模糊控制第一章

第一章模糊逻辑与模糊家用电器的发展本章概要：1.1人类思维的模糊性。1.2模糊逻辑的产生和发展。1.3单片机与模糊控制。1.4模糊家用电器的发展情况。

这四部分内容，通过这些内容的学习，同学们要对模糊逻辑和模糊家用电器具有初步的感性认识，树立起“人类思维模糊性”的概念，进而为学习模糊控制理论打下良好的基础。

人类思维的模糊性，在我们学习模糊控制技术课程以前，是一个全新的而且比较抽象的基本概念，他并不是说，人类的思维是模糊的，下面介绍如何正确理解“人类思维的模糊性”。同学们仔细回想一下自己的日常学习和生活过程，由于自己平时没有对自身“智能”形势作较多仔细的总结，所以会以为这是一个比较抽象的概念。同学们在日常的学习生活中（现在你们的学习时间一天有多少？）分析一下你在这一天24小时内需要进行“精确思维”的时间或事情有多少。1.1人类思维的模糊性返回你能不能得出这样一个结论：“大多数时间人们是处于模糊思维的过程中”。比如说：今天的天气情况：晴天/多云/阴天、早上凉/中午热；今天上课的情况：课堂纪律/教学的效果；下课后同学们的午餐：吃得饱/饿，饭菜质量，学习时间的长与短，下午到操场上进行的体育锻炼：锻炼强度的大小，同学们今天的精神状态如何等等这些，同学们是否不太好用精确的数学来描述和表达，况且这些概念中有些也没必要用“精确数学”来表达。这些都是模糊概念，同学们通过上述这些概念的分析和比较，可以总结为“模糊思维组成了人们绝大多数生活过程”，其实这句话中也有一个模糊概念，同学们能否找出来？下面来看人们在其他方面的思维：1．人们对事物的辨别也是具有模糊性的：同学们仔细想一想这句话，看是否能举例描述一下？对人们长相的评价：美/丑，身高的评价，身体素质的评价，体重大小的描述？

2．人们之间的关系也是具有模糊性：同学们之间的关系~自己描述下。

3．人们对事物的认识本身就是模糊的：如：同学们描述自己的亲属，你总能识别出他/她是你的亲属。教材上举例一个小孩子认识父母的过程，这充分说明了人类认识具有模糊性，而且还可以告诉人们一个客观事实：“模糊性的认识可以准确的判别一个事物”。

4．研究、应用模糊处理的必要性。

总结人们生活、学习、工作等过程，人们所遇到的总是模糊的事物在客观上占据主流，而且人们处理模糊性事物的时间也占多数，这样，同学们应该对“人类思维的模糊性”有比较全面的认识和理解。

总结1.1得到：虽然人类思维具有诸多的模糊性，但并不是说（不能说）人类的思维是模糊的。1.2模糊逻辑的产生和发展一、模糊逻辑

1.逻辑：逻辑是专门研究人类思维形式和思维规律的一门科学。

2.逻辑学：研究人类思维形式中的比拟、归纳和推理过程。

3.模糊逻辑学：研究模糊命题的逻辑学科。

4.模糊命题：含有模糊概念/模糊性的陈述句。二、模糊逻辑的产生

1.模糊逻辑是英文“Fuzzylogic”的中文译意，他是在模糊数学诞生之后而产生的一种新的逻辑系统，属于模糊数学的一个重要分支学科，他主要用于模糊控制器、模糊语言变量、模糊计算机等领域。返回

