JPH0272404A - Deciding method for membership function - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、制御ルールを反映した比例、積分。[Detailed description of the invention] (Industrial application field) The present invention is based on proportional and integral functions that reflect control rules.
微分ゲインのメンバーシップ関数出力をファジィ演算し
て比例、積分、微分ゲインを決定する、ファジィ制御装
置における最適なメンバーシップ関数の決定方法に関す
る。The present invention relates to a method for determining an optimal membership function in a fuzzy control device, which performs fuzzy calculations on membership function outputs of differential gains to determine proportional, integral, and differential gains.
(従来の技術)
第5図乃至第7図に基づいて操作出力を直接得るための
メンバーシップ関数を決定する従来方法の一例を説明す
る。(Prior Art) An example of a conventional method for determining a membership function for directly obtaining an operation output will be explained based on FIGS. 5 to 7.
先ず前提条件として、
■制御ルールは既知、
■ベテランオペレータによる実際の操業入出力データは
既知、
■メンバーシップ関数は未知、
とする。First, the following prerequisites are assumed: ■The control rules are known, ■Actual operational input/output data by veteran operators are known, and ■The membership function is unknown.
ここで既知の制御ルールとは、例えば、制御ルール(1
)・・・炉内温度が高ければオイル注入量を減らす。Here, the known control rule is, for example, the control rule (1
)...If the temperature inside the furnace is high, reduce the amount of oil injection.
制御ルール(2)・・・炉内温度が低ければオイル注入
量を増す。Control rule (2): If the temperature inside the furnace is low, increase the amount of oil injection.
この制御ルールを反映したメンバーシップ関数の例を、
関数の形状として一般的な台形を用いた場合につき第5
図に示す、(A)は低い、(B)は高い、(C)は減ら
す、(D)は増すの4種類となり、a、b、c、d点、
p、q、r、s点が未知なパラメータである。An example of a membership function that reflects this control rule is
The fifth example is based on the case where a general trapezoid is used as the shape of the function.
As shown in the figure, there are four types: (A) is low, (B) is high, (C) is decreasing, and (D) is increasing. Points a, b, c, d,
Points p, q, r, and s are unknown parameters.
一方、ベテランオペレータによる実際の操業入出力デー
タは既知であるということは、炉内温度をX 、オイル
注入量をy、とじた場合、((xl、yl)、(x2.
y2)、−・・・・、(xn、yni
の組み合わせデータが得られているということである。On the other hand, the fact that the actual operational input/output data by a veteran operator is known means that if the furnace temperature is X and the oil injection amount is y, then ((xl, yl), (x2.
This means that the combination data of y2), -..., (xn, yni) has been obtained.
この様な前提でのファジィ演算を実測値X で実行した
場合のファジィ制御の演算を第7図により説明する。The fuzzy control calculations when the fuzzy calculations are performed on the actual measurement value X under such a premise will be explained with reference to FIG.
(A)は制御ルール(1)の演算であり、実測値X、に
おいて、メンバーシップ関数”高い”に基づいてメンバ
ーシップ関数“減らす”により操作量を斜線で求める演
算を表す。(A) is a computation of control rule (1), and represents a computation in which the manipulated variable is determined by diagonal lines based on the membership function "high" and the membership function "reduce" at the actual measurement value X.
CB)は同様に制御ルール(2)の演算であり、実測(
iiX・において、メンバーシップ関数”低い”に基づ
いてメンバーシップ関数”増やす″により操作量を斜線
で求める演算を表す。CB) is similarly a calculation of control rule (2), and the actual measurement (
In iiX., the operation amount is indicated by diagonal lines based on the membership function "increase" based on the membership function "low".
第7図は制御ルール(1)、(2)により演算される操
作量を荷重平均した操作反出力Y1を求める説明図であ
り、出力値Y、は、
書
Y−=Y (x−、a、b、c、d、P+ q+r、
s)
となる。FIG. 7 is an explanatory diagram for calculating the operation reaction output Y1, which is a weighted average of the operation amounts calculated according to control rules (1) and (2), and the output value Y is written as Y-=Y (x-, a , b, c, d, P+ q+r,
s) becomes.
