（模式识别与智能系统专业论文）模糊智能系统中模糊推理研究.pdf

坚圭兰些笙茎坚塑塑堑墨竺生堡塑丝堡竺塞 一一一j 摘要 推理功能是人类智能的主要特征之一，计算智能是实现人工智能的一种重要的新 技术，而其中的模糊推理是模糊专家系统、模糊控制系统的理论基础和核心，是信息 科学中一个进行模糊信息处理和实现机器智能的重要工具，因而是计算机科学、控制 科学和人文决策等学科的重要研究课题 1 9 7 5 年由f u n g 和f u 提出的m a x m i n 运算的一种推广一v 4 算子的值域在 m i n i s , y ) , m a x ( x ，y ) 】之间可调，含有v 1 算子的逻辑推理，易于转化为模糊神经网络形式， 从而参数学习也方便，又便于硬件实现，而且有很好的运算性质，但其并未引起足够 的注意，本文先对v 2 算子和广义v 1 算予的多种性质结合模糊推理的需要进行了较系 统的研究 基于。- 算子把模糊关系合成运算“。”推广成“一，一”形式，其中p ，p ： o ，1 】， 并发现“r z ”仍然保持了“。”的多种良好的性质；进而把l a z a d e h 提出的著名 的模糊推理关系合成法则( c r i 法) 推广成带参数的模糊关系合成法则c r i p ，由于 参数的介入大大地扩大了p l 。一：算子的值域，以至于c r i p 算法几乎总能满足还原性， 而且模糊蕴涵算子的作用变得不再关键了，从而几乎回避了模糊蕴涵算子难以适宜选 择的问题，特别是基于c r i p 法的模糊推理的过程能轻易地对应成一个模糊神经网络 问题，进而参数很好确定，这种方法也是把传统的c r i 法赋予了自适用特性：本文也 具体地给出了相应的参数调整法，并通过推理实例把它与其它推理算法进行了比较 本文基于单体模糊神经网络提出了一种广义的m a m d a n i 算法，提出了两个神经 网络模型分别进行广义取式推理和广义拒式推理，给出了这些网络的性质、学习算法 和推理实例，并与其它方法进行了比较 传统的区间值模糊集的相容性则度由于结构复杂，从而掩盖了它的一些本质，而 且与人的某些直觉不符，为此本文另外提出了一个“相合度”概念，并将两者进行了 比较，分别给出了相容度和相合度为1 的充分必要条件和直观解释，并首次讨论了模 糊推理对相容度和相合度的传播问题 基于t 范数和s 范数本文提出了f 1 型和f 2 型两类神经元模型，前者灵敏性强 鲁棒性弱，更适宜用于给出了工业控制系统，瓦后者灵敏性弱棒性强，更适宜用于人 文决策领域，并给出了广义a n d o r 运算为t s 范数簇的充分必要条件，而且应用 f 1 型和f 2 型构造了一个神经网络应用于模糊推理，新的推理算法是c r i 法的推广拥 有更好的性质；同时本文首次提出了弱界三角范数的概念，其可应用于信息不完备和 摘璺 予命题之问关系复杂情形下的模糊命题演算问题 提出了一般的模糊推理算对规则摄动的鲁棒性的概念，并具体分析了模糊蕴涵算 子对多类模糊推理算法拥有良好的这种鲁棒性的影响，分别给出了相应的充分必要条 件，还提出了一般模糊神经网络对训练模式对摄动的鲁棒性的概念，并就多种学习算 法具体分析了模糊联想记忆网络的这种鲁棒性，并尝试了利用这些分析结果反过来对 模糊规则的获取过程进行警示和指导当讨论的这种鲁棒性较好时，规则的摄动或粗 糙是安全的可行的，从而可减轻领域专家的压力，或降低数据采集设备精度要求 关键词：人工智能，计算智能，智能控制，模糊控制系统，模糊专家系统，模糊神 经网络模糊推理，模糊关系合成法则，模糊蕴涵算子，鲁棒性，摄动，学习算法 堕! 三兰堡丝兰堡塑塑堂墨垫主塑塑垄堡竺壅 坐 a b s t r a c t i n f e r e n c ef u n c t i o ni so n eo fi m p o r t a n tf e a t u r e so fh u m a nb e i n g si n t e l l i g e n c e ，a n d c o m p u t a t i o n a l i n t e l l i g e n c e i sn e w i m p o r t a n tt e c h n i q u e o fr e a l i z a t i o no fa r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e f u z z yi n f e r e n c e sa r et h e o r yb a s e sa n dk e r n e l so ff u z z ye x p e r ts y s t e m sa n d f u z z yc o n t r o ls y s t e m s ，a r ea l s ou s e f u lt o o l sf o rf u z z yi n f o r m a t i o np r o c e s s i n ga n d m a c h i n e i n t e l l i g e n c ei ni n f o r m a t i o ns c i e n c e ，t h e r e f o