DE4336921C2 - Method and device for automatic reasoning (inference) for rule-based fuzzy systems - Google Patents
Method and device for automatic reasoning (inference) for rule-based fuzzy systemsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Schlußfolgerung für regelbasierte Fuzzy-Systeme, das transparenter als die bekannten Verfahren ist und die Erkennung von Inkonsistenzen ermöglicht, sowie dafür ausgebildete Vorrichtungen.The invention relates to a method for automatic conclusion for rule-based fuzzy systems that are more transparent than the known methods and that Detection of inconsistencies, as well as devices designed for this.
In der Automatisierungstechnik bezeichnet der Begriff Fuzzy Control eine auf der Theorie der unscharfen Mengen beruhende Vorgehensweise, die die Möglichkeit bietet, Prozeßwissen, das in Form linguistischer WENN-DANN-Regeln verfügbar ist, in ein Regel-, Steuer- oder Überwachungssystem einzubringen. Diese Systeme ordnen ihren Ausgängen Werte zu, die von ihren Eingangsgrößen, den WENN-DANN-Regeln sowie dem Entwurfsverfahren abhängen. Die Bestimmung der Ausgangswerte erfolgt dabei in den Schritten Fuzzifizierung, Inferenz und Defuzzifizierung (siehe [1], oder z. B. US 5 214 773). Die Inferenz dient zur Abarbeitung der WENN-DANN-Regeln und besteht aus den Teilschritten Aggregation (Auswertung der WENN-Teile der Regeln), Inferenzkern (eigentliches Schließen) und Akkumulation (Regelzusammenführung). Für den Inferenzkern und die Defuzzifizie rung sind nach dem Stand der Technik verschiedene Verfahren bekannt, siehe [1]. Diese Verfahren beeinflussen einerseits das Übertragungsverhalten des Fuzzy Controllers, andererseits aus ingenieurmäßiger Sicht aber auch die Transparenz und Systematik des Entwurfes.In automation technology, the term fuzzy control refers to one on the The theory of unsharp sets based approach that offers the possibility Process knowledge, available in the form of linguistic IF-THEN rules, in one Control, control or monitoring system to bring. These systems arrange theirs Outputs to values based on their input variables, the IF-THEN rules as well depend on the design process. The initial values are determined in the steps of fuzzification, inference and defuzzification (see [1], or, for example, US Pat. No. 5,214,773). The inference is used for Processing the IF-THEN rules and consists of the sub-steps aggregation (Evaluation of the IF parts of the rules), inference core (actual closing) and Accumulation (merging of rules). For the inference core and defuzzification Various methods are known in the art, see [1]. These On the one hand, processes influence the transmission behavior of the fuzzy controller, on the other hand from an engineering point of view but also the transparency and systematics of the Draft.
Bei Fuzzy Control kommt der Forderung, daß der Entwurfsvorgang für den Anwender transparent ist, d. h. daß der Anwender aus Ergebnissen und Zwischenergebnissen an schaulich nachvollziehen kann, wie diese zustandegekommen sind und welche Bedeu tung im Sinne der Ausgabenstellung diesen zugrundeliegt, eine große Bedeutung zu. Diese Transparenz trägt zur Überschaubarkeit und zur Systematisierung des Entwurfes bei und erleichtert die Fehlersuche sowie die sukzessive Verbesserung der dynamischen Eigenschaften des Controllers. In der vorliegenden Beschreibung wird das auf der Erfindung beruhende Verfahren erläutert, das gegenüber den bekannten Verfahren eine höhere Transparenz erreicht und dadurch sowie durch weitere Leistungsmerkmale über den Stand der Technik hinausgeht.With fuzzy control comes the requirement that the design process for the user is transparent, d. H. that the user based on results and intermediate results can understand clearly how they came about and what meaning on the basis of the expenditure, is of great importance. This transparency contributes to the manageability and systematization of the design and makes troubleshooting easier and the gradual improvement of dynamic Properties of the controller. In the present description, this is on the The method based on the invention explains the one compared to the known methods Achieved greater transparency and thus as well as through additional performance features goes beyond the state of the art.
Bei der Beschreibung des Verfahrens wird ein Fuzzy-System mit p Eingangsvariablen und N Produktionsregeln der FormThe description of the method uses a fuzzy system with p input variables and N production rules of the form
WENN "Vorbedingung i", DANN "Schlußfolgerung i", i=1 . . . N,IF "precondition i", THEN "conclusion i", i = 1. . . N,
sowie einer Ausgangsvariablen a zugrundegelegt. Die Betrachtung nur einer Ausgangs variablen dient der Übersichtlichkeit und bedeutet keine Beschränkung der Allgemein heit. Im Falle mehrerer Ausgangsvariablen können die Produktionsregeln, die jeweils eine Ausgangsvariable betreffen, separat betrachtet werden. Die prinzipielle Vorge hensweise ändert sich hierdurch nicht. Ferner seien für die Ausgangsvariable a insge samt M linguistische Werte durch die Zugehörigkeitsfunktionen mj(a), j=1 . . . M, defi niert.and an output variable a. The consideration of only one output variable serves for clarity and does not limit the generality. In the case of several output variables, the production rules, each of which relates to one output variable, can be viewed separately. This does not change the basic procedure. Furthermore, let the output variable a together with M be linguistic values by the membership functions m j (a), j = 1. . . M, defined.
