模糊理论及其应用|模糊理论概述

　　摘要: 模糊理论自1965年诞生以来,日益获得广泛关注。基于L.A.Zadeh提出的模糊集合理论,给出模糊理论产生的背景及其基本思想;通过对国内外理论与技术成果的总结,得到模糊理论研究的主要内容,介绍其发展历程,概括其主要应用领域;结合模糊技术的现状及实际应用中存在的不足,对模糊理论的发展前景进行展望。
　　关键词: 模糊集合;模糊逻辑;模糊逻辑;模糊控制
　　模糊理论自创立至今已有40余年。然而它却是一个充满争议的领域,主要原因之一是人们对“模糊”这两个字的误解。一方面是对理论内涵的误解,生硬地认为模糊理论即“模糊的理论”,另一方面是对理论外延的误解,片面地认为模糊理论即“模糊控制理论”。为达到消除误解、澄清事实的目的,本文在前人工作的基础上,从模糊理论的产生,发展,现状等方面系统地阐述了它的涵义,研究以及主要应用领域,并通过对现有问题的归纳和分析,展望了模糊理论的发展前景。
　　1 模糊理论的产生背景与基本思想
　　从20世纪40年代发展起来的经典自动控制理论和现代控制理论在许多领域中取得了辉煌的成就,但在很多工业过程控制中却难以用传统的控制技术来实现自动控制,至今仍必须由人工操作。这是因为经典控制理论主要解决线性系统的控制问题。现代控制理论可以解决多输出的问题。但它们最大的局限性是必须建立被控对象的数字模型。对于工业被控对象,其机理较复杂,多数具有多变量、非线性、大延滞和随机干扰强的特性。因此,很难建立满足要求的数学模型。另一方面,有些计算机控制系统因模型不准在控制效果上不如手动控制。有经验的操作人员和技术专家进行手动控制,就可以收到令人满意的控制效果。
　　20世纪60年代初期,L.A.Zadeh作为控制论中很有威望的学者,他认为经典控制论过于强调精确性反而无法处理复杂的系统,正如他在1962年的文章中提到的,“在处理生物系统时,需要一种彻底不同的数学——关于模糊量的数学,该数学不能用概率分布来描述”。后来,这些思想于1965年正式形成了开创性文章——模糊集合[1]。
　　模糊理论就是在模糊集合理论的数学基础上建立起来的,经过数十年的发展与完善,主要包括模糊集合理论、模糊逻辑、模糊推理和模糊控制等方面内容。其基本思想可以概括为:接受模糊性现象存在的事实,而以处理概念模糊不确定的事物为其研究目标,并积极的将其严密的量化成计算机可以处理的信息,不主张用繁杂的数学分析即模型来解决模型[2]。
　　2 模糊理论的发展历程与研究领域
　　2.1 模糊理论的发展历程
　　自模糊理论诞生起,它就一直处于各派的激烈争论之中。一些学者,如Richard Bellman认可了这一理论并开始着手在这一新领域中进行研究。而其他一些学者则反对这一理论,认为“模糊化”与基本的科学原则相违背。因此,与许多经典理论相类似,模糊理论也经历了相当曲折的发展历程(转 载于:wwW.bJyld.com 月亮岛教育 网: 模糊理论及其应用|模糊理论概述)。
　　2.1.1 国外模糊理论的发展历程
　　1)20世纪60年代:初期萌芽[3]。
　　由于理论在初期没有实际应用,所以它很难击败这种纯哲学观点的质疑。当时几乎世界上所有的大型研究机构都未将模糊理论作为一个重要的研究领域。
　　尽管模糊理论没有成为主流,但世界各地仍有许多学者毕生致力于这一新领域的研究。60年代后期,这些学者提出了许多新的模糊方法,如模糊算法、模糊决策等。
　　2)20世纪70年代:发展并出现实际应用(转载于 :wwW.bjylD.com 月亮岛教 育网: 模糊理论及其应用|模糊理论概述)。
　　准确地说,模糊理论成为一个独立的领域,很大程度上归功于Zadeh的贡献及其杰出的研究工作。模糊理论的大多数基本概念都是由Zadeh在20世纪60年代末70年代初提出来的。他在1965年提出模糊集合后,又在1968年提出模糊算法的概念,在1970年提出模糊决策,在1971年提出了模糊排序。1973年他发表了另一篇开创性文章《分析复杂系统和决策过程的新方法纲要》,该文建立了研究模糊控制的基础理论,在引入语言变量这一概念的基础上,提出了用模糊IF/THEN规则来量化人类知识。
　　与此同时[4],日本学者菅野道夫在日本第11次计测自动控制学会演讲会上发表“根据模糊测度构成模糊积分的图形类似度评价”。首次给出F-测度积分的定义,并用F-测度评价图形的类似度。1978年,田崎束在日本第17次SICE学术演讲会上提出模糊动力系统的稳定性问题。1979年2月菅野道夫发表了“模糊集合与逻辑在控制上的应用,详细介绍了Mamdani提出的蒸汽发动机模糊控制系统。并描述了基于模糊关系的推理形式。根据仿真与实际测试比较,验证了其优越性。1978年在丹麦诞生了第一个有较大进展的商业化控制器——模糊水泥窑控制器。
　　3)20世纪80年代:模糊理论大规模应用。
　　从理论角度讲,20世纪80年代初这一领域的进展缓慢。这期间没有提出什么新的概念和方法,这是因为几乎没有人继续从事该领域的研究,只有模糊控制方面的应用保存下来。
　　日本工程师们,以其对新技术的敏感,迅速地发现模糊控制器对许多问题来讲都是易于设计的,而且操作效果也非常好。因为模糊控制不需要过程的数学模型,所以它可以应用到很多因数学模型未知而无法使用传统控制论的系统中去。1980年,Sugeno开创了日本的首次模糊应用——控制一家富士(Fuji)电子水净化工厂。1983年,他又开始研究模糊机器人,这种机器人能够根据呼唤命令来自动控制汽车的停放。20世纪80年代初,来自于日立公司的Yasunobu和Miyamoto开始给仙台地铁开发模糊系统。他们于1987年结束了该项目,并创造了世界上最先进的地铁系统。模糊控制的这一应用非常振奋人心并引起了模糊领域的一场巨变。
　　1987年7月,第二届国际模糊系统协会年会在东京召开。Hirota在会议上演示了一种模糊机器人手臂,他能实时地做二元空间内的乒乓动作,Yamakawa也证明了模糊系统可以保持倒立摆的平衡[3]。
　　此后,支持模糊理论的浪潮迅速蔓延到工程、政府以及商业团体中。到了20世纪90年代初,市场上已经出现了大量的模糊消费产品。