模糊控制技术及其应用

模糊控制技术及其应用

余永权

作者简介:余永权广东工业大学教授、计算机应用研究室主任、Motorola单片机应用研究开发中心主任。1970年毕业于广东工学院自动化专业,一直从事计算机教学及研究工作。70年代初以来,参加了广东省第一台中型计算机的研制,以及矿山计算机监控系统、模糊控制、单片机、模糊家用电器等30多个项目的研究和组织开发。发表论文70余篇,出版了《单片机模糊逻辑控制》等著作5本。1993～1994年,在多伦多大学进行高级控制系统研究,回国后从事单片机控制网络、神经网络、模糊控制等方面的研究。模糊控制作为一种新颖的控制方法,越来越受到人们的重视。如果说,传统的控制是从被控对象的数学结构上去考虑进行控制的,那么,模糊控制则是从人类智能活动的角度和基础上去考虑实施控制的。在实际应用中,传统控制方法无能为力的非线性场合,模糊控制却能发挥得淋漓尽致,这使人们对模糊控制不得不另眼看待。目前,人们已经公认:模糊控制是实际应用中最有效的控制方法。一、模糊控制的发展从1965年美国加州大学自动控制专家L.A.Zadeh提出模糊集合论以来,模糊理论的研究已取得不少成果。1974年,英国的Mamdani首次用模糊逻辑及模糊推理实现了对蒸汽机的自动控制,从而宣告了模糊控制历史的开始。今天,在各种工业控制过程或者产品中,模糊控制已成为受欢迎的技术。家用电器、机器人、汽车、工业生产过程中的模糊控制都取得了极大的成功。模糊集成电路和模糊计算机、模糊逻辑开发系统的研究也取得了令人惊喜的进展。对模糊控制一直持怀疑和观望态度的美国,近几年也表现出前所未有的热情。 1.模糊控制理论和技术现状模糊控制理论需要解决的系统方法有:人的知识和经验的表达、知识推理的法则、人的知识的获取和总结、模糊控制系统和稳定判据、模糊控制系统的学习、模糊控制系统的分析及模糊控制系统的设计等。目前,各国学者提出的模糊推理方法不下几十种,但还没有一种方法能在各方面都表现出最大的合理性。在研究模糊控制系统的稳定性方面取得了一定成果,但稳定性理论还很不完善,有的稳定性判别还在走传统的精确系统的李雅普诺夫准则的老路,未能建立全新的方法。有的虽然已利用模糊理论对单输入单输出系统建立稳判别条件,但多输入系统的稳定问题尚未解决。至于模糊学习、系统分析和系统设计,基本上还没有一套合理而完整的理论方法。模糊控制技术需要解决的具体问题有:模糊控制器的构造、模糊信息与精确信息转换的物理结构和方法、模糊控制器对外界环境的适应性及适应技术、实现模糊控制系统的软技术、模糊控制器和被控对象的匹配技术等。模糊控制技术所要解决的是实用的具体问题,它在实际应用中取得了出人意料的成功。模糊控制器的构造目前已有三种不同的技术:第一种是采用传统的数字单片机或微型机作为物理基础,这种模糊控制器需要相应的软件才算构造完毕。第二种是用模糊单片机或集成电路芯片构造模糊控制器,利用配置数据来确定模糊控制器的结构形式。第三种是采用可编程门阵列构造模糊控制器,这主要是构造控制表,所以事先要进行脱机处理,形成描述模糊控制器的控制表。模糊信息与精确信息转换的问题,目前基本采用A/D、D/A转换和软件相结合的方法。其实,无需软件介入,A/D和D/A转换也可以作为模糊信息与精确信息的转换器件和方法之一。模糊控制器对外界的适应性问题目前还没有一种专门的良好的技术,大多还是沿用传统的技术,或者依赖于集成电路本身的工艺水准。实现模糊控制系统的软技术包括对系统的仿真和实际工作软件等。目前,已有多种仿真系统出现,Motorola、富士通、NEC、Neturalogix和国家半导体公司等都有相应的系统产品。不过,这些产品也有尚待提高的地方。国内的清华大学、广东工业大学也开发出了模糊推理机的有关软件和仿真系统。模糊控制器和被控对象匹配技术目前仍依赖于人们的经验;模糊理论中关于模糊模型的问题还有待深入研究。所以,在这种匹配技术中,人为的因素起着较大作用。

