DE4212575A1

DE4212575A1 - Arbeitsmaschine mit der einstellung und optimierung des arbeitsergebnisses dienenden eingabestationen

Info

Publication number: DE4212575A1
Application number: DE4212575A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Bayerlein; Otmar Dipl Ing Baumeister; Michael Wimmer
Original assignee: INTECH PEV INFORMATIONSTECHNIS
Current assignee: INTECH PEV INFORMATIONSTECHNIS
Priority date: 1991-04-20
Filing date: 1992-04-15
Publication date: 1992-10-22

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Arbeitsmaschine mit der Einstellung und Optimierung des Arbeitser gebnisses dienenden Eingabestationen, die auf Stellglieder einwirken.

Zur Optimierung des Arbeitsergebnisses weisen Ar beitsmaschinen grundsätzlich Regel- und Steuerein richtungen auf, mit deren Hilfe während des Ar beitsvorganges eine optimale und an die jeweiligen Gegebenheiten angepaßte Einstellung der Maschine vornehmbar wird. In vielen und hier vornehmlich in teressierenden Fällen wird das Arbeitsergebnis nicht einer exakten und quantitativen Messung un terzogen und daraus der optimale einzugebende Wert abgeleitet, sondern es liegen subjektive, relativ ungenaue Beurteilungen durch eine Bedienungsperson vor, aus denen der Eingabewert auf intuitive und auf allgemeine Erfahrungen begründete Wege herge leitet wird. Hierzu zählen insbesondere auch jene Arbeitsprozesse, bei denen eine prinzipielle Fest stellbarkeit eines exakten Wertes grundsätzlich un möglich ist. Zu letzterem zählen die Intensität der einzelnen Farbkomponenten bei Druckmaschinen, Art und Intensität einzelner Gerüche, der Geschmack von Lebensmitteln sowie die durch Befühlen und Betasten von Oberflächen ermittelten Resultate.

Aufgrund der Tatsache, daß das menschliche Urteils vermögen zur quantitativen Erfassung nicht in der Lage ist, sondern durch vergleichsweise unscharfe Begriffe die Zustandsbeschreibung vornehmen kann, ist die präzise Angabe eines Eingabewertes grund sätzlich nicht möglich. Statt dessen wird versucht, aus der ungenauen Beurteilung einen Wert abzuschät zen, der dann präzise eingegeben und durch das wei tere Beobachten des Arbeitsergebnisses die neuen Korrekturwerte ermittelt werden.

Hiervon ausgehend hat sich die Erfindung die Schaf fung einer Steuerung zur Aufgabe gemacht, in den unscharfe Informationen eingegeben und bearbeitet werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Eingabestation auf unscharfe Werte ein stellbar ist, dem unscharfen Wert A_i eine Werte menge zuordnet, der eingegebene Wert mit Hilfe ei ner unscharfen-Logik-Schaltung (Fuzzy-Logik) wei terverarbeitet und hieraus ein unscharfes Ausgangs signal hergeleitet wird und aus dem eine defi nierte, d. h. scharfe Stellgröße hergeleitet wird (Defuzzifizierung).

Einer der Kerngedanken vorliegender Erfindung be steht in der Schaffung der Möglichkeit der Eingabe unscharfer Beurteilungsgrößen, d. h. unscharfer Ausgangsvariable. Es erfolgt eine Abkehrung von der klassischen Steuerung, bei der die Eingabe eines präzisen Wertes eines Prozeßparameters zugrundege legt wird.

Ein unscharfer Eingabewert kommt dem menschlichen Denken und Beobachten entgegen. So ist eine Bedie nungsperson ohne weiteres in der Lage, derartige unscharfe Aussagen zu treffen, d. h. im konkreten Fall der Beurteilung der Geschwindigkeit festzu stellen, daß die Geschwindigkeit in bezug auf einen Sollwert "wesentlich zu hoch", "etwas schneller", "etwa gleich schnell", "etwas langsamer", "wesentlich langsamer", ist. Im Falle einer Druckma schine beurteilt die Bedienungsperson anhand des mehrfarbigen Druckergebnisses, ob die Intensität einer bestimmten Farbe optimal eingestellt ist. Das Ergebnis der Beurteilung lautet, anhand der Farbe rot verdeutlicht, beispielsweise "wesentlich zu viel Rot", "geringfügig zu viel Rot", "etwa opti male Einstellung", "wenig Rot", "wesentlich zu we nig Rot". Andere unscharfe Eingabewerte können die Saugfähigkeit des verwendeten Papiers betreffen (hohe Saugfähigkeit erfordert mehr Farbe - geringe Saugfähigkeit des Papiers hingegen weniger Farbe). Die Erfindung erlaubt, unscharfe Werte A_i einzuge ben. Der Index i gibt die jeweilige Eingabestation an.

