CAA 科普:模糊控制

2021-02-15 中國自動化學會

模糊控制是以模糊集合理論為基礎的一種新興的控制手段,它是模糊系統理論和模糊技術與自動控制技術相結合的產物。自從這門科學誕生以來,它產生了許多探索性甚至是突破性的研究與應用成果,同時,這一方法也逐步成為了人們思考問題的重要方法論。

1965年美國的控制論專家L. A. Zadeh教授創立了模糊集合論,從而為描述,研究和處理模糊性現象提供了一種新的工具。一種利用模糊集合的理論來建立系統模型,設計控制器的新型方法——模糊控制也隨之問世了。模糊控制的核心就是利用模糊集合理論,把人的控制策略的自然語言轉化為計算機能夠接受的算法語言所描述的控制算法,這種方法不僅能實現控制,而且能模擬人的思維方式對一些無法構造數學模型的被控對象進行有效的控制。

我們都知道在現實生活中的一些概念是有著明確意義的,比如說「一個」,「男人」,「貨幣」等概念,對於這些明確的概念,在數學中常常用經典集合來表示。但是現實生活中不是每個概念都是很明確的,比如我們說「青年人」這個概念,你能在年齡軸上劃兩條線,表明在兩條線內的就是青年人,而在其外的就截然不是青年人嗎?顯然這樣做是不行的,因為人的生命是一個連續的過程,一個人從少年走向青年是一日一日積累的,同樣,一個人從青年步入中年也是一個漸變的過程。我們把這樣的一類概念稱之為模糊概念。模糊集合理論就是處理這些模糊概念的。

將模糊集合理論運用於自動控制而形成的模糊控制理論,在近年來得到了迅速的發展,其原因在於對那些時變的非線性的複雜系統,當無法獲得精確的數學模型的時候,利用具有智能的模糊控制器能給出有效的控制。例如,在煉鋼,化工,人文系統,經濟系統以及醫學心理系統中,要得到正確而且精密的數學模型是相當困難的。對於這些系統卻具有大量的以定性的形式表示的極其重要的先驗信息,以及僅僅用語言規定的性能指標。同時,要求過程的操作人員是系統的基本組成部分等。所有這些都是一種不精確性,應用一般的控制理論是很難實現控制的,但是,這類系統由人來控制卻往往容易做到。這是因為過程操作人員的控制方法是建立在直觀的和經驗的基礎上,他們憑藉實踐積累的經驗,採取適當的對策完成控制任務,於是,人們把操作人員的控制經驗歸納成定性描述的一組條件語句,然後運用模糊集合理論將其定量化,使控制器得以接受人的經驗,模仿人的操作策略,這樣就產生了以模糊集合理論為基礎的模糊控制器。模糊控制理論的提出是控制思想的一次深刻的變革,它標誌著人工智慧發展到了一個新的階段。

隨著計算機及其相關技術的發展,模糊控制也由最初的經典模糊控制發展到自適應模糊控制,專家模糊控制和基於神經網絡的自學習模糊控制。其實現方式也由最初在微型機(單片機)上用軟體方法實現發展到應用模糊控制開發出模糊計算機進行直接控制。

模糊控制作為智能領域中最具有實際意義的一種控制方法,已經在工業控制領域,家用電器自動化領域和其他很多行業中解決了傳統控制方法無法或者是難以解決的問題,取得了令人矚目的成效。已經引起了越來越多的控制理論的研究人員和相關領域的廣大工程技術人員的極大興趣。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於進一步的深入研究和探討。

來源:中國科普博覽

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