短 文 自 动 化 学 报 第 40 卷 第 1 期 2014 年 1 月
Brief Paper ACTA AUTOMATICA SINICA Vol. 40, No. 1 January, 2014
广义 Mamdani 模糊系统依 K
K
K-积
分模的泛逼近及其实现过程
王贵君
1
李晓萍
1
隋晓琳
1
摘 要 首先, 通过引入拟减法算子给出 K-积分模定义, 并针对广义
Mamdani 模糊系统实施等距剖分其输入空间. 其次, 应用分片线性
函数 (Piecewise linear function, PLF) 的性质构造性地证明了广义
Mamdani 模糊系统在 K-积分模意义下具有泛逼近性, 从而将该模糊系
统对连续函数空间的逼近能力扩展到一类可积函数类空间上. 最后, 通
过模拟实例给出该广义 Mamdani 模糊系统对给定可积函数的泛逼近及
实现过程.
关键词 拟减法, K-积分模, 分片线性函数, 广义 Mamdani 模糊系统,
泛逼近性
引用格式 王贵君, 李晓萍, 隋晓琳. 广义 Mamdani 模糊系统依 K-积
分模的泛逼近及其实现过程. 自动化学报, 2014, 40(1): 143−148
DOI 10.3724/SP.J.1004.2014.00143
Universal Approximation and Its
Realization of Generalized Mamdani
Fuzzy System Based on K
K
K-integral Norms
WANG Gui-Jun
1
LI Xiao-Ping
1
SUI Xiao-Lin
1
Abstract Firstly, the definition of a K-integral norm is given
by introducing the quasi-subtraction operator, and the input
space of a generalized Mamdani fuzzy system is divided by
equidistant partition. Secondly, applying some properties of a
piecewise linear function (PLF), universal approximation of a
generalized Mamdani fuzzy system is proved structurally in the
sense of a K-integral norms. Furthermore, the capability of the
fuzzy systems to approximate the space of continuous functions
is extended into that to a kind of space of integrable functions
class. Finally, the universal approximation and its realization of
generalized Mamdani fuzzy system to a given integrable function
are showed by means of a simulation example.
Key words Quasi-subtraction, K-integral norm, piecewise
linear function (PLF), Mamdani fuzzy systems, universal ap-
proximation
Citation Wang Gui-Jun, Li Xiao-Ping, Sui Xiao-Lin. Uni-
versal approximation and its realization of generalized Mam-
dani fuzzy system based on K-integral norms. Acta Automatica
Sinica, 2014, 40(1): 143−148
一般连续系统已初步形成系统的理论体系, 其相关成果
在通信工程、自动控制理论及空间技术等领域中已有成功
应用. 但除了连续系统之外, 实际中还有许多非连续系统存
在, 例如可积系统、随机系统等. 因此, 如何在非连续或随
机环境下研究模糊系统的逼近性具有重要理论意义和应用
价值. 模糊系统是模拟人脑推理性能的一类有效模型, 其泛
收稿日期 2012-09-21 录用日期 2013-04-02
Manuscript received September 21, 2012; accepted April 2, 2013
国家自然科学基金 (61374009) 资助
Supported by National Natural Science Foundation of China
(61374009)
本文责任编委 孙长银
Recommended by Associate Editor SUN Chang-Yin
1. 天津师范大学数学科学学院 天津 300387
1. School of Mathematics Sciences, Tianjin Normal University,
Tianjin 300387
逼近性是人脑对于客观世界认识能力在这类模型上的体现,
而 Mamdani 系统和 T-S 系统是最常用的两类模糊系统模
型. 2000 年, 我国已故青年学者刘普寅等
[1]
通过剖分模糊系
统的输入空间引入分片线性函数 (Piecewise linear function,
PLF), 证明了上述两类系统在 Lebesgue 积分模意义下关于
可积函数构成泛逼近器, 从而将模糊系统的近似表示对象
由连续函数类扩展到了可积函数类上. 2001 年, 文献 [2−3]
分别针对 Mamdani 和 T-S 模糊系统研究了其逼近性能, 获
得了构成逼近器的充分条件. 此后, 文献 [4−7] 重点针对
Mamdani 模糊系统的优化表示及其逼近性进行了系统的研
究. 2010 年, 李洪兴等通过引入范数对两类模糊系统进行分
类, 并采用参数单点模糊化法获得了该系统的逼近性能
[8−9]
.
此外, 2011 年, 文献 [10] 首次通过引入 K-积分模研究了一
类折线模糊神经网络的泛逼近性问题, 其相关研究工作可见
于文献 [11−12]; 2012 年, 文献 [13] 采用分层的方法探讨了
广义混合模糊系统的逼近问题. 这些有益工作均是从不同侧
面对上述两类模糊系统展开逼近性研究, 但其结果却仍有不
尽人意之处.
本文将通过引入拟减法算子 ª 重新给出 K-积分模定义,
并以分片线性函数为桥梁研究了广义 Mamdani 模糊系统对
一类可积函数的泛逼近性及实现. 该方法很容易找到剖分数
和前件模糊集, 进而获得该系统的输入输出解析表达式, 同
时也为拓宽模糊系统的逼近性能提供有效方法.
1 K
K
K-积分模
1987 年, Sugeno 等
[14]
首次引进拟加和拟乘运算, 建立
了拟可加测度和积分理论框架. 2006 年, 文献 [15] 通过引
入诱导算子, 针对模糊值函数建立了 K-拟可加模糊积分, 并
借助积分转换定理研究了这种模糊积分的收敛定理和自连续
性. 本节将通过引入拟减法和改进诱导算子来定义 K-积分
模, 为进一步讨论广义 Mamdani 模糊系统的逼近性能及其
应用奠定基础.
定义 1
[10]
. 设凹函数 K : R
+
→ R
+
严格递增, 且在
R
+
= [0, +∞) 上可导, 并满足 K(0) = 0, K(1) = 1, 则称
K 为 R
+
上诱导算子. 例如, 显然, K(x) =
√
x, K(x) =
log
2
(1 + x) 均为诱导算子.
定义 2
[10, 16]
. 设 K 是 R
+
上诱导算子, ∀ a, b ∈ R
+
, 界
定 a 与 b 的 K-拟加 ⊕, K-拟乘 ⊗ 和 K-拟减法 ª 的运算如
下: a ⊕ b = K
−1
(K(a) + K(b)); a ⊗ b = K
−1
(K(a)K(b));
a ª b =
(
K
−1
(K(a) − K(b)), a ≥ b
− K
−1
(K(b) − K(a)), a < b
这里拟减法 ª 并不是拟加法 ⊕ 的逆运算, 且满足 |a ª
b| = K
−1
(|K(a) − K(b)|), 然而, 也可等价地表示为
K(|a ª b|) = |K(a) − K(b)|
此外, 还可获得如下重要结论.
命题 1
[10, 16]
. 给定诱导算子 K, ∀ a, b, c ∈ R
+
, 则有:
1) a + b ≤ a ⊕ b, 或等价 K(a + b) ≤ K(a) + K(b);
2) K(a ⊕ b) = K(a) + K(b), K(a ⊗ b) = K(a) · K(b);
3) K
−1
(a + b) = K
−1
(a) ⊕ K
−1
(b), K
−1
(a · b) =
K
−1
(a) ⊗ K
−1
(b).
定 义 3
[15]
. 设 (X, <, ˆµ) 是 K-拟 可 加 测 度 空 间, K
为 给 定 诱 导 算 子, f 为 非 负 可 测 函 数, A ∈ <, T =
{A
1
, A
2
, ··· , A
n
} 为集 A 的任一有限可测划分, 令