《模糊系统与模糊控制教程》共31章,内容包括模糊数学与模糊逻辑中一些对于模糊系统理论有用的概念和原理,模糊系统的各组成部分,设计模糊系统的四种方法,模糊控制与非自适应模糊控制方法,以及若干不属于本书主体结构但很重要的专题,如模糊c均值算法、模糊关系方程、模糊算术、模糊线性规划和可能性理论等。
本书有效地结合了理论的前沿性和方法的实用性,具有极强的指导意义,可以使硕士、博士研究生在选择论文题目或考虑到解决问题的方案以及遇到新问题采取对策或措施时形成更多的思路。从国内有关教材来看,绝大部分书籍以模糊数学为主要内容,缺少模糊系统中的建模方法及优化方法。而该书则为读者提供了模糊系统与模糊控制这一领域的概要及基本原理,是一本真正优秀的模糊系统与模糊控制教材。
该书是一本针对研究生和高年级本科生的教科书,适用于60学时以下的模糊系统或模糊控制以及相关专业的教学,如适合控制科学与工程、管理科学与工程、应用数学等专业教学使用。同时,该书也可供工程人员研究参考。
这是一本关于模糊系统与模糊控制的著作。我最初接触这个领域是在上海宝钢研究院自动化所做博士后期间,当时我全程参加了本书作者王立新教授关于本书的报告和讨论活动,然后我通过独立编程和建立多个模糊系统模型,运用模糊系统建模方法完成了博士后报告中的核心内容,并将所得成果应用于宝钢最新的转炉炼钢模型。这些切身的体会使我从此对该领域产生浓厚兴趣,一直关注该领域的发展,且积极地将模糊系统理论应用于管理科学领域。
模糊系统理论是由Zadeh于1965年创立的。随着模糊系统理论在工业界的成功应用,越来越多的学者开始研究模糊系统理论。20世纪90年代,这一学科在理论上解决了两个重要难题: 如何从数据中获得模糊规则和如何保证模糊系统的稳定性,对此阐述最为详尽、研究最为深入的就是现在我们想向读者推荐的《模糊系统与模糊控制教程》一书。该书是国际上从事模糊系统与模糊控制研究的学者人手一册的指导性专著,是国际流行的最优秀的教材,在国际学术界影响颇深。该书作者是Automatica与IEEE Trans. On Fuzzy Systems的副主编、香港科技大学的王立新教授。作为Zadeh学生的王立新教授在模糊系统与模糊控制领域的工作成果被同行们广为引用。
《模糊系统与模糊控制教程》是一本针对研究生和高年级本科生的教科书(如适用于60学时以下的模糊系统或模糊控制以及相关专业的教学),如控制科学与工程、管理科学与工程、应用数学等专业,也适于工程人员使用。本书有效地结合了理论的前沿性和方法的实用性,具有极强的指导意义,可以使硕士、博士研究生在选择论文题目或考虑到解决问题的方案以及遇到新问题采取对策或措施时形成更多的思路。从国内有关教材来看,绝大部分书籍以模糊数学为主要内容,缺少模糊系统中的建模方法及优化方法。而《模糊系统与模糊控制教程》则为读者提供了模糊系统与模糊控制这一领域的概要及基本原理,是一本真正的模糊系统与模糊控制教材。
全书字数约为40万字左右,其要点如下:
第一部分(第二章至第六章)介绍模糊数学与模糊逻辑中一些对于模糊系统理论有用的概念和原理,包括模糊集合及模糊集合的基本运算和其他运算、模糊逻辑与近似推理、语言变量与模糊IFTHEN规则等。
第二部分(第七章至第十一章)详细研究模糊系统的各组成部分: 模糊器、解模糊器、模糊规则库与模糊推理机,推导出不同类型模糊系统的严密的数学公式,并研究这些模糊系统的逼近特性,证明了模糊系统是万能逼近器以及如何设计模糊系统才会使其达到所需精度。
