JPH09501525A

JPH09501525A - 自動調整によるファジー論理制御のための方法及び装置

Info

Publication number: JPH09501525A
Application number: JP7506415A
Authority: JP
Inventors: チン，エス．，ジョー
Original assignee: フィッシャー−ローズマウントシステムズ，インコーポレイテッド
Priority date: 1993-08-11
Filing date: 1994-07-13
Publication date: 1997-02-10
Also published as: EP0713587B1; WO1995004956A1; CN1129037A; CN1072368C; DE69434487T2; EP0713587A1; US6330484B1; DE69434487D1; SG65583A1

Abstract

(57)【要約】ファジー論理プロセスコントローラを自動調整するためのシステム及び方法が提示されている。制御下のプロセスは、例えば最終的な利得、最終的な間隔及び時間遅延を含むプロセス制御特性を決定するように自動調整される。次に、これらの量は調整可能な制御パラメータを計算するために使用され、これらのパラメータは、前記プロセス制御に接続されたときに、ファジー論理コントローラの性能を最適化するように、前記ファジー論理コントローラに適用される。

Description

【発明の詳細な説明】自動調整によるファジー論理制御のための方法及び装置発明の背景近年、ファジー論理コントロール（ＦＬＣ）は広く産業環境に於いて適用されている。多くの適用は、洗濯機、エレベータ、自動車、ビデオカメラ等のように比較的スケールが小さいけれど、プロセスコントロールにファジー論理システムを適用することは非常に興味深いことである。プロセスコントロールの分野では、開発は通常の比例，積分，微分（ＰＩＤ）コントローラと同様にＦＬＣの使用に向けられている。典型的な適用に於いては、コントローラの応答性能を最適化するために、コントローラ内に存在するある制御パラメータを調整することにより、ＦＬＣを開始させる。ファジーコントローラの手動の調整は可能であるが、それは時間を要し誤りを生じ易い。更に、制御下のプロセスは時間と共に変化し、従って、再度の調整が必要となる。自動調整の試みがプロセスコントローラ及びそれらの変形に適用されている。例えば、米国特許第4,549,123号及び1993年５月28日に出願された出願番号08/07 0,090（本発明と同じ譲受人に帰属する）に於いては、これらのそれぞれの開示は参照によりここに組み入れえられるが、制御された誘起振動手法が、制御下のプロセスの最終的な利得、最終的な周期及び時間遅延を決定するために使用されている。これらのプロセス特性がひとたび導き出されると、調整規則がＰＩＤコントローラのプロセス制御パラメータを決定するために使用される。しかし、今のところ、ファジー論理コントローラの自動調整のために提案された方法又は手段はなく、従って、オペレータは未だに試行錯誤のみによる手動調整を行っている。発明の要旨本発明は、自動自己調整機能を組込み、従って従来技術の試みに於ける上記矛盾を満足させる、ファジー論理コントローラのための方法及び装置を提供する。概略的に言えば、本発明は自動調整可能なファジー論理コントローラを企図したものである。制御下のプロセスの動的特性が決定され、そして、プロセスを制御するためのファジー論理コントローラに適用するための制御パラメータを計算するのに使用される。一実施態様では、ファジー論理コントローラが、このファジー論理コントローラの出力を制御下のプロセスに選択的に接続することによるプロセス制御のために使用される。ファジー論理コントローラは、このファジー論理コントローラをプロセスから切り離し、制御された誘起振動を受けさせる制御可能な信号発生器をプロセスに適用することにより調整される。誘起振動の間、プロセスの出力は調整モジュールによってモニタされ、プロセスの動的特性が決定される。次に、これらの動的特性は、ファジー論理コントローラを最適に調整して考慮中のプロセスを制御するために、ファジー論理コントローラ内の制御パラメータを計算するように調整モジュールによって使用される。