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模糊控制发展和应用1、引言模糊控制理论是智能控制理论的一种。模糊控制早在1965年由美国著名的控制专家扎德教授首先提出模糊集理论，是建立数学模型设计控制器的新型理论[1]。在1974年Mamdani成功地将模糊理论应用于锅炉和汽轮机的过程控制,自此模糊控制迅速发展并得到广泛应用，就是模糊控制算法[2]。它主要是用来解决用人的思维模拟无法构造出数学模型的对象进行控制。目前，模糊控制已成为智能控制的一个主要分支。模糊控制的发展在控制领域分为三个阶段。第一阶段（1965~1974）是萌芽阶段主要是模糊数学的发展成型阶段，主要代表人物是扎德和Mamdani。第二阶段（1974~1979）是简单的模糊控制器的设计和发展阶段其自适应和鲁棒性能力有限。第三阶段（1979~至今）是高新能模糊控制器发展阶段是因简单控制器应用的不足而发展起来的，并提出了许多高性能的模糊控制策略[3]。给模糊控制器增加了学习功能使其适应控制对象的变化，不断获取控制对象新的信息，提高控制性能。特别是1979年由T.J.Proeky和E.H.Maodani共同提出给模糊控制器增加学习功能,使之能在控制过程中不断获取新的信息[4]。并对控制量作适当的调整,系统性能大为改善。2、模糊控制理论的应用2.1、模糊控制理论在锅炉方面的应用Mamdani将模糊理论应用于锅炉和汽轮机的过程控制,自此模糊控制迅速发展，因此本文首先介绍锅炉的模糊控制。锅炉是利用燃料燃烧释放出的热能或其他能量将中间载热体加热到一定参数的设备[5]。锅炉是国民经济中重要的热能供应设备。电力、机械、冶金、化工、纺织、造纸、食品等行业,以及工业和民用采暖都需要锅炉供给大量的热能。因此对于锅炉的安全使用以及科学控制对工业生产，国民生活方面具有重大意义。近年来我听到不少关于锅炉爆炸的消息，锅炉爆炸是由于其它原因导致锅炉承压负荷过大造成的瞬间能量释放现象，锅炉缺水、水垢过多、压力过大等情况都会造成锅炉爆炸，一旦出现锅炉爆炸事故，对周围建筑、人员等损伤极大[6]。因此锅炉的水位控制显得十分重要。在工业锅炉控制中，汽包水位是锅炉稳定运行的重要指标。汽包水位过高，会影响汽水分离效果，使蒸汽带水，损坏汽轮机叶片；汽包水位过低，则会损坏锅炉，甚至引起爆炸。有关锅炉水位的控制策略已进行了多年的研究[7]。引入模糊控制的水位调节系统比普通PID调节系统具有更好的动态品质、稳态特性和鲁棒性[8]。模糊控制把人的经验知识用控制规则模糊化，该模糊控制器是以误差和误差变化率作为模糊控制器的语言输入变量，选取三角形模糊隶属度函数，再通过隶属度函数转换成模糊量，经推理计算查表，给出模糊判决，根据模糊合成推理设计PID参数的模糊矩阵表在经过解模糊，得到精确量，再与前一时刻PID参数相作用，得到当前时刻控制参数，从而根据时变的运行状态实时在线修正控制参数，使被控对象锅炉水位具有良好的动、静态性能[9]。这种控制策略的特点是用新颖的非模型控制系统进行控制时不需要辨识系统的模型，仍可进行有效的控制，具有一定的推广价值。用语言变量代替常规的数学变量，或两者结合运用，来构造形成专家的知识库。此外模糊PID控制器还需针对多变的现场运行做进一步优化和完善。2.2模糊控制在公共交通方面的应用（1）高铁的运行模糊控制列车运行控制系统是保证列车安全、高速和高效运行的重要设备，根据列车在铁路线路上运行的客观条件和实际情况，对列车运行速度进行监督、控制和调整。高速列车在运行过程中，为了充分发挥粘着性能，希望列车尽量按照牵引或制动特性曲线运行[10]。采用传统的控制方式，如PID控制需要事先知道被控对象的精确数学模型，然后根据数学模型和给定的性能指标进行控制系统设计。而高速列车的运动过程具有多变量、非线性、时变的特点，难以建立其精确的数学模型，所以很难对其进行自动控制。控制系统的主要任务是设计出能使列车快速、平稳跟踪给定速度曲线的控制器，从而得到施加在列车上的牵引制动力，实现列车的高速、稳定运行。