کاربرد سیستم‌های فازی

سیستم‌های فازی امروزه در طیف وسیعی از علوم و فنون کاربرد پیدا کرده اند، از کنترل پردازش سیگنال، ارتباطات ساخت مدارهای مجتمع و سیستم‌های خبره گرفته تا بازرگانی، پزشکی، دانش اجتماعی و … با این حال به عنوان یکی از مهمترین کاربردهای آن حل مسائل و مشکلات کنترل را می‌توان بیان کرد. بنابراین، خود را بر روی تعدادی از مسائل کنترل که سیستم‌های فازی نقش عمده ای را در آن بازی می‌کنند، متمرکز می‌نماییم. سیستم‌های فازی را همانطور که در شکلهای (3-6) و (3-7) نشان داده شده، می‌توان به عنوان کنترل کننده حلقه باز و یا کنترل کننده حلقه بسته مورد استفاده قرار داد.

شکل 3-6)  سیستم فازی به عنوان کنترل کننده حلقه باز

شکل 3-7)  سیستم فازی به عنوان کنترل کننده حلقه بسته

هنگامی‌که به عنوان کنترل کننده حلقه باز استفاده می‌شود، سیستم فازی معمولاً بعضی پارامترهای کنترل را معین کرده و آنگاه سیستم مطابق با این پارامترهای کنترل کار می‌کند. بسیاری از کاربردهای سیستم فازی در الکترونیک به این دسته تعلق دارند. هنگامی‌که سیستم فازی به عنوان یک کنترل کننده حلقه بسته استفاده می‌شود، در این حالت خروجی‌های فرایند را اندازه گیری کرده و بطور همزمان عملیات کنترل را انجام می‌دهد. کاربردهای سیستم فازی در فرایندهای صنعتی به این دسته تعلق دارند. نحوه کاربرد سیستم‌های فازی را در تعدادی تولیدات مصرفی و سیستم‌های صنعتی در زیر بخش‌های زیر تشريح می­شوند.

3-3-1) ماشین شست و شوی فازی

ماشین‌های شستشوی فازی اولین محصول مصرفی بودند که از سیستم‌های فازی استفاده کردند. این ماشین‌ها اولین بار توسط شرکت مانسوشیتا در ژاپن در سال 1990 عرضه شدند. آنها از سیستم فازی برای تنظیم اتوماتیک تعداد دورهای مناسب مطابق با نوع و میزان کثیفی و حجم لباس استفاده می‌کردند. به­طور دقیق تر سیستم فازی مورد استفاده، یک سیستم سه ورودی یک خروجی است که سه ورودی آن، نوع کثیفی و مقدار اندازه گیری شده کثیفی و حجم لباس بوده و خروجی آن تعداد دور­های مناسب شستشو می‌باشد. به­عنوان ورودی سنسورهایی در این سیستم تعبیه شده است، این سنسورها که از نوع نوری می‌باشند، میزان نوری را که از طرف مقابل ساطع شده و از آب عبور کرده، اندازه گیری می‌نمایند. سنسور نوری همچنین می‌تواند معین کند که نوع کثیفی چیست، لباس گل آلود است یا چرب؟ گل در آب سریعتر حل می‌شود، بنابراین نور دریافتی بسرعت کاهش پیدا کند، در آن صورت لباس گل آلود است، در حالی که اگر لباس روغنی باشد، کندتر در آب حل شده و کاهش نور دریافتی کندتر خواهد بود. ماشین همچنین دارای یک سنسور بار می‌باشد که حجم لباس‌ها را ثبت می‌کند واضح است که تعداد لباس‌های بیشتر، زمان بیشتری برای شست و شو لازم دارد، موارد فوق را می‌توان در تعدادی قاعده اگر ـ آنگاه فازی برای ساخت یک سیستم فازی خلاصه کرد.

3-3-2)سیستم‌های فازی در اتومبیل

اتومبیل مجموعه ای از سیستم‌های مختلف می‌باشد. بخشهایی نظیر موتور، انتقال نیرو، ترمز، هدایت و … سیستم‌های فازی را به اغلب این بخشها می‌توان اعمال نمود. به عنوان مثال شرکت نیسان سیستم انتقال نیروی اتوماتیکی به ثبت رسانده که 12 تا 17 درصد در مصرف سوخت صرفه جویی می‌کند. اساس عملکرد آن بدین صورت است که، عمل تعویض دنده یا انتقال نیرو هر زمان که اتومبیل از یک سرعت مشخصی عبور کرد، باید انجام شود. بنابراین عمل تعویض دنده بطور مداوم در حین رانندگی صورت نمی‌گیرد و ضمن اینکه هر تعویض دنده خود باعث مصرف سوخت می‌شود. با این حال راننده‌ها نه تنها به­طور مداوم عمل تعویض دنده را انجام می‌دهند، بلکه در اینکار به سرعت اتومبیل نیز توجهی نمی‌کنند. به­عنوان مثال حتی در هنگام عبور از یک سربالایی ممکن است عمل تعویض دنده را به تاخیر بیندازند. سیستم فازی انتقال اتوماتیک نیسان این هیوریستیک‌ها را در مجموعه ای از قواعد اگر ـ آنگاه فازی خلاصه کرده و آنرا برای ساخت یک سیستم هدایت تغییر چرخ دنده‌ها مورد استفاده قرار داده است.