2.模糊控制的特点模糊控制在短短20年中取得了令人瞩目的结果。这主要在于它有一些十分明显的特点: (1)无需知道被控系统的数学模型。模糊控制是以人对被控系统的控制经验为依据而设计控制器的,故无需知道被控系统的数学模型。 (2)是一种反映人类智慧思维的智能控制。模糊控制采用人

类思维中的模糊量,如"高"、"中"、"低"、"大"、"小"等,控制量由模糊推理导出。这些模糊量和模糊推理是人类通常智能活动的体现。 (3)易为人们所接受。模糊控制的核心是控制规则,这些规则是以人类语言表达的,例如"衣服较脏,则投入洗涤剂较多,洗涤时间较长"。这是洗衣服时的控制规则。很明显,易为一般人所接受和理解。 (4)构造容易。如果用微型机系统或单片机来构造模糊控制系统,其结构和一般数学控制系统无异,模糊控制方法是用软件实现的。如果用模糊单片机构造模糊控制系统,则更为方便,基本上只要给模糊单片机设置好数据就可以了。 (5)适应性好。模糊控制系统无论被控对象是线性还是非线性的,都能执行有效的控制,具有良好的鲁棒性和适应性。 3.模糊控制的发展趋向根据目前的情况,模糊控制将在理论研究、方法技术、系统结构三个方面进一步发展。 (1)理论研究目前,人们正在探讨及研究的问题是:隶属函数的最优化问题,包括形状优化及个数优化问题;控制规则的优化问题,包括控制规则中零件优化、系数优化、控制规则条数优化;隶属函数及控制规则的学习及自动生成问题;量化准则及量化水平及采样周期优化稳定选择问题。模糊控制系统的稳定性判据、稳定性分析和稳定性评价方法,也是人们不断寻求解决的问题。模糊控制器的参数最优化理论、自学习和自适应方法也是热门研究课题。模糊模型的辨识方法和模糊模型的优化问题是一个人们日益重视的问题。模糊控制和神经网络相结合则是目前研究较多的时尚课题。上述问题都在不同程度上取得了一定的成果。例如,Mikio Maeda等提出的对控制规则进行校正的实时学习校正法;Takagi等提出的李雅普诺夫直接法判别模糊控制系统稳定性的方法;陈建勤等人提出的用模糊集理论对系统的稳定性判别方法等。但所有的问题都未能全面解决,还需进一步研究。 (2)方法技术对实现模糊控制而言,重要的是模糊控制器的形式。目前,有多种模糊控制构成方法和技术。最基本的是三维模糊控制器,它的输入只考虑偏差以及偏差变化率。新的结构有四维模糊控制器,它有两种不同的形式。一种是考虑以输入为偏差、偏差变化率和偏差二阶变化率的控制器;另一种是考虑以输入为偏差、偏差积分和偏差变化率的控制器。此外,还有模糊PID控制器,施密斯模糊控制器、变结构模糊控制器等。自适应、自学习模糊控制器是目前模糊控制技术发展的一个重要方向。在这类控制器中,对比例因子进行自调整的模糊控制器在实际应用中取得了较好的效果。 Takagi等人提出了模糊模型的识别方法和根据模糊模型产生控制器的控制规则。这是一种十分吸引人的方法。这种方法隐含着以模型为依据的控制器自动生成。而胡少华等则提出了根据系统的输入输出数据建立对象的模型,并以此来自动生成控制器的模糊控制规则。 C.James.Li等人提出了基于PI积分器的自学习模糊控制器。也有人利用

