模糊控制與系統(tǒng)

　　內(nèi)容提要模糊控制技術是現(xiàn)代工業(yè)與新產(chǎn)品開發(fā)的高新技術之一，在國內(nèi)外受到普遍重視。本書系統(tǒng)地敘述模糊控制技術的原理、方法及設計技巧。同時還包含了模糊系統(tǒng)模糊辨識方法以及模糊專家系統(tǒng)。本書作為研究生的教材，也可以作為大學本科生和工程人員的科學研究參考書。片斷：第1章模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1.1模糊控制系統(tǒng)產(chǎn)生的背景控制技術被廣泛地應用在各種工業(yè)技術領域里，成為現(xiàn)代高新技術的重要手段之一。隨著控制技術的發(fā)展，控制理論與方法也得到發(fā)展。除了對PID型控制器在應用前景方面的廣泛研究以外，狀態(tài)空間方法，隨機方法，優(yōu)化控制，濾子方法以及狀態(tài)估計法的理論研究及應用也取得了明顯的成功。經(jīng)典的控制技術有一個明顯的特征，即模型的結(jié)構(gòu)非常精確。它是根據(jù)控制系統(tǒng)的物理、化學以及力學等特征，導出一些常常是復雜的模型方程。求解這些方程需要比較復雜的算法。由于數(shù)值計算與計算機技術的發(fā)展，算法復雜性已不會太大影響實際控制的精度。但是在這些模型方程中含有眾多的參數(shù)需要估計，求解這些參數(shù)卻缺少足夠的信息量與信息特征。如果不能很好解決這些參數(shù)估計問題，再好的模型方程也是一個不太好的控制系統(tǒng)。目前研究的控制系統(tǒng)更多涉及到多變量、非線性、時變的大系統(tǒng)，系統(tǒng)的復雜性與控制技術的精確性形成了尖銳的矛盾。正如L.A.Zadeh所指出的，當系統(tǒng)日益復雜，人們對它的精密而有意義的描述的能力將相應地降低，以至達到精密與有意義成為兩個幾乎相互排斥的特征的地步。要想精密確切地描述復雜現(xiàn)象和系統(tǒng)的任何現(xiàn)實的物理狀態(tài)，事實上是辦不到的。這樣就迫使人們在控制系統(tǒng)的精確性與有意義之間尋求某種平衡和折衷。人們又重新回到實際控制系統(tǒng)。比如汽車駕駛系統(tǒng)，一個熟練的汽車司機可以自由地控制汽車通過各種狹窄的通道，躲避各種各樣的障礙物，但是應用經(jīng)典的控制理論建立模型方程的方法是相當困難而且不現(xiàn)實的。又如自動洗衣機系統(tǒng)，給出了洗滌、清洗與烘干的過程與過程選擇，事先由人們根據(jù)所洗衣服的的狀況對過程的各個步驟進行設定。一旦設定以后，洗衣機就根據(jù)設定進行控制操作整個洗衣服的過程。再如空調(diào)器，它本身不能理解人的感覺，當溫度迅速回升與迅速下降時，它不能夠迅速地將室溫控制到一個正常溫度。它總是按照某種設定的參數(shù)運行。為了加速升溫過程必須重新改變某種設定。在以上的系統(tǒng)中，人被理解為最成功的非線性控制器，而這種控制器的參變量則是時間變化的函數(shù)。人的經(jīng)驗參與控制過程的成功，激發(fā)了人們對控制原理的深入研究。這種原理是以能包含人類思維的控制方案為基礎，而且反映人類經(jīng)驗的控制過程的知識，以及可以達到的控制目的能夠利用某種形式表達出來，同時還很容易被實現(xiàn)。這樣的控制系統(tǒng)既避免了那種精密、反復、有錯誤傾向的模型建造過程，又避免了精密地估計模型方程中各種參數(shù)的過程。在多變量、非線性、時變的大系統(tǒng)中，人們可以采用簡單靈活的控制方式，這就是模糊控制器產(chǎn)生的背景。模糊控制器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的，比如說“溫度太高，溫度上升的速度也很快，就要采用大幅度降溫的控制策略”。對于用語言表達的這種經(jīng)驗必須給出一種描述的方式，而且這種經(jīng)驗是多種多樣的。比如還可以有經(jīng)驗規(guī)則“溫度稍低，升溫的速度很快，就要采用稍微降溫控制策略”。綜合考慮眾多的控制策略，即是一種常識推理規(guī)則。本書前言前言模糊控制技術作為現(xiàn)代工業(yè)與新產(chǎn)品開發(fā)的高新技術之一，受到國內(nèi)外普遍重視。1965年，美國加州大學自動控制專家Zadeh引入了模糊集合；974年，Mamdani將模糊集合方法用到控制技術取得了成功；80年代模糊控制技術得到了普遍的應用。于是，模糊理論與應用的研究及模糊產(chǎn)品的開發(fā)像一股強勁的風浪席卷世界各地。模糊控制技術能夠被廣泛重視，根本在于它反映了人類的經(jīng)驗與思維原則，并且能夠?qū)⑷藗冇谜Z言表達的知識予以量化，使模糊環(huán)境下的控制技術通過計算機實現(xiàn)成為可能。它排除了建立繁雜數(shù)學模型的艱難，使工業(yè)界技術人員更容易接受和實現(xiàn)。模糊控制技術的應用大大地超前于模糊控制理論的研究。本書是在大量應用成果的基礎上，綜述模糊控制技術的一般原理和方法。最核心的部分是模糊推理技術與模糊系統(tǒng)模型的建模技術。我于1994年在香港中文大學與梁怡教授、梁廣錫博士經(jīng)過近半年的科研合作，提出了包含度理論。理論上和實踐上都指出，包含度理論概括了模糊推理技術。同時，它也可以用來研究不確定性模糊規(guī)則的產(chǎn)生方法；可以研究模糊規(guī)則的諧調(diào)性以及矛盾規(guī)則的排除；可以研究模糊系統(tǒng)模型的建模方法；可以研究模糊專家系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。本書敘述嚴格，深入淺出，簡明扼要?？梢宰鳛楣こ虒W科研究生的教科書，也可作為工程研究人員的科研參考書。張文修1997.3.8

　　作者簡介張文修教授1910年出生，南京大學概率統(tǒng)計專業(yè)研究院畢業(yè)，現(xiàn)任西安交通大學研究生院院長。中國數(shù)學會常務理事，陜西省數(shù)學會理事長，多年來從事集值隨機過程、模糊數(shù)學以及人工智能研究，已出版12種專著和教材，已發(fā)表80多篇研究論文梁廣錫香港中文人學計算機科學與工程系教授。1980年荻倫敦大學博士學位。在人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法、模糊控制方面有深入研究，已發(fā)表90多篇研究論文。