DE19502230C2

DE19502230C2 - Fuzzy-Regler für ein technisches System

Info

Publication number: DE19502230C2
Application number: DE1995102230
Authority: DE
Inventors: Sabine Reul
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: WIELAND, SABINE, 04279 LEIPZIG, DE
Priority date: 1995-01-25
Filing date: 1995-01-25
Publication date: 1998-07-30
Anticipated expiration: 2015-01-26
Also published as: DE19502230A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Fuzzy-Regler für ein technisches System, insbesondere ein Rechnernetzwerk, enthaltend einen Modul zur Messung von Regelgrößen des technischen Systems, einen Fuzzifizierungsmodul und einen Defuzzifizierungsmodul, wobei der Fuzzifizierungsmodul die Regelgrößen-Meßwerte verar beitet und sowohl mit einem Modul zur Speicherung einer Soll wertmatrix als auch mit einem Modul zur Speicherung einer Re gelgrößenwertmatrix verbunden ist, sowie einen Modul zur Spei cherung von Regeln und einen Modul zur Adaption von Regeln, wobei der Defuzzifizierungsmodul mindestens eine defuzzifi zierte Stellgröße dem technischen System zuleitet.

Es ist aus der DE 43 15 948 A1 ein Fuzzy-Regler sowie ein Ver fahren zum Entwurf des Fuzzy-Reglers beschrieben, in dem eine Sollwertmatrix, die aus gemessenen und fuzzifizierten Prozeß größen eines technischen Systems und aus Zielfunktionen mit Wichtungswerten (Wahrheitswerten) aufgebaut ist, in den jewei ligen fuzzifizierten Prozeßgrößen zugeordneten Registern bzw. Speichern enthalten ist, wobei die Sollwertmatrix eine für die Prozeßgrößen mit einer durch die Wichtungswerte vorgegebenen Zielfunktion feste Sollwertmatrix darstellt. Durch eine Varia tion der Zugehörigkeitsfunktion der E/A-Größen soll die der Zielfunktion entsprechende Sollwertmatrix für einen Einsatz des Fuzzy-Reglers am technischen System arrangiert werden. Das Verfahren besteht darin, daß die Zugehörigkeitsfunktionen mit Wichtungsfaktoren (Wahrheitswerten) versehen werden. Die ge wichteten Zugehörigkeitsfunktionen der Prozeßgrößenwerte bil den Matrixfelder, denen Register/Speicher zugeordnet sind. Es werden nur die Werte der Sollwertmatrix zur Findung einer Zielfunktion in den zugeordneten Registern/Speichern des Fuzzy-Reglers verändert. Dies entspricht nur einer Erzeugung eines Moduls zur Speicherung einer festen Sollwertmatrix in Form einer synthetischen Matrixdarstellung des Regelwerkes.

Desweiteren ist aus der DE 43 08 194 A1 ein Fuzzy-Standard-Auto matisierungssystem für industrielle Anlagen bekannt, in dem ein Fuzzy-Regler sowohl hardware- als auch softwareseitig eingebaut ist. Bezüglich der Vorgänge im zugehörigen Inferenz bereich soll lediglich das Erfahrungswissen in einfachen Fuzzy-Reglern eingebbar sein, um die Vorgänge in einem techni schen System regeln zu können. Dazu wird ein festes Ablaufpro gramm der Fuzzy-Steuerung zur Regelgrößenbildung dargestellt. In dem Inferenzbereich sind die Zugehörigkeitsfunktionen in parametrierter Form eingebbar, wobei die Eingabe der Zugehö rigkeitsfunktionen über Funktionstabellen in Bildform über einen Personalcomputer erfolgt. Die Funktionstabellen stellen dabei Optimierungsschaubilder dar. In dem festen Ablauf programm wird verzichtet, Operatoren und andere Eigenheiten der Fuzzy-Logik beeinflussen zu wollen.

Es ist in der DE 42 29 280 A1 eine Fuzzy-Rückkopplungs-Regel einrichtung für ein technisches System beschrieben. Bei der Fuzzy-Rückkopplungs-Regeleinrichtung wird der vom techni schen System ausgangsseitig abgegebene Prozeßausgangsgrößen wert durch eine Stellgröße über die Betätigungsvorrichtung in Form einer veränderten Prozeßeingangsgrößenwert verändert ein gegeben (Rückkopplung), um den gewünschten Prozeßparameter zu erreichen. Die Sollwertmatrix bleibt durch mindestens eine vorgegebene Zielfunktion festgelegt und wird nicht geändert bzw. beeinflußt. Die Fuzzy-Rückkopplungs-Regeleinrichtung soll bezüglich des Inferenzbereiches vermeiden, daß bei Änderungen der Regelungsparameter die Zugehörigkeitsfunktionen im zuge ordneten Speicher geändert werden. Im Vordergrund stehen damit nicht die Änderungen der Zugehörigkeitsfunktionen, sondern die Normierungen der Ausgangs-/Eingangsgrößen des technischen Sy stems durch eine Parametrier-Adaptierungsvorrichtung für die Fuzzy-Konklusion. Die Parameter A, B, C sind Normierungsparame ter A, B, C, um die fuzzifizierten Werte der Prozeßgrößen, Ab weichungen und Stellgrößen zu normieren, um in der Fuzzy- Konklusions-Betriebsvorrichtung die Konklusion zu adaptieren sowie nachfolgend eine genormte Regelausgangsvariation zu er reichen, mit der die Stellgröße versehen werden kann. Für die Folgeparameter sind nachteiligerweise zusätzliche Justierungen notwendig.

In der Druckschrift atp-Automatisierungstechnische Praxis 35 (1993), S. 112 bis 117, wird ein Verfahren zum Entwurf eines Fuzzy-Reglers beschrieben, in dem als Systemparameter - eine Reglerstruktur, Zugehörigkeitsfunktionen, Regeln - und Plausi bilitätsfaktoren, Verknüpfungsoperatoren sowie eine Defuzzifi zierungsmethode festgelegt werden, die im Fuzzy-Regler einzu stellen (adaptierbar) sind. Diese Einstellbarkeit, insbesondere die Adaption betrifft sowohl den Bereich der Ge samtreglers als auch den Inferenzbereich als Ganzes. Im Infe renzbereich sollen im wesentlichen durch eine Gewichtung der Regeln mittels Plausibilitäts- bzw. Konfidenzfaktoren die zu bearbeitenden Werte der Prozeßgrößen beeinflußt werden. Trotz strategischer Hinweise auf die Ausführung eines günstigen, dem jeweiligen technischen System angepaßten Fuzzy-Regler erfolgt eine Darstellung bei einer zeitlichen, ereignis- oder situati onsabhängigen Umstrukturierung des Reglers, die in einer Modu larisierung der Gesamtregelmenge gesehen wird. Dabei ist eine Ausführung der Gesamtregelmenge in viele einzelne Module von Regeln beschrieben, wobei die Modularisierung dann durchge führt wird, wenn eine große Anzahl von Eingangsgrößen vorhan den ist. Die Modularisierung ist demnach abhängig von der zu gehörigen Menge an Regeln, nicht aber von der Unterteilung der Regeln in ihre einzelnen Bestandteile (Inferenzelemente: Konklusion, Operator, Variablenwerte) und entsprechende Kom binationen der Bestandteile (Inferenzelemente: Prämissen) . Die Modularisierung geht nur in die "Breite" der Regeln, aber nicht in die "Tiefe" der Regeln.

Die meisten der bekannten Fuzzy-Regler zeigen, daß in ihnen jeweils eine Adaption insgesamt nur auf den Regler bezogen durchgeführt wird.

In der Druckschrift at-Automatisierungstechnik 39 (1991), S. 433 bis 438, ist ein Fuzzy-Regler mit einem Regelwerk (z. B. Sollwertmatrix) dargestellt, dessen Inferenz darin besteht, vorgegebene Regeln mit Wichtungsfaktoren zu versehen und eine Adaption der gewichteten Regeln auf Regelebene durchzuführen.

Ein selbstorganisierender Fuzzy-Regler ist aus der Druck schrift Fuzzy Sets and System, 26 (1988), S. 151-164 bekannt. Darin erfolgt im allgemeinen die Modifizierung der Fuzzy-Regeln durch Sollwert- bzw. Regelgrößenwertvorgaben, deren verschiedene Werte in die Regeln eingebaut werden. Der zugehö rige Steueralgorithmus basiert allein darauf, daß die gesamte Regel als solche bzw. mittels Gewichtsfaktoren bzw. beide ge meinsam geändert werden.

In der DE 42 15 406 A1 ist ein Steuersystem zum Schalten eines automatischen Getriebes in Module (Funktionsblöcke) für einen konstanten, keine Regel-Abwandlung vorweisenden Grundregel satz, für einen Adaptionsregelsatz, für einen Identifikations regelsatz, für einen Filterregelsatz sowie für einen ergänzen den Adaptionsregelsatz unterteilt. Es erfolgt eine Modulari sierung (Blockbildung) der Regeln je nach Aufgabe und ein Er satz von Regeln durch Regeln, wobei die Regeln als Ganzes den Steuerbedingungen angepaßt sind.

