JP2809862B2

JP2809862B2 - ファジィ制御装置

Info

Publication number: JP2809862B2
Application number: JP2283294A
Authority: JP
Inventors: 泰馬場
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-10-23
Filing date: 1990-10-23
Publication date: 1998-10-15
Anticipated expiration: 2013-10-15
Also published as: JPH04158403A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、プラント等の制御対象から出力される制御
量に対してファジィ演算を行って制御対象に対する操作
量を決定して、制御対象を最適制御するファジィ制御装
置に関する。

（従来の技術）近年、人間の持つ制御知識を条件部（if部）と結論部
（then部）とからなる推論（制御）ルールにより表現
し、制御対象から出力される制御量を取り込み、上記制
御ルールに従って、定性的な操作量を推定し、さらに、
メンバシップ関数を用いてその操作量を定量的に示し
て、その操作量を制御対象へ送出するファジィ制御装置
が提唱されている。このようにファジィ制御装置は一義
的に定まらないあいまいさを含むシステムを制御するの
に適しているので、このファジィ制御装置はプラントの
みならず各種の制御分野での使用されている。

第６図は一般的なファジィ制御装置とプラント等の制
御対象との関係を示す図である。ファジィ制御装置１は
内部の記憶部に記憶されている制御ルールおよびメンバ
シップ関数を用いて制御対象２から入力された制御量に
対してファジィ演算を実行して、得られた演算結果を操
作量として前記制御対象２へ印加する。

前記制御ルールは、前述したように、条件部（if部）
と結論部（then部）とからなり、技術者の制御知識を、
制御対象から出力される制御量（プロセス量）と制御対
象へ送出する操作量との関係を安定的に示したものであ
り、「もし〜ならば、…する」と表記される。別の表現
で記載すれば、「もし〜ならば、〜は集合Ｓに属する」
となる。

そして、記憶部内には、上述した多数の制御ルールが
例えば第７図に示すようにテーブル形式で記憶されてい
る。この制御テーブル３に記憶されている制御ルールは
２つの条件（if）で一つの結論（then）を得ている。す
なわち、制御テーブル３の最上段の１行および左端の１
列がそれぞれ条件（if）を構成し、それらの交点が結論
（then）を構成する。例えば［NS］の条件と［Ｚ］の条
件で［PS］の結論が得られる。

一方、メンバシップ関数は、前述した制御ルールの推
論結果にて得られた集合Ｓを特性づける関数μ（ｘ）で
示され、入力変数ｘが集合Ｓ（ファジイ集合）に所属す
る度合いを示す。なお、メンバシップ関数μ（ｘ）は確
率を示すものであるから、０≦μ（ｘ）≦１の範囲での
み定義されている。具体的には、第８図に示すように、
入力変数ｘを横軸として、縦軸をメンバシップ関数の関
数値とした二次元形状で示される。そして、一般的に
は、各メンバシップ関数μ（ｘ）は各集合毎にそれぞれ
三角形で表現される。ここで底辺が入力範囲（レンジ）
を示し、高さが関数μ（ｘ）の最大値（出力値）を示
す。したがって、この最大値が前述した０〜１の範囲で
定義される。

このような制御ルールおよびメンバシップ関数を有す
るファジィ制御装置１において、制御対象２を常に最良
の状態に制御するためには、記憶部に記憶されている制
御ルールおよびメンバシップ関数が正しく設定されてい
る必要がある。この制御ルールを構成するif−thenの各
ルールおよび各メンバシップ関数の例えば入力レンジ
（底辺），最大値，傾斜角度等を設定したり調整する処
理をチューニングと言う。

しかしながら、従来このメンバシップ関数μ（ｘ）は
チューニングの作業能率を考慮して一般に三角形状しか
採用していなかった。したがって、メンバシップ関数の
形状を変更する場合は、その入力レンジ（範囲）を拡大
・縮小していた。この場合、入力の有効範囲が拡大・縮
小されるのみであり、メンバシップ関数の関数値（出力
値）が直接変化するものではない。すなわち、三角形状
の底辺が拡大・縮小されるのみで、メンバシップ関数の
関数値に直接反映しないので、チューニング作業者にと
っては、関数値の増減のイメージが掴みにくい問題があ
る。