次に、信号発生器は切離され、そしてファジー論理コントローラがプロセスを制御するために再び接続される。本発明の他の実施例に従えば、プロセス制御に使用されるファジー論理コントローラは、このファジー論理コントローラ及びプロセスを含む閉じたループに揺動信号を入力して、プロセスに制御された誘起振動を受けさせるように調整する。次に、誘起振動の間、プロセスは調整モジュールによってモニタされ、プロセスの動的特性が決定される。次に、これらの特性は、考慮中のプロセスを制御するためのファジー論理コントローラを最適に調整する目的で、ファジー論理コントローラ内の制御パラメータを計算するために使用される。調整後、揺動信号は除去され、調整されたファジー論理コントローラは、次に閉じたループの様式でプロセスを制御する。本発明の更に他の実施態様に従えば、ファジー論理コントローラは、プロセスのプロセスの変動状態に対する応答を分析するパターン認識調整法を使用したプロセスの動的特性を決定することにより、調整モジュールによって調整される。次に、ファジー論理コントローラのためのこれらの動的プロセス特性から、プロセスを制御するためのファジー論理コントローラを最適に調整するための制御パラメータが決定される。それに代えて、調整モジュールは、動的プロセス特性を決定するためにモデルマッチング調整法を採用してもよい。調整手法の間に決定された動的プロセス特性は、例えば、最終的な利得、最終的な周期及びプロセスの時間遅延を含み得る。動的プロセス特性から決定された制御パラメータは、例えば、制御エラー基準化ファクタ、制御エラー基準化ファクタの変化、及び制御作用基準化ファクタを含み得る。図面の簡単な説明図１はファジー論理コントローラのブロックダイヤグラムである。図２は、本発明に従う、閉じたループのプロセス制御されたシステムに於けるプロセスに接続された自動調整可能なファジー論理コントローラのブロックダイヤグラムである。図３は、本発明に従う、プロセス制御のための自動調整可能なファジー論理コントローラの代表的な実施態様のブロックダイヤグラムである。図４は、本発明に従う、プロセス制御のための自動調整可能なファジー論理コントローラの他の実施態様のブロックダイヤグラムである。図５は、本発明に従う、プロセス制御のための自動調整可能なファジー論理コントローラの更に他の実施態様のブロックダイヤグラムである。図６Ａ及びＢは、本発明に従う、ファジー論理コントローラの制御された誘起振動調整の間のプロセス入力及びプロセス出力信号のグラフである。図７Ａ，Ｂ，Ｃ及びＤは、本発明のファジー論理コントローラで使用されるメンバーシップ関数を例示的に示している。図８Ａ及びＢは、本発明で用いられるファジー論理コントローラのルールの例示を表に表したものである。図９Ａ及びＢは、本発明の利点を例示するように制御されたプロセスの例示のブロックダイヤグラムと対応する数学モデルである。図１０Ａ，Ｂ，Ｃ及びＤは、図９Ａに示したプロセス制御の間に於ける、本発明のファジー論理コントローラの比較性能を例示するグラフである。図１１は、本発明のファジー論理コントローラの比較性能を例示する表である。詳細な説明本発明に於いて使用されるファジー論理コントローラ１０は、図１に示される３つの基本的部分からなっている。図１を参照すれば、入力信号ファジー化ブロック１１は連続する入力信号を、いわゆるメンバシップ関数の使用により、例えばSmall、Medium、及びLarge 等の言語のファジー変数に変換する（以下に詳細に記述する）。典型的な連続入力信号は図１に示されており、エラー信号はｅ、及びエラー信号の最後のサンプルを採った後のエラー信号の変化はΔｅである。他の連続入力変数もまた、ファジー化ブロック１１への入力信号として印可され得る。本発明に従えば、ＦＬＣ１０は、例えばZadehのファジー論理コントローラ及びLukasiewiczのファジー論理コントローラを含むどのようなタイプのファジー論理コントローラであってもよい。ファジーエンジンブロック１２は規則推論を行い、言語規則として人間の経験が入力されるのを許容する。脱ファジー化ブロック１３は、ファジーエンジンブロック１２によって生成された推論された制御作用を、ファジーエンジンブロック１２によって決定されたように、同時に満足された規則の間を補間する連続信号に変換する。脱ファジー化ブロック１３の作用により、ファジー論理は時には連続論理又は補間の推論として言及される。ファジーエンジンブロック１２及び脱ファジー化ブロック１３は、以下に詳述される。