JP3188298B2 - メンバーシップ関数発生装置 - Google Patents

メンバーシップ関数発生装置

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    • Y10STECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S706/00Data processing: artificial intelligence
    • Y10S706/90Fuzzy logic

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、制御、認識、意思決
定、診断などに適用されるファジィハードウエアシステ
ムにおけるメンバーシップ関数発生装置に関する。
【0002】
【従来の技術】たとえば、ファジィ推論を行う場合に
は、ファジィ集合をメンバーシップ関数で定義する。こ
れを電子的に処理するためにメンバーシップ関数発生回
路が使用される。
【0003】図11は、電圧モードで動作するアナログ
タイプのメンバーシップ関数発生回路の基本回路構成を
示す。このメンバーシップ関数発生回路は、二つの差動
増幅回路D1,D2を備えている。
【0004】差動増幅回路D1は、一対のトランジスタ
Q11,Q12と、一方のトランジスタQ11のコレク
タ通路に接続されたトランジスタQ13,Q14,抵抗
器R11,R12,R13からなるカレントミラー回路
構成の出力回路等から構成されている。トランジスタQ
11とQ12の各エミッタは可変抵抗器R14を介して
互いに接続されており、トランジスタQ11のエミッタ
と可変抵抗器R14との接続点に、定電流源Q1が接続
される。一方のトランジスタQ11のベースには入力電
圧VINが供給され、他方のトランジスタQ12のベー
スには固定の基準電圧VL1が供給される。
【0005】いま、電源電圧をVCC、抵抗器R13の抵
抗値をRL、可変抵抗器R14の抵抗値をRE1とする
と、トランジスタQ11のベースに印加される入力電圧
VINと、トランジスタQ14のコレクタに得られる出
力電圧VO1との関係は、図12(a)に示すようなS
型になる。すなわち、入力電圧VINが基準電圧VL1
未満である場合には、定電流源Q1の電流I0 が、入力
電圧比に応じてトランジスタQ11とトランジスタQ1
2に分かれて流れるため、入力電圧VINが増加するに
従いRL/RE1の傾斜で出力電圧VO1も増加する
が、基準電圧VL1以上になるとトランジスタQ11に
定電流源Q1の全ての電流I0 が流れるので出力電圧V
O1は、I0 ・RLで飽和する。このようなS型の出力
特性を有するメンバーシップ関数は、S型メンバーシッ
プ関数と呼ばれる。
【0006】差動増幅回路D2も差動増幅回路D1と同
様に構成されているが、基準電圧VL2と入力電圧VI
Nの差動増幅回路D2への与え方が逆になっている点が
異なっている。なお、Q2はQ1と同様な定電流源であ
る。この差動増幅回路D2の入出力特性は、図12
(b)に示すようにZ型になっており、入力電圧VIN
が基準電圧VL2未満である場合には、出力電圧VO2
はI0 ・RLで飽和しているが、基準電圧VL2以上に
なると入力電圧VINが増加するに従い−RL/RE2
の傾斜で出力電圧VO2は低下する。このようなZ型の
出力特性を有するメンバーシップ関数は、Z型メンバー
シップ関数と呼ばれる。
【0007】メンバーシップ関数発生回路は、図13に
示すように、上述したような複数の差動増幅回路D1,
D2と最小値演算回路Q3と組み合わせて使うことが多
い。最小値演算回路とは複数の入力のうちの最低の値を
有する入力を出力するものである。したがって、差動増
幅回路D1の出力が図12(a)に示すようなS型メン
バーシップ関数であり、差動増幅回路D2の出力が同図
(b)に示すようなZ型メンバーシップ関数であるとき
には、図13に示す回路における入力電圧VIN対出力
電圧VO3の関係は、図12(c)に示すように台形と
なる。但し、VL1<VL2である。これをπ型メンバ
ーシップ関数と呼ぶ。このπ型メンバーシップ関数は、
ファジィシステムにおいて最もよく用いられるメンバー
シップ関数である。なお、VL1=VL2である場合に
は、出力特性は三角形となり、三角型メンバーシップ関
数が得られる。
【0008】π型メンバーシップ関数の高さはI0 ・R
L、底辺はVL2−VL1+(RE1+RE2)・
0 、左辺の傾斜はRL/RE1、右辺の傾斜は−RL
/RE2となる。ここにI0 は、メンバーシップ関数発
生回路の定電流源Q1,Q2が作る電流である。