r e ，a r es i g n i f i c a n tr e s e a r c hs u b j e c t so fc o m p u t e r s c i e n c e ，c o n t r o ls c i e n c ea n dd e c i s i o n m a k i n gs c i e n c e o p e r a t o r v 4 ，p r e s e n t e db yf u n g a n df ui n19 7 5 ，i sag e n e r a l i z e df o r mo f o p e r a t o rm a x a n do p e r a t o rr a i n ，h o l d sm a n yg o o dm a t h e m a t i c a lp r o p e r t i e s ，a n di sr e a l i z e de a s i l yi n h a r d w a r ef o r m ，i t sv a l u ec a nv a r yf r o m m i n ( x ，y ) t om a x ( x , y ) ，f u z z yi n f e r e n c ew i t ht h i s k i n do f o p e r a t o r si sa l s oe a s yt ob et r a n s f o r m e da sf u z z yn e u r a ln e t w o r k ，t h u sp a r a m e t e r c a nb ea d j u s t e db yl e a r n i n ga l g o r i t h mo ft h ec o r r e s p o n d i n gn e t w o r k b e c a u s eo p e r a t o rv 1 h a sn o tb e e np a i de n o u g ha t t e n t i o nt o ，s oi t sp r o p e r t i e sa r ef i r s ti n v e s t i g a t e ds y s t e m i c a l l y f o rd i s c u s s i o no f f u z z yi n f e r e n c ei nt h ep a p e r b e n e f i t e df r o mo p e r a t o rv 。f u z z y c o m p o s i t i o n a lo p e r a t o r “。”i sg e n e r a l i z e da s “”w h e r e p l ，p ：【0 , 1 】，i t i sf o u n dt h a tt h eo p e r a t o rh o l d sm a n yg o o dp r o p e r t i e s ， t h e nt h ec o m p o s i t i o n a lr u l e so f f u z z yi n f e r e n c e ( c r if o rs h o r t ) p r o p o s e db yl a z a d e hi s g e n e r a l i z ea st h ep a r a m e t e r i z e dc o m p o s i t i o n a lr u l e so ff u z z yi n f e r e n c e ( c r i pf o rs h o r t ) d u et oi n t r o d u c i n gp a r a m e t e r s ，t h ev a l u es p a c eo fc r i pi sg r e a t e rt h a nt h a to f c r i ，s ot h a t c r i ps a t i s f i e s v e r ye a s i l yt h ei n f e r e n c ep r i n c i p l eo fc o n s i s t e n c y , a n df u z z yi m p l i c a t i o n o p e r a t o ro fc r i pi sn ol o n g e rc r u c i a l ，s ot h ed i f f i c u l tp r o b l e mo fc h o i c eo fa p p r o p r i a t e i m p l i c a t i o no p e r a t o rf o rt h i s i n f e r e n c ea l g o r i t h mc a nb ea l m o s ta v o i d e d ，e s p e c i a l l yt h e f u z z y i n f e r e n c ew i t hc r i pc a nb et r a n s f o r m e d e