Die Fuzzifizierung und die Aggregation können nach den bekannten Methoden durchge führt werden [1]. Die Ergebnisse hiervon geben den Grad mWi, 1=1 . . . N, an, zu dem die Vorbedingungen der N Produktionsregeln erfüllt sind.Fuzzification and aggregation can be carried out using known methods [1]. The results of this give the degree m Wi , 1 = 1. . . N, at which the preconditions of the N production rules are met.
Für jede Produktionsregel wird im Schritt des Inferenzkerns eine Einzelfehlerfunktion ei(a), i=1 . . . N, gebildet. Sie bewertet die Werte der Ausgangsvariablen a hinsichtlich de ren Eignung als resultierender Ausgangswert, gibt also an, welche Ausgangswerte die betrachtete Regel favorisiert.For each production rule in the step of the inference kernel an individual error function e i (a), i = 1. . . N, formed. It evaluates the values of the output variables a with regard to their suitability as the resulting output value, i.e. indicates which output values favor the rule under consideration.
Die Einzelfehlerfunktion ist ein Fuzzy Set, wobei der Zugehörigkeitsgrad eines Werts zu der durch die Einzelfehlerfunktion gebildeten unscharfen Menge "Fehler bezüglich der i-ten Produktionsregel" um so kleiner ist, je besser die Eignung des Werts als Aus gangswert ist. Somit besitzen die Werte a, die von der betreffenden Regel als am geeig netsten bewertet werden, den kleinsten Funktionswert.The single error function is a fuzzy set, the degree of membership of a value to the fuzzy set "errors related to the single error function the ith production rule "the smaller the better the suitability of the value as Aus is current value. Thus, the values of a are considered suitable by the rule in question The smallest functional value.
Nach [2] kann die Semantik einer WENN-DANN-Regel gemäß dem generalisierten Modus Ponens wie folgt charakterisiert werden:According to [2], the semantics of an IF-THEN rule can be generalized Modus Ponens can be characterized as follows:
- - je größer der Erfülltheitsgrad der Vorbedingung ist, um so sicherer ist die Schlußfol gerung,- the greater the degree of fulfillment of the precondition, the more certain is the conclusion cure,
- - bei vollständig nicht erfüllter Vorbedingung ist die Unsicherheit maximal, es ist keine Schlußfolgerung mehr möglich.- If the precondition is not completely fulfilled, the uncertainty is maximum, it is no conclusion possible.
Gemäß diesem generalisierten Modus Ponens kann die Einzelfehlerfunktion definiert werden als der mit dem Erfülltheitsgrad mWi der Vorbedingung gewichtete Betrag der Differenz aus dem Erfülltheitsgrad mWi und der betreffenden Zugehörigkeitsfunktion mi(a):According to this generalized Ponens mode, the individual error function can be defined as the amount of the difference between the degree of fulfillment m Wi and the relevant membership function m i (a) weighted with the degree of fulfillment m Wi of the precondition:
ei(a) = mWi · |mWi - mi(a)|. (1)e i (a) = m Wi · | m Wi - m i (a) |. (1)
Die Gewichtung in Gl. (1) mit dem Faktor mWi kann als UND-Verknüpfung mittels des Produktoperators interpretiert werden. Alternativ zu Gl. (1) kann auch der Minimum- Operator zu dieser UND-Verknüpfung herangezogen werden. In diesem Fall erhält man die Einzelfehlerfunktion zuThe weighting in Eq. (1) with the factor m Wi can be interpreted as an AND operation using the product operator. As an alternative to Eq. (1) the minimum operator can also be used for this AND operation. In this case the individual error function is obtained
ei(a) = min (mWi, |mWi - mi(a)|). (2)e i (a) = min (m Wi , | m Wi - m i (a) |). (2)
Durch die beiden Definitionen in Gl. (1) und (2) wird erreicht, daß eine Produktionsre gel mit nichterfüllter Vorbedingung (mWi=0) später nicht zur Entscheidungsfindung beiträgt. Die Einzelfehlerfunktion besitzt dann nämlich für alle a den Wert Null, wo durch kein spezielles a favorisiert wird. Der Betrag |mWi - mi(a)| stellt sicher, daß die Einzelfehlerfunktion für diejenigen Werte der Ausgangsvariablen a verschwindet, für die die Zugehörigkeitsfunktion mi(a) gleich dem Erfülltheitsgrad der Vorbedingung ist.The two definitions in Eq. (1) and (2) ensures that a production rule with a non-fulfilled precondition (m Wi = 0) does not later contribute to decision-making. The individual error function then has the value zero for all a, where no special a favors. The amount | m Wi - m i (a) | ensures that the individual error function disappears for those values of the output variable a for which the membership function m i (a) is equal to the degree of fulfillment of the precondition.
In einer Verallgemeinerung kann eine Regelgewichtung gi eingeführt werden:A general weighting g i can be introduced in a generalization:
ei(a) = gWi · mWi · |mWi - mi(a)| (3)e i (a) = g Wi · m Wi · | m Wi - m i (a) | (3)
bzw.respectively.
ei(a) = gi · min (mWi, |mWi - mi(a)|). (4)e i (a) = g i · min (m Wi , | m Wi - m i (a) |). (4)
Dabei ist gi ein der i-ten Produktionsregel zugeordneter Gewichtungsfaktor. Er gibt an, mit welcher Sicherheit die betreffende Regel überhaupt gültig ist. Ist gi=0, so geht die betreffende Regel überhaupt nicht in die Entscheidungsfindung ein, ist gi=1, geht die Regel voll ein.Here g i is a weighting factor assigned to the i th production rule. It indicates the certainty with which the rule in question is valid at all. If g i = 0, the rule in question is not included in the decision-making process, if g i = 1, the rule is fully included.