【0009】従来のメンバーシップ関数回路において
は、上述したように、S型メンバーシップ関数を発生す
る第1の差動増幅回路D1と、Z型メンバーシップ関数
を発生する第2の差動増幅回路D2とを使用し、両差動
増幅回路D1,D2の出力の最小値演算を行うことによ
り、π型メンバーシップ関数や三角形メンバーシップ関
数を生成するようにしていた。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】従来のメンバーシップ
関数回路においては、独立した二つの差動増幅回路D
1,D2が使用されており、各差動増幅回路により生成
されるメンバーシップ関数の傾斜部の傾きは、各差動増
幅回路のエミッタ抵抗RE1,RE2の値に依存してお
り、エミッタ抵抗RE1とRE2の値が異なると傾斜部
の傾きが異なってくる。したがって、各差動増幅回路の
出力に基づいてπ型メンバーシップ関数や三角形メンバ
ーシップ関数を生成した場合には、台形或いは三角形の
両辺の傾きが異なってしまう。
【0011】一方、ファジイシステムにおいて使用され
ているメンバーシップ関数としては、左右対称のものが
圧倒的に多い。このため、従来のメンバーシップ関数回
路においては、RE1=RE2となるように調整するこ
とにより両辺の傾きを一致させて左右対称のメンバーシ
ップ関数を得ていた。しかしながら、各回路ごとにエミ
ッタ抵抗RE1,RE2の値を調整する作業は、手間と
時間を要する作業であり、調整が面倒である。
【0012】なお、各差動増幅回路の動作条件が全て同
じであれば、予め等しい値のエミッタ抵抗を用意してお
き、この抵抗を使用することも考えられるが、各差動増
幅回路の動作特性にはばらつきがあるため、このばらつ
きを補正するためには、非常に面倒な調整が必要とな
る。
【0013】たとえば、図11に示すメンバーシップ関
数発生回路において、差動増幅回路D1の抵抗器R13
の抵抗値RLが、RL’になったとすると、図14に示
されるように、差動増幅回路D1において生成されるS
型メンバーシップ関数(出力VO1)の高さ(I0 ・R
L’)と差動増幅回路D2において生成されるZ型メン
バーシップ関数(出力VO2)との高さ(I0 ・RL)
とが異なってしまう。このため、S型メンバーシップ関
数とZ型メンバーシップ関数からπ型メンバーシップ関
数を生成した場合には、太線で示すように、π型メンバ
ーシップ関数の両辺の傾きが異なってしまうだけでな
く、頂点の位置が本来の位置VL1からVL2’に移動
してしまい、右辺の横軸方向の長さがI0 ・RE2・
(RL’/RL)になってしまう。このため、RE1=
RE2となるように調整したとしても、左右対称とはな
らず所望の形状のメンバーシップ関数を得ることができ
ない。
【0014】なお、RLが外部から調整可能である場合
には、RL’=RLとなるように再調整すればよいが、
たとえば、差動増幅回路が集積回路化されているような
場合には、調整は不可能である。
【0015】RLが外部から調整不可能である場合に
は、RE1或いはRE2を調整して、左右対称となるよ
うに調整する必要があるが、この場合、π型メンバーシ
ップ関数の右側の頂点Pの位置ずれが生じるので、この
ずれをVL2を変えることにより補正する必要がある。
【0016】いずれの場合にも、RE1,RE2以外の
パラメータをも調整する必要があり、所望のメンバーシ
ップ関数を得るための作業が面倒であった。
【0017】そこで本発明は、共通の差動増幅回路を使
用して共通の直線上に傾斜部分が位置する2種類の折れ
線関数を生成し、この両関数からπ型メンバーシップ関
数を生成することにより、調整することなく左右対称な
メンバーシップ関数を得ることを目的とする。
【0018】
【課題を解決するための手段】本発明のメンバーシップ
関数発生装置は、二つの第1の入力端子から入力された
電圧のうちの電圧が高い方の入力電圧を出力する最大値
演算回路と、二つの第2の入力端子から入力された電圧
のうちの電圧が低い方の入力電圧を出力する最小値演算
回路と、前記最大値演算回路の出力を一方の入力とし、
前記最小値演算回路の出力を他方の入力として二つの入
力の差電圧を増幅してメンバーシップ関数として出力す
差動増幅回路とからなり、前記最大値演算回路の二つ
の第1の入力端子のうちの一方からの入力を第1の基準
電圧とし他方からの入力をファジィ推論の基礎となる入
力信号電圧とし、前記最小値演算回路の二つの第2の入
力のうちの一方からの入力を第2の基準電圧とし他方か
らの入力をファジィ推論の基礎となる入力信号電圧とし
たことを特徴とする。
【0019】このメンバーシップ関数発生装置におい
て、π型メンバーシップ関数を得る場合には、入力信号
