JPH0388001A - ファジィｐｉ制御装置 - Google Patents

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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、各種の計装制御システムに利用されるファジ
ィＰＩ制御装置に係わり、特にファジィ理論を適用して
一般のＩ’ｌ調節演算結果と同等の調節出力を得るファ
ジィＰＩ制御装置に関する。

（従来の技術） 近年、種々の技術分野でファジィ理論を適用した装置が
開発されているが、プラント運転等の計装制御分野でも
同様にその試みがなされている。

従来、ファジィ理論を適用した制御装置は概略第８図に
示すような構成を有している。すなわち、このファジィ
制御装置は、目標量と制御量との偏差ｅ、その偏差の変
化分Δｅおよび調節出力ΔＭＶ等を規定する入出力レン
ジ、メンバーシップ関数およびルール等が設定されると
、ルール構築ツール１はファジィ集合（言語ラベル）の
メンバーシップ関数の作成およびルールの定義付は等を
行った後、このルール構築ツール１で作成された定義付
はルールを演算制御手段２に導入する。

この演算制御手段２では偏差ｅおよび偏差の変化分△ｅ
が入力されると、前記ルール構築ツール１で作成された
定義付はルールに基づいて制御演算を実行して調節出力
ΔＭＶを求めた後、図示されていないがこの調節出力を
前回値に加算して操作出力ＭＶを得、この操作出力ＭＶ
を用いて制御対象を制御する構成となっている。

（発明が解決しようとする課８） しかし、以上のような制御装置に適用するファジィ理論
の場合には、メンバーシップ関数の作成方法およびルー
ルの与え方等に自由度が多すぎるために、これらルール
を構築する者がメンバーシップ関数の作成およびルール
の定義付は等のチューニングに多大な労力を要し、また
構築されたルールもルール構築者によってまちまちであ
り、適切な調節出力を得ることが難しい。また、ルール
構築者の任意性に委ねた場合、ファジィ理論に馴染みが
薄いと非常にとつつくに＜＜、そのためにファジィ理論
をＰＩ制御等に十分生かしきれなかったり、その制御系
への適用普及度が著しく遅れる問題がある。

本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、メンバーシ
ップ関数、ルールの与え方および推論法にある程度の制
限を加えつつルールを構築可能とすることにより、ファ
ジィ制御の良さを失わない程度にパラメータの自由度を
減らすことにより、ＰＩ制御に対するファジィ理論の適
用を容易とし、ファジィ理論に馴染みの薄いルール構築
者でも少ない労力で適切なルールを構築しうるファジィ
ＰＩ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） 本発明は上記課題を解決するために、目標量と制御対象
からの制御量との偏差およびその偏差の変化分を用いて
ファジィ理論により調節出力を得るファジィＰＩ制御装
置において、前記偏差。

偏差の変化分等の入出力レンジと言語ラベルの代表点か
らメンバーシップ関数を作成するメンバーシップ関数作
成手段と、このメンバーシップ関数作成手段で作成され
たメンバーシップ関数および一部のルールを用いて全領
域にルールを拡張するルール拡張手段と、前記偏差およ
び偏差の変化分について前記ルール拡張手段で拡張され
たルールに基づいて制御演算を行って調節出力を得る制
御演算手段とを備えた構成である。

（作用） 従って、本発明は以上のような手段を講じたことにより
、入出力レンジ、言語ラベルの代表点および一部のルー
ルを与えると、メンバーシップ関数作成手段では入出力
レンジおよび言語ラベルの代表点から自動的にメンバー
シップ関数を作成し、またルール拡張手段では当該一部
のルールを用いて全領域のルールを自動的に拡張する。

この状態において偏差および偏差の変化分が入力される
と、演算制御手段では前記拡張されたルールに基づいて
推論法により制御演算を行うことにより、通常のＰＩ制
御と同等の調節出力を得ることができる。

