DE19640635C2 - Defuzzification procedure for signal processing fuzzy units - Google Patents
Defuzzification procedure for signal processing fuzzy unitsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Defuzzifizierung für signalverarbeitende Fuzzy-Baueinheiten nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a method for defuzzification for signal processing fuzzy units after the Preamble of claim 1.
Mit dem Verfahren zur Defuzzifizierung für signalverarbeitende Fuzzy-Baueinheiten läßt sich folgendes erreichen: Es lassen sich Regeln so verarbeiten, daß die Wirkungen gleichzeitig aktivierter gleichsinnig wirkender Regeln einander verstärkend überlagert und die Wirkungen gleichzeitig aktivierter gegensinnig wirkender Regeln einander kompensierend überlagert werden. Dies ist insbesondere für die Verarbeitung von Er fahrungswissen nützlich, das auf einer unvollständigen Prozeßkenntnis basiert. Die Grundidee des Verfahrens besteht darin, die Defuzzifizierungsweise in spezieller Weise so zu konzipieren, daß sie im Gegensatz zu herkömmlichen Defuzzifizierungsvorschrif ten nicht translationsinvariant ist. Das Verfahren ist technisch leicht realisierbar bei spielsweise dadurch, daß herkömmliche Fuzzy-Baueinheiten mit einem einfachen Zu satz-Modul ausgerüstet werden. With the procedure for defuzzification for signal processing fuzzy units The following can be achieved: Rules can be processed so that the effects simultaneously activated rules of the same effect are superimposed on each other and the effects of simultaneously activated counteracting rules mutually to be compensated. This is especially true for the processing of Er practical knowledge based on incomplete process knowledge. The The basic idea of the method is to defuzzify in a special way to be designed in such a way that, in contrast to conventional defuzzification regulations ten is not translation invariant. The process is technically easy to implement at for example, that conventional fuzzy units with a simple to kit module.
Herkömmliche Fuzzy-Baueinheiten mit reellwertigen Ausgangsgrößen dienen zum er fahrungsbasierten Entwurf nichtlinearer Kennfeldglieder. Dabei kann man vorhandenes qualitatives Erfahrungswissen gezielt nutzen, um günstige nichtlineare Kennfeldregler aufzufinden. Beispiele für solche Fuzzy-Baueinheiten sind Fuzzy-Regler zur Prozeßbe einflussung oder -beobachtung wie beispielsweise Diagnose oder Prognose. Der hier maßgebende Stand der Technik wird beispielsweise beschrieben in den Druckschriften [1] Kiendl, H. und Fritsch, M.: Grundideen von Fuzzy Control, Reihe "Theorie für An wender: Fuzzy Control", Automatisierungstechnik 41 (1993), S. A5-A8, [2] Kiendl., H.: Verfahren zur Defuzzifizierung für signalverarbeitende Fuzzy-Baueinheiten und Filtereinrichtungen hierfür, Patentschrift DE 44 16 465 C1 und [3] Kiendl, H.: Verfahren zur Erzeugung von Stellgrößen am Ausgang eines Fuzzy-Reglers und Fuzzy-Regler hierfür, Patentschrift DE 43 08 083 C1 sowie in den Druckschriften [4] DE 44 27 020 C1, [5] DE 44 39 225 A1, [6] EP 05 09 796 A2 und [7] WO 96 04 601 A1. Für die folgende Beschreibung werden Fuzzy-Regler zugrundegelegt. Die Ausführungen sind aber direkt auf die an deren genannten Fuzzy-Baueinheiten übertragbar.Conventional fuzzy units with real-valued output variables are used for this motion-based design of non-linear map elements. You can use existing Use qualitative experience in a targeted manner to create inexpensive non-linear map controllers to find. Examples of such fuzzy units are fuzzy controllers for process control influencing or monitoring such as diagnosis or prognosis. This here Relevant prior art is described for example in the publications [1] Kiendl, H. and Fritsch, M .: Basic ideas from Fuzzy Control, series "Theory for An wender: Fuzzy Control ", Automation Technology 41 (1993), pp. A5-A8, [2] Kiendl., H .: Defuzzification process for signal processing fuzzy units and filter devices for this, patent specification DE 44 16 465 C1 and [3] Kiendl, H .: Process for production of manipulated variables at the output of a fuzzy controller and fuzzy controllers for this, Patent specification DE 43 08 083 C1 and in the publications [4] DE 44 27 020 C1, [5] DE 44 39 225 A1, [6] EP 05 09 796 A2 and [7] WO 96 04 601 A1. For the following description fuzzy controllers are used. The explanations are directly related to the whose fuzzy units are transferable.