a s i l y a s f u z z y n e u r a ln e t w o r k ，t h e p a r a m e t e r 2c a nb ee a s i l yd e t e r m i n e db ym e a n so fi t s l e a r n i n ga l g o r i t h m ，t h en e wm e t h o d m a k e s s e l f - a d a p t a t i o nf u n c t i o na d h e r et oc o n v e n t i o n a lc r i t h ep a p e rg i v e st h em e t h o df o r a d j u s t i n gp a r a m e t e r so fc r i p , i n f e r e n c ei n s t a n c e sa n dc o m p a r i s o n sb e t w e e nc r i pa n d o t h e ri n f e r e n c em e t h o d s a g e n e r a l i z e df o r mo fm a m d a n i sm e t h o df o rf u z z yi n f e r e n c ei sp r o p o s e db a s e do i l m o n o l i t h i cf u z z yn e u r a ln e t w o r k t h et w of u z z yn e u r a ln e t w o r km o d e l sa r ec o n s t r u c t e d r e s p e c t i v e l y f o r g e n e r a l i z e dm o d u sp o n e n sa n dm o d u st o l l e n s t h e p a p e rg i v e s t h e p r o p e r t i e s ，l e a r n i n ga l g o r i t h i n sa n di n f e r e n c ei n s t a n c e so ft h et w on e u r a ln e t w o r k s a n dt h e p a p e ra l s oc o m p a r e st h i sg e n e r a l i z e dm e t h o dw i t ht h eo t h e ri n f e r e n c em e t h o d s 摘要 2 0 0 4 年7 月 t r a d i t i o n a lc o m p a t i b i l i t ym e a s u r eb e t w e e nt w oi n t e r v a l v a l u e df u z z ys e t si se x p r e s s e d a sac o m p l e xf o r m u l a ，t h u si t ss o m ee s s e n c e sa r eo f t e nc o n c e a l e db yt h ec o m p l e x i t yo fi t s r e p r e s e n t a t i o n b e c a u s e s o m ep r o p e r t i e so ft h em e a s u r ea r ei n c o n s i s t e n tw i t hh u m a n s i n t u i t i o n ，c o n c e p to f s o c a l l e dc o i n c i d e n c em e a s u r eb e t w e e nt w oi n t e r v a l - v a l u e df u z z ys e t s ， a n dc o m p a r i s o nb e t w e e nt h et w om e a s u r e s ，t h e ns u f f i c i e n ta n dn e c e s s a r yc o n d i t i o n sa r c g i v e nf o rc o m p a t i b i l i t ym e a s u r ea n dc o i n c i d e n c em e a s u r ea r ee q u a lt o 1 r e s p e c t i v e l y f o r t h ef i r s tt i m e ，p r o p a g a t i o n so f t h et w om e a s u r e sa r e d i s c u s s e dh e r e b a s e do nt - n o r ma n ds n o r m f in e u r o nm o d e la n df 2n e u r o nm o d e la r ep r o p o s e d t h ef i r s tm o d e lh a s h i 。