（控制理论与控制工程专业论文）基于可拓逻辑的蚕种催青控制系统设计.pdf

摘要 摘要 蚕种催青是蚕桑生产中的一项重要工作，催青质量的优劣，直接关系到蚕 茧产量的高低。蚕种催青质量主要取决于催青控制设施能否提供最佳的人工气 候环境，即能否提供最佳的温湿度环境。适宜的蚕室环境条件，可增强蚕儿体 质，抑制其小环境内病原物的繁殖，降低发病率，提高茧的产量。温度条件对 蚕的生长发育影响最大。一方面是因为蚕在不同的发育时期对温度的要求不同， 蚁蚕期的适温为2 6 2 8 ，而大蚕期则为2 3 2 5 ，温度适合能使蚕更加健壮， 提高抵抗疾病的能力。另一方面，温度还影响到蚕茧丝的粗细，通常是温度高 蚕吐丝快茧丝细，温度低则茧丝粗。所以温度的控制直接影响到蚕的产量。 本文从全新的思路出发，采用可拓控制与p i d 控制相结合的方式。其关键问 题是可拓控制器的设计。本文主要包括六个方面的内容，一是概述，主要介绍 课题的意义和控制理论国内外的发展现状和趋势。二是介绍中国养蚕业的发展。 三是系统地介绍可拓学的理论框架、可拓集合论、物元的概念、物元变换的理 论，并引入了关联函数这一重要概念。四就接着介绍了可拓控制的基本概念和 可拓控制器的结构和原理。五是有关数据采集部分硬件设计。主要讲述西门子 $ 7 - - 2 0 0 系列p l c ，j w s 温、湿度变送器。六是可拓控制算法、p l c 程序和上位 机软件设计。 根据温湿度控制的要求，本系统完成了基于现场总线技术，集检测、控制 和管理等功能于一体的蚕室温湿度控制系统的开发。整个系统采用二级计算机 控制方式，基础自动化级采用西门子公司s 7 2 0 0 系列p l c ，实现了对蚕室温度 和湿度双重目标的控制。监控级为台湾研华生产的工业控制机，完成对系统的 组态、监控、报警、制表等功能。系统软件操作简便，画面动感直观。实践证 明可拓控制与p i d 控制的结合比只采用p i d 控制具有更好的适应性、可靠性和 快速性。 关键词：蚕种催青；温湿度控制；可拓控制；p l c a b s t r a c t a b s t r a c t s i l k w o r me g gi n c u b a t i o ni so n eo fi m p o r t a n tt h i n g si ns i l k w o r mp r o d u c e t h e p o do u t p u td e p e n d so nt h es i l k w o r mq u a l i t ym o s t l y ，a n dt h es i l k w o r mq u a l i t yl i e so n w h e t h e rc o n t r o ld e v i c e ss u p p l yt h em o s ta p p r o p r i a t et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y t h e f e a ts i l k w o r mr o o me n v i r o n m e n tc o n d i t i o n , c a ns t r e n g t h e nt h es i l k w o r ms o n c o r p o r e i t y , r e p r e s st h ep a t h o g e n yb r e e d i n gi n d o o r , l o w e rt h eo u t b r e a kr a t e ，a n dr a i s e t h ey i e l do ft h ec o c o o n t h e r e i n t o ，t e m p e r a t u r ei n f l u e n c ei st h em o s tf o rs i l k w o r m g r o w t h o nt h eo n eh a n di st h et e m p e r a t u r es h o u l db ed i f f e r e n tf o rd i f f e r e n tg o w t h p e r i o d i n f a n c ys i l k w o r mn e e d s2 6 2 8 b u ti t i s 2 3 2 5 d u r i n gt h eb i g s i l k w o r mp e r i o d t h er i g h tt e m p e r a t u r ec a l lm a k es i l k w o r ms t r o n g e ra n di m p r o v e d i s e a s er e s i s t a n c e o nt h eo t h e rh a n d , t h et e m p e r a t u r es t i l li n f l u e n c e st h es i l kq u a l i t y w h e nt h et e m p