Die Bildung der insgesamt N Einzelfunktionen stellt den Interferenzkern dar. Nor malerweise wird man dazu Gl. (3) oder (4) heranziehen, da diese den generalisierten Modus Ponens berücksichtigen. Es kann in bestimmten technischen Anwendungsfällen jedoch auch sinnvoll sein, die Forderung des Modus Ponens fallenzulassen, daß bei Nichterfülltheit der Vorbedingung keine Schlußfolgerung mehr gezogen werden darf. Schließt man bei vollständiger Nichterfülltheit der Vorbedingung auch auf die voll ständige Nichterfülltheit der Schlußfolgerung, so kann die allgemeine Einzelfehler funktionThe formation of the total of N individual functions represents the interference kernel. Nor sometimes you will get Eq. (3) or (4) as these are the generalized Consider mode ponens. It can be used in certain technical applications However, it also makes sense to drop the requirement of the Modus Ponens that at If the precondition is not met, no conclusion can be drawn. If the precondition is completely not fulfilled, one also concludes that full constant non-compliance with the conclusion, so the general individual error function
ei(a) = gi · |mWi - mi(a)|. (5)e i (a) = g i · | m Wi - m i (a) |. (5)
gebildet werden. Die Zulässigkeit dieser Implikationsvorschrift muß dabei durch das Expertenwissen sichergestellt sein.be formed. The admissibility of this implication rule must be determined by the Expert knowledge can be ensured.
Die Abarbeitung des Inferenzkerns durch Bildung der Einzelfehlerfunktionen mit Hilfe einer der Gln. (1) bis (5) ist nicht naheliegend und weicht deutlich von den bekannten Verfahren [1] ab. Die Ansprüche 5 und 6 betreffen diese Bildung der Einzelfehlerfunk tionen.The processing of the inference kernel by forming the individual error functions with the help one of the eq. (1) to (5) is not obvious and differs significantly from the known ones Procedure [1]. Claims 5 and 6 relate to this formation of single-fault radio ions.
Im folgenden wird durch das Beispiel in Fig. 1 die Bestimmung der Einzelfehlerfunk tion ei(a) nach Gl. (3) für gi=1 verdeutlicht. Im oberen Teil von Fig. 1 ist eine drei eckförmige Zugehörigkeitsfunktion mi(a) dargestellt. Die Vorbedingung der betref fenden Produktionsregel sei zum Grad mWi erfüllt. Im unteren Teil von Fig. 1 ist die zugehörige Einzelfehlerfunktion ei(a) nach Gl. (3) aufgetragen. Man erkennt, daß diese Einzelfehlerfunktion für diejenigen Abszissenwerten verschwindet, bei denen die Zuge hörigkeitsfunktion mi(a) den Wert mWi annimmt. An diesen Stellen ist die Forderung erfüllt, daß die Schlußfolgerung der Regel zum gleichen Grad erfüllt ist wie die Vorbe dingung.The following is 1 by the example in Fig. Determining the individual errors radio tio i (a) according to Eq. (3) clarified for g i = 1. In the upper part of Fig. 1, a three corner membership function m i (a) is shown. The precondition of the relevant production rule is met to the degree m Wi . In the lower part of FIG. 1, the associated individual error function e i (a) according to Eq. (3) applied. It can be seen that this single error function disappears for those abscissa values in which the tensile function m i (a) assumes the value m Wi . At these points, the requirement is met that the rule's conclusion is met to the same degree as the precondition.
Um den Einfluß aller N Produktionsregeln berücksichtigen zu können, wird zur Akku mulation der RegelbasisfehlerIn order to take into account the influence of all N production rules, the battery is used rule base error
als Summe aller N Einzelfehlerfunktionen gebildet. Hierdurch tragen alle N Produk tionsregeln gleichberechtigt gemäß dem Erfülltheitsgrad der entsprechenden Vorbedin gungen und dem Gültigkeitsgrad der jeweiligen Regel zur Entscheidungsfindung bei. Der Verknüpfungsoperator zur Bildung des Regelbasisfehlers ist somit ein ODER- Operator, wobei durch dessen Realisierung durch die gewöhnliche Summe in Gl. (6) auch Werte größer 1 auftreten können. Verwendet man als ODER-Operator nicht wie in Gl. (6) die gewöhnliche, sondern die algebraische oder die begrenzte Summe [1], so ist der Wert 1 die obere Schranke des Regelbasisfehlers. Für die weiteren Betrachtungen wird die gewöhnliche Summe entsprechend Gl. (6) zugrundegelegt.formed as the sum of all N individual error functions. As a result, all N products rules of equal status according to the degree of fulfillment of the corresponding precondition conditions and the degree of validity of the respective rule for decision making. The logic operator for forming the rule base error is therefore an OR Operator, whereby by its realization by the usual sum in Eq. (6) values greater than 1 can also occur. If you are not used as an OR operator as in Eq. (6) the ordinary, but the algebraic or the limited sum [1], is so the value 1 is the upper bound of the rule base error. For further considerations the usual sum is calculated according to Eq. (6) used as a basis.