R.H.Middleton等人提出的机器人重复控制方法组成了自学习模糊控制系统。新型的模糊控制也是今天人们研究的重点。新型模糊控制基本是建立在模糊控制和其他控制技术基础上的。目前,涉及较多的有模糊预测控制、专家模糊控制、模糊神经网络控制等。模糊预测控制是把模糊控制技术与预测控制技术相结合的一种复合型控制技术。预测控制对控制的效果进行预估,而模糊控制则执行对被控制对象的控制。专家模糊控制则是把专家系统技术和模糊控制技术结合在一起。它可以用基于专家系统得出的模糊控制规则执行控制,也可以用模糊方法建立专家系统而执行控制。专家模糊控制在本质上讲是人工智能与模糊控制结合的一种结果。模糊神经网络控制有时也简称为模糊神经控制,它把模糊控制和神经网络结合在一起。它也是人们目前最感兴趣的方向。模糊神经网络控制主要有两个方向:一个是用神经网络实现模糊控制规则,另一个是用模糊规则来描述神经网络的权系数。最值得注意的是:加拿大Manitoba大学的W.Pedrycz在1993年提出的模糊神经元概念,并以此为基础提出了对模糊控制器、模糊决策、模糊量表达等问题的解决方法。 1994年,加拿大Saskatchewan大学的

M.M.Gupta等也提出了模糊神经结构,并给出了基于偏差和基于输出的学习方法。在模糊神经网络控制技术中,较多采用的是梯度算法或BP算法。但是目前人们对遗传算法给于高度的重视,并以其对控制规则进行自调整。在神经网络中,除了BP网之外,还有人对ART1网以及Kohonen网和模糊控制相结合进行研究。模糊神经网络控制的关键问题仍然是权系数优化的问题。如果在算法速度上得不到解决,在实时控制中的意义将会荡然无存。所以,目前人们都在为此而努力。一种好的技术,不在于它的描述是否美妙,而在于它的客观应用效果。实用可行的技术应是模糊神经网络控制必须高度重视的问题。

(3)系统结构模糊控制系统结构和传统控制系统并无本质的区别,它们之间的区别仅在于控制器的不

同。模糊控制器的物理构成一直是人们努力解决的问题。用微机或单片机构造模糊控制器时,模糊控制器的功能主要是通过软件来实现的。这也是目前模糊控制器的主要实现方法。从1985年起,人们就探索用硬件直接构造模糊控制器。M.Togai等人用大规模集成电路组成了一个模糊控制器,它每秒可以执行8万条模糊逻辑推理。1990年,H.Watanabe等开发了一种大规模集成电路模糊控制器,其速度为每秒执行58万条模糊逻辑推理。模糊控制器一般采用控制表实现模糊控制功能。1989

年,M.A.Manzoul采用可编逻辑阵列PLA实现了模糊控制器。1990年,S.Tayal用ROM构成了模糊控制器,从而展示了另一种可行的途径。1991年,M.A.Manzoul等人干脆用组合电路实现模糊控制器。同年年底,D.Jayabbarathi提出了用场可编程门阵列构造模糊控制器。1993年完成了用Xilinx公司的

XC3000系列芯片构造模糊控制器的实际工作。模糊控制器的构造思想是基于描述模糊控制的布尔方程的。采用XC3020PC68可编程门阵列芯片构成的模糊控制器,对于单输入单输出系统来说,如果模糊划分为4档,则速度为每秒6000万条模糊推理;如果模糊划分为32档,则速度为每秒2200万条模糊推理。采用XC3030PC84芯片构成的两输入单输出系统,在模糊划分为4档时,速度为每秒5000万条模糊推理;在划分为16档时,速度为每秒900万条模糊推理。 1992年,美国Neuralogix公司推出了模糊单片机NLX230系列。该系列单片机可以执行模糊化、反模糊化和模糊推理等一系列工作,是一种完整的模糊控制器。其速度每秒可执行3000万条模糊推理;内部可用数据设定隶属函数、推理规则、反模糊化方法等。1993年,该公司又推出了改进的新一代模糊单片机系列NLX22X。这个系列内部含有A/D、D/A 转换器,隶属函数种类也较多,引脚也减少到28个,因而更适合于实际应用。日本富士通公司1993年也推出了模糊单片机MB94140系列。它的结构较为特别,内部是数字单片机与模糊推理机相结合,并且含有利于控制的I/O接口部件。这个系列模糊单片机采用Max-Min推理法,允许模糊量为64个,模糊划分为16档,反模糊化用重心法,芯片引脚为64个。采用模糊单片机构成模糊控制器是目前最有效的方法。它具有容易实现、灵活性好、开发方便、开发时间较短等一系列优点,将是今后的主要研究方向。二、国内发展现状国内模糊控制技术的状态大致可分为三种: 1.一般层次的实验性研究和实践目前,这一层次占有较大的比例。该层次的工作主要是对模糊控制进行一种尝试和验证, 基本使用原有的Mam-dani技术。 (下转第100版)模糊控制技术及其应用 (上接第99版) 这个层次的研究有下列特点: ①系统结构较简单,通常为SISO系统。②采用Max-Min法的控制表。③系统设有自组织能力。④对控制器无特别的工艺要求。⑤大多数系统在实际中可以应用。目前,杂志上发表的一些实用系统基本上属于这一范畴。例如,伺服电机控制、机床切削控制、水泥煅烧控制、机器人定位控制、交流电机速度控制、玻璃生产锡糟加热控制、温度过程控制等。这类系统目前在日益增多。 2.高层次的导向性研究这个层次主要是进一步完善模糊控制技术,提高模糊控制的水平和效果。这个层次的研究具有很重要的导向作用,原因在于这种研究所得出的实际系统向社会提供了各种新技术,并