例えば、第８図に示した多数のメンバシップ関数μ
（ｘ）のうち特定のメンバシップ関数の関数値（出力）
をより重要視したいときに、関数値（出力値）を増加す
るのではなくて、入力範囲を拡大するイメージとなる。
このようなチューニング作業では、このファジィ制御装
置１から出力される操作量を有効的に変化させていると
は言えない。

したがって、従来のファジィ制御装置１においては、
特定のメンバシップ関数μ（ｘ）の関数値を大幅に変更
することは行わずに、第７図に示した制御テーブルの各
ルールを変更することによって、ファジィ制御装置１か
ら出力される操作量を有効的に変化させていた。

しかし、本質的にメンバシップ関数を変更すべき事項
を制御テーブルの各ルールの変更で代用すれば、制御対
象２に対して高い制御精度を得ることが困難である。

（発明が解決しようとする課題）このように、従来のファジィ制御装置によれば、メン
バシップ関数の形状をチューニング操作で変更する場合
は、入力範囲の拡大・縮小のみで対処していたので、チ
ューニング作業者にとってメンバシップ関数の形状変化
のイメージが掴みずらく、チューニング作業能率が低下
する問題がある。また、チューニング作業により制御対
象に最も適合したメンバシップ関数が得られない問題も
ある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであ
り、チューニング作業時にメンバシップ関数の二次元形
状を変更する場合に、仮想的に関数値の最大値を１を越
えて指定可能にすることによって、メンバシップ関数の
形状における全入力範囲に亘って直接的に関数値を増減
でき、チューニング作業の作業能率を大幅に向上でき、
かつメンバシップ関数の二次元形状の選択範囲を大幅に
拡大でき、ひいては制御対象に最も適合したメンバシッ
プ関数を設定でき、制御精度を向上できるファジィ制御
装置を提供することを目的とする。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）上記課題を解消するために本発明は、制御演算プログ
ラムと、この制御演算プログラムを実行するための制御
ルールと、入力変数を横軸にした二次元形状で示したメ
ンバシップ関数とを記憶し、制御対象から入力された制
御量に対して、制御ルールおよびメンバシップ関数を用
いてファジィ演算を実行し、演算結果を制御対象へ操作
量として出力するファジィ制御装置において、少なくとも記憶されているメンバシップ関数をチュー
ニングするための各種情報を入力するマンマシンインタ
フェース装置と、このマンマシンインタフェース装置を
用いてメンバシップ関数の最大値が変更指定されると、
変更後の二次元形状が変更前の二次元形状に対して相似
状態を維持した状態で、最大値が変更後の指定値になる
ように当該メンバシップ関数を変更するメンバシップ関
数変更手段と、このメンバシップ関数変更手段にて変更
された後のメンバシップ関数の最大値が１を越えると、
このメンバシップ関数の二次元形状のうちの１以下の形
状部分をチューニング後の新たなメンバシップ関数と設
定するメンバシップ関数設定手段とを備えたものであ
る。

（作用）このように構成されたファジィ制御装置であれば、例
えばある特定の重要なメンバシップ関数の関数値をこの
メンバシップ関数の全入力範囲に亘って上昇させたい場
合は、マンマシンインタフェース装置を用いて該当メン
バシップ関数の二次元形状の最大値を１を越えて指定す
る。すると、該当メンバシップ関数の二次元形状全体が
相似的に上方へ伸びた形状となる。したがって、二次元
形状の底辺を構成する入力範囲（レンジ）の各入力変数
ｘにおいて、見かけ上、１を越える関数μ（ｘ）値が存
在する。

そして、上方へ伸びた二次元形状のうち、１を越える
部分は削除されて、１以下の形状部分がチューニング後
の新たなメンバシップ関数として記憶される。

よって、この新たに記憶されたメンバシップ関数はそ
の入力範囲全体に亘って関数値が上昇しているが、１を
越える関数値は存在しない。したがって、０〜１の確率
範囲を維持している。すなわち、チューニング作業者が
認識しやすいイメージでメンバシップ関数の形状を修正
できる。

