項(xiàng)目名稱(chēng)：    變論域自適應(yīng)控制理論及其在倒立擺控制中的應(yīng)用

推薦單位：    教育部

項(xiàng)目簡(jiǎn)介：    本項(xiàng)目是應(yīng)用數(shù)學(xué)與信息科學(xué)的交叉，其核心內(nèi)容隸屬信息科學(xué)領(lǐng)域。

主要研究?jī)?nèi)容：

1）從數(shù)學(xué)上證明了Fuzzy控制器本質(zhì)上是插值器。揭示了Fuzzy控制器與PID調(diào)節(jié)器之間的關(guān)系。給出Fuzzy系統(tǒng)逼近性的若干分析結(jié)果。

2）首次提出變論域自適應(yīng)控制器。實(shí)驗(yàn)表明，該控制器的控制效果非常好，極大提高了控制品質(zhì)。

3）提出不同于機(jī)理建模法和系統(tǒng)辨識(shí)建模法的第三種建模方法，得到HX微分方程。提出關(guān)于HX微分方程的邊緣線(xiàn)性化方法。

4）給出Fuzzy系統(tǒng)的概率表示，用隨機(jī)過(guò)程揭示了變論域自適應(yīng)控制的自適應(yīng)機(jī)理。

5）證明了Fuzzy系統(tǒng)與前向式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等價(jià)。首次提出"輸出返回"的Fuzzy系統(tǒng)并證明了該系統(tǒng)與反饋式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等價(jià)。關(guān)于Fuzzy神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法與收斂性，得到了很多結(jié)果。設(shè)計(jì)了一套圖象恢復(fù)技術(shù)。

6）在世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)了直線(xiàn)四級(jí)倒立擺實(shí)物控制。

7）在世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)了平面三級(jí)倒立擺實(shí)物控制。

科學(xué)價(jià)值：

1）1995年提出變論域自適應(yīng)控制理論，具有精度高、無(wú)振蕩、幾乎無(wú)超調(diào)，調(diào)整時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。用直線(xiàn)四級(jí)倒立擺和平面三級(jí)倒立擺驗(yàn)證了這些結(jié)論。

2）提出基于Fuzzy推理的建模方法，得到HX微分方程，由此突破障礙Fuzzy控制理論發(fā)展的一些瓶頸問(wèn)題，并引發(fā)出一個(gè)新的研究方向：微分方程逼近論。

3）給出Fuzzy系統(tǒng)的概率表示，用隨機(jī)過(guò)程揭示了變論域自適應(yīng)控制的自適應(yīng)機(jī)理。

4）在煉鋁行業(yè)得到應(yīng)用，獲得一項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利："預(yù)焙電解鋁生產(chǎn)的變論域自適應(yīng)Fuzzy控制方法及裝置"。

同行引用評(píng)價(jià)情況：

已發(fā)表的論著中有29篇共被SCI刊物他人引用91次。已發(fā)表的論著中有115篇共被CSCD刊物他人引用499次。

2002年8月，在世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)了四級(jí)倒立擺控制實(shí)物系統(tǒng)，經(jīng)教育部組織專(zhuān)家鑒定，認(rèn)為"這是一項(xiàng)原創(chuàng)性的具有國(guó)際領(lǐng)先水平的重大科技成果"。

Fuzzy系統(tǒng)的創(chuàng)始人Zadeh教授通過(guò)電子郵件表示"這項(xiàng)成果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)Fuzzy系統(tǒng)理論在過(guò)去所取得的成就"。

主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)：  1．運(yùn)用變論域自適應(yīng)控制理論在世界上第一個(gè)成功地實(shí)現(xiàn)四級(jí)倒立擺實(shí)物系統(tǒng)控制。（隸屬模糊控制論，見(jiàn)附件"10篇代表性論文"中[6]和[8]以及"其他證明"中2002年教育部關(guān)于"直線(xiàn)四級(jí)倒立擺"科學(xué)技術(shù)成果鑒定證書(shū)的鑒定意見(jiàn)）

2．運(yùn)用變論域自適應(yīng)控制理論在國(guó)際上首次成功地實(shí)現(xiàn)了平面運(yùn)動(dòng)三級(jí)倒立擺實(shí)物控制。（隸屬模糊控制論，見(jiàn)附件"其他證明"中2005年教育部關(guān)于"平面三級(jí)倒立擺"科學(xué)技術(shù)成果鑒定證書(shū)的鑒定意見(jiàn)；）

3．從數(shù)學(xué)上證明了Fuzzy控制器本質(zhì)上是插值器；逐一給出了目前常用的Fuzzy控制模型，如Mamdani模型、Sugeno模型、Mizumoto模型、Takagi模型等等的插值表示。還提出了一般的Fuzzy控制算法。（隸屬模糊控制論，見(jiàn)附件"10篇代表性論文"中[1]）

4．首次提出變論域自適應(yīng)控制器。實(shí)驗(yàn)表明，該控制器的控制效果很好，尤其處理多變量非線(xiàn)性系統(tǒng)十分有效；它具有模型自適應(yīng)、規(guī)則自組織與自調(diào)整、隸屬函數(shù)自生成等優(yōu)點(diǎn)，極大地提高了控制品質(zhì)，如它的精度很高、無(wú)振蕩、幾乎無(wú)超調(diào)，其調(diào)整時(shí)間是常規(guī)Fuzzy控制或經(jīng)典控制的1/500-1/200。（隸屬模糊控制論，見(jiàn)附件"10篇代表性論文"中[2]和[7]）