给出各种能吸引人的模糊控制器。这个层次的研究主要反映在如下三个方面: ①新型模糊控制器的研究近几年来,国内对新型模糊控制器的研究有不少成果。这些成果有神经模糊控制器、变结构滑模模糊控制器、复合模糊控制器、自适应模糊控制器、多维分层模糊控制器、最优模糊控制器、预测模糊控制器等。②模糊控制器结构的研究如何用硬件构成一个模糊控制器,在国内也有一些人研究。目前,主要有用微型机系统作为模糊控制器的硬件、用数字单片机构成模糊控制器、用模糊单片机作为模糊控制器,以及用集成电路构成模糊控制器。无论采用什么形式,结构技术研究的目的都要解决模糊接口和反模糊接口的问题和模糊推理的执行方法问题。③新型模糊推理及算法研究在实用技术中,为了提高推理的准确性,国内的学者提出了直接法、准确值法等方法;另外还有一些人提出了各种改进方法。在算法上和控制表的基础上,有人提出了解析式算法,有人提出了模糊映射算法、变因子算法、简化算法、自学习算法等。模糊推理和算法还有不少人在探讨,特别是技术上的问题主要有两个重点:一个是准确,一个是快速。 3.高可靠性产业化研究这是一种工艺与技术高度结合的层次。其主要目的是把模糊控制作为一种产业化技术和产品一道投入市场。这个层次对模糊控制器有严格的要求,它包括如下若干点: ①控制器的体积及电路板必须符合产品安装要求。②必须有良好的工艺。③必须有良好的抗干扰能力,以适应产品的使用环境。④适应能力必须符合产品的分散性。⑤控制器