ここで、評価関数、
を考え、この評価関数Jが最小値をなるようにパラメー
タ(a、b、c、d、p、q、r、s)を非線形最適化
法で決定する。Here, an evaluation function is considered, and parameters (a, b, c, d, p, q, r, s) are determined by a nonlinear optimization method so that the evaluation function J has a minimum value.
この非線形最適化法によるパラメータ決定の手法は公知
であり、例えば1988年日刊工業新聞社発行、菅野道
雄著「ファジィ制御J P147に開示されている。This method of parameter determination using the nonlinear optimization method is publicly known, and is disclosed, for example, in "Fuzzy Control JP 147" by Michio Kanno, published by Nikkan Kogyo Shimbun in 1988.
(発明が解決しようとする課題)
このような手法による最適パラメータの決定では、熟練
オペレータの操業データ((X 、y、)i=1.2・
・・N)に一致するようにメンバーシップ関数を決定す
るために、オペレータの操作能力を越える制御性を期待
することができない。(Problem to be Solved by the Invention) In determining the optimal parameters using such a method, the operational data of a skilled operator ((X, y,)i=1.2・
...N), controllability beyond the operator's operating ability cannot be expected.
また、オペレータのデータがいつも最良とは言えない場
合があり、常に最適なメンバーシップ関数の決定ができ
ない問題がある。Further, there is a problem that the operator's data may not always be the best, and it is not always possible to determine the optimal membership function.
本発明の目的の第1は、この様な問題点を解消できるメ
ンバーシップ関数決定方法にある。The first object of the present invention is to provide a membership function determining method that can solve these problems.
本発明の目的の第2は、一般的な制御演算のパラメータ
として用いられている比例、積分、微分ゲインをメンバ
ーシップ関数とファジィ演算で決定するファジィ制御装
置のメンバーシップ関数決定方法にある。A second object of the present invention is to provide a membership function determining method for a fuzzy control device that determines proportional, integral, and differential gains, which are used as parameters for general control calculations, using membership functions and fuzzy calculations.
(課題を解決するための手段)
本発明の方法の特徴は、偏差に応じて比例、積分、微分
ゲインをメンバーシップ関数によりファジィ演算で決定
するファジィ制御装置において、制御ルール並びに制御
対象プロセスの動特性が既知の条件で、初期設定される
一組のメンバーシップ関数と上記プロセスの動特性に基
づいてプロセスの見本過程を計算し、この見本過程の応
答特性からオーバーシュート、定常偏差,速応性,誤差
面積の各項の一部又は全部を計算し、上記各項の一部又
は全部に対して重み係数を乗算した値を加算した評価規
範を作成し、この評価規範を最小値にするようなメンバ
ーシップ関数の組を非線形最適化法により決定する点に
ある。(Means for Solving the Problems) A feature of the method of the present invention is that in a fuzzy control device that determines proportional, integral, and differential gains according to deviations by fuzzy operations using membership functions, control rules and the behavior of a controlled process are used. Under conditions where the characteristics are known, a sample process of the process is calculated based on a set of initially set membership functions and the dynamic characteristics of the process described above, and overshoot, steady-state error, rapid response, Calculate part or all of each term of the error area, create an evaluation standard by adding the value obtained by multiplying part or all of the above terms by a weighting coefficient, and make this evaluation standard the minimum value. The point is that a set of membership functions is determined by a nonlinear optimization method.
(作用)
(1)制御ルール並びに制御対象プロセスの動特性が既
知の条件で、初期設定される一組の偏差。(Operation) (1) A set of deviations that is initially set under conditions where the control rules and the dynamic characteristics of the controlled process are known.
偏差の変化量、比例、積分、微分ゲインに関するメンバ
ーシップ関数と上記プロセスの動特性に基づいてプロセ
スの見本過程が計算される。A sample process is calculated based on the membership functions regarding the amount of change in deviation, proportional, integral, and differential gains and the dynamic characteristics of the process.
