模糊控制概述(2-1至2-15)

模糊控制（40学时）

参考书：《模糊控制、神经控制和智能控制论》李士勇编著哈尔滨工业大学出版社

《工程智能控制》陈燕庆等编著西北工业大学出版社

《模糊控制器的设计及应用》何平、王鸿绪编著科学出版社

《微机模糊控制理论及其应用》王学慧、田成方编著电子工业出版社

《模糊控制理论及其在过程控制中的应用》李友善、李军编著国际工业出版社

ch1.概述

随着科学技术突飞猛进的发展，控制理论虽然从经典理论发展到现代控制理论，但是，对于现代被控系统的高度复杂性，测量的不精确性，系统动力学特性的不确定（不确知）性以及人们对控制性能指标要求越来越高，使得基于精确模型的传统控制理论受到了严峻的挑战。

事实上，在科学技术如此发达的今天，人类大脑的高超作用仍是不可忽视的重要因素，迄今为止，世界上最高级、最有成效的控制器还是人类自身，因为人类具有比任何其他动物都发达的大脑，人具有处理模糊信息和直觉推理等多种智能。

因此，深入研究大脑神经系统的机制，模拟人脑思维功能，通过多种方式实现对传统控制难以驾驭的复杂不确定性系统进行卓有成效的智能控制是控制理论发展的必然趋势。

维纳（N.Wiener）在创立控制论的初期（40年代）通过对火炮自动控制系统的研究，将火炮自动瞄准飞机与狩猎行为做对比，发现了反馈的重要概念。维纳等人认为：目的性行为可以用反馈来代替，从而突破了生命体与非生命体（机器）控制的界限，为控制论的诞生奠定了基础。他本人把控制论称为在动物和机器中控制和通讯的科学。

（神经学家、医学家、计算机设计者、信息论创造者）

奥斯特隆姆（瑞典.K.J.Astrom）教授近年来指出：控制论是维纳在研究动物（包括人）和机器内部的通讯与控制时创立的，当时提出了许多新概念。目前，这一领域似乎又回到了发现新概念时代，美国学者乔治（F.H.George）在《控制

论基础》一是中指出：控制论的基本问题之一就是模拟和综合人类智能问题。这是控制论的基本观点。

1965年，比德（美.加州.L.A.Zadeh）教授创立模糊集合论，为描述和处理事务的模糊性和系统中的不确定性，为模拟人的模拟逻辑思维功能提供了强有力的工具。自1974年马丹尼（英.E.H.Mamdani）把模糊语言逻辑用于过程控制获得成功以来，模糊控制在工业过程、家用电器及高技术领域的一系列应用成功，充分显示了模糊控制的巨大应用潜力。

近十多年来，由于人工智能技术、微计算机技术、神经网络理论、信息科学及非线性科学等的迅速发展，促使广大科学工作者在新的高度上进行控制理论、计算机科学、神经生物学等多种学科的密切合作，以期推动智能控制理论的发展。

模糊控制是智能控制的重要分支之一。本章将从智能控制的高度将其引出，旨在开阔大家的视野，为今后的学习、参与科研打好基础。

§1-1 控制理论的几个发展阶段

自动控制理论作为一门科学，它的产生可追溯到18世纪中叶英国的第一次工业革命。1765年，瓦特（Jame Wate .1736-1819）发明了蒸汽机，进而应用离心式飞锤调速器原理控制蒸汽机。随后，工业里用自动控制理论讨论调速系统的稳定性问题（19世纪末-20世纪初提出）。1872年，Routh.劳斯和1890年Hurwitz.胡尔维茨先后找到了代数判据；1892年，Lyapunov李雅普诺夫提出了能量函数---李雅普诺夫函数；1932年，Nyquist奈奎斯特提出了奈氏判据。

1.古典控制理论20世纪40年代（第一代）

主要解决单输入单输出问题（SISO）

主要采用频域分析方法：传递函数（Transfer function）、频率特性（Frequency character）、根轨迹（Root locus）等。

研究系统主要是线性定常系统（Linear time-invariant systems）。

主要人物：Bode（伯德）1945年提出Bode plot；

Evans（伊文思）1948年提出根轨迹（Root locus）

较好解决生产过程中单输入单输出问题。

2.现代控制理论20世纪60年代（第一代）

可以解决多输入多输出问题

主要用时域分析方法：状态方程（高阶常微分方程→一阶微分方程组）

系统可以是线性、定常，也可以是非线性、时变。

主要人物：庞特里亚金（******）1961年极大值原理

贝尔曼（Bellman）1957年动态规划

卡尔曼（R.E.Kalman）1959年卡尔曼滤波

奥斯特隆姆（.K.J.Astrom）70年代初自适应控制

朗道（ndau）（法）

3.智能控制理论20世纪70年代末

大系统理论：研究各大系统的结构方案，总体结构中的分解方法和协调

智能控制：研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程中的规律，研制具有某些仿人智能的工程控制与信息处理系统。

60年代，由于空间技术、计算机技术及人工智能技术的发展，控制界学者在研究自组织、自学习控制的基础上，为提高控制系统的自学习能力，开始注意将人工智能技术与方法应用于控制系统。

60年代初，F.W.Smith提出采用性能模式识别器来学习最优控制方法的新思想，试图用模式识别技术来解决复杂系统的控制问题。

1965年，美国著名控制Zadeh创立了模糊集合论，为解决复杂系统的控制问题提供了强有力的数学工具，美国著名科学家Feigenbaum着手研制第一个专家系统；美国科学院院士傅京孙（K.S.Fu.普渡大学）博士首先把人工智能中的直觉推理方法应用于学习控制系统。

1966年，Mendel进一步在空间飞行器的学习控制系统中应用了人工智能技术，并提出了“人工智能控制”的概念。

1967年，Leondes和Mendel首先正式使用“智能控制”一词，并把记忆、目标分解等一些简单的人工智能技术用于学习控制系统，提高了系统的处理不确定性问题的能力，这就标志着智能控制思想已经萌芽。

在接下来的近30年里，智能控制的发展研究势头愈加迅猛，并在理论研究和