Der Regelbasisfehler kann als unnormiertes Fuzzy Set aufgefaßt werden. Er bewertet die Eignung der Werte der Ausgangsvariablen a als resultierender Ausgangswert des Controllers bezüglich der gesamten Regelbasis, wobei wiederum die Bewertung um so besser ist, je kleiner der Funktionswert des Regelbasisfehlers ist. Durch diese Interpre tierbarkeit des Regelbasisfehlers enthält dieser neben einem Mehr an Transparenz auch deutlich mehr Information als das resultierende Fuzzy Set bei den bekannten Verfahren. Diese Information kann gezielt zu mehreren Zwecken genutzt werden. Zum einen dient der Regelbasisfehler als Grundlage der Defuzzifizierung, zum anderen kann aus dem Regelbasisfehler Sekundärinformation zur Beurteilung der Vollständigkeit und Widerspruchsfreiheit der Wissensbasis abgeleitet werden.The rule base error can be understood as an abnormal fuzzy set. He evaluates the suitability of the values of the output variables a as the resulting output value of the Controllers with regard to the entire rule base, whereby again the evaluation all the more the smaller the functional value of the rule base error is, the better. Through this interpreter animalability of the rule base error also contains more transparency significantly more information than the resulting fuzzy set with the known methods. This information can be used for several purposes. For one, it serves the base rule error as the basis for defuzzification; Rule base error secondary information to assess completeness and Freedom from contradiction of the knowledge base.
Da der Regelbasisfehler eRB(a) die Eignung der Werte der Ausgangsvariablen a als Aus gangswert des Controllers beschreibt, wird derjenige Wert aR als Ausgangswert be stimmt, bei dem der Regelbasisfehler minimal wird. Dazu wird im folgenden zunächst vorausgesetzt, daß der Regelbasisfehler eRB(a) sein absolutes Minimum ausschließlich an einer einzigen Stelle a=amin annimmt, d. h.Since the rule base error e RB (a) describes the suitability of the values of the output variables a as the output value of the controller, the value a R is determined as the output value at which the rule base error becomes minimal. For this purpose, it is initially assumed in the following that the rule base error e RB (a) assumes its absolute minimum only at a single point a = a min , ie
In diesem Fall wird der Regelbasisfehler eRB(a) als "eindeutig entscheidbar" bezeichnet und der resultierende Ausgangswert aR wird bestimmt zuIn this case, the rule base error e RB (a) is referred to as "uniquely decidable" and the resulting output value a R is determined as
aR = amin. (8)a R = a min . (8th)
Zur Verdeutlichung des Ablaufs der Entscheidungsfindung wird das folgende einfache Beispiel betrachtet: Zu entwerfen sei ein Fuzzy Controller mit einer Eingangsvariablen r und der Ausgangsvariablen a. Die Zugehörigkeitsfunktionen für die Ein- und die Aus gangsvariable bestehen wie in Fig. 2 dargestellt aus jeweils drei Dreiecken, die die lin guistischen Werte "klein", "mittel" und "groß" repräsentieren. Die Zugehörigkeitsfunk tionen werden mit mklein(r), mmittel(r) und mgroß(r) für die Eingangsvariable r, sowie mit mklein(a), mmittel(a) und mgroß(a) für die Ausgangsvariable a bezeichnet.The following simple example is considered to clarify the sequence of decision-making: Let us design a fuzzy controller with an input variable r and the output variable a. As shown in FIG. 2, the membership functions for the input and output variables each consist of three triangles, which represent the linear values "small", "medium" and "large". The membership functions are m small (r), m medium (r) and m large (r) for the input variable r, and m small (a), m medium (a) and m large (a) for the output variable a designated.
Ferner seien drei Produktionsregeln festgelegt:There are also three production rules:
Regel 1 (2, 3): WENN "r klein (mittel, groß)", DANN "a klein (mittel, groß)".Rule 1 (2, 3): IF "r small (medium, large)", THEN "a small (medium, large)".
Der Entscheidungsablauf wird nun betrachtet für den Fall, daß der Eingangswert r= 30% ist. Aus der Auswertung der Vorbedingung der Regeln erhält manThe decision process is now considered in the event that the input value r = Is 30%. From the evaluation of the precondition of the rules one obtains
mW1 = 0,4; mW2 = 0,6; mW3 = 0. (9)m W1 = 0.4; m W2 = 0.6; m W3 = 0. (9)
Mit Hilfe von Gl. (1) können nun die Einzelfehlerfunktionen e₁(a), e₂(a) und e₃(a) und nach Gl. (6) der Regelbasisfehler eRB(a) als Summe der Einzelfehlerfunktionen be stimmt werden. Dieser ist in Fig. 3 dargestellt. Offensichtlich nimmt der Regelbasis fehler eRB(a) in diesem Fall sein absolutes Minimum an der Stelle amin=30% an. Dieser Wert ist gemäß Gl. (8) der Ausgangswert aR des Fuzzy Controllers. Führt man die Be rechnung des Ausgangswerts aR nach dem angegebenen Verfahren für alle Werte der Eingangsvariablen r im Bereich 0 . . . 100% durch, so erhält man die Übertragungskenn linie eines P-Reglers mit der Verstärkung 1 als Ergebnis.With the help of Eq. (1) can now the individual error functions e₁ (a), e₂ (a) and e₃ (a) and according to Eq. (6) the rule base error e RB (a) can be determined as the sum of the individual error functions. This is shown in Fig. 3. In this case, the rule base error e RB (a) obviously assumes its absolute minimum at the point a min = 30%. According to Eq. (8) the output value a R of the fuzzy controller. If the output value a R is calculated using the specified method for all values of the input variables r in the range 0. . . 100% through, you get the transmission characteristic of a P-controller with gain 1 as a result.