e r a t u r ei sh o t , s i l k w o r ms p i i ls i l kq u i c ka n ds i k li st h i n , w h e r e a ss l o w a n dt h i c k a sar e s u l t , t e m p e r a t u r ec o n t r o li so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r t h em o d et h a te x t e n s i o nl o g i cc o n t r o lc o m b i n e dw i t hp i dc o n t r o li su s e di nt h i s c o n t r o ls y s t e m t h em a i ns i n gi st h ed e s i g no fe x t e n s i o nc o n t r l l e r t h i st h e s i sm a i n l y i n c l u d e sf i v ep a r t s t h ef i r s ti ss u m m a r i z a t i o n , w h i c hi n t r o d u c e st o p i ca n dt h ec o n t r o l t h e o r yd o m e s t i cd e v e l o p m e n t s e c o n di st h es e r i c i c u l t u r ei n d u s t r yd e v e l o p m e n ti n c h i n a t h i r di si n t r o d u c es y s t e m a t i c a l l yc a nt h ee x t e n s i o nl o g i cl e a r no ft h e o r i e s f r a m e ，c a l lt h ee x t e n s i o nl o g i cg a t h e rt h et h e o r i e so ft h ec o n c e p t , t h et h i n gd o l l a r t r a n s f o r m a t i o no ft h e o r y , a n dl e a dt og oi n t ot h ec o n n e c t i o nf u n c t i o nt h i si m p o r t a n t c o n c e p t f o u ri n t r o d u c ei m m e d i a t e l ya f t e rc a nt h eb a s i cc o n c e p to ft h ee x t e n s i o n l o g i cc o n t r 0 1 t h el a s ti st h ed e s i g no fh a r d w a r e i n c l u d i n gs i e m e n ss 7 2 0 0s e r i e s p l c ，j w st e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yc o n t r o l l e r , r s 2 3 2s e r i e sc o m m u n i c a t i o na n d u p s s i xi sc a l lt h ee x t e n s i o nl o g i cc o n t r o lc a l c u l a t ew a ya n dt h ep l a c eo fh o n o r m a c h i n es o f t w a r ed e s i g n a c c o r d i n gt ot h er e q u e s to ft e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yc o n t r o l ，t h es y s t e mi s c o m p o s e do ft w ol a y e r so fc o m p u t e rc o n t r o ls t r u c t r u e ，b a s i ca u t o m a t i o ni sc o m p l e t e d t oc o n t r o lt e m p e r a t r u ea n dh u m i d i t yb ys i m e np l c s u p e r v i s o ri sm a d eu p 嘶t l l i l a b s t r a c t i n d u s t r i a lc o m p u t e rf r o my a n h u ac o r p o r a t i o no ft a i