In der Druckschrift TR Transfer, 47 (1993), S. 30-32 werden mehrere Fuzzy-Prozessoren beschrieben, in denen eine Vielzahl von Regeln gespeichert ist. Gegebenenfalls können die Regeln mit Gewichtsfaktoren versehen werden.

In der US-PS 5 295 061 ist eine automatische Tuning-Einheit beschrieben, die die Fuzzy-Regeln entsprechend den Steuergege benheiten im technischen System korrigieren. Die automatische Tuning-Einheit schließt eine Schaltung zur Korrektur einer Zugehörigkeitsfunktion eines Inferenzelements einer Fuzzy-Regel gemäß einer Korrekturmenge und eines Regelgrades ein. Es erfolgen Berechnungen von Regelgrößenwertabweichungen und de ren erste und zweite Ableitungen im Zusammenhang mit Sollwert- und aktuellen Wert-Vergleichen. Es werden nur die Veränderun gen einer Regel/von Regeln durch deren Wichtung mittels Wich tungsfaktoren (0 . . . 1) auf dem Benutzungswege dargestellt.

In der EP 0 489 913 A1 ist ein Fuzzy-Regler zum Ändern einer Regel und ein Verfahren hierfür sowie eine Regeleinrichtung mit gesteuerter Fuzzy-Inferenz beschrieben. Im wesentlichen wird hier eine Regeländerung durchgeführt, indem eine Gewich tung vor und nach der Regeländerung mittels prozentualer Ände rungen von Variablenwerten (Anpassung manipulierter Variabler) in der für eine Minimalisierung zuständigen Regel vor der Signalweitergabe erfolgt.

In der EP 0 544 629 A2 ist eine Fuzzy-Regler-Schaltung be schrieben, die einen Fuzzifizierungsmodul mit einer Vielzahl von analogen und digitalen Eingangsgrößen, eine Steuereinheit, die mit Speichereinheiten verbunden ist, in denen Zugehörig keitsfunktionen gespeichert sind, und einen Defuzzifizierungs modul besitzen, wobei der Fuzzifizierungsmodul mehrere Fuzzi fizierungsblöcke hat, die parallel und unabhängig voneinander sind, und jeder Fuzzifizierungsblock ein analoges und ein di gitales Signal von externen Sensoren aufnimmt, und wobei die digitalen Ausgänge an die Eingänge eines zugeordneten ROM der Steuereinheit angeschlossen sind, um die Adresse eines Spei cherwortes auszuwählen. Die Speichermodule (ROM) sind den Ein gangsgrößen, aber nicht den Inferenzelementen zugeordnet.

In der DE 43 38 237 A1 ist eine Datenverarbeitungsanlage ange geben, die sowohl eine Diagnose des Betriebszustandes eines technischen Systems als auch eine Analyse der zutreffenden Regeln, deren Bestandteile sowie deren Verknüpfungen durch führt. Es werden auch Mittel angegeben, die die Diagnoseregeln bzw. deren Bestandteile speichern. Das Verfahren ist auf die Analyse der Regeln zugeschnitten.

In der Druckschrift at-Automatisierungstechnik 41 (1993) 9, S. A25 bis A28, werden adaptive Strategien beschrieben, die am laufenden Prozeß einerseits das Regelsystem schrittweise gene rieren oder modifizieren. Das Verfahren zur adaptiven Parame trierung bezüglich der angeführten Konklusionen in einem Fuzzy-Regler ist andererseits darauf geprägt, daß die Defini tion der Zugehörigkeitsfunktionen für die Regelabweichung und die Formulierung des Regelsystems durch den vorgegebenen Ex perten sicher vorgenommen werden kann.

In der US-PS 5 251 288 ist eine Fuzzy-Inferenz-Vorrichtung für ein zu regelndes technisches System bzw. Steuerobjekt mit ei ner Einstell-Operation der Fuzzy-Inferenz unter Verwendung von Folgeschritten von Eingangs-/Ausgangswerten, die von Experten und den Nutzereingaben erhalten werden, beschrieben, um die gewünschten Fuzzy-Inferenz-Regeln nicht durch die Versuch- und Irrtum-Methode automatisch zu erzeugen, sondern daß die opti male Inferenz-Regel durch Folgeschritte erhalten wird und das Expertenwissen leicht über die Einrichtungen in Form von Inferenz-Regeln eingebaut werden kann. Die Eingangswerte wer den fuzzifiziert und als Zugehörigkeitsfunktionen in definier te Funktionen eingebaut. Aus dem Fuzzy-Inferenzwert und dem Expertenwissen entsteht ein Inferenz-Fehler, der minimalisiert werden soll. Dazu wird der Inferenz-Fehler nach Zugehörig keitsfunktion und vorgegebenen Einstellparametern differen ziert und eine Folgeberechnungsmethode angewendet. Dazu sind im wesentlichen Berechnungseinheiten und Speicher vorgesehen, die miteinander verbunden sind. Dabei werden mathematische Funktionen und Expertenwissen in einer Inferenzmaschine mit einander verknüpft, um die Stellgröße zu erhalten, die das Steuerobjekt den Sollwerten entsprechend steuert bzw. regelt. Zur Ausführung stellen die Inferenz-Regeln als Ganzes eine grundlegende Ausgangsposition dar.

Es ist ein Fuzzy-Regler für ein technisches System mit einem zugehörigen Verfahren (Procyk/ Mamdani: Linguistic Self-Organizing Process Controller, Automa tica 15, 15-30, (1979)) bekannt, der im wesentlichen aus einem Fuzzifizierungsmodul, der zu verarbeitende Meßwerte aus einem Modul zur Messung von Regelgrößen des technischen Systems erhält, aus einem z. B. Regelgrößenwertmatrizen enthaltenden Modul zur Speicherung einer Regelbasis, einem Entscheidungsmodul, sowie einem Modul zur Speicherung einer Sollwertmatrix, einem Modul für Regelmodifikationen und schließlich aus einem Defuz zifizierungsmodul besteht. Der Fuzzy-Regler ist an ein techni sches System angeschlossen. In dem Fuzzy-Regler wird von einer initialen, als Regelgrößenwertmatrix ausgebildeten Menge von Regeln ausgegangen, die mit Hilfe einer festen Sollwertmatrix modifi ziert und angepaßt werden. Die linguistisch formulierten Regeln bestehen im wesentlichen aus mindestens zwei Prämissen für va riable Eingangsgrößen eines technischen Systems, die durch min destens einen Operator miteinander verknüpft sind, und einer linguistisch formulierten Konklusion mit beispielsweise einer variablen Regelgröße des technischen Systems. Die Form der Regelgrößenwertmatrix entspricht der Form der Sollwertmatrix.

Die Regeln, die Prämissen, die Operatoren, die Konklusionen, die Variablenwerte stellen z. B. Inferenzelemente dar, die in dem Modul zur Speicherung der Regelgrößenwertmatrix einspeicherbar sind.

Die Ausgangsgrößen des technischen Systems sind vorzugsweise die Eingabegrößen des Fuzzy-Reglers. Die Ausgabegrößen des Fuzzy-Reglers stellen im wesentlichen auch die Stellgrößen für die Regelgrößen des technischen Systems, vorzugsweise auch die Eingangsgrößen selbst des technischen Systems dar. Für ein mit einem Fuzzy-Regler zu regelndes technisches System ist es notwendig, vor einer erfolgreichen Regelung die Regelgrö ßen, die Eingangs- und Ausgangsgrößen sein können, im Sinne des Reglers richtig zu definieren.

Für jede Ausgabe von Ausgangsgrößen des technischen Systems kann nach einem Prozeßdurchlauf, bei dem gleichzeitig ein Reg lerlauf erfolgt, die Reglerleistung (Performanz) durch die Regelgrößen wertabweichung des Fuzzy-Reglers ermittelt und auf die Ab weichung zwischen tatsächlichen Regelgrößen und erwünschten Regelgrößen des technischen Systems geschlossen werden.

Die Sollwertmatrix ist abhängig vom Fehler des Zustandes des technischen Systems und von der Fehleränderung. In der Soll wertmatrix entspricht ein Eintrag von Null den Zuständen von Ausgangsgrößen, die keiner Korrektur bedürfen. Dieser Bereich der Matrix bildet die Menge der erwünschten Regelgrößen, insbesondere der vorgegebenen Sollwerte. Je größer die Regelgrößen wertabweichung von Null ist, desto größer müssen die Ausgabe größenkorrekturen, d. h. die Stellgrößenkorrekturen des Fuzzy-Reglers für die Regelgrößen des technischen Systems sein.

Im technischen System müssen die mit der Sollwertmatrix be stimmten Ausgangsgrößenabweichungen in Stellgrößenkorrekturen übersetzt werden. Da entschieden werden soll, welche Eingangs größe zu korrigieren ist, sind auch Informationen über den Zu sammenhang zwischen Prozeßeingangs- und -ausgangsgrößen des technischen Systems in der Regelgrößenwertmatrix bzw. in der gesam ten Regelbasis notwendig.

Durch die vorgegebene Sollwertmatrix wird ermittelt, wann eine Korrektur der Regelgrößen des zu regelnden technischen Systems infolge zu starker Abweichung vom gewünschten Verhalten durchgeführt werden muß.

