JPH01293401A

JPH01293401A - ファジィ制御演算装置およびファジィ推論方法

Info

Publication number: JPH01293401A
Application number: JP63124352A
Authority: JP
Inventors: Hidetomo Ichihashi; 秀友市橋; Isao Hayashi; 勲林; Noboru Wakami; 昇若見; Hiroshi Akahori; 裕志赤堀
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1988-05-20
Filing date: 1988-05-20
Publication date: 1989-11-27
Anticipated expiration: 2012-08-20
Also published as: JP2643295B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は制御計測値とその制御量を人間が感覚的に判定
する定量値との双方あるいは何れか一方を入力値として
、定められたあいまいな推論規則に従って、ファジィ推
論規則で演算し、その結果として出力用メンバシップ関
数を作成し、その関数から出力値を決定して制御操作量
として出力するようにしたファジィ制御演算装置に関す
るものである。

従来の技術ファジィ（Ｆｕｚｚｙ）とは日本語で表現するところの
「あいまいさ」を意味する。ファジィ理論は１９６５年
にアメリカのり、Ａ　、Ｚａｄｅｈ教授によって提唱さ
れた集合理論であるが、本発明に関連するファジィ推論
はファジィ理論の一分野であり、近年、このファジィ推
論が制御分野に実用化され、ファジィ制御と呼ばれてい
る（例えば、計測自動制御学会論文集２０（１９８３年
）第８７３頁から第８８０頁、システムと制御２８（１
９８４年）第５９７頁から第６０４頁）。ファジィ制御
は従来のＰＩＤ制御、現代制御と比較しても遜色の無い
ものと言われており、特に制御系が非線形なシステム系
、もしくは人間の評価が関与しているあいまいな情報を
取り扱わなければいけないシステム系においては熟練者
の持つ知識や制御経験などを取り扱うことができ、その
有効性は高い。

したがって、現在プロセス制御系に多く用いられている
ＰＩＤ制御装置のような線形の制御出力に限らず、任意
の非線形な制御出力を必要とする制御対象に有効である
と考えられる。すなわち、ファジィ制御を用いる狙いは
数学モデルが構成できない複雑な制御システム系におい
て、人間（操作者）が従来の経験から得ている知識や制
御経験等から、そのシステムを実現させる制御を計算機
で再現しようとする所にある。

なお、ファジィ推論、ファジィ制御と言う用語に関して
ファジー推論、ファジー制御と言う用語を用いた論文、
特許などがあるが、本明細書では、すべて「ファジィ」
と言う用語に統一して説明することにした。

次に、ファジィ推論（ファジィ制御とも言う）の基本概
略について説明する。

人間の評価が関与する制御システム系において、操作者
が制御操作量に主観的に、また感覚的に判定した変量、
たとえば「大きい」、「中位」、「とても」、「少しｊ
等の変量（これをファジィ変数と言う）を用いて最終の
制御操作量を決定する場合がある。この入力変量は操作
者が自分の経験から得た制御経験を用いて操作量を決定
している。

ファジィ制御演算装置では所定の推論規則に従って、入
力変量のファジィ変数を推論規則の前件部（ＩＦ部）に
適用し、その規則に対する満足度（メンバシップ値）か
ら、後件部（ＴＨＥＮ部）での出力のファジイ数を決定
している。実際の操作量は複数規則による出力のファジ
イ数の重心値等を取ることにより、得ることができる。

第９図はファジィ制御演算装置の従来例を示すブロック
図である。各ブロックを説明すると次のようになる。同
図において、１はデータ（計測値および人間の評価値を
含む）入力装置、２は表示指令装置、３はファジィ推論
演算装置、４は推論結果出力装置、５は表示装置である
。表示装置２はキーボードで構成され、ファジィ推論演
算装置３はデジタル計算機で構成されている。データ入
力装置１に入力されたデータはファジィ推論演算装置３
で推論演算がほどこされた結果、推論結果を出力し、同
時に表示装置５に推論規則のリスト、ファジィ変数のリ
ストおよび各種推論規則の使用状況などが表示されるよ
うになっている。この従来図、第９図はファジィ推論規
則の推論規則や入力データとしてのファジィ変数はファ
ジィ推論演算装置で一定に固定されており、ファジィ変
数を変更する機能は持たない。

