KR920004281B1

KR920004281B1 - 퍼지추론(fuzzy reasoning)을 실행하기 위한 컴퓨터시스템

Info

Publication number: KR920004281B1
Application number: KR1019890011998A
Authority: KR
Inventors: 나오요시 유바자기; 가오루 히로다; 하루히꼬 아리가와
Original assignee: 마이콤 가부시기가이샤; 나오요시 유바자기
Priority date: 1988-08-23
Filing date: 1989-08-23
Publication date: 1992-06-01
Also published as: JPH0256602A; FR2635884A1; KR900003758A; DE3927581A1; FR2635884B1

Abstract

내용 없음.

Description

퍼지추론(fuzzy reasoning)을 실행하기 위한 컴퓨터시스템

제 1 도는 퍼지제어기를 위한 전기직 셋업(set-up)의 실시예를 나타내는 개략블록도.

제 2 도는 역립진자(inverted pendulum)의 거동에 있어서 어떤 변화를 나타내는 개략정면도.

제 3 도는 몇가지 다른 각도와 각도와 각속도에 대한 맴버십값을 설명하기 위한 개략도.

제 4 도는 메모리내에 저장된 데이타와 관련하여 계산과정을 설명하기 위한 개략블록도.

제 5 도와 제 6 도는 관측되는 데이타의 증가에 반응하는 기억소자의 구성을 설명하기 위한 개략도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : 기억장치 12 : 각센서

13 : 미분회로 14, 15 : A/D 변환기

16 : D/A 변환기 17 : 구동회로

18 : 구동장치 31 : 진자

32 : 피벗 33 : 바아

81, 82, 83 : 기억장치 84 : 어드레스 제어기

85 : 램(RAM) 86 : 메모리제어기

87 : 보조기억장치 111 : 제어데이타

141, 151 : 관측데이타

본 발명은 관측데이타(observed data)를 사용하여 퍼지추론(fuzzy reasoning)을 실행하는 컴퓨터화된 시스템에 관한 것이다. 퍼지추론은 예를들어 뒤에 설명하는 역퍼지추론(converse fuzzy reasoning), 퍼지집합(fuzzy set), 및 멤버십값(membership value)등의 다른 용어와 함께 퍼지논리(fuzzy logic) 또는 퍼지시스템의 보다 일반적인 개념에 속하는 용어이다. 특히, 본 발명은 퍼지추론 및 역퍼지추론에 의해 출력될 가능한 합성데이타가 우선적으로 메모리에 저장되는 특징이 있는, 퍼지추론을 수행하는 컴퓨터화된 시스템에 관한 것이다. 현재, 주시스템(subiect system)이, 예를들어 각속도(angular speed)의 관측에 있어서의 빠르게 또는 약간 빠르게, 선속도(linear speed)의 관측에 있어서의 빠르게 또는 약간 빠르게 등 변화항목의 범위를 포함하는 판단을 통해, 관측에 있어서 대상(objective)변화 또는 새로운 거동에 대해 매우 신속한 반응제어를 가능하게 하리라는 인식하에 퍼지추론을 수행하는 컴퓨터시스템이 개발되고 있다.

종래의 퍼지추론 시스템에 있어서, 일반적으로 관측데이타에 따라 결정되는 멤버십값(membership value)은 하드웨어(hardware)에 의해 산출되므로, 대상을 관측하기 위한 각센서는 멤버십값을 전달하도록 각각 설계된 하드웨어에 결합된다. 그점에 있어서, 특히 MAXMIN 추리법을 수행하는 경우를 설명하면, 전기한 하드웨어는 여러가지 처리법칙에 의한 계산을 위해 여러장치를 구성하도록 설계되어, 다수의 법칙에 의해 계산된 최소멤버십값들이 최초로 출력되고 이들은 어느것이 최대간인지를 결정하기 위해 수집되며, 이 최대값은 퍼지추론의 결과로서 설정된 후에, 하드웨어내에 구비될 역퍼지추론은 실행하는 장치로 전달되고, 통상적으로 전기한 변환장치의 출력은 그 이후의 제어작용에 사용된다. 상기한 기술에 내포된 단점을 설명하면, 기술을 수행하기 위해 요구되는 가능한 배열로 부터 알려진 바와 같이, 종래에 계산장치는 멤버십값을 구하는데 필요한 것으로 알려졌다. 그러나, 그러한 퍼지추론을 실행하는데 있어서, 여러가지 데이타 처리법칙에 기초한 하나 이상의 멤버십값을 얻는 것이 반드시 필요하다.