Die durch Messungen der Ausgangsgrößen des technischen Systems ermittelten Regelgrößenwerte des Fuzzy-Reglers werden gemäß ihrer Zugehörigkeitsfunktionen fuzzifiziert. Die die Regelgrößenwertabweichung hervorrufende Regel wird identifiziert und durch eine Regel mit neuer Konklusion aus der Sollwertmatrix ersetzt. In der Folge werden die Regeln der gesamten Regelgrößen wertmatrix geändert.

Ein Nachteil des bekannten Fuzzy-Reglers ist es, daß nach Be nutzung der Sollwertmatrix durch die Änderung einer Regel nicht nur die unmittelbar für die Regelgrößenwertabweichung zuständigen Regeln, sondern die gesamte Regelbasis modifiziert werden muß.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Regelbasis nach jeder Regeländerung wiederholt verändert wird und unbemerkt in einen früheren Zustand zurückkehren kann. Der Aufwand zur Ände rung der Regelbasis erhöht sich mit der Anzahl der Regeln. Bei jeder Änderung werden alle Regeln modifiziert, was zu einem hohen zeitlichen Aufwand führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fuzzy-Regler für ein technisches System schaffen, bei dem durch geeignete Module und deren Anordnung zur Adaption von Inferenzelementen während des Betriebs des technischen Systems die Regelgrößenwertabweichung minimalisiert und der Zeitaufwand zur Erreichung einer minimalen Regelgrößenwertabweichung in einem vorgegebenen Werteintervall verringert werden sollen.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 ge löst. In dem Fuzzy-Regler nach dem Oberbegriff des Patentan spruchs 1 ist der Modul zur Adaption von Regeln als Adaptions submodul in einem Modul zur Adaption von Inferenzelementen eingeordnet, der mindestens zwei ansteuerbare, jeweils einem Inferenzelement zugeordnete Adaptionssubmodule enthält, die mit dem Modul zur Speicherung der Sollwertmatrix in Verbindung und mit dem Modul zur Speicherung der Regelgrößenwertmatrix in rückkoppelnder Verbindung stehen, wobei den Adaptionssubmodu len der Inferenzelemente jeweils ein Komparator zur Feststel lung einer Abweichung zwischen Regelgrößenwert und Sollwert und ein Steuermodul mit Anschlüssen zur Aktivierung des zuge ordneten Komparators und des zugeordneten Adaptionssubmoduls zugeschaltet sind, wobei die Adaptionssubmodule und die Kompa ratoren parallel an die zum Modul zur Speicherung der Regel größenwertmatrix führende Verbindungsleitung geschaltet und wobei über die rückkoppelnden Verbindungsleitungen durch Ände rung der Inferenzelemente vergleichende Kreisläufe unter Ein satz der Komparatoren und der Adaptionssubmodule in vorgegebe ner Folge solange sukzessive zur Minimierung der Regelgrößen wertabweichung durchführbar sind, bis die Regelgrößenwert abweichung in einem vorgegebenen Toleranzbereich liegt und die zuständige Regel zur Ausbildung der Stellgröße erreicht ist.

Als Inferenzelemente werden alle die Aktionselemente eines Fuzzy-Reglers bezeichnet, die im Fuzzy-Regler zu einer Stell größe führen, die aufgrund mindestens einer für die minimale Regelgrößenwertabweichung zuständigen Regel erreicht wird, um das technische System, das von äußeren und inneren Faktoren beeinflußt wird, in vorgegebener Weise weitgehend ohne Störung zu betreiben.

Der Modul zur Adaption von Inferenzelementen enthält vorzugs weise Adaptionssubmodule einer Konklusion, von Operatoren, der Regeln, von Variablenwerten und/oder von Prämissen, wobei die Adaptionssubmodule vorzugsweise parallel zueinander gerichtet miteinander verbunden sind. Im Modul zur Adaption von Infe renzelementen sind vorzugsweise in der Reihenfolge der Infe renzelemente - Konklusion, Operator, Regel (Prämisse), Varia blenwert - die zugeordneten Adaptionsubmodule parallel zuein ander geschaltet und in der angegebenen Reihenfolge in Verbin dung mit dem Modul zur Speicherung der Regelgrößenwertmatrix kreislaufähnlich durchlaufbar.

Die Steuermodule sind in Verbindung mit den Komparatoren und den Adaptionssubmodulen sowie in Rückkopplung mit dem Modul zur Speicherung der Regelgrößenwertmatrix derart geschaltet, daß die Adaption der Inferenzelemente in den parallel zueinan der geschalteten Adaptionssubmodulen kreislaufähnlich sukzes sive durchführbar ist.

Damit liegt vorteilhafterweise eine auf jeweils ein Inferenz element individuell gerichtete vergleichende Modularisierung vor, die die Regelgrößenwertabweichung nicht durch Plausibili tätsfaktoren, Wichtungen oder Normierungen od. dgl., sondern durch die Adaption der Inferenzelemente im Rahmen ihres jewei ligen Spielraums in einem zugeordneten Submodul minimalisieren kann.

Die Steuermodule können in Reihe hintereinander geschaltet sein und stehen eingangsseitig mit dem Modul zur Speicherung der Sollwertmatrix und dem Modul zur Speicherung der Regelgrö ßenwertmatrix über Signalstrecken in Verbindung.

Den Adaptionssubmodulen sind jeweils ein Komparator für Ver gleiche einer schon einmal getätigten Adaption des betreffen den Inferenzelements zugeschaltet, wobei der jeweilige Kompa rator gegebenenfalls eine noch vorhandene Regelgrößenwertab weichung außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches feststellt.

Das Verfahren zur Durchführung einer Adaption von Inferenzele menten mit Hilfe des erfindungsgemäßen Fuzzy-Reglers weist folgende Schritte auf:

a) Fuzzifizierung mindestens eines Regelgrößenwertes aus Meß werten mindestens einer Ausgangsgröße des technischen Systems,
b) Fuzzifizierung mindestens eines Sollwertes aus einer Ziel funktion mindestens einer Regelgröße des technischen Systems,
c) Erstellung einer festen Sollwertmatrix aus den fuzzifi zierten Sollwerten des Fuzzy-Reglers,
d) Vergleich mindestens eines fuzzifizierten Regelgrößenwertes mit dem zugehörigen fuzzifizierten Sollwert der Sollwertma trix,
e) Ermittlung der Regelgrößenwertabweichung des fuzzifizierten Regelgrößenwertes und mindestens einer für die Regelgrößen wertabweichung zuständigen Regel der Regelgrößenwertmatrix,
f) Minimalisierung der Regelgrößenwertabweichung durch minde stens einen vergleichenden Kreislauf, der mit einer Adaption mindestens eines Inferenzelementes, insbesondere mit einer Adaption einer Konklusion, gegebenenfalls nachfolgend mit ei ner Adaption mindestens eines in der für die Regelgrößenwer tabweichung zuständigen Regel enthaltenen Operators und gege benenfalls nachfolgend mit einer Adaption mindestens einer der zuständigen Regeln sowie gegebenenfalls mit einer Adaption von Variablenwerten verbunden ist,
g) Übertragung des adaptierten Signals an den Modul zur Spei cherung der Regelgrößenwertmatrix,
h) Defuzzifizierung der Stellgröße im Defuzzifizierungsmodul und
i) Korrektur mindestens einer Regelgröße des technischen Systems.

Die feste Sollwertmatrix bleibt im Verlauf der Adaption kon stant und wird nach Adaptionsende gegebenenfalls durch eine Änderung mindestens einer Zielfunktion zu einer neuen festen Sollwertmatrix erstellt, die nachfolgend zu mindestens einer weiteren Regeladaption eingesetzt wird.

Nach Ermittlung einer Regelgrößenwertabweichung, deren Wert sich außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches befindet, wird die Adaption mindestens eines Inferenzelements im Modul zur Adaption von Inferenzelementen durchgeführt.

Nach Erreichen eines vorgegebenen Toleranzbereiches der Regel größenwertabweichung wird die Adaption der Inferenzelemente in den Adaptionssubmodulen beendet und das zugeordnete Signal wird an den Modul zur Speicherung der Regelgrößenwertmatrix abgegeben.

Die Erfindung eröffnet die Möglichkeit, daß die Reaktions- und Verarbeitungsgeschwindigkeit auf die innere und äußere Fakto renbeeinflussung des technischen Systems durch die mögliche Mehrfach-Adaption der Regeln von innen heraus mittels der vor gegeben parallel geschalteten Adaptionssubmodule und der rück gekoppelten Verbindung zum Modul zur Speicherung der Regelgrö ßenwertmatrix erhöht werden kann.

Bei der Adaption einer Konklusion wird in der zuständigen Re gel der vom Sollwert abweichende Regelgrößenwert durch den Sollwert ersetzt.

Zur Fuzzifizierung der Regelgrößenwerte und der Sollwerte wer den vorzugsweise Minimumwerte, Maximumwerte und Durchschnitts werte aus der Verteilung von Meßwerten eingesetzt, wobei der Durchschnittswert die Abszisse des Flächenschwerpunktes dar stellt, und vorzugsweise zur Defuzzifizierung des Stellgrößen wertes die Abszisse des jeweiligen Flächenschwerpunktes der Zugehörigkeitsfunktion der Stellgröße zugeordnet wird.