Die Ansprüche 9 bis 11 betreffen die Vorgehensweise, falls der Regelbasisfehler eRB(a) nicht eindeutig entscheidbar gemäß Ungleichung (7) ist. In diesem Fall können ggf. Rückschlüsse auf Widersprüche bzw. Inkonsistenzen der Wissensbasis gezogen werden. Zur Überprüfung der Regelbasis auf Konsistenz ist in der Literatur [3] bereits ein Verfahren bekannt. Dabei wird von dem Grundgedanken ausgegangen, daß zwei Regeln dann widersprüchlich sind, wenn sie bei gleicher oder ähnlicher Prämisse verschiedene Schlußfolgerungen aktivieren. Aus den Überlappungsgraden der Zugehörigkeitsfunktionen der WENN-Teile sowie der DANN-Teile der Regeln wird in [3] ausgehend von diesem Grundgedanken ein Maß für die Inkonsistenz von Regeln abgeleitet. Dieses Verfahren hat folgende Eigenschaften:Claims 9 to 11 relate to the procedure if the rule base error e RB (a) cannot be clearly determined according to inequality (7). In this case, conclusions can be drawn about contradictions or inconsistencies in the knowledge base. A method for checking the rule base for consistency is already known in the literature [3]. The basic idea is that two rules are contradictory if they activate different conclusions with the same or similar premise. Based on this basic idea, a measure of the inconsistency of rules is derived from the degrees of overlap of the membership functions of the IF parts and the THEN parts of the rules. This procedure has the following characteristics:
- - es handelt es sich um ein Off-line-Verfahren, bei dem die Regeln im Off-line-Betrieb auf eine strukturelle Konsistenz untersucht werden; strukturelle Konsistenz bedeutet dabei, daß Regeln aufgrund der gewählten Zugehörigkeitsfunktionen prinzipiell konsistent sind unabhängig von den bei der On-line-Abarbeitung tatsächlich auftretenden Schlußfolgerungen in Form von scharfen Ausgangswerten; entscheidend für das Verhalten des Fuzzy Controllers sind jedoch diese tatsächlich auftretenden Ausgangswerte, da ja nur diese tatsächlich auf den zu beeinflussenden Prozeß gegeben werden. Die tatsächlich auftretenden Ausgangswerte hängen jedoch von den Eigenschaften der Operatoren zum Durchführen der Verfahrensschritte Inferenzkern, Akkumulation und Defuzzifizierung ab, die bei dem in [3] angegebenen Verfahren nicht eingehen.- It is an off-line procedure, in which the rules in the off-line operation be examined for structural consistency; structural consistency means that rules based on the selected membership functions are basically consistent regardless of those used in online processing actually occurring conclusions in the form of sharp Baseline values; are decisive for the behavior of the fuzzy controller however, these actually occurring initial values, since only these actually be given to the process to be influenced. The actually occurring However, initial values depend on the properties of the operators Carrying out the procedural steps inference core, accumulation and Defuzzification that does not go into the procedure specified in [3].
- - Die Ergebnisse des in [3] angegebenen Verfahrens können ggf. irrelevant sein: Es wird durch die angegebene Vorgehensweise implizit der gesamte von den scharfen Eingangsgrößen aufgespannte Eingangsraum auf Inkonsistenzen untersucht. Da jedoch die Eingangsgrößen von Fuzzy Controllern häufig physikalisch verkoppelte Größe sind (z. B. Zustandsgrößen), können in vielen Fällen Unterräume dieses Eingangsraums überhaupt nicht von der Trajektorie, die der Eingangsvektor in Abhängigkeit von der Zeit durchläuft, erreicht werden. Sind nun Inkonsistenzen in der Regelbasis vorhanden, die diese nichterreichbaren Unterräume betreffen, dann ist das Erkennen solcher Inkonsistenzen für die tatsächliche Prozeßbeeinflussung irrelevant. Es ist hinsichtlich der Prozeßbeeinflussung nicht erforderlich, solche Inkonsistenzen zu erkennen.- The results of the procedure given in [3] may be irrelevant: Es is implicitly the whole of the sharp by the specified procedure Input variables spanned entrance space examined for inconsistencies. There however, the input variables of fuzzy controllers are often physical coupled size (e.g. state variables) can in many cases Subspaces of this entrance space are not at all of the trajectory that the Input vector depending on the time it takes to be reached. are there are now inconsistencies in the rule base that make these inaccessible Affecting subspaces, then recognizing such inconsistencies is for the actual process influence irrelevant. It is regarding the Process influencing is not necessary to detect such inconsistencies.
