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模糊控制不模糊(2002年9月4日)


  

  許多人都看過這樣的雜技表演。演員能在一節鐵棍上,再頂起一節鐵棍和疊摞的水杯,並做出各種造型,觀眾們常常為此叫絕。不過,至今還沒有一位雜技演員嘗試過一次頂起三節棍子。那麼這樣的高難度動作怎樣才能實現呢?

  在北京師範大學模糊數學實驗室中,科學家們已經實現了這樣的高難度表演。他們能一下子頂起三節鐵棍。 這三根桿之間,分別用非常光滑的軸相連,上下之間沒有任何摩擦。豎起來之後,即使施加外力干擾,也不會倒下。

  這個演示中,滑軌上的小車就如同演員的頭,在左右移動中維持著桿的平衡。每一根桿上有一個傳感器,把桿左右傾斜的信息傳送到電腦中。這個演示最關鍵的就是電腦中的模糊控製程序,它如同人的中樞神經。電腦通過模糊計算,為桿的每一次傾斜,找到一個平衡點,並把這個信息傳送給小車,通過小車的運動保證桿的重心穩定不會倒下。倒立擺正是利用了模糊控制的基本原理。

  拿我們的三級倒立擺來説,每一根都可能倒下,要同時維持三根棍子的平衡,難度可想而知。科學家們發現:這樣的運動很難找到一個明確的運動規律,因為它們的運動太複雜了,因此人們通過尋找一種盡可能相似的運動規律,並在實際控制中不斷修正,實現在動態中維持平衡,這就是模糊控制的基本思想。

  倒立擺試驗,已經成為一種國際公認的驗證模糊控制水平的標準。十多年前李老師完成了一級倒立。去年,他們又實現了二級和三級倒立擺試驗。現在他們正向四級倒立擺的目標努力。

  模糊控制理論正在應用到我們生活和生産中。比如我們使用的全自動洗衣機,有些已經採用了模糊控制原理。衣服的洗滌過程就如同控制一個複雜的倒立擺,衣服的臟污程度、洗滌劑用量多少、水溫高低等條件就相當於一節一節的鐵棍。這些因素不是固定不變的。怎樣才能象控制複雜的倒立擺一樣,使這些難以確定的因素在動態中達到一個平衡,實現既省水、省時、省電,又能洗乾淨衣物的最佳洗滌效果。模糊控制理論的應用,為洗衣機提供一個最好的方案。

  以往中國鋁業貴州分公司的技術員在鋁生産過程中,總會遇到不少麻煩。電解槽裏原料的剩餘多少、溫度的高低很難把握,這些條件也是不斷變化的模糊因素。對於鋁廠這樣的用電大戶來説;原料添加量過多或過少、溫度的高低升降,都會帶來巨大的電能消耗。企業每年都要因此而擔負數千萬元的經濟損失。

  在專家的幫助下,貴州鋁廠用模糊控制理論改造了生産系統。這套系統綜合分析生産過程中不斷變化的原料剩餘量、溫度等因素,在動態的生産過程中,去確定原料添加量、溫度升降的控制方案。實現了以低消耗獲得高産量。

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