Zur weiteren Minimalisierung einer Regelgrößenwertabweichung wird die Adaption des Operators im Kompensationsbereich zwi schen T-Normen (Kompensation Null) und S-Normen (Kompensation Eins) durchgeführt wird.

Die Regelgrößenwertabweichung bestimmt die Richtung der Adap tion für den Operator im Kompensationsbereich (von Null bis Eins).

Bei einer größeren Unsicherheit des Regelgrößenwertes wird ein Operator mit einer geringeren Kompensation (gegen Null) gewählt.

Bei einer größeren Unsicherheit des Sollwertes wird ein Opera tor mit einer größeren Kompensation gewählt.

Bei der Adaption der zuständigen Regel in ihrer gesamten Form wird eine Neuordnung der Verknüpfung der Prämissen durchge führt, wobei die Prämissen entsprechend der Sollwertmatrix mit einander verknüpft werden.

Werden während des Adaptionsprozesses mehrere Regelgrößenwertabwei chungen registriert, die nicht auf eine fehlerhafte Regel zu rückzuführen sind, werden erst die Konklusionen aller fehler haften Regeln angeglichen. Erst danach wird die nächste Etappe, eine Anpassung der Operatoren, angewendet. Liegt danach die Regelgrößenwertabweichung immer noch außerhalb des Toleranzberei ches, so werden die zuständigen Regeln adaptiert und schließ lich die Anzahl der Variablenwerte modifiziert, gegebenenfalls erhöht.

Dieses Verfahren kann in komplizierten, komplexen technischen Systemen, vorzugsweise in Rechnernetzwerken, z. B. in FDDI-Netzwerken verwendet werden.

In einem mit dem erfindungsgemäßen Fuzzy-Regler verbundenen Rechnernetzwerk, insbesondere im FDDI-Netzwerk werden vorzugs weise die Eingangsgrößen von einer Last (a) und einer Ringla tenz (ring) und die Ausgangsgröße von einer Umlaufzeit eines Tokens T_OPR dargestellt. Dabei werden die Sollwerte der Um laufzeit eines Tokens nach einer Zielfunktion gemäß der Gleichung

T_OPR = ρ.(a + a/10).ring (I)

ermittelt, wobei ρ gleich einem Optimierungskoeffizient, der vorzugsweise 38 ist, a die Last in Prozenten und ring die Ring latenz in ms gemessen darstellen.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch die auf alle Inferenzelemente ausdehnbare Adaption innerhalb der zuge ordneten Adaptionssubmodule nicht die gesamte Regelgrößenwertmatrix bzw. Regelbasis, sondern immer nur die jeweils von der Adaption der Inferenzelemente zutreffenden Regeln, die für den Fall verantwort lich sind, daß sich die Regelgrößenwertabweichung immer noch außer halb des Toleranzbereiches befindet, korrigiert werden.

Die Erfindung eröffnet die Möglichkeit, daß durch die Adaption von Inferenzelementen des Fuzzy-Reglers die Minimalisierung der Regelgrößen wertabweichung in einem vorgegebenen Toleranzbereich (Werteintervall) mit minimalem zeitlichem Aufwand durchgeführt werden kann.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe mehrerer Zeichnungen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Fuzzy-Reglers für ein technisches System,

Fig. 2 ein Blockschema des Adaptionsmoduls im Fuzzy-Regler,

Fig. 3 eine schematische, linguistische Darstellung einer Regel mit Elementen, insbesondere Variablen, Prämis sen, einem Operator und einer Konklusion,

Fig. 4 schematische Darstellung der Einordnung von Operatoren, die vorzugsweise in den Regeln vorhandene Prämissen miteinander verknüpfen,

Fig. 5 einen Ablaufplan zur Darstellung der Arbeitsweise eines Adaptionsmoduls (Fig. 5a, 5b, 5c, 5d),

Fig. 6 eine Zugehörigkeitsfunktion aus einer Verteilung von Meßwerten bei min < ave < 1/3.(max-min), Fall 1,

Fig. 7 eine Zugehörigkeitsfunktion aus einer Verteilung von Meßwerten bei ave = 1/3.(max-min), Fall 2,

Fig. 8 eine Zugehörigkeitsfunktion aus einer Verteilung von Meßwerten bei 1/3.(max-min) < ave < 1/2.(max-min), Fall 3,

Fig. 9 eine Zugehörigkeitsfunktion aus einer Verteilung von Meßwerten bei ave = 1/2.(max-min), Fall 4,

Fig. 10 eine Zugehörigkeitsfunktion aus einer Verteilung von Meßwerten bei 1/2.(max-min) < ave < 2/3.(max-min), Fall 5,

Fig. 11 eine Zugehörigkeitsfunktion aus einer Verteilung von Meßwerten bei ave = 1/3.(max-min), Fall 6, und

Fig. 12 eine Zugehörigkeitsfunktion aus einer Verteilung von Meßwerten bei ave < 2/3.(max-min), Fall 7.

In der Beschreibung wird jeweils zuerst die allgemeinere Dar stellung gewählt und danach auf das Rechnernetzwerk 2 eingegangen.

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Fuzzy-Regler 1 für ein technisches System 2, insbesondere eines Rechnernetzwerkes schematisch dargestellt.

Der Fuzzy-Regler 1 enthält einen Modul 3 zur Messung von Re gelgrößen des technischen Systems 2, einen Fuzzifizierungsmo dul 4 und einen Defuzzifizierungsmodul 10, wobei der Fuzzifi zierungsmodul 4 die Regelgrößen-Meßwerte verarbeitet und so wohl mit einem Modul 5 zur Speicherung einer Sollwertmatrix als auch mit einem Modul 6 zur Speicherung einer Regelgrößen wertmatrix verbunden ist, sowie einen Modul zur Speicherung von Regeln und einen Modul zur Adaption von Regeln, wobei der Defuzzifizierungsmodul 10 mindestens eine defuzzifizierte Stellgröße dem technischen System 2 zuleitet.

Erfindungsgemäß ist in dem Fuzzy-Regler 1 der Modul zur Adap tion von Regeln als Adaptionssubmodul 19 in einem Modul 7 zur Adaption von Inferenzelementen eingeordnet, der mindestens zwei ansteuerbare, jeweils einem Inferenzelement zugeordnete Adaptionssubmodule 17, 18, 19, 20 enthält, die mit dem Modul 5 zur Speicherung der Sollwertmatrix in Verbindung 16 und mit dem Modul 6 zur Speicherung der Regelgrößenwertmatrix in rück koppelnder Verbindung 29, 8 stehen. Den Adaptionssubmodulen 17, 18, 19, 20 der Inferenzelemente sind jeweils ein Komparator 21, 22, 23, 24 zur Feststellung einer Abweichung zwischen Regelgrö ßenwert und Sollwert und ein Steuermodul 25, 26, 27, 28 mit An schlüssen zur Aktivierung des zugeordneten Komparators 21, 22, 23, 24 und des zugeordneten Adaptionssubmoduls 17, 18, 19, 20 zu geschaltet. Die Adaptionssubmodule 17, 18, 19, 20 und die Kompa ratoren 21, 22, 23, 24 sind parallel an die zum Modul 6 zur Spei cherung der Regelgrößenwertmatrix führende Verbindungsleitung 8 geschaltet. Über die rückkoppelnden Verbindungsleitungen 29, 8 sind durch Änderung der Inferenzelemente vergleichende Kreisläufe unter Einsatz der Komparatoren 21, 22, 23, 24 und der Adaptionssubmodule 17, 18, 19, 20 in vorgegebener Folge solange sukzessive zur Minimierung der Regelgrößenwertabweichung durchführbar, bis die Regelgrößenwertabweichung in einem vor gegebenen Toleranzbereich liegt und die zuständige Regel zur Ausbildung der Stellgröße erreicht ist.

Der Fuzzifizierungsmodul 4 steht mit dem Modul 5 der Sollwert matrix über eine Sollwertsignalstrecke 16 und dem Modul 6 der Regelgrößenwertmatrix über eine Regelgrößenwertsignalstrecke 29 in Verbindung. Aus diesen beiden Modulen 5 und 6 gehen Signale zu einem Adaptionsmodul 7. Über eine Angleichungsstrecke 8 ist der Adaptionsmodul 7 an den Modul 6 der Regelgrößenwertmatrix rückgekoppelt. Von dem Modul 6 der Regelgrößenwertmatrix geht eine Ergebnissignalstrecke 9 an den Defuzzifizierungsmodul 10, um über eine Stellgrößensignalstrecke 11, die zwischen dem Fuzzy-Regler 1 und dem technischen System 2 vorhanden ist, dem technischen System 2 die defuzzifizierte Stellgröße z. B. zur Korrektur möglicher Überlastsituationen zuzuführen.

Die Stellgröße kann im technischen System 2 Systemparameter bzw. Regelgrößen ändern, je nachdem wie und ob die Komponenten des technischen Systems 2 konstant bleiben oder sich ändern, so daß ein optimaler Betrieb gewährleistet werden kann.

