DE19752358A1

DE19752358A1 - Fuzzy-System

Info

Publication number: DE19752358A1
Application number: DE1997152358
Authority: DE
Inventors: Erwin Dr Gerstorfer; Herbert Dr Furumoto
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-11-26
Filing date: 1997-11-26
Publication date: 1999-05-27

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Fuzzy-System für Steuer einrichtungen, insbesondere für die Steuereinrichtung eines kontinuierlich arbeitenden Kochers zur Herstellung von Zell stoff, mit einem regelbasierten Fuzzy-Regler mit zugehörigem Eingaberaum.

Bei der Generierung eines Fuzzy-Systems ist die Erstellung der Regelbasis bzw. der Regelbasen oftmals der aufwendigste Teil. Dies gilt insbesonders, wenn die darin vorkommenden Regeln zum Teil oder zur Gänze aus Befragungen des Anlagen personals herrühren. Bei komplexen Regelbasen kann die Zahl der Regeln schnell die Grenze der menschlichen Überschaubar keit überschreiten. Daher ist es vorteilhaft, die Zahl der aufzustellenden Regeln zu begrenzen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Fuzzy-System zu schaffen, bei dem sich die Zahl der Regeln im Eingaberaum praxisgerecht begrenzen läßt.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Fuzzy-System der eingangs genannten Art durch eine mehrfache Parallelschaltung von Fuzzy-Reglern innerhalb des Eingaberaums gelöst. Insbe sondere zur Verwendung bei einer Steuereinrichtung eines kontinuierlich arbeitenden Kochers kann zur Regelung der Kochertemperatur die Unterteilung des Eingaberaumes vorzugs weise in drei Eingaberäume erfolgen. Für diesen Zweck hat sich eine Unterteilung des Eingaberaumes in 100% für einen äußeren Regler sowie 50% und 20% für mehrere Regler mit entsprechenden Arbeitsbereichen als geeignet erwiesen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungs beispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit weiteren Unteransprüchen. Es zeigen in jeweils schematischer Dar stellung

Fig. 1 die geschachtelte Unterteilung des Eingaberaumes eines Fuzzy-Systems am Beispiel von zwei Dimensionen und

Fig. 2 die konkret für einen Fuzzy-Regler eines kontinuierlich arbeitenden Zellstoffkochers vorgenommene Unterteilung des Eingaberaumes in 100%, 50% und 20%.

Vom Stand der Technik hinlänglich bekannte Fuzzy-Systeme bestehen aus aufeinanderfolgenden Einheiten zur Fuzzyfizie rung, zur Inferenz und zur Defuzzyfizierung. In die Einheit zur Fuzzyfizierung werden Meßgrößen eingegeben und von der Einheit zur Defuzzyfizierung beispielsweise Stellgrößen aus gegeben. Zur Verwendung als Regler wird das Erfahrungswissen eingebracht, das über Regeln eingegeben wird. Dafür müssen für den jeweiligen Anwendungsfall geeignete Zugehörigkeits funktionen definiert werden.

Bei der Analyse von Fuzzy-Systemen insbesondere in der Zell stoff- und Papierindustrie hat sich gezeigt, daß die jeweils größten Abweichungen der Eingangsgrößen vom Arbeitspunkt hauptverantwortlich für den Wert der Ausgabegröße sind. Dadurch ist es ohne große Verminderung der Genauigkeit der Ausgabegröße möglich den Eingaberaum um das Zentrum in unter schiedliche Arbeitsräume zu unterteilen. Diese Unterteilung erfolgt, wie in Fig. 1 beispielhaft für zwei Eingabegrößen dargestellt, in Form geschachtelter Arbeitsräume. Dabei sollte die Unterteilung so durchgeführt werden, daß eine Unterscheidung zwischen großen, die Ausgabegröße entscheidend beeinflussenden Abweichungen einzelner Eingangsgrößen vom Arbeitspunkt und sich weniger auswirkende kleine Abweichungen leicht möglich ist.

In Fig. 1 ist prinzipiell dargestellt, daß der Eingaberaum eines Fuzzysystems beispielsweise für die Dimensionen e1 und e2 geschachtelt aufgebaut sein kann. Es ergeben sich hier vier Bereiche 1 bis 4 mit unterschiedlichen Regeln zur Eingabe in das Fuzzy-System.