Die Verarbeitung dieser Werte erfolgt durch eine unscharfe Logik-Schaltung (Fuzzy-Logik), die ausge hend von als Eingangsinformation dienenden un scharfen Werten eine Verarbeitung vornimmt und hieraus eine ebenfalls wieder unscharfe Ausgangsin formation herleitet. Die Prinzipien der Verarbei tung unscharfer Werte erfolgt nach den aus der Ma thematik bekannten Grundsätzen der Fuzzy-Logik. Hierzu wird zunächst den als Eingangsinformation eingegebenen unscharfen Werten eine unscharfe Menge zugeordnet, die im folgenden durch ein System von Regeln den Eingangsinformationen eine ebenfalls un scharfe Ausgangsinformation zuordnen. Dieses System von Regeln beinhaltet und stellt dar die relevanten Prozeßsteuerinformationen. Gewonnen wird dieses Re gelsystem aus Expertenwissen, um nach dem Implemen tieren der Erfindung bedienerunabhängig und für je dermann anwendbar eingesetzt und benutzt werden zu können. Nach erfolgter Verarbeitung erhält man als Resultat unscharfe Ausgangssignale, die einer un scharfen Wertemenge entsprechen.

Zur Beeinflussung und Einwirkung auf die Stellglie der bedarf es einer physikalisch klar definierten Stellgröße. Erforderlich ist deshalb das unscharfe Ausgangssignal der Logik-Schaltung, dem eine un scharfe Wertemenge entspricht, als Grundlage zur Herleitung einer definierten Stellgröße zu nutzen. Das unscharfe Ausgangssignal wird in eine defi nierte Stellgröße, die durch die unscharfe Werte menge bestimmt ist, umgewandelt (Defuzzifizierung).

Im Ergebnis erhält man einen Steuerkreis, dem ein gangsseitig unscharfe Werte eingegeben werden, aus denen man die ausgangsseitig erhaltenen und auf die Stellglieder einwirkenden Stellgrößen von definier tem Wert gewinnt.

Die mit der Erfindung erreichbaren Vorteile sind vielfältig:
Als erstes ist zu erwähnen, daß die Möglichkeit der Eingaben unscharfer Werte dem menschlichen Denken, das in vagen Begriffen verläuft, entgegenkommt und hierdurch die Bedienung derartiger Arbeitsmaschinen erleichtert. Gegenüber den klassischen Methoden er hält man ein Reglerverhalten, welches kontinuierli cher und sanfter ist. Die Möglichkeit der Eingabe unscharfer Werte erlaubt erstmalig Probleme zu er fassen und zu lösen, für die grundsätzlich keine quantitativen Messungen möglich sind, und die sich deshalb bislang einer mathematischen Behandlung entzogen. Die Verarbeitung unscharfer Signale in unscharfen Logik-Schaltungen ermöglicht im Ver gleich zu präziseren und komplizierteren Modellen innerhalb kürzester Zeit zu Resultaten zu gelangen, so daß sich deren Einsatz bei Echtzeitanforderungen geradezu anbietet. Die Verwendung ist möglich bei der Bedienung durch Personen, die entsprechend Ar beitsanweisungen linguistische Variablen eingeben. Andererseits kann der erfindungsgemäße Gedanke auch Einsatz und Verwendung finden bei Detektoren mit sehr ungenauen und unscharfen Meßwerten, die dann als Eingangssignal für den Steuerkreis Nutzen fin den. Die Möglichkeit der Eingabestation unscharfer Werte und Daten ermöglicht auch unerfahrenem Perso nal ohne maschinenspezifisches Detailwissen die Ar beitsmaschine zu bedienen und dennoch das in den Regeln implementierte Expertenwissen vermittels der unscharfen Logik-Schaltung zu verwenden, zu nutzen und einzusetzen. Die Bedienung und Einstellung der zu steuernden Maschinen wird wesentlich vereinfacht und erfordert nicht mehr hochqualifiziertes und ausgeprägt erfahrenes Personal. Die Verarbeitung der Eingabedaten nach den Gesetzen der Fuzzy-Logik erlaubt auch die Verwendung großer und insbesondere kontinuierlicher Datenmengen. Es können sehr große Mengen an eingegebenen Daten verarbeitet werden, die nicht explizit aufgeführt, d. h. eingegeben zu werden brauchen. Auch bei unvollständigem Regelsy stem ist eine Verarbeitung unscharfer Daten nach den Gesetzen der Fuzzy-Logik brauchbar, da ein ho hes Maß an Fehlertoleranz vorliegt.