g hs e n s i t i v i t ya n ds t r o n gr o b u s t n e s s ，a r em o r es u i t a b l et ob ea p p l i e d t oi n d u s t r yc o n t r o ls y s t e m s t h es e c o n dm o d e lh a sl o w s e n s i t i v i t ya n dw e a kr o b u s t n e s s ，a r e m o r es u i t a b l et ob e a p p l i e d t o d e c i s i o n m a k i n g f i e l d s t h es u 确c i e n ta n d n e c e s s a r y c o n d i t i o n sa r eg i v e nr e s p e c t i v e l yf o rg e n e r a l i z e da n d o ra r ct sn o r mc l u s t e r s ，a n da f u z z yn e u r a ln e t w o r kw i t hf 1a n df 2n e u r o n si sc o n s t r u c t e df o rf u z z yi n f e r e n c e ，t h en e w i n f e r e n c em e t h o di s g e n e r a l i z a t i o n o fc r i ，a n dh o l d sb e t t e r p r o p e r t i e s t h a nc r i ，t h e c o n c e p to fw e a k - b o u n d - t r i a n g u l a rn o m li sp r o p o s e d ，i tm a yb ea p p l i e dt of u z z yp r o p o s i t i o n c o m p u t a t i o n i nt h ec a s e t h ei n f o r m a t i o ni sn o t c o m p l e t e d a n dr e l a t i o n s a m o n g s u b - p r o p o s i t i o n sa r ec o m p l i c a t e d t h er o b u s t n e s sc o n c e p t so fag e n e r a lf u z z yi n f e r e n c ew i t hp e r t u r b a t i o n so fr u l e sa r e p r e s e n t e d ，t h e ni n f l u e n c eo ff u z z yi m p l i c a t i o no p e r a t o r so ns u c hr o b u s t n e s sa r ea n a l y z e d ， m o r e o v e rs u f f i c i e n ta n d n e c e s s a r y c o n d i t i o n sa r eg i v e nf o rv a r i o u s f u z z yi n f e r e n c em e t h o d s t h er o b u s t n e s sc o n c e p t so fag e n e r a lf u z z yn e u r a ln e t w o r kw i t hp e r t u r b a t i o n so f p a t t e r n p a i r sa r ep r o p o s e d ，a n ds u c hr o b u s t n e s so ff u z z ya s s o c i a t e dm e m o r yn e t w o r ki s a n a l y z e d f o ri t sv a r i o u sl e a r n i n ga l g o r i t h m s i ti sa l s oa t t e m p t e dt h a tt h er e s u l t so f t h er o b u s t n e s s a n a l y s e sa r eu s e da ss u p e r v i s i n go ri n s t r u c t i n gt h ec o l l e c t i o no ff u z z yr u l e s w h e nt h e d i s c u s s e dr o b u s t n e s so ff u z z