Zur Begründung der praktischen Nützlichkeit des erfindungsmäßigen Verfahrens wird zunächst herausgearbeitet, daß es Erfahrungswissen gibt, das sich mit bekannten Fuzzy- Reglern nicht adäquat verarbeiten läßt. Hierzu wird ein Temperaturregelungssystem mit einem PI-Regler betrachtet. Die Ausgangsgröße des PI-Reglers sei ν. Dem PI-Regler parallel geschaltet ist ein Fuzzy-Regler, der auf "zusätzliche Meßgrößen" reagiert und damit in bestimmten Situationen korrigierend eingreift. Seine Ausgangsgröße u wird zu νaddiert, so daß die Größe = ν + u auf die Regelstrecke einwirkt. Beispielsweise werde von der Regelung der Raumtemperatur ϑ in einem Haus mit Zentralheizung aus gegangen. Die Eingangsgröße der Regelstrecke ist die Stellung eines Mischventils, die bestimmt, wieviel des von der Zentralheizung bereiteten Heißwassers dem Warm wasserkreislauf zugemischt wird.To justify the practical utility of the inventive method first worked out that there is empirical knowledge that can be used with known fuzzy Controllers cannot be processed adequately. For this a temperature control system is included considered a PI controller. The output variable of the PI controller is ν. The PI controller a fuzzy controller is connected in parallel, which reacts to "additional measured variables" and so that it intervenes in certain situations. Its initial size u becomes ν added so that the quantity = ν + u acts on the controlled system. For example from the regulation of room temperature ϑ in a house with central heating went. The input variable of the controlled system is the position of a mixing valve, which determines how much of the hot water provided by the central heating system goes to the warm water circuit is added.
Für den Aufbau des Fuzzy-Reglers wird folgendes Erfahrungswissen herangezogen: Es
ist bekannt, daß der Wärmebedarf von der Anzahl der Personen, die sich in dem betref
fenden Raum aufhalten, und auch davon abhängig ist, wie windig es ist. Um das Bei
spiel extrem zu vereinfachen, werden für die Personenzahl p und die Windstärke w je
weils nur die beiden linguistischen Werte durchschnittlich (D) und ungewöhnlich groß
(u) verwendet. Für die Ausgangsgröße u des Fuzzy-Reglers werden die linguistischen
Werte negativ klein (NK), verschwindend (Y), positiv klein (PK), positiv mittel (PM) po
sitiv groß (PG) und positiv sehr groß (PSG) mit den Zugehörigkeitsfunktionen gemäß
Bild 1 vorgesehen. Bild 2 zeigt eine einleuchtende Regelbasis zur Bestimmung des
Ausgangsgrößenwertes u in Abhängigkeit von der Personenzahl p und der Windstärke
w. Daraus geht hervor, daß der Korrektureingriff u bei ungewöhnlich großer Windstärke
und durchschnittlicher Personenzahl den Wert positiv klein, bei ungewöhnlich großer
Personenzahl und durchschnittlicher Windstärke den Wert negativ klein und schließlich
bei ungewöhnlich großer Personenzahl und ungewöhnlich großer Windstärke den Wert
verschwindend haben sollte. Die Regelbasis nach Bild 2 besteht aus vollständigen Re
geln: Für jede mögliche Kombination von linguistischen Werten der beiden Eingangs
größen ist genau eine Regel vorgesehen. Eine derartige Regelbasis kann man aufstellen,
wenn nicht zu viele Eingangsgrößen mit nicht zu vielen linguistischen Werten vor
gesehen sind. Anderenfalls wird die Anzahl der Regeln schnell unvertretbar groß. In
diesen Fällen ist es zur Reduktion der Regelzahl günstiger, mit Regeln zu arbeiten, de
ren Prämissen nicht auf sämtliche Eingangsgrößen zugreifen. Beispielsweise kann man
die beiden nicht vollständigen Regeln
The following experience is used to construct the fuzzy controller: It is known that the heat requirement depends on the number of people who are in the room in question and also on how windy it is. To simplify the example extremely, only the two linguistic values average (D) and unusually large (u) are used for the number of people p and the wind force w. For the output variable u of the fuzzy controller, the linguistic values become negative small (NK), vanishing (Y), positive small (PK), positive medium (PM), positive large (PG) and positive very large (PSG) with the membership functions provided according to picture 1. Figure 2 shows an illuminating rule base for determining the output variable value u as a function of the number of people p and the wind force w. From this it follows that the correction intervention u should have a positive small value in the case of an unusually large number of people and an average number of people, the value should be negligibly small in the case of an unusually large number of people and an average number of people and finally the value should vanish in the case of an unusually large number of people and an average number of winds. The rule base according to Figure 2 consists of complete rules: Exactly one rule is provided for every possible combination of linguistic values of the two input variables. Such a rule base can be established if there are not too many input variables with not too many linguistic values. Otherwise the number of rules quickly becomes unacceptably large. In these cases, to reduce the number of rules, it is cheaper to work with rules whose premises do not access all input variables. For example, you can use the two incomplete rules
R1: WENN p = U DANN u = NK
R2: WENN w = U DANN u = PK
R 1 : IF p = U THEN u = NK
R 2 : IF w = U THEN u = PK
vorsehen und für u der Defaultwert u = 0 setzen, wenn keine der beiden Prämissen er
