JPH04131905A - ファジィ制御装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 この発明は、ファジィ推論によって操作量を決めて制御
するファジィ制御装置に関し、特に時間的な応答の調節
技術に関する。

〔従来技術〕

従来のファジィ制御装置としては、例えば第５図および
第６図に示すようなものがある。

ファジィ制御方式は、人間のもつ制御知識をファジィ制
御ルールによって表現し、ファジィ推論によって操作量
を決定する方式である。第５図に示すようなファジィ制
御系で、対象システムの状態に関する情報をＸ□、ｘ２
、対象システムへの入力である操作量をＵとすると、制
御知識は、例えば次のような１ｆ−ｔｈｅｎ形式のファ
ジィ制御ルールで表わされ、ファジィ制御装置の知識ベ
ースに格納される。

ｉｆ　Ｘ１ｉｓ　ｈｉｇｈ　ａｎｄ　ｘ２ｉｓ　ｌｏｗ
、　ｔｈｅｎ　ｕ　ｉｓ　１ｕｍｉｆ　ｘｉｉｓ　ｌｏ
ｗ　ａｎｄ　ｘ２ｉｓ　ｌ１ｅｄｉｔＡＩｌ、　ｔｈｅ
ｎ　ｕ　ｉｓ　ｌｏｗこれらのファジィ制御ルールにお
いて、ｉｆの部分は条件部（前件部）　、　ｔｈｅｎの
部分は結論部（後件部）と呼ばれる。そのなかの変数Ｘ
□、ｘ２は制御装置にとって入力であり、Ｕは出力であ
る。また、ｈｉｇｈ、　ｌｏｗ、ｍｅｄｉｕ＋ｗはｘ、
、ｘ、、ｕがとるファジイ値で、あいまいさを表現する
メンバーシップ関数で定義されるファジィ集合である。

ファジィ制御装置は、対象システムから情報ｘｉ、　Ｘ
、を入力として取り込み、知識ベースにあるファジィ制
御ルールを使ってファジィ推論を行ない、操作量Ｕを決
定し、対象システムへ出力する。

ファジィ制御におけるファジィ推論は、知識工学のプロ
ダクションルールで用いる多段の推論とは違って一段の
推論である。また、条件部の入力変数を、測定にあいま
いさが存在するファジィ値として扱うことも出来るが、
確定した数値として扱うことも出来る。

ファジィ制御におけるファジィ推論の方法は。

次の三つのステップ ■条件部の適合度を求める ■ルールごとに推論結果を求める ■全体の推論結果を求める からなるが、いくつかの実現方法がある。

以下、一般に使われている実現方法の概略を、２人力、
１出力の場合を例として説明する。第６図は、この推論
方法を示したものである。

まず、例として、次の二つのファジィ制御ルールだけか
らなるものとする。

ｉｆ　Ｘ１ｉｓ　Ａ□、ａｎｄ　Ｘ２ｉｓ　Ａｔｚｔ　
ｔｈｅｎ　ｕ　ｉｓ　ＢＸｉｆ　ｘｌｉｓ　Ａ２１ａｎ
ｄ　ｘ２ｉｓ　ＡＨｔ　ｔｈｅｎ　ｕ　ｉｓ　Ｂ。

１人力、１出力をもつプロセスの定置制御を考え、制御
装置への入力を、目標値からの偏差ｅ（＝ｘ、）とその
偏差の時間的変化分Δｅ　（＝　ｘ２）とし、出力を操
作量の変化分Δｖ（＝ｕ）とした場合には下記のような
定式化になる。

（１）条件部の適合度を求める。

入力値を確定値としたとき、制御ルールの条件部“Ｘ、
　ｉｓ　Ａ、□”　、　　”ｘ、　ｉｓ　Ａ１□”に対
する入力ｘ、＝ｘ□、Ｘ２＝ｘ２の適合度をファジィ値
Ａ１１とＡ１２のメンバーシップ関数の値μ＾、□（ｘ
ｌ）、μ＾ｔｚ（Ｘｚ）とする。なお、以下の説明では
ファジィ集合Ａのメンバーシップ関数をμ＾（Ｘ）と書
くことにする。

そして、”　Ｘ１ｉｓ　Ａｌｌ　ａｎｄ　ｘ２ｉｓ　Ａ
１２’に対して、その適合度を ω凰＝μ＾ｔｔ（Ｘｔ）Δμ＾ｔｚ（Ｘｉ）　　　ｉ　
＝　１　、２・・・（１） によって計算する。なお、△は最小値をとる演算である
。