yi n f e r e n c em e t h o d si s s t r o n g ，p e r t u r b a t i o n so rr o u g h n e s so f r u l e sa r es t i l ls e c u r i t ys e c u r ea n d f e a s i b l e ，i nt h i sc a s e ，t h es t r e s so n e x p e r t si na p p l i e df i e l d s i sw e a k e no rt h e h i g hp r e c i s i o no f s e n s o r si sn o t r e q u i r e d ， k e yw o r d s ：a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，c o m p u t a t i o n a li n t e l l i g e n c e ，i n t e l l i g e n tc o n t r o l ，f u z z y c o n t r o ls y s t e m ，f u z z y e x p e r ts y s t e m ，f u z z yn e u r a ln e t w o r k ，f u z z yr e a s o n i n g ，c o m p o s i t i o n a l r u l e so ff u z z yi n f e r e n c e ，f u z z y i m p l i c a t i o n o p e r a t o r , r o b u s t n e s s ，p e r t u r b a t i o n ，l e a r n i n g m e t h o d 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 珊生魏燃妒牛、；仪月6 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生虢避澧泸州朔肛目 竖! 兰垒堡苎堡塑塑堕至丝壁塑堡堡! ! 塑一 l 绪论 1 1 模糊事物与模糊集合 “模糊”( f u z z y ) 英语注释为“l i k e f u z z ”或“i n d i s t i n c t ( i ns h a p e0 1 o u t l i n e ) ”， 即“绒毛状的”、“形状( 或轮廓) 不清晰的”；日语译为“暖昧”，都有比喻为“通过 绒毛看景物”、“轮廓变得含混不清”之意由于人类的思维有时是很粗略的，语言表 达是暖昧的，它的逻辑是定性的，毫不在乎地容纳着许多矛盾，因此“模糊概念”更 适合于人们的观察、思维、理解与决策，这也更适合于客观现象和事物的模糊性 ( f u z z i n e s s ) “模糊”比“清晰”所拥有的信息容量更大，内涵更丰富，其不确切性 的特点使我们度量、建模和作更进一步的处理难度大得多人类的大脑具有很高的模 糊划分、模糊判断和模糊推理的能力人们为了表达和传递知识所采用的自然语言中 已巧妙地渗透着模糊性，并能用最少的词汇表达尽可能多的信息可以认为对事物认 识的模糊性是人类认知世界的一个本质的东西模糊现象或模糊概念是普遍存在的客 观事物，而以认识、描述和改造客观世界为己任的科学技术对其是不能回避的必须加 以正视的由于历史的原因，人们习惯追求精确性和清晰性，总希望把事物以数字的 形式清楚地表达出来，美国加里福尼亚大学著名的控制论专家l a z a d e h ( 1 9 2 1 一) 认为：“一种现象，在能用定量方法表征之前，不能认为已被彻底理解这是现代科 学的基本信条之一”但是，面对模糊现象，人们使用传统数学遇到实质性的园难随 着信息革命的需要。人们不可避免地要处理大量的模糊现象，而传统的方法和已有的 工具面对模糊现象又显得十分的不足，以致精确性与模糊性的对立越发突出参考文 献【l 曾作过这样的论述：“精确性与模糊性的对立，是当今科学发展所面临的个十分 突出的矛盾各门学科追切要求数学化、定量化但是，科学的深化意味着研究对象 的复杂化，复杂的东西又难于精确化电子计算机的出现，在一定程度上解决了这个 矛盾然而，正是由于电子计算机的出现，使得这种矛盾更加激化：一方面，严密的 程序要求离度的精确：另一反面，机器所执行的日益繁难的任务，使得它所面临的系 统日益复杂”l a z a d e h 正是注意了这种对立提出了这样一条互克性原理：“当系 统的复杂性日趋增长时，我们对系统特性的作出精确而又有意义的描述能力将相应降 低，直至达到这样一个阀值，一旦超过它，精确性和有意义性将变成两个几乎互相排 斥的特性”这说明，高精度和与高复杂性是不兼容的事实上，当系统达到一定的 复杂程度后适当的模糊反而精确，过反的精确反而模糊这也正好说明，“模糊” 与“精确”具有对立统一的辨证关系 计算机的出现是人类大脑延伸的一个飞跃，它能在几秒或几十秒内完成人在几天 甚至几年，j - 肯2 完成的计算或其它某些问题，比如解一个高阶线性方程组或证明“四色 