ＦＬＣ１０の２つの明かな特徴は、人間の経験が蓄積されること、及び、ファジーロジックがファジー化ブロック１１のメンバシップ関数、ファジーエンジンブロック１２の規則、及び脱ファジー化ブロック１３の補間によって誘導される非線型の関係を提供することである。これらの特徴は、通常の制御技術が程度の低いジョブを行うプロセス制御と、オペレータの経験が存在するプロセス制御とに有望である。また、ＦＬＣ１０は、制御作用ｕを生成するために時間と共に現れる制御作用の変化Δｕを蓄積するように機能するアキュミュレータ１４を含んでいる。換言すれば、ＦＬＣはサンプル採取されたデータモードに於いて動作し、制御作用ｕは、前のサンプリング時間に対する制御作用に間に合うように何れのポイントに対しても計算される。換言すれば、ｕ（ｔ＋Δｔ）＝ｕ（ｔ）＋Δｕであり、ここでΔｔはサンプリング間隔である。さて、図２を参照すれば、本発明に従う、自動調整可能なファジー論理プロセスコントローラシステムのブロックダイヤグラムが表されている。プロセス１６は制御されるように望まれているどのようなタイプのプロセスであってもよい。運転に際しては、出力信号又はプロセス変数ｙがプロセス１６から送られ、設定ポイントｓｐに対する比較を行うための合算ブロック１７に印可される。プロセス変数ｙと設定ポイントｓｐとの間の差は、エラー信号ｅであり、これは制御エラーの変化Δｅと共にＦＬＣ１４に供給される。制御エラーの変化Δｅは、現在の制御エラーと前のサンプリング間隔からの制御エラーとの間の差に等しい。換言すれば、Δｅ＝ｅ（ｔ）−ｅ（ｔ−Δｔ）である。閉じたループでの運転に於いては、ＦＬＣ１０によって生成された制御作用ｕは、プロセス１６に適用される。この点に関しては、ＦＬＣ１０はプロセス変数ｙを設定ポイントｓｐに実質的に等しくするように推進する。また、本発明に従えば、調整システム１８が備えられ、これは、プロセス１６の動的プロセス特性を決定するために、ファジー論理コントローラシステム内に存在する種々の測定可能な量を検知する。図２に示すように、調整システム１８によって測定され得る量は、例えば、プロセス変数ｙ、設定ポイントｓｐ、エラー信号ｅ、及び制御作用ｕを含んでいる。しかし、図２に示す以外のファジー論理コントローラシステム内の測定可能な量が、プロセス１６の動的プロセス特性を決定するために調整システム１８によって測定され得ることが理解されるであろう。本発明に従えば、動的プロセス特性が調整システム１８によって一旦決定されると、調整システム１８はＦＬＣ１０のための適当な制御パラメータを計算し、これはライン１９を通じてＦＬＣ１０に向けられる。次に、プロセス１６は、その後、新たに調整されたＦＬＣ１０によって閉じたループの方式で、再度の調整が望まれ又は必要とされるときまで制御される。さて、図３を参照すれば、本発明による、自動調整ファジー論理コントローラ１０のための調整システムの特定の実施態様のブロックダイヤグラムが表されている。図３の実施態様では、調整システム１８は調整モジュール２１及びスイッチ２２からなって示されている。この実施態様では、調整モジュール２１はプロセス１６の動的特性を決定するように機能している。これは、格納されている複数の数学モデルから選択するために、プロセス変数ｙについて署名分析が行われるモデルマッチング調整法によって達成され、このモデルは最も正確にプロセス１６を特徴づけている。次に、プロセス１６の動的特性が選択されたモデルからひとたび選択されると、ＦＬＣ１０の制御パラメータが計算され、スイッチ２２を入れることにより調整モジュール２１からＦＬＣ１０に送られる。モデルマッチング調整法はこの技術分野で当業者に知られている。また、図３の調整モデル２１は、米国特許第4,602,326号に表されているようなプロセス特徴づけのパターン認識方法を用いてプロセス１６の動的プロセス特性を決定するように機能し、上記の開示は参照によってここに取入れられる。調整のパターン認識方法に於いて、プロセス１６の特性は、プロセスの変動状態に応答して、プロセス変数ｙを観察することにより決定される。プロセスの変動の結果として生じたプロセス変数ｙのパターンは、プロセス１６の動的特性を決定するために分析される。次に、ＦＬＣ１０のための制御パラメータが決定されたプロセス特性から計算され、これらの制御パラメータは調整モジュール２１からＦＬＣ１０に制御可能なスイッチ２２を介して送られる。