füllt ist. Mit dieser Regelbasis ergibt sich für die beiden Fälle ungewöhnlich große Per
sonenzahl, verbunden mit durchschnittlicher Windstärke und ungewöhnlich großer
Windstärke, verbunden mit durchschnittlicher Personenzahl dasselbe Verhalten wie mit
der Regelbasis nach Bild 2. Für den Fall ungewöhnlich großer Personenzahl, verbunden
mit ungewöhnlich großer Windstärke, liefert der Fuzzy-Regler die Zugehörigkeitsfunk
tion
provide and set the default value u = 0 for u if neither of the two premises is fulfilled. With this rule base, in the two cases there is an unusually large number of people, combined with average wind force and unusually large wind force, combined with average number of people, the same behavior as with the rule base according to Figure 2. In the case of unusually large number of people, combined with unusually large wind force, the fuzzy controller provides the membership function
µ(u) = (µ1 ∧ µNK(u)) ∨ (µ2 ∧ µPK(u)),
µ (u) = (µ 1 ∧ µ NK (u)) ∨ (µ 2 ∧ µ PK (u)),
wobei µ1 der Aktivierungsgrad der ersten und µ2 der Aktivierungsgrad der zweiten Re
gel ist und wobei µNK(u) und µPK(u) die Zugehörigkeitsfunktionen sind, die den lingu
istischen Wert NK bzw. PK modellieren (Bild 1). Der resultierende Ausgangsgrößen
wert uD hängt von der Wahl der Fuzzy-Operatoren und der Defuzzifizierungsstrategie
ab. Bei Anwendung herkömmlicher Defuzzifizierungsverfahren, wie sie in den Druck
schriften [1] und [2] beschrieben worden sind, gilt
where µ 1 is the degree of activation of the first and µ 2 is the degree of activation of the second rule, and where µ NK (u) and µ PK (u) are the membership functions that model the linguistic value NK and PK, respectively ( Figure 1). The resulting output value u D depends on the choice of fuzzy operators and the defuzzification strategy. When using conventional defuzzification methods, as described in the publications [1] and [2], applies
-1 ≦f uD ≦ 1
-1 ≦ fu D ≦ 1
in Übereinstimmung mit der Wirkung der in Bild 2 durch Schraffur hervorgehobenen
Regel
in accordance with the effect of the rule highlighted by hatching in Figure 2
R3: WENN (p = U) ∧ (w = U) DANN u = V.R 3 : IF (p = U) ∧ (w = U) THEN u = V.
Die gegensinnig wirkenden Regeln R1 und R2 erzielen also zusammen dieselbe Wirkung wie die Regel R3. Zur Veranschaulichung dieses Sachverhalts zeigt Bild 3 die ausgangs seitigen Zugehörigkeitsfunktionen µ(u) bzw. µ'(u), die sich bei voller Aktivierung der Regel R3 bzw. der beiden Regeln R1 und R2 (unabhängig von der Wahl der Akkumula tionsmethode) ergibt (links bzw. rechts). Mit den gebräuchlichen Defuzzifizierungsver fahren ergibt sich in beiden Fällen derselbe Ausgangsgrößenwert uD = 0.The oppositely acting rules R 1 and R 2 thus achieve the same effect as the rule R 3 . To illustrate this, Figure 3 shows the output-side membership functions µ (u) and µ '(u), which are activated when rule R 3 or the two rules R 1 and R 2 are fully activated (regardless of the choice of the accumulation method ) results (left or right). With the usual defuzzification methods, the same output variable value u D = 0 results in both cases.
Nunmehr wird dem Fuzzy-Regler neben der Windstärke w anstelle der Personenzahl p
die Außentemperatur a mit den linguistischen Werten durchschnittlich (D) und unge
wöhnlich niedrig (U) als Eingangsgröße zugeführt. Eine qualitativ einsichtige Regelba
sis aus vollständigen Regeln hierfür zeigt Bild 4. Verwendet man statt dessen die beiden
gleichsinnig wirkenden unvollständigen Regeln
In addition to the wind force w, instead of the number of people p, the fuzzy controller is now supplied with the outside temperature a with the linguistic values average (D) and unusually low (U) as the input variable. Figure 4 shows a qualitatively understandable rule base of complete rules for this. Instead, use the two incomplete rules that act in the same direction
R4: WENN a = U DANN u = PG
R5: WENN w = U DANN u = PK
R 4 : IF a = U THEN u = PG
R 5 : IF w = U THEN u = PK
mit der Vereinbarung, daß der Defaultwert u = 0 gesetzt werden soll, wenn die Prämis
se keiner Regel erfüllt ist. So erhält man für die eingangsseitigen Wertekombinationen
(D,D), (U,D) und (D,U) dieselben Ausgangsgrößenwerte wie mit der Regelbasis nach
Bild 4. Wenn die Außentemperatur ungewöhnlich niedrig ist und zusätzlich die Wind
stärke ungewöhnlich groß ist, liefert die in Bild 4 durch Schraffur hervorgehobene Re
gel
with the agreement that the default value u = 0 should be set if the premise is not met by any rule. For the combinations of values (D, D), (U, D) and (D, U) on the input side, the same output variable values are obtained as with the control base according to Fig. 4. If the outside temperature is unusually low and the wind force is also unusually large, it delivers the rule highlighted by hatching in Figure 4
R6: WENN (a = U) ∧ (w = U) DANN u = PSG
R 6 : IF (a = U) ∧ (w = U) THEN u = PSG