（実施例）以下本発明の一実施例を図面を用いて説明する。

第１図は実施例のファジィ制御装置の概略構成を示す
ブロック図である。このファジィ制御装置は一種のマイ
クロコンピュータで構成されている。そして、各種情報
演算処理を実行するCPU（中央処理装置）11がバスライ
ン12を介して、システム標準プログラム等の固定データ
を記憶するROM13,システムRAM14,ユーザRAM15,プラント
等の制御対象16からプロセスデータ等の制御量が入力さ
れる入力インタフェース17,同じく制御対象16へ操作量
を送出する出力インタフェース18,技術者が制御ルール
やメンバシップ関数をチューニングするためのマンマシ
ンインタフェース装置19が接続される通信インタフェー
ス20等を制御する。

前記ROM13内に記憶されたシステム標準プログラム
は、例えば、制御対象16から入力される制御量等の入力
情報の取込み，制御演算結果の制御対象16への出力，ユ
ーザRAM15に記憶されたユーザプログラム（アプリケー
ションプログラム）の解釈・実行を行う。さらに、マン
マシンインタフェース装置19を介して、技術者との間
で、データ交換、データの読出、プログラムの書込み等
の実行を行う。

前記システムRAM14内には、前記ROM13内のシステム標
準プログラムが正常に動作するために必要な例えばパラ
メータ定義等の各データが記憶されている。さらに、こ
のシステムRAM14内には、ユーザRAM15内に記憶されてい
るユーザプログラムを解釈・実行するために必要にな管
理テーブルが記憶されている。

前記ユーザRAM15内には、第２図に示すように、大き
く分けて、ユーザが定義したユーザ定義プログラムと、
このユーザ定義プログラムが使用する各種パラメータと
が記憶されている。また、このユーザRAM15内には、正
規化された入力データや演算結果データを一時記憶する
データ領域も形成されている。

そして、ユーザ定義プログラムは、図示するように、
例えば、入力インタフェース17を介して入力された制御
量を制御演算処理を行うための形式にデータ変換し、か
つ必要に応じて制御対象に対して警報を出力するための
入力処理プログラム21,この入力処理プログラム21にて
データ変換された入力データ（入力変数）に対して実際
のファジィ演算を実行するための制御演算プログラム2
2,この制御演算プログラム22にて得られた演算結果デー
タを操作量に変換して出力インタフェース18へ送出する
ための出力処理プログラム23等で構成されている。

また、パラメータとして、図示するように、通常の制
御パラメータ24と、ファジィ演算で使用する例えば第８
図に示したような、入力変数ｘを横軸にした二次元形状
で示された複数のメンバシップ関数25,例えば第７図に
示すように各制御ルールをテーブル形式で示す制御テー
プル26が記憶されている。

このユーザRAM15に記憶されている各プログラム21〜2
3およびパラメータ24,メンバシップ関数25および制御テ
ーブル26はマンマシンインタフェース装置19を用いて操
作者（ユーザ）か任意に設定変更可能である。

前記入力インタフェース17は、制御対象16から入力さ
れる制御量等の物理信号を、入力処理プログラム21に従
って、演算制御プログラム22でもって処理可能な可能な
形に変換する機能を有している。例えば、アナログ入力
値は、０〜5Vのアナログデータとして入力され、ADC
（アナログ・デジタル変換器）で０〜4000カウントのデ
ジタル情報に変換する。通常はこれをパーセント（％）
値に正規化して演算制御プログラム22へ渡す。

前記出力インタフェース18は、制御演算プログラム22
にてファジィ演算処理された演算結果データを、出力処
理プログラム23に従って、物理信号に変換して、制御対
象19へ送出する機能を有している。例えば、演算結果デ
ータはパーセント（％）で定義されているので、これを
４〜20mAのアナログの電流出力値に変換して、制御対象
19に操作量として送出する。