図４を参照すれば、本発明に従う、自動調整可能なファジー論理コントローラの他の実施態様のブロックダイヤグラムが表されている。図４の実施態様では、調整システム１８は、制御可能な信号発生器４１、調整モジュール４２、制御可能なスイッチ４３及び合算ブロック４４を有している。この実施態様は、制御可能な信号発生器４１によって生成した励起信号をプロセス１６の閉じたループ、合算ブロック１７及びＦＬＣ１０に入力することにより、プロセス１６の動的特性を決定するように動作する。これは、スイッチ４３を閉じ、従って制御可能な信号発生器４１によって生成された励起信号を、ＦＬＣ１０によって生成された制御作用ｕに加えることにより、達成される。励起信号の入力はこのループを制御された様式で振動させるようにし、この制御された誘起振動の間に、調整モジュール４２はプロセス１６の動的特性決定する。これらの動的特性から、ＦＬＣ１０のための制御パラメータが調整モジュール４２によって計算され、ライン１９を通じてＦＬＣ１０に送られる。調整が完了した後、スイッチ４３は開かれ、その後、プロセス１６は調整されたFＬＣ１０によって閉じたループの様式で制御される。このようなプロセス１６の特性を決定する信号入力法は、例えば、1991年８月 30日に出願された出願番号07/753,271（本出願と同じ譲受人に帰属する）に開示されており、その開示は参照によって明確にここに組入れられる。図５を参照すれば、本発明に従う、自動調整可能なファジー論理コントローラシステムの更に他の実施態様のブロックダイヤグラムが表されている。図５の実施態様では、調整システム１８は調整モジュール５１、制御可能な信号発生器５２及び制御可能なスイッチ５３を有している。動作に際しては、調整モジュール５１は、自動的にでもオペレータの制御下でもよく、スイッチ５３を２の位置に置き、これはＦＬＣ１０によって生成される制御作用ｕを制御可能な信号発生器１８の出力に置き換える。次に、調整モジュール５１は、プロセス変数ｙ、エラー信号ｅ、及び制御可能な信号発生器１８の出力をモニタリングしてＦＬＣ１０の制御された誘起振動調整を達成することにより、制御可能な信号発生器５２の動作を制御する。誘起振動調整手法が完了した後、調整モジュール５１はスイッチ５３を１の位置に戻し、プロセス１６の動的プロセス特性を計算する。次に、これらの動的プロセス特性から、調整モジュール５１は制御パラメータを計算し、それらをライン１９を通じてＦＬＣ１０に印可する。次に、プロセス１６は、再度の調整が望まれ又は必要とされる時まで、ＦＬＣ１０によって閉じたループの様式でその後制御される。前述したように、米国特許第4,549,123号及び1993年５月28日に出願された出願番号08/070,090は、それぞれプロセス１６の動的プロセス特性を決定するために使用される制御された誘起振動の手法を提起している。図１〜５に見られる要素の何れもがハードウェアとして具現化され、又は一般的なプログラムの分離したプログラム若しくはモジュールとしてプログラムされ、適切にプログラムされたデジタルコンピュータとして実現されていることに留意すべきである。図６Ａ及び６Ｂを参照すれば、本発明の一実施態様に従う例示の誘起振動調整の手法の部分が図式的に示されており、これはＦＬＣを自動調整するために使用される。例えばモデルマッチングパターン認識、又は信号入力等の他のタイプの自動調整の処方も使用され、制御された誘起振動は単に本発明の代表例であることを理解すべきである。図６Ａを参照すればプロセス１６の出力ｙが記載され、図６Ｂには、スイッチ５３（図５）が２の位置に於かれて信号発生器５２の出力に接続されているときの、プロセス１６の出力ｕが記載されている。制御された誘起振動を誘起するために、誘起振動が始る前に、信号発生器５２は選択可能なピークからピークまでの値２ｄを有する矩形波を、ほぼ制御信号ｕの値の中心に置くように印可する。図６Ａに示されているように、プロセスの出力ｙは、ピークからピークまでの値２ａ及び周期Ｔ_uを有する振動を示すであろう。この周期は、プロセス１６の最終的な周期としても知られている。次に、いくつか名称を挙げるならば、内部モデルコントロール（ＩＭＣ）調整法、Cohen及びCoon調整法、Ziegler-Nichols調整法、又は改良Ziegler-Nichols 調整法を含む公知の調整法を用いて、選択された調整手法が、図６Ａ及び６Ｂに示されている誘起振動から誘導されるｄ，ａ及びＴ_uの量から、比例積分（ＰＩ）コントローラを制御するのに使用される調整可能なパラメータである比例ゲインＫ_c及び積分時定数Ｔ_iを含む動的プロセス特性を計算するのに用いられる。