模糊逻辑与模糊控制技术的发展

宁廷群 1 肖英辉1任惠英 2

（1山东科技大学机电学院山东青岛 266510 2山东兖矿集团机械制修厂山东邹城 273500）

The Development of Fuzzy Logic and Fuzzy Control Technology

摘要：针对现代工业控制领域的模糊控制技术的新发展，综合介绍了当代该领域的基本理论和发展现状，展望了未来的发展应用。

关键词：模糊控制；应用发展；自适应控制。

Abstract: This paper introduces the development of fuzzy logic and fuzzy control technology in modern control domain, and discusses the basic theory and main development in integration. At last it gives some prospects. Key words: fuzzy control, development and application, adaptive control 一、引言

在现代工业控制领域，伴随着计算机技术的突飞猛进，出现了智能控制的新趋势，即以机器模拟人类思维模式，采用推理、演绎和归纳等手段，进行生产控制，这就是人工智能。其中专家系统、模糊逻辑和神经网络是人工智能的几个重点研究热点。相对于专家系统，模糊逻辑属于计算数学的范畴，包含有遗传算法，混沌理论及线性理论等内容，它综合了操作人员的实践经验，具有设计简单，易于应用、抗干扰能力强、反应速度快、便于控制和自适应能力强等优点。近年来，在过程控制、建摸、估计、辩识、诊断、股市预测、农业生产和军事科学等领域得到了广泛应用。为深入开展模糊控制技术的研究应用，本文综合介绍了模糊控制技术的基本理论和发展状况，并对一些在电力电子领域的应用作了简单介绍。

二、模糊逻辑与模糊控制

１、模糊逻辑与模糊控制的概念

１９６５年，加州大学伯克利分校的计算机专家Ｌofty Ｚadeh提出“模糊逻辑”的概念，其根本在于区分布尔逻辑或清晰逻辑，用来定义那些含混不清，无法量化或精确化的问题，对于冯˙诺依曼开创的基于“真－假”推理机制，以及因此开创的电子电路和集成电路的布尔算法，模糊逻辑填补了特殊事物在取样分析方面的空白。在模糊逻辑为基础的模糊集合理论中，某特定事物具有特色集的隶属度，他可以在“是”和“非”之间的范围内取任何值。而模糊逻辑是合理的量化数学理论，是以数学基础为为根本去处理这些非统计不确定的不精确信息。

模糊控制是基于模糊逻辑描述的一个过程的控制算法。对于参数精确已知的数学模型，我们可以用Berd图或者Nyquist图来分析家其过程以获得精确的设计参数。而对一些复杂系统，如粒子反应，气象预报等设备，建立一个合理而精确的数学模型是非常困难的，对于电力传动中的变速矢量控制问题，尽管可以通过测量得知其模型，但对于多变量的且非线性变化，起精确控制也是非常困难的。而模糊控制技术仅依据与操作者的实践经验和直观推断，也依靠设计人员和研发人员的经验和知识积累，它不需要建立设备模型，因此基本上是自适应的，具有很强的鲁棒性。历经多年发展，已有许多成功应用模糊控制理论的案例，如Rutherford，Carter 和Ostergaard分别应用与冶金炉和热交换器的控制装置。

2、分析方法探讨

工业控制系统的稳定性是探讨问题的前提，由于难以对非线性和不统一的描述，做出判断，因此模糊控制系统的分析方法的稳定性分析一直是一个热点，综合近年来各位学者的发表的论文,目前系统稳定性分析有以下集中:

1、李普亚诺夫法:基于直接法的离散时间(D-T)和连续时间模糊控制的稳定性分

析和设计方法,相对而言起稳定条件比价保守.

2、滑动变结构系统分析法

3、圆稳定性判据方法:利用扇区有界非线性概念,根据稳定判据可推导模糊控制的稳定性.