定理”然而在许多问题中，计算机的智力水平还不如一个婴儿，一个两岁的婴儿可 绪论 2 0 0 4 年7 月 以准确而迅速地识别出他的母亲，如果让计算机来完成这件事，真不知要提供多少个 参数，其结果很可能是个笑话由于人们重视精确、严格和定量的东西，蔑视模糊、 不严格和定性的东西，因此采用计算机的定量方法在大部分领域内得到了迅速的发 展无疑，计算机在处理机器系统方面已被证实是高度有效的所谓机器系统是指力 学、物理、化学和电磁学所规定的无生命系统可惜关于人文系统不能作出相同的结 论，这类系统至少到现在为止，与数学的分析和计算机的模拟还有段距离，对于生 理学、心理学、文学、法律、政治、社会学和其它与人类判决所及的领域中的基本论 题，计算机的应用却没能提供很有效的帮助，这点已得到普遍的承认所谓人文系 统是指行为受人类的判断、感觉或情感影响的大系统例如，经济系统、管理系统、 教育系统、政治系统、法律系统等随着科技的深化，数学的应用不得不从“物理” 进入“事物”，而这恰恰是模糊性最集中的地方，因此人们不得不与模糊现象打交道既 然计算机有如此的威力，那么为什么在判断和推理方面的能力有时还不如人脑呢? l a z a d e h 仔细研究了这个问题，以至使他在科研工作中经常回旋于“人脑思维”、“大 系统”和“计算机”的矛盾中他发现德国人c a n t o r 创立的古典集合论中的集合概念 必须加以推广，这样有利于利用数学模型来描述某些现象的模糊性1 9 6 5 年， l a ，z a d e h 教授发表了模糊集合论论文毗提出用“隶属函数”这个概念来描述 现象差异的中间过渡，从而突破了古典集合论中属于或不属于的绝对关系l a z a d e h 教授这一开创性的工作，标志着数学的一个新的分支模糊数学的诞生 1 2 模糊系统 1 2 1 什么是模糊系统 按文献 2 】的定义，模糊系统是一种基于知识或基于规则的系统，它的核心就是有 所谓的i f - t h e n 规则所组成的知识库，而i f t h e n 规则是用隶属度函数或模糊集合 的形式来表达人类的知识这种规则结构本身就与逻辑学建立了天然的联系 按文献【3 】的定义，模糊系统是指那些与模糊概念和模糊逻辑有直接关系的系 统这个定义似乎比前一定义稍广义些 由于i f - t h e n 规则本身就是一个前因后果形式的逻辑陈述语句，所以模糊系统 与逻辑学有着天然的联系所以模糊系统也常称为模糊逻辑系统 1 2 2 模糊系统的组成、分类和优点 模糊系统组成t 2 - 3 1 ：一般含有模糊产生器、模糊规则库、模糊推理机和反模糊化 器四部分【4 引 常用模糊系统的第一种分类：根据模糊系统所含部件的多少和部件的特性可作如 下分类： 【1 ) 纯模糊逻辑系统【2 3 1 其仅由模糊规则库和模糊推理机组成，输入输出均为模 博士学位论文 模糊智能系统中模糊推理研究 糊集合 其优点是，它提供了一种量化专家语言信息和在模糊逻辑规则下系统地利用这类 语言信息；但也有缺点，即输入输出均为模糊集合，不易为绝大多数工程系统所用 ( 2 ) t a k a g i s u g e n o 模糊逻辑系统7 1 其实际上是一般化模糊系统的特例，由于它 在许多实际领域中得到了成功应用，故做重点介绍，在此系统中： 规则的形式：r “1 ：fx i sf 。，_ i s t h e ny 。= c ：+ c ：x i + + c l x 。；，此处f 为模糊集合；c j 为实数：y 为系统根据此条规则得到的输出，是实数；，= l ，二，2 一，m ( 兀f ( x ，) ) y 输入为实数向量：x = ( x 。，x ：， ) 7 ；输出为实数：y = 型音专一 兀f ( t ) t a k a g i - s u g e n o 模糊逻辑系统的主要优点是，它的输出能由规则库中变量的各隶 属函数( 前提部分) 以及规则的输出( 结论部分) 精确确定，因此能用系统辩识的方 法来确定浚系统的参数e j ，用确定系数阶数的方法来确定规则数m ，而且该系统省去 了专门的模糊化和反模糊化过程，该系统的缺点在于其规则的结论部分是非模糊的， 这对描述专家的经验带来了很大的不便 ( 3 ) 输入输出为精确值，带有完整的四个组件的模糊系统此实际上是模糊系统的 一般形式 模糊系统具有许多极其重要的优点： ( 1 ) 由于输入输出都为实型变量，故特别适用于工程应用系统； ( 2 ) 它提供了一种描述专家知识的模糊“i f t h e n ”规则的一般形式； ( 3 ) 模糊产生器、模糊推理机和反模糊化器的选择有很大的自由度9 1 ，因此当用 模糊系统解决某些特殊问题时，可通过学习的方法，选择最优的模糊逻辑系统； ( 4 ) 能同时利用数据和语言两类信息： ( 5 ) 模糊逻辑系统中的某些模型是全局逼近器【钆1 7 1 ，这就决定了它拥有极强的描述 或建模能力，这也为构造一般工程系统的通用开发工具提供了可能 ( 6 ) 由于模糊集合本身就是经典集合的推广，这决定了非精确知识的描述和精确 知识的描述的相容性，从而利用模糊系统能把模糊性知识的模型或处理嵌入到精确知 识的模型或处理当中 模糊系统的第二种分类：也可根据模糊系统所渗入的学科进行分类，主要有： 