次に、これらの自動的に導き出された動的プロセス特性Ｋ_c及びＴ_iは、以下に詳細に説明するように、ＦＬＣ１０を調整するのに使用されるパラメータを計算するのに使用される。本発明に従うＦＬＣの調整を説明するために、ＦＬＣの簡単な議論が有益であろう。再び図１を参照すれば、ＦＬＣ１０によって表されている関数の関係は以下のように表される： Δｕ＝ＦＬＣ（Δｅ，ｅ）（１）ここで、ＦＬＣ（・）はＦＬＣの非線型の関係を表し、Δｕは制御作用に於ける変化を表し、ｅは制御エラー、Δｅは制御エラーの変化である。ＦＬＣはサンプリングされたデータモードで動作するので、制御作用ｕは、前のサンプリング時間に対する制御作用の時点に対して計算され、制御作用の変化に加えられる。換言すれば、ｕ（ｔ＋Δｔ）＝ｕ（ｔ）＋Δｕであり、ここで、Δｔはサンプリング間隔である。何れのサンプリング期間に対しても制御エラーｅは設定ポイントｓｐと測定値ｙとの間の差に等しい。制御エラーに於ける変化Δｅは、現在の制御エラーと前のサンプリング間隔からの制御エラーとの間の差に等しい。換言すればΔｅ＝ｅ（ｔ）−ｅ（ｔ−Δｔ）である。ファジー化ブロック１１で使用されるファジーメンバーシップ関数は、プロセスに関する従来の知識に基づいて定義され得る。制御エラーｅ、制御エラーの変化Δｅ及び制御作用の変化Δｕに対するメンバーシップ関数がどのように定義されるかを示すために、基準化された変数を使用するのが便利である：ここで、Ｓ_e，Ｓ_Δe及びＳ_Δuは、それぞれｅ，Δｅ及びｕに対する基準化ファクターであり、ｅ^*，Δｅ^*及びΔｕ^*はそれぞれ基準化されて−１より大きいか等しく、１より小さいか等しい値を有する。ファジーメンバシップ関数ｅ^*、Δ ｅ^*及びΔｕ^*の可能な集合は、図７Ａ，Ｂ，Ｃ及びＤに与えられている。各変数に対するメンバシップ関数の数は、その変数に必要な分析に応じて変えることができる。一般的に言えば、より多くのメンバシップ関数はコントローラの関数の関係に対するより多くの枝葉にわたる自由度を提供する。 Ying他の「ファジー制御理論：非線型の場合」、Automatica,26(3)pp.513-520 (1990)によって議論されているように、通常のＰＩＤコントローラは、各入力変数ｅ^*及びΔｅ^*に対する２つのメンバシップ関数を有し、そして線型の脱ファジー化を有するＦＬＣを用いて再生され得る。図７Ａは２つのメンバシップ関数を示し、これらは入力変数ｅ^*及び制御エラー変化Δｅ^*に使用され、図７Ｂは、入力変数ｅ^*及び制御エラー変化Δｅ^*が図７Ａに示されている２つのメンバシップ関数を使用するように条件付けられた時に、制御作用Δｕ^*の変化のために使用される、３つのメンバシップ関数を示している。同様に、図７Ｄは、制御エラーｅ^*及び制御エラーΔｅ^*が図７Ｃに示される４つのメンバシップ関数を使用するように条件付けられたときに、制御作用の変化 Δｕ^*のために使用される、５つのメンバシップ関数を示している。図７Ａ，Ｂ，Ｃ及びＤの何れに於いても、メンバシップの部分は−１から１まで対称であり以下の形容詞が種々のメンバシップ関数を記述するのに使用される：ＮＬ− 大きな負ＮＳ− 小さな負Ｚ０− ゼロＰＳ− 小さな正ＰＬ− 大きな正上述のように、ファジーエンジンブロック１２は、ファジー化ブロック１１のメンバシップ関数の動作に推論の規則を適用するように動作する。一般的に、ＦＬＣに対する推論規則は、以下のように記述され得る： {If ｅ^* is Ａ_i and Δｅ^* is Ｂ_i，then make Δｕ^* Ｃ_i}. （５）ここで、Ａ_i，Ｂ_i及びＣ_iはそれぞれｅ^*，Δｅ^*及びΔｕ^*に対する形容詞である。これらの形容詞は図７Ａ〜Ｄに関する上述の記述子（大きい負、小さい負等）である。これらの規則の基本的な要求は、それらが安定性のための負帰還制御を達成することである。４つの規則の例示の集合は、図８Ａに表の形式で例示されており、１６の規則の例示の集合が図８Ｂに示されている。４つの規則はｅ^*及びΔｅ^*のそれぞれが２つのメンバシップ関数（図７Ａ）によって条件付けられたときに使用され、１６の規則はｅ^*及びΔｅ^*のそれぞれが４つのメンバシップ関数（図７Ｃ）によって条件付けられたときに使用される。