Trong những năm gần đây, lý thuyết logic mờ đã có nhiều áp dụng thành công trong lĩnh vực điều khiển. Bộ điều khiển dựa trên lý thuyết logic mờ gọi là bộ điều khiển mờ. Trái với kỹ thuật điều khiển kinh điển, kỹ thuật điều khiển mờ thích hợp với các đối tượng phức tạp, không xác định mà người vận hành có thể điều khiển bằng kinh nghiệm.

Đặc điểm của bộ điều khiển mờ là không cần biết mô hình toán học mô tả đặc tính động của hệ thống mà chỉ cần biết đặc tính của hệ thống dưới dạng các phát biểu ngôn ngữ. Đồng thời chất lượng của bộ điều khiển mờ phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm của người thiết kế.

Quá trình phát triển của logic mờ

Logic mờ được công bố lần đầu tiên tại Mỹ vào năm 1965 do giáo sư Lotfi Zadeh. Kể từ đó, logic mờ đã có nhiều phát triển qua các chặng đường sau : phát minh ở Mỹ, áp dụng ở Châu Âu và đưa vào các sản phẩm thương mại ở Nhật.

Ứng dụng đầu tiên của logic mờ vào công nghiệp được thực hiện ở Châu Âu, khoảng sau năm 1970. Tại trường Queen Mary ở Luân Đôn – Anh, Ebrahim Mamdani dùng logic mờ để điều khiển một máy hơi nước mà trước đây ông ấy không thể điều khiển được bằng các kỹ thuật cổ điển. Và tại Đức, Hans Zimmermann dùng logic mờ cho các hệ ra quyết định. Liên tiếp sau đó, logic mờ được áp dụng vào các lĩnh vực khác như điều khiển lò xi măng, … nhưng vẫn không được chấp nhận rộng rãi trong công nghiệp.

Kể từ năm 1980, logic mờ đạt được nhiều thành công trong các ứng dụng ra quyết định và phân tích dữ liệu ở Châu Âu. Nhiều kỹ thuật logic mờ cao cấp được nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực này.

Cảm hứng từ những ứng dụng của Châu Âu, các công ty của Nhật bắt đầu dùng logic mờ vào kỹ thuật điều khiển từ năm 1980. Nhưng do các phần cứng chuẩn tính toán theo giải thuật logic mờ rất kém nên hầu hết các ứng dụng đều dùng các phần cứng chuyên về logic mờ. Một trong những ứng dụng dùng logic mờ đầu tiên tại đây là nhà máy xử lý nước của Fuji Electric vào năm 1983, hệ thống xe điện ngầm của Hitachi vào năm 1987.

Những thành công đầu tiên đã tạo ra nhiều quan tâm ở Nhật. Có nhiều lý do để giải thích tại sao logic mờ được ưa chuộng. Thứ nhất, các kỹ sư Nhật thường bắt đầu từ những giải pháp đơn giản, sau đó mới đi sâu vào vấn đề. Phù hợp với việc logic mờ cho phép tạo nhanh các bản mẫu rồi tiến đến việc tối ưu. Thứ hai, các hệ dùng logic mờ đơn giản và dễ hiểu. Sự “thông minh” của hệ không nằm trong các hệ phương trình vi phân hay mã nguồn. Cũng như việc các kỹ sư Nhật thường làm việc theo tổ, đòi hỏi phải có một giải pháp để mọi người trong tổ đều hiểu được hành vi của hệ thống, cùng chia sẽ ý tưởng để tạo ra hệ. Logic mờ cung cấp cho họ một phương tiện rất minh bạch để thiết kế hệ thống. Và cũng do nền văn hóa, người Nhật không quan tâm đến logic Boolean hay logic mờ; cũng như  trong tiếng Nhật , từ “mờ’ không mang nghĩa tiêu cực.

Do đó, logic mờ được dùng nhiều trong các ứng dụng thuộc lĩnh vực điều khiển thông minh hay xử lý dữ liệu. Máy quay phim và máy chụp hình dùng logic mờ để chứa đựng sự chuyên môn của người nghệ sĩ nhiếp ảnh. Misubishi thông báo về chiếc xe đầu tiên trên thế giới dùng logic mờ trong điều khiển, cũng như nhiều hãng chế tạo xe khác của Nhật dùng logic mờ trong một số thành phần. Trong lĩnh vực tự động hóa, Omron Corp. có khoảng 350 bằng phát minh về logic mờ. Ngoài ra, logic mờ cũng được dùng để tối ưu nhiều quá trình hóa học và sinh học.