前記マンマシンインタフェース装置19は、操作者と制
御装置との間のデータ伝送を対話形式で行う装置であ
る。そして、このファジィ制御装置においては、制御対
象16の現在の制御状態を表示・確認するために操作者が
必要に応じてユーザRAM15の記憶内容を例えばCRT表示器
上に読出すことが可能である。また、読出した、ユーザ
定義プログラム21〜23や制御パラメータ24,メンバシッ
プ関数25,制御テーブル26を変更したり、又は新たに設
定可能である。すなわち、操作者はこのマンマシンイン
タフェース装置19を用いて設定済みのメンバシップ関数
25や制御テープル26の各制御ルールをチューニング可能
である。

このようなファジィ制御装置において、入力インタフ
ェース17を介して入力された制御量は前述したようにパ
ーセント値に正規化されて一旦ユーザRAM15内に記憶さ
れる。そして、演算制御プログラム22が起動してファジ
ィ演算処理を開始する。すなわち、ユーザRAM15から正
規化された入力データを第８図に示したメンバシップ関
数μ（ｘ）の入力変数ｘとする。そして、その入力変数
ｘに対応するメンバシップ関数μ（ｘ）の関数値を求め
る。複数の入力データが存在する場合には、それぞれの
入力データに対応するメンバシップ関数の関数値を求め
る。そして、求められた各関数値をまとめる。こうして
得られた関数値を使用して、これを第７図に示した制御
テーブルに当てはめて最終的な演算結果データを前述し
たようにパーセント値の形式で得る。この得られた演算
結果データを通常の物理的な信号に変換して出力インタ
フェース18を介して制御対象16へ送出する。

このような手順でもって制御対象16を最適制御するた
めには、前述したように、各メンバシップ関数の形状を
最適値にチューニングする必要がある。

第８図に示した複数のメンバシップ関数の内で一つの
メンバシップ関数の形状を変更する場合の手順を第３図
乃至第５図を用いて説明する。すなわち、例えば、第８
図のPID制御する時に用いる［Ｚ］で示す特に重要なメ
ンバシップ関数Ｚをより有効にするために、第３図に示
すように、マンマシンインタフェース装置19の操作でも
って、三角形状の最大値を１を越える1,5に指定する。
すると、形状が上方へ平行移動した形となり、実線で示
す形状の底辺の各変数値ｘにおける関数値がそれぞれ1.
5倍に直接的に大きくなる。

そして、この相似的に上方へ拡大された形状をそのま
まメンバシップ関数に設定すると、関数値が１を越える
部分が多発する。したがって、この拡大された形状のう
ち関数値が１を越える部分を排除して、１以下の部分の
みを新たなメンバシップ関数Ｚとして前記ユーザRAM15
のメンバシップ関数の領域へ設定する。

よって、新たに設定されたメンバシップ関数Ｚの形状
は、第４図に示すように、両側辺が傾斜を有した台形と
なる。したがって、このメンバシップ関数Ｚの形状の底
辺構成する各入力変数ｘに対応する関数値μ（ｘ）は大
部分が1.5倍となり、1.5倍が１を越える場合は最大値１
になる。

このようにして形成された形状を有するメンバシップ
関数Ｚを含む多数のメンバシップ関数を用いると、メン
バシップ関数Ｚに関してのみ、その有効範囲（入力範
囲）が1.5倍に拡大される。よって、他のメンバシップ
関数に比較して、このPID演算に係わるメンバシップ関
数Ｚのみが1.5倍だけ有効に作用した出力結果が得られ
る。

逆に、このメンバシップ関数Ｚの影響を故意に他のメ
ンバシップ関数に比較して小さくすることも可能であ
る。この場合、第５図に示すように、メンバシップ関数
Ｚの形状の最大値を0.5に指定すればよい。この場合、
実線の三角形で示すように、メンバシップ関数Ｚの形状
の底辺を構成する各入力変数ｘに対応する関数値μ
（ｘ）は0.5倍に低減する。この場合、最大値が１を越
えることはないので、各関数値μ（ｘ）は一律に半減す
る。