2.模糊分类：同学们在学习模糊逻辑之前，首先复习回顾一下已学过的逻辑形式：1>传统逻辑；2>数理逻辑。其中：

1>是指亚里士多德所创立的古典式逻辑，是连续变化的逻辑。常称为连续逻辑。

2>是同学们用的较多也较清楚的二值逻辑，亦叫布尔逻辑。是数字电路技术和计算机技术中应用最广泛的逻辑，属离散逻辑。三、模糊逻辑中的基本概念

1.模糊集合：模糊集合的概念是美国加州大学的自动控制专家LA.Zadeh于1965年提出的，从而开始了模糊逻辑的历史。模糊集合的英文缩写为“Fuzzyset”。中文定义为：“论域中每个元素或多或少地属于某一个集合”/“论域中以一定程度具备某种特殊元素的全体”。同学们是否还记得在数学中已学过的普通集合的概念？（给定论域中具有某种属性的元素组成的合体）。

2.模糊数学：它是一种解决模糊问题的数学工具。不能按它的字面意思来理解它的概念，也就是说它不是模模糊糊的数学。模糊数学用隶属函数恰当地描述事物的模糊度/性，从而把具有模糊观点和模糊概念的事物处理成精确的模式，进而使人们可以得到的明晰的结果。其英文编写为：Fuzzymathematics。

3.模糊分布：在模糊数学中以实数域R为论域的模糊集合的隶属函数称为模糊分布。（Fuzzydistribution）

4.隶属函数/隶属度：用于表达模糊集合的特殊函数，描述了一个论域中所有元素属于模糊集合的程度。（membershipfunction）。隶属函数的值即为隶属度。

5.另外还有特征函数/模糊算子（fuzzyoperator）/模糊关系（fuzzyrelation）等概念将在后面内容介绍。特征函数（characteristic/feature/traitfunction）。四、模糊逻辑的发展经历

1.1965-1974，美国科学家从事模糊逻辑/推理的研究。

2.1974年英国科学家首次用模糊逻辑及模糊推论实现对蒸汽机的自动控制，并取得了比直接数字控制更好的控制效果，从而标志着模糊控制在工业领域的诞生。

3.1975年，荷兰、丹麦等国家的科学家也开始应用模糊控制方法对热交换器、原料燃结、炼钢转焊、化学反应器、十字路口交通控制（我们国家现在为数字控制）等进行控

制，取得了令人满意的结果。

4.1979年，我国科学家开始研究模糊控制器，在模糊控制器的定义、性能、算法鲁棒性、稳定性、规则自调整电路实现方法等方面取得了大量成果。

5.1980年，日本科学家研制成功全球第一片模糊IC（模糊单片机）。

6.1991年，美国的Neuralogix公司将模糊IC投放市场。为NIX230.五、模糊控制理论和技术现状

1.模糊控制理论需要解决的系统方法：

1>人的知识和经验的表达；

2>知识的推理规则；

3>人的知识的获取和总结；

4>模糊控制系统的稳定性判据；

5>模糊控制系统的学习、分析和设计。（模糊学习，模糊系统分析和模糊系统设计还设有一套合理而完善的理论方法）

2.模糊控制技术需要解决的技术问题：

1>模糊控制器的构造；

2>模糊信息和精确信息的转换；

3>模糊控制器的适应性；

4>模糊控制系统的软技术；

5>模糊控制器和被控对象的匹配技术。

3.（模糊控制器的构造技术）/构建模糊控制器的三种不同技术。

1>传统的数字单片机+相应技术软件（应用软件）

2>应用模糊单片机+数据配置

3>采用可编程门阵列构建六、模糊控制的特点

1.无须知道被控对象的数学模型。

2.属人类智能控制范畴，反映人类智慧思维的指挥控制。（采用人类思维中的模糊量）

3.已被人们所接受。（模糊控制的核心是控制规则，这些规则是用人们的语言来表达的。）

4.容易构建。与数学控制（自动控制的方式）相近。

5.适应性好。具有良好的鲁棒性和适应性。＊补充：现代控制理论：完全依赖于描述被控对象动态特性的精确数学模型，其关键是数学模型的精确度。

经典控制理论：主要研究单输入/单输出控制过程，对被控对象的数学模型并不注重。其主要设计方法是利用Bode图和Niquist判据等频域分析方法，给予现场测试得到被控对象的频率特性曲线，进而设定补偿器的参数，然后