Aus psychologischen Untersuchungen ist bekannt, daß der Mensch in der Lage ist, ungefähr fünf Abstufun gen einer Eigenschaft zu unterscheiden, also zum Beispiel "sehr hoch", "hoch", "mittel", "niedrig", "sehr niedrig". Aus diesem Grunde wird als zweckmä ßig angesehen, wenn die einzugebenden un scharfen/linguistischen Variablen Eingabestations eitig fünf bis sieben Einstellungen aufweisen. Eine größere Anzahl an Einstellungen (im allgemeinsten Fall handelt es sich um ein kontinuierliches Werte spektrum), ist für eine Bedienungsperson nicht mehr beherrschbar. In diesem Zusammenhang darf nicht un erwähnt bleiben, daß dieses "unpräzise" Urteilsver mögen des Menschen auch von Vorteil ist, da es ihm erlaubt, in Situationen unvollständiger oder wider sprüchlicher Informationen Entscheidungen zu tref fen. Das Vermögen zur Abstraktion erlaubt, Wichti ges von Unwichtigem zu trennen und komplexe Pro bleme zu vereinfachen und hierdurch zu lösen.

Die Gewinnung der aufgrund der Notwendigkeit der Einwirkung auf ein Stellglied einen definierten Wert aufweisenden Stellgröße aus der durch das Aus gangssignal zur Verfügung gestellten unscharfen Wertemengen kann auf unterschiedliche Arten erfol gen. Bevorzugt ist, den definierten Wert durch Mit telwert- oder Schwerpunktbildung aus der unscharfen Wertemenge des Ausgangssignals herzuleiten.

Die Verarbeitung in der unscharfen Logik-Schaltung ordnet zunächst dem unscharfen Eingabewert eine ebenfalls unscharfe Wertemenge zu. Anschließend werden über ein System von Regeln, in denen die Prozeßsteuerinformationen erfaßt sind, von der Art IF u=A_k THEN v=B_k, k=1,.......n, und unter Benutzung der aus dem eingegebenen un scharfen Wert A_i hergeleiteten Wertemenge das Aus gangssignal B_i herleitet.

Anhand eines konkreten Beispieles sollte die Verar beitung des Signales bzw. der Aufbau der Fuzzy-Lo gik-Schaltung erläutert werden. Wir betrachten bei spielhaft die Eingabestation i, durch die die Do sierung der roten Farbkomponente an einer Druckma schine erfolgen soll. Dabei gibt der Index i die Zahl der Eingabestationen an. Nun wird durch die Bedienungsperson eingegeben, daß von der Farbe Rot etwas zuwenig beigegeben ist, die Eingabestation i, die die Farbe Rot bestimmt, wird eingestellt auf "etwas zu wenig". Im ersten Schritt wird diesem un scharfen Eingabewert eine Wertemenge auf folgende Art und Weise zugeordnet:
Es liegt ein System diskreter Werte Ak, wobei bei spielsweise k=5 ist und folgendes besagt:

A₁=sehr wenig
A₂=wenig
A₃=neutral
A₄=viel
A₅=sehr viel

Jedem dieser A_k-Werte wird ein entsprechend dem un scharfen eingegebenen Wert A_i bestimmter Gewichts faktor zugeordnet, so daß im Ergebnis ein aus k- Komponenten bestehender Vektor erhalten wird. So wird man bei der Angabe "etwas zu wenig" für A₂ "wenig" und A₃ "neutral" einen vergleichsweise großen Gewichtsfaktor, bei A₁ ("sehr wenig") und A₄ ("viel") einen demgegenüber niedrigeren Gewichts faktor und bei A₅ ("sehr viel") einen minimalen Ge wichtsfaktor erhalten.