第１０図は従来の推論規則のチューニング可能なファジ
ィ制御演算装置の他の例を示すブロック図である。第１
０図は第９図に対して、ファジイ数を入力するデータ入
力装置１と、その入力値を用いて、ファジィ推論演算を
行なうファジィ推論演算装置３と、その結果得られる推
論結果のファジイ数から制御結果として制御出力を出す
推論結実装置４と、表示装置２からの指令により、入力
値、ファジィ推論に用いられたファジィ推論規則および
ファジィ変数、また推論結果出力などを表示する表示装
置５からなる第９図のファジィ推論装置に推論異常検知
パラメータ入力装置９より入力されたパラメータおよび
ファジィ推論により得られた推論結果のファジイ数を演
算装置３から与えられて、前記パラメータとの比較によ
り、推論結果の検討からファジィ演算装置３における推
論異常の検知を行なう推論異常検知装置１０と推論異常
が検知されたとき、そのときの関連諸データを推論状況
データとして記憶する推論異常記憶装置１１と、推論異
常状況表示指令装置１２からの指令に基づいて、推論異
常に関する異常発生の日時、その時の入力値、推論規則
、出力値および推論結果のファジイ数などを表示する推
論異常状況表示装置１３とを付加したものである。

発明が解決しようとする課題しかしながら、この方法ではファジィ推論の後件部の変
数はファジィ変数で与えられており、どのように規則を
記述すれば、どのような非線形系の出力を得られるかは
見通しがつきに＜＜、また、推論規則をチューニングす
る際に、チューニング対象のパラメーターの個数が多い
ため、チューニングは困難な場合が多く、従来のＰＩＤ
制御の長所である線形システム系での制御の容易性、高
速性を包含できないでいた。

本発明は上記照点に鑑みファジィ推論演算における推論
規則のチューニングを容易にし、また、従来のＰＩＤ制
御をも表現可能とする新たなファジィ制御演算装置を提
供することを目的とする。

課題を解決するための手段本発明は、推論規則チューニング用データとして制御状
況の入力値およびファジイ数の評価入力値を入力すると
、新規な装置におけるファジィ推論演算にしたがってフ
ァジィ推論を行ない、Ｐより制御をも可能にし、非線形
系の推論規則を後件部の実数値の変更だけにより、容易
にチューニング可能とし、チューニング終了後はファジ
ィ推論による制御を可能とするものである。

作用本発明は前記した構成により、　ｒＩＦ・・・ＴＨＥＮ
・・・」形式で書かれたファジィ推論規則の前件部は従
来のファジィ推論方法と同様に、ファジィ変数を用いて
表現するが、概容ファジィ変数は三角型のメンバシップ
関数を等間隔に設定し、後件部はファジイ数では゛なく
、通常の実数値を用いて書き表わし、その実数値を等間
隔にとった場合にはファジィ制御はＰＩＤ制御になり、
ファジィ推論規則の初期状態をＰＩＤ制御状態として、
推論規則のチューニングを後件部の実数値だけを操作す
ることにより、チューニング操作を容易にしたファジィ
制御演算装置およびファジィ推論方法である。