模糊控制器的输入e、ec和输出u的模糊集均{NB,NM，NS，ZO，PS，PM，PB}[11]。控制规则在FUZZY中制定。输出量的隶属度函数采用相邻函数中心不等距的方式，语言值越靠近，则对应的隶属度函数的中心越接近坐标原点；语言值越远离，则对应的隶属度函数的中心越远离坐标原点。作用是，若模糊控制器的输入偏小，说明系统趋于稳定，则模糊控制器的输出量应较小，即减弱控制力度；若输入偏大，表明此时系统不稳定，则模糊控制器的输出量应加强对系统的控制作用。通过该模糊控制器的调节，系统能确保列车运行速度很好地跟踪上给定速度的变化，系统具有良好的鲁棒性。（2）汽车空调的模糊控制为了能清楚汽车空调的模糊控制，先看看汽车空调的两个作用：一是降低汽车空调的耗能，而是使用优良的控制作用提高人体舒适度。根据人工调节经验,拟定模糊控制规则。根据温差和温差变化率的等级,推导压缩机排量、膨胀阀开度和风机转速的等级[12]。例如:如果温差“正大”,温差变化率“负很小”,认为机器制冷力严重不足。运行状态设置为:压缩机排量为“最大”,膨胀阀开度为“最大”,风机转速为“最大”。如果温差“正中”,温差变化率“正大”,认为机器制冷力不足,运行状态设置为:压缩机排量为“大”,膨胀阀开度为“大”,风机转速为“大”。如果温差“正小”,温差变化率“正中”,认为机器制冷力仍不足,运行状态设置为:压缩机排量为“中”,膨胀阀开度为“中”,风机转速为“中”[13]。等等诸如此类的模糊规则。模糊输入量是温差及温差变化率，经过模糊规则库模糊推理，模糊输出量是压缩机排量、风机风量和膨胀阀开度。控制策略是根据车内反映温度、气流、辐射综合影响的温度传感器和车厢壁面的温度传感器测定的温度及湿度传感器测定的湿度,以人体舒适感为基础,对车内设定温度进行模糊修正。并根据上述修正后的设定温度和车内实测空气温度,用模糊控制规则推论输出结果[14]。根据室外温度和乘车满员率对控制输出进行热负荷模糊修正。最后根据车门启闭情况,对控制输出结果进行修正,完成控制过程。这种控制策略的优点是对车内温度的控制温差变化范围很小，即超调小，稳差小，因此能显著地提高人体的舒适度。另外经过测试模糊控制比常规控制节能15%~20%。2.3、模糊控制在家电领域的应用（1）模糊电饭锅模糊电饭锅是指该锅能根据锅中大米的数量、吸水性、及水的温度自动调节火候，从而煮出更可口更优质的米饭[15]。这种电饭锅的煮饭过程分为以下四部分：一是吸水阶段，使大米在一定的温度下（一般控制在60度以下。）进行吸水,使大米含水率从14%上升至25%左右,这样在进入加热阶段时就会使大米加热更均匀,并透到米粒的芯部[16]。二是加热阶段使大米由难以为人体所消化吸收的淀粉转化为人体较易吸收的淀粉的过程三是沸腾阶段，作用是促进淀粉充分转化成人体较易吸收的淀粉。在沸腾工序的最后部分使锅底温度上冲,升高到125度左右,一般地根据饭量不同,控制沸腾阶段时间长短和锅底部上升温度也不同。四是焖饭阶段，作用是使热量透入饭粒的芯部,并使附在饭面的多余水分蒸发掉,一般焖饭之后的米饭含水率在69%左右,这时食用时口感最好,因此不同饭量,焖饭阶段的时间也应有差异[17]。模糊控制的任务是根据不同的饭量确定煮饭的不同阶段的温度和时间，输入模糊量:初始温度TA，温度变化率TB。输出模糊量:煮饭量Q。输入与输出模糊量都取大(B)、中(M)、小(S)三档[18]。经过一批模糊规则经行模糊推理，进而对煮饭的各个阶段进行控制。模糊控制在电饭锅上的应用使我们能吃上跟好吃的米饭，科技带给人们的便利。（2）模糊洗衣机智能型洗衣机有别于目前市场上的全自动洗衣机,它能够自动识别衣量、衣质,使洗衣机工作在最佳状态[19]。衣量、衣质的制定,用人的语言表达可以有“很多”、“不太多”、“较硬”、“较软”等。由于它们的外延与分界不明确,在概念上呈模糊性,所以在计算机应用上能用这些概念的隶属度来表达。