이러한 상황은 관측증류수에 법칙수를 곱한 적(積)에 따라 하드웨어 장치의 불가피한 증가를 야기시킨다.

그러므로, 멤버십값을 사용하여 MAXMIN법을 실행하는 하드웨어는 전기한 적 (積)의 수에 따라 설계에 있어서 결과직으로 증대되어, 퍼지추론장치 및 역퍼지추론장치의 규모에 있어서 바람직하지 못한 증대를 초래한다. 여기에서, 합성 퍼이드백제어데이타에 대한 대상물의 변화를 지시하는 데이타의 대응을 검토하면, 얼마나 많은 법칙이 적용되든지, 어떵게 역퍼지추론이 수행되든지간에, 관측데이타와 합성제어데이타는 일대일 인과관계(one-to-on causality)를 가진다는 것을 주목해야 하며, 이러한 사실은 일단 관측데이타가 주어지면 합성데이타는 일대일 대응으로서 결정됨을 의미한다.

그래서, 퍼지추론시스템은 예정출력데이타를 산출하는 입력데이타의 변환기로서 간주된다. 따라서, 메모리가 여러가지 인과적 관측가능데이타와, 퍼지추론법 및 역퍼지추론법에 의한 대응제어데이타로 미리 저장되어있으면, 메모리는 관측데이타를 디지탈형태로 메모리입력에 전달하고 메모리출력에서 예정합성제어데이타를 구하는데 사용된다. 그것에 의하여, 종래기술의 단점이 해결되고, 메모리에서의 데이타의 사전기역은 다른 컴퓨터에 의해 실행된다.

그러므로, 본 발명은 대상물의 변화에 따라 출력반응제어데이타를 얻기 위하여 대상물의 변화를 나타내는 둘이상의 관측데이타를 사용하여 퍼지추론을 실행하는 컴퓨터시스템으로, 전기한 컴퓨터시스템은 인과적 관측가능데이터와, 퍼지추론법 및 역퍼지추론법에 의해 계산된 대응합성제어데이터로 우선적으로 저장된 메모리로 구성되는 특징이 있으므로, 디지탈형태의 관측데이타는 메모리입력에 새로이 입력되고, 대응제어데이타는 메모리출력으로 신속하게 출력된다.

제 1 도에서, 역립진자(31)는 바아(33)위에 피벗(32)으로 선회가능하게 지지되고, 센서 (12)는 바아(33)에 대해서 진자(31)의 각도를 검출하도록 설계되고, 이 센서 (12)의 출력은 바아(33)에 대한 진자(31)의 가속도를 출력하도록 설계된 미분회로(13)에 전달되며, 이들 센서(12)와 미분회로(13)에는 이들로부터의 아날로그 신호를 8비트디지탈신호로 변환하기 위해 A/D 변환기(14)(15)가 각각 연결되고, 변환기(14) (15)의 출력은 관측데이타((141)(151)로서 상위 8비트 어드레스와 하위 8비트 어드레스에 저장되는 64킬로바이트의 메모리(11)에 입력된다.

피이드백제어데이타(111)는 메모리(11)로부터 8비트 디지탈신호로서, 다음의 D/A 변환기(16)를 경유하여, 진자(31)가 평형되도록 화살표(A)로 표시된 바와 같이 양쪽 방향으로 바아(33)를 변위시키기 위해, 횡력(side force)을 작용시키는 다음의 구동장치(18)를 구동하기 위하여 신호를 전달하는 구동회로(17)로 출력된다.

