JPH0471005A - プログラマブルコントローラ - 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】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） 本発明はファジィ制御演算を使用したプログラマブルコ
ントローラに係り、特に制御のチューニングの簡便化を
図り得るようにしたプログラマブルコントローラに関す
るものである。

（従来の技術） 従来から、例えばプロセス制御に用いられるプログラマ
ブルコントローラとしては、ＰＩＤ制御演算等の各種の
制御演算を使用したものがある。

また、最近では、ファジィ制御演算を使用して制御を実
行させるプログラマブルコントローラが用いられてきて
いる。そして、この種のファジィ制御演算を使用したプ
ログラマブルコントローラにおいても、従来のＰＩＤの
ような制御演算を使用したプログラマブルコントローラ
の場合と同様に、その制御を最適状態に近づけていくた
めの操作、すなわちチューニングを行なうことが必要で
ある。

ところで、ＰＩＤ制御演算を使用したプログラマブルコ
ントローラにおけるチューニングは、制御パラメータ（
比例ゲイン、積分時間、微分時間）を変更することであ
るが、ファジィ制御演算を使用したプログラマブルコン
トローラにおいても、何等かのパラメータを変更してチ
ューニングを行なう必要がある。そして、この場合、変
更の対象となるパラメータの代表的なものは、メンバシ
ップ関数または制御テーブルである。

そこで、従来では、このファジィ制御のメンバシップ関
数を変更する場合には、メンバシップ関数そのものを変
更して、その効果を変更させるようにしている。メンバ
シップ関数は、非線形の関数の集合体であり、一般には
第４図に示すような形式で定義されている。すなわち、
入力情報かそれぞれのメンバシップ関数に属する程度を
示す情報を出力値として与える関数群として定義されて
いる。このメンバシップ関数は、どのような形で定義す
ることも可能であるが、図示のような台形と三角形の組
合わせで表わされるのが通常である。

制御のチューニングは、このようなメンバシップ関数の
定義を変更していくことにより行なうことができる。す
なわち、例えばある入力情報に対してゲインを上げるイ
メージの時には、三角形の山を高くするような定義の仕
方をする。また、あるメンパンツブ関数の適用範囲を広
げるという目的では、三角形の幅を広げるような定義の
仕方をすることかできる。

以下、この点について、従来のＰＩＤ制御演算を使用し
たプログラマブルコントローラにおけるチューニングと
の関連において説明する。

制御対象に応じて制御内容を定義するためには、上述の
メンバシップ関数を入力情報に応じて定義して、ファジ
ィ化を定義する。この場合、一般には、このメンバシッ
プ関数は入力毎に定義するのではなく、全ての入力情報
で共通の形式をとる。

制御の内容は、変換テーブル側で設定される。

ファジィ制御演算を使用したプログラマブルコントロー
ラとして、制御対象に応じた制御内容の決定、パラメー
タのチューニングに相当する処理は、従来のＰＩＤ制御
演算を使用したプログラマブルコントローラにおけるＰ
ＩＤパラメータをチューニングしていたのと同様に、フ
ァジィ化のための変換テーブルであるメンバシップ関数
または演算テーブルを変更することである。具体的には
、メンバシップ関数の形式または演算テーブルの内容を
変更することになる。

いま、ある入力情報について、その値が制御演算に影響
する程度を変化させていくことを考える。

これは、従来のＰＩＤ制御演算を使用したプログラマブ
ルコントローラにおける比例ゲイン、積分時間等の変更
・チューニングに相当する。ここで、メンバシップ関数
をチューニングする場合を考えると、ある特定の入力情
報の値に対して、メンバシップ関数を例えば第５図に示
すように変形することが、これに相当する。

しかしながら、このようにメンバシップ関数を変更する
ことは、図形上は把握し易いが、実際にはそのような変
更を数値に置き換えることが非常に複雑であるばかりで
なく、その変更による効果を認識し難いという問題があ
る。また、この変更は、通常特定の入力情報についての
みく有効であるので、それ以外の入力情報を変換するに
は、それぞれに応じたメンバシップ関数が必要になって
くる。このように、メンバシップ関数は、入力情報の数
に応じてそれぞれに用意することが理想的であるか、実
際にはそれたけの数のメンバシップ関数を定義すること
、メンバシップ関数の定義をコントローラ内部に格納・
記憶することか困難であるため、−組しか用意されてい
ない。