(2)この見本過程の応答特性からオーバーシュート、
定常偏差,速応性,誤差面積の各項の一部又は全部が計
算される。(2) Overshoot from the response characteristics of this sample process,
Some or all of the steady-state error, rapid response, and error area terms are calculated.
(3)上記各項の一部又は全部に対して重み係数を乗算
した値を加算した評価規範が作成される。(3) An evaluation standard is created in which a value obtained by multiplying a part or all of the above terms by a weighting coefficient is added.
(4)この評価規範を最小値にするようなメンバ−シッ
プ関数の組が非線形fi適化法により決定される。(4) A set of membership functions that minimize this evaluation criterion is determined by a nonlinear fi optimization method.
(実施例)
第1図に基づいて本発明方法を実施したファジィ制御装
置の実施例を説明する。(Example) An example of a fuzzy control device implementing the method of the present invention will be described based on FIG.
1は制御対象プロセスであり、その動特性(1次遅れ+
むだ時間、・・・高次遅れ等の#I造並びにそのときの
パラメータ)が既知であることを前提とする。1 is the process to be controlled, and its dynamic characteristics (first-order lag +
It is assumed that the dead time, . . . #I structure such as higher-order delay, and the parameters at that time) are known.
プロセスの動特性の同定には種々の方法が提案されてお
り、本発明ではこれらの手法でその動特性は既に同定済
みであることを前提とする。Various methods have been proposed for identifying the dynamic characteristics of a process, and the present invention assumes that the dynamic characteristics have already been identified using these methods.
2はプロセスの制御対象物量の測定値Xと制御目標値R
の偏差EをPID制御演算して操作出力Yをプロセスに
供給するファジィ・コントローラであり、その制御ルー
ルは既知であるが、偏差Eその変化量ΔE、比例、積分
、微分ゲインを決定するためのメンバーシップ関数θは
未知である。2 is the measured value X of the amount of substance to be controlled in the process and the control target value R
This is a fuzzy controller that performs PID control calculations on the deviation E of and supplies the manipulated output Y to the process.The control rules are known, but there are some The membership function θ is unknown.
201はファジィ制御ルール部であり、制御ルールに基
づく偏差E、その変化量ΔEのメンバーシップ関数と、
これに対応する比例、積分、微分ゲインのメンバーシッ
プ関数を保持部し、後述する評価規範を最小とするメン
バーシップ関数がダウンロードされる。201 is a fuzzy control rule section, which includes a membership function of the deviation E based on the control rule, the amount of change ΔE thereof, and
Membership functions of proportional, integral, and differential gains corresponding to this are stored, and the membership function that minimizes the evaluation criterion described later is downloaded.
202はファジィ推論部であり、決定されたメンバーシ
ップ関数によるファジィ推論(荷重平均演算)により比
例、積分1g&分ゲインに、、に1゜KDを決定する。Reference numeral 202 denotes a fuzzy inference unit which determines proportional and integral 1g&min gain, , 1°KD by fuzzy inference (weighted average calculation) using the determined membership function.
203は可変ゲイン部であり、決定された制御演算パラ
メータに基づいて偏差を通常のPID制御演算した操作
出力Yを発信する。Reference numeral 203 denotes a variable gain section, which transmits an operation output Y obtained by calculating a deviation using normal PID control based on the determined control calculation parameters.
3は最適メンバーシップ関数θの決定機構であり、30
1〜306の機能よりなる。3 is the determination mechanism of the optimal membership function θ, and 30
Consists of functions 1 to 306.
301は設定機能であり、コントローラ2からの情報で
まずメンバーシップ関数の適当な初期値θ並びに既知の
制御ルール、同定済みのプロセス動特性が設定される。Reference numeral 301 denotes a setting function, in which information from the controller 2 is used to first set an appropriate initial value θ of the membership function, known control rules, and identified process dynamic characteristics.