다음은 바아의 특정한 거동에 대해 설명한다. 바아(33)에 대한 진자(31)의 각도는 제 2 도에 표시된 바와같이, 부호(31a)로 표시된 바와같은 완전 수직 상태에서 0으로, 부호(31b)(31c)로 표시된 바와같은 왼쪽으로 기울어진 상태를 음(-), 부호(31d)로 표시된 바와같은 오른쪽으로 기울어진 상태를 양(+)이라고 가정하며, 순회방향성(circular directionality)에 대해서는, 진자가 화살표(B)로 표시된 방향 또는 시계방향으로 움직이면, 양(+)으로 가정된다.

역으로, 진자가 반대방향으로 움직이면, 음(-)으로 가정한다. 이러한 데이타는, 상기한 바와같이, 각센서(angular sensor)(12), 미분회로(13), 및 A/D 변환기(14) (15)에 의해 처리되어 8비트디지탈 데이타(141)(151)의 형태를 메모리(11)에 전달되고, 메모리에서 퍼지추론 및 역퍼지추론을 처리하게 된다. 본 실시예에서, 진자(31)가 낙하하는 것을 방지하기 위해 구동장치(18)로부터의 출력이 C 또는 D방향으로 실행되어, 바아(33)의 변위가 각각 빠르게 또는 약간 빠르게 등 4개의 작동으로 분류되고, 또 정지상태를 포함하여 총 5개의 작동으로 분류된다.

이들 5작동은 제 4 도에 레이블(91)-(95)로 표시된 바와같이, 차례로 제1-제 5 레이블로 구분되며, 제 1 레이블(91)은 바아(33)가 C방향으로 빠르게 변위하는 경우에 퍼지추론을 실행하도록 지정하고, 제 2레이블(92)은 바아(33)가 C방향으로 약간 빠르게 변위하는 경우 퍼지추론을 실행하도록 지정되고, 제 3레이블(93)은 바아(33)가 정지상태인 경우 퍼지추론을 실행하도록 지정되고, 제 4레이블(94)은 바아(33)가 D방향으로 약간 빠르게 변귀하는 경우 퍼지추론을 실행하도록, 제 5레이블(95)는 바아(33)가 D방향으로 빠르게 변귀하는 경우 퍼지추론을 실행하도록 지정된다. 따라서, 레이블(93)의 결과인 추론데이타(M3)는 진자(31)가 완전수직상태로 향할때 최대값 1에 근접하고, 진자가 최고중립점(top neutral point)에서 정지하려할 때에는 1이상의 값에 근접한다. 상기한 바는 제 2 도에 설명되어 있다.

즉, 상기한 상태는 진자(31)가 매우 작은 각 속도로 위치(31a)에 있는 경우와, 진자(31)가 위치(31a)에서 매우 작은 각 속도를 보유하리라는 가정하에 B방향으로 진자(31)가 약간 빠르게 위치(31b)에 있는 경우와, 진자(31)가 위치(31a)에서 매우 작은 각속도를 보유하리라는 가정하에 B방향으로 진자(31)가 빠르게 위치(31c)에 있는 경우이다.