（実施例） 以下、本発明の一実施例について図面を参照して説明す
る。第１図は本発明に係わるファジィＰＩ制御装置の全
体構成を示す図である。同図において１１は制御の実行
対象となる制御対象、１２は制御対象１１から得られる
制御量を検出する検出器、１３は目標量Ｓｖと検出器１
２で得られた制御量Ｐｖとの偏差ｅを求める偏差演算手
段であって、ここで得られた偏差ｅは偏差変化分演算手
段１４およびファジィ演算制御部１５に導入される。こ
の偏差変化分演算手段１４は前回偏差から今回偏差を減
算して偏差の変化分△ｅを求める機能をもっている。一
方、ファジィ演算制御部１５はファジィ理論を用いて通
常のディジタルＰＩ調節演算結果と同等の調節出力ΔＭ
Ｖを求める機能をもっている。１６は前回までの調節出
力に今回の調節出力ΔＭＶを加算して操作出力ＭＶを得
る信号変換手段である。

次に、第２図はかかるファジィ演算制御部１５の構成を
示す図であって、入出力レンジのほか、入力分点つまり
言語ラベルとその代表点を受けると、入力レンジに対す
る代表点を大きさの順序でならべてメンバーシップ関数
を作成するメンバーシップ関数作成手段１５１と、ルー
ルの一部を利用して全領域にルールを拡張するルール拡
張手段１５２とによってルール構築ツールを構成する。

１５３は偏差ｅおよび偏差変化分Δｅを受けてルール拡
張手段１５２で拡張されたルールに従いながら推論法に
より制御演算を行って調節出力を求める演算制御手段で
ある。この推論法には例えばＭＡＸ−代数法を用い、重
みつき平均値により調節出力を求めるものである。

次に、以上のように構成された装置の動作を説明する。

偏差演算手段１３にて目標量Ｓｖから検出器１２で得ら
れた制御量Ｐｖを減算して偏差ｅを求めた後、この偏差
ｅを偏差変化分演算手段１４およびファジィ演算制御部
１５に送出する。

この偏差変化分演算手段１４では前回偏差と今回偏差と
から偏差変化分Δｅを求めた後、同様にファジィ演算制
御部１５に送出する。

このファジィ演算制御部１５では次のような処理を行う
。先ず、オペレータが偏差ｅ１偏差変化分△ｅおよび操
作出力変化分ΔＭＶ等の入出力レンジのほか、偏差ｅに
対する言語ラベル（ファジィ集合の名称）Ｅ８とその代
表点ｅ１、偏差変化分Δｅに対する言語ラベルΔＥ”と
その代表点Δｅ１′をメンバーシップ関数作成手段１５
１にセットする。

例えばオペレータは入出力レンジとして、ｅニー１００
〜１００、Δｅニー１００〜１００、ΔＭＶニー１００
〜１００ をセットし、一方、言語レベルとその代表点として、 ｅがｚＯ ｅ　カ（ＰＢ ｅがＮＢ ΔｅがｚＯ ΔｅがＰＢ ΔｅがＮＢ をセットする。

ここで、メンバーシップ関数作成手段１５１は、前記入
力レンジおよび代表点を受けると、この代表点について
大きさの順序に並べて第３図および第４図に示すような
メンバーシップ関数を作成す　ｍ−Ｏ ｅ　■　１００ −−１００ ΔｅｌｌｌｌＯ Δｅ−１００ Δｅ−−１００ る。今、代表点の順序がｅ　−Ｎ＜　ｅ　−Ｎ＋１　＜
・・・＜ｅＮ。

△ｅ−Ｍ＜△ｅ−Ｍや、く・・・くΔｅＭとし、言語ラ
ベルＥｎの代表点をｅｌ、言語ラベルΔＥ、の代表点を
△ｅ、とすれば、Ｅ　１１　＊ΔＥ、のメンバーシップ
関数ψ、（ｅ）、Δψ、（Δｅ）は数式的には、ψ・（
ｅ）−（（：ｎｎ二ｔ“じ）：÷。に：÷−゛）　　　
・・・　（１）Δψｍ（Δｅ）−Ｈ灯ニ鰭＄１）、／（
，２：　＝鰭テ５・・・（２）と定義できる。但し、（
１）式では（ｅａ−１≦ｅ≦ｅａ）、（ｅＩｌ≦ｅ≦ｅ
ａ＋＋）なる関係にあり、また、（２）式では（Δｅ、
−１≦Δｅ≦Δｅａ）、（Δｅ、≦Δｅ≦Δｅ＋ｓ＋１
）なる関係にある。