然后现场反复调试，使系统满足性能指标。

1）鲁棒性的概念：鲁棒性是现代控制理论与实际工程相结合的产物，是对现代控制理论的补充与完善。它架起了现代控制理论与实际工程之间的一座桥梁，从而使现代控制理论走向了实际工程。

2）鲁棒稳定性：假定控制系统的数学模型属于某一集合A，若集合A中的每个子系统都是内部稳定的，则称集合A中的系统是鲁棒稳定的。

3）鲁棒镇定性：假定控制系统中被控对象的数学模型属于某一集合A，若控制器能使A中的每一个被控对象镇定，则称该控制器是鲁棒镇定的。

4）鲁棒性能：控制器在鲁棒镇定的同时，还能使集合中的每一个被控对象满足某些特定的特性，则称该控制器具有

鲁棒性能。七、模糊控制的发展趋势依据现阶段模糊控制在各领域的应用情况来看，模糊控制将在：（1）理论研究（2）方法技术（3）系统结构三个方面进一步发展，首先来看模糊控制的理论研究。

1.模糊控制的理论研究包括：

1>隶属函数的最优化问题，包括隶属函数的形状和个数的优化问题。

2>控制规则的优化问题，包括控制规则的条数，系数的优化问题。

3>隶属函数和控制规则的学习并自动生成的问题。

4>量化准则、水平级采样周期优化稳定选择问题。

5>系统的稳定性及其评价方法。

6>模糊控制器的参数优化。

7>模糊控制与神经网络、进化算法的有机结合。

2.实现模糊控制的方法技术：主要是指模糊控制器的构建方法和技术，最基本的是三维模糊控制器。它的输入只考虑偏差及偏差的变化率，另外还有四维模糊控制，PID模糊控制，变结构模糊控制，这些内容将在后续课程中介绍。

3.模糊控制的系统结构模糊控制的系统结构和自动控制的系统结构相似，只是模糊控制器的功能主要是通过软件来实现。模糊控制器通常采用模糊控制表来表达模糊控制功能，功能强大的模糊单片机问世后，给模糊控制器的构建带来了极大的方便。

4.新型的模糊控制模式，以及模糊控制与其他控制的完美结合方式：

1>模糊预测控制

2>专家模糊控制

3>模糊神经网络控制等

5.模糊预测控制：把模糊控制技术与预测控制技术有机结合的复合型控制技术，预测控制对控制的效果进行预估，而模糊控制则执行对控制对象的控制。6.专家控制：把专家系统技术和模糊控制技术结合在一起。7.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。1.3单片机与模糊控制

单片机分类：目前控制系统中应用的单片机有两种类型：第一种是同学们都比较熟悉的数字单片机，不论是51系列单片机还是凌阳系列单片机，虽然他们的位数不同（51系列8位计算机、凌阳系列是16/32位计算机），这仅仅是性能指标的差异。它们有共同的特点：1.体积小。2.内部含有多种外用接口部件。3.应用十分灵活，特别适用于控制领域的应用。返回

第二种单片机是同学们没有学过的模糊单片机，主要用于构建模糊控制器。目前在模糊控制系统中有应用的模糊单片机也有两大系列：其一是1992年美国的Neuralogix公司推出的NLX230系列模糊单片机，该系列模糊单片机可以执行“模糊化、模糊推理”等工作。该系列模糊单片机最大的优点是构建模糊控制器简单。其二是1993年日本富士通公司推出的MB94140系列模糊单片机，其内部结构比较特殊，内部是数字单片机与模糊推理相结合，并含有有利于控制的I/O接口部件。普通单片机与模糊单片机相比，在构建模糊控制器的方法和技术上，模糊单片机占据巨大的优势。但就其性价比来说，普通单片机占据巨大的优势，尤其是在家用电器领域中，由于家用电器的特殊性（数量大）普通单片机的应用要远远大于模糊单片机的应用。

