模糊控制綜述

模糊控制綜述綜述：模糊控制與傳統(tǒng)的控制方法相比，不依賴于精確的數(shù)學(xué)模型，尤其適合于非線性、時(shí)變及時(shí)滯系統(tǒng)的控制。本文首先簡(jiǎn)要描述了模糊控制的產(chǎn)生背景及其發(fā)展過(guò)程，并介紹了模糊集合理論及其基本運(yùn)算。最后闡述了模糊控制需要解決的問(wèn)題，并對(duì)今后的研究方向進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：模糊控制，模糊集合1引言1.1模糊控制誕生的背景20世紀(jì)中葉以來(lái)，在科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展過(guò)程中，自動(dòng)控制理論與技術(shù)發(fā)揮了巨大的作用，并取得了巨大成就，是現(xiàn)代高新技術(shù)的重要手段之一。隨著社會(huì)和生產(chǎn)的發(fā)展，對(duì)自動(dòng)控制的響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性和適應(yīng)能力有了更高的要求。傳統(tǒng)控制要求被控對(duì)象具有確定的、線性化數(shù)學(xué)模型，而實(shí)際被控對(duì)象都不同程度存在非線性、建模困難的特點(diǎn)，因此傳統(tǒng)控制理論理論和技術(shù)難以甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)此類過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確的控制，控制研究領(lǐng)域面臨新的控制要求的挑戰(zhàn)。2模糊集合及其基本運(yùn)算2.1模糊集合的概念定義：論域X上的模糊集合A是用其隸屬函數(shù)來(lái)表征的。隸屬函數(shù)為一個(gè)映射rA：Xf［0,1］。對(duì)于x￡X，rA（x）稱為x屬于模糊集合A的隸屬度，記X上模糊集合的全體為F（X）。由此可見(jiàn)，模糊集合是經(jīng)典集合概念的一種推廣。經(jīng)典集合的特征函數(shù)只允許去0或1兩個(gè)值，即一個(gè)元素要么不屬于這個(gè)集合，要么屬于這個(gè)集合，沒(méi)有其他情況。而模糊集合允許其隸屬函數(shù)在區(qū)間［0,1］上任意取值，即給出了一個(gè)元素屬于一個(gè)模糊集合的程度。2.2隸屬函數(shù)的類型與建立隸屬函數(shù)的類型模糊集合完全可以由其隸屬函數(shù)來(lái)表征，除采用離散的有序數(shù)來(lái)描述隸屬度函數(shù)外，更普遍和更方便的是采用定義在實(shí)數(shù)軸的函數(shù)公式來(lái)描述。按照函數(shù)的曲線形狀，大致可分為三角形，梯形，鐘形三種隸屬函數(shù)。隸屬函數(shù)的確定盡管確定隸屬函數(shù)的方法帶有主觀因素，但是必然要受到應(yīng)用對(duì)象和應(yīng)用環(huán)境等客觀因素的制約。因此，隸屬函數(shù)的確定要遵循一定的基本原則，及隸屬函數(shù)的確定帶有主觀性，但是同時(shí)應(yīng)具有合理性。（1） 隸屬函數(shù)必須是凸模糊集（2） 隸屬函數(shù)是對(duì)稱和平衡的（3） 隸屬函數(shù)在論域上應(yīng)合理分布3模糊控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)模糊控制是作為結(jié)合傳統(tǒng)的并基于規(guī)則的專家系統(tǒng)、模糊集理論和控制理論的成果而誕生的，它與基于控制過(guò)程數(shù)學(xué)模型的傳統(tǒng)控制理論有很大的區(qū)別。要實(shí)現(xiàn)一個(gè)實(shí)際的模糊控制系統(tǒng)，需要解決三個(gè)問(wèn)題：知識(shí)的表示、推理策略和知識(shí)獲取。知識(shí)表示是指如何將語(yǔ)言規(guī)則用數(shù)值方式表示出來(lái)；推理策略是指如何根據(jù)當(dāng)前輸入“條件”產(chǎn)生一個(gè)合理的"結(jié)果”；知識(shí)的獲取解決如何獲得一組恰當(dāng)?shù)囊?guī)則。由于領(lǐng)域?qū)＜姨峁┑闹R(shí)常常是定性的，包含某種不確定性，因此，知識(shí)的表示和推理必須是模糊的或者近似的，近似推理理論正是為滿足這種需要而提出的。由于規(guī)則可被解釋成邏輯意義上的蘊(yùn)含關(guān)系，因此大量的蘊(yùn)含算子已被提出并應(yīng)用于實(shí)際中。3.1模糊控制系統(tǒng)的組成模糊控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的主要差別在于控制器，用模糊控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的控制器，因此模糊控制系統(tǒng)的核心在于模糊控制器，其基本結(jié)構(gòu)包括輸入量模糊化、知識(shí)庫(kù)、模糊推理和清晰化四個(gè)部分。模糊化模糊化部分的主要作用就是把輸入變量的精確值變換到其對(duì)應(yīng)論域上的模糊集合，以利用模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理。模糊化的具體過(guò)程如下：（1） 首先對(duì)這些輸入量進(jìn)行處理，以變成模糊控制器要求的輸入量。（2） 將上述已經(jīng)處理過(guò)的輸入量進(jìn)行尺度變換，使其變換得到各自的論域范圍。（3） 將已經(jīng)變換到的論域范圍的輸入量進(jìn)行模糊處理，使原先精確的輸入量變成模糊量，并用相應(yīng)的模糊集合來(lái)表示。知識(shí)庫(kù)知識(shí)庫(kù)中包含了具體應(yīng)用領(lǐng)域中的知識(shí)和要求的控制目標(biāo)。它通常由數(shù)據(jù)庫(kù)和模糊控制規(guī)則庫(kù)兩部分組成。（1） 數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括各語(yǔ)言變量的隸屬函數(shù)，尺度變換因子及模糊空間的分級(jí)數(shù)。