必要な制御作用の変化Δｕ^*が制御エラーｅ^*及び制御エラーの変化Δｅ^*から確立された後、基準化された制御作用の変化Δｕ^*の脱ファジー化が脱ファジー化ブロック１３によって行われる。本発明によれば、脱ファジー化の公知の重心法が使用されるが、例えば、質量中心脱ファジー化法、一般化された重心脱ファジー化法等の他のタイプの脱ファジー化の方法も受容し得る。重心法を用いた脱ファジー化は、Lukasiewicz理論若しくはZ adeh理論、又はLukasiewicz及びZadeh理論の組み合わせの何れかを使用する。本発明の好ましい実施態様では、ZadehのＡＮＤ関数が使用され、そして、Lukasie wiczのＯＲ関数又はZadehのＯＲ関数が使用される。脱ファジー化の後、基準化された制御作用の変化Δｕ^*が基準化ファクターＳ_Δu を乗算することにより脱基準化され、脱基準化された制御作用の変化Δｕに到る。次に、上述のように、制御作用の変化Δｕ（正又は負であり得る）がその前の最近のサンプリング間隔の間に適用される制御作用に加えられ、現在のサンプリング間隔に適用されるべき制御作用ｕ（ｔ＋Δｔ）に至る。本発明によれば、調整は、基準化ファクターＳ_e，Ｓ_Δe and Ｓ_Δuの値を、自動調整手法の間の制御下のプロセスから導かれる動的プロセス特性の関数として計算することにより、調整システム１８内で達成される（図２〜５も参照）。公知の方法で、上述の調整方法の一つから、臨界ゲインＫ_c及び積分時定数Ｔ_i 等の動的プロセス特性が考慮中のプロセスについて決定される。上述のように、制御された誘起振動法は、比例ゲインＫ_c、及び積分時定数Ｔ_iを、測定された量ａ、ｄ及びＴ_uから計算する。ひとたびＫ_c及びＴ_iが決定されると、Lukasiewicz のＯＲ論理が脱ファジー化に使用される場合には、ＦＬＣ基準化ファクターＳ_e 、Ｓ_Δe及びＳ_Δuが以下の式によって関係付けられる： ZadehのＯＲ論理が脱ファジー化に使用される場合には、以下の式がＳ_e、Ｓ_Δe 及びＳ_Δuを関係付ける：制御された誘起振動が、Ziegler-Nicholsの調整法に基づいて自動調整に使用される場合には、式（６）及び（８）はそれぞれ、式（１０）及び（１１）として表される：何れの例に於いても、制御エラー基準化ファクターＳ_eは以下の式によって計算される：（６）及び（１２）の式に於いて、以下の定義が適用される：０≦α＝Ｍａｘ（｜ｅ^*｜，｜Δｅ^*｜）≦1.0 （１３）Ｔ_u ^*＝Ｔ_u／Δｔ（１４）そして、Δｔはサンプリング間隔、Ｔ_u、ａ及びｄは、図３に関連して上述した制御された誘起振動の間に決定された測定量である。αはＦＬＣの安定の余裕を調節するファクターである。実際には、制御エラー基準化ファクターＳ_e、制御エラー基準化ファクターに於ける変化ΔＳ_e、及び制御作用のための基準化ファクターＳ_Δuを計算するために、３つのうちの１つが決定されなければならない。本発明の一実施態様によれば、Ｓ_Δuは、制御作用ｕによって制御されているアクチュエータの最大応答速度の関数として決定される。典型的なアクチュエータは、例えば、バルブ、ポンプ、及び加熱要素であり、これらの何れも本質的に速度の制限下に置かれている。速度の限界に決して達することがないような場合には、最大の可能な制御エラーｅ_m（これはＦＬＣの動作領域の関数である）が決定される。アクチュエータの最大速度Δｕ_mがひとたび決定されると、ＦＬＣを調整するために、Ｓ_ΔuがΔｕ_mに等しく設定され、Ｓ_e及びＳ_Δeが式（１０）及び（１２）から（又は式（１１）及び（１２）から）決定される。計算の結果、もしＳ_e がｅ_mに等しいか又は小さいと決定されると、調整は終了する。しかし、計算されたＳ_eがｅ_mより大きいと、制御エラー基準化ファクターＳ_eはｅ_mに等しく設定され、Ｓ_Δe及びＳ_Δuが再度用意された式（１０）及び（１２）（又は再度用意された式（１１）及び（１２））から計算され、調整が終了する。本発明の利点を例示するために、いくつかの制御の実施例が与えられている。図９Ａ及び９Ｂを参照すれば、本発明の利点及びプロセスの数学的モデルを例示するために、制御されたプロセスの例示のブロックダイヤグラムが示されている。特に、このプロセスは液体６１を収容したタンク６０を有している。