richtigerweise den linguistischen Ausgangsgrößenwert PSG. Dagegen ergibt in diesem Fall die gleichzeitige Aktivierung der beiden Regeln R4 und R5 keinen größeren, bei Verwendung der bekannten Defuzzifizierung nach der Schwerpunktmethode sogar ei nen kleineren Ausgangsgrößenwert, verglichen mit dem Fall, daß die Außentemperatur ungewöhnlich niedrig und die Windstärke durchschnittlich ist. Zur Veranschaulichung dieses Sachverhalts zeigt Bild 5 die ausgangsseitigen Zugehörigkeitsfunktionen µ(u), µ'(u) und µ''(u), die sich bei voller Aktivierung der Regel R6, der beiden Regeln R4 und R5 bzw. nur der Regel R4 ergeben (oben, Mitte bzw. unten). Mit den gebräuchlichen Defuzzifizierungsverfahren ergeben sich hieraus die stark voneinander verschiedenen Ausgangsgrößenwerte uD = 4, uD' = 2 und uD'' = 3. Offensichtlich werden die beiden Regeln R4 und R5 mit herkömmlichen Defuzzifizierungsverfahren nicht angemessen ver arbeitet.correctly the linguistic output quantity value PSG. On the other hand, in this case the simultaneous activation of the two rules R 4 and R 5 does not result in a larger, when using the known defuzzification according to the focus method even a smaller output value, compared to the case where the outside temperature is unusually low and the wind force is average. To illustrate this fact, Figure 5 shows the output-side membership functions µ (u), µ '(u) and µ''(u), which change when rule R 6 , the two rules R 4 and R 5 or only the one are fully activated Rule 4 results (top, middle or bottom). With the customary defuzzification methods, this results in the widely differing output variable values u D = 4, u D '= 2 and u D ''= 3. Obviously, the two rules R 4 and R 5 are not adequately processed with conventional defuzzification methods.
Die tiefere Ursache für diesen Mangel liegt darin, daß herkömmliche Defuzzifizierungs methoden translationsinvariant sind: Wenn uD das Ergebnis der Defuzzifizierung einer Zugehörigkeitsfunktion µ(u) ist, so ergibt sich bei Defuzzifizierung der Funktion µ(u - d), die durch Verschiebung von µ(u) um das Stück d entlang der u-Achse ent steht, der Ausgangsgrößenwert µD + d (Bild 6). Wenn man daher durch Defuzzifizie rung der in Bild 3 dargestellten Zugehörigkeitsfunktion µ'(u), wie erwünscht, einen Wert uD ∈ [-1,+1] erhält, so ist damit wegen der Translationsinvarianz festgelegt, daß die Defuzzifizierung der in Bild 5 gezeigten Zugehörigkeitsfunktion µ'(u) einen uner wünschten Wert uD ∈ [1,3] liefert.The deeper reason for this deficiency lies in the fact that conventional defuzzification methods are translation-invariant: If u D is the result of the defuzzification of a membership function µ (u), then when defuzzifying the function µ (u - d) results from shifting µ (u) around the piece d along the u-axis, the output value µ D + d ( Figure 6). If, as desired, a value u D ∈ [-1, + 1] is obtained by defuzzifying the membership function µ '(u) shown in Figure 3, then it is determined because of the translation invariance that the defuzzification of the Figure 5 shown membership function µ '(u) provides an undesired value u D ∈ [1,3].
Alle oben zitierten Druckschriften beschreiben Defuzzifizierungsverfahren, die transla tionsinvariant sind und damit den oben erläuterten Mangel aufweisen. So werden in der Druckschrift [1] die bekannten translationsinvarianten Standardverfahren (Schwer punktmethode, Maximummethode) beschrieben. Die Druckschrift [2] beschreibt eine verallgemeinerte translationsinvariante Defuzzifizierung, die die Standardmethoden, wie Schwerpunktmethode und Maximummethode, reproduziert und stufenlose Kom promisse dazwischen ermöglicht. Alle in Druckschrift [3] beschriebenen Varianten zur Hyperdefuzzifizierung basieren auf einer Auswertung der Form der Zugehörigkeits funktion und sind deshalb translationsinvariant. Die Druckschrift [4] beschreibt eine De fuzzifizierungsvorrichtung, die abhängig von Auswahlsignalen entweder eine Defuzzifi zierung nach dem Maximumverfahren oder dem Schwerpunktverfahren liefert und da mit ebenfalls translationsinvariant ist. Die Defuzzifizierung in Druckschrift [5] basiert auf einer Ermittlung des Flächenmittelpunktes der Fläche der Funktion, die unter dem Graphen der zu defuzzifizierenden Zugehörigkeitsfunktion liegt und deshalb translati onsinvariant ist. Die Defuzzifizierung der Druckschrift [6] realisiert die Defuzzifizie rung nach dem Schwerpunktverfahren auf spezielle Weise und liefert somit eine trans lationsinvariante Defuzzifizierung. Schließlich entspricht die Druckschrift [7] der Druckschrift [4] und liefert somit auch eine translationsinvariante Defuzzifizierung.All of the publications cited above describe defuzzification processes which transla are invariant and thus have the deficiency explained above. So in the Document [1] the known translation invariant standard procedures (difficult point method, maximum method). The document [2] describes one generalized translation invariant defuzzification using the standard methods, like center of gravity method and maximum method, reproduced and stepless com Promisse in between enables. All variants described in publication [3] Hyperdefuzzification is based on an evaluation of the form of membership function and are therefore translation-invariant. The publication [4] describes a De Fuzzification device which, depending on selection signals, either defuzzifi decoration according to the maximum procedure or the priority procedure and there with is also translation invariant. The defuzzification in publication [5] is based on a determination of the area center of the area of the function, which is under the Graph of the membership function to be defuzzified lies and therefore translati is invariant. Defuzzification of the document [6] realizes the defuzzification based on the priority procedure in a special way and thus provides a trans lation invariant defuzzification. Finally, the publication [7] corresponds to Publication [4] and thus also provides a translation-invariant defuzzification.