شرکت نیسان همچنین یک سیستم ترمز ضد قفل را ابداع کرده است. مسئله اصلی در اینجا اعمال حداکثر نیرو به ترمز بدون آنکه باعث قفل شدن آن بشود، می‌باشد.

در آوریل 1992، میتسوبیشی یک سیستم فازی را معرفی کرد که عملیات انتقال، تعلیق، هدایت تهویه و … را در اتومبیل بطور اتوماتیک کنترل می‌کرد. به عنوان مثال سیستم انتقال فازی، عمل تعویض به دنده‌های پایین را در سر بالایی‌ها و سرازیری‌ها انجام داده و همچنین از تعویض‌های دنده نابجا جلوگیری می‌کرد. سیستم تعلیق شامل سنسورهایی در جلوی اتومبیل است که ارتعاشات را ثبت کرده و سیستم تعلیق را برای جلوگیری از تکان‌های شدید، تنظیم می‌کند و بالاخره سیستم تهویه شرایط نور خورشید ، درجه حرارت و رطوبت هوا را در نظر گرفته و هوای داخل اتومبیل را بهبود می‌بخشد.

3-4)تارخچه مختصری از تئوری و کار بردهای فازی

دهه 1960 آغاز تئوری فازی بود.تئوری فازی به وسیله پروفسور لطفی زاده در سال 1965 در مقاله ای بنام «مجموعه‌های فازی» معرفی گردید . قبل از کار بر روی تئوری فازی، لطفی زاده یک شخص برجسته در تئوری کنترل بود. او مفهوم «حالت» که اساس تئوری کنترل مدرن را شکل می‌دهد، توسعه داد. در اوائل دهه 60 او فکر کرد که تئوری کنترل کلاسیک بیش از حد بر روی دقت تاکید داشته و از این رو با سیستم‌های پیچیده نمی‌تواند کار کند. در سال 1962 چیزی را بدین مضمون برای سیستم‌های بیولوژیک نوشت: «ما اساساً به نوع جدیدی ریاضیات نیازمندیم ریاضیات مقادیر مبهم یا فازی که توسط توزیع‌های احتمالات قابل توصیف نیستند. پس از آن وی ایده اش را در مقاله «مجموعه‌های فازی» تجسم بخشید. با پیدایش تئوری فازی ، بحث و جدل‌ها پیرامون آن نیز آغاز گردید. بعضی‌ها آنرا تایید کرده و کار روی این زمینه جدید را شروع کردند و برخی دیگر نیز این ایراد را وارد می‌کردند که این ایده بر خلاف اصول علمی‌موجود می‌باشد. به دلیل اینکه کاربردهای عملی تئوری فازی در ابتدای پیدایش آن مشخص نبود، تفهیم آن از جهت فلسفی کار مشکلی بود و تقریباً هیچیک از مراکز تحقیقاتی، تئوری فازی را به عنوان یک زمینه تحقیق جدی نگرفتند.

با وجودی که تئوری فازی جایگاه واقعی خود را پیدا نکرد، با این حال هنوز محققینی بودند که در گوشه و کنار دنیا، خود را وقف این زمینه جدید نمودند و در اواخر دهه 1960 روش‌های جدید فازی نظیر الگوریتم‌های فازی تصمیم گیری‌های فازی و … مطرح گردید.

دهه 1970 رشد تئوری فازی و کاربردهای عملی به وقوع پیوست. اگر بگوییم پذیرفته شدن تئوری فازی به عنوان یک زمینه مستقل بواسطه کارهای برجسته پروفسور لطفی زاده بوده، سخن به گزاف نگفته ایم. بسیاری از مفاهیم بنیادی تئوری فازی به وسیله لطفی زاده در اواخر دهه 60 و اوائل دهه 70 مطرح گردید پس از معرفی مجموعه ای فازی در سال 1965، او مفاهیم الگوریتم‌های فازی در سال 1968، تصمیم گیری فازی در سال 1970 و ترتیب فازی را در سال 1971 مطرح نمود. در سال 1973 او مقاله دیگری را به نام «طرح یک راه حل جدید برای تجزیه تحلیل سیستم‌های پیچیده و فرایندهای تصمیم گیری»منتشر کرد. این مقاله اساس کنترل فازی را بنا کرد. او در این مقاله مفهوم متغیرهای زبانی و استفاده از قواعد اگر ـ آنگاه را برای فرموله کردن دانش بشری معرفی نمود.

