用辩证唯物论认识论观点看模糊控制的发展，本文主要内容关键词为：辩证唯物论论文,认识论论文,模糊论文,观点论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：B027文献标识码：A
1 引言
自从1965年加里福尼亚大学教授扎德（L.A.Zadeh ）提出了模糊集合的概念之后，模糊理论得到了飞速的发展，并应用于各个学科，产生了模糊识别、模糊控制等一系列前沿学科。到1974年Momdoni 成功地研制出第一台模糊控制器，从此模糊理论从一种思维方式变成了控制理论中的一种具体应用。模糊控制理论的提出，是现代控制理论、人工智能领域的一个重要突破，它实际上是对人类长期以来对自然界中一些复杂的、不确定的、无法用现有数学工具进行描述的对象进行定量的模糊的描述和控制。
模糊控制与传统控制的根本不同在于模糊控制不需要对象的数学模型，因此可以有效地克服对象数学模型建立上所遇到的非线性、时变性、滞后性等问题，先进的模糊控制器还具有参数优化、模糊规则的自整定、自学习、自组织功能。所以模糊控制理论的发展是控制理论领域认识思维的改变，是模仿人脑中固有的“模糊”思维的结晶，是人类认识自然的又一次飞跃。爱因斯坦曾指出：认识论如果不同科学接触，就会成为空洞的图式，科学如果脱离认识论……就会成为粗俗的、混乱的东西。模糊控制的提出和模糊思维的发展给当代哲学认识论提供了强有力的论据，也为人类的认识过程发展提出了一个明确的模式。我们用辩证唯物论的认识论的观点和方法来探讨这个模式，就会发现模糊控制的认识过程正是辩证唯物论的反映，它是认识的螺旋式无限发展过程的一个具体体现。因此，从哲学认识论的角度探讨模糊控制的发生和发展具有重要的应用价值。
2 控制理论的发展与模糊控制理论的提出
2.1 控制理论的发展
在英国工业革命之前，生产处于不发达的状态，工业主要是作坊式手工业或小手工业，对生产过程的控制往往是凭借人的智慧、经验等手段。例如，在烧制陶瓷时，陶瓷品质量的优劣往往跟烧制者的水平关系密切。烧制者根据窑内火的颜色来判定窑内的温度，根据陶瓷式样的色泽和质地判定所需烧制的时间。整个过程是在一种经验式的、非精确的程度上进行。随着工业革命的到来，大规模生产的出现，使生产过程的控制和自动化成为必然，自动控制理论应运而生。
最早的控制理论为古典控制理论，它是以简单对象为控制背景，解决单输入——单输出的控制关系。如上烧制陶瓷过程，如要保证大批量陶瓷品的质量和生产自动地进行，就必须对烧制过程某个关键参数进行定量的控制，而次要参数在其主要参数控制的前提下进行一定的限制。假设窑内的温度T为关键参数，当T＝t[,0]时，陶瓷需3小时（次要参数）方可烧制完毕。如果以重油为原料，重油喷量Q大小与窑内T呈一定的关系。这就是一个典型的古典控制问题。其中重油的喷量Q为输入， 窑内的温度T为输出。由于我们仅限于考虑窑内温度为控制量， 因此为单输入——单输出情况。
1868年J.C.Maxwell首先提出“论调节器”一文开始，1872年E.J.Routh和1890年Hurwitz先后找到系统稳定性的判据，到1892 年俄国科学家李雅谱诺夫发表的“论运动稳定性的一般问题”，由此奠定了经典控制理论的理论基础。在第二次世界大战中，由于军事上的需要，原始的控制理论又有了很大的发展，1948年维纳（美国）发表了“控制论——或关于在动物和机器中控制和通讯的科学”著作，他系统地总结了前人的成果，论述了控制理论的一般手法，把经典控制理论推上了辉煌的顶峰。
随着工业技术的不断发展，特别是电子、计算机和空间技术的发展，自动化程度的控制精度要求越来越高，古典控制理论已不能适应工业要求。考虑上例，对陶瓷品质量影响的因素不仅是T和时间， 还有窑内的气氛（酸碱性）、压力、温升和温降的梯度曲线等，同时输入量还有负载（一窑所有陶瓷品的量）的变化。因此，必须考虑多个输入（喷量、负载）和多个输出（温度、温度梯度、气氛）的控制，这就促使现代控制理论的诞生。1958年，卡尔曼和布西发表了关于线性滤波器和估计器的论文，即著名的卡尔曼滤波，它代表了控制理论向现代控制理论发展，现代控制理论研究的对象是多输入——多输出的多变量复杂系统。
现代控制理论的提出为现代工业和空间技术的发展打下了坚实的基础。
2.2 传统控制理论的基础与思维缺陷