Aufgabe der Erfindung ist es, den oben beschriebenen Mangel abzustellen.The object of the invention is to remedy the defect described above.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1.The invention solves this problem by a method according to claim 1.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf dem Gedanken, dadurch Defuzzifizierungsverfahren mit den gewünschten
Eigenschaften zu schaffen, daß die Defuzzifizierungsvorschrift - im Gegensatz zu her
kömmlichen Vorschriften - so angesetzt wird, daß sie nicht translationsinvariant ist. Ei
ne Möglichkeit hierzu liefert die Vorschrift
The method according to the invention is based on the idea of creating defuzzification methods with the desired properties in such a way that the defuzzification specification - in contrast to conventional regulations - is set up in such a way that it is not translation-invariant. The regulation provides one possibility for this
zur Defuzzifizierung einer im Definitionsintervall [-umax,umax] erklärten zu defuzzifi
zierenden Zugehörigkeitsfunktion µ(u). Darin ist c ein Normierungsfaktor. Gilt - wie
meistens - µ(u) ≦ 1, so ist für c = 2 die Bedingung
for defuzzifying a membership function µ (u) to be defuzzified in the definition interval [-u max , u max ]. Here c is a normalization factor. If - as is usually the case - µ (u) ≦ 1, the condition for c = 2 applies
|uD| ≦ umax (2)
| u D | ≦ u max (2)
erfüllt. Bild 7 zeigt anhand einiger Beispiele, daß die obige Vorschrift nicht translations invariant ist und in dem gewünschten Sinne wirkt: Dargestellt und durch Schraffur kenntlich gemacht sind unterschiedliche ausgangsseitige Zugehörigkeitsfunktionen µ(u) und das Ergebnis uD ihrer Defuzzifizierung nach der obigen Vorschrift (mit umax = 1 und c = 2). Werden beispielsweise die beiden ausgangsseitigen Zugehörig keitsfunktionen, die zu dem Ausgangsgrößenwert uD = 0,75 bzw. 0,25 führen wie üb lich durch einen Fuzzy-ODER-Operator (beispielsweise durch den Maximumoperator) zur Akkumulation überlagert, entsteht die Zugehörigkeitsfunktion, deren Defuzzifizie rung den Ausgangsgrößenwert uD = 1 liefert. Dies bedeutet, daß die Handlungsvor schläge gleichsinnig wirkender Regeln ("gleichsinnige Empfehlungen") wie gewünscht einander verstärkend überlagert werden. Umgekehrt ist zu erkennen, daß die Hand lungsvorschläge gegensinnig wirkender Regeln ("gegensinnige Empfehlungen") - wie ebenfalls gewünscht - einander kompensierend überlagert werden.Fulfills. Using some examples, Figure 7 shows that the above rule is not translationally invariant and works in the desired sense: Different membership functions µ (u) and the result u D of their defuzzification according to the above rule (with u max = 1 and c = 2). If, for example, the two output-side membership functions that lead to the output variable value u D = 0.75 or 0.25 are superimposed as usual by a fuzzy OR operator (for example, the maximum operator) for accumulation, the membership function and its defuzzification are created the output quantity value u D = 1. This means that the proposals for action in the same direction ("recommendations in the same direction") are overlaid as desired to reinforce each other. Conversely, it can be seen that the proposed actions of opposing rules ("opposing recommendations") - as also desired - are superimposed to compensate.