Im nächsten Schritt werden die diskreten Werte A_k dem das eingegebene Expertenwissen beinhaltenden Regelsystem unterworfen, was die Werte B_k ergibt. Anschließend werden die einzelnen Komponenten B_k mit Hilfe des durch die Gewichtsfaktoren gebildeten Vektors zum unscharfen Ausgangswert B_i zusammenge faßt, der eine unscharfe Menge darstellt. Erst durch die anschließende Defuzzifizierung erhält man eine definierte Stellgröße, die im konkreten Fall die Veränderung der Öffnungsweite und damit die Do sierung der roten Farbe bestimmt. Für das Verständ nis der Arbeitsweise der angegebenen unscharfen Lo gik-Schaltung sind die unterschiedlichen begriffli chen Bedeutungen der Indizes i, k entscheidend. Grundsätzlich gilt, daß auch bei scharfen Eingabe werten eine unscharfe Wertemenge zuordenbar ist, die in der soeben beschriebenen Weise weiterverar beitet werden kann.

Schließlich ist noch von entscheidendem Vorteil, wenn die unscharfe Logik-Schaltung die Fähigkeit zum Selbstlernen besitzt. Zu diesem Zweck wird der einmal eingegebene unscharfe Wert A_i gespeichert. Anschließend wird hieraus eine Stellgröße ermit telt, die auf die Steuerstrecke einwirkt. Wenn das gewünschte Resultat noch nicht vorliegt, wird durch die Bedienungsperson erneut ein, und zwar der chro nologisch nächste unscharfe Wert A_i eingegeben, der nunmehr mit dem vorhergehenden und bereits gespei chertem verglichen wird. Hieraus läßt sich ableiten und erkennen, wie die ursprüngliche optimale Ein stellung hätte beschaffen sein müssen. Diese Infor mation wird dazu benutzt, die Regeln anzupassen und folglich zu verbessern. Das Ergebnis ist ein Selbstlernprozeß der unscharfen Logik-Schaltung.

Die bisherigen Ausführungen hatten Steuerungen von Arbeitsmaschinen zum Gegenstand, d. h. durch die Bedienperson werden unscharfe Werte eingegeben. In einer Weiterbildung wird ausdrücklich darauf hinge wiesen, daß die Eingabestation nicht durch eine Be dienungsperson auf manuellem Wege erfolgen muß, sondern daß die (unscharfen) angenommenen Eingabe werte durch einen Detektor erfaßt und eingespeist werden. Man erhält einen in sich geschlossenen Re gelkreis. Die Verwendung eines Detektors setzt die grundsätzliche Möglichkeit der Erfassung entspre chender Prozeßdaten voraus. Das Ergebnis ist eine direkte und automatische Kopplung, ohne daß es zum Dialog Mensch - Maschine kommen muß. Hierzu können Detektoren Verwendung finden, die Signale großer Halbwertsbreite und mit ausgeprägtem Rauschunter grund liefern. Der Verwendung einer unscharfen Lo gik-Schaltung steht nicht entgegen, daß eingangs seitig präzise, d. h. scharfe Daten eingegeben wer den, wobei dann ausgangsseitig ebenfalls scharfe, d. h. diskrete Ausgangssignale sofort geliefert werden.