電圧が前記最大値演算回路の他方の入力端子と前記最小
値演算回路の他方の入力端子に共通に供給される。
【0020】前記差動増幅回路としては、相補的な出力
を生成するものを使用することができる。
【0021】また、メンバーシップ関数発生装置は複数
個直列に接続して使用することができる。
【0022】
【作用】第1の基準電圧と入力電圧が最大値演算回路に
供給されると、最大値演算回路からは、第1の基準電圧
未満では第1の基準電圧に等しく、第1の基準電圧以上
では入力電圧に等しい出力電圧が得られる。また、第2
の基準電圧と入力電圧が最小値演算回路に供給される
と、最小値演算回路からは、第2の基準電圧未満では入
力電圧に等しく、第2の基準電圧以上では第2の基準電
圧に等しい出力電圧が得られる。最大値演算回路の出力
と最小値演算回路の出力が差動増幅回路に供給される
と、差動増幅回路からは、両演算回路の出力の差に比例
した台形のメンバーシップ関数が出力される。メンバー
シップ関数の左右両辺の傾きは、一つの差動増幅回路の
動作により決定され、差動増幅回路のパラメータに応じ
た同じ傾きとなり、無調整で左右対称のメンバーシップ
関数が得られる。
【0023】
【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説
明する。
【0024】図1は本発明のメンバーシップ関数発生回
路の第1の実施例を示す回路図である。端子t1,t2
に入力電圧V1,V2が供給される最大値演算回路Q1
01と、端子t3,t4に入力電圧V3,V4が供給さ
れる最小値演算回路Q102とが設けられている。最大
値演算回路は、複数の入力のうち最大の入力を出力する
ものであり、最小値演算回路は、複数の入力のうち最小
の入力を出力するものである。最大値演算回路Q101
の出力Vi1は、差動増幅回路Q107の一方の入力と
され、最小値演算回路Q102の出力Vi2は、差動増
幅回路Q107の他方の入力とされる。
【0025】差動増幅回路Q107は、図11の従来例
に示す差動増幅回路D1,D2と類似の構成を有してい
るが、対となるトランジスタQ103,Q104の各エ
ミッタと定電流源Q105との間にそれぞれ抵抗器R1
01,R102が接続されている点が異なっている。
【0026】次に、図1に示す回路の動作について説明
する。図1に示す実施例においては、希望するメンバー
シップ関数の形状に応じて、最大値演算回路Q101お
よび最小値演算回路Q102への入力を切り換える。
【0027】π型メンバーシップ関数を得る場合には、
図2に示すように、端子t2と端子t3とを接続し、端
子t2,t3に入力電圧VINを供給する。すなわち、
VIN=V2=V3とする。また、端子t1には基準電
圧VL1を供給し、端子t4には基準電圧VL2を供給
する。すなわち、V1=VL1,V4=VL2とする。
この場合、最大値演算回路Q101の出力Vi1および
最小値演算回路Q102の出力Vi2は下式に示すよう
になる。
【0028】
【数1】 したがって、たとえば、VL1<VL2のとき、VIN
対Vi1,Vi2の関係は、図3(a)に示すようにな
る。
【0029】したがって、差動増幅回路Q107への差
動入力Vi2−Vi1は、図3(b)に示すような、頂
点がVIN=VL1とVIN=VL2で、しかも左右対
称な台形となる。
【0030】これにより、差動増幅回路Q107の出力
電圧VOは、図3(c)に示すように左右対称な台形と
なる。このような台形の出力特性は、π型メンバーシッ
プ関数と呼ばれる。台形の左右辺の傾きの絶対値は、R
L/(RE101+RE102)であり、高さは、RE
101=RE102のとき、(I0 /2)・RLとな
る。但し、RLは出力回路の負荷抵抗値、RE101,
RE102は抵抗器R101,R102の抵抗値、I0
は定電流源Q105の電流値である。
【0031】また、VL1=VL2とすれば、図3
(d)に示すような、二等辺三角形の出力特性が得られ
る。
【0032】なお、RE101とRE102は同じでな
くてもよい。このとき、π型メンバーシップ関数の高さ
は、(I0 /2 )RLから外れるが、左右対称形であ
ることには変わりはない。また、RE102=0Ωであ
ってもよい。
【0033】次に、図1に示す回路において、Z型メン
バーシップ関数を得るためには、図4に示すように、端
子t1,t3,t4を相互に接続して、端子t1,t
3,t4に基準電圧VLを供給すればよい。この場合、
図5(a)に示すようなZ型メンバーシップ関数が得ら
れる。なお、図4に示す回路の場合には、基準電圧VL
を最小値演算回路Q102を介することなく、直接トラ