w a n , a n df u l f i l l sm a n yf u n c t i o n s s u c ha sc o n f i g u r a t i o n ，s u p e r v i s o n , a l a r m , t a b l e ，e t c t h es o r w a r eo ft e m p e r r a t u r e c o n t r o ls y s t e mi so p e r a t e ds i m l p yw i t hi n m i t i o n i s t i cm e n u , g o o dc o n t r o l l i n ge f f e c t ， a n dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i co fa c t i v ep i e t r u r e s f a c th a sp r o v e d 恤a tt h em o d et h a t e x t e n s i o nl o g i cc o n t r o lc o m b i n e d 、 ，i t l lp i dc o n t r o li sb e t t e r a d a p t e d b e t t e r d e p e n d a b l ea n dq u i c k e rt h e np i dc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：s i l k w o r me g gi n c u b a t i o n ；t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yc o n t r o l ； e x t e n d a b l ec o n t r o l ；p l c i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：尹披签字日期：v 撕7 年协月卅日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：尹教 导师签窖f 专畜j 埝 签字日期：砂叼年n 月启签字日期：劬呻年1 l 月叫日 第l 章概述 第1 章概述 1 1 课题研究的目的和意义 人工催青是养蚕工艺流程中的重要环节，也是技术要求较高的生产阶段， 人工催青工作的好坏直接关系到蚕种的孵化整齐、蚁体强健，直接影响到养蚕 业的经济效益。因此，在养蚕业生产工具的开发和应用方面，蚕种催青测控系 统的研发始终处于领先地位，并成为国内外养蚕业技术竞争的焦点之一。而养 蚕业是江西省修水县的支柱产业，有关国计民生。做好蚕的温湿度控制有非常 重要的意义。 蚕种催青环境智能测控系统的产生和发展是社会化的大生产要求的客观要 求，表现为蚕种催青环境测控系统的研究和发展的必要性。 蚕种催青是养蚕生产活动的第一阶段，是养蚕生产的基础环节，蚕种催青 工作的质量直接影响到整个养蚕生产的生产效率和产品质量。在自然条件下已 活化的蚕卵虽然也能孵化，但达不到孵化整齐、蚁体强健的要求。 目前，我国养蚕业正在从一家一户的典型的小农经济生产活动，逐步融入 社会化大生产，成为现代农业中一个具有浓郁传统色彩的经济门类。随着社会 生产率的提高，和社会生产过程集约化程度的提高，我国养蚕业势将由第二阶 段向第三阶段过渡。具有社会化大生产特征的现代养蚕业，客观要求人们将先 进的技术和设备应用到养蚕生产过程中来，以提高生产效率，规范生产管理， 加强生产过程的有序性，实现对养蚕活动的全面质量管理。尤其是在大规模的 蚕种催青情况下，迫切需要改善蚕种催青手段的落后状况，来避免蚕种催青过 程失控的风险，提高蚕种催青工作的水平，实现连续化的养蚕生产流程。为此 各种蚕种催青方式，尤其是蚕种催青环境智能测控系统的研发得到了人们的充 分重视。 本系统采用现代化的科学管理方式，采用微机监控系统。微机监控系统是 对蚕室现代化技术管理的新近研制成功的设备，它具有测温、测湿、控温、控 湿，配电系统监控等多项功能。系统由敏感器件、信号调理变送单元、计算机 模拟输入接1 3 、开关量输入输出接口、p l c 、打印机等构成。空气调节的内容， 第1 章概述 包括室内空气温度调节、湿度调节。对空气进行调节的基本指标是：温度、相 对湿度。空调的作用主要是它能创造具有一定质量要求和恒定温度、湿度的空 气环境。由于温度和相对湿度对蚕种催青的影响最为显著。故对蚕室进行空气 调节的主要要求是对温度和湿度的调节。 1 2 控制理论的国内外发展概况及未来发展趋势 计算机控制策略是计算机控制系统的核心，一直为国内外学术界和工程界 所关注，在工业应用和理论研究中，经过长期的发展和实践检验，形成了一些 有代表型的控制策略，为本课题的研究提供了理论基础。本文从应用特点出发， 介绍传统控制策略、现代控制策略和智能控制策略三个发展阶段和其中的控制 思想。 1 2 1 传统控制策略 传统控制策略至今仍活跃在各个工业领域中，特别是它们和现代一些新兴 的控制思想结合后，更表现出旺盛的生命力。