传统控制理论，无论是古典还是现代控制理论，它要解决问题的立足点就是要建立对象的精确的数学模型——即输入与输出的数学方程式，然后对此模型进行求解，从而得到控制规则。如上例中，我们首先要找出窑内温度T与加入的重油喷量Q的关系，写出它们的微分方程，即数学模型y（T）＝f（Q），如果是考虑多变量情况，则数学模型就非常复杂y（T，△T，P）＝f（Q，F），它往往以一个矩阵的形式出现。
当我们能够得到对象的精确的数学模型，并通过数学的手段求解该数学模型，那么我们就可以精确地制定控制规则，即通过调节输入量而达到控制输出量的目的。这时自动控制问题迎刃而解。但是，在自然界中，大多数对象都不是独立存在的，各个参数之间往往存在着千丝万缕的联系。而数学模型的建立常常是在忽略众多“次要因素”的基础上得到的，因此数学模型并不能完全反映对象性质。同时对复杂对象来说，它的数学模型的得到和求解都是非常困难的，工业上常采用经验公式法进行，它是在一定的误差范围、一定的假设条件下近似进行的。
现代控制论中往往研究的对象非常复杂，当遇到非线性、时变对象时，对象的数学模型更不易求得，而且建立起来的数学模型也往往是会随着外界的改变而改变。为此，现代控制发展了自适应控制理论，这种理论的关键在于系统可以根据得到的外界信息，按不同的方案自行修改数学模型，从而“自动”地“适应”对象的变化。但就目前情况来看，由于实际问题的复杂性，自适应理论与实际应用之间存在一定的距离。
随着计算机的应用和机器人学的发展，传统控制理论中的最基本的建模成了限制控制理论发展的障碍。当控制论中的传统思维模式在新问题面前显得无能为力时，就预示着必然有一种新的思维模式的来临。
2.3 模糊控制的提出
1966年扎德提出了模糊思维方法，这为传统控制理论的突破照亮了一盏明灯。我们是否可以避开数学模型，而直接从人的经验、人的客观认识出发去求解问题呢？
回答是肯定的。如上例中，我们可以把制陶人的经验，它根据色泽等信息反馈在人脑中所进行模糊的判断的过程进行整理和处理，归纳成一组条件语句，并用模糊数学工具加以量化，用模糊逻辑语言给出模糊算法，作出决策，实现对系统的控制（并非照搬），从而避开数学模型这一棘手问题。
模糊控制与传统控制完全不同，它不依赖精确的数学模型，不需要知道影响模型的参数本身的性质及参数之间相互关系的性质，因此，可以克服系统建模中所遇到的复杂问题。
3 模糊控制的一般原则及与传统控制的关系
3.1 人脑所固有的模糊思维
人类生存的环境，基本上是一个模糊环境，人脑所接收到的信息和做出的判断大多数是基于模糊的，我们的自然语言常常也富于模糊性。就是这些模糊化思维才是人的智能与机器智能的最基本的区别。例如人可以分辩字迹潦草的汉字，可以跳过文章中个别的错别字而正确的理解文章，甚至连三岁的孩子都可以辩论出“圆”，而他并不知道圆的定义是x[2]+y[2]＝a[2]，这在机器是做不到的。长期以来，人们在认识自然中，大力发展和应用的是精确思维即所谓的“＝值逻辑”……“是”和“非”，而自然界多数对象均是存在于是非之间，人脑的活动也不总是绝对的抉择，这种自然和人脑中固有的模糊性是精确数学所无法描述的，它真正地体现了人脑思维的“活化”。
3.2 模糊控制理论
模糊控制理论是建立在扎德的模糊集合和模糊推理的基础上。扎德在1965年把普通集合中的绝对隶属关系加以推广，提出模糊集合的概念。绝对集合隶属关系中隶属度只能取“0”和“1”两个值，即“是”和“非”。对于一个手画的圆来说只是“是圆”或“不是圆”两个选择。而模糊集合隶属函数可以取[0，1]中的任何值，隶属度越接近1， 表示该点隶属模糊集合的程度越高，否则越低。对于一个手画的圆来说，隶属度就表示该圆有几分像圆。在模糊集合的基础上扎德又推出模糊推理方法，这种推理方法是模拟人的日常推理的一种近似推理，它是以一个模糊推理规则出现，它是一组类似于“如果…，则…”的模糊推理语句。
模糊控制理论是以扎德的模糊集合论为数学依据，它将模糊推理语句演变成模糊控制规则，用于运算和推理。如图为一个工业控制系统的方框图，其中虚框内为模糊控制器，它的作用与传统控制系统中控制器的作用相同。一个模糊控制器通常有三部分组成。（一）模糊化：它把模糊语言数量化，即化为某个论域上的模糊子集，给出各种分情况下的隶属关系。（二）模糊算法：通常是模糊推理规则，它是由若干个语句组成的表，例如：若P则Q，若P或Q则S，若A则B，否则C等。每一条语句都对应不同实际情况的一个模糊关系，各模糊关系的并集即为总的模糊关系。（三）模糊判决：根据给定的模糊算法，对输入的模糊量进行运算，从而进行判定，即将模糊集合映射到普通集合，选出确定量。假如对前面所谈到的烧制陶瓷的过程，我们可以首先将制陶师傅的经验和整个烧制过程进行模糊化，将过程中的人脑的推理归纳成一组条件语句，制成模糊控制规则。在实际过程中，模糊控制器根据输入的模糊量，按照模糊控制规则进行运算、推理、判断，最终给出控制量。可见模糊控制器能根据人的经验，模仿人的策略、指令，实现对系统的最优控制。