302は、これら設定情報に基づく見本過程針xm能で
あり、ファジィ演算のシミュレーションを実行して、応
答特性を計算する。Reference numeral 302 denotes a sample process needle xm function based on these setting information, which executes fuzzy operation simulation to calculate response characteristics.
ファジィ制御ルールは定まっているので、メンバーシッ
プ関数を適当に一組定めるとシミ、ル−ジョンによりプ
ロセスの挙動(見本過程)が計算可能となる。この計算
に関しては、例えばオーム社発行「計装システムの基礎
と応用jp38〜P43などに解説されている公知の手
法を用いて過渡応答特性を簡単に計算できる。Since the fuzzy control rules are fixed, if a set of membership functions is appropriately determined, the behavior of the process (sample process) can be calculated using spots and lesions. Regarding this calculation, the transient response characteristics can be easily calculated using a known method described in, for example, "Basics and Applications of Instrumentation Systems, pages 38 to 43," published by Ohm Publishing.
この計算でチエツクされる応答特性の項目は、■オーバ
ーシュート
■定常偏差(オフセット)
■連応性
■誤差面積
である。The response characteristics items checked in this calculation are: ■ Overshoot ■ Steady-state deviation (offset) ■ Coordination ■ Error area.
303は、本発明の主要部をなす評価規範機能であり、
計算された上記各項目の一部又は全部について重み係数
を掛けて加算したもので表される評価規範Jを作成する
。303 is an evaluation standard function that forms the main part of the present invention,
An evaluation standard J is created by multiplying some or all of the above calculated items by weighting coefficients and adding them.
評価規範Jは、
J=a [オーバーシュート]+a2[定常偏差]十
a3[連応性]+a4[誤差面1]
ここで、a 、a2 、a3 、a4はオペレータが設
定できる評価重み係数であり、どの項目を重視してメン
バーシップ関数を決定するかによって適当な値が選択さ
れる。The evaluation standard J is as follows: J = a [overshoot] + a2 [steady-state deviation] + a3 [coupling] + a4 [error surface 1] where a, a2, a3, and a4 are evaluation weighting coefficients that can be set by the operator, An appropriate value is selected depending on which item is emphasized when determining the membership function.
メンバーシップ関数の異なった組に対してプロセスの挙
動、即ち応答特性も異なる。評価規範機能303は、こ
の評価規範Jを最小にするようなメンバーシップ関数の
組を非線形最適化法により決定する。この手法は従来技
術におけるパラメータ決定の手法と同一である。The behavior or response characteristics of the process are also different for different sets of membership functions. The evaluation criterion function 303 determines a set of membership functions that minimize the evaluation criterion J using a nonlinear optimization method. This method is the same as the parameter determination method in the prior art.
304は評価規範Jの最小を判断する機能であり、最小
判断がNOであればθの更新機能305によりメンバー
シップ関数の組を更新して設定機能301に与え、上記
と同様な評価を実行することを高速度でサイクリックに
実行する。304 is a function that judges the minimum of the evaluation criterion J, and if the minimum judgment is NO, the θ update function 305 updates the set of membership functions and gives it to the setting function 301, and performs the same evaluation as above. Execute things cyclically at high speed.
この処理の実行で評価規範Jが最小であると判断した場
合は、inθ決定機能306により最適メンバーシップ
関数θを特定し、コントローラ2に決定されたメンバー
シップ関数θをダウンロードする。If it is determined that the evaluation criterion J is the minimum through execution of this process, the optimum membership function θ is specified by the inθ determination function 306, and the determined membership function θ is downloaded to the controller 2.
以上説明した最適メンバーシップ間数θの決定R横3に
よる処理は、メンバーシップ関数の数が多い場合にはパ
ラメータの組み合わせは膨大な数となり処理時間を要す
るので、オフライン的に機能させて最適なメンバーシッ
プ間数θを決定し、決定後にダウンロードさせる。The above-described process of determining the optimal membership interval θ using R-horizontal 3 requires a huge number of parameter combinations when there are many membership functions, and requires processing time. The number of memberships θ is determined and downloaded after the determination.