このようにして形成された形状を有するメンバシップ
関数Ｚを含む多数のメンバシップ関数を用いると、メン
バシップ関数Ｚに関してのみ、その有効範囲（入力範
囲）が半分に縮小される。よって、他のメンバシップ関
数に比較して、このPID演算に係わるメンバシップ関数
Ｚの寄与率のみが半分である出力結果が得られる。

このように、ある特定の重要なメンバシップ関数の関
数値μ（ｘ）をこのメンバシップ関数の全入力範囲に亘
って上昇させたい場合は、マンマシンインタフェース装
置19を用いて該当メンバシップ関数の二次元形状の最大
値を１を越えて指定すれば、該当メンバシップ関数の底
辺を形成する各入力変数ｘにおけるメンバシップ関数を
直接的に上昇させることができる。すなわち、チューニ
ング作業者がメンバシップ関数をチューニングする場合
に、その有効性を何倍にするかという、作業者にとって
非常に認識しやすいイメージでメンバシップ関数の形状
を修正できる。

なお、二次元形状の底辺を構成する入力範囲（レン
ジ）の各入力変数ｘにおいて、見かけ上、１を越える部
分はカットされて強制的に１となる。したがって、この
新たに記憶されたメンバシップ関数はその入力範囲全体
に亘って関数値が上昇しているが、１を越える関数値は
存在しない。

［発明の効果］以上説明したように本発明のファジィ制御装置によれ
ば、チューニング作業時にメンバシップ関数の二次元形
状を変更する場合に、仮想的に関数値の最大値を１を越
えて指定可能にしている。したがって、メンバシップ関
数を示す形状の全入力範囲に亘って直接的に関数値を増
減でき、チューニング作業の作業能率を大幅に向上で
き、かつメンバシップ関数の二次元形状の選択範囲を大
幅に拡大でき、ひいては制御対象に最も適合したメンバ
シップ関数を設定できるので、制御対象に対する制御精
度を向上できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係わるファジィ制御装置の
概略構成を示すブロック図、第２図は同実施例装置のユ
ーザRAMの記憶内容を示す図、第３図乃至第５図は同実
施例装置のメンバシップ関数を示す図、第６図は一般的
なファジィ制御装置と制御対象との関係を示す図、第７
図一般的な制御テーブルを示す図、第８図は一般的なメ
ンバシップ関数を示す図である。 11……CPU、12……バスライン、13……ROM、14……シス
テムRAM、15……ユーザRAM、16……制御対象、17……入
力インタフェース、18……出力インタフェース、19……
マンマシンインタフェース装置、20……通信インタフェ
ース、22……制御演算プログラム、26……制御テーブ
ル。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平２−140802（ＪＰ，Ａ) 特開平２−138603（ＪＰ，Ａ) 特開平３−242730（ＪＰ，Ａ) 山崎久代、外４名、「多段型ファジィ推論シェルの構築（ウインドウシステムを用いたユーザーインターフェース）」、第６回ファジィシステムシンポジウム講演論文集、日本ファジィ学会、平成２年９月６日、Ｐ445−448 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G05B 13/00 - 13/02 G06F 9/44 554 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】制御演算プログラムと、この制御演算プロ
グラムを実行するための制御ルールと、入力変数を横軸
にした二次元形状で示したメンバシップ関数とを記憶
し、制御対象から入力された制御量に対して、前記制御
ルールおよびメンバシップ関数を用いてファジィ演算を
実行し、演算結果を前記制御対象へ操作量として出力す
るファジィ制御装置において、少なくとも前記記憶されているメンバシップ関数をチュ
ーニングするための各種情報を入力するマンマシンイン
タフェース装置と、このマンマシンインタフェース装置を用いてメンバシッ
プ関数の最大値が変更指定されると、変更後の二次元形
状が変更前の二次元形状に対して相似状態を維持した状
態で、最大値が変更後の指定値になるように当該メンバ
シップ関数を変更するメンバシップ関数変更手段と、このメンバシップ関数変更手段にて変更された後のメン
バシップ関数の最大値が１を越えると、このメンバシッ
プ関数の二次元形状のうちの１以下の形状部分をチュー
ニング後の新たなメンバシップ関数と設定するメンバシ
ップ関数設定手段とを備えたファジィ制御装置。