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図において、１１は制御状態入力部で、プロセス制
御、自動調整制御、およびサーボ機構制御での計測状況
を入力する。１２は言語評価入力部で、同じく入力部で
はあるが、操作者の現在状況での制御評価値を入力する
。例えば、　「良い」「とても良い」　「少し良い」な
どのあいまいな評価量を言葉を用いて入力する。１４は
ファジイ数記憶部で、前記のあいまいな評価ｍのファジ
イ数を記憶しており、その他に、ファジィ推論演算の前
件部で用いる「負で大きい」　「ゼロ」　「正で小さい
」などの制御量の大小を表わすファジィ変数も記憶して
いる。１３はファジイ数入力変更部で、前記の言語評価
入力部１２で表現される評価表現に対応するファジイ数
をファジイ数記憶部１４がら取り出して入力として変更
する。１５はファジィ推論規則記憶部で、ファジィ推論
に用いる推論規則を多数記憶している。ここで用いられ
る規則はｒＩＦ・・・（前件部）・・・ＴＨＥＮ・・・
（後件部）である」の形式で表現され、前件部はファジ
ィ変数を含む推論命題で、また後件部は通常の実数を含
む関数で表現されている。１６は推論規則管理部で、前
記ファジイ数記憶部１４からファジイ数を、またファジ
ィ推論規則記憶部１５から推論規則を取り出す。１７は
ファジィ推論演算部で、制御状況入力部１１の出力であ
る制御入力とファジイ数入力変更部１３の出力であるフ
ァジイ数を推論規則に適応して、ファジィ推論を行ない
、推論結果を導出する。１８は制御操作量出力部で、フ
ァジィ推論の結果を出力する。１９は制御指令表示部で
、制御指令を表示する。２０は制御状況表示部で、制御
指令表示部１９からの指令により、ファジィ推論の状況
および、結果を表示する。以上がファジィ制御演算を行
なうための基本装置部であるが、これに加えて、推論規
則のチューニングのために下記の装置を具備する。２１
は推論規則チューニング指令入力部で、推論規則をチュ
ーニングするための指令を与える。２２は後件部変更規
則記憶部で、推論規則の後件部の実数値を順次変化させ
、チューニングを行なう際の後件部の実数値を記憶する
。２３は推論規則チューニング管理部で、チューニング
指令が与えられた場合に、後述の推論結果評価部２４で
の評価結果を参考にして、前記の後件部変更規則記憶部
２２から順次後件部の実数を取りだし、ファジィ推論規
則記憶部１５の後件部を変更する。２４は推論結果評価
部で、チューニング指令が与えられた後のファジィ推論
演算部１７の推論結果が制御対象の理想的な出力値に対
して評価され、その評価結果を後述の推論結果記憶部２
５に記憶する。また、推論結果評価部２４は後件部の実
数が順次変更される毎に評価され、推論結果記憶部２５
からの最良結果よりも良い評価値が得られた場合に、そ
の旨を推論規則チューニング管理部２３に与える。２６
は推論規則チューニング指令表示部で、チューニング指
令を表示する。２７は推論規則チューニング状況表示部
で、推論規則チューニング指令表示部２６からの指令に
より、推論規則のチューニング状況、およびｔＩ論結果
の評価値を表示する。

前記のように構成された本発明のファジィ制御演算装置
およびチューニングの容易なファジィ推論方法について
、以下にその詳細な方法論を説明する。

従来のファジィ制御は制御入力から得られる情報、例え
ば−次遅れのタンクモデルを考えると制御偏差ｅ１　　
およびその変化率ｄｅと、制御出力（操作量）Ｕの間の
関係をＩＦ・・・ＴＨＥＮ規則として記述する場合、次
のようなＩ　Ｆ　　ｅ　　１ｓ　Ｚｅｒｏ　ａｎｄ　ｄ　ｅ　　
Ｉｓ　Ｐｏ５ｉｔｌｖｅ　ＭｅｄｉｕｍＴ　ＨＥ　Ｎ　
　ｕ　　Ｉｓ　　Ｎｅｇａｔｌｖｅ　Ｍｅｄｉｕｍ。

推論規則を複数個用意する。ＩＦ・・・の部分を前件部
、ＴＨＥＮ・・・の部分を後件部と呼ぶ。Ｚｅｒｏ、Ｐ
。

５ｉｔｌｖｅ　Ｍｅｄｌｕｍｌ　　およびＮｅｇａｔｉ
ｖｅ　Ｍｅｄｉｕｍなどは規則の記述に用いる入力や出
力のファジイ数を表わすラベルであり、ファジィ変数で
ある。第２図にその一例を示す。

本発明では前件部のファジィ変数は三角型の対象なメン
バシップ関数として、Ｎｅｇａｔｌｖｅ　Ｂｉｇ（ＮＢ
）、Ｎｅｇａｔｉｖｅ　Ｍｅｄｌｕｍ（ＮＭ）、Ｎｅｇ
ａｔｉｖｅ　Ｓｍａｌｌ（ＮＳ）、Ｚｅｒ。