ダウンロード後はこのメンバーシップ関数により制御を
実行する使用方法が一般的であるが、プロセスの同定が
オンラインででき、かつθの決定が十分速くできる高速
処理が可能ならばオンライン同定、オンライン適応制御
が可能であり、特性の変化するプロセスに対する制御性
を向上させることも可能である。After downloading, it is common to use this membership function to perform control, but if process identification can be done online and high-speed processing that can determine θ is possible, online identification and online adaptive control can be used. It is also possible to improve controllability over processes whose properties change.
次に第2図乃至第4図により制御ルールとメンバーシッ
プ関数の例を説明する。Next, examples of control rules and membership functions will be explained with reference to FIGS. 2 to 4.
第2図は第3図のような応答特性に対応する制御ルール
の例を示すものであり、偏差Eと面差の変化量ΔEの組
合わせに対する比例、積分、微分ゲインKp 、Ki
、KOの決定ルールを示しており、NB(ネガティブビ
ッグ)、NS(ネガティブスモール)、ZE(ゼロ)、
PS(ポジティブスモール)、PB(ポジティブビッグ
)の各5種類の組合わせに対応する各ゲインBig、M
edi um、Sma l 1の3段階決定ルール構成
である。FIG. 2 shows an example of a control rule corresponding to the response characteristics shown in FIG.
, KO decision rules are shown, including NB (negative big), NS (negative small), ZE (zero),
Each gain Big, M corresponds to five types of combinations of PS (positive small) and PB (positive big).
It has a three-step decision rule configuration of edium and small 1.
このルールで例えば第3図の応答特性のスタート時点近
傍におけるの各ゲインを算出するルールは、If E
=NB and ΔE=ZEthen Kp=B
ig、に1=MediumK口=Sma l l
となり、この様な制御ルールが偏差Eと偏差の変化量Δ
E全ての組合わせに対応して予め決定されている。If E
=NB and ΔE=ZEthen Kp=B
ig, 1=MediumKmouth=Sma l l, and such a control rule will control the deviation E and the amount of change in deviation Δ
E is predetermined for all combinations.
第4図はこの様な制御ルールを反映した各E。Figure 4 shows each E that reflects these control rules.
ΔE、KPのメンバーシップ関数の形状の例であり、関
数の形状としては一般的な台形を用いているが、三角形
、正規分布曲線などを使用することも可能である。KI
、Koのメンバーシップ関数もに、と同様な形状の関数
として定義できる。This is an example of the shape of the membership function of ΔE and KP. Although a general trapezoid is used as the shape of the function, it is also possible to use a triangle, a normal distribution curve, etc. KI
, Ko can also be defined as a function of the same shape as .
最適メンバーシップ関数の決定では、上記の例では、各
E、ΔEについて各5個、Kp 、 KI。In determining the optimal membership functions, in the above example, 5 each for each E, ΔE, Kp, KI.
KOについて各3個のメンバーシップ関数を有するから
、19個のメンバーシップ関数についてのパラメータを
決定する必要があり、非線形最適化法による計算は相当
な規模となるが、電子計算機の利用により工数を要する
ことなく計算を行うことが可能である。Since each KO has three membership functions, it is necessary to determine parameters for 19 membership functions, and the calculations using the nonlinear optimization method are quite large, but the use of an electronic computer reduces the number of man-hours. It is possible to perform calculations without needing to do so.
(発明の効果)
以上説明したように、本発明によれば、(1)制御ルー
ルが既知でプロセス動特性が同定済みの条件があれば、
既知の制御ルールの範喘内で希望する応答特性に最も近
い、最良の制御性を実現する比例、積分、微分ゲインの
メンバーシップ関数(パラメータ)を公知の手法により
決定することができる!
(2)ベテランオペレータによる操業データを必要とせ
ず、最適化をはかることができるので、オペレータの操
作能力を越えた制御性を十分期待することができる。(Effects of the Invention) As explained above, according to the present invention, (1) if there is a condition in which the control rule is known and the process dynamic characteristics have been identified;
The membership functions (parameters) of proportional, integral, and differential gains that are closest to the desired response characteristics and achieve the best controllability within the range of known control rules can be determined using known methods! (2) Since optimization can be achieved without requiring operational data from experienced operators, controllability that exceeds the operating ability of operators can be fully expected.