第三部分(第十二章至第十五章)介绍了根据输入输出数据设计模糊系统的四种方法: 查表法、梯度下降法、递推最小二乘法和聚类法,并给出大量的具体应用例子来检验这些方法。
第四部分(第十六章至第二十二章)和第五部分(第二十三章至第二十六章)集中研究了模糊控制。其中,第四部分研究了非自适应模糊控制,给出了设计模糊控制器的试错法和线性系统与非线性系统模糊控制器的设计方法,并对模糊控制系统的稳健性进行了分析; 第五部分研究了自适应模糊控制,给出了基本自适应模糊控制器和高级自适应模糊控制器的设计方法。
第六部分(第二十七章至第三十一章)综述了若干不属于本书主体结构但很重要的专题,如模糊c均值算法、模糊关系方程、模糊算术、模糊线性规划和可能性理论等。
本书的译者包括东北大学工商管理学院的王迎军博士和陈桂云博士、黑龙江科技学院陈培友副教授及东北大学工商管理学院的博士生高峻峻。译者们在繁重的工作和学习之余,前后付出了近一年半的时间完成了这项颇为艰巨的任务。全书共三十一章,各章初步翻译的分工如下: 前言、目录、索引和第一章至第十五章由王迎军与高峻峻共同翻译; 第十六章至第二十二章由陈桂云翻译; 第二十三章至第三十一章由陈培友翻译。王迎军、陈桂云和高峻峻对全书的初稿进行了统一修改、校对,最后由王迎军定稿。此外,徐慧、胡乐江、周麟祥、段琰、谭凌、李秋正、吕芹等研究生对书稿的打印、整理工作提供了很多帮助,在此表示感谢。本书在翻译和出版过程中得到清华大学出版社文泉公司经管研发部的大力支持,在此一并表示感谢。
由于现今中文本的模糊系统理论专著很少,因此书中有些专业术语尚无统一的中文译法。在翻译过程中,虽然几经推敲,但由于时间紧,译者水平有限,仍难免有疏漏和错误,敬请读者不吝指正。对于本书译稿,若有指正或需与译者商讨,请通过电子邮件yjwang@rocket.mail或gaojunjun@sohu.com与译者联系。
近年来,模糊系统和模糊控制领域取得了迅速的进展。模糊控制在消费品和工业过程控制中的成功实践促使越来越多的学者对模糊系统和模糊控制理论进行严密的研究。这些学者试图通过理论研究解释实践成功的原因,并使模糊系统的现有研究方法系统化,从而逐步形成更加强大的方法。所有的这些努力都使整个模糊系统和模糊控制理论的前景变得更加清晰。虽然目前已有许多模糊理论方面的著作,但大部分著作要么是只研究某一专题,要么是论文集或是模糊数学方面的著作。因此,我们迫切需要一本真正的模糊系统和模糊控制方面的教材,它应该能够为我们提供这一领域的基本纲要,概括这一领域的基本原理。
本书是在香港科技大学的一门课程的基础上发展形成的,它旨在用作研究生和高年级本科生的教材,也可用作职业工程师的自学指导书籍。本书的特色如下。
1. 结构完好。本书并不是简单收集了至今为止模糊系统与模糊控制的成果,而是在编写具体内容前,先建立了模糊系统和模糊控制理论应该遵循的合理结构,然后再将具体内容嵌入这个结构。例如,研究模糊控制系统时,应该考虑系统的稳定性、最优性和稳健性; 对方法进行分类时,应该考虑研究对象是线性的、非线性的,还是用模糊系统建模的。幸运的是,现今的主要成果与这一结构很匹配,因此,本书覆盖了现今成果的具体内容。与其他主流领域相比,这一领域尚不成熟,理论结构上还存在许多未解难题。对于这类专题,本书会给出它的初步方法,或指出问题尚未解决。
2. 清晰准确。对任何一本书来讲,清晰且有逻辑的表达都是非常关键的,尤其是对于一本与“模糊”相关的书。模糊理论本身是精确的; “模糊”存在于现象中,这也正是模糊理论试图研究的现象。一旦模糊描述(如,“热天”)通过模糊理论得以确切表达,一切就不再是模糊的了。书中采用准确的语言来介绍概念,推导方法,并证明结论。
