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第 1 章

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。

門檻控制與模糊控制的差異

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
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

感測器讀值會抖動
實際的溫度與濕度感測器會有 0.1–0.2°C 以及百分之數個百分點的起伏,因此輸出容易在邊界附近來回跳動。
人類的感覺是連續的
「有點溫」或「稍微悶」這類描述,反映的是連續加強的感受,而不是階梯式的變化。若只在這裡畫出 0/1 的邊界,很容易做出與實際感受脫節的控制器。

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?

%

Q2. 當室溫為 26.8°C、濕度為 69% 時,門檻控制器的輸出為何?

%

Q3. 當室溫為 27.1°C、濕度為 69% 時,門檻控制器的輸出為何?

%

Q4. 前兩題的輸出差值是多少(以點為單位)?

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。