Năm năm trôi qua, các tổ hợp Châu Âu nhận ra rằng mình đã mất một kỹ thuật chủ chốt vào tay người Nhật và từ đó họ đã nỗ lực hơn trong việc dùng logic mờ vào các ứng dụng của mình. Đến nay, có khoảng 200 sản phẩm bán trên thị trường và vô số ứng dụng trong điều khiển quá trình – tự động hóa dùng logic mờ.

Từ những thành công đạt được, logic mờ đã trở thành một kỹ thuật thiết kế “chuẩn”  và được chấp nhận rộng rãi trong cộng đồng.

Các khái niệm

Tập hợp mờ và hàm liên thuộc

Nếu như con người không có một giá trị ngưỡng xác định cho “lạnh” hay “nóng” thì  làm sao có thể ước lượng nó ?

Thực ra thì người ta sẽ làm một phép so sánh giữa giá trị nhiệt độ hiện tại với hai giá trị nhiệt độ được cho là “rất nóng” và “rất lạnh”. Từ  kết quả so sánh đó, con người ước lượng được mức độ của “nóng” hay “lạnh”.

Làm sao mô hình hóa điều này theo toán học ?

Dựa trên lý thuyết tập hợp, đầu tiên ta mô tả một tập các nhiệt độ được cho là “rất nóng”, sau đó định nghĩa một hàm liên thuộc cho phép ta xác định một nhiệt độ nào đó có thuộc tập hợp này hay không. Khác với toán học cổ điển – nơi mà hàm liên thuộc chỉ xác định duy nhất một phần tử có thuộc hay không, hàm liên thuộc trong logic mờ cho phép xác định một phần tử phụ thuộc tập hợp nhiều hay ít, tức là biên giới giữa “rất nóng” và “rất lạnh” không phải là một đường phân biệt rõ ràng mà là một vùng các giá trị liên tục. Trong hình trên, mức độ xám cho phép ta thấy được vùng biên giới này và cũng cho thấy hàm liên thuộc của một giá trị nhiệt độ nào đó.

Hàm liên thuộc của một phần tử trong tập hợp mờ có giá trị trong khoảng [0,1]. Theo hình trên, nếu như ta cho rằng 0°C là “rất lạnh” và 100°C là “rất nóng” thì hàm liên thuộc của giá trị nhiệt độ so với tập “rất nóng” là :

Do đó, tập mờ là những tập hợp không có một giới hạn rõ. Mỗi phần tử của nó chỉ chứa một mức độ hàm liên thuộc của từng phần tử . Vì vậy, tập mờ không giống như  tập cổ điển. Tập mờ có thể kết hợp với nhau qua những luật mờ mà đặc trưng cho những hành động/ trạng thái và thuộc tính của logic mờ được tận dụng khi thực hiện một bộ điều khiển mờ.

Hàm liên thuộc

Mức độ của một giá trị vật lý thỏa mãn một khái niệm ngôn ngữ được gọi là hàm liên thuộc. Đối với biến liên tục, mức độ này được biểu diễn bởi một hàm gọi là hàm liên thuộc. Hàm này ánh xạ tập các giá trị vật lý thành tập các giá trị phụ thuộc đối với các giá trị ngôn ngữ. Biến vật lý được gọi là biến nền và tập các giá trị vật lý được gọi là tập nền. Thông thường người ta vẽ nhiều hàm liên thuộc trên cùng một biểu đồ dựa trên tập nền đã qui định.

Ví dụ hàm liên thuộc cho các nhiệt độ nói trên :

Tập hợp mờ là sự tổng quát hóa của tập hợp cổ điển, trong đó u = 0 và u = 1 của hàm liên thuộc cổ điển chỉ là một trường hợp đặc biệt của hàm liên thuộc trong tập hợp mờ. Việc dùng các tập hợp mờ được định nghĩa bởi các hàm liên thuộc trong biểu thức logic được gọi là logic mờ. Ví dụ như biểu thức “nhiệt độ rất nóng” đối với giá trị 85°C sẽ cho kết quả là đúng với hàm liên thuộc bằng 0,85.

Theo tincntt.com