（２）ルールごとに推論結果を求める。

ｉ番目のルールによる推論結果を、ｉ番目のルールの結
果部のファジィ値を定義するメンバーシップ関数μＢ１
をω１倍したメンバーシップ関数ωｉ・μＢＩとする・ （３）全体の推論結果を求める。

推論結果の適合度による重み平均として、出力値を計算
する。二つのルールによる推論結果の統合Ｕは、各ルー
ルの結果部のメンバーシップ関数ω１・μＢ１＋　ω２
−μＢ２からメンバーシップ関数μＢ（＝ω、・μａ、
Ｌｌω２・μａＪを求め、その重心として、すなわち各
ルールの適合度ω１による重み付き平均 ｕ＝／μ５（ｕ）ｕｄｕ／／μａ（ｕ）ｄｕ　　−・・
（２）として求める。なお、Ｕは最大値をとる演算であ
る。したがって、ファジィ推論は各ルールの適合度を用
いた総合判断となる。

上記のようなファジィ制御装置１は、汎用のマイクロコ
ンピュータを専用のプログラムで動かしたり、ファジィ
推論用のＲＩＳＣマシンを使ったり、さらには専用に開
発されたファジィ・チップを使ったりする。

しかし、上記のように通常のファジィ制御では時間の概
念が全くない。制御ルールおよび推論においてもパラメ
ータとして時間が入ってこない。

このことは比較的遅い制御やエキスパートシステムでは
問題にならないが、少し高速の制御では基本的な課題と
なる。

また、ファジィ制御装置全体を古典的な意味での制御器
と考えると、その応答関数Ｇ（Ｓ）を決めることは制御
系の安定性等にとっても重要である。通常のファジィ制
御の方式では、Ｇ（Ｓ）を自由に調節することはできな
い、全体に遅延を施すことは出来るが、ファジィ制御は
一般に非線形制御であるので、−律に遅延をかけるのは
自由度が少な過ぎる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記のように、従来のファジィ制御装置においては、時
間のパラメータが直接入ってこない制御方法が通例とな
っていたため、比較的高速の制御において、その応答関
数Ｇ（Ｓ）を調節する自由度が少ないという問題点があ
った。なお、ファジィ制御は、一般に非線形制御である
ので、その−部の線形部分でしか定義できないが、議論
を分かりやすくするために応答関数で考える。

本発明は、上記のごとき従来技術の問題を解決するため
になされたものであり、ファジィ制御にあいまいな時間
の概念を導入し、ファジィ制御の時間応答に柔軟性を持
たせたファジィ制御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〕

上記の目的を達成するため１本発明においては、特許請
求の範囲に記載するように構成している。

すなわち、本発明においては、推論規則として時間に関
するあいまいな表現を含むものを用い。

時間に関するあいまいな表現からファジィ推論を行なっ
て遅延時間量を求める手段と、遅延時間量に応じて操作
量に時間遅延要素を与える遅延手段と、を備えることに
より、時間遅延要素を含んだ操作量によって制御対象を
制御するように構成したものである。

〔発明の実施例〕

第１図は、本発明の一実施例図であり、（ａ）は構成を
示すブロック図、（ｂ）ファジィ制御ルールと推論方法
の概念を示す特性図である。

まず構成を説明すると、ファジィ推論部３と非ファジィ
化部５がある。ファジィ推論部３では各ルールの結果部
（後件部）のメンバーシップ関数を合成するところまで
を行ない、非ファジィ化部５では前記（２）式の重み付
き平均演算（重心演算）を行なう。更に遅延手段６が設
けられている。

ファジィ制御器の応答を決める方法は次のようになって
いる。すなわち、ファジィ制御ルールに（１）　ｉｆ　
Ｄ＝ｓｍａｌｌ　ａｎｄ　Ｖ＝１ａｒｇｅ、　ｔｂｅｎ
　ｉｍｅｄｉａｔｅ取り　＝ｌａｒｇｅ。

（２）ｉｆＤ＝ｈｒｇｅａｎｄＶ＝ｓｍａｌｌ、ｔｈｅ
ｎｓｏｏｎｅｒ　　　Ｂ＝ｓｍｌｌ。

のように、　ｉｍＩＩｅｄｉａｔｅｌｙ　（直ちに）　
、　’５ｏｏｎｅｒ　（早めに）　、　１ａｔｅｒ　（
ゆっくり）などの時間遅れを示すファジィ量を挿入する
。例えば、自動車における車間距離の制御を考えた場合
には、Ｄは車間距離、■は車速、Ｂはブレーキ力に相当
する。