上述したように、メンバシップ関数が全入力情報に対し
て一組しか用意されていないことがら、実際のチューニ
ングは演算テーブルを変更することにより行なうことに
なる。すなわち、第６図は演算テーブルの一例を示す図
であり、これを例えば第７図に示すような演算テーブル
に変更することになる。この場合、結果的には２人力の
両者について、その制御性に対する効果が変わってくる
ことかわかる。

しかしながら、このように演算テーブルを変更する場合
にも、変更のだめの作業か非常に煩雑であるという問題
がある。

（発明が解決しようとする課題） 以上のように、従来のファジィ制御演算を使用したプロ
グラマブルコントローラでは、メンバシップ関数または
演算テーブルを変更するという作業が非常に煩雑であり
、把握し難く、結果として制御のチューニングを容易に
行なえないという問題があった。

本発明の目的は、メンバシップ関数または演算テーブル
の形式を一切変更することなく、制御のチューニングの
簡便化を図ることか可能な極めて信頼性の高いプログラ
マブルコントローラを提供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記の目的を達成するために本発明では、制御対象から
得られる入力情報をメンバシップ関数を用いてファジィ
化し、当該ファジィ化された情報に基づいてファジィ制
御演算を実行して制御出力を決定し、制御対象を制御す
るようにしたプログラマブルコントローラにおいて、制
御対象から得られる入力情報をメンバッシップ関数の入
力情報にデータ変換する入力補正機能手段を備え、入力
補正機能手段によるデータ変換の内容をファジィ制御実
行の任意の時点で適宜変更するようにしている。

（作用） 従って、本発明のプログラマブルコントローラにおいて
は、制御対象から得られる入力情報が、コントローラ本
体へ入力される前に、入力補正機能手段にてメンバッシ
ップ関数の入力情報にデータ変換されるため、この入力
補正機能手段によるデータ変換の内容をファジィ制御実
行の任意の時点で適宜変更することにより、メンバシッ
プ関数または演算テーブルの形式を変えずに、各メンバ
シップ関数または演算テーブルの有効度、制御への影響
の大きさ、影響の仕方を変化させることが可能となる。

これにより、メンバシップ関数または演算テーブルの形
式を変更した場合と同一の効果が得られ、制御のチュー
ニングを極めて簡便に行なうことができる。

（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、本発明によるプログラマブルコントローラの
構成例を示すブロック図である。本実施例のプログラマ
ブルコントローラは、データ入出力部１と、アナログ／
デジタル変換部（以下、ＡＤＣと称する）２と、ＲＯＭ
３と、ＲＡＭ４と、中央処理装置（以下、ＣＰＵと称す
る）５と、マンマシン６と、マンマシンインタフェース
７とから構成している。また、ＡＤＣ２、ＲＯＭＢ、Ｒ
ＡＭ４、ＣＰＵ５と、マンマシンインタフェース７は、
バス８により互いに接続している。

ここで、データ入出力部１は、制御対象であるプロセス
から得られる入力情報を入力すると共に、ＣＰＵ５で決
定される制御出力を制御対象の操作端へ出力するもので
ある。また、ＡＤＣ２は、データ入出力部１により入力
された入力情報をデジタルデータに変換すると共に、Ｃ
ＰＵ５からの制御出力をアナログデータに変換するもの
である。

一方、ＲＯＭ３は、コントローラの動作を定義するプロ
グラムのうち、ユーザプログラムを管理・実行するスケ
ジューラと、入出力を実行するための標準プログラム（
システムプログラム）とを実装しているものである。

また、ＲＡＭ４は、コントローラの動作を定義するプロ
グラムのうち、ユーザが自由に定義するユーザプログラ
ムと、ユーザワークエリア、システムワークエリアとを
実装しているものである。

ここで、ユーザプログラムは、入出力の定義と、制御演
算の定義とからなり、ファジィ制御演算はこの制御演算
の一部として定義される。このファジィ制御演算の定義
は、ファジィ推論を定義するもので、メンパンツブ関数
と制御出力を示す演算テーブルとから構成している。さ
らに、本実施例では、ユーザプログラムとして、制御対
象から得られる入力情報をメンバッシップ関数の入力情
報にデータ変換する入力補正テーブルを実装している。