タンク６０は排出ポート６２を有し、ここから液体６１が一定速度で排出されている。液体は、バルブ６３及び６４の制御の下にタンク６０に流入する。液体レベル検出器６６はタンク６０内の液体６１のレベルを表す測定された変数ｙを生成し、コントローラ６７は、タンク６０内の液体６１のレベルを制御するために、測定された変数ｙ及び設定ポイントｓｐの関数としてバルブ６３を制御する。バルブ６４は、タンク６０内の液体６１のレベルの変動に応答するコントローラ６６の性能の評価を許容するように、負荷制御信号ｑによって制御される。図９Ｂは図９Ａのプロセスの数学的モデルを表している。バルブ６３の回転速度は回転速度制限ブロック６８によってモデル化され、制御信号ｕ及び負荷制御信号ｑの結果としての、測定された変数ｙへの寄与が、ブロック６９及び７０によってそれぞれモデル化されている。図１１Ａ−Ｄのグラフを参照すれば、設定ポイントの変化と負荷の変化への応答に於ける、本発明の調整されたＦＬＣを標準的なＰＩコントローラと比較した図式的な例を表している。各グラフのはじめの部分近傍では、設定ポイントは３から６単位に階段状になっており、各グラフの中央部付近では、負荷制御信号は０から３単位に階段状になっている。図１０Ａでは、ＩＭＣ調整法を使用して調整されたＰＩコントローラの応答が軌跡７１で示されており、自動的に調整されたＦＬＣの応答は軌跡７２で示されている。図１０Ａのグラフを生成するのに使用されたＰＩコントローラの調整されたパラメータは：Ｔ_i＝１０、Ｋ_c＝４であり；本発明によるＦＬＣコントローラの調整されたパラメータは、Ｓ_Δe＝４、Ｓ_Δu＝０．２７９、及びＳ_e＝１１．１６であった。図１０Ｂを参照すれば、図１０Ａに於けると同じ階段状の変化が設定ポイントと負荷とに適用されており、タンク６０内の液体６１の表面の液圧の変動をシュミレートするために、同じコントローラに対して同じ設定だがランダムなノイズが測定可能な変数ｙに導入されている。調整されたＰＩコントローラの応答は軌跡７３によって示され、調整されたＦＬＣコントローラの応答は軌跡７４によって示されている。図１０Ｃを参照すれば、1993年５月28日に出願された出願番号08/070,090に記載された自動誘起振動法（制御された誘起振動）を用いて調整されたＰＩコントローラの性能を比較する軌跡が示されている。図１０Ｃに於いては、ＰＩコントローラの軌跡７６を生成するのに使用された調整されたパラメータは：Ｋ_c＝３．７３、及びＴ_i＝４．５５であり、ＦＬＣコントローラの調整に用いられ軌跡７７の生成に用いられた調整されたパラメータは：Ｓ_Δu＝４．０、Ｓ_Δe＝０．２７９、及びＳ_e＝１１．１６であった。図１０Ｄは、液圧の揺動をシュミレートするためにランダムなノイズを課した、図７Ｃの軌跡を生成するのに使用されたものと同様のコントローラの性能を比較している。軌跡７８はＰＩコントローラによって調整され、軌跡７９は調整されたＦＬＣコントローラである。図１０Ａ〜１０Ｄの軌跡の比較から分かるように、実際の各例に於いて、本発明により調整されたＦＬＣコントローラは、比較のＰＩコントローラよりも実質的により良い性能を有している。図１１は、図１０Ｃ及び１０Ｄに共にプロットされた本発明のＦＬＣとＰＩとについて計算された積分絶対エラー（Integral A bsolute Error）（ＩＡＥ）（制御性能の測定値）を示す表を表している。本発明は特定の実施例を参照して記述されているが、これらは例示を意図し本発明の境界を意図していないことに注すべきである。本発明の精神と範囲を離れることなく、開示された実施態様に変更、付加、又は削除を行うことは、通常の当業者に明らかであろう。

Claims

【特許請求の範囲】１．プロセスを予め決められた方法で制御するのに使用されるファジー論理コントローラを自動調整する方法であって、前記プロセスは少なくとも一つのプロセス変数を生成しそして前記ファジー論理コントローラに接続された少なくとも一つの制御作用入力を有し、前記方法が、前記プロセスから複数の動的プロセス特性を決定するステップと、前記ファジー論理コントローラの調整のために、制御パラメータを前記動的プロセス特性の関数として計算するステップと、前記プロセスの制御のために、前記制御パラメータ用いて前記ファジー論理コントローラを調整するステップと、を包含している方法。２．