必须采用最少元件组成,有极好的经济性。⑥功能必须满足未来几年的市场需要。模糊控制技术产业化并非一件容易的事,除了非技术性原因之外,从技术角度来说它是一种高难技术。国内个别企业在模糊控制产业化生产中,由于对产品的质量没有给以足够的重视,从而导致失败和反复。在模糊控制技术产业化方面,广东工业大学计算机应用研究室取得了可喜的成绩。该室有长期的模糊家用电器研究的经验,对生产工艺高度重视,研究作风严谨。单是研究模糊电饭锅,就用了几百斤大米煮饭。研究出来的模糊电饭锅,有的功能比日本名牌产品好得多。目前,该室已有一部分成果转让给企业进行大批量生产。三、开发中需要注意的问题在模糊控制热兴起的今天,要使模糊控制技术能健康发展并在经济建设中发挥作用,就要求人们头脑冷静,并且采用一些恰当的方法。 1.选用控制方法的准则对于一个特定的控制系统,选用一种什么控制器往往是系统设计者首先要考虑的问题。控制器的选择应当遵循下列原则: ①能达到给定指标的最简单的控制器是最合适的控制器。②能满足给定指标的最便宜的控制器是最合适的控制器。③能满足给定指标的最可靠的控制器是最合适的控制器。模糊控制器是现存的众多控制器中的一种,它的采用是因为在某些领域和其他控制器相比更为有效。但模糊控制器不是灵丹妙药,不是万金油,并非在任何时候都比其他控制器优越。对于一般的线性系统,现有的数字控制器,包括PID控制器、快速无改波控制器、自适应控制器等通常都能解决问题,并且有良好的精确度。因此,不一定要采用模糊控制器。何况,模糊控制器在静态时存在一定的偏差,精度并不理想。例如电机控制,其传递函数是十分清晰的,采用数字控制已可达到预期目标,而不必采用模糊控制。对于不明确的系统、数学模型难以求取的系统、数学模型复杂难以用传统控制实现的系统,或者采用传统控制方式不十分凑效的系统,采用模糊控制是恰当的。 2.防止假冒模糊控制采用模糊控制的家用电器产品有较好的声誉和经济效益。所以,生产厂家希望能在自己的产品上使用这种技术,以提高档次和知名度,进而提高产品的竞争能力。在这种情况下,就产生了假冒模糊控制的现象。有些水准较差的技术人员对模糊控制不熟悉,或把握不准,或者为了经济上利益,而采用"欺骗"的手段对待生产厂家。主要表现为两种作法:一是把用传统数字控制方法(例如PID、改进的PID控制等)说成是模糊控制。二是把控制上功能单一的模糊控制夸大成无所不能、无所不在。这种假冒模糊控制的行为将导致生产的不正常,无法实现产业化,最终将导致失败。要防止假冒模糊控制的产品,关键是技术上的鉴别。厂家可以要求为其开发模糊产品的机构提供足够的技术资料以供分析;还可以对其提供的模糊控制器进行定量测试;并请真正内行的有丰富经验的专家进行技术鉴定。 3.模糊控制技术的鉴别目前,一些技术人员认为模糊控制器和传统的数字控制器之间是无法进行技术区分的,特别是当一个控制器已在一个过程或产品中应用的时候尤其如此。所以,有些人就冒然把一般数字控制器说成是模糊控制器,既蒙骗了厂家又哗众取宠,在职业道德上,这是极不可取的行为。在模糊控制器和数字控制器之间是有很多区别的。第一,模糊控制器是非线性控制器,对于二维模糊控制器而言,它的输入输出特性是一条阶梯曲线;对三维模糊控制器而言,它的输入输出特性是一个阶梯曲面。也就是说,输入端输入的信号在某一范围变化时,模糊控制器会输出同一个信号,这是一般数字控制器不具有的特点。而数字控制器在输入端输入一个信号时 ,输出端必定有一个信号与之对应。当输入信号在一个范围变化时,输出信号也会在一定范围内变化;除非控制器工作在饱和状态。第二,模糊控制的算法不是一般的差分方程。数字控制器的算法在计算机中表示为差分方程。而大多数模糊控制都是首先脱机处理,求出基于控制规则基的控制表,然后以控制表去执行控制;也有一些采用非线性控制算式去执行控制;极个别是对模糊矩阵执行运算后求取控制量的;也有人对控制规则进行扫描判别处理。对算法程序的分析可以鉴别出是模糊控制还是数字控制。第三,模糊控制器有模糊化过程和反模糊化过程。数字控制器不存在这两种过程。对控制器工作程序中的输入和输出程序段进行分析,就能鉴别出是否存在模糊化或反模糊化的过程,进而区分出是模糊控制还是数字控制。第二、三种方法是需要得出控制程序才能进行的。这时,可以将控制器的控制程序机器码反汇编成源程序进行分析。如果一个控制器的控制程序无法读出,那么,可以采用第一种方法。 4.模糊控制技术水平评价科学和技术是两个不同的概念。科学通常是用理论来表征的,它要求有严密和巧妙的证明和描述。技术是具体方法,它要求在实际应用中有最优的效果。世界上有名的模糊理论和神经网络专家甘利俊一曾经指出:实际上用得好的就是好技术。技术