ンジスタQ104のベースに与えるようにしてもよい。
【0034】また、S型メンバーシップ関数を得るため
には、図6に示すように、端子t1,t2,t4を相互
に接続して、端子t1,t2,t4に基準電圧VLを供
給すればよい。この場合、図5(b)に示すようなS型
メンバーシップ関数が得られる。なお、図6に示す回路
の場合には、基準電圧VLを最大値演算回路Q101を
介することなく、直接トランジスタQ103のベースに
与えるようにしてもよい。
【0035】また、図4,図6の何れの回路において
も、RE101とRE102とは同じ値である必要はな
い。更に、RE102=0Ωであってもよい。
【0036】図7は、本発明の第2の実施例を示してい
る。
【0037】第2の実施例は、図1に示す第1の実施例
と類似の構成を有しているが、差動増幅回路Q108を
構成する対となるトランジスタQ103,Q104の双
方に出力回路Q106,Q109が設けられている点が
異なっている。図7に示す回路においては、出力回路Q
106の出力VOとともに、Q109からは、出力回路
Q106の出力VOとは位相が逆の反転出力VO2が得
られる。すなわち、差動増幅回路Q108からは、相補
的な出力VO,VO2が得られる。
【0038】たとえば、端子t2と端子t3とを接続
し、VIN=V2=V3となる入力電圧を端子t2,t
3に供給したとすると、差動増幅回路Q108からは、
図8(a)に示すように、出力回路Q106からは左右
対称のπ型メンバーシップ関数の出力VOが得られ、ま
た、出力回路Q109からは同じく左右対称のU型メン
バーシップ関数の出力VO2が得られる。
【0039】また、トランジスタQ103,Q104の
エミッタ抵抗RE101,RE102のバランスを調整
することにより、図8(b)に示すように、出力VOと
出力VO2との垂直方向の位置関係を調整することがで
きる。
【0040】図9は、本発明の第3の実施例を示してい
る。
【0041】第3の実施例においては、図1に示される
第1の実施例のメンバーシップ関数発生回路を二つ直列
に設けており、第1のメンバーシップ関数発生回路MF
G1の出力を第2のメンバーシップ関数発生回路MFG
2の入力の一つとしている。なお、メンバーシップ関数
発生回路MFG2の最大値演算回路Q201,最小値演
算回路Q202,トランジスタQ203,Q204,定
電流源Q205,出力回路Q206のそれぞれは、メン
バーシップ関数発生回路MFG1の最大値演算回路Q1
01,最小値演算回路Q102,トランジスタQ10
3,Q104,定電流源Q105,出力回路Q106と
同じものである。
【0042】第1のメンバーシップ関数発生回路MFG
1においては、基準電圧VL101が端子t1,t3に
供給され、入力電圧が端子t2,t4に供給される。し
たがって、最大値演算回路Q101の出力Vi1,最小
値演算回路Q102の出力Vi2は図10(a)に示す
ようになり、Vi2−Vi1は同図(b)に示すように
なる。したがって、第1のメンバーシップ関数発生回路
MFG1の出力VO101は、同図(c)に示すように
単峰の山型となる。この出力VO101は、第2のメン
バーシップ関数発生回路MFG2の端子t21,t23
に供給される。また、第1のメンバーシップ関数発生回
路MFG1の出力VO101の頂点の電圧の半分の基準
電圧VL201が端子t22,t24に供給される。し
たがって、最大値演算回路Q201の出力Vi21,最
小値演算回路Q202の出力Vi22は図10(d)に
示すようになり、第2のメンバーシップ関数発生回路M
FG2の出力VO201は、同図(e)に破線で示すよ
うに二つの峰を有するM型メンバーシップ関数が得られ
る。
【0043】なお、上述の第3の実施例においては、山
型メンバーシップ関数を発生させる場合を例に挙げて説
明したが、基準電圧を変えることにより、頂部が平坦な
メンバーシップ関数を発生させることもできる。
【0044】更に、第2のメンバーシップ関数発生回路
MFG2として、図7に示されるような反転出力を出力
する出力回路を有するものを使用すれば、図10(f)
に示されるような、出力VO201とは逆の位相を有す
るW型メンバーシップ関数を得ることができる。
【0045】また、直列の接続するメンバーシップ関数
発生回路の数を増やすことにより、メンバーシップ関数
の峰の数を増やすことができる。
【0046】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、回
路を組み上げた状態のままでメンバーシップ関数の両辺
の傾きが同じになるので、両辺の傾きを合わせるための
