模糊控制的研究與發展

王剛

摘要：分析了模糊控制的發展概況及研究現狀，闡述了模糊控制的系統組成、過程及其特點，并對其穩定性分析進行了說明；簡述了模糊控制需靠硬件來彌補實時性控制不足的要求，指出了模糊控制仍然存在如精度不足、隸屬度函數的制定以及控制規則仍然靠專家的知識經驗、沒有系統化理論的支撐等缺陷，并對發展前景做了展望。

關鍵詞：智能控制；模糊控制；模糊理論

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）01-0010-02

隨著科學技術的迅猛發展，模糊控制技術已經在世界上普遍的應用，是當今先進的智能控制方法之一。雖然模糊控制理論的提出距今只有幾十年時間，但由于它具有不需被控對象的精確數學模型、速度快、魯棒性好等優點，使得它在某些應用領域具有不可替代性，研究性意義長遠而悠久。

1 模糊控制理論發展研究

模糊控制是模擬人的思維、推理和判斷的一種控制方法，它將人的經驗、常識等用人的語言的形式表達出來，建立一種適用于計算機處理輸入輸出過程的模型。相對于經典控制理論和現代控制理論，模糊控制理論能避開應用中需要建立被控對象的精確數學模型，處理一些無法建模和無法精確化的問題。

模糊控制理論發展初期在西方遇到了很大的阻力，西方學者普遍認為模糊控制在應用研究中意義不大。然而，在東方尤其是日本，模糊控制卻得到了迅速的發展，20世紀80年代，日本的工程師用模糊控制技術首先實現了對一家電子水凈化工廠的控制，又開發了仙臺地鐵模糊控制系統，創造了當時世界上最先進的地鐵系統，而這引起了模糊控制領域的一場巨變，使得西方又開始重視模糊控制理論[1]。

模糊控制的研究主要集中在控制器的研究和開發上，目前模糊控制器已經在很多領域有了廣泛應用。當前市場上存在的控制器種類繁多，出現了為實現模糊控制功能的各種集成電路芯片。由于模糊控制存在的缺陷，學者對模糊控制與其他智能控制的結合進行了研究，效果也明顯優于常規控制器。

2 模糊控制過程及特點

2.1 模糊控制過程簡述

模糊邏輯控制（Fuzzy Logic Control）簡稱模糊控制（Fuzzy Control），是指在控制方法上應用模糊集合、模糊語言變量和模糊邏輯推理，通過模擬人腦思維，對一些無法建立數學模型的過程進行控制的一種計算機數字控制技術。

基本的模糊控制系統一般由模糊化、模糊推理、解模糊三部分組成，如圖1所示，模糊化即將相應的模糊控制器的輸入量轉換為符合人類規則的模糊語言變量，此語言變量可由隸屬度函數確定。

一般的模糊控制器采用誤差（e）及誤差變化（ec）作為輸入語言變量，而模糊推理是基于專家的知識及日常經驗制定的相關規則，這些規則是一些條件語句，它們通常用IF A THEN B表示，調整和校準模糊規則是模糊控制中的關鍵環節。解模糊是模糊系統的重要組成部分，是將模糊推理中產生的模糊量轉化為精確量。常見的方法主要有最大隸屬度值法、面積平均法、重心法等。一個好的模糊控制過程就是選用合適的隸屬度函數進行模糊化，運用合理的推理方法得到結論，采用適當的解模糊方法還原出精確量。

2.2 模糊控制的特點

模糊控制系統模擬人的思維進行模糊規則的構建，易于理解、設計簡單，調整和校準控制規則相對方便。其次，模糊控制具有控制速度快、魯棒性好的特點。模糊控制的上升特性比其他控制方法好，干擾和參數的變化對控制效果的影響被大大削弱，尤其適合于非線性、時變及純滯后系統的控制。專家在控制策略制定時對進行模糊控制本身具有自預測能力進行了充分的估計和預測。

模糊控制優點很多，但是短板仍然不容忽視。1）模糊控制是將控制變量進行了模糊化處理，將精確量轉換為了模糊規則語言變量，這一轉換必然會導致控制的精度降低，使動態控制的質量變差。2）控制器的設計缺乏系統性，這是由于模糊規則及其隸屬度函數的制定是基于專家的知識和經驗導致的，人類對自然界的認識是有限的，我們不知道專家所制定的模糊規則是不是全面且準確的，進而無法避免意外事件的發生，模糊控制仍有較大不足。

3 模糊控制穩定性分析

穩定性分析是模糊控制過程的基本問題，由于模糊控制規則的制定及隸屬度函數的選取都是基于專家的知識與經驗，其穩定性分析不如常規控制器來得容易。T-S模型的提出及在其模型下的模糊控制穩定性分析研究近些年有了顯著進展，通過使用T-S模糊模型對非線性系統進行建模，可將非線性系統模型表示為一系列線性系統模型的加權平均，因此可以使用線性系統理論來分析模糊控制系統的穩定性和控制設計問題，這給控制理論研究尤其是模糊控制的研究帶來了非常重要的影響[2]。

4 模糊控制的硬件發展

模糊控制設計方法越來越多，也越來越完善，但是無法滿足對實時性要求非常高的控制條件，這時常用硬件來彌補。1992年，德國Inform公司和西門子公司聯合研制生產出了FUZZY-166，被稱為第三代模糊微處理器。Neural Logic公司生產的NLX220，主要用于模糊識別，而且該公司還生產有很多專用模糊芯片。另外，日本的歐姆龍公司投入市場的模糊芯片已有FP1000，FP3000，FP5000和FP7000等多種，它們都是數字式模糊處理器，其中，FP5000的處理速度可高達1千萬條規則每秒，可以說技術相當先進[3]。

5 結語

模糊控制理論在生產生活中的實際應用越來越多，包括工業控制領域、家用電器、自動化領域和其他諸多行業，解決了傳統控制方法無法解決或者難以解決的問題，取得了令人矚目的成果，其最大的貢獻就在于它不需要建立確定的數學模型，這給人類的智慧直接運用到控制領域搭好了橋梁。

模糊控制雖然發展迅速，但是在某些領域，它并不及常規控制效果好，而且模糊控制系統的穩定性問題至今仍然沒有被完全論證。目前模糊控制理論研究仍然滯后于實際應用，這是由于人類的某些經驗無法量化導致的，因此我們應該加強相關理論的研究，讓理論促進實踐的發展，這樣才可以使人類智慧系統化地服務于整個社會的進步。

參考文獻

[1]彭勇剛.模糊控制工程應用若干問題研究[D].杭州：浙江大學，2008.

[2]謝振華，程江濤.自適應模糊控制幾個基本問題的研究進展[J].電光與控制，2000，78：15-17.

[3]劉曙光，王志宏，費佩燕，王斌.模糊控制的發展與展望[J].機電工程，2000，01：9-12.