（２０）、Ｐｏ５ｌｔｌｖｅ　Ｓｍａｌｌ（ＰＳ）、Ｐ
ｏ５ｌｔｌｖｅ　Ｍｅｄｌｕｍ（ＰＭ）。

Ｐｏ５ｉｔｉｖｅ　Ｂｉｇ（ＰＢ）の各ファジィ変数は
一定間隔の距離を持つように設定する。また、実際の制
御出力は通常の実数値であることが多いので、Ｕはファ
ジイ数ではなく、実数値であるとする。

すなわち、Ｉ　Ｆ’　　ｅ　　Ｉｓ　Ｚｅｒｏ　ａｎｄ　ｄ　ｅ　
　Ｉｓ　　ＰｏｓｌｔｌｖｒＭｅｄｌｕｍＴＨＥＮ　　
ｕ＝ｆ　（例えば、実数値２）。

となる。

第３図にファジィ推論過程の一実施例を示す。通常のフ
ァジィ制御と提案したファジィ制御との規則表をそれぞ
れ、第４図、第５図に示す。

前記の規則から得られる結論のファジイ数はとなり、前
件部の適合度を表わしている。推論規則は複数あるので
、結合した結果ＴはＵのファジイ数として、 μｔ（ｕ）＝μ＋（ｕ）Ｖμ２（ｕ）Ｖ・”Ｖμｎ（ｕ
）　　　　・（２）と求められる。ここで、Ａ、Ｖはそ
れぞれｍｌｎ演算、ｌ１ａｘ演算を表わす。

ファジイ数Ｔを操作量（実数値）にする方法として、重
み付き重心を採用すると、８μｍ（ｆＩ）・ｆｌ１ｍ＋０・：　□　　　・・・（３） Σμ＋（ｆ＋）１＃１となる。ただし、ｆは後件部の実数値である。

ＰＩＤ制御の出力および提案したファジィ制御の出力を
それぞれ、第６図および第７図に示す。

第６図は比例要素と微分要素の２つからなるＰＤ制御器
の出力例（表示のため積分要素を省く）であり、ｅとｄ
ｅに対応した制御出力Ｕを縦軸にとっている。提案した
ファジィ制御で推論規則を第５図のように与えると、第
６図のＰＩＤ制御と同じ出力が得られる。非線形性を持
たせるために規則を第８図のように変更すると出力は第
７図のようになる。ｅがＮＢでｄｅがＰＢである近辺で
出力を下げ、ｅがＰＢでｄｅがＮＢの近辺で出力を上げ
ている。このように、第５図の規則表を基本に考えてＰ
ＩＤ制御に非線形性を持たせることが容易にできる。提
案したファジィ制御の特徴は２次、３次などの高次関数
を用いるよりもずっと簡単に希望する非線形出力を得る
事ができる点にあると考えられる。

次にファジィ制御の動作方法について説明する。

（１）ファジィ推論の推論規則の初期状態を次のように
後件部の実数値を一定間隔に設定する。

ただし、Ｐｌｌは前件部の各前件命題、Ｕは後件部の操
作量、およびｄｕは後件部の実数値の一定間隔量を表わ
しＮ　　ｋ＋”（ｊｌｊ　　Ｎ、Ｎは自然数）である。

前記の推論規則はファジィ推論規則記憶部１５に、また
前件命題のファジィ変数はファジィ変数記憶部１４に記
憶されており、推論規則管理部１６で推論規則が管理さ
れている。この推論規則を用いたファジィ制御はＰＩＤ
制御と同じになる。

（２）制御操作者が制御状況入力部１１および言語評価
入力部１２を用いて、推論規則チューニング用データと
して、制御状況の入力値、および言語表現によるあいま
いな評価値入力、例えば「（データの信頼性が）低い」
「（制御機の調子が）良い」などを入力する（第２図参
照）。

（３）前記の言語表現はファジイ数入力変更部１３でフ
ァジイ数記憶部１４からのファジイ数に変更され、制御
状況の入力値と共にファジィ推論演算部１７に入力され
る。

（４）ファジィ推論演算部１７は推論規則管理部１６に
対し、推論規則および推論に用いるファジイ数を取り出
すように指示する。

（５）推論規則管理部１６はファジイ数記憶部１４とフ
ァジィ推論規則記憶部１５から　（４）式のファジイ数
および、推論規則を取りだし、ファジィ推論演算部１７
に出力する。