（2） 規(guī)則庫(kù)包括了用模糊語(yǔ)言變量表示的一系列控制規(guī)則。它們反映了控制專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)。模糊推理模糊推理是模糊控制器的核心，它具有模擬人的基于模糊概念的推理能力。該推理過(guò)程是基于模糊邏輯中的蘊(yùn)含關(guān)系及推理規(guī)則來(lái)進(jìn)行的。清晰化清晰化部分用于將模糊推理得到的模糊控制量轉(zhuǎn)化為作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的精確控制量。它包含以下兩部分：（1） 將模糊的控制量經(jīng)清晰化變換，變成表示在論域范圍的清晰量。（2） 將表示在論域范圍的清晰量經(jīng)尺度變換成實(shí)際的控制量。5模糊控制的優(yōu)缺點(diǎn)5.1模糊控制的優(yōu)點(diǎn)(1)使用語(yǔ)言方法，可不需要過(guò)程的精確數(shù)學(xué)模型；⑵魯棒性強(qiáng)，適于解決過(guò)程控制中的非線性、強(qiáng)耦合時(shí)變、滯后等問(wèn)題有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力。具有適應(yīng)受控對(duì)象動(dòng)力學(xué)特征變化、環(huán)境特征變化和動(dòng)行條件變化的能力；5.2模糊控制的缺點(diǎn)(1)信息簡(jiǎn)單的模糊處理將導(dǎo)致系統(tǒng)的控制精度降低和動(dòng)態(tài)品質(zhì)變差⑵模糊控制的設(shè)計(jì)尚缺乏系統(tǒng)性，無(wú)法定義控制目標(biāo)。6模糊控制理論需解決的問(wèn)題模糊控制理論經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。但模糊控制理論也還存在一些不足，還有一些亟待解決的問(wèn)題，歸納如下：要揭示模糊控制器的實(shí)質(zhì)和工作機(jī)理解決穩(wěn)定性和魯棒性理論分析的問(wèn)題。很多應(yīng)用和經(jīng)驗(yàn)表明，模糊控制的魯棒性優(yōu)于傳統(tǒng)控制策略。但模糊控制和傳統(tǒng)控制的魯棒性的對(duì)比關(guān)系究竟是怎么樣,尚缺少理論分析和數(shù)學(xué)推導(dǎo)方面的比較。在多變量模糊控制中，需要對(duì)多變量耦合和"維數(shù)災(zāi)”問(wèn)題進(jìn)行研究，這些問(wèn)題的解決與否將是多變量模糊控制能否廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵模糊控制在非線性復(fù)雜系統(tǒng)應(yīng)用中的模糊建模、模糊規(guī)則的建立和推理算法的深入研究；模糊集成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法研究；自學(xué)習(xí)模糊控制策略的實(shí)現(xiàn)；7模糊控制研究方向展望模糊控制具有良好控制效果的關(guān)鍵是要有一個(gè)完善的控制規(guī)則。但由于模糊規(guī)則是人們對(duì)過(guò)程或?qū)ο竽：畔⒌臍w納，對(duì)高階、非線性、大時(shí)滯、時(shí)變參數(shù)以及隨機(jī)干擾嚴(yán)重的復(fù)雜控制過(guò)程，人們的認(rèn)識(shí)往往比較貧乏或難以總結(jié)完整的經(jīng)驗(yàn)，這就使得單純的模糊控制在某些情況下很粗糙，難以適應(yīng)不同的運(yùn)行狀態(tài)，影響了控制效果。模糊系統(tǒng)理論還有一些重要的理論課題沒(méi)有解決。其中兩個(gè)重要的問(wèn)題是如何獲得模糊規(guī)則及隸屬函數(shù)，這在目前完全憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行；以及如何保證模糊系統(tǒng)的穩(wěn)定性。大體說(shuō)來(lái)，在模糊控制理論和應(yīng)用方面應(yīng)加強(qiáng)研究的主要課題為：?適合于解決工程上普遍問(wèn)題的穩(wěn)定性分析方法，穩(wěn)定性評(píng)價(jià)理論體系；控制器的魯棒性分析，系統(tǒng)的可控性和可觀測(cè)性判定方法等。?模糊控制規(guī)則設(shè)計(jì)方法的研究，包括模糊集合隸屬函數(shù)的設(shè)定方法，量化水平，采樣周期的最優(yōu)選擇，規(guī)則的系數(shù)，最小實(shí)現(xiàn)以及規(guī)則和隸屬函數(shù)參數(shù)自動(dòng)生成等問(wèn)題進(jìn)一步則要求我們給出模糊控制器的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法。?最優(yōu)模糊控制器設(shè)計(jì)的研究:依據(jù)恰當(dāng)提出的性能指標(biāo)，規(guī)范控制規(guī)則的設(shè)計(jì)依據(jù)，并在某種意義上達(dá)到最優(yōu)。參考文獻(xiàn)：劉金餛.智能控制[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.趙明旺，王杰.智能控制[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2010.李士勇.模糊控制[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2011.⑷李國(guó)勇.控制工程及其MATLAB實(shí)現(xiàn)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.蔡自興.智能控制(第二版)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.崔濤，趙莉.模糊控制理論和應(yīng)用的發(fā)展概況[J].自動(dòng)化儀表,2002,23(7):1-3.葛新成，胡永霞.模糊控制的現(xiàn)狀與發(fā)展概述[J].現(xiàn)代防御技術(shù)