上記のルールを用いてファジィ制御装置の応答を決める
方法はいくつか考えられるが、第１図（ｂ）に示す方法
の場合には、後件部の変数にＢと共に遅延時間Ｔ−を追
加し、Ｔ、に関して通常のファジィ推論を行ない、その
推論結果Ｔａ０によって操作量Ｂ。に遅延を与えて最終
の操作量Ｂ。′とする。なお、上記の遅延は遅延手段６
によって与える。

操作量Ｂ０は第３図に示す通常のファジィ推論で導かれ
る。すなわち、車間距離りと車速Ｖに関する入力データ
Ｄ０、ｖｏを基に、ファジィ・ルールに含まれるｓｍａ
ｌｌ−ｌａｒｇｅに対するメンバーシップ関数のｗｉｎ
によって適合度ｇ０、ｇ２を求め、後件部のメンバーシ
ップ関数をそれぞれｇｌ−ｇ２で頭切りして各ルールの
結論を求める。さらに、各ルールの結論を合成し１合成
されたメンバーシップ関数の重心を求めて操作量Ｂ。が
推論される。

また遅延時間Ｔ−についても“ｉｍｍｅｄｉａｔｅｌｙ
””５ｏｏｎｅｒ”に対応するメンバーシップ関数を用
いて、遅延時間Ｔ、（１が推論される。従って、時刻ｔ
の最終操作量Ｂ。′（し）は Ｂ、’（ｔ）＝Ｂｏ（ｔ−Ｔｄｏ）　　　＝−（３）と
なる。

簡単のために、ＴｏやＢ。は重心法ではなく高さ法（す
なわち、後件部がファジィ量でない場合に対応する）で
非ファジィ化すると考える。人力Ｄ０、ｖｏがそれぞれ
やや大きい時を想定すると、適合度は二つのルールに対
してそれぞれｇ、：　　　（（Ｖｏ−Ｖｌ）＋　ｂ）　
　　　−（４）ｇ２＝−（（Ｄ、−Ｄ、）＋ｃ）　　　
　−（５）である。上記（４）式、（５）式において、
Ｄ□。

ｖｌ、ｂ、ｃはメンバーシップ関数の形状を決めるパラ
メータである。なお、ここでは第３図に示すように、簡
単のために台形状のメンバーシップ関数を仮定している
。Ｔｄｏ、Ｂｌ、はｇ　ｘ　＋　ｇ　ｚ で与えられる。上記（６）式、（７）式において、Ｔ、
は“ｉｍ＋＊ｅｄｉａｔｅｌｙ″、Ｔｓは“５ｏｏｎｅ
ｒ”、Ｂａは“ｌａｒｇｅ”、Ｂｓは”ｓ＋＊ａｌｌ”
にそれぞれ対応する非ファジィ量（１０秒、Ｌｏｏｍな
どの具体的な数字）であり、 プ関数をチューニングすることでファジィ制御装置の応
答性を調節することが出来、制御系の安定性を十分に確
保することが出来る。

自動車における車間距離の制御を例として具体的に説明
すると、下記第１表に示すように１時間的な記述（直ち
に、早めに、ゆっくり）を含めてルールが作られる。

となる。入力り、、、ｖｏが変化すればｇｌ、ｇ２すな
わちＴ−ｎが変化して時間応答が変化する。前記のファ
ジィ制御ルールの場合には、ルール（１）が支配的であ
ればＴ、。は小さく、ルール（２）が支配的であればＴ
。は比較的大きくなる。上記ルールのような応答の指定
が、制御系の安定性に有利であると仮定すると、Ｔ６に
関するメンバーシソ上記のごとき時間的な記述は、実際
に自動車を運転している状況を考えると、良く対応して
いることが判る。例えば、車速か大きく、車間距離が小
さい場合は、「直ちに」ブレーキをかける必要がある。

しかし、あまり急ブレーキをかけると危ないので、その
ブレーキをかける程度が「直ちに」という量に設定され
ているメンバーシップ関数によって調節される。このよ
うにして、時間を含むファジィ制御ルールと、遅延を制
御する手段とを設けることにより、時間軸の制御を良好
に行なうことが出来ると共に、制御系の応答性を調節す
る自由度が大きくなる。