其中，有代表性的控制方法是： p i d ( 比例积分微分) 控制：该算法蕴含了动态控制过程中过去( i ) 、现 在( p ) 、和将来( d ) 的主要信息，且其配置几乎是最优，适应性好，有较强的 鲁棒性，算法简单明了，有较完整的设计和调整方法，已为工程技术人员所掌 握。其缺点是不适用于有大时间滞后的控制对象、参数变化较大甚至结构也变 化的控制对象，以及系统复杂、环境复杂、控制性能要求高的场a 【”。 s m i t h 控制：工程中的许多对象具有纯滞后特性，s m i t h 提出的解决方法是 在控制算法中增加一个预估器，将它与控制器并联后，理论上可使控制对象的 时间滞后得到完全补偿【2 】。 另外：d a l i n 算法、前馈控制、串级控制等都是较典型的传统控制策略。 1 2 2 现代控制策略 随着应用领域的扩大，控制精度和性能要求的提高，传统的控制策略己经 不能满足人们的需要，必须考虑控制对象参数、结构的变化，非线性的影响， 运行环境的改变以及环境干扰等时变的和不确定因素，才能得到满意的控制效 第1 章概述 果，在这种需要下，一些新兴的控制策略应运而生，并得到了迅速的应用，改 进和发展【3 】a 有代表性的控制方法是： 自适应控制：自适应控制是针对对象特性的变化，漂移和环境干扰对系统 的影响而提出来的，其基本思想是通过在线辨识并实时修正控制器，使这种思 想逐渐降低一直消除，它是一种逐渐修正，渐进趋向期望性能的过程。适用于 模型和干扰变化缓慢的情况。 变结构控制：变结构控制本质上是一类特殊的非线性控制，其非线性表现 为控制的不连续性。其中的系统“结构”并不固定，而是可以在动态过程中， 根据系统当时的状态，以跃变的方式不断的变化，迫使系统按预定的状态轨迹 运动，其难点是状态轨迹到达目标后，不是向平衡点接近，而是在平衡点附近 来回的穿越，产生颤动。其设计也比较复杂，给它的应用带来了困难和障碍。 鲁棒性控制：鲁棒性是指系统的某种性能或某个指标在某种扰动下保持不 变的程度，稳定鲁棒性是指系统在某种扰动下保持稳定性的能力，品质鲁棒性 是指保持某项品质指标的能力。由于所有的工业系统不可避免的存在各种不确 定性和扰动，因此研究鲁棒性的问题对工业控制十分重要，一个控制系统是否 具有鲁棒性，是它能否可靠的用于工业现场的关键。虽然鲁棒控制的理论研究 取得了一系列的成果，但其应用却不如人意，工业应用更少，同时，缺乏良好 的设计方法，设计出的控制器可能高达数十阶，难以实现，这些问题阻碍了它 的发展【4 1 。 另外，现代控制还包括一些其它的策略，预测控制、推断控制等。 1 2 3 智能控制策略 h s t r o m 提出的“模糊逻辑控制、神经网络和专家控制是三种典型的智能控 制说法”为大多数人接受，也较确切的反映了智能控制的研究和应用情况。 模糊控制：1 9 7 4 年m a m d a n i 在实验性的蒸汽机上首次实现了模糊控制在工 业中的应用，模糊控制是用语言归纳操作人员的控制策略，运用语言变量和模 糊集合理论形成控制算法，它不需要建立对象的精确的数学模型，绕过了对象 的不确定性、不精确性及非线性等影响。模糊控制的鲁棒性强，尤其是用于非 线性、时变、滞后系统的控制，其实现较简单，适应面广，因而得到了广泛的 应用。其缺点是：对于一些复杂的工业过程，有时难以总结出较完整的经验， 3 第1 章概述 并且当对象动态特性发生变化，或者受到随机干扰时都会影响模糊控制的效果。 专家控制：专家控制的思想是人s t r o m 在1 9 8 3 年提出的。它可以看成是对 一个“控制专家”在解决控制问题或进行控制操作时的思路、方法、经验和策 略的模拟。专家控制在工程中取得的成就令人鼓舞，但它在理论上还很不完善， 并未形成有普遍意义的理论体系和设计方法，专家控制是理论上的成熟比不上 应用上的成功。 神经网络控制：神经网络是用来模拟脑神经的结构、思维和判断等脑功能 的一种信息处理系统：它在控制系统中的应用方式是多种多样的，其组成的系 统可以是很复杂，获得很好的性能，但由于缺乏相应的神经网络芯片或神经网 络计算机硬件支持，利用目前的计算级串型计算方法来模拟神经网络机制，很 难满足实时控制需要。 另外，智能控制还包括遗传算法等【5 】。 1 2 4 复合控制策略 由于每种控制算法各有其优点和缺点，复合控制策略成了当今控制工程的 热点，复合控制策略的类型很多，而且随着研究工作的进展还在不断的繁衍和 增加，其主要包括： 模糊p i d 复合控制：模糊控制和p i d 控制的结合方式非常广泛，一种方法 是在大偏差范围内采用模糊控制，在小偏差范围内转换成p i d 控制，利用p i d 的积分特性改善系统的稳态性能。两者的转换由软件自动实现。这种复合控制 方式比p i d 控制有更快的动态响应和更小的超调，比模糊控制有更高地稳态精 度。 自适应模糊控制：普通的模糊控制具有适应过程持续变化的能力，其应用 局限于操作者的经验所及的情况，将自适应引入模糊控制，可以克服这个局限 性，是模糊控制具有自适应能力。一种方法是基于模糊模型的白适应模糊控制， 它是在线辨识模糊关系模型，并利用模糊模型去控制规则。