Werden im Fuzzy-Regler als ausgangsseitige Zugehörigkeitsfunktionen Singletons ver
wendet, so wird derselbe Effekt durch die Vorschrift
If singletons are used as output functions in the fuzzy controller, the same effect is achieved by the regulation
erreicht. Dabei ist µK der Aktivierungsgrad der k-ten Regel, und uk gibt die Stelle an,
an der das ausgangsseitige, zu Regel Rk gehörige Singleton liegt. Ist die Beschränkungs
bedingung |uD| ≦ umax einzuhalten, so kann man das oben erhaltene Ergebnis uD in der
Form
reached. Μ K is the degree of activation of the kth rule, and u k indicates the point at which the singleton belonging to rule R k is located on the output side. If the restriction condition is | u D | ≦ u max , the result u D obtained in the form
modifizieren. Um zu verhindern, daß die Maximalwerte ± umax bereits durch wenige
Beiträge µkuk erreicht werden, kann man die obige Summation mit der auf einen Wert
umax + ε normierten Einstein-Summe
modify. To prevent the maximum values ± u max from being reached by just a few contributions µ k u k , the above summation can be done with the Einstein sum standardized to a value u max + ε
durchführen. Bild 8 zeigt für umax = 1, c = 1 und ε = 0,05 anhand einiger Beispiele, daß diese Vorschrift zur Defuzzifizierung nicht translationsinvariant ist und in dem ge wünschten Sinne wirkt: Gleichsinnige Empfehlungen werden einander verstärkend, ge gensätzliche einander kompensierend überlagert.carry out. Figure 8 shows for u max = 1, c = 1 and ε = 0.05 based on a few examples that this provision for defuzzification is not translation-invariant and works in the desired sense: like-minded recommendations are mutually reinforcing, opposing mutually compensating.
Die erfindungsgemäße Defuzzifizierung bietet ersichtlich Vorteile, wenn der Pro zeßexperte, der die Regeln formuliert, keine absolute Skala für die Ausgangsgrößenwer te im Sinn hat, sondern zum Ausdruck bringen will, daß unter bestimmten Bedingungen der gerade eingestellte Ausgangsgrößenwert zu vergrößern bzw. zu verkleinern ist. Die ser Fall kann insbesondere dann eintreten, wenn sich die Prämissen der Regeln auf un terschiedliche Eingangsgrößen beziehen. Dann erscheint es angemessener, gleichsinnige Empfehlungen gleichzeitig aktivierter Regeln einander verstärkend zu überlagern, statt sie nach Akkumulation herkömmlich zu defuzzifizieren.The defuzzification according to the invention clearly offers advantages if the Pro expert who formulated the rules, no absolute scale for the initial values te has in mind, but wants to express that under certain conditions the output value just set is to be increased or decreased. The This case can occur in particular if the premises of the rules refer to un obtain different input variables. Then it seems more appropriate, like-minded Recommendations of simultaneously activated rules are superimposed on one another instead defuzzify them conventionally after accumulation.
Im Einzelfall ist zu entscheiden, ob die Regeln herkömmlich oder im Sinne einer ver stärkenden Überlagerung gleichsinniger Empfehlungen gleichzeitig aktivierter Regeln zu verarbeiten sind. Zur Einschätzung des Stellenwertes der hier vorgeschlagenen De fuzzifizierung dient folgende Feststellung: Mit herkömmlichen Fuzzy-Reglern, in denen eine der üblichen in Druckschrift [1] beschriebenen Defuzzifizierungsmethoden vorge sehen ist, lassen sich im Prinzip beliebige nichtlineare Kennfeldregler erzeugen. Modi fizierte Reglerstrukturen mit neuartigen Methoden zur Inferenz oder zur Defuzzifizie rung können deshalb zu keinen Kennfeldern führen, die mit herkömmlichen Fuzzy- Reglern nicht erreicht werden können. Eine andere Frage ist allerdings, wie gut der je weilige Fuzzy-Regler sich dafür eignet, vorhandenes Erfahrungswissen zum zielgerich teten Auffinden günstiger Kennfelder zu nutzen. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Defuzzifizierung ist besser als herkömmliche Defuzzifizierungsverfahren dafür geeig net, Erfahrungswissen für die Kennfeldgenerierung zu nutzen, das sich auf relative Än derungen von Ausgangsgrößenwerten bezieht.In individual cases it has to be decided whether the rules are conventional or in the sense of a ver strengthening overlay of like-minded recommendations of simultaneously activated rules are to be processed. To assess the value of the De Fuzzification serves the following conclusion: With conventional fuzzy controllers in which one of the usual defuzzification methods described in publication [1] can be seen, in principle any non-linear map controller can be generated. Modes Defined controller structures with new methods for inference or defuzzification can therefore not lead to maps that can be compared with conventional fuzzy Controllers cannot be reached. Another question, however, is how good ever Fuzzy controller is suitable for making available experience knowledge to the target to find favorable maps. The inventive method for Defuzzification is better than traditional defuzzification methods net to use experience knowledge for the map generation, which is based on relative changes changes in output quantity values.