Im folgenden wird nun ein neues Verfahren zur Entdeckung von Widersprüchen bzw. Inkonsistenzen beschrieben, das sich im Ansatz, der Durchführung und in den Ergebnissen von dem in [3] angegebenen Verfahren völlig unterscheidet. Dieses neue Verfahren beruht auf der Auswertung des Regelbasisfehlers. Es bezieht sich damit sowohl auf die im On-line-Betrieb tatsächlich einwirkenden Eingangsgrößen als auch auf die tatsächlich für die Schlußfolgerungen benutzten Operatoren in den einzelnen Verfahrensschritten. Es sind dabei folgende Fälle zu unterscheiden:In the following, a new procedure for the detection of contradictions or Inconsistencies described, which are in the approach, the implementation and in the Results completely different from the method given in [3]. This new one The method is based on the evaluation of the rule base error. It relates to it both on the input variables that actually affect online operation as well the operators actually used for the conclusions in each Procedural steps. A distinction must be made between the following cases:
Fall 1: Das absolute Minimum des Regelbasisfehlers eRB(a) tritt nicht an einem einzel
nen Abszissenwert amin, sondern verteilt über einen zusammenhängenden Be
reich a₁aa₂ auf, wie dies exemplarisch in Fig. 4 dargestellt ist;
Fall 2: das absolute Minimum des Regelbasisfehlers eRB(a) tritt an mehreren nicht zu
sammenhängenden Abszissenwerten amink, k=1 . . . K, auf, wie dies exempla
risch in Fig. 5 dargestellt ist;
Fall 3: beliebige Kombinationen der Fälle 1 und 2.Case 1: The absolute minimum of the rule base error e RB (a) does not occur at a single abscissa value a min , but is distributed over a connected area a₁aa₂, as is exemplarily shown in FIG. 4;
Case 2: the absolute minimum of the rule base error e RB (a) occurs at several abscissa values a mink , k = 1 that are not related. . . K, as exemplified in Fig. 5;
Case 3: any combination of cases 1 and 2.
Die Ausbildung des Verlaufs des Regelbasisfehlers im Fall 1 kann verschiedene Ursa chen haben. Dieser Fall tritt z. B. auf, wenn eine der Zugehörigkeitsfunktionen der Aus gangsvariable a in diesem Bereich konstant den Wert 1 annimmt, während alle anderen Zugehörigkeitsfunktionen verschwinden. In diesem Fall reicht die Überlappung der linguistischen Werte nicht zu einer eindeutigen Bestimmung des Ausgangswerts aR aus. Soll ausgehend von diesem Verlauf des Regelbasisfehlers eine Defuzzifizierung durchgeführt werden, kann prinzipiell jeder der Werte von a zwischen a₁ und a₂ als Ausgangswert aR gewählt werden, da diese Werte von a zwischen a₁ und a₂ als Ausgangswert aR gewählt werden, da diese Werte durch den Regelbasisfehler gleich gut bewertet sind. Durch eine Festlegung kann beispielsweise einer der Werte a₁ oder a₂ oder der arithmetische Mittelwert als Ausgangswert aR bestimmt werden. Ggf. können in diesem Fall auch zusätzliche Kriterien zur Entscheidungsfindung herangezogen wer den, wie z. B. eine Minimierung der Stellenergie. The development of the course of the rule base error in case 1 can have different causes. This case occurs e.g. B. on if one of the membership functions of the output variable a constantly assumes the value 1 in this range, while all other membership functions disappear. In this case, the overlap of the linguistic values is not sufficient to unambiguously determine the initial value a R. If a defuzzification is to be carried out on the basis of this course of the rule base error, in principle any of the values of a between a 1 and a 2 can be chosen as the starting value a R , since these values of a between a 1 and a 2 are chosen as the starting value a R , since these values are given by the rule base error are rated equally well. By specifying one of the values a 1 or a 2 or the arithmetic mean can be determined as the starting value a R , for example. Possibly. In this case, additional criteria can be used for decision-making, such as B. minimizing the actuating energy.
Fall 2 läßt auf Widersprüche in der Regelbasis schließen, da der Regelbasisfehler meh rere Werte gleichberechtigt als Ausgangswerte des Fuzzy Controllers vorschlägt. Dies sei durch die Fortführung des letztgenannten Beispiels gezeigt; die Regelbasis aus die sem Beispiel wird dazu wie folgt modifiziert:Case 2 suggests contradictions in the rule base, since the rule base error more proposes more equal values than the output values of the fuzzy controller. This is shown by the continuation of the latter example; the rule base from the This example is modified as follows:
Regel 1: WENN "r klein", DANN "a klein",
Regel 2. WENN "r mittel", DANN "a mittel",
Regel 3: WENN "r klein", DANN "a groß".Rule 1: IF "r small", THEN "a small",
Rule 2. IF "r medium", THEN "a medium",
Rule 3: IF "r small", THEN "a large".
Die Regeln 1 und 3 widersprechen sich nun. Die Zugehörigkeitsfunktionen seien wei terhin entsprechend Fig. 2 gewählt. Man erhält nun für den Eingangswert r=30% den in Fig. 6 dargestellten Regelbasisfehler.Rules 1 and 3 now contradict each other. The membership functions are further selected according to FIG. 2. The control basis error shown in FIG. 6 is now obtained for the input value r = 30%.