另一种方法是自调 整模糊控制器，它是模糊量化因子及系统的增益在运行过程中按偏差及其变化 率进行自调整。这种复合方式得到了广泛的应用。 模糊神经网络控制：将神经网络和模糊控制结合是一个新颖的很有应用价 值的方向，模糊控制中的最大困难是复杂对象的控制规律难以人工提取，二是 4 第1 章概述 神经网络通过训练和学习能自动或半自动提取隐含的控制规则，并用数值计算 方法来描述复杂非线性控制的行为，两者的结合既保持模糊控制的基本特性， 又克服了模糊控制中人工获取规则的难点。 除此之外，复合型控制策略还包括模糊变结构控制、模糊预测控制、专家 p i d 控制和专家模糊控制等。其中，模糊控制的渗透面最广，它形成的控制策略 实用性强，获得了广泛的应用。 在现代工业日趋大型、连续、综合化的形势要求下，随着计算机硬、软件 技术的成熟，控制策略从传统的向现代和智能控制策略发展产生了一系列新型 控制策略。各种控制策略互相渗透，取长补短，结合成复合的控制策略，是获 得更优越的控制策略的有效途径，也是当前控制策略的研究方向。模糊控制和 专家控制在其中表现了很强的渗透和结合能力，p i d 控制为丰富地应用经验起了 很好的作用，它们是形成当前在工业中应用复合控制策略的主力军。神经网络 和遗传算法是复合控制策略进一步研究的中心。 1 3 可拓控制的发展与现状 可拓学开始于研究不相容问题的转化与解决的规律；它创立于1 9 8 3 年。1 0 多年来可拓学已经初步形成了它的理论框架，并向应用领域发展，不少学者和 专业技术人员开始研究应用可拓学的基本理论去解决实践中碰到的各种矛盾问 题。“可拓集合和不相容问题” 0 3 的发表标志着这门学科的诞生，“物元模型及其 应用”川的发表标志着可拓学已经走过了它的初始阶段，“从物元分析到可拓学” 嘲的发表意味着可拓学学科进入最后的完成阶段。可以说，目前可拓学的应用研 究和实际应用的阶段已经到来。可拓学中可拓集合论的提出，为研究智能控制 又提供了一种重要的工具。可拓集合论是对经典集合论和模糊集合论的进一步 开拓，因此可望以可拓集合论为基础的可拓控制更有优越性，它有可能突破现 有智能控制方法的局限，解决其它智能控制难以解决和解决得不够好的控制问 题。我们必须逐步尝试把可拓理论应用到工业、农业、经济、军事、医学等领 域，在应用中提出新问题，在解决这些问题中发展可拓论【9 】。 把理论应用于各个实际领域的关键在于方法从可拓学的基本原理出发，提 出了“可拓方法”，它是可拓论应用于实际的桥梁。把可拓方法应用到新产品构 思、决策、搜索、诊断、识别、控制等领域，统称为可拓工程方法。如果科研 第1 章概述 人员能将这些方法与自己的研究领域相结合，就能提出更多适合于各专业的可 拓工程方法【i 州。 将可拓理论和可拓方法应用于控制领域去处理控制问题的方法称为可拓控 制方法。它为解决控制领域中存在的某些问题提供了一条值得探索的路径。近 年来，关于可拓控制的理论和方法，国内学者进行了一些探索，并引起了国外 学者的关注。据了解，目前参与这项研究的有：华东理工大学校长王行愚教授 及其所在研究所的研究人员，发表了一批关于可拓控制的论文，承接了两个关 于可拓控制的国家自然科学基金课题。李健、胡琛等提出了可拓控制器的构成 方法并进行了仿真研究。浙江工业大学信息工程学院王万良副教授承接了浙江 省自然科学基金项目“工业过程物元模型及其智能控制算法研究”。清华大学自 动化系的博士生导师金以慧教授及其学生潘东发表了“可拓控制的探索与研究” e l l l 。山东工业大学自动化系的史开泉教授正在进行可拓控制的研究。广东工业 大学机电工程系阳林博士进行“自适应可拓控制器的研究与应用的研究”等等。 国外如美国、臼本和台湾等也极为关注可拓控制的研究。 由于可拓理论是经典数学理论与模糊理论的进一步拓展，所以基于可拓理 论的可拓控制策略必然能开辟一个崭新的研究领域，由于可拓控制不需要精确 的系统建模，所以可拓控制是一个很有前途的研究方向【1 2 l 。虽然可拓控制本身 正处于发展的过程中已有的一些概念和提法都有进一步探讨的地方，如可拓控 制的本质、物元及物元变换在可拓控制中的应用，关联函数的建立方法等等， 目前的研究工作只是开始，还需要多年的艰苦努力。但随着可拓控制研究的不 断深入，它将为人们解决复杂控制系统中的难题，提供更新更好的工具，我们 相信，可拓控制必将有其光辉的未来。 6 第2 章养蚕业的发展 第2 章养蚕业的发展 2 1 养蚕业发展的三阶段理论 回顾养蚕业发展的历史沿革，我国是世界养蚕业和丝绸生产的发源地。早 在5 0 0 0 年前，我们的祖先就已经开始养蚕了。在3 0 0 0 多年前的殷商时代，我 国古代人民已经开始大规模养蚕，并掌握了较为先进的缫丝和织锦技术。西汉 时代，我国的养蚕业发展迅猛，进入了一个快速增长的历史阶段。在此同时我 国的丝绸产量剧增，开始沿着丝绸之路或海路向海外出口，我国被世界称为“蚕 桑之国”、“丝绸之国”。 然而，长期以来我国养蚕业的生产方式和生产工具的进步和改善步伐不 大，到目前为止我国蚕业的总体状况仍然处于生产条件简陋、规模过小、以小 农经济的副业型生产方式为主的落后局面，这是不争的事实。 