第二部分:国家自然科学基金项目成果巡礼

变论域自适应模糊控制理论及其在
       四级倒立摆控制中的应用

  1995年北京师范大学李洪兴教授首次提出变论域自适应模糊控制理论。在国家自然科学基金的资助下,对变论域自适应模糊控制理论和实用方法进行了详细研究并做了大量仿真与实物实验。

  理论探讨和实验均表明,变论域自适应模糊控制器的控制效果好,尤其对付多变量非线性系统十分有效。变论域自适应模糊控制包括了模型自适应、规则自组织与自调整、隶属函数自生成等优点,极大地提高了控制品质,如它的精度很高、无振荡、几乎无超调,其调整时间是常规模糊控制或经典控制的1/500~1/200。此外,该项目还取得了如下一些基础性研究成果:

  ⑴ 从数学上揭示了模糊控制器本质上是插值器,并逐一给出常用的模糊控制模型的插值表示,为模糊控制器的结构分析开拓了全新的途径。

  ⑵ 揭示了模糊控制器与P、PI、PD及PID调节器之间的关系; 给出了模糊控制器的差分格式,其形式十分整齐和简洁,为模糊控制器的设计提供了十分方便的途径。

四级倒立摆稳定时的状态

  ⑶ 证明了模糊逻辑系统与前向式神经网络是等价的; 这一结果从数学上揭示了模糊逻辑系统与人工神经网络之间的关系。

  ⑷ 首次定义了“输出返回”的模糊逻辑系统并证明了这样的模糊逻辑系统与反馈式神经网络是等价的。经教育部组织专家鉴定,认为该成果“是一项既有重要理论价值又有很好应用前景的创新成果”。

  2001年9月,采用变论域自适应模糊控制实现了三级倒立摆单电机控制硬件系统,具有良好的稳定性和定位功能。经教育部组织专家鉴定,认为“此项技术达到了国际先进水平”。2002年8月11日,采用变论域自适应模糊控制,在世界上第一个实现了四级倒立摆单电机控制实物系统,经教育部组织专家鉴定,认为该成果“是一项原创性的具有国际领先水平的重大科技成果”。

  此外,变论域自适应模糊控制已在我国炼铝行业得到应用,正在与某铝业公司合作研发的“预焙铝电解槽变论域智能控制系统的开发与应用”项目,已被列为四川省产学研联合工程计划。

  本项目在国内外发表论文20多篇,其中15篇论文被SCI收录;在美国出版英文专著一部。2001年在美国召开的国际学术会议——国际工程人工神经网络年会(ANNIE,2001)上,李洪兴教授的论文《Adaptive fuzzy controller based on variable universe, Part 1: Theory and Property》获优秀论文奖。