3. 实践性强。实践应用是模糊系统和模糊控制理论发展的驱动力。本书中的大部分方法对于实际问题的解决都有很重要的意义。事实上,本书的一个主要目标就是告诉学生和职业工程师怎样使用模糊系统的方法来解决控制、信号处理和通信中的工程问题。
4. 丰富严密。本书中的大部分方法对于学生来讲是智力上的挑战。它除了强调实践性外,还给出了许多理论成果(当然,这些理论成果具有实际相关性和重要性)。所有的定理和引理都经过了严格的数学证明,其中某些成果是可以被一般学生理解的。
5. 易作教材。本书是按教科书方式编写的,所设计的每个章节可花费1学时~1.5学时。有时,两个学时可以包含三个章节的内容,反之亦然,这主要取决于教师的讲课重点和学生所具有的背景知识。每章都包含相应的习题和一些小设计,它们是教材完整不可缺少的部分。
本书分为六个部分:
第一部分(第2章至第6章)介绍模糊理论领域中的基本概念和基本理论,它们在模糊系统和模糊控制领域中非常有用。
第二部分(第7章至第11章)研究模糊系统,仔细分析了模糊系统各组成部分的运算,研究了模糊系统的一些特性(如逼近性和精度)。
第三部分(第12章至第15章)介绍了根据传感器测量的数据设计模糊系统的四种方法,并大量地在控制、信号处理或通信问题中检验了这些方法。
第四部分(第16章至第22章)和第五部分(第23章至第26章)集中研究了模糊控制,其中,第四部分研究了非自适应模糊控制,第五部分研究了自适应模糊控制。
第六部分(第27章至第31章)综述了大量不属于本书主体结构的专题,这些重要的专题与模糊系统和模糊控制高度相关。
本书的学习方法,取决于教师和读者的特定兴趣。第1章至第15章包含了可以应用于各种工程问题的一般资料。第16章至第26章专门研究控制问题。如果课程不是控制课程,则第16章至第26章中的一些资料可以忽略,将节省下来的时间用于更详细地学习第1章至第15章和第27章至第31章。相反,如果是控制课程,则应该仔细地学习第16章至第26章。如果是神经网络与模糊系统方面的课程,则本书可以与神经网络方面的教材一起使用。这时,教材中的第1章至第15章和第16章至第31章中的部分内容可作为模糊系统那一半课程的教材。如果职业工程师想快速地学会模糊系统和模糊控制理论,那么定理和推论的证明是可以跳过的。
本书的顺利完成受益于许多同事、同学和朋友的关注与支持。首先,感谢我的导师Lotfi Zadeh 和Jerry Mendel,感谢他们一直以来的鼓励。感谢Karl strm在1995年夏天,推荐他的学生Mikael Johansson帮助我准备手稿。与模糊理论领域内的学者Kevin Passino, Frank Lewis, JyhShing Jang, Hua Wang, Hideyuki Takagi以及其他学者的讨论对材料的组织也有很大的帮助。此外,本书还得到了香港科技大学参加课程的学生们的帮助。
非常感谢香港研究评审委员会(Hong Kong Research Grants Council)对作者的支持。
最后,感谢香港科技大学及本系,他们为我提供了极好的研究环境和教学环境。特别地,我要感谢我的同事Xiren Cao, Zexiang Li, Li Qiu, Erwei Bai, Justin Chuang, Philip Chan和KwanFai Cheung,感谢他们的协作和他们对模糊理论各种专题的批评指正。