一方、ルール構築ツールのルール拡張手段１５２には第
５図に示す如く偏差ｅに関して一列分、偏差の変化分Δ
ｅに関して一列分のルールが人力される。このルールは
第５図から明らかなように、ｉｆ　　ｅ　　ｉｓ　　Ｐ
Ｂ、Δｅ　　ｉｓ　　２０ｔｈｅｎ　　△Ｍ　Ｖ　−ａ ｉｆ　　ｅ　　ｉｓ　　ＺＯｓΔｅ　　ｉｓ　　ＺＯｔ
ｈｅｎ　　△ＭＶ−０ ｉｆ　　　ｅ　　　ｉｓ　　　Ｎ　Ｂ　ｓ　　Δｅ　　
　ｉｓ　　　ＺＯｔｈｅｎ　　　６Ｍ　Ｖ　−−ａ ｉｆ　　　ｅ　　　ｉｓ　　　ＺＯ１Δｅ　　　ｉｓ　
　　ＰＢｔｈｅｎ　　　ΔＭＶ−ｂ ｉｆ　　　ｅ　　　　ｉｓ　　　ＺＯｓ　　Δｅ　　　
　ｉｓ　　　ＮＢｔｈｅｎ　　　ΔＭＶ−−ｂ で表わされる。なお、ルールの条件部に関しては確定値
とする。

ところで、一部のルールしかセットされていないので、
第５図に示す如く幾つかの領域にはルールが存在しない
。そこで、ルール拡張手段１５２では前述した一部のル
ールを元に空き領域についてルールを拡張していく。す
なわち、相対する偏差および偏差変化分の２つの既知ル
ールが、Ｒ’゛’　：　ｅ　　ｉｓ　Ｅ　ＩｓΔｅ　　
ＩｓΔＥ０ｔｈｅｎ　　ΔＭＶ−ａｔ　　（Ｎ≦ｉ≦Ｎ
）Ｒ”　’　　：　ｅ　　ｉｓ　Ｅ　ｏ　ｓΔｅ　　Ｉ
ｓΔＥ。

ｔｈｅｎ　　６Ｍ　Ｖ　−ｂ＋　Ｈａ（ｏ　　Ｍ≦ｊ≦
Ｍ。

ｊ≠０） であるとき、ルール拡張手段１５２では、Ｒ”’　　：
　　ｅ　　１ｓ　　Ｅ　Ｉｓ　　Δｅ　　Ｉｓ　　△Ｅ
。

ｔｈｅｎ　　ΔＭＶｍａ、＋ｂ。

（−Ｎ≦　ｉ　≦Ｎ、−Ｍ≦　ｊ　５Ｍ）　　・・・・
・・　（３）となるように空き領域のルールを決定する
。

以上のようにして拡張ルールを求めたならば、演算制御
手段１５３では拡張されたルールに基づき例えばＭＡＸ
−代数積法なる推論法を用い、かつ、重みつき平均値に
より調節出力を求める。

すなわち、演算制御手段１５３への人力がｅ０Δｅ０の
とき、ルール Ｒ”　　：　ｅ　　１ｓ　Ｅ　＋　ｓΔｅ　　ｉｓΔＥ
１ｔｈｅｎ　　ΔＭＶｍａｔ＋ｂ１ｍ△ＭＶの適合度ω
０はＭＡＸ−代数積法を用いて、ω０−ψ　（ｅ　Ｏ）
　＊Δψ、（Δｅ　’）　　　　−・−−−−（４）■ を得、さらに次式にように重み付き平均値にて調節出力
ΔＭＶ’を求める。

・・・・・・　（５） 従って、前記（３）式に従って空き領域のルールを拡張
し、かつ、（１）式、（２）式、（４）式および（５）
式等からΔＭＶとｅ、Δｅとの関係を求めると、第６図
に示すような関係になる。