是把实用效果作为评价其是否优秀的标准。模糊控制技术也是如此,实践的好坏才是检验其水平的标准。因此,模糊控制技术水平的高低与被控对象的匹配和效果直接相关。模糊控制器可以看作是一种工具,如何用好模糊控制器则是模糊控制技术。对于一个简单的对象,如果采用一个复杂的模糊控制器,而不采用能达到目的的简单模糊控制器,显然,这不是一种好的技术。反之,对一个复杂对象,如果采用一个简单模糊控制器而且效果不佳,也不是好技术。评价模糊控制技术应该考虑下列问题: ①对被控对象的控制达到要求的前提下,所选用的模糊控制器是否最简单,即最经济。②模糊控制器的结构和安装是否最有利于对象和最有利于产品的产业化生产流程。③模糊控制器的结构及工艺是否适合对象所处的环境,包括抗干扰性、湿度、温度和适应性。④模糊控制器的功能对对象的分散性是否有覆盖作用,这一点在产业化中尤其重要。⑤在和被控对象匹配工作时,模糊控制器有关的硬件资源是否得到充分利用,也是反映水平的标志之一。如果用数字单片机作模糊控制器,其内部资源,包括ROM、RAM、定时器、I/O接口等,是否充分使用;如果用模糊单片机作模糊控制器,其模糊化,反模糊化、模糊推理部件及附加部件的功能和作用是否充分使用。模糊控制技术是一种实际应用的方法,它和涉及的对象有关;所以,其水平无法单纯用模糊控制器的结构复杂性来评价;这种技术的评价是综合的较为复杂的,只有从多方面考虑才能判别其优劣。上面给出的仅是一些定性的要求。至于模糊控制技术的评价如何量化,还需要进一步地探讨。四、展望及建议由于模糊控制是以人的智能活动为基础描述控制过程的,而这种描述又是以人的语言表示的。所以,它和人的思维最为接近,也易于为人们所接受。按目前的方向发展,模糊控制技术会在各种领域发挥其有效的作用。模糊控制系统将在工业、航空、航天、机床、汽车、仪器、家用电器、计算机等领域深入应用。特别是解决各种智能控制问题,例如汽车自动驾驶、计算机视觉、智能仪器等。另外,模糊控制将会在生物控制中加以应用,如在人造气候、植物生长施肥、繁殖控制、物种变异控制等方面将逐渐扩大应用。在医学上,模糊控制对于人体参数的测量及控制、医疗诊症、处方配药、物理治疗控制、化学治疗控制、人体疲劳程度判别、运动强度控制、运动仪器控制、运动训练控制等,都有着广泛的用途。模糊控制技术存在的问题(包括模糊决策、控制规则形成及优化、稳定、实用、有效高精度的模糊控制器等)会逐步得到解决。从模糊控制技术角度来说,目前,急需解决的是实用、有效、简单、精度高的模糊控制器的结构和算法问题。模糊控制技术的进步和成功,对模糊控制理论研究也有促进作用。模糊控制理论的进一步完善可为模糊控制技术提供更充分的理论依据和指导方向。模糊控制技术期待系统的、严谨的理论作为技术牵引。目前,模糊控制技术的发展应当充分考虑如下一些问题: 1.加强应用基础研究提供模糊控制器分析和设计的系统方法,给出一般分析和设计的准则;对模糊控制的内在机理及本质寻找出一种有普

遍意义的描述;揭示模糊控制稳定性分析的有效、实用的方法。 2.加强普及和推广工作模糊控制技术的应用不单是专业技术人员的事,也是各级领导及企业有关负责人的事。模糊控制技术的应用需要有部门及领导的大力支持。应当在有关部门和领导中进行模糊控制技术的宣传。另外,还应对原有的技术人员进行新技术的再教育,使他们尽快熟悉和掌握这门技术。 3.加强产业化进程模糊控制技术在家用电器和仪器中应用得较多,这类产品产量极大。在这类产品中推行模糊控制技术不但可以提高产品的水平、档次和经济效益;而且可以形成一个产业。同时,会创造巨大的经济效益。 4.尽快制定标准虽然我国已有不少模糊控制的生产过程或产品,但是,一直没有建立一套完整、合理、严密、有效的标准。在模糊控制技术应用上,可以说是百花齐放,四面出击。这样,难免良莠不齐,在一定程度上会造成人力物力智力的浪费。而且,对产品的检验缺少法律依据。制定模糊控制技术的标准是当务之急。 5.对学生进行模糊控制教育模糊控制技术是一门年轻的技术,很多问题还会留待青年一代进行深入研究和解决。应当在中学的数学课中开设模糊逻辑的内容。而对于控制专业的大学生,应当在传统的控制理论与控制系统课程中加入模糊控制的内容。这样,可为我国造就一大批模糊控制技术的后续人材,无论从策略上或是实际效果上都是极其重要的。

（计算机世界报 1996年第7期）