（６）ファジィ推論演算部エフは以下のファジィ推論を
行なう。

各規則での結論のファジイ数を（１）式を用いて以下の
ように求める。

ただし、（＋）入力値ｘ、Ｑ＋Ｊ”Ｌ　２＋　　−−−ｒｍが通
常の実数値であるとき、μｈ＋（Ｘ＋ａ）は前件命題の
ファジイ数に対する入力値Ｘ　ＩＱのメンバシップ値を
表わし、（ＩＩ）ｘ、”　１ｊ＝Ｉ＋２１−−−１”が
ファジイ数の入力値Ｆであるとき、 μＰｕ　（ｘ＋”）：５ｕｐＸ１　（μＰ＋　４　（Ｘ
＋　）Ａ　１１　ｐ　Ｈ”　（Ｘ＋　））を表わす。実
際の制御操作１は（２）式、（３）式から得られたＵｏ
を用いる。

（７）制御操作ｆｆ１ｕを制御操作量出力部１８に出力
し、Ｕ・および制御状況を制御指令表示部１９の指令に
より、制御状況表示部２０に表示する。

（８）制御操作量Ｕ・と実際の理想の操作量ｕＲとの差
位を推論結果評価部２４で検知、評価し推論結果記憶部
２５にＵｏを記憶する。

（９）推論結果評価部２５で評価が終了するとＩｆ論規
則チューニング管理部２３に推論規則チューニング指令
入力部２１から推論規則のチューニング開始指令が与え
られる。

（１０）推論規則チューニング管理部２３は後件部の規
則変更を後件部変更規則記憶部２２に指示し、後件部の
変更規則を取り出す。すなわち、１番目の規則の後件部
をｕ：ｆｌからｕ：ｆに変更する。この時、ファジィ推
論はもはやＰＩＤ制御のような線形制御ではなく、非線
形制御となる。後件部の変更規則をファジィ推論規則記
憶部１５に与える。

（１１）チューニングの状況は随時、推論規則チューニ
ング指令部２６の指令により、推論規則チューニング状
況表示部２７に表示される。

（１２）　（８）−（１１）をＵ゛とｕＲとの差位が、
あるしきい値以下になるまで繰り返す。ただし、（１０
）での規則の変更は差位が小さくなる方向に行なう。

（１３）　　（１）−（１２）の操作で、推論規則のチ
ューニングが終了すると新たな入力値を入力して、ファ
ジィ推論による制御を開始する。

前記のように本実施例においては、推論規則チューニン
グ用データとして制御状況の入力値およびファジイ数の
評価入力値を入力すると、提案したチューニングの容易
なファジィ推論演算方法にしたがってファジィ推論を行
ない、推論結果を評価して推論規則を容易にチューニン
グ可能とする。

また、前記の操作は繰り返しが可能で推論規則の最適な
チューニングを行なうことができる。チューニング終了
後は新たなデータを入力して、ファジィ推論による制御
を行なう。

なお、本実施例では、ファジィ推論の結果として得られ
る制御操作量を（３）式による重み付き重心を採用した
が、ファジイ数Ｔの中心値や最大値などを取る方法を用
いてもよい。また、本実施例では、ファジィ推論演算の
（５）式および（２）式で、ｍｉｎ演算およびｍａｘ演
算をそれぞれ用いたがｍｉｎ演算の代わりに代数積、限
界積、激烈積などのｔ−ｎ。