이와 유사한 가정은 진자(31)가 위치(31a)의 우측에 존재하는 경우, 예를들어 화살표(B)에 반대방향으로 빠른속도를 갖고 위치(31d)에 있는 경우에도 증명된다. 그러므로, 제 3레이블(93)내에 포함된 퍼직추론을 위한 데이타처리법칙은, 진자(31)가 완전수직에 가까운 위치에 있음을 나타내는 제 3a 도에 표시된 바와같이 각 멤버십값(angular membership value)이 변화하면, 각 속도가 0에 가까운 것을 나타내는 제 3b 도에 표시된 바와같이 각 속도멤버십이 변화하는 것이다. 따라서, 제 1법칙은 두가지 가능한 멤버십간중에서 낮은 값을 그것의 출력으로서 사용하는 것이다. 제 2법칙은, 각 멤버십이 진자(31)가 위치(31b)에 가까운 위치에 있는 것을 나타내는 제 3c 도에 표시된 바와같이 변화하면, 각 속도멤버십은 진자(31)가 B방향으로 약간 빠르게 움직이는 것을 나타내는 제 3d 도에 표시된 바와같이 변화하는 것이다. 제 1법칙과 마찬가지로, 제 2법칙은 두가지 가능한 멤버십값중에서 낮은 값을 그것의 출력으로 사용하는 것이다. 제 3법칙은, 각 멤버십이 진자(31)가 위치(31c)에 가까운 위치에 있는 것을 나타내는 제 3e 도에 표시된 바와같이 변화하면, 각 속도멤버십은 진자(31)가 B방향으로 빠르게 움직이는 것을 나타내는 제 3f 도에 표시된 바와같이 변화하는 것이다. 선택은 상기한 바와같이 적용된다.

다음의 제 4 및 제 5 법칙은 진자(31)가 위치(31a)의 우측과 그것에 대칭적인 위치에 존재할때 두 위치에 각각 적용되도록 설계되어 있으며, 전술한 바와 유사하게 2개의 낮은 멤버십값이 전달된다.

상기한 바와같이, MAXMIN법에 기초한 각 법칙에서는 각 멤버십과 각속도멤버십의 그룹중에서 낮은 값이 처음에 출력된다. N개의 법칙이 있다고 가정하고, 각 법칙에서의 각멤버십을 (an)이라고 명명하고, 마찬가지로 각속도멤버십을 (bn)이라고 명명하며, 출력치를 Cn(1

n

N)이하로 가정하면, Cn은 Cn=MIN{an,bn}으로 정의된다. 컴퓨터시스템에서, 이러한 모든 법칙은 동시에 실행되어 N개를 구성하는 값들이 전달되고, 이중에서 최대값이 M₃라는 퍼지추론값으로 결정되므로, M₃는 M₃=MAX{Cl,C2,…,CN}으로 정의된다.

이 M₃값은 A/D 변환기(14) (15)에 의해 입력되는 2데이타에 의해 일의적으로 정의되며, 진자(31)가 덜 기울어지면, M3는 1에 더욱 가깝게 근접한다. 마찬가지로, 레이블(91)을 통해 얻어진 값은 바아(32)가 C방향으로 빠르게 변위하지 않고 진자(31)가 낙하하는 정도를 나타내는 퍼지추론값(M1)이다. 레이블(92)을 통해 얻어진 값은 바아(32)가 C방향으로 약간 빠르게 변위하지 않고 진자(31)가 낙하하는 정도를 나타내는 퍼지추론값(M2)이다.

그러므로, 레이블(94)(95)을 각각 통해 얻어진 값은 바아(32)가 D방향으로 빠르게 또는 약간 빠르게 변위하지 않고 진자(31)가 낙하하는 정도를 나타내는 퍼지추론값(M4)(M5)이다. M3와 같이, M1,M2,M4,M5의 경우에 있어서, 이들 퍼지추론값들은 A/D 변환기(14)(15)로부터의 입력에 의해 일의적으로 결정되어, M1-M5의 전체값은 변환기(14)(15)에 의한 입력에 따라 5개의 레이블(91)-(95)에서 수행되는 퍼지추론조작에 의해 얻어짐을 증명한다. 다음의 전기한 M1-M5의 데이타를 사용하는 역퍼지추론처리에 대해 설명한다. 이 처리는 진자를 평형시키기 위해 어느방향으로 얼마나 빠르게 바아(33)를 변위시켜야하는지의 반응을 위한 데이타를 계산하고자 하는 것이다.