Der Widerspruch in der Regelbasis im Beispiel führt zu einem Verlauf des Regelbasis fehlers eRB(a) nach Fall 2. In diesem einfachen Beispiel ist der Widerspruch auch ohne die Auswertung des Regelbasisfehlers leicht erkennbar. Ist die Regelbasis allerdings umfangreicher, so ist der Regelbasisfehler geeignet, um ungewollte Widersprüche in der Regelbasis zu erkennen. Will man im Beispiel trotz des Widerspruchs in der Regelbasis einen Ausgangswert aR bestimmen, so kann es sinnvoller sein, einen der Werte amin1= 30% oder amin2=70% zu wählen als den arithmetischen Mittelwert, da für diesen Mit telwert der Regelbasisfehler einen größeren Wert als in seinen absoluten Minima an nimmt.The contradiction in the rule base in the example leads to a course of the rule base error e RB (a) after case 2. In this simple example, the contradiction is easily recognizable even without the evaluation of the rule base error. However, if the rule base is more extensive, the rule base error is suitable to detect unwanted contradictions in the rule base. If, in the example, you want to determine an initial value a R despite the contradiction in the rule base, it may make more sense to choose one of the values a min1 = 30% or a min2 = 70% than the arithmetic mean, since the rule base error for this mean value takes on a larger value than in its absolute minimums.
Im Fall 3 kann das beschriebene Vorgehen für die Fälle 1 und 2 kombiniert werden. Die dort gemachten Aussagen gelten analog.In case 3, the procedure described can be combined for cases 1 and 2. The Statements made there apply analogously.
Der Anspruch 12 betrifft eine Möglichkeit zur aufwandsgünstigen Implementierung des vorgestellten Verfahrens angegeben. Dabei wird die in der Praxis übliche Wahl des Zu gehörigkeitsfunktionen als Polygonzüge zugrundegelegt. Polygonzüge sind abschnitt weise lineare Funktionen, die durch die Abszissen- und Ordinatenwerte aller Eckpunkte einschließlich der Randpunkte vollständig bestimmt sind. In der Betriebsphase des Fuzzy Controllers müssen in jedem Zyklus die Einzelfehlerfunktionen ei(a), i=1 . . . N, der Regelbasisfehler eRB(a) und der resultierende Ausgangswert aR bestimmt werden. Die Wahl der Zugehörigkeitsfunktionen als Polygonzüge hat zur Folge, daß man auch die in den Gln. (4) bis (6) definierten Einzelfehlerfunktionen ei(a) sowie den Regel basisfehler eRB(a) nach Gl. (7) als Polygonzüge erhält. Claim 12 relates to a possibility for the cost-effective implementation of the method presented. The usual choice of membership functions is used as a polyline. Polygonal sections are linear functions that are completely determined by the abscissa and ordinate values of all corner points including the edge points. In the operating phase of the fuzzy controller, the individual error functions e i (a), i = 1 must be in each cycle. . . N, the rule base error e RB (a) and the resulting output value a R are determined. The choice of membership functions as a polygon has the consequence that the one in Eq. (4) to (6) defined individual error functions e i (a) and the rule base error e RB (a) according to Eq. (7) as a polyline.
Die Bestimmung jeder Einzelfehlerfunktion kann derart durchgeführt werden, daß man zunächst die Abszissenwerte aller Eckpunkte bestimmt. Die Einzelfehlerfunktion in den Darstellungen nach Gl. (3) oder (5) besitzt nur Eckpunkte an den Abszissenwerten a, an denen die betreffende Zugehörigkeitsfunktion Eckpunkte besitzt, und an den Abs zissenwerten a, an denen die Zugehörigkeitsfunktion den Wert mWi annimmt. Die Ein zelfehlerfunktion in der Darstellung nach Gl. (4) besitzt zusätzliche Eckpunkte an den Abszissenwerten a, an denen der Betrag |mWi - mi(a)| den Wert mWi annimmt. Nur für die so ermittelten Abszissenwerte der Eckpunkte der Einzelfehlerfunktion muß nun die jeweilige Gl. (3), (4) oder (5) angewendet werden, um die Ordinatenwerte der Eck punkte zu bestimmen.The determination of each individual error function can be carried out by first determining the abscissa values of all corner points. The individual error function in the representations according to Eq. (3) or (5) has only corner points on the abscissa values a, on which the membership function in question has corner points, and on the abscissa values a, on which the membership function assumes the value m Wi . The single error function in the representation according to Eq. (4) has additional vertices on the abscissa values a, at which the amount | m Wi - m i (a) | assumes the value m Wi . Only for the abscissa values of the corner points of the individual error function determined in this way must the respective Eq. (3), (4) or (5) can be used to determine the ordinate values of the vertices.
Die Bestimmung des Regelbasisfehlers als Summe der N Einzelfehlerfunktionen kann analog durchgeführt werden. Die Abszissenwerte aller Eckpunkte des Regelbasisfehlers sind gegeben durch die Gesamtheit der Abszissenwerte der Eckpunkte aller Einzelfeh lerfunktionen. Nur an diesen Abszissenwerten muß die Summe der Einzelfehlerfunktio nen gebildet werden. Auch das absolute Minimum des Regelbasisfehlers zur Defuzzi fizierung kann auf einfache Weise bestimmt werden: da ein Polygonzug sein absolutes Minimum nur in seinen Eckpunkten annehmen kann, müssen nur die Ordinatenwerte der Eckpunkte des Regelbasisfehlers verglichen werden.The determination of the rule base error as the sum of the N individual error functions can be carried out analogously. The abscissa values of all corner points of the rule base error are given by the total of the abscissa values of the corner points of all single steps learning functions. The sum of the individual error functions must only be based on these abscissa values NEN are formed. Also the absolute minimum of the rule base error for defuzzi Identification can be determined in a simple way: since a polyline is its absolute Minimum can only assume in its corner points, only the ordinate values the key points of the rule base error are compared.