我们通过对洗衣机洗涤机理以及电机瞬态过程的研究,提出了衣量、衣质对洗涤时间、脱水时间、水位高低的推理规则。建立了对衣量衣质识别的模糊数学模型[20]。根据模糊逻辑与近似推理,使洗衣机在投入衣料后能自动确定水位、水流以及洗涤时间等,具有操作简便,节能节水的效果。还有的模糊洗衣机可以检测出衣服脏的程度，从而控制洗涤时间。(3)模糊电冰箱传统电冰箱的控制原理是根据冰箱内部温度与设定指标的偏差,决定压缩机的开停，从而产生制冷作用。通过保持箱体内食品的最佳温度,达到食品保鲜的目的[21]。但冰箱内的温度要受到存放物品初始温度高低、放入物品的散热特性及其热容量、物品的充满率及开门的频繁程度等多种因素的影响。冰箱内的温度分布极不均匀,数学模型难以建立，是一个极为复杂的系统，因此,无法用传统的控制方法(如PID调节器)实现精确的调节,为了能达到最佳的控制效果只有采用模糊控制技术。通过冷冻室的温度传感器采集冰箱内部温度，作为模糊推理的其中一个输入量，采集到的温度在经过微分环节变成温度变化率作为模糊推理的另外一个输入。该模糊推理的输出作为冰箱内部食品温度的初步判断[22]。为达到精确的控制还要在加入一个模糊推理环节，作为一个修正，输入是室内温度和门的开启状态，输出是修正系数。两个模糊推理的输出经过乘法器运算得到推论的食品温度。为了设计模糊控制器,考虑到适当的控制精度要求并尽可能地简化软件程序,定义冷冻室温度论域为H0[5,-20],模糊语言子集设定为{低(L)、中(M)、高(H)}三档;冷冻室温度变化率dH/dt的论域为[0,5],模糊子集定义为{小(S)、中(M)、大(B)};食品温度初判的论域为H1[0,30],模糊子集定义为{低(L)、中(M)、高(H)}[23]。在各语言变量论域上用于描述其模糊子集的隶属函数采用梯形与三角形隶属函数,建立这样的模糊规则：如果食品温度高,变化率大,则压缩机开,风机高速运转,风门开启；如果食品温度低,变化率小,则压缩机关,风机低速运转,风门开启。等一系列模糊规则用作模糊推理的依据。模糊控制电冰箱是集微电子技术、电力电子技术、传感器技术、模糊控制技术等高新技术于一体的新一代电冰箱,它具有温度模糊控制、智能化箱、故障自诊、精度高、性能可靠、省电等优点,是今后电冰箱的发展趋势。2.4、机器人的模糊控制机器人的模糊控制主要是研究机器人的自主蔽障，自主机器人是其中一个例子[24]。自主移动机器人的研究目标之一是在没有人的干预下，能够在非结构化或未知环境中，自主导航和避障，从而实现对环境的探索。在完全未知的环境中，由机器人自主地建立环境模型是机器人研究领域中发展起来的一个重要研究方向，日益受到国内外学术界的关注。在移动机器人中，为了对环境有充分的了解，获取足够的环境信息，对传感器的要求很高，单个传感器不足以完成机器人对环境的感知，必须采用多个传感器组成机器人的感知系统[25]。因此，在不同的方位间隔配置了超声波传感器，这样就可以得到较为全面的信息。为了蔽障机器人应有自己的视觉系统，对于机器人视觉感知，我们的主要任务是为机器人建造视觉系统，赋予机器人一种高级感觉机构，使得机器人能以智能和灵活的方式对其周围的环境做出反应。由于对机器人系统应用领域不断提出更高的要求，机器人视觉将越来越复杂，机器人视觉可以看作从三维环境的图像中抽取、描述和解释信息的过程，它可以划分为六个主要部分：①感觉；②预处理；③分类；④描述；⑤识别；⑥解释[26]。再根据实现上述各种过程所涉及的方法相技术的复杂性将它们归类，可分为三个处理层次：低层视觉处理、中层视觉处理和高层视觉处理。虽然各层次间没有明确的界限，但是这种划分对于将机器人视觉系统的固有处理过程加以分类提供了一种有用的结构[27]。机器人视觉信息处理算法，主要包括图像采集、图像处理、图像匹配、目标位置计算等模块。需要搭建相应的软硬件，完成图像处理，是机器人赋予人类视觉的能力[28]。机器人避障行为当机器人在前方、左方和前方、右方和前方以及左方、前方、右方同时有障碍物时，根据所检测到的不同的距离信息，采用不同的速度根据