이 역퍼지추론처리는 M1-M5의 각각에 대한 가중단계(weighting step) 또는 가중인자(weighting factor)의 설정등을 포함하고, 모두 0과 1사이의 소수인 M1-M5를 산술계산 또는 승산(乘算)이 포함되며, 그후 가중퍼지값이 가산(加算)된다. M1-M5의 가중인자를 각각 W1-W5로 가정하면, 합계(X)는 다음과 같다.

X=W1×M1+W2×M2+W3×M3+W4×M4+W5×M5

이 합계(X)는 제 4 도의 장치(96)에서 계산된다. 전술한 바와같이, 퍼지데이타(M1)-(M5)는 일의적으로 결정되고, 가중인자(W1)-(W5)도 임의의 상수이므로, 상기한 식에 의해 얻어진 값(X)은 변환기(14)(15)의 출력(141)(151)에 의해 결정되는 유일한 값이어야 한다.

상기한 바와 동시에, M1-M5는 장치(97)내에서 값(Y)을 산출하기 위해 간단히 합해진다. 그러므로, Y는 다음과 같이 표현된다.

Y=M1+M2+M3+M4+M5

다음에, X와 Y를 사용해서 계산하여 그 결과를 D로 표시하는데, 아래와 같이 표시된다.

D= X/Y -128

여기서 "128"은 8비트데이타의 중앙값(median value)을 의미한다. 이 D는, 전기한 경우에 있어서, 변환기(14)(15)에 의해 일의적으로 결정되는 수치 또는 데이타로서, 그것에 의해 데이타(141)(151)가 메모리(11)의 어드레스에 전달되도록되며, 컴퓨터시스템은 퍼지추론과 역퍼지추론을 통해 메모리(11)내에 저장될 값(D)을 계산하도록 설계된다.

따라서, 이들 데이타가 메모리(11)내에 우선적으로 저장되었다고 가정하면, 진자(31)의 각도 및 각속도에 대한 새로운 데이타가 변환기(14)(15)를 통해 주어질때, 메모리(11)의 출력(111)은 입력데이타(141)(151)에 대응하여 퍼지추론처리와 역퍼지추론처리의 결과로서 D를 산출하고, D는 반응제어데이타(111)로서 다음의 변환기(16)에 전달된다.

이 제어데이타(111)는 D/A 변환기(16)를 경유하여 구동회로(17)에 전달되고, 이 구동회로(17)는 데이타(111)에 의해 구동장치(18)를 구동시키며, 그것에 의해 바아(33)는 진자(31)의 상태에 대응하여 화살표(A)를 따라서 변위된다. 전기한 바와같은 조작의 반복을 통해, 낙하하기 쉽게 되어있는 진자(31)는 약간의 진동은 있지만 낙하하지 않고 평형한 상태로 되어 바아(33)에 완전수직에 가까운 자세를 유지하게 된다.

상기한 실시예에서, 메모리는 두개의 관측데이타(141)(151)를 처리하는 기능을 보유하는 메모리(11)로 예시되어 있지만, 메모리는 필요하다면 3종류이상의 데이타를 처리하는 기능을 보유하도록 변경될 수도 있다. 또한, 데이타의 비트수는 8비트로 예시되었지만, 예를들어 6 또는 10비트인 비트수가 특별한 관측요구에 응하여 적용될 수 있다. 다음에 제 5 도에 표시된 바와같이, 관측종류의 증가에 기인하여 메모리용량의 급격한 증가가 요구되는 바와같은 상황에 대한 대책에 대하여 설명한다.

8비트데이타(811)(812)(821)(822)가 2개의 서브그룹(811)(812)과 서브그룹(821)(822)로 분류되어 64킬로바이트의 기억장치(81)(82)에 공급된다고 가정하면, 여기서 제 1단계퍼지추론이 실행된 후에, 다른 기억장치(83)에 공급되어 출력데이타(831)을 산출하기 위해 제 2단계퍼지추론과 역퍼지추론이 실행된다. 이러한 단계처리는 다중레벨구조(multi-level structure)로 더욱 증대될 수 있다. 관측의 증가에 대한 다른 대책이 제 6 도에 설명되어 있는데, 여기서 데이타(841)-(844)는 8비트라고 가정된다.