従来手法では、オペレータの操業データをファジィ制御
で礒倣することに止どまるから、オペレータの能力′f
!J越えた制御は期待できない。In the conventional method, the operator's operational data is simply copied using fuzzy control, so the operator's ability
! Control beyond J cannot be expected.
第1図は本発明方法を適用したファジィ制御装置の実施
例を示す構成図、第2図は制御ルールの一例を示す説明
図、第3図はプロセスの過渡応答特性の説明図、第4図
はメンバーシップ関数の一例を示す説明図、第5図、第
6図、第7図は従来技術によるメンバーシップ関数決定
方法の説明図である。
1・・・プロセス 2・・・ファジィ・コントローラ
201・・・ファジィ制御ルール部 202・・・フ
ァジィ推論部 203・・・可変ゲイン部 3・・
・最適メンバーシップ関数の決定機構 ′301・・
・設定機能 302・・・見本過程計算機能 30
3・・・評価規範機能 304・・・最小化判断機能
30第2図
△E
第
啜
S エヂ E NB orrゴ ΔE−乙Ethen
、’−p□Big、ぐ工□ Metiiurn 、
Kr> −5rnoll第4
図
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l
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区
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昧
Σ
くっFIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a fuzzy control device to which the method of the present invention is applied, FIG. 2 is an explanatory diagram showing an example of a control rule, FIG. 3 is an explanatory diagram of process transient response characteristics, and FIG. 4 is an explanatory diagram showing an example of a control rule. is an explanatory diagram showing an example of a membership function, and FIGS. 5, 6, and 7 are explanatory diagrams of a membership function determining method according to the prior art. 1... Process 2... Fuzzy controller 201... Fuzzy control rule section 202... Fuzzy inference section 203... Variable gain section 3...
・Determination mechanism for optimal membership function '301...
・Setting function 302...Sample process calculation function 30
3... Evaluation criterion function 304... Minimization judgment function 30 Fig. 2
,'-p□Big,guko□ Metiiurn,
Kr> -5rnollFigure 4l l! Ku memai Σ
Claims (1)
プ関数によりファジィ演算で決定するファジィ制御装置
において、制御ルール並びに制御対象プロセスの動特性
が既知の条件で、初期設定される一組のメンバーシップ
関数と上記プロセスの動特性に基づいてプロセスの見本
過程を計算し、この見本過程の応答特性からオーバーシ
ュート,定常偏差,速応性,誤差面積の各項の一部又は
全部を計算し、上記各項の一部又は全部に対して重み係
数を乗算した値を加算した評価規範を作成し、この評価
規範を最小値にするようなメンバーシップ関数の組を非
線形最適化法により決定することを特徴とするメンバー
シップ関数決定方法。In a fuzzy control device that determines proportional, integral, and differential gains according to deviations using membership functions through fuzzy operations, a set of membership functions that are initially set under conditions where the control rules and the dynamic characteristics of the controlled process are known. Calculate a sample process of the process based on the dynamic characteristics of the above process, calculate some or all of the terms of overshoot, steady-state deviation, rapid response, and error area from the response characteristics of this sample process, and calculate each of the above terms. An evaluation criterion is created by adding a value multiplied by a weighting coefficient to some or all of How to determine membership function.
Priority Applications (1)
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP22548088A Pending JPH0272404A (en) | 1988-09-08 | 1988-09-08 | Deciding method for membership function |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0272404A (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JPH04259004A (en) * | 1990-10-16 | 1992-09-14 | Rockwell Internatl Corp | Method for feedback control and tuning apparatus |
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CN111707266A (en) * | 2020-06-03 | 2020-09-25 | 国网上海市电力公司 | Substation intelligent operation and maintenance robot path planning method |
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1988
- 1988-09-08 JP JP22548088A patent/JPH0272404A/en active Pending
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