由于客观事物的复杂性，特别在随机干扰情况下，人们对控制经验和信息往往缺乏认识，因此很难得到比较完善的模糊控制规则。即使得到一些比较完善的规则，由于环境等多种因素的影响，致使原有的规则不能运用，这就迫使人们不得不去研究具有能够在线自动修改、完善和调整的模糊控制器，以使控制系统的性能不断完善。这种具有自组织功能的模糊控制器称为自组织模糊控制器，它是目前模糊控制器研究的一个新领域。
3.3 模糊控制与传统控制的辩证关系
从辩证唯物论出发，我们知道任何事物的发展都不是孤独的，也不可能是绝对的。模糊控制与传统控制的关系也是辩证的关系，首先模糊控制是在传统控制在一定的应用领域束手无策时另辟蹊径产生的，但这并不能认为模糊控制就可以取代以往的传统控制，它们之间是相互渗透，相互弥补，协同发展的。在模糊控制理论从简单模糊控制到复杂模糊控制的发展过程中，吸收了传统控制中许多方法，如PID控制、 自学习、自适应控制方法等，从而形成了自身的一套体系。而在传统控制中也引入了许多模糊控制的思想，这两种思维方式的相互融和，标志着控制论的成熟性更强、适应性更广，也标志着控制论中思维方式的先进性和成熟性进入了更高的阶段。
4 模糊控制理论的发展符合辩证唯物论认识论
4.1 模糊控制理论是人们对自然认识的更高一层思维
自从人们对自然有了一定的认识，创建了精确数学以来，控制理论的发展就一直沿着这条道路前进。人们把“不精确”、“模糊”等认为是缺乏数学或逻辑训练的同义词。然而，人们对自然的认识总是不断的深入。在控制理论发展的过程中，人们遇到各种各样的问题，这些问题用传统的控制理论和思维方法无法得到圆满的回答，或者根本就无从下手，这时人们就会对自己的思维方式反思，人们从人脑的思维机制和现实认识中，发现人脑的模糊思维是理解人类智能与其它智能区别的关键，它是人类高层次的思维方式，是人类的巨大财富，也正是人脑的这种“模糊性”触发了科学家的灵感，给面临困境的传统控制理论开辟新的道路，再次把人们从科学的现代迷信中唤醒。模糊数学的诞生和发展正是人们在认识自然中迫切寻求的一种新的数学工具，它是在精确数学的基础上，对一些复杂的、用精确数学无法描述的事物进行定量分析的一种手段，控制理论的发展和需要是产生模糊思维的基础，也是它应用的主要方面。模糊控制理论的发展使控制理论向更深更广的领域发展，从精确明晰的传统控制在形式上完全排斥不确定性、模糊性，到直接模拟和吸取人脑模糊思维的形式和特点，创立模糊控制理论，是人类认识自然进入了一个新的层次。
4.2 模糊控制理论的发展符合认识论的螺旋上升的规律
列宁曾经指出：“人的认识不是直线，而是无限地近似于一串圆圈，近似于螺旋的曲线”。这里所说的认识螺旋式发展，包含着两层意思，一是它的前进性，二是它的曲折性，它的发展过程总是在不断反复中前进。
综观控制理论的发展，这种认识的螺旋式是显而易见的。在传统控制理论产生之前，人们对控制的认识是不清楚的，含糊的，为了达到生产的自动化，人们的认识产生了一个飞跃，即对控制过程寻求一个精确的、定量的运算和控制，古典控制理论的诞生可以说是人类开启知识宝库的一把金钥匙。随着航天技术、大信息系统、计算机系统的飞速发展，系统的复杂的不确定性将传统的控制方法逼进了死胡同，模糊控制系统重新发掘和发展是人们认识上的又一次转变。人们的认识经历了一个模糊——精确——模糊的过程，但这个发展并不是说人们的认识又回到了原点，而是登上了更高一个层次。从思维方式可以看出，人的控制思维的发展是原始模糊思维——精确思维——科学模糊思维的螺旋式发展的过程。科学模糊思维已不同于原始模糊思维模式，它是对不精确、不确定、模糊信息的科学再造和模糊定量分析，它已从低级形式走向了高级形式。
总之，模糊控制理论的产生和发展，不是控制理论从确定思维的倒退，而是螺旋式的前进；不是用精确性完全取代模糊性，而是承认精确性向模糊性的逼近，是模糊思维在控制理论领域的重现。它是沟通人类模糊化自然思维和机械的精确思维之间的科学桥梁，它为我们解决巨大系统、人——机系统和人工智能等问题提供了有效的工具和手段。
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