Das technische System 2, beispielsweise das Rechnernetzwerk 2 besitzt in Fig. 1 vier Rechnerarbeitsstationen (Stationen) 12, 13, 14 und 15, die z. B. als FDDI-Netzwerk geschaltet sind. Der Fuzzy-Regler 1 enthält den Modul 3 zur Messung von beispiels weise zwei Regelgrößen a und ring des Rechnernetzwerkes, wobei a die Last und ring die Ringlatenz als Regelgrößen des techni schen Systems 2 festgelegt sind. Der Modul 3 zur Messung der Regelgrößen, der sich je nach Verbindung des Fuzzy-Reglers 1 mit dem Rechnernetzwerk 2 auch außerhalb des Fuzzy-Reglers 1 befinden kann, ist mit dem Fuzzifizierungsmodul 4 verbunden.

In Fig. 2 ist der erfindungsgemäße Modul 7 zur Adaption von Inferenzelementen des Fuzzy-Reglers 1 in seinen wesentlichen Bestandteilen dargestellt. Der Modul 7 enthält mindestens zwei Adaptionssubmodule von Inferenzelementen des Fuzzy-Reglers 1.

Im Ausführungsbeispiel sind in ihm ein Adaptionssubmodul 17 der Konklusion, ein Adaptionssubmodul 18 der Operatoren, ein Adap tionssubmodul 19 der Regeln und ein Adaptionssubmodul 20 der Variablenwerte enthalten. Jedem der Adaptionssubmodule 17 bis 20 sind ein Komparator 21 bis 24 für jeweilige Vergleiche einer schon einmal getätigten Adaption des betreffenden Inferenzele mentes und zugleich der Feststellung einer noch vorhandenen Regelgrößenwertabweichung w außerhalb des vorgegebenen Tole ranzbereiches sowie ein Steuermodul 25 bis 28 mit Ports zur jeweiligen Aktivierung des entsprechenden Komparators und des zugeordneten Adaptionssubmoduls zugeschaltet.

Über die Sollwertsignalstrecke 16 und die Regelgrößenwertsi gnalstrecke 29 gehen die Signale in den Modul 7 der Adaption von Inferenzelementen. Nach jeweils abgeschlossener Adaption eines oder mehrerer Inferenzelemente im Modul 7 der Adaption wird über die Angleichungsstrecke 8 das zugeordnete Signal an den Modul 6 der Regelgrößenwertmatrix abgegeben.

Den Adaptionssubmodulen 17, 18, 19, 20 ist jeweils ein Komparator 21 bis 24 für Vergleiche einer schon einmal getätigten Adap tion des betreffenden Inferenzelements zugeschaltet, wobei der jeweilige Komparator 21 bis 24 gegebenenfalls eine noch vor handene Regelgrößenwertabweichung w außerhalb eines vorgegebe nen Toleranzbereiches feststellt.

Im Modul 7 zur Adaption von Inferenzelementen sind vorzugswei se in der Reihenfolge der Inferenzelemente - Konklusion, Ope rator, Regel (Prämisse), Variablenwert - die zugeordneten Adaptionsubmodule 17 bis 20 parallel zueinander geschaltet und in dieser Reihenfolge in Verbindung mit dem Modul 6 zur Spei cherung der Regelgrößenwertmatrix kreislaufähnlich nacheinan der durchlaufbar.

In Fig. 3 ist eine allgemeine Form einer Regel im Modul 6 der Regelgrößenwertmatrix dargestellt. Die Regel

lautet für das Rechnernetzwerk im vorliegenden Ausführungs beispiel:

wobei E1 = a die Last, E2 = ring die Ringlatenz und e/s = T_OPR der Regelgrößenwert/Sollwert der Tokenumlaufzeit darstellen.

In Fig. 4 ist eine schematische Einordnung von verwendbaren Operatoren, die die in den Regeln vorhandene Prämisse miteinan der verknüpfen. Für den Fuzzy-Regler kommen im Prinzip alle im Bereich der Kompensation von Null bis Eins ausgezeichneten Ope ratoren je nach Notwendigkeit der Regelung im technischen System zur Anwendung.

Im folgenden wird das zum erfindungsgemäßen Fuzzy-Regler 1 mit dem Modul 7 zur Adaption von Inferenzelementen zugehörige Ver fahren zur internen Angleichung von Regelgrößenwerten an vorge gebene Sollwerte für ein technisches System 2 beschrieben:
Das Verfahren weist folgende Schritte auf:

a) Fuzzifizierung mindestens eines Regelgrößenwertes e aus Meßwerten mindestens einer Ausgangsgröße des technischen Systems 2,
b) Fuzzifizierung mindestens eines Sollwertes s aus einer Zielfunktion mindestens einer Regelgröße des technischen Systems 2,
c) Erstellung einer festen Sollwertmatrix aus den fuzzi fizierten Sollwerten s des Fuzzy-Reglers 1,
d) Vergleich mindestens eines fuzzifizierten Regelgrößenwer tes e mit dem zugehörigen fuzzifizierten Sollwert s der Soll wertmatrix,
e) Ermittlung der Regelgrößenwertabweichung w des fuzzifizier ten Regelgrößenwertes e und mindestens einer für die Regelgrö ßenwertabweichung w zuständigen Regel der Regelgrößenwertma trix,
f) Minimalisierung der Regelgrößenwertabweichung w durch min destens einen vergleichenden Kreislauf, der mit einer Adaption mindestens eines Inferenzelementes, insbesondere mit einer Adaption einer Konklusion, gegebenenfalls nachfolgend mit ei ner Adaption mindestens eines in der für die Regelgrößenwert abweichung w zuständigen Regel enthaltenen Operators und gege benenfalls nachfolgend mit einer Adaption mindestens einer der zuständigen Regeln sowie gegebenenfalls mit einer Adaption von Variablenwerten verbunden ist,
g) Übertragung des adaptierten Signals an den Modul 6 zur Speicherung der Regelgrößenwertmatrix,
h) Defuzzifizierung der Stellgröße im Defuzzifizierungsmodul 10 und
i) Korrektur mindestens einer Regelgröße des technischen Sy stems 2.

Anhand eines Ablaufplans in Fig. 5-5a, 5b, 5c, 5d wird nach Mes sung der Regelgrößen des technischen Systems 2 im Modul 3 mit Hilfe dieser Meßwerte ein Regelgrößenwert e für eine festgeleg te Stellgröße fuzzifiziert, um den Vergleich mit einem aus ei ner Zielfunktion ermittelten und fuzzifizierten Sollwert s für die gleiche Stellgröße durchführen zu können.

Aus dem Fuzzifizierungsmodul 4 können die Module 5 der Soll wertmatrix und 6 der Regelgrößenwertmatrix bedient werden. Im Adaptionsmodul 7 gehen dann die Signale des Regelgrößenwertes e und des Sollwertes s ein, die im Komparator 21 miteinander verglichen werden. Liegen die beiden Werte nach durchgeführtem Vergleich außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches, so erfolgt eine Adaption der Konklusion. Das bedeutet, daß der Regelgrößenwert e in der für die Regelgrößenwertabweichung w zuständigen Regel durch den Sollwert s ersetzt wird.

Zu Beginn des Verfahrens wird ein Vergleich eines Regelgrößenwertes als tatsächliche Stellgröße des technischen Systems 2 und eines vorgegebenen Sollwertes s, der als Ausgabegröße des Fuzzy-Reglers 1 ebenso in Form einer Zugehörigkeitsfunktion wie der Regelgrößenwert e vorliegt, durchgeführt. Nach dem Vergleich erfolgt die Prüfung auf Vorhandensein einer Regelgrößenwertabweichung w. Befindet sich die Zugehörigkeitsfunk tion des Regelgrößenwertes e zu einem hohen, akzeptablen Prozentsatz (Toleranzbereich) in Übereinstimmung mit der Zugehörigkeits funktion des Sollwertes s, dann braucht keine Adaption des Fuzzy-Reglers 1 zu erfolgen.

Der Idealfall der Identität beider Zugehörigkeitsfunktionen ist kaum erreichbar. Die Fuzzy-Regler 1 sind deshalb für kompli ziertere technische Systeme 2 interessant und werden dort ein gesetzt, weil mit ihnen automatisch und überschaubar die Abwei chungen zwischen den tatsächlichen und den gewünschten Aus gangsgrößen eines technischen System 2 so weit wie nur notwen dig und aufwandmäßig vertretbar angenähert werden können.

Durch Änderungen äußerer Bedingungen (z. B. von Umweltbedingun gen) oder durch geänderte innere Bedingungen, vorzugsweise durch Hinzufügen oder Entnahme von Komponenten im technischen System 2, z. B. im Rechnernetzwerk durch Zuschalten oder Ab schalten von Speichern, von Controllern sowie von Mikroprozes soren u. a. können darüberhinaus plötzlich Zustände im techni schen System auftreten, die weit größere Regelgrößenwertabweichungen als erwartet hervorrufen können, die komplizierteren Vorgängen bzw. Parametern unterworfen sind und demzufolge schwer be herrschbar sind.