دهه 1980 ، دهه کاربردهای بزرگ بود. در اوائل دهه 1980 این زمینه از نقطه نظر تئوریک پیشرفت کندی داشت. در این مدت راه حل‌ها و مفاهیم جدید اندکی معرفی گردید، چرا که هنوز افراد کمی‌داشتند روی آن کار می‌کردند. در واقع کاربردهای کنترل فازی بود که هنوز تئوری فازی را سرپا نگاه داشه بود.

مهندسان ژاپنی (با حساسیتی که نسبت به فن اوری‌های جدید دارند) به سرعت دریافتند که کنترل کننده‌های فازی به سهولت قابل طراحی بوده و در مورد بسیاری مسائل می‌توان از آنها استفاده کرد. بدلیل اینکه کنترل فازی به یک مدل ریاضی نیاز ندارد، آنرا می‌توان در مورد خیلی از سیستم‌هایی که به وسیله تئوری کنترل متعارف قابل پیاده سازی نیستند، بکار برد. در سال 1980 سوگنو شروع به ساخت اولین کاربرد ژاپنی فازی نمود کنترل سیستم تصفیه آب فوجی، در سال 1983 او مشغول کار بر روی یک ربات فازی شدو ماشینی که از راه دور کنترل شده و خودش به تنهایی عمل پارک را انجام می‌داد. در این سالها یاشونوبو و میاموتو از شرکت هیتاچی کار روی سیستم کنترل قطار زیرزمینی سندایی را آغاز کردند. بالاخره در سال 1987 پروژه به ثمر نشست و یکی از پیشرفته ترین سیستم‌های قطار زیرزمینی را در جهان بوجود آورد. در جولای 1987 ، دومین کنفرانس سیستم‌های فازی در توکیو برگذار گردید. این کنفرانس درست سه روز پس از افتتاح قطار زیرزمینی سندایی آغاز بکار کرد. در این کنفرانس هیروتا یک ربات فازی را به نمایش گذارد که پینگ پنگ بازی می‌کرد، یاماکاوا نیز سیستم فازی‌ای را نشان داد که یک پاندول معکوس را در حالت تعادل قرار می‌داد. قبل از این رویدادها، تئوری فازی چندان در ژاپن شناخته شده نبود ولی پس از آن موجی از توجه مهندسان، دولتمردان و تجار را فراگرفت به نحوی که در اوائل دهه 90 تعداد زیادی از لوازم و وسائلی که بر اساس تئوری فازی کار می‌کردند، در فروشگاهها به چشم می‌خورد.

دهه‌های 1990 و … چالش‌ها کماکان باقی است. موفقیت سیستم‌های فازی در ژاپن، تعجب محققان را در آمریکا و اروپا برانگیخت. عده ای هنوز به آن خرده می‌گرفتند ولی عده ای دیگر از عقیده خود دست برداشته و بعنوان موضوع جدی در دستور کار خود قرار دادند در فوریه 1992 اولین کنفرانس بین المللی IEEE در زمینه سیستمهای فازی در سان دیگو برگزار گردید. این یک اقدام سمبلیک در مورد پذیرفتن سیسم‌های فازی به وسیله بزرگترین سازمان مهندسی یعنی IEEE بود در سال 1993 بخش سیستم‌های فازی IEEE گشایش یافت. از نقطه نظر تئوری سیستم‌های فازی و کنترل در اواخر دهه 80 و اوائل دهه 90 رشد چشمگیری پیدا کرد و پیشرفتهایی در زمینه برخی مشکلات اساس سیستم‌های فازی صورت گرفت. بعنوان مثال تکنیک‌های شبکه عصبی برای تعیین و تنظیم توابع تعلق استفاده شدند. با وجودیکه تصویر سیستم‌های فازی شفاف تر شده، با این حال کارهای زیادی هنوز باید انجام شود. و بسیاری از راه حل‌ها و روش‌ها در ابتدای راه قرار دارد ما اعتقاد داریم که تنها سرمایه گذاری مراکز تحقیقاتی معتبر بر روی افراد مستعد و خلاق می‌تواند باعث پیشرفتهای عمده در زمینه تئوری فازی شود.