模糊专家系统和模糊决策支持系统，模糊控制系统，模糊神经网络系统等，本文将对 其中的模糊控制系统，模糊神经网络系统进行重点介绍 1 3 模糊控制 1 3 1 现代控制理论在深度和广度上的开拓 绪论 2 0 0 4 年7 月 自动控制理论发展至今已有1 0 0 多年历史随着各个阶段的工业和现代科技飞速 发展，各个领域中自动控制系统对控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要 求越来越高，应用的范围也更加广泛特别是本世纪8 0 年代以来，计算机的快速更 新换代和计算技术的告诉发展，推动了控制理论研究的深入开展，并进入了新的历 程纵观控制理论的发展，通常可分为三个阶段：经典控制理论阶段，现代控制理论 阶段，大系统理论和智能控制理论阶段前两个阶段的控制理论的发展与应用，对于 存在数学模型的自动控制系统领域发挥了非常大的作用，并取得令人满意的控制效 果但是对于那些不具有数学模型的被控对象，往往显得无能为力另外，由于计算 机技术的快速发展，包含有人类思维的复杂操作由计算机代替的领域不断增加，这在 广义自动化特别是在大规模系统的管理控制中，脑力工作远远比体力作业来得重要， 从这个意义上说，也许是到了控制理论应该让位于人工智能的时期了人工智能是并 利用计算机来模仿人的智能的学科，传统的人工智能是用除了数学式子以外的方法把 人们的思维过程模型化，其特征是基于符号演算，以后又融入了用数学式子的演算手 段来实现人的智能它的应用范围远比控制理论广泛，如包括判断、理解、推理、预 测、识别、规划、决策、学习和问题求解等，是高度脑力行为和体力行为的综合人 工智能的发展促进了自动控制理论向着智能控制方向发展，而智能控制和具有智能化 的自动控制系统又是人工智能的一个具有广泛应用前景的研究领域 7 0 年代未开始的智能控制理论和大系统理论的研究与应用，是现代控制理论在 深度上和广度上的开拓，因此受到各国著名学者的极大关注，并在专家系统、神经网 络和模糊控制等方面取得了可喜的进展 8 0 年代控制理论发展的特点之一是受到来自相近领域的影响很大具有代表性 的是模糊控制( f u z z yc o n t x 0 1 ) 和神经网络( n e u r a ln e t w o r k ) 它们均属于智能控 制范畴，都涉及目前尚未搞清楚的人类信息处理能力的“神秘性话题”，其内容极其 丰富智能控制具有如下两个特点： ( 1 ) 以专家或熟练操作员的知识为基础进行推理，用启发式来引导问题求解过程 ( 2 ) 对外界环境和系统过程进行理解、判断、预测和规划，采用符号信息处理，启 发式程序设计、知识表示和自学习、推理与决策等智能化技术，实现知识问题的综合 性求解因此，可以认为智能控制是智能化、信息化自动控制系统的主要控制方式， 必将把自动控制理论推进一个更深化的新的阶段 1 3 2 模糊控制的诞生 模糊控制是智能控制的一个重要分支。也是模糊理论和技术最成功的应用领 域模糊数学和模糊控制的概念由l a z a d e h 在他的f u z z ys e t s ) ) ( ( f u z z ya l g o r i t h m 和a r a t i o n a l f o r f u z z y c o n t r o l j ) 等著名的论著中首先提出】9 7 2 年2 月。日本以东 京工业大学为中心，发起成立了“模糊系统研究会”，1 9 7 3 年公开使用模糊工程， 博卜学位论文模糊智能系统中模糊推理研究 这一名词；1 9 7 4 年在加利福尼亚大学的美日研究班上，开始了有关“模糊集合及其 应用”的国际学术交流1 9 7 8 年国际上开始发行( ( f u z z ys e t s a n ds y s t e m s ) ) 专业杂 志1 9 8 4 年在夏威夷首次召开国际会议，商讨成立国际学会事宜，同年年底“国际 模糊系统学会”( i f s a i n t e r n a t i o n a lf u z z ys y s t e ma s s o c i a t i o n ) 成立，学会下设“智能 系统”( i n t e l l i g e n ts y s t e m s ) 和“经营与生产中的模糊系统”( f u z z ys y s t e m s i n b u s i n e s s a n dm a n u f a c t u r i n g ) 两个研究部前者以人工智能和机器人等为研究目标；后者以经 营与生产中的方法和控制机器的开发目标；此外，还有一个从事模糊数学理论成果及 应用部门这些研究部、会都是国际性组织，在中国、日本、美国和欧洲各地区设有 分部日本分布是由原关东的“模糊系统研究会”与关西的“模糊科学研究会”联合 组成主要从事生产和经营中模糊系统应用研究，此外，国内还设有“模糊推理和专 家系统”、“模糊运筹”和“模糊控制”三个研究组，他们都与相关的国际部、会保持 联系首届i f s a 国际学术会议1 9 9 2 年，i e e ef u z z ys y s t e m s 国际会议开始举办， 每年一次，f u z z y i e e e 9 3 