Um dem gewünschten Ergebnis z. B. sowohl in der Perfektion als auch in der Qualität sehr nahe zu kommen, ist es zweckmäßig, von Anfang an einen akzeptablen Toleranzbereich zwischen den tatsächlichen und gewünschten Ausgangsgrößen des technischen Systems 2 und somit auch bezüglich der Ausgabegrößen des ange schlossenen Fuzzy-Reglers 1 zur Modifikation der Regelgrö ßen des technischen Systems 2 einzustellen.

Um die Regelgrößenwertabweichung w überhaupt zu verändern, ist dies für sie zuständige Regel innerhalb des Moduls 6 der Regelgrößenma trix des Fuzzy-Reglers 1 aufzufinden. Diese Regel, die im we sentlichen mindestens zwei Prämissen mit linguistisch formu lierten verschiedenen Eingangsgrößen des technischen Systems 2 enthält, die durch einen Operator verknüpft sind, wobei die Verknüpfung zu einer Konklusion führt, in der mindestens eine Regelgröße als Sollwert linguistisch formuliert ist, kann erfindungsgemäß durch entsprechende Veränderungen ihrer Be standteile verändert werden, um die Regelgrößenwertabweichung w wie der zu bzw. überhaupt zu minimalisieren.

Dabei steht, wie oben ausgeführt, nicht die Frage der vollstän digen Übereinstimmung von tatsächlichen und gewünschten Aus gangsgrößen im Mittelpunkt, sondern wie weit ist eine akzep table Annäherung zwischen den tatsächlichen und den gewünschten Ausgangsgrößen bei komplizierteren technischen Systemen unter der Bedingung eines geringen Aufwandes an Zeit und Kosten not wendig und möglich.

Liegt z. B. in Fig. 5a zu Beginn des Vergleiches eine akzeptable Übereinstimmung beider Zugehörigkeitsfunktionen des Regelgrößenwertes e und des Sollwertes s einer Stellgröße nicht vor, dann steht die Frage, ob eine Adaption der Konklusion schon erfolgte. Falls dies nicht der Fall ist, wird die Konklusion in der für die Regelgrößen wertabweichung w zuständigen Regel angepaßt. Das bedeutet, daß die Zugehörigkeitsfunktion des Regelgrößenwertes e durch die zugehörige Zugehörigkeitsfunktion des Sollwertes s ersetzt wird. Wird nach dieser Ersetzung (Adaption) der Konklusion festgestellt, daß sich die Zugehörigkeitsfunktionen von Regelgrößen wert e und Sollwert s im vorgegebenen Toleranzbereich in akzep tabler Weise überlagern, so daß nur die geforderte minimali sierte Regelgrößenwertabweichung w erkennbar ist, wird die interne Angleichung des Regelgrößenwertes e an den vorgegebenen Sollwert s beendet ("Ende" in Fig. 5a).

Bringt die Adaption der Konklusion keine Übereinstimmung im Toleranzbereich, d. h. eine vorgegebene Minimalisierung der Regelgrößenwertabweichung w ist nicht erreicht, so wird nach Fig. 5b eine Analyse des Operators der zuständigen Regel mit dem Ziel durchgeführt, den bisherigen Operator durch einen anderen Operator derart zu ersetzen, so daß z. B. die beiden Prämissen der Eingangsgrößen in anderer Weise verknüpft werden und die vorgegebene Konklu sion nach einem nachfolgenden Reglerlauf über Fig. 5a vom neuen Regelgrößenwert besser angenähert erreicht werden kann.

Ergibt der Reglerlauf eine Regelgrößenwertabweichung w, die sich im vorgegebenen Toleranzbereich befindet, so wird die Änderung der zuständigen Regel beendet ("Ende" in Fig. 5a).

Falls nach den Adaptionen der Konklusionen und der Operatioren keine Regelgrößenwertabweichung w erreicht wird, die sich in den vorgegebenen Toleranzbereich einordnet, dann erfolgt erfindungsgemäß eine Anpassung der Regel nach Fig. 5c in bezug auf die vorhandenen Prämissen, in die die festgelegten Regelgrößen des technischen Systems 2 einbezogen und linguistisch formuliert werden. Diese Prämissenadaption kann soweit führen, daß schließlich entweder die Werte mindestens einer Regelgröße geändert werden oder eine andere linguistische Bewertung der variablen Regelgröße erfolgt.

Schließlich kann nach Fig. 5d im Adaptionssubmodul 20 für die Variablenwerte eine feinere fuzzifizierte Darstellung gewählt werden, so daß z. B. von einer groben Einteilung von mindestens drei Variab lenwerten zu fünf, sieben oder neun Variablenwerten übergegan gen werden kann.

Danach erfolgen wieder Reglerläufe und interne Vergleiche und Angleichungen zwischen den Zugehörigkeitsfunktionen der jewei ligen Regelgrößenwerte e und der ihnen zugeordneten Sollwerte s, um nach Abarbeitung aller zur Adaption vorhandener und verwendba rer Inferenzelemente in den zugeordneten Adaptionssubmo dulen 17 bis 20 mit einer in diesem kreislaufähnlichen, sukzes siven Prozeß beginnenden Adaption der Konklusion in deren Adap tionssubmodul die Regelgrößenwertabweichung weiter zu minimieren, so daß schließlich in dem vorgegebenen Toleranzbereich eine im wesentlichen angenäherten Übereinstimmung der beiden Zugehörig keitsfunktionen von Regelgrößenwert e und Sollwert s erreicht werden kann.

Im folgenden werden die in den Fig. 5a bis Fig. 5c stattfindenden Adaptionen erläutert.

Adaption der Konklusion im Adaptionssubmodul 17 (Fig. 5a):
Wird bei mehreren Reglerläufen eine Abweichung zwischen dem Regelgrößenwert e und dem zugeordneten Sollwert s erkannt, wird für den Sollwert ein Fuzzy-Set bestimmt.

Das Fuzzy-Set

s = e + w (II)

umfaßt den Regelgrößenwert und die Regelgrößenwertabweichung w, wobei

w die Regelgrößenwertabweichung,
e der Regelgrößenwert und
s der Sollwert ist.

Für die Sollwerte s wird aus mehreren Reglerläufen ein Fuzzy-Set gebildet. Es werden der Minimumwert(min), der Maximumwert (max) und der Durchschnittswert (ave) in folgender Weise gebildet:
Im folgenden werden einige Fälle von Zugehörigkeitsfunktionen dargestellt, die aus der jeweiligen Verteilung der Meßwerte berechnet werden können. Dabei soll der Flächenschwerpunkt der Fläche A in den Fig. 6 bis 12 gleich dem ermittelten Mittelwert ave sein. Die Fläche A wird durch die x-Koordinate und die Zu gehörigkeitsfunktion begrenzt.

Fall 1: min < ave < 1/3.(max-min), siehe Fig. 6:

Die Zugehörigkeitsfunktion µ = f_x(x) wird durch die Dichte funktion

bestimmt, wobei

betragen.

Fall 2: ave = 1/3.(max-min), siehe Fig. 7:

Die Zugehörigkeitsfunktion µ = f_x(x) wird durch die lineare Funktion

bestimmt, sie ist ein Sonderfall der Dichtefunktion von Fall 1 mit α = 1.

Fall 3: 1/3.(max-min) < ave < 1/2.(max-min), siehe Fig. 8:

Die Zugehörigkeitsfunktion µ = f_x(x) wird durch die Funktionen

bestimmt, wobei a = 3.ave-min-max und C = 1/2.(max-min) betragen.

Fall 4: ave = 1/2.(max-min), siehe Fig. 9:

Die Zugehörigkeitsfunktion µ = f_x(x) wird durch die Funktionen

bestimmt, wobei a = ave und C = 1/2.(max-min) betragen.

Fall 5: 1/2.(max-min) < ave < 2/3.(max-min), siehe Fig. 10:

Die Zugehörigkeitsfunktion µ = f_x(x) wird durch die Funktionen

bestimmt, wobei a = 3.ave-min-max und C = 1/2.(max-min) betragen.

Fall 6: ave = 1/3.(max-min), siehe Fig. 11:

Die Zugehörigkeitsfunktion µ = f_x(x) wird durch die lineare Funktion

bestimmt, wobei C = 1/2.(max-min) beträgt.

Fall 7: ave < 2/3.(max-min), siehe Fig. 12:

Die Zugehörigkeitsfunktion µ = f_x(x) wird durch die Dichtefunktion

bestimmt, wobei

betragen.

Mit diesen vorzugsweise sieben Fällen können die Zugehörig keitsfunktionen des Fuzzy-Sets von Sollwerten s ermittelt werden.

Die für die Regel signifikanten Sollwerte s werden durch die in der Regel enthaltenen Prämissen bestimmt. Die in der Regel ent haltene Schlußfolgerung e wird durch das Fuzzy-Set s ersetzt. Nur die an der Regelgrößenwertabweichung w beteiligten Regeln werden nach diesem Schema modifiziert.

Danach werden, wie oben schon beschrieben, die Reglerläufe mit dem Fuzzy-Regler 1 wiederholt und die sich ergebenden Regelgrößen werte e mit den Sollwerten s verglichen.