Grundsätzlich ist die Erfindung für alle Arbeitsma schinen einsetz- und verwendbar, und zwar insbeson dere jenen, die häufig eine Änderung ihrer Einstel lung bedürfen. Es ist ausdrücklich darauf hinzuwei sen und läßt sich auch anhand der geschilderten Beispiele entnehmen, daß die erfindungsgemäßen Ge danken insbesondere auch auf die Bedienung und Ein stellung von Druckmaschinen Verwendung finden kön nen, bei denen die Stellgröße die Dosierung der einzelnen Farbkomponenten bewirkt. Dieses Beispiel zeigt exemplarisch ein Gebiet der Technik, in dem die Beurteilung des Arbeitsergebnisses durch den Menschen nach wie vor unabdingbar ist und bei dem sich des weiteren die Bedeutung von geschultem und erfahrenem Bedienungspersonal zeigt, da die Verlu ste bedeutenden Standzeiten der Druckmaschine zwi schen den einzelnen Druckvorgängen in entscheiden dem Maße von der Geschwindigkeit und Schnelligkeit der Einstellung auf die neuen Vorlagen abhängen. Die Erfindung erlaubt das Implementieren von Exper tenwissen in die Logik-Schaltung, so daß auch durch ungeschultes Personal die komplexe Druckmaschine erfolgreich und bei minimalen Umstellzeiten unter Nutzung des implementierten Expertenwissens möglich wird.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung lassen sich dem nachfolgenden Beschrei bungsteil entnehmen, in dem anhand der Zeichnung durch ein Blockschaltbild in prinzipienhafter Dar stellung der Einsatz der Erfindung an einer Druck maschine wiedergegeben ist:
Das Blockschaltbild zeigt die wesentlichen Schritte der Signalverarbeitung und Korrektur.

Anhand der Beurteilung des Druckergebnisses gelangt der Drucker zur qualitativen und unscharfen Beur teilung, wie etwa "zu wenig Rot", "insgesamt zu blaß", "zu starke Bahnspannung" usw., die er als lingustische Variable, d. h. als unscharfen Wert der Eingabestation (1) zuführt. Von dort gelangen sie zu einem Digitalrechner (9), der in seiner Ein gangsstation (2) der linguistischen Variablen, d. h. dem unscharfen Eingangswert eine unscharfe Werte menge zuordnet. Anschließend erfolgt in der un scharfen Logik-Schaltung (3) und dem zugehörigen Kontrollregelsystem (4) die Auswertung. Am Ausgang des Rechners erhält man ein ebenfalls unscharfes Ausgangssignal, welches, um auf ein Stellglied ein wirken zu können, in eine diskrete, in seinem Wert jedoch durch das Ausgangssignal bestimmte defi nierte Stellgröße (5) umgewandelt wird. Sie wirkt auf die Druckmaschine (6) ein und beeinflußt das Druckergebnis (7), welches seinerseits die Beurtei lungsgrundlage für den Drucker (8) ist. Die Umwand lung einer unscharfen Wertemenge in eine diskrete Stellgröße wird mit dem Begriff "Defuzzifizierung" (10) benannt.

Claims

1. Arbeitsmaschine mit der Einstellung und Optimie rung des Arbeitsergebnisses dienenden Eingabesta tionen, die auf Stellglieder einwirken, dadurch ge kennzeichnet, daß die Eingabestation auf unscharfe Werte A_i einstellbar ist, dem unscharfen Wert A_i eine Wertmenge zuordnet, die eine unscharfe Logik- Schaltung (Fuzzy-Logik) weiterverarbeitet und zu einem unscharfen Ausgangssignal B_i führt und hier aus eine definierte Stellgröße (5) gewinnt (Defuzzifizierung).

2. Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Eingabestation (1) fünf bis sie ben Einstellungen erlaubt.

3. Arbeitsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Stellgröße (5) durch Mittelwert- oder Schwerpunktbildung aus dem un scharfen Ausgangssignal B_i herleitet.

4. Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein System von Re geln IF u=A_k THEN v=B_k, k=1,..., nund die durch den eingegebenen unscharfen Wert A_i bestimmte Wertemenge das unscharfe Ausgangssignal B_i ermittelt.

5. Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der eingegebene un scharfe Wert A_i gespeichert wird und - nach Einwir kung der hieraus ermittelten Stellgröße auf die Steuerstrecke - mit dem zeitlich nächsten eingege benen unscharfen Wert A_i verglichen und zur Anpas sung der Regeln genutzt wird (Selbstlernprozeß).

6. Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß den Wert der Einga bestation ein Detektor erfaßt (Regelkreis).

7. Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsmaschine eine Druckmaschine ist und die Stellgröße auf die Dosierung einzelner Farbkomponenten einwirkt.