有1 2 0 0 位代表来自工业界的约占一半1 9 9 3 年( ( i e e e t r a n s ， o n f u z z ys y s t e m s ) ) 也开始出版 1 3 3 模糊控制的发展 6 0 年代以来，自动控制系统被控对象的复杂化，它不仅表现在控制系统具有多 输入多输出的强耦合性、参数时变性和严藿的非线性特性，更突出的是从系统对象 所能获得的知识信息量相对地减少，以及与此相反地对控制系统的要求却越来越 商然而，在多变量、非线性、时变的大系统中，系统的复杂性与人类要求的精确性 之间形成了尖锐矛盾因此，要想精确地描述复杂系统的任何物理现象和运动状态， 实际上已经是不可能的关键是在准确和简明之间取得平衡，而使问题的描述具有实 际意义这种描述的模糊性对问题的求解并非有害，却能高效率地对复杂事物作出征 确无误的判断处理因此模糊控制理论的研究和应用在现代自动控制领域中有着重要 的地位和意义 模糊控制技术的最大特点是适宜在各个领域中获得广泛的应用最早取得应用成 果的是1 9 7 4 年英国伦敦大学的著名教授e h m a m d a n i 首先利用模糊控制语句组的 模糊控制器，应用与锅炉和汽轮机的运行控制，在实验室中获得成功1 8 。9 1 ，并充分展 示了模糊控制器的应用前景1 9 7 5 年英国的r j k i n g 和e h m a m d a n i 将模糊控制系 统应用于工业反应过程的温度控制中【2 啦2 1j ：1 9 7 6 年荷兰学者w j m k i c k e r t 和h r v a n n a u t a 将模糊控制器将应用于热水装置中；1 9 7 7 年丹麦学者j j o s t e r g a a d 利用模糊控 制器对2 输入和2 输出的热变换过程进行控制f 2 2 i ；同时，英国学者r m t 0 n g 于1 9 7 6 年用模糊控制对压力容器内部的压力和液面进行控制，以及他随后发表的多篇文章 f 2 3 2 7 】，对模糊控制的应用和发展起了积极的作用他们的研究成果解决了过程控制 中非线性、强耦合、时变和滞时特性等难题，到达最佳p i 控制效果：1 9 7 7 年英国的 ! 堕笙塑竖盟 c p p a p p l s 和e h ，m a m d a n i 对十字路口的交通枢纽指挥采用模糊控制，实验结果使车 辆平均等待时间减少7 1 2 8 1 1 9 7 9 年英国的i a 。p r o c y k 和e h m a m d a n i 研究了一种自 组织的模糊控制器，它在控制过程中不断修改和调整控制规则，使控制系统的性能不 断完善【29 1 自组织的模糊控制器的问世，标志着模糊控制器的“智能化”程度进一步 向高级阶段发展，毫无疑问地证实了它归属于“智能控制器”范畴1 9 8 0 年，丹麦 的fl s m i d t h 公司研制的模糊逻辑计算机协调控制系统最早被应用于水泥窑生产过 程控制，并且和1 9 8 2 年研制成功的n o 分析器配套使用，使模糊程度大、熟练操作 人员的专家知识和参与超重要作用的水泥生产过程自动化，在采用模糊控制器后获得 了满意的控制性能和强的鲁棒性，这是采用经典控制和现代控制理论所难以到达 的1 9 8 2 年，日本大阪水泥窑生产自动化也成功地应用了模糊控制1 9 8 3 年日本学 者m s u g e n o 和k m u r a k a n i 将一种基于语言真值推理的模糊逻辑控制器，应用于汽车 速度自动控制，并取得成功 3 0 3 3 1 此后，模糊控制在化工、机械、冶金、工业炉窑、 水处理、食品生产等多个领域中得到实用模糊控制充分显示了在大规模系统、多目 标系统、非线性系统以及无适当传感器可检测的系统中的良好应用效果1 9 8 4 年美 国推出“模糊推理决策支持系统”，1 9 8 5 一1 9 8 6 年日本进入了模糊控制实用化时期， 特别反映在： ( 1 ) 过去将大型机械设备和生产过程作为对象，而且前面已面向大众，以电视摄象 机自动聚焦等家用电器的应用为对象据日本电气公司( n e c ) 1 9 9 1 年月统计，松 下、三菱、东芝、等公司在空调机、全自动洗衣机、吸尘器等高档家用电器中普遍应 用了模糊控制理论：到1 9 9 4 年其普及率将超过5 0 ，有的高达8 0 ( 2 ) 向复杂系统、智能系统、人类与社会以及自然系统等方向扩展 表l3 1 模糊系统相关图 f 模糊系统 f 模糊基础模糊计算机系统机械设备智能化人机系统人类社会自然系统 1 堆奉概念计算机体系结构智能控制模糊数据库意识、决策支持物理、化学诸现象的解释 【模糊理论元件机器人摸糊专家系统医疗环境( 大气污染等) l 模糊方法论操作系统、语言通信处理智能接口心理行为水环境( 海洋丈循环等) 圈彤识别自然谣言 社会，经济模型地环境( 援块技术、 地震预报等) l 生态环境( 沙漠化、 热话雨林等) 1 9 8 8 年6 月，在f j 本科学技术厅支持下，以寺野教授为首的“模糊研究会”，用 一年时间，通过对模糊理论及应用领域的调查研究，于1 9 8 9 年6 月提出了“模糊系 统的今后方向”为题的报告，报告书中将模糊系统研究方向划分为表l ，3 1 所示在