Mit diesem Verfahren wird die Konklusion der in Form von Soll werten s vorliegenden Sollwertmatrix angepaßt. Da die Sollwerte s anhand mindestens einer Zielfunktion aus vorhandenen Regelgrößen des technischen Systems 2 berechenbar sind, kann erwartet werden, daß der so adaptierte Fuzzy-Regler 1 den An forderungen entspricht, um z. B. mindestens die gewünschte Ausgangsgröße des technischen Systems 2 in angenäherter Weise zu erreichen.

Eine verbleibende Regelgrößenwertabweichung w gegenüber den Sollwer ten s kann z. B. auf einen für die Akkumulation ungünstigen Operator zurückgeführt werden.

Adaption der Operatoren im Adaptionssubmodul 18 (Fig. 5b):
Die Operatoren kommen bei der Verknüpfung von Prämissen, bei der Bewertung der Konklusion mit Plausibilitätsfaktoren und bei der Akkumulation zum Einsatz.

Werden z. B. alle formulierten Regeln als sicher betrachtet, so entfällt die Verknüpfung der Konklusion mit Plausibilitätsfak toren. Im folgenden wird die Adaption des Akkumulatoroperators näher angegeben. Entsprechend der Gegenüberstellung der Opera toren in Fig. 4 ist eine Verschiebung des Akkumulationsopera tors in Richtung der T-Normen bzw. der S-Normen möglich.

Anhand der Differenz zwischen der Konklusion und dem Sollwert läßt sich die Adaptionsrichtung für den Akkumulationsoperator bestimmen. Entsprechend den unscharfen Meßwerten wird das Fuzzy-Set der dazugehörigen Sollwerte s bestimmt. Dieses Fuzzy-Set s wird mit dem Fuzzy-Set der Konklusion e verglichen.

Bei einer größeren Unsicherheit des Regelgrößenwertes e wird der aktuelle Operator durch eine T-Norm ersetzt. Ein Operator mit einer höheren Kompensation dem Operanden wird gewählt, sobald das Fuzzy-Set der Sollwerte s eine größere Unsicherheit umfaßt.

Adaption der Regeln im Adaptionssubmodul 19 (Fig. 5c):
Kann mit den vorangegangenen Adaptionsverfahren der Fuzzy-Regler 1 nicht ausreichend an den realen Prozeß des technischen Systems 2 angepaßt werden, so ist die Regelgrößenwertmatrix fehler haft und muß modifiziert werden.

Für die Modifikation der Regelgrößenwertmatrix wird ein Vergleich der Sollwerte s mit den Regelgrößenwerten r genutzt und die Verknüp fung der Prämissen neu geordnet. Dabei werden die Prämissen entsprechend der Sollwertmatrix miteinander verknüpft.

Im folgenden wird die Einfügung des erfindungsgemäßen Fuzzy-Reglers 1 in ein technisches System 2 am Beispiel des Rech nernetzwerkes, das insbesondere nach dem bekannten FDDI-Medienzugriffsverfahren arbeitet, gemäß Fig. 1 dargestellt.

Das FDDI-Verfahren legt die Regeln für die Datenübertragung für das Rechnernetzwerk 2, insbesondere für ein Glasfaser-Ring netzwerk fest, dessen Rechnerarbeitsstationen 12, 13, 14 und 15 mit Glasfaserleitungen zur Datenübertragung verkabelt sind. Die Regeln beschreiben, unter welchen Bedingungen eine der Rechnerarbeitsstationen 12 bis 15 (im folgenden Stationen 12 bis 15) die bereitstehenden Nachrichten (Datenpakete) übertra gen kann. Das FDDI-Verfahren arbeitet mit dem für Hochgeschwin digkeitsnetze effektiven Early Token Release-Verfahren. Dabei wird ein freies Token z. B. von der Station 12 unmittelbar nach einer Datenübertragung generiert und gesendet. Die nachfolgende Station, z. B. 13 empfängt die Nachricht und entfernt das freie Token vom Ringnetzwerk 2. Nun kann sie ihre zu übertragenden Nachrichten senden und generiert zum Schluß ein neues, freies Token. So können mehrere Nachrichten und genau ein freies Token im Ringnetzwerk 2 existieren. Die die Nachricht empfangende Station 13 kopiert diese in ihren Eingangspuffer. Nachdem die Station 13 für die Station 12 am Ende der Nachricht eine Information eingetragen hat, z. B. ob sie die Nachricht voll ständig, fehlerhaft oder wegen Pufferüberlauf lediglich die Adresse erkannt hat, wird die Nachricht wieder gesendet. Die sendende Station 13 entfernt ihre Nachricht vom Ringnetzwerk 2, kann die Hinweise am Ende auswerten und gegebenenfalls die Nach richt wiederholt senden. Die Station 14 z. B., die momentan nicht überträgt, leitet die empfangenen Datenpakete weiter, indem sie die eintreffenden Signale regeneriert, d. h. die Signale werden verstärkt und die Pulsfolgen werden rekonstruiert. Das FDDI-Verfahren unterstützt die Übertragung von asynchronen Daten (z. B. Filetransfer) und synchronen Daten (z. B. digitale Sprache). Beide Übertragungen werden paketorientiert reali siert, wobei der synchronen Übertragung durch eine Reservierung eines entsprechenden Bandbreitenanteils eine höhere Priorität eingeräumt wird. Die verbleibende Bandbreite wird von den asyn chronen Übertragungen genutzt.

Zur Reservierung der Bandbreite handeln die Stationen 12 bis 15 zu Beginn der Verbindung die Target Token Rotation Time (TTRT) Sollzeit für den Umlauf eines Tokens aus, indem jede Station 12 bis 15 bekannt gibt, nach welcher Zeit das Token spätestens empfangen werden muß. Die Hälfte des Minimums der genannten Zeiten wird als operative TTRT (T_OPR = Umlaufzeit des Tokens) der vier Stationen 12 bis 15 gespeichert. Damit wird den spe ziellen Anforderungen des synchronen Verkehrs Genüge getan. Die Umlaufzeit des Tokens T_OPR wird zur Begrenzung der Umlaufzeit des freien Tokens genutzt und ist als Regelgröße einer der wichtigsten Parameter des Systems. Die Umlaufzeit des Tokens T_OPR wird entsprechend den Anforderungen vorgegeben. Das Ring netzwerk 2 kann insbesondere in Hochlastsituationen durch Ein stellungen der Regelgrößen mit Hilfe des erfindungsgemäßen Fuzzy-Reglers 1 adaptiert werden. Während die Umlaufzeit des Tokens eine Stellgröße des Fuzzy-Reglers 1 darstellt, die als Signal über die Stellgrößensignalstrecke 11 dem technischen System 1 zuleitbar ist, sind die anderen Regelgrößen die Größen Last a und Ringlatenz ring, mit denen der erfindungsge mäße Fuzzy-Regler 1 arbeitet, die mit dem Modul 3 zur Messung von Regelgrößen des technischen Systems 2 gemessen werden und dem Fuzzifizierungsmodul 4 zugeführt werden.

Die Ringlatenz ring ist durch die Summe der Zeiten definiert, die die Rechnerarbeitsstationen 12 bis 15 benötigen, um jeweils empfangene Datenpakete zu kopieren, auszuwerten und regeneriert zur nächsten Rechnerarbeitsstation 12 bis 15 zu senden.

Für die Umlaufzeit des Tokens T_OPR werden Sollwerte aufgrund von Zielfunktionen ermittelt, die

- eine Sicherung des maximalen Durchsatzes,
- eine Vermeidung von Paketverlusten durch Überlauf der Warteschlangen und
- eine Sicherung einer minimalen Antwortzeit

aufweisen. Die Sollwerte sollen bei unterschiedlichen Ringla tenzen und Lastanforderungen eine kurze Antwortzeit und einen maximalen Durchsatz ermöglichen:

Aus Gleichung T_OPR = ρ.(a + a/10).ring

werden die Sollwerte für T_OPR ermittelt, wobei a die Ausla stung des Mediums in Prozenten darstellt. Der Faktor a wird vorzugsweise um 10% erhöht, um sicher Überlastsituationen ent gegenzuwirken und ein Ansteigen der Warteschlangenlänge zu ver meiden.

Die erzeugten Sollwerte werden in dem Modul 5 zur Speicherung als Sollwertmatrix gespeichert, die dann für die Adaptionen der Inferenzelemente in den betreffenden Adaptionssubmodulen zur Verfügung stehen.

