《智能设计方法》课件 6 模糊控制基础.pptx

第六章模糊控制基础演讲人

1模糊控制基本概念与发展历程随着科学技术的发展，各领域控制系统日益复杂多变，对系统稳定性、响应速度和控制精度等要求也越来越高。然而，实际应用中，人们很难以数学模型对复杂系统进行精确控制。例如存在，难以用一般物理学规律描述，多参数交叉耦合影响等问题。另外，某些特定生产过程中缺乏适当的测试手段，也将导致生产过程的数学模型无法建立。像建材生产中的回转窑、轻工生产中的造纸过程、食品生产中的发酵过程，钢铁生产中的退火、冶炼等温度控制过程，此类过程的变量较多，控制过程具有较强的非线性、时变性和耦合干扰性，过程机理错综复杂。对于此类被控对象和控制过程，传统控制方法效果往往不如经验丰富的操作人员的手动控制。这是因为，人脑有能力对模糊事物进行识别与判决，以模糊手段进行精确控制。操作人员通过不断学习、积累经验来实现对被控对象的控制，这些经验包括对被控对象特征的了解、在各种情况下相应的控制策略及性能指标的判据。人的经验信息通常是以自然语言的形式表达的，其特点是定性的描述，所以具有模糊性。由于这种特性使得人们无法用现有的定量控制理论对这些信息进行处理，需要探索出新的理论与方法。

1模糊控制基本概念与发展历程1.1模糊控制概念模糊控制(FuzzyControl)是指模糊逻辑与理论在控制领域上的应用。它用语言变量代替数学变量或两者结合应用；用模糊条件语句来刻画变量间的函数关系；用模糊算法来刻画复杂关系，是具备模拟人类学习和自适应能力的一类控制系统。

模糊控制的优点有：

①无需预先知道被控对象的精确数学模型；

②容易学习和掌握，控制规则是人为经验总结，以条件语句表示；

③有利于人机对话和系统知识处理，以人语形式表示控制知识，控制逻辑更加接近于人类思维。

这些特性使得在很多工业控制中，熟练工人的经验可以直接应用。与常规的控制系统相比较，模糊控制系统可以解决更复杂系统的控制问题。

1模糊控制基本概念与发展历程1.2模糊控制起源与发展模糊集合由美国控制理论专家扎德教授于1965年首次提出，从而开启了模糊数学及其应用的新纪元。1973年，扎德继续丰富和发展了模糊集合论，提出把逻辑规则语言转成控制量的思想，从而奠定了模糊控制的理论基础。模糊集合理论的诞生，为处理客观世界中存在的一类模糊性问题提供了有力的工具。同时，也适应了自适应科学发展的迫切需要。正是在这种背景下，作为模糊数学一个重要应用分支的模糊控制理论便应运而生了。

模糊集理论在控制领域里的应用开始于1974年。英国科学家曼丹尼首次将模糊集理论应用于锅炉和蒸汽机的控制系统中，开辟了模糊集理论应用的新领域。这一开拓性的工作，标志着模糊控制论的诞生。1975年以后，产生了许多模糊理论应用的例子。其中比较典型的有热交换过程的控制、暖水工厂的控制、污水处理过程控制、交通路口控制、水泥窑的控制、飞船飞行控制、机器人控制、汽车速度控制、水质净化控制、电梯控制，

1模糊控制基本概念与发展历程1.2模糊控制起源与发展以及家电产品的控制，并且生产出了专用的模糊芯片和模糊计算机。从1979年开始，我国也开展了模糊控制理论及其应用方面的研究工作。至今，世界上研究“模糊”的学者已过万人，研究范围从单纯的模糊数学到模糊理论应用、模糊系统及其硬件集成与知识工程和控制方面有关的研究方向主要包括模糊建模理论、糊序列、模糊识别、模糊知识库、模糊语言规则、模糊近似推理等。

最近几年，对于经典模糊控制系统稳态性能的改善，模糊集成控制、模糊自适应控制专家模糊控制与多变量模糊控制的研究，特别是针对复杂系统的自学习与参数或规则自调整模糊系统方面的研究，尤其受到各国学者的重视。目前，将神经网络和模糊控制技术相互结合，取长补短，形成一种模糊神经网络技术，由此可以组成更接近于人脑的智能信息处理系统，其发展前景十分诱人。

2模糊控制理论基础基本思想原始的生产过程控制为手动控制，即通过眼-脑-手之间的相互配合，实现加工过程的观察-决策-调整，从而完成整个生产过程。随着科学和技术的进步，逐渐采用如测量仪表、传感器等测量装置完成对被控制量的观测；利用如磁效大器，PID调节器等控制器部分地取代人脑的比较、综合和决策；使用如伺服电机、气动调节阀等执行机构对被控对象(或生产过程)施加某种控制作用，起到人手的调整作用。上述由测量装置、控制器、被控对象及执行机构组成的自动控制系统，就是我们所悉知的常规负反馈控制系统。图6-1给出了负反馈控制的系统框图。

经过人们长期研究和实践形成的经典控制理论，对于解决线性定常系统的控制问题是很有效的。然而，经典控制理论对于非线性时变系统难以奏效。随着计算机尤其是微机的发展和应用，自动控制理论和技术获得了飞跃的发展。

2模糊控制理论基础基本思想基于状态变量描述的现代控制理论对于解决线性或非线性、定