導論 — 為什麼只靠門檻會出問題
在踏入模糊控制之前,先以數字觀察門檻控制在邊界處會產生多大的跳階。
即使感測器讀值在邊界附近只有些微抖動,門檻控制也容易劇烈切換;而模糊控制則能依照重疊的程度平滑地變化。
先從具有三段風速的電風扇開始思考
本課程通篇使用一個根據溫度與濕度決定風扇輸出的小型控制器。做為比較的對象,首先設定以下的門檻控制器。
| 條件 | 輸出 | 值 |
|---|---|---|
| 溫度 < 23°C | 弱風 | 20 |
| 23°C ≤ 溫度 < 27°C 且 濕度 < 45% | 弱風 | 20 |
| 23°C ≤ 溫度 < 27°C 且 45% ≤ 濕度 < 70% | 中風 | 50 |
| 23°C ≤ 溫度 < 27°C 且 濕度 ≥ 70% | 中風 | 50 |
| 溫度 ≥ 27°C 且 濕度 < 45% | 中風 | 50 |
| 溫度 ≥ 27°C 且 濕度 ≥ 45% | 強風 | 85 |
此表僅供比較之用。從第 2 章起,我們會把它換成「彼此互相重疊的標籤」。
問題在於「邊界正上方」的跳階
舉例來說,把濕度固定在 69%,讓溫度從 26.8°C 走到 27.1°C。對人而言,感受頂多是「變得有點熱」,但門檻控制器卻會在跨過 27°C 的瞬間一口氣跳成 中風 50 → 強風 85。
檢核 1 — 以手算追蹤門檻跳階
僅使用本章的門檻規則作答。輸出為 弱風 = 20、中風 = 50、強風 = 85。
Q1. 當室溫為 22.5°C、濕度為 40% 時,門檻控制器的輸出為何?
22.5°C 低於 23°C,屬於「寒冷」側。不論濕度為何,輸出都是弱風 = 20。
Q2. 當室溫為 26.8°C、濕度為 69% 時,門檻控制器的輸出為何?
26.8°C 低於 27°C,屬於「舒適」;69% 低於 70%,屬於「普通」。因此輸出為中風 = 50。
Q3. 當室溫為 27.1°C、濕度為 69% 時,門檻控制器的輸出為何?
27.1°C 已切換到「炎熱」側。濕度 69% 屬於「普通」,因此輸出為強風 = 85。
Q4. 前兩題的輸出差值是多少(以點為單位)?
輸出從 50 跳到 85,差值為 35 點。邊界處的跳階已經以數字清楚呈現出來。
本章要帶走的直覺
模糊控制的出發點並不是「嚴謹地消除模糊」,而是避免把階梯直接帶入控制器。從第 2 章起,我們會看看不消除邊界、而是讓標籤稍微重疊,並以 0 到 1 之間的數字處理的做法。
參考:上方門檻表中使用的 23°C 與 27°C 這兩個溫度邊界,大致對應到第 2 章將導入的溫度標籤「寒冷 / 舒適 / 炎熱」之隸屬函數的重疊區間(19–25°C 與 25–29°C)。濕度邊界 45% 與 70% 也以同樣方式被替換為濕度標籤「乾燥 / 普通 / 悶熱」的重疊區間。