为了科学地分析养蚕业发展的规律，客观地研究我国养蚕业发展的途径和 方向，我们从历史唯物主义的观点出发，根据社会经济发展和市场经济条件下 的社会化大生产的客观要求，按照关键技术的采用和生产过程的基本特征，将 养蚕业发展划分为三个阶段，提出了养蚕业发展的三阶段理论 1 3 】。 2 1 1 养蚕业的初级阶段 这个阶段的基本特点是养蚕业生产过程简单地延续了蚕的自然再生产过 程。在这一阶段中，人们只是简单地参与了蚕的自然生长过程，主要着眼于野 蚕的驯服，蚕种的筛选和桑树的栽培等。人们的养蚕业生产过程服从于蚕的自 然再生产过程，仍然维持一年一次的生产过程，与其相适应的经济形式是简单 的手工生产工具，和小规模、分散生产的小农经济。 2 1 2 养蚕业的发展阶段 。 这个阶段的基本特点是人工控制下的间断形式的养蚕业生产过程。在这一 阶段，人们通过人工催青、小蚕共育等技术，从根本上变革了一年一次的养蚕 7 第2 章养蚕业的发展 业生产过程。在一年的时间内，可以根据气候和原料的具体情况，人工控制蚕 种的孵化和小蚕的养育，基本实现了常年专业生产的要求。但是，其生产过程 仍然是以蚕的一生自然生长过程为单元，间断进行的。在这个阶段，适应着人 工催青、小蚕共育和专业化常年生产的要求，一些简单的机械设备开始投入到 养蚕业生产过程中来，例如单片机催青监控设备、小蚕共育设备、机械化给桑 台、全自动无菌蚕室等。与这个阶段相适应的是以集中人工催青、小蚕共育、 区域性生产技术指导，以及预定收购为特点的合作经济。 2 1 3 养蚕业的成熟阶段 这个阶段的基本特点是工业化大生产的连续形式的养蚕业生产过程。在这 一阶段，蚕的自然再生产过程完全与工业化生产工艺节律相吻合，养蚕业的生 产活动表现为一个连续的流水作业过程，蚕的生长过程每时每刻都在现代化人 工智能监测控制系统的全面管理之下，生产活动按照市场的需求有序地进行品 种、数量的调整，整个生产过程作为养蚕企业的管理系统的一个环节有效地运 营。养蚕业的成熟阶段对整个生产过程的信息采集、监测控制、数据处理和智 能系统提出了全面要求。人工催青、小蚕共育系统的更新换代，系统升级更势 在必行。与这个阶段相适应的是以规模化、集约化、专业化为特点的社会化大 生产的现代市场经济。 我国养蚕业现处在由第二阶段向第三阶段过渡的关键时期。在国家有关政 策的鼓励下，在我国加入世界贸易组织的机遇促进下，我们将迎来养蚕业快速 发展的一个大好时机。新的一轮以资本的集中和积聚为特点，以提高企业核心 竞争能力为中心，以抢占技术和管理优势为手段的养蚕业企业的竞争和并购， 势必引发我国养蚕业及其相关技术的呈现出跨越性的发展态判1 4 1 。 8 第3 章可拓学的基本理论方法 第3 章可拓学的基本理论方法 3 1 可拓学的基本思想 可拓学是1 9 8 3 年由我国学者蔡文提出的一门原创性学科，它用形式化的模 型，研究事物拓展的可能性和开拓创新的规律与方法。可拓学的研究对象是现 实世界中的矛盾问题，研究方向是探索处理矛盾问题的规律与方法。应用可拓 学的理论与方法，可以给出矛盾问题的可拓模型和解决矛盾问题的策略【l 卯。 人们在认识世界与改造世界的过程，其实质是一个不断创造条件，解决矛 盾问题的过程。如何从定性与定量两方面研究矛盾本身与解决矛盾的方法，是 可拓学研究发展的立足点。 首先，可拓学建立起描述客观世界各种事物、现象、关系的形式化模型。 基元是可拓学中最基本的逻辑细胞。以此为基础，可拓学提出了用物元描述事 物，用事元描述事物间相互的作用，用关系元描述事物间相互的关系，最终以 复合元概括客观世界各种问题的方法。 然后，可拓学围绕着可拓变换展开了对矛盾问题解决方法的研究。可拓学 认为，在一定的客观条件及主观目的下，对事物本身性质，事物间作用及事物 间关系进行开拓，是矛盾问题得以解决的根本途径。为此，可拓学引入可拓变 换这一形式化工具作为描述客观世界中开拓现象的模型。可拓变换的提出，使 得解决矛盾问题的方法不再是某种单纯的头脑灵感，而是实实在在的有规律可 寻的知识。 最后，可拓学构造了可拓集合理论作为处理矛盾问题的工具。可拓集合为 实现可拓学提供了数学基础，为可拓学真正能够解决实际工程问题提供了定量 的计算方法，从根本意义上支撑了可拓学的存在和发展的价值。 9 第3 章可拓学的基本理论方法 3 2 物元理论 3 2 1 基本概念 ( 1 ) 物元 物元是可拓学的逻辑细胞，是描述事物的基本元。物元变化的可能性，称 为物元的可拓性【1 6 1 。事物的变化以物元变换来描述，物元理论的核心就是研究 物元的可拓性和物元的变换以及物元变换的性质。 物元以有序三元组r = ( ，c ，v ) 作为描述事物的基本元。其中，n 表示事物， c 表示特征的名称，v 表示关于c 所取的量值，记为v = c ( ) 。这三者称为物 元的三要素。当事物具有 个特征和相应的疗个量值时，则表示为： r = ，q ，”l c 2 ，v 2 厶，v 月 r i r 2 ： r 。 ( 3 - 1 ) 称r 为聆维物元，简记为r = ( ，c ，) 。对于每一维物元r 。称为分物元 7 1 。 