調整が不要となるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のメンバーシップ関数発生回路の第1
の実施例を示す回路図である。
【図2】 図1に示すメンバーシップ関数発生回路おい
てπ型メンバーシップ関数を生成するための接続関係を
示す回路図である。
【図3】 各種のメンバーシップ関数を示すグラフであ
る。
【図4】 図1に示すメンバーシップ関数発生回路おい
てZ型メンバーシップ関数を生成するための接続関係を
示す回路図である。
【図5】 Z型メンバーシップ関数およびS型メンバー
シップ関数を示すグラフである。
【図6】 図1に示すメンバーシップ関数発生回路おい
てS型メンバーシップ関数を生成するための接続関係を
示す回路図である。
【図7】 本発明のメンバーシップ関数発生回路の第2
の実施例を示す回路図である。
【図8】 図7に示すメンバーシップ関数発生回路にお
いて生成されるメンバーシップ関数の例を示すグラフで
ある。
【図9】 本発明のメンバーシップ関数発生回路の第3
の実施例を示す回路図である。
【図10】 図9に示すメンバーシップ関数発生回路に
おいて生成されるメンバーシップ関数の例を示すグラフ
である。
【図11】 メンバーシップ関数発生回路の基本回路構
成を示す回路図である。
【図12】 図11に示すメンバーシップ関数発生回路
において生成されるメンバーシップ関数の例を示すグラ
フである。
【図13】 π型メンバーシップ関数を生成するための
メンバーシップ関数発生回路を示す回路図である。
【図14】 回路パラメータのばらつきに起因するメン
バーシップ関数の形状の変化を説明するためのグラフで
ある。
【符号の説明】
D1,D2 差動増幅回路、MFG1,MFG2 メン
バーシップ関数発生回路、Q1,Q2,Q105,Q2
05 定電流源、Q3,Q102,Q202最小値演算
回路、Q11〜Q14,Q103,Q104,Q20
3,Q204トランジスタ、Q101,Q201 最大
値演算回路、Q106,Q109,Q206 出力回
路、Q107,Q108 差動増幅回路、R11〜R1
4,R101,R102 抵抗器、t1〜t4,t21
〜t24 端子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−95677(JP,A) 特開 平3−286333(JP,A) 特開 平2−54302(JP,A) 特開 平3−1237(JP,A) 特開 平5−181989(JP,A) 特開 平2−96294(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G06G 7/12 G06F 9/44 554

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 二つの第1の入力端子から入力された電
    圧のうちの電圧が高い方の入力電圧を出力する最大値演
    算回路と、二つの第2の入力端子から入力された電圧のうちの電圧
    が低い方の入力電圧を出力する 最小値演算回路と、 前記最大値演算回路の出力を一方の入力とし、前記最小
    値演算回路の出力を他方の入力として二つの入力の差電
    圧を増幅してメンバーシップ関数として出力する差動増
    幅回路とからなり、 前記最大値演算回路の二つの第1の入力端子のうちの一
    方からの入力を第1の基準電圧とし他方からの入力をフ
    ァジィ推論の基礎となる入力信号電圧とし、前記最小値
    演算回路の二つの第2の入力のうちの一方からの入力を
    第2の基準電圧とし他方からの入力をファジィ推論の基
    礎となる入力信号電圧としたこと を特徴とするメンバー
    シップ関数発生装置。
  2. 【請求項2】 入力信号電圧が前記最大値演算回路の他
    方の入力端子と前記最小値演算回路の他方の入力端子に
    共通に供給されることを特徴とする請求項1記載のメン
    バーシップ関数発生装置。
  3. 【請求項3】 前記差動増幅回路は、相補的な出力を生
    成するものであることを特徴とする請求項1記載のメン
    バーシップ関数発生装置。
  4. 【請求項4】 請求項1に記載のメンバーシップ関数発
    生装置を複数個直列に接続したことを特徴とするメンバ
    ーシップ関数発生装置。
JP35988991A 1991-12-28 1991-12-28 メンバーシップ関数発生装置 Expired - Fee Related JP3188298B2 (ja)

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