4、POPOV判据

5、其他方法如关系矩阵分析法，超稳定理论，相平面法，矩阵不等式或凸优化法，模糊穴穴映射等，详细资料及有关文献很多，在此不再一一赘述．

３模糊控制的设置设计

模糊控制的设计是一个非常复杂的过程，一般而言，采取的设计步骤和工具比较规范．其中模糊控制器一般采用专用软硬件，通用型的硬件芯片在目前市场上比较多，其中主流产品如下表所示．而专用IC发展也很迅速，它把专用IC和软件控制器集成在一起．

模糊逻辑工具和产品

设计过程中，一般采取的设计步骤为：

1、综合考虑该课题能否采用模糊控制系统。即考虑采用常规控制方式的可能。

2、从设备操作人员处获取尽可能多的信息。

3、选取可能的数学模型，如果用常规方法设计，估计设备的性能特点。

4、确定模糊逻辑的控制对象。

5、

确定输入输出变量。

6、

确定所确定的各个变量的归属范围。

7、

确定各变量的对应规则。

8、确定比例系数。

9、如果有现成的数学模型，用已确定的模糊控制器对系统仿真，观测设备性能，

并不断调整规则和比例系数直到达到满意性能。否则重新设计模糊控制器。

10、实时运行控制器，不断调整以达到最佳性能。

三模糊控制应用与前景展望

作为人工智能的一种新研究领域，模糊控制吸收借鉴了传统设计方法和其他

新技术的精华，在诸多领域取得了长足的进展．在新型的电力电子和自动控制系

统中，有些专家在线性功放的加设条件下，把模糊控制应用于为基础的伺服电机

控制中，在把模糊控制系统与PID 及模型参考自适应控制（MRAC ）进行比较后证

明了模糊控制方法的优越性．另有专家开发了应用于矢量控制感应电机传动系统

的模糊自适应控制器，其控制方框图如下所示，

i ds

感应电机

ωr *

m ω

r A* ωr

ωe A

s qs s ds s

I s

ωe

模糊转差增益调谐控制器的见解矢量控制感应电动机传动系统

模糊控制作为一项正在发展的新技术，目前在大多数专家还把主要精力放在

应用系统研究上，并取得了相当的成果，但在理论研究和系统分析上还是相对落

后的，以至于一些学者质疑其理论依据和有效性．鉴于此可以明确得知：模糊控

制理论和实践的结合仍有待于进一步探索．其发展前景是十分诱人的，而且在近

年来，其理论研究也取得了显着进展．在近四十年的发展进程中，模糊控制也有

一些局限性：１）控制精度低，性能不高，稳定性较差；２）理论体系不完整；

３）自适应能力低．对于这些弱点，模糊控制与一些其他新技术，比如神经网络（ＮＮ），遗传算法相结合，向更高层次的应用发展拓展了巨大的空间．

四总结

模糊控制作为一门综合应用范例，在全球信息化浪潮的推动下，在未来的几十年中，必将对经济的迅猛发展注入新的活力，有专家认为，下一代工控的基础是模糊控制，神经网络，混沌理论为支柱的人工智能．随着模糊控制理论研究的日益完善和深入，应用范围的日益扩大和配套IC的研发制造，模糊控制将给工控领域的发展开辟光明的应用前景，同时也给各领域的研究人员提出了更重大的任务．参考文献：

１. Boss 电力电子学与变频传动技术应用．姜建国等译中国矿业大学出版社

２刘嵥，陈统宝模糊神经网络问题解决分析［J］机械制造.

３ Pedrycz. W. “Fuzzy control and fuzzy systems” John Wiley. New

4 “Fuzzy set” in format contras vol 8

5 Ostergaard “ Fuzzy control of a heat exchange process”. International report. University of Denmand, 1976

作者简介: 肖英辉,男, (1974---),工程师,曾多年从事某上市企业技术及设备管理工作,现为山东科技大学测控专业在读研究生,研究方向为电力电子技术及应用.

任惠英，女，（1974---），工程师，现工作于山东兖州矿业集团机电设备制修厂。