この図から明らかように望ましい演算出力△ＭＶは、 一１００≦ｅ≦１００、−１００５Δｅ≦１００の範囲
では、 ΔＭＶ−ａ＊ｅ＋ｂ−Δｅ−ｆ（ｅ）＋ｇ（△ｅ）・・
・・・・（６） となり、この式においてｆ（ｅ）、ｇ（Δｅ）を第７図
（ａ）、（ｂ）に示すようなおれ線で近似へ ΔＭＶ−ｆ　　（ｅ）　　＋ｇ　　（Δｅ）となる調節
出力を得ることができ、この（６）式は通常のＰＩ制御
の式に相当する。

従って、以上のような実施例の構成によれば、偏差、偏
差変化分等の入出力レンズのほか、言語ラベルと代表点
を与えてメンバーシップ関数を作成した後、このメンバ
ーシップ関数と一部のルールを用いて空き領域について
新たにルールを拡張することにより、制御装置に十分に
有効な調節出力を得ることができる。ここで、十分有効
なという意味は通常のＰＩ制御と同様な望ましい調節出
力ΔＭＶ、つまり、 ΔＭＶ城　ｆ　　（ｅ）　　＋ｇ　　（Δｅ）となって
いるとき、おれ線で近似した関数ｆ　（ｅ）、となる制
御を行えるという意味であり、通常のＰＩ制御と同様な
制御を行うことができる。また、おれ線近似という視点
から見ると、ｅ、Δｅの代表点がおれ線の分点、またル
ール条件部の確定値が分点での値となっている点におい
てファジィ理論から離れた入出力の意味づけがなされて
いる。

このことは、ファジィ理論に馴染みの薄いルール構築者
でも少ない労力でほぼ同一のルールを構築でき、ルール
の構築作業が非常に容易になり、種々の計装制御システ
ムに有効に活用できる。

なお、上記実施例では言語ラベルと代表点の数を３つと
したが、特にその数を問うものではない。

その場合には当然空き領域が多くなるが、（３）式でル
ールを拡張できることはいうまでもない。

その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形
して実施できる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、メンバーシップ関
数、ルールの与え方および推論法にある程度の制限を加
えてルールを構築したことにより、ＰＩ制御に対するフ
ァジィ理論の適用が容易となり、ファジィ理論に馴染み
の薄いルール構築者でも少ない労力で適切なルールを構
築できるファジィＰ！制御装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第７図は本発明装置の実施例を説明するた
めに示したもので、第１図は本発明装置の全体構成図、
第２図は第１図のファジィ演算制御部をよ５り具体化し
た図、第３図および第４図はそれぞれメンバーシップ関
数を示す図、第５図は入力ルールの配列図、第６図は偏
差ｅ、Ｑ差の変化分Δｅおよび調節出力ΔＭＶの関係図
、第７図は調節出力の各偏差関数および偏差変化分関数
をおれ線化した図、第８図は従来装置のファジィ演算制
御部の構成図である。 １１・・・制御対象、１２・・・検出器、１３・・・偏
差演算手段、１４・・・偏差変化分演算手段、１５・・
・ファジィ演算制御部、１６・・・信号変換手段、１５
１・・・メンバーシップ関数作成手段、１５２・・・ル
ール拡張手段、１５３・・・演算制御手段。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 目標量と制御対象からの制御量との偏差およびその偏差
   の変化分を用いてファジィ理論により調節出力を得るフ
   ァジィＰＩ制御装置において、前記偏差、偏差の変化分
   等の入出力レンジと言語ラベルの代表点からメンバーシ
   ップ関数を作成するメンバーシップ関数作成手段と、こ
   のメンバーシップ関数作成手段で作成されたメンバーシ
   ップ関数および一部のルールを用いて全領域にルールを
   拡張するルール拡張手段と、前記偏差および偏差の変化
   分について前記ルール拡張手段で拡張されたルールに基
   づいて制御演算を行って調節出力を得る制御演算手段と
   を備えたことを特徴とするファジィＰＩ制御装置。