請求項１記載の方法であって、前記決定するステップが、前記プロセスに制御された誘起振動を受けさせるステップと、前記プロセスの振動の間に、前記プロセスから前記複数の動的プロセス特性を決定するステップとを包含している方法。３．請求項２記載の方法であって、前記受けさせるステップが、前記少なくとも一つの制御作用入力から前記ファジー論理コントローラを切り離すステップと、前記プロセスに制御された誘起振動を受けさせるように、前記少なくとも一つの制御作用入力を制御可能な信号発生器に接続するステップとを包含している方法。４．請求項３記載の方法であって、前記調整するステップの後に、前記ファジー論理コントローラを前記少なくとも一つの制御作用入力に再び接続するステップを更に包含している方法。５．請求項２記載の方法であって、前記受けさせるステップが、前記ファジー論理コントローラ及び前記プロセスを含む閉じたループに励起信号を入力して、前記閉じたループに誘起振動を受けさせるステップを包含している方法。６．請求項１記載の方法であって、前記決定するステップが、モデルマッチング法によって前記複数の動的プロセス特性を決定するステップを包含している方法。７．請求項１記載の方法であって、前記決定するステップが、パターン認識法によって前記複数の動的プロセス特性を決定するステップを包含している方法。８．請求項１記載の方法であって、動的プロセス特性は、前記プロセスの最終的な利得及び最終的な間隔を含んでいる方法。９．請求項１記載の方法であって、前記制御パラメータは、前記ファジー論理コントローラのための基準化ファクターを含んでいる方法。１０．請求項９記載の方法であって、前記基準化ファクターが、制御エラー基準化ファクターの変化と、制御作用基準化ファクターの変化とを含んでいる方法。１１．請求項１０記載の方法であって、前記動的プロセス特性は、前記プロセスの臨界ゲイン及び積分時定数を含んでいる方法。１２．請求項１１記載の方法であって、前記動的プロセス特性及び前記制御パラメータが、以下の式によって関係づけられ：ここで、Ｋ_cは前記プロセスの臨界ゲイン、Ｔ_iは前記プロセスの積分時定数、Ｓ_Δu は制御作用基準化ファクターの変化、Ｓ_Δeは制御エラー基準化ファクターの変化、Ｓ_eは制御エラー基準化ファクター、Δｔはファジー論理コントローラのサンプリング速度、αは安定化余裕調節ファクターである、方法。１３．請求項１１記載の方法であって、前記動的プロセス特性及び前記制御パラメータは、以下の式によって関係づけられ：ここで、Ｋ_cは前記プロセスの臨界ゲイン、Ｔ_iは前記プロセスの積分時定数、Ｓ_Δu は制御作用基準化ファクターの変化、Ｓ_Δeは制御エラー基準化ファクターの変化、Ｓ_eは制御エラー基準化ファクター、Δｔはファジー論理コントローラのサンプリング速度、αは安定化余裕調節ファクターである、方法。１４．自動調整可能な制御システムであって、調整可能な制御パラメータを有し、プロセスの制御に適合したファジー論理コントローラと、前記プロセスの動的プロセス特性を決定し、前記ファジー論理コントローラの制御パラメータを前記動的プロセス特性の関数として計算し、及び前記制御パラメータを用いて前記ファジー論理コントローラの調整を行うための調整モジュールとを備えたシステム。１５．請求項１４記載の自動調整可能な制御システムであって、前記調整モジュールが、前記システムに誘起振動を受けさせるために、前記システムに選択的に接続された制御可能な信号発生器と、前記制御可能な信号発生器を前記システムに選択的に接続し、誘起振動の間に前記動的プロセス特性を決定し、及び前記調整可能な制御パラメータを前記動的プロセス特性の関数として計算するための調整器と、を備えたシステム。１６．請求項１５記載の自動調整可能な制御システムであって、前記制御可能な信号発生器と前記ファジー論理コントローラとを前記システムに二者択一的に接続するためのスイッチを更に備えているシステム。１７．請求項１５記載の自動調整可能な制御システムであって、前記システムに励起信号を選択的に入力するために、前記制御可能な信号発生器を、二者択一的に、前記システムに接続し前記システムから切り離すスイッチを更に備えたシステム。１８．請求項１４記載の自動調整可能な制御システムであって、前記調整モジュールが、モデルマッチング調整器を有しているシステム。１９．請求項１４記載の自動調整可能な制御システムであって、前記調整モジュールが、モデルマッチング調整器を有しているシステム。