また、ユーザワークエリアは、ユーザが定義する制御演
算のデータの格納に使用するエリアである。さらに、シ
ステムワークエリアは、スケジューラが標準プログラム
を動作させ、ユーザープログラムを走らせるために必要
な情報を格納する工リアである。

なお、上記において、メンバシップ関数は第４図に示す
ような形式で表現できるものであるが、制御対象入力等
の制御演算のための入力情報をファジィ化する（ファジ
ィ変数にする）ための変換テーブルである。第４図では
、一つの変換関数に見えるが、実際にはＮＢからＰＢま
での７つの変換関数の集合体である。一般には、この第
４図に示すように、メンバシップ関数の入力レンジは−
１〜１で定義してあり、入力情報Ｘは−１〜１の範囲に
正規化してからこの関数に当てはめる。

また、第６図に示すような演算テーブルは、複数の入力
情報をファジィ化したデータに基づいて、出力値を条件
毎に決定するためのテーブルである。

第６図には、２人力の場合のテーブルを示しており、図
中ＤＹとＤ２Ｙで示したのがその２人力である。なお、
多入力制御の場合には、この演算テーブルがｎ次元に拡
張されていくことになり、実際のコントローラの中では
、演算テーブルを他次元の配列として記録している。

さらに、入力補正テーブルとしては、例えば第２図に示
すような補正用折線を使用している。

一方、ＣＰ　Ｕ　５　ハ、バス８を経由してＲＯＭ３、
ＲＡＭ４をアクセスし、ＲＯＭＢ内の指定されたプログ
ラムに従って制御演算を実行するものである。また、マ
ンマシン６は、ファジィ制御実行の任意の時点で、オペ
レータによりマンマシンインタフェース７を介して、上
記ＲＡＭＪ内の入力補正テーブルの内容（補正用折線の
傾き）を変更するためのものである。

次に、以上のように構成したプログラマブルコントロー
ラの作用について、第３図を用いて説明する。

第１図において、制御対象であるプロセスから得られる
入力情報、すなわち図示しないセンサからの入力情報（
Ｏ〜５ボルトの電圧情報）はデータ入出力部１に入力さ
れ、さらにＡＤＣ２でデジタルデータ（０〜４０００の
カウントデータ）に変換された後に、バス８を介してＣ
ＰＵ５に入力される。

次に、ＣＰＵ５で４；ｔ、ＡＤＣ２がらのデータである
０〜４０００のカウントデータが、ＲＡＭ４内の第２図
に示す入力補正テーブルを用いて、メンバッシップ関数
の入力情報ｘ１すなわちメンバッシップ関数の入力レン
ジ（−１〜＋１）にデータ変換される。次に、この入力
補正テーブルでデータ変換したデータは、ＲＡＭ４内の
第４図に示すメンバシップ関数を用いてファジィ化され
、ファジィ化されたデータμｍ〜。（Ｘ）が得られる。

次に、このメンバシップ関数で得たデータμｍ〜４（ｘ
）に基づいて、ＲＡＭ４内の第６図に示す演算テーブル
を用いてファジィ制御演算が実行され、制御出力である
出力データが決定される。そして、この出力データは、
ＡＤＣ２でアナログデータに変換された後に、データ入
出力部１を介して図示しない操作端に与えられることに
より、制御対象のプロセスが制御されることになる。

なお、上記において、実際には入力補正テーブルでデー
タ変換した生のデータそのものではなく、制御目標値と
の偏差データがメンバシップ関数の入力となる。第２図
に示す折線の場合には、生データがゼロ付近に集中する
ような変換式になる。

このデータ変換では、メンバシップ関数からみると、入
力情報のためのメンバシップ関数のゼロ部分を広げたこ
とに相当し、ＮＢからＰＢまでの各関数か、第４図上で
中央部分を左右に広げた形式に変更されたことになる。

また、ＲＡＭＪ内の第２図に示す入力補正テーブルは、
本プログラマブルコントローラによるファジィ制御実行
の任意の時点において、オペレータによりマンマシンイ
ンタフェース７を介して、その内容、例えば補正用折線
の傾きを変更することができる。すなわち、具体的には
、系が安定状態にある（制御目標値との偏差が小さい）
場合には、傾きが小さくなるような補正用折線に、また
系が安定状態以外の状態にある（制御目標値との偏差が
大きい）場合には、傾きが大きくなるような補正用折線
に変更されるものである。。