Der Rechenaufwand bei dieser Form der Darstellung der Zugehörigkeits- und Fehler funktionen durch deren Eckpunkte ist somit wesentlich geringer als bei der diskreten Stützstellen-Darstellung der Zugehörigkeitsfunktionen, wie sie bei der MAX-MIN- Schwerpunktmethode üblich ist. Dies ermöglicht deutlich kürzere Zykluszeiten, zumal die bei der Schwerpunktmethode erforderliche Integration entfällt.The computing effort in this form of representation of membership and errors functions through their corner points is thus much less than with the discrete Interpolation point representation of the membership functions, as used in the MAX-MIN Focus method is common. This enables significantly shorter cycle times, especially the integration required with the focus method is no longer required.
Die Ansprüche 13 und 14 betreffen Einrichtungen, in denen das angegebene Verfahren implementiert ist.Claims 13 and 14 relate to facilities in which the specified method is implemented.
[1] Kahlert, J.; Frank, H.: Fuzzy-Logik und Fuzzy-Control. Vieweg, Braunschweig,
1993.
[2] Bothe, H.: Fuzzy Logic - Einführung in Theorie und Anwendungen.
Springer, Berlin, 1993.
[3] Pedrycz, W.: Fuzzy Control and Fuzzy Systems. Research Studies Press Ltd.,
Taunton (Sommerset), 2nd extended edition, 1993.[1] Kahlert, J .; Frank, H .: Fuzzy logic and fuzzy control. Vieweg, Braunschweig, 1993.
[2] Bothe, H .: Fuzzy Logic - Introduction to theory and applications. Springer, Berlin, 1993.
[3] Pedrycz, W .: Fuzzy Control and Fuzzy Systems. Research Studies Press Ltd., Taunton (Sommerset), 2nd extended edition, 1993.
Claims (14)
mit einer beliebigen Anzahl von Eingängen und einer beliebigen Anzahl Q von Ausgängen, wobei jeweils für den q-ten Ausgang aq mit q=1 . . . Q eine beliebige Anzahl Nq Wenn-Dann-Regeln der Form "Wenn Vorbedingung i, dann Schlußfolge rung i" mit i=1 . . . Nq definiert ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß beim Verfahrensschritt der Entscheidungsfindung (Interferenzkern) der jeweilige Erfülltheitsgrad mWi der Vorbedingung i mit dem die Schlußfolgerung i beschreibenden Fuzzy Set mi(aq) derart verknüpft wird, daß hierdurch eine Funktion (Bezeichnung: Einzelfehlerfunktion) resultiert, die als Maß für die Eignung der Werte der Ausgangsvariable aq als Ausgangswert bezüglich der betrachteten i-ten Regel verwendet wird, wobei die Eignung um so besser ist, je kleiner der Funktionswert an der betreffenden Stelle ist,
und daß aus dem Verlauf der Einzelfehlerfunktionen Sekundärinformation zur Beurteilung der Wissensbasis, d.h. der Gesamtheit der linguistischen Variablen und der Wenn-Dann-Regeln, auf Inkonsistenzen abgeleitet wird.1. Method for automatic conclusion (interference) for controllable fuzzy systems for regulating, controlling or monitoring technical processes or systems
with any number of inputs and any number Q of outputs, whereby for the qth output a q with q = 1. . . Q any number N q if-then rules of the form "if precondition i, then conclusion i" with i = 1. . . N q is defined
characterized,
that in the process step of decision making (interference kernel) the respective degree of fulfillment m Wi of the precondition i is linked to the fuzzy set m i (a q ) describing the conclusion i in such a way that this results in a function (designation: individual error function), which is a measure of the Suitability of the values of the output variable a q is used as the output value with respect to the i-th rule under consideration, the suitability being better the smaller the function value at the point in question,
and that secondary information for assessing the knowledge base, ie the entirety of the linguistic variables and the if-then rules, is derived from the course of the individual error functions for inconsistencies.
- a) ei(aq) = mWi · |mWi - mi(aq)|
- b) ei(aq) = Minimum (mWi, |mWi - mi(aq)|)
- c) ei(aq) = gi · mWi · |mWi - mi(aq)|
- d) ei(aq) = gi · Minimum (mWi, |mWi - mi(aq)|)
- e) ei(aq) = gi · |mWi - mi(aq)|.
- a) e i (a q ) = m Wi · | m Wi - m i (a q ) |
- b) e i (a q ) = minimum (m Wi , | m Wi - m i (a q ) |)
- c) e i (a q ) = g i · m Wi · | m Wi - m i (a q ) |
- d) e i (a q) = g i min · (m Wi, | m Wi - m i (a q) |)
- e) e i (a q ) = g i · | m Wi - m i (a q ) |.
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DE10060706A1 (en) * | 2000-12-07 | 2002-06-13 | Flowtec Ag | Method and device for system and / or process monitoring |
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