ｒｍ演算を、またＩＩ＋ａｘ演算の代わりに代数和、限
界和、激烈和、などのｔ−ｃｏｎｏｒｍ演算を用いても
よい。

また、本実施例では、推論規則の後件部として、ｕ＝ｆ
　、の実数値を用いたが、線形式を用いてもよい。

また、本実施例では、推論結果の評価として、制御操作
ｆｆｉ　ｕＲと実際の理想の操作量Ｕとの差位を用いた
が、誤差の二乗和などの他の評価指標を用いてもよい。

発明の効果以上のように、本発明の装置によれば、推論規則チュー
ニング用データとして制御状況の入力値およびファジイ
数の評価入力値を入力すると、ファジィ推論を行ない、
ＰＩＤ制御をも可能にし、非線形系の推論規則を後件部
の実数値の変更だけにより、容易にチューニング可能と
し、チューニング終了後はファジィ推論による制御がで
き、その実用的効果は、大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明における一実施例のファジィ制御演算装
置のブロック図、第２図は同装置におけるファジィ変数
の説明図、第３図は同装置におけるファジィ推論演算過
程の説明図、第４図は従来の一実施例のファジィ制御の
推論規則表図、第５図は同装置におけるファジィ制御の
一実施例の推論規則表８、第６図はＰＩＤ制御による一
実施例の制御出力図、第７図は同装置におけるファジィ
制御の一実施例の制御出力図、第８図は第７図における
推論規則表目、第９図は従来のファジィ制御演算装置の
構成図、第１０図は従来の推論規則のチューニング可能
なファジィ制御演算装置の構成図である。１１・・・制御情報入力部、１２・・・言語評価入力部
、１３・・・ファジイ数入力変更部、１４・・・ファジ
イ数記憶部、１５・・・ファジィ推論規則記憶部、１６
・・・推論規則管理部、１７・・・ファジィ推論演算部
、１８・・・制御操作量出力部、１９・・・制御指令表
示部、２０・・・制御状況表示部、２１・・・推論規則
チューニング指令入力部、２２・・・後件部変更規則記
憶部、２３・・・推論規則チューニング管理部、２４・
・・推論結果評価部、２５・・・推論結果記憶部、２６
・・・推論規則チューニング指令表示部、２７・・・推
論規則チューニング状況表示部。代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　はか１名Ｘ、へ゛り
）ト“ト＼５− ＼八“（小ゝト嘴幻％　’：　ｒ＞　＞　’ｈ　− Ｎ　４　図ｅ第５図　　　　ｄ８ｄｅ　　　　　　　　　　６１８　図ｄｅ第１０図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）制御計測時での実測値を推論規則のチューニング
の際にはチューニング用データとし、入力値とする制御
状況入力部と、その制御量を人間が感覚的に判断し、言
語表現で入力する言語評価入力部、および言語表現をフ
ァジィ数の入力値に変換するファジイ数入力変更部との
双方あるいは何れか一方を入力として、入力値をあいま
いな推論規則に従い、ファジィ推論規則で演算するファ
ジィ推論規則で演算するファジィ推論演算部と、感覚的
な定量値をファジィ数として、またはファジィ推論の前
件部に用いるファジィ数を記憶するファジィ数記憶部と
、推論規則のチューニングを容易にするために、ファジ
ィ推論規則の後件部を実数値として推論規則を記憶する
ファジィ推論規則記憶部と、推論規則のファジィ数およ
び推論規則を管理する推論規則管理部と、ファジィ推論
演算を行い、その結果として出力用メンバシップ関数を
作成し、該関数から出力値を決定して制御操作量として
出力する制御操作量出力部と、その結果と理想的な操作
量との評価をする制御結果評価部と、制御結果の操作量
を記憶する制御結果記憶部を具備するファジィ制御演算
装置において、推論規則のチューニングを行なう際のチ
ューニング指令を与える推論規則チューニング指令入力
部と、推論規則の後件部の変更規則を記憶する後件部変
更規則記憶部と、チューニング管理を行なう推論規則チ
ューニング管理部と、チューニングの際の状況の表示を
指令する推論規則チューニング指令表示部と、チューニ
ングの際の推論規則のデータを取り出して可視表示する
推論規則チューニング状況表示部と、チューニングの際
のまたはチューニング終了後の制御状況の表示を指令す
るための制御指令表示部と、制御状況を可視表示する制
御状況表示部を具備したことを特徴とするファジィ制御
演算装置。
（２）請求項１記載のファジィ制御演算装置において、
ファジィ推論規則の後件部をファジィ数ではなく、通常
の実数値を用いて、一定間隔に設定し、その後、その間
隔を変更させることにより、制御操作量と理想の操作量
との隔たりを少なくし、チューニングを容易にすること
を特徴とするファジィ推論方法。