上述したように、本実施例では、制御対象のプロセスか
ら得られる入力情報をメンバシップ関数を用いてファジ
ィ化し、このファジィ化された情報に基づいてファジィ
制御演算を実行して制御出力を決定し、制御対象のプロ
セスを制御するようにしたプログラマブルコントローラ
において、制御対象のプロセスから得られる入力情報を
メンバッシップ関数の入力情報（入力レンジ）にデータ
変換する入力補正機能手段を備え、この入力補正機能手
段によるデータ変換の内容をファジィ制御実行の任意の
時点で適宜変更するようにしたものである。

従って、制御対象のプロセスから得られる入力情報が、
コントローラ本体へ入力される前に、入力補正機能手段
によりメンバッシップ関数の入力情報にデータ変換され
るため、この入力補正機能手段によるデータ変換の内容
をファジィ制御実行の任意の時点で適宜変更することに
より、従来のようにメンバシップ関数または演算テーブ
ルの形式を変えることなく、各メンバシップ関数または
演算テーブルの有効度、制御への影響の大きさ、影響の
仕方を変化させることが可能となる。これにより、メン
バシップ関数または演算テーブルの形式を変更した場合
と全く同一の効果が得られ、ファジィ制御演算を使用し
たプログラマブルコントローラにおける制御のチューニ
ングを、極めて簡便に行なうことができる。

また、入力補正機能手段は、通常のプログラマブルコン
トローラで使用するリニアライズ手段とほとんど同一の
形式をもって定義できるので、設計者にとって極めて分
かりやすい方式である。さらに、入力のりニアライズと
いう手段は、ブログマブルコントローラでは必ず定義さ
れるものであるため、ファジィコントローラだからとい
って、新たにその変形のための機能を追加して考える必
要か全くない。すなわち、従来のりニアライズのための
機能をそのまま使用して、上述の入力補正機能手段とす
ることができるものである。換言すると、本人力補正機
能手段は、従来の制御演算では、センサからの入力情報
を制御演算のためにリニアな値（０−１００％）に正規
化してからＰＩＤ制御演算等に使用していたものを、フ
ァジィ制御演算にとって正規化されていて、なおかつリ
ニアな値に変換するものであるとみなすことができる。

さらに、入力の補正操作であることから、プログラムに
よって任意にその内容を変更することも可能である。例
えば、制御状態を監視して、その結果に基づいて補正内
容を自動的に変更していくという、オートチューニング
機能にも十分に対応することもてきる。

［発明の効果コ 以上説明したように本発明によれば、メンバシップ関数
または演算テーブルの形式を一切変更することなく、制
御のチューニングの簡便化を図ることが可能な極めて信
頼性の高いプログラマブルコントローラが提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるプログラマブルコントローラの一
実施例を示すブロック図、 第２図は同実施例における入力補正テーブル−例を示す
図、 第３図は同実施例における作用を説明するための図、 第４図はメンバシップ関数の一例を示す図、第５図はメ
ンバシップ関数の変更例を示す図、第６図は演算テーブ
ルの一例を示す図、第７図は演算テーブルの変更例を示
す図である。 １・・・データ入出力部、２・・・ＡＤＣ，３・・ＲＯ
Ｍ。 ４・・・ＲＡＭ、５・・ＣＰＵ、６・・・マンマシン、
７・・・マンマシンインタフェース、８・・・バス。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 Ｂ ＮＭ Ｓ Ｏ Ｓ Ｍ Ｂ ＝１ １／３ ２／３ 第 図 第 図 第 図 演舞テーブル 第 図 第 図 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 制御対象から得られる入力情報をメンバシップ関数を用
   いてファジィ化し、当該ファジィ化された情報に基づい
   てファジィ制御演算を実行して制御出力を決定し、前記
   制御対象を制御するようにしたプログラマゴルコントロ
   ーラにおいて、前記制御対象から得られる入力情報を前
   記メンバッシップ関数の入力情報にデータ変換する入力
   補正機能手段を備え、当該入力補正機能手段によるデー
   タ変換の内容をファジィ制御実行の任意の時点で適宜変
   更するようにしたことを特徴とするプログラマブルコン
   トローラ。