Zwischen den herkömmlichen und dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Defuzzifizie
rung lassen sich einstellbare Kompromisse schließen. Hierzu versieht man jede Regel
Rk mit einem Faktor λk mit der Bedeutung, daß die Regel für λk = 1 herkömmlich und
für λk = 0 in dem erfindungsgemäßen Sinne zu verarbeiten ist. Bei ausgangsseitigen
Singletons liefert die Vorschrift
Adjustable compromises can be made between the conventional and the defuzzification method according to the invention. For this purpose, each rule R k is provided with a factor λ k with the meaning that the rule for λ k = 1 is conventional and for λ k = 0 in the sense according to the invention. The regulation provides for singletons on the output side
in den Grenzfällen, daß alle λk den Wert 1 bzw. 0 haben, ein Defuzzifizierungsverfah ren, das der üblichen Schwerpunktmethode für Singletons bzw. der oben angegebenen erfindungsgemäßen Methode (3) für Singletons entspricht. Im Zwischenbereich 0 < λk < 1 erhält man Kompromisse zwischen diesen Methoden, wobei jeder der insge samt r Regeln Rk individuell nach Maßgabe ihres Faktors λk berücksichtigt wird.in the borderline cases that all λ k have the value 1 or 0, a defuzzification process which corresponds to the usual emphasis method for singletons or the above-mentioned method ( 3 ) according to the invention for singletons. In the intermediate range 0 <λ k <1 to compromise between these methods is obtained, each of the IMP EXP k individually λ r together with R rules in accordance with their factor k is considered.
Dabei kann es sinnvoll sein, die Werte λk so zu wählen, daß der Wert von λk um so kleiner ist, je allgemeiner die Prämisse der betreffenden Regel Rk ist.It may make sense to choose the values λ k such that the value of λ k is smaller, the more general the premise of the rule R k in question.
Auch für kontinuierliche ausgangsseitige Zugehörigkeitsfunktionen kann man über den Faktor λk stufenlose Übergänge zwischen der üblichen Defuzzifizierung nach der Schwerpunktmethode und dem erfindungsgemäßen Verfahren (1) schaffen.Even for continuous output-side membership functions, stepless transitions between the usual defuzzification according to the focus method and the method ( 1 ) according to the invention can be created using the factor λ k .
Die erfindungsgemäße Defuzzifizierung (1) läßt sich auch in das in der Druckschrift [2]
beschriebene Konzept des Inferenzfilters einbetten: Beispielsweise entsteht durch qua
dratische Filterung der Funktion
The defuzzification ( 1 ) according to the invention can also be embedded in the concept of the inference filter described in the publication [2]: for example, the function is filtered through quadratic filtering
die durch eine Maßstabstransformation aus einer kontinuierlichen Zugehörigkeitsfunk tion µ(u) hervorgeht, eine Funktion T(u). Ihr Maximum liegt an der Stelle uD, die sich durch Defuzzifizierung der ursprünglichen Funktion µ(u) nach der üblichen Schwerpunktmethode für kontinuierliche Zugehörigkeitsfunktionen ergibt (F ist die Fläche unter dem Funktionsgraphen von µ(u).). Daher repräsentiert T(u) die Attrak tivitätsfunktion, die der Defuzzifizierungsvorschrift (1) zugeordnet ist. Der Funktions wert dieser Attraktivitätsfunktion liefert für jeden potentiellen Ausgangsgrößenwert u den Grad, in dem er bei Zugrundelegung des erfindungsgemäßen Defuzzifi zierungskonzeptes als empfohlener Ausgangsgrößenwert gilt. Kommt der Wert uD, wo T(u) das Maximum annimmt, nicht als Ausgangsgrößenwert in Frage (beispielsweise weil negative Regeln in einer zweisträngigen Fuzzy-Reglerstruktur, wie sie in der Druckschrift [3] beschrieben wird, gewisse Wertebereiche für die Ausgangsgröße ver bieten), dann liefert der Verlauf von T(u) eine Information darüber, welcher andere Ausgangsgrößenwert eine bestmögliche Alternative darstellt.which arises from a continuous membership function µ (u) by a scale transformation, a function T (u). Their maximum lies at the point u D , which results from defuzzification of the original function µ (u) according to the usual focus method for continuous membership functions (F is the area under the function graph of µ (u).). T (u) therefore represents the attractiveness function which is associated with the defuzzification rule (1). The functional value of this attractiveness function delivers for each potential output quantity value u the degree in which it is considered as a recommended output quantity value on the basis of the defuzzification concept according to the invention. If the value u D , where T (u) assumes the maximum, is not an output variable value (for example because negative rules in a two-strand fuzzy controller structure, as described in the publication [3], prohibit certain value ranges for the output variable ), then the course of T (u) provides information about which other output value represents the best possible alternative.
Die technische Realisierung der erfindungsgemäßen Verfahren zur Defuzzifizierung ge
staltet sich mit den in dieser Beschreibung angegebenen Vorschriften (1) und (2) sehr
einfach, da diese den üblichen Vorschriften
The technical implementation of the defuzzification method according to the invention is very simple with the regulations (1) and (2) given in this description, since these are the usual regulations
zur Defuzzifizierung von kontinuierlichen Zugehörigkeitsfunktionen bzw. von Zugehö rigkeitsfunktionen in Form von Singletons nach der Schwerpunktmethode bis auf den fehlenden Nenner entsprechen. Man kann daher existierende Fuzzy-Baueinheiten leicht so umrüsten, daß sie die Defuzzifizierung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durchführen.for defuzzification of continuous membership functions or of membership Functionality in the form of singletons using the focus method except for the correspond to the missing denominator. Existing fuzzy units can therefore be easily built retrofit so that they defuzzify according to the inventive method carry out.