事物：按照属性，事物可分为个事物和类事物，例如人类可以作为一个类 事物，而大人则是一个个事物；按照存在性，事物可分为存在事物与期望事物， 例如人就是一个存在事物，因为他本身就存在。而那些我们想象出来的超人以 及备受大家关注的太空人则是期望事物。 特征：凡能表示事物的性质、功能、行为状态以及事物与事物之间的关系 等征象的都是事物的特征。如人，有能说话、直立行走、会劳动等特征。特征 分为三类：功能特征( 描述事物的作用或用途) ，性质特征( 描述事物的性质) 和实义特征( 描述事物的实体) 。 量值：事物关于某一特征的数量、程度或范围等称为该事物关于这一特征 的量值。量值分数量化量值和非数量化量值。 ( 2 ) 性质函数、节域和保名域 性质函数：若实义特征和性质特征c 的量域分别为矿) 和y ( c ) ，在物元 r = 0 ， 、， 之 0 l 川 g m 第3 章可拓学的基本理论方法 中，若事物o 关于性质特征f 的量值y 与特征的量值x 间有关系y = 厂g ) ，则 称此函数关系为o 关于性质f 的性质函数。其中x v ( c 。) ，y 矿g ) 节域：若0 关于c 的性质函数为： y = 厂g ) = 4 4 ： 4 。 称k o = 1 , 2 ，h ) 为n o 关于4 ，的节域。 保名域：给定事物，对于特征c ，若存在量值域气c y ( c ) 和参数f ，使 当c ( o ) ) 时，( f ) = n ；c ( n o ) ) 萑时o ) n ，这时，记( ，) = 疗，则 称为事物关于特征c 的保名域，记作。其中o ) 表示参数为r 时的事物。 注意：保名域与节域不同。保名域是对事物的名称而言，节域是对事物的 特征而言。 3 2 2 物元的可拓性 事和物都是可以拓展的，而这种拓展的可能性就是事和物的可拓性。事和 物的可拓性包括发散性、可扩性、相关性、蕴含性以及事物内部结构的共轭性。 ( 1 ) 发散性 一事物具有多种特征，一特征又为多种事物所具有。“一物多征”、“一征 多物”、“一值多物”、“一特征元多物”等统称为物元的发散性，从一个物 元出发，按照不同规则，可以发散出多个物元集。 ( 2 ) 可扩性 可扩性指可加性、可积性和可分性，物元的可扩性包括事物的可扩性、特 征的可扩性和量值的可扩性。一个物元，可以与其它物元结合成新的物元，也 可以分解为若干新的物元，新物元中的事物具有原物元中的事物不具备的某些 性质。物元这种结合或分解的可能性称为物元的可扩性。物元的可扩性提供了 解决矛盾问题的另一种途径。 ( 3 ) 相关性 相关性又分为事物的相关，特征的相关和物元的相关。 事物的相关： 、j 1 ， - 3 l k ； x x x 第3 章可拓学的基本理论方法 对两个事物i o ) ，n ：( f ) ( f 是参变量) ，若c 【m o ) 】= 厂p ( 2 0 ) ) 】，则称事物 l o ) 与：o ) 关于特征c 相关。记作l o ) n a o 。 特征的相关： 对事物o ) 的两个特征c 。，c ：( f 为某参变量) ，若c 1 【o ) 】= k ：( o ) ) 】， 则称特征c 。与特征c ：关于事物o ) 是相关的，记作c 1 n ( t ) c ：。 物元的相关： 对于物元 碘r l ( t ) ) ：= ( ( n ：l m 0 1 c ：l , ，c 。l ：( ( 2 n l ( t ) ) ) ( 3 - 4 ) 【r ：( ，) = ( ： c 2 ，c ：( 2 p 1 若c 。【l ( ，) 】= 厂p ：( ：o ) ) 】，则称物元r 。o ) 与r ：( ，) 是相关的，记做蜀o ) 垦o ) 。 当q = c ：时，若c 。i n , o ) 】= 厂k ：( 2 ( f ) ) 】，则r 。o ) 与r ：o ) 是事物相关的物元； 当n 。o ) = n ：( ，) 时，若c 。i n , o ) 】= ，k ：( ：o ) ) 】，则r 。o ) 与矗：o ) 是特征相关的 物元。 ( 4 ) 蕴含性 若a 存在，必有b 存在，则称爿蕴含b ，记作a j b ，a 与口之间的关系 称为蕴含关系。( 4 ，b 可以是事物、特征、量值、特征元、物元等) b 称为 上位元素，彳称为下位元素。蕴含包括事物的蕴含，特征的蕴含，量值的蕴含， 特征元的蕴含和物元的蕴含。物元的蕴含性提供给我们解决矛盾问题的思路是： 对于直接要面对的问题，我们可能束手无策，但是我们可以考虑解决另外一个 问题，而该问题与原问题有蕴含关系，如果该问题解决了，那么原问题也就解 决了。吏献君中所谓的围魏救赵的方法可以很好的说明这一点，围魏救赵说的是 春秋战国时期，魏国攻打赵国，齐国要救赵国，但路途遥远，时间紧迫，于是 采取了围攻魏国都城大梁的策略，魏王只好回师自救，于是赵国之围不战而解， 这里就是通过围魏而达到救赵的目的【l 7 。 ( 5 ) 共轭性 事物具有物质性、系统性、动态性和对立性，统称为共轭性。从共轭性出 发去认识事物，能够更完整地描述事物的结构，更深刻地揭示事物发展变化的 本质。从上面四个角度出发，提出了虚实、软硬、潜显、负正这四对对立的概 念来描述事物的构成，成为事物的共轭部。 