Claims

1. Fuzzy-Regler (1) für ein technisches System (2), insbeson dere ein Rechnernetzwerk, enthaltend einen Modul (3) zur Messung von Regelgrößen des technischen Systems (2), ei nen Fuzzifizierungsmodul (4) und einen Defuzzifizierungs modul (10), wobei der Fuzzifizierungsmodul (4) die Regelgrößen-Meßwerte verarbeitet und sowohl mit einem Modul (5) zur Speicherung einer Sollwertmatrix als auch mit einem Modul (6) zur Speicherung einer Regelgrößen wertmatrix verbunden ist, sowie einen Modul zur Speiche rung von Regeln und einen Modul zur Adaption von Regeln, wobei der Defuzzifizierungsmodul (10) mindestens eine defuzzifizierte Stellgröße dem technischen System (2) zuleitet, dadurch gekennzeichnet, daß der Modul zur Adaption von Regeln als Adaptionssubmo dul (19) in einem Modul (7) zur Adaption von Inferenzele menten eingeordnet ist, der mindestens zwei ansteuerbare, jeweils einem Inferenzelement zugeordnete Adaptionssubmo dule (17, 18, 19, 20) enthält, die mit dem Modul (5) zur Speicherung der Sollwertmatrix in Verbindung (16) und mit dem Modul (6) zur Speicherung der Regelgrößenwertmatrix in rückkoppelnder Verbindung (29, 8) stehen, wobei den Adaptionssubmodulen (17, 18, 19, 20) der Inferenzelemente jeweils ein Komparator (21, 22, 23, 24) zur Feststellung einer Abweichung zwischen Regelgrößenwert und Sollwert und ein Steuermodul (25, 26, 27, 28) mit Anschlüssen zur Aktivierung des zugeordneten Komparators (21, 22, 23, 24) und des zugeordneten Adaptionssubmoduls (17, 18, 19, 20) zugeschaltet sind, wobei die Adaptionssubmodule (17, 18, 19, 20) und die Komparatoren (21, 22, 23, 24) parallel an die zum Modul (6) zur Speicherung der Regelgrößenwertmatrix führende Verbindungsleitung (8) geschaltet sind und wobei über die rückkoppelnden Verbindungsleitungen (29, 8) durch Änderung der Inferenzelemente vergleichende Kreisläufe unter Einsatz der Komparatoren (21, 22, 23, 24) und der Adaptionssubmodule (17, 18, 19, 20) in vorgegebener Folge solange sukzessive zur Minimierung der Regelgrößenwertab weichung durchführbar sind, bis die Regelgrößenwertabwei chung in einem vorgegebenen Toleranzbereich liegt und die zuständige Regel zur Ausbildung der Stellgröße erreicht ist.

2. Fuzzy-Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Modul (7) zur Adaption von Inferenzelementen vor zugsweise Adaptionssubmodule einer Konklusion (17), von Operatoren (18), der Regeln (19), von Variablenwerten (20) und/oder von Prämissen enthält, wobei die Adaptions submodule (17, 18, 19, 20) vorzugsweise parallel zueinander gerichtet miteinander verbunden sind.

3. Fuzzy-Regler nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Modul (7) zur Adaption von Inferenzelementen vor zugsweise in der Reihenfolge der Inferenzelemente - Konklusion, Operator, Regel (Prämisse), Variablenwert - die zugeordneten Adaptionsubmodule (17 bis 20) parallel zueinander geschaltet sind und in dieser Reihenfolge in Verbindung mit dem Modul (6) zur Speicherung der Regelgrö ßenwertmatrix kreislaufähnlich nacheinander durchlaufbar sind.

4. Fuzzy-Regler nach mindestens einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermodule (25 bis 28) in Verbindung mit den Komparatoren (21 bis 24) und den Adaptionssubmodulen (17 bis 20) sowie in Rückkopplung mit dem Modul (6) zur Spei cherung der Regelgrößenwertmatrix derart geschaltet sind, daß die Adaption der Inferenzelemente in den parallel zu einander geschalteten Adaptionssubmodulen (17 bis 20) kreislaufähnlich sukzessive durchführbar ist.

5. Fuzzy-Regler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermodule (25 bis 28) in Reihe hintereinander geschaltet sind und eingangsseitig mit dem Modul (5) zur Speicherung der Sollwertmatrix und dem Modul (6) zur Spei cherung der Regelgrößenwertmatrix über Signalstrecken (16, 29) in Verbindung stehen.

6. Fuzzy-Regler nach mindestens einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den Adaptionssubmodulen (17, 18, 19, 20) jeweils ein Komparator (21 bis 24) für Vergleiche einer schon einmal getätigten Adaption des betreffenden Inferenzelements zugeschaltet ist, wobei der jeweilige Komparator (21 bis 24) gegebenenfalls eine noch vorhandene Regelgrößenwert abweichung (w) außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbe reiches feststellt.

7. Verfahren zur Durchführung einer Adaption von Inferenzele menten mit dem erfindungsgemäßen Fuzzy-Regler nach minde stens einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Fuzzifizierung mindestens eines Regelgrößenwertes (e) aus Meßwerten mindestens einer Ausgangsgröße des techni schen Systems (2),
b) Fuzzifizierung mindestens eines Sollwertes (s) aus ei ner Zielfunktion mindestens einer Regelgröße des techni schen Systems (2),
c) Erstellung einer festen Sollwertmatrix aus den fuzzi fizierten Sollwerten (s) des Fuzzy-Reglers (1),
d) Vergleich mindestens eines fuzzifizierten Regelgrößen wertes (e) mit dem zugehörigen fuzzifizierten Sollwert (s) der Sollwertmatrix,
e) Ermittlung der Regelgrößenwertabweichung (w) des fuzzi fizierten Regelgrößenwertes (e) und mindestens einer für die Regelgrößenwertabweichung (w) zuständigen Regel der Regelgrößenwertmatrix,
f) Minimalisierung der Regelgrößenwertabweichung (w) durch mindestens einen vergleichenden Kreislauf, verbunden mit einer Adaption mindestens eines Inferenzelementes, insbe sondere mit einer Adaption einer Konklusion, gegebenen falls nachfolgend mit einer Adaption mindestens eines in der für die Regelgrößenwertabweichung (w) zuständigen Re gel enthaltenen Operators und gegebenenfalls nachfolgend mit einer Adaption mindestens einer der zuständigen Regeln sowie gegebenenfalls mit einer Adaption von Variablenwer ten,
g) Übertragung des adaptierten Signals an den Modul (6) zur Speicherung der Regelgrößenwertmatrix,
h) Defuzzifizierung der Stellgröße im Defuzzifizierungsmo dul (10) und
i) Korrektur mindestens einer Regelgröße des technischen Systems (2).

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die feste Sollwertmatrix im Verlauf der Adaption kon stant bleibt und nach Adaptionsende gegebenenfalls durch eine Änderung mindestens einer Zielfunktion zu einer neuen festen Sollwertmatrix erstellt wird, die nachfolgend zu mindestens einer weiteren Regeladaption eingesetzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß nach Ermittlung einer Regelgrößenwertabweichung (w), deren Wert sich außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbe reiches befindet, die Adaption mindestens eines Inferenze lements im Modul (7) zur Adaption von Inferenzelementen durchgeführt wird.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß nach Erreichen eines vorgegebenen Toleranzbereiches der Regelgrößenwertabweichung (w) die Adaption der Infe renzelemente in den Adaptionssubmodulen (17 bis 20) been det und das zugeordnete Signal an den Modul (6) zur Spei cherung der Regelgrößenwertmatrix abgegeben wird.

11. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Adaption einer Konklusion in der zuständigen Regel der vom Sollwert (s) abweichende Regelgrößenwert (e) durch den Sollwert (s) ersetzt wird.

12. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß zur Fuzzifizierung der Regelgrößenwerte (e) und der Sollwerte (s) vorzugsweise Minimumwerte (min), Maximumwer te (max) und Durchschnittswerte (ave) aus der Verteilung von Meßwerten eingesetzt werden, wobei der Durchschnitts wert (ave) die Abszisse (x) des Flächenschwerpunktes darstellt, und vorzugsweise zur Defuzzifizierung des Stellgrößenwertes die Abszisse (x) des jeweiligen Flächen schwerpunktes der Zugehörigkeitsfunktion (µ(x)) der Stell größe zugeordnet wird.

13. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß zur weiteren Minimalisierung einer Regelgrößenwertab weichung (w) die Adaption des Operators im Kompensations bereich zwischen T-Normen (Kompensation Null) und S-Normen (Kompensation Eins) durchgeführt wird.

14. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelgrößenwertabweichung (w) die Richtung der Adaption für den Operator im Kompensationsbereich (von Null bis Eins) bestimmt.

15. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer größeren Unsicherheit des Regelgrößenwertes (e) ein Operator mit einer geringeren Kompensation (gegen Null) gewählt wird.

16. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer größeren Unsicherheit des Sollwertes (s) ein Operator mit einer größeren Kompensation (gegen Eins) ge wählt wird.

17. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Adaption der zuständigen Regel eine Neuordnung der Verknüpfung der Prämissen durchgeführt wird, wobei die Prämissen entsprechend der Sollwertmatrix miteinander ver knüpft werden.

18. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß im Rechnernetzwerk, insbesondere im FDDI-Netzwerk als Eingangsgrößen die Last (a) und die Ringlatenz (ring) und als Stellgröße die Umlaufzeit des Tokens (T_OPR) vorgege ben sind, wobei die Sollwerte der Umlaufzeit eines Tokens (T_OPR) aus einer Zielfunktion (T_OPR) nach der Gleichung
T_OPR = ρ.(a + a/10).ring (ms) (I)
ermittelt werden, wobei ρ gleich einem Optimierungskoef fizient, vorzugsweise 38 ist, sowie a die Last in (%) und ring die Ringlatenz in (ms) darstellen.