우선, 이들 데이타는 어드레스 제어기(84)로 입력되어, 32비트(=8비트×4)중 20비트가 20비트데이타를 처리하는 용량을 보유하는 램(RAM)(85)에 전달되며, RAM(85)은, 제 6 도에 표시된 바와같이, 메모리제어기(86)에 접속되고, 퍼지추론과 역퍼지추론을 처리하기 위한 데이타가 미리 저장되어 가상메모리 시스템을 구성하는 보조기억장치(87)에 접속된다.

그것에 의해, 램(85)내에 존재하지 않는 어떤 퍼지데이타가 관측(841)-(844)에 의해 요구되면, 어드레스 제어기(84)는 신호선의 변화에 의해 보조기억장치(87)로부터 램(85)에 그러한 퍼지데이타를 인출하는 명령을 보내도록 설계된다. 상술한 설명은 바아(33)를 변위시키는 5모우드에 의해 자유지지되는 진자(31)를 평형시키는 것에 관한 것이었다. 즉, 화살표(A)가 나타내는 두방향에 대하여, 빠르게 또는 약간 빠르게 변위시키는 것과 변위시키지 않는 것 등이었지만, 그 이상의 모우드, 예를들어 7모우드도 허용될 수 있음을 알수 있다.

더우기, 상기한 바와같이 자유지지되는 진자를 평형시키는데 포함된 기술은, 예를들어, 괘도위를 주행하는 열차의 방향에 대한 제어시스템등과 같은 다른 제어장치에 적용될 수 있다.

본 발명의 퍼지추론장치는 관측데이타와 반응퍼지출력이 일대일 인과율로 작용되는 원리와, 메모리가 가능한 관측데이타에 대응하여 퍼지추론 및 역퍼지추론을 위한 데이타를 저장하는데 유용하게 제작된 배열에 기초를 둔 것이다.

그러므로, 증가된 관측데이타와 처리법칙은 기억장치구성을 약간 변경하여 처리되어, 관측데이타 세트에 대응하는 반응제어데이타가 메모리내에서의 처리시간만큼만 지연되고 즉시, 전달되므로 신속한 반응이 실현되는 이점이 있다. 더우기, 본 발명은 처리법칙수와 레이블의 사용에 제한이 없고, 역퍼지추론을 위한 가능한 방법의 선택 및 관측데이타로부터 제어데이타까지의 도중에서의 계산정도(computation accuracy)에 대한 제한이 없는 부가적인 이점이 있다.

또한, 본 발명은 간단한 구조의 장치를 사용할 수 있고, 본래 클록작용에 기초하여 작동되는 CPU의 배제에 의한 신뢰도가 증가되고, 디지탈데이타를 사용하므로 본 발명의 시스템을 다른 컴퓨터시스템에 연결할 수 있으며, 전자기적 장해가 추론데이타에 수신되어 최종반응제어데이타에 치명적인 손상이 발생할 우려가 없고, 반응제어데이타가 데이타변환기를 통해 메모리에 피이드백되는 경우에 피이드백 데이타는 멤버십함수의 형태를 수정하여 새로운 처리법칙을 만드는 등의 부가적인 이점을 보유하게 된다.

Claims

대상물의 변화에 반응하여 출력반응 제어데이타를 얻기 위하여 대상물의 변화를 나타내는 둘 또는 그 이상의 관측데이타를 사용하여 퍼지추론을 실행하는 컴퓨터시스템에 있어서, 원인의 관측데이타와 퍼지추론 및 역퍼지추론법에 의하여 계산된 대응하는 합성제어데이타가 미리 저장된 메모리로 구성되어, 디지탈형태의 관측데이타가 메모리입력에 새로이 입력되면, 대응하는 반응제어데이타가 메모리출력에서 신속하게 출력되는 것을 특징으로 하는 퍼지추론을 실행하기 위한 컴퓨터시스템.