验来进行；以及如何保证模糊系统的稳定性。大体说来，在模糊控制理论和应用方面应加强研究的主要方向为：
(1)适合于解决工程上普遍问题的稳定性分析方法，稳定性评价理论体系；控制器的鲁棒性分析，系统的可控性分析和可观性判定方法等。
(2)模糊控制规则设计方法的研究，包括模糊集合隶属函数设定方法，量化水平，采样周期的最优选择，规则的系数，最小实现以及规则和隶属函数参数自动生成等问题；进一步则要求我们给出模糊控制器的系统化设计方法。
(3)模糊控制器参数最优调整理论的确定，以及修正推理规则的学习方式和算法等。
(4)模糊动态模型的辨识方法。
(5)模糊预测系统的设计方法和提高计算速度的方法。
(6)神经网络与模糊控制相结合，有望发展一套新的智能控制理论。
(7)模糊控制算法改进的研究：由于模糊逻辑的范畴很广，包含大量的概念和原则；然而这些概念和原则能真正的在模糊逻辑系统中得到应用的却为数不多。这方面的尝试有待深入。
(8)最优模糊控制器设计的研究：依据恰当提出的性能指标，规范控制规则的设计依据，并在某种意义上达到最优。
(9)简单、实用且具有模糊推理功能的模糊集成芯片和模糊控制装置、通用模糊控制系统的开发和推广应用。
在短短20多年时间里，模糊控制得到长足发展。它的应用领域涉及各各方面，控制方法也有广很大进展，模糊控制器的性能不断提高。模糊控制系统易于接受，设计简单，维护方便，而且比常规控制系统稳定性好，鲁棒性高。由于它的这些特点，模糊控制正在得到越来越广泛的应用。但是我们也应该看到，模糊控制的理论和应用虽然已经取得了很大的进展，但是就目前的状况来看，尚缺乏重大的突破，因此模糊控制无论在理论和应用上都有待于进一步的深入研究和探讨。