5．揭示了Fuzzy控制器與P、PI、PD及PID調(diào)節(jié)器之間的關(guān)系。（隸屬模糊控制論，見(jiàn)附件"10篇代表性論文"中[9]）

6．提出一種復(fù)雜系統(tǒng)的建模方法，可視為不同于熟知的機(jī)理建模法和系統(tǒng)辨識(shí)建模法的第三種建模方法。由該方法得到的模型是一類(lèi)變系數(shù)非線(xiàn)性微分方程，稱(chēng)之為HX方程，由此可突破障礙Fuzzy控制理論發(fā)展的一些瓶頸問(wèn)題，諸如穩(wěn)定性、能控性、能觀測(cè)性等的判據(jù)問(wèn)題。（隸屬模糊控制論，見(jiàn)附件"10篇代表性論文"中[4]和[10]）

7．給出Fuzzy系統(tǒng)的概率表示。用隨機(jī)過(guò)程的觀點(diǎn)給出了變論域自適應(yīng)控制的自適應(yīng)機(jī)理，為變論域自適應(yīng)控制奠定了理論基礎(chǔ)。（隸屬模糊控制論，見(jiàn)附件"其他證明"中2005年教育部關(guān)于"平面三級(jí)倒立擺"科學(xué)技術(shù)成果鑒定證書(shū)的鑒定意見(jiàn)；）

8．證明了Fuzzy邏輯系統(tǒng)與前向式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是等價(jià)的。這一結(jié)果從數(shù)學(xué)上揭示了Fuzzy邏輯系統(tǒng)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)系。首次提出了"輸出返回"的Fuzzy邏輯系統(tǒng)并證明了這樣的Fuzzy邏輯系統(tǒng)與反饋式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是等價(jià)的。（隸屬模糊控制論，見(jiàn)附件"10篇代表性論文"中[3]）

9．給出變權(quán)的公理化定義形成變權(quán)理論，它本質(zhì)上是一種自適應(yīng)方法，在控制論、決策分析、自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化等領(lǐng)域有應(yīng)用。（隸屬模糊控制論，見(jiàn)附件"10篇代表性論文"中[5]）

主要完成人：  1.   李洪興

本人對(duì)該項(xiàng)目《主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)》欄中的1）-9）作出了主要的貢獻(xiàn)。

本人在該項(xiàng)目工作中投入的工作量占本人工作總量的70%。

在2002年教育部關(guān)于"直線(xiàn)四級(jí)倒立擺"科學(xué)技術(shù)成果鑒定證書(shū)和2005年教育部關(guān)于"平面三級(jí)倒立擺"科學(xué)技術(shù)成果鑒定證書(shū)中，均為第一完成人。是10篇代表性論著中1）-10）的第一作者。

2.   王加銀

本人對(duì)該項(xiàng)目《主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)》欄中的1），2），6），7），9）作出了重要的貢獻(xiàn)。

本人在該項(xiàng)目工作中投入的工作量占本人工作總量的60%。

在2002年教育部關(guān)于"直線(xiàn)四級(jí)倒立擺"科學(xué)技術(shù)成果鑒定證書(shū)和2005年教育部關(guān)于"平面三級(jí)倒立擺"科學(xué)技術(shù)成果鑒定證書(shū)中，均為第二完成人。是10篇代表性論著中4），8）和10）的第二作者。

3.   馮艷賓

本人對(duì)該項(xiàng)目《主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)》欄中的1），2），7），9）作出了重要的貢獻(xiàn)。

本人在該項(xiàng)目工作中投入的工作量占本人工作總量的60%。

在2002年教育部關(guān)于"直線(xiàn)四級(jí)倒立擺"科學(xué)技術(shù)成果鑒定證書(shū)和2005年教育部關(guān)于"平面三級(jí)倒立擺"科學(xué)技術(shù)成果鑒定證書(shū)中，均為第四完成人。是10篇代表性論著中8）的第三作者。

4.   谷云東

本人對(duì)該項(xiàng)目《主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)》欄中的1），2），7），9）作出了重要的貢獻(xiàn)。

本人在該項(xiàng)目工作中投入的工作量占本人工作總量的60%。

在2002年教育部關(guān)于"直線(xiàn)四級(jí)倒立擺"科學(xué)技術(shù)成果鑒定證書(shū)和2005年教育部關(guān)于"平面三級(jí)倒立擺"科學(xué)技術(shù)成果鑒定證書(shū)中，均為第三完成人。是10篇代表性論著中8）的第四作者。

5.   苗志宏

本人對(duì)該項(xiàng)目《主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)》欄中的6）- 9）作出了重要的貢獻(xiàn)。

本人在該項(xiàng)目工作中投入的工作量占本人工作總量的60%。

在2002年教育部關(guān)于"直線(xiàn)四級(jí)倒立擺"科學(xué)技術(shù)成果鑒定證書(shū)和2005年教育部關(guān)于"平面三級(jí)倒立擺"科學(xué)技術(shù)成果鑒定證書(shū)中，均為第五完成人。是10篇代表性論著中6）和7）的第二作者。

10篇代表性論文：  1.   Interpolation mechanism of fuzzy control

2.   Adaptive fuzzy controllers based on variable universe

3.   The equivalence between fuzzy logic systems and feedforward neural networks

4.   Modelling on fuzzy control systems

5.   Feature space theory—a mathematical foundation for data mining

6.   Variable universe adaptive fuzzy control on the quadruple inverted pendulum

7.   Variable universe stable adaptive fuzzy control of a nonlinear system

8.   Hardware implementation of the quadruple inverted pendulum with single motor

9.   Relationship between fuzzy controllers and PID controllers

10.  Marginal linearization method in modeling on fuzzy control systems