Die hier angegebenen Formeln sind nun speziell Ausgestaltungen des erfindungsgemä ßen Verfahrens. Grundidee des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß durch bewußten Verzicht auf die herkömmliche Translationsinvarianz die gewünschte verstär kende Überlagerung gleichsinniger Empfehlungen und die kompensierende Überlage rung gegensinniger Empfehlungen erreicht werden kann. Diese Art der Verarbeitung der Regeln ist nicht nur für die Anwendung von Fuzzy-Baueinheiten zum Zwecke der Re gelung von Interesse, sondern gleichermaßen auch für die Datenanalyse, Ereigniserken nung, Prognose, Bildverarbeitung und zur Prozeßüberwachung. Der erwünschte Effekt, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielt wird, soll hier auch am Beispiel der Gütebewertung von Prozessen noch einmal verdeutlicht werden: Wenn mehrere positive also gleichsinnige Teilbewertungen eines Prozesses zu verzeichnen sind, kann eine ver stärkende Überlagerung dieser Teilbewertungen zu einer insgesamt sehr positiven Ge samtbewertung wünschenswert sein. Andererseits ist es wünschenswert, daß sich gegen sinnige Bewertungen kompensieren.The formulas given here are now special configurations of the invention process. The basic idea of the method according to the invention is that deliberately avoiding conventional translational invariance reinforce the desired overlapping recommendations and the compensating overlay opposite recommendations can be achieved. This way of processing the Rules are not only for the use of fuzzy units for the purpose of re of interest, but also for data analysis, event detection planning, forecasting, image processing and for process monitoring. The desired effect that is achieved with the method according to the invention is also intended here using the example of Process quality assessment can be clarified again: If there are several positive ones So partial evaluations of the same process can be recorded, a ver strengthening overlay of these partial evaluations to an overall very positive Ge overall evaluation would be desirable. On the other hand, it is desirable that compensate for sensible reviews.
Für die Beschreibung wurde der Einfachheit halber der Ausgangsgrößenwert u0 = 0 als "neutraler Wert" gewählt, der festlegt, ob Ausgangsgrößenwerte als gleichsinnig oder als gegensinnig anzusehen sind. Es ist klar, daß im konkreten Anwendungsfall der neu trale Ausgangsgrößenwert von Null verschieden sein kann, dieser Fall aber durch eine Transformation der Ausgangsgröße auf den Fall zurückgeführt werden kann, daß u0 = 0 der neutrale Wert ist.For the sake of simplicity, the output variable value u 0 = 0 was chosen as the "neutral value", which determines whether output variable values are to be regarded as the same or the opposite. It is clear that in the specific application the neutral output variable value can be different from zero, but this case can be traced back by transforming the output variable to the case that u 0 = 0 is the neutral value.
Claims (8)
gebildet wird, wobei c ein wählbarer Normierungsfaktor ist.2. The method according to claim 1 for the defuzzification of a defined in the interval [-u max , u max ] continuous membership functions µ (u), characterized in that the output variable value by the regulation
is formed, where c is a selectable normalization factor.
festgelegt wird, wobei c ein wählbarer Normierungsfaktor und r die Anzahl der Re geln ist und wobei µk den Aktivierungsgrad der k-ten Regel Rk ist und uk die Stelle angibt, an der das ausgangsseitige, zu Regel Rk gehörige Singleton liegt.5. The method according to claim 1 for defuzzifying membership functions µ (u) in the form of singletons, characterized in that the output values value u D by the regulation
is defined, where c is a selectable standardization factor and r is the number of rules and where µ k is the degree of activation of the kth rule R k and u k indicates the point at which the singleton belonging to rule R k is located on the output side.
verwendet wird, worin ε ein wählbarer Parameter ist.6. The method according to claim 5, characterized in that the Einstein sum for the summation
is used, where ε is a selectable parameter.
gegeben ist.7. The method according to one or more of claims 1 to 2 or 4 to 6, characterized in that the fuzzy unit is followed by a limiting element, the output variable value by
given is.
bestimmt wird.8. The method according to one or more of claims 5 to 7, characterized in that each rule R k is provided with a selectable factor λ k and the output variable value according to the regulation
is determined.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19640635A DE19640635C2 (en) | 1996-10-02 | 1996-10-02 | Defuzzification procedure for signal processing fuzzy units |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19640635A DE19640635C2 (en) | 1996-10-02 | 1996-10-02 | Defuzzification procedure for signal processing fuzzy units |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19640635A1 DE19640635A1 (en) | 1998-04-16 |
DE19640635C2 true DE19640635C2 (en) | 1999-02-11 |
Family
ID=7807666
Family Applications (1)
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DE19640635A Expired - Lifetime DE19640635C2 (en) | 1996-10-02 | 1996-10-02 | Defuzzification procedure for signal processing fuzzy units |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19640635C2 (en) |
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE19640635A1 (en) | 1998-04-16 |
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