单片机的应用特点：模糊控制技术的实现尤其是在家用电器领域中，多数是以普通单片机为物理基础，这也是模糊控制新技术发展的必然结果。下面介绍单片机与模糊控制相结合的原因。一、普通单片机与模糊控制相结合的原因

1.模糊数学、模糊逻辑及模糊控制技术是20世纪60-70年代中期开始兴起的一门新技术，这段时期也正是微型计算机的单片机时代，两种新技术在时间上同步发展，相互映射。

2.模糊控制技术的实际应用

1>家用电器中的模糊电饭煲、洗衣机、冰箱、微波炉等。

2>智能仪器（计算机技术与仪器仪表的有机结合）领域，如氧、温、湿等测量中，尤其是有害的化工领域、制造业等方面的应用。

3>汽车、飞机等交通工具的应用。

4>其他工业制造的应用。（水泥、陶瓷、塑料等）

3.模糊控制技术应用广泛的原因

1>控制系统中被控对象的复杂性，在实际控制过程中很难用数学模糊来描述。如洗衣机的洗衣过程就非常难用数学模型来描述。这种复杂被控对象的控制过程用模糊规则表示各种非线性和不确定性就是有很强的优势。

2>模糊控制的系统的易用性。模糊控制系统对参数的变化不敏感这一点有着特别的优势。由于模糊控制基于控制规则，已取得很好的控制效果。

3>物理基础的优越性。普通单片机/模糊单片机的发展给模糊控制技术的发展提供了良好的物理基础，再加上应用软件的优势，使得模糊控制系统实现十分便利。

4.单片机用于模糊控制系统的优越性

1>单片机可以接受数字量、模拟量和开关量。

2>单片机可以输出数字量、模拟量和开关量。

3>实现模糊化非常方便（模糊化包括量化和隶属函数的定义两个过程）。

4>实现反模糊化、模糊推理也很方便。

5>智能化程度及其体积大小也是一个优势。二、普通单片机实现模糊控制

1.模糊控制系统的理论结构模糊控制系统的理论结构和传统的数字式自动控制系统的理论结构相类似，区别仅在两种控制系统所用的控制器构建方法及技术上。模糊控制系统的理论结构如图所示，从结构上看也是一个闭环控制系统。仔细分析该模糊控制的理论结构图：

该系统也称为二维模糊控制系统，系统的输入也是要考虑输入设定量和实际输出的偏差及偏差的变化率。自组织、自适应模糊控制系统要比较理论结构的性能评价环节。图中虚线所包括的内容将构成模糊控制器，从物理结构上看，它与数字控制器的结构是相同的，实现两种控制的关键在于应用软件的设计上。用普通数字单片机实现模糊控制的最大优点是可以由用户选择模糊推理的方法。模糊推理的方法是用软件实现的。多种模糊推理方法中的任何一种模糊推理都可以用软件来实现。所以，非常容易在普通数字单片机上来实现，普通数字单片机的内存容量及运算速度是模糊控制系统应用中的两个指标，选择时要予以重视。三、模糊单片机实现模糊控制模糊单片机除性价比不好外，用它组成模糊控制系统具有如下优点：

1.处理速度高：每秒钟可执行多达3000万条模糊推理。（由于模糊推理子系统集成在模糊单片机内部）

2.无需控制程序：模糊推理、隶属函数的定义都在单片机内部，实行过程有一定的并行性，不像数字单片机那样，用程序实现，而是用硬件逻辑实现。

3.隶属函数的定义种类多。（模糊单片机可以用硬件表示众多的隶属函数）

4.容纳的控制规则多。（>=50条以上）

5.具有良好的模拟接口。（内部含有A/D,D/A）

6.有不同的反模糊化方法。四、单片机与模糊控制的前景

1.产业化的速度及芯片微型化有待进一步提高。随家用电器产品的技术、结构的发展而发展。

2.硬件、软件的开发工具种类、规格有待进一步提高