Es wurde gezeigt, daß ein derartiges Fuzzy-System mit einem geeignet aufgebauten Regler zum Betrieb der Steuereinrichtung eines kontinuierlich arbeitenden Zellstoffkochers eingesetzt werden kann. Dabei wird mit wenigstens einem Fuzzy-Regler die Kochertemperatur geregelt.

Für die Kochertemperatur kann vorteilhafterweise die Unter teilung des Eingaberaumes in drei Arbeitsräume erfolgen. Zuerst werden die maximal im Betrieb des Kochers vorkommenden Abweichungen der Eingabegrößen vom Mittelwert ermittelt.

Daraus ergeben sich die Grenzen des äußeren, um den Arbeits punkt liegenden ersten Reglers. Sollte eine oder mehrere Eingabegrößen wider Erwarten diese Grenzen überschreiten, dann werden sie auf diese Maximalwerte begrenzt. Für den zweiten Regler werden die Grenzen bei 50% und für den dritten, inneren Regler bei 20% des äußeren, ersten Reglers festgesetzt.

Fig. 2 zeigt diese Unterteilung für zwei der vier Eingabe dimensionen, wobei 11 den Bereich mit 100%, 12 den Bereich mit 50% und 13 den Bereich mit 20% darstellt.

Zur Ermittlung des Wertes der Ausgabegröße werden zuerst die jeweiligen Eingabegrößen untersucht. Liegen alle Eingangs werte innerhalb des innersten Fuzzy-Reglers, dann wird nur dieser Regler benutzt. Liegt mindestens ein Eingabewert außerhalb der maximalen Grenzen dann wird ausschließlich der äußere Fuzzy-Regler benutzt. Ansonsten wird für die Berech nung der Ausgabegröße jeweils zwischen dem Fuzzy-Regler innerhalb dessen Grenzen der größte Eingabewert liegt und dem nächstkleineren Fuzzy-Regler interpoliert.

Für die Regelung der Kochtemperatur hat sich gezeigt, daß eine lineare Interpolation zwischen den parallel geschalteten Fuzzy-Reglern vorteilhaft eingesetzt werden kann.

Für weitere Einsatzmöglichkeiten ist aber auch jede andere, algorithmisch beschreibbare Interpolationsmethode möglich.

Diese ist im wesentlichen vom Verhalten der Ausgabegröße zwischen den jeweilig benachbarten Fuzzy-Reglern abhängig.

Die maximale Abweichung (prozentual gerechnet) entscheidet, welche Regler aktiv werden. Zwischen den Reglern wird dann interpoliert und zwar proportional zur größten Abweichung.

Claims

1. Fuzzy-System für Steuereinrichtungen, insbesondere für die Steuereinrichtung eines kontinuierlich arbeitenden Kochers zur Herstellung von Zellstoff, mit einem Eingaberaum für einen regelbasiert arbeitenden Fuzzy-Regler mit zugehörigem Eingaberaum, gekennzeichnet durch einen mehrfach parallelgeschalteten Fuzzy-Regler.

2. Fuzzy-System nach Anspruch l, dadurch ge kennzeichnet, daß der Eingaberaum (1-4, 11-13) für den Fuzzy-Regler in allen seinen Dimensionen durch Schachtelung unterteilt ist.

3. Fuzzy-System nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß zur Verwendung bei einem Temperaturregler für die Zellstoffkochung eine dreifache Unterteilung des Eingaberaums (11, 12, 13) in zwei Dimen sionen (e1, e2) vorhanden ist.

4. Fuzzy-System nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß der Eingaberaum (11, 12, 13) in 100% für einen äußeren Regler sowie 50% und 20% für innere Regler unterteilt ist.

5. Fuzzy-System nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß aufgrund der Abweichungen im Eingaberaum (11, 12, 13) entschieden wird, welcher Fuzzy- Regler eingesetzt wird.

6. Fuzzy-System nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für den Fall, daß alle Abweichungen im 20%-Bereich liegen, nur der innerste Regler benutzt wird.

7. Fuzzy-System nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für den Fall, daß mindestens eine Abweichung außerhalb des 100%-Bereiches liegt, nur der äußere Regler benutzt wird.

8. Fuzzy-System nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß für die Berechnung von Ausgabegrößen jeweils zwischen dem Fuzzy-Regler, innerhalb dessen Grenzen der größte Eingabewert liegt, und demjenigen Fuzzy-Regler, der den nächstkleineren Eingaberaum hat, inter poliert wird.