我们把事物的物质性部分称为事物的实部，非物质性部分称为事物的虚部； 第3 章可拓学的基本理论方法 把事物的组成部分的全体称为事物的硬部，事物与它的组成部分之间以及该事 物与其他事物之问的关系称为事物的软部；把事物潜在的部分称为事物的潜部， 显化的部分称为事物的显部；把事物关于某特征的量值取正值的部分称为事物 关于该特征的正部，事物关于某特征的量值取负值的部分称为事物关于该特征 的负部【1 8 】。 3 2 3 物元变换 可拓论引进物元之后，就能够把对事物的变换，对特征的变换和对量值的 变换作为特定的运算引入其中，因而能描述既包含量的变换又包含质的变换的 过程。 参考突献君对物元变换给出了明确的定义： 由物元岛= ( n o ，c o ，) 改变为物元r = ( ，c ，矿) 或若干物元r 。= ( l ，c i ，k ) ，r ：= ( 2 ，c ：，) ，r 。= 帆，g ，k ) 称为物元变换。记作巩= r ，或者 t r o = 似1 ，胄2 ，胄。) 。其中r 。，马，r 2 ，r 。，r 可以是一维物元，也可以是多维 物元，通常将变换前的物元称为参与物元，而变换后生成的物元称为生成物元。 物元变换包括置换、分解、增删和扩缩四种基本变换形式，因此，物元变 换就是对其三要素事物、特征及量值进行上述四种变换。 物元中任一要素的改变称为该要素的变换，对三要素事物、特征和量值的 变换分别记为r ，和l 。 ( 1 ) 置换变换 给定物元岛= ( o ，c o ，v o ) ，若乇v 。= v ，毛c o = c ，o = n 则分别称气、 乇和氏为对物元r o 三要素v o 、白和o 的置换变换。 ( 2 ) 分解变换 若物元三要素v 0 = v 1 + v 2 + + ， = q c 2x 6 ， o = n l + ：+ + 虬分别使气v o = “，v ：，) ，r , c o = g 。，c ：，厶) ， o = “，2 ，m ) ，则称、和氏分别为对物元三要素v o 、c o 和o 的 分解变换。 ( 3 ) 增删变换 c o ： c 。l c l 和k 0 = o + l ，则称气、气和分别 第3 章可拓学的基本理论方法 为对物元三要素v o 、岛和n o 的分解变换。类似地可以定义出删减变换。 ( 4 ) 扩缩变换 若气v 。= m ，。0 o ) ，毛c o = c 。c ir 。o n o = n n o ( n 为自然数) ，则称k 、 乇和氏分别为对物元三要素v o 、c o 和n o 的扩缩变换，类似地可定义缩小变换 1 2 1 。 3 3 可拓集合和关联函数 3 3 1 可拓集合 ( 1 ) 可拓集合的定义 经典数学是建立在经典几何基础上的。在经典几何中，“是”就是“是”。“非” 就是“非”。人们0 ，l 两个数来表征对象属于某一集合或者不属于该集合。经 典集合描述的是事物的确定性概念。经典集合只顾及元素在集合“内”与“外” 的关系。模糊集合除了顾及“在内、在外”之外，还顾及到了元素属于集合的 程度，即隶属度。隶属度取o ，1 1 的实数。可以说，模糊集合论照顾到了状态 与度量两个方面。但是，现实生活中还存在另一种叫可拓集合的例子。例如， 某车床加工工件的规格为中( 4 9 9 ，5 0 1 ) ，现有一批加工后的工件，用经典集合 来描述，集中任一工件不是合格品就是不合格品，即直径在4 9 9 5 0 1 的为合格 品，而直径在4 9 9 以下和5 0 1 以上的为不合格品。实际上，在不合格品中，直 径小于4 9 9 的是废品，直径大于5 0 1 的是可返工品。对可返工品通过重新加工 之后可以变成合格品，他们是废品。显然，在不合格品中，废品和可返工品是 本质不同的不合格品【1 9 l ，如图3 1 所示。 图3 1 产品示意图 1 4 第3 章可拓学的基本理论方法 经典集合用0 和1 两个数来描述具有某种性质或不具有某种性质，可拓集 合则用取自( 一m ，+ m ) 的实数来表示具有某种性质的程度，正数表示具有该性质的 程度，负数表示不具有该性质的程度，零表示既具有该性质又不具有该性质。 可拓集合除了顾及“在内、在外”之外，还考虑“内外”的边界( 称为零界) 以及“内外”的可相互转化性( 正负可拓域) ，它的关联函数值域扩展到( 一l ，+ 1 ) 或 ( - m ，+ m l 。可以说，可拓集合论既考虑状态，又考虑度量，同时又把事物的可变 性纳入描述的范围 2 0 1 。 设u 为论域，若对u 中任一元素“，“u 都有一实数 与之对应，则称 足( “) ( - o o ，+ _ o 。) ( 3 5 ) 彳= 鼢，) ，) i “u ，y = 足q ) ( - o o ，+ o o ) ( 3 6 ) 为论域( ，上的一个可拓集合，其中y = k 0 ) 为彳的关联函数，k 0 ) 为”关于j 的 关联度。称 为彳的正域。 为彳的负域。 4 = 函i u ，k 0 ) 2 0 ) ( 3 7 ) j = u l “u ，足0 ) 0 ) ( 3 - 8 ) 山= 缸i u u ，x 0 ) = 0 ( 3 9 ) 为j 的零界。显然，若“j o ，n u a ，同时甜j 。