次に、第２図は、本発明の他の実施例図であり、（ａ）
は構成を示すブロック図、（ｂ）は制御方法の概念を示
す特性図である。なお、ファジィ制御ルールは前記第１
図の場合と同じである。

第２図の実施例では、ファジィ推論部３′は各ルールご
とに遅延を推論し、遅延手段６−１〜６−Ｎを制御して
遅延量含んだ各推論結果を求め、最後に非ファジィ化部
５′で重心演算を行なって操作量Ｂ０を求める。

次に作用を説明する。

ファジィ制御ルールは第１図と同じである。異なる点は
ルールごとに遅延を決めることである。

このようにすると応答の調節にさらに幅を持たせること
か出来る。遅延時間Ｔａは、ルールごとにそのメンバー
シップ関数の重心を求めたり高さを求めたりして遅延Ｔ
−１、Ｔｄｚを決める。従って５第１図の場合と同様に
高さ法で非ファジィ化すると、操作量Ｂ０は で与えられ、第１図の場合よりもさらに時間応答の調節
のパラメータが増える。ルールごとの遅延時間Ｔ、□、
Ｔ６□を決める方式をフレキシブルにすれば、上記（９
）式の時間応答をかなり柔軟性良く調節することが出来
る。

なお、第１図及び第２図の実施例において、非ファジィ
化として重心法を用いても、式は複雑になるが同様の議
論が成り立つ。

また、上記の説明においては、制御装置の安定性を中心
に考えたが、実際にファジィ制御ルールに時間の概念を
加えたい時には、上記の方法が有効である。つまり、成
るルールは迅速に、他のルールはゆるやかに効かせたい
時に非常に有効である。例えば、前記の車間距離制御に
おいては、車速が速くて車間距離が短い場合にブレーキ
をすばやく踏むのは、経験的にうなずけることである。

次に、第４図は、第１図における遅延手段６の一実施例
の回路図である。第４図の回路は、複数のインバータ１
０からなる連鎖を、クロックφ□、φ２、φ３、φい・
・・で制御されるクロックド・インバータ１１のオン・
オフによって切り替えることにより、遅延時間を変える
構成である。クロックド・インバータ１１は、φ＋＝Ｏ
のとき出力はハイ・インピーダンス、φ１＝１のときは
インバータ（反転出力）になる回路である。従って、遅
延時間Ｔ、。が第４図に示した表のように８ビツト１？
　（００００００００）　〜（ｌ　ｌ　１１１１１１）
のように与えられると、クロックφ、が順番に切り替わ
り、インバータ１ｏの連鎖による遅延時間が順次変化す
る。このように、推論されたＴ　ｄ、よって遅延手段６
が制御される。

なお、遅延手段６は、アナログ・スイッチのゲート電圧
を制御する構成でも実現することが出来る。

〔発明の効果〕

以上説明してきたように、この発明によれば、あいまい
な時間記述を含むファジィ制御ルールを用いて遅延時間
に関する通常のファジィ推論、あるいはルールごとの推
論を行ない、その結果の遅延時間によって操作量に時間
遅延要素を与えるように構成したことにより、非線形制
御器であるファジィ制御装置の時間応答を柔軟に調節し
、制御系の安定性を確保すると共に、時間に関するファ
ジィ制御を可能にすることが出来る。という優れた効果
が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のブロック図、第２図は本発
明の他の実施例のブロック図、第３図は本発明で用いる
メンバーシップ関数の一例図、第４図は遅延手段の一実
施例の回路図、第５図は従来のファジィ制御系のブロッ
ク図、第６図は従来のファジィ制御の概念を示す特性図
である。 〈符号の説明〉 １・・・ファジィ制御装置 ２・・ファジィ制御ルール ３．３′・・・ファジィ推論部 ４・・・制御対象システム ５．５′・・・非ファジィ化部 ６・・・遅延手段 １０・・・インバータ １１・・・クロックド・インバータ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　あいまいな表現を含む推論規則からフアジイ推論によ
   って操作量を決めて制御対象を制御するファジィ制御装
   置において、 上記推論規則は時間に関するあいまいな表現を含むもの
   であり、 上記時間に関するあいまいな表現からファジィ推論を行
   なって遅延時間量を求める手段と、上記遅延時間量に応
   じて操作量に時間遅延要素を与える遅延手段と、を備え
   、 時間遅延要素を含んだ操作量によって制御対象を制御す
   ることを特徴とするファジィ制御装置。