JPH0335301A - 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】 （ａ）産業上の利用分野 この発明は、ファジィ推論器に線形または非線形の制御
部からなる補償器を組み合わせたファジィ制御装置に関
する。

（ｂ）従来の技術 従来のファジィ制御装置は、制御部を１つのファジィ推
論器だけで構成し、ファジィ推論器の出力をそのままア
クチュエータなどの出力部に対する操作量としていた。

このようなファジィ制御装置は、一般に制御対象のモデ
ルがよくわからない場合には好都合であるが、対象のモ
デルがよくわかっている場合にはそれに適した制御系、
例えばＰＩＤ制御装置等の方がむしろ好ましい。

（Ｃ）発明が解決しようとする課題 しかし、上記の従来のファジィ制御装置やＰＩＤ制御装
置などをそれぞれ単独に使用する場合には次のような問
題がある。

■制御部をファジィ推論器だけで構成した場合（１）フ
ァジィ演算が構造的に非線形であるために、安定点近傍
で正確に線形なモデルがわかっている場合にもファジィ
演算で対処せねばならないために、精度を出すことがで
きない。

（２）仮に、ファジィ演算で線形制御器と同等以上の性
能を出す場合には、メンバーシップ関数とファジィルー
ルのマツプを操作しなければならず、決定してしまうま
で非常な労力が伴う。

■制御部をＰＩＤＩＪ御部などの線形な制御部だけで構
成する場合。

（１）安定点近傍では、線形モデル、非線形モデルがあ
り、うまく制御できる場合も、安定点から離れた点では
、非線形性が強くなり、両モデルでうまくコントロール
できなくなることが頻繁に起こる。

（２）例えば、予め制御対象の非線形性がわかっている
なら、計算あるいはマツプを用いてその非線形性を補償
するという方法をとることができるが、この方法はうま
く制御できる反面、計算時間がかかり、ＣＰＵの負担が
大きくなるという欠点がある。

以上のように、制御対象をファジィ推論器だけで制御す
る場合も、ＰＩＤ！ＩＩ御器などの他の線形制御部だけ
で制御する場合も、全ての状態で高精度に効率良く制御
することができないという問題があった。

この発明の目的は、ファジィ推論器と線形または非線形
の制御部からなる補償器とを組み合わせ、ファジィ推論
器でのｉｔ、ＩＩ御では精度を出せない部分を補償器で
補償することにより上記の欠点を解決するファジィ制御
装置を提供することにある。

（ｄ）課題を解決するための手段 この発明は、ファジィ推論器と、 線形または非線形の制御部からなる補償器と、前記ファ
ジィ推論器の出力と前記補償器の出力を所定の比率で加
算する加算器とを備えてなることを特徴とする。

さらに、ファジィ推論器と、 線形または非線形の制御部からなる補償器と、前記ファ
ジィ推論器の出力の適合値、および前記補償器の出力の
適合値をファジィ演算内容から求める適合値計算器と、 上記２つの適合値を加算する加算器と、を備えてなるこ
とを特徴としている。

（ｅ）作用 請求項１に係る発明では、ファジィ推論器と線形または
非線形の制御部からなる補償器とを組み合わせて制御装
置を構成するために、それらの出力の比率を適当に設定
することで、非線形性が強い制御対象や、ＰＩＤ制御な
どでは精度を出すことのできない制御対象に対しては、
ファジィ推論器によるファジィ制御が強く働くようにし
、モデルが良くわかっている線形の強い制御対象に対し
ては、補償器による制御が強く働くようにすることがで
きる。また、線形と非線形の特性が混在している制御対
象に対しても、上記比率の設定具合を適当に選ぶことに
より精度の向上を図ることが出来る。

また、ファジィ推論器の出力と補償器の出力のそれぞれ
の適合値をファジィ演算内容から求める適合値計算器を
設けることにより、両者の出力を加算する比率を固定し
ている場合に比較して、どのような制御対象に対しても
、且つ線形、非線形の特性が変化する制御対象に対して
も、高精度な制御を行うことが可能になる。

（ｆ）実施例 第１図はこの発明の実施例のファジィ制御装置のプロ、
７り図を示している。この実施例では、ファジィ制御装
置は、ファジィ推論器１とＰＡＤ補償器２と加算器３と
で構成されている。補償器２は本実施例では線形のＰＩ
Ｄ制御部からなり、ファジィ推論器１とＰＩＤ補償器２
には共通の人力θ、〜θ７が入る。加算器３では予め設
定された比率によってファジィ推論器ｌの出力と補償器
２の出力の適合値（ファジィ推論器ｌの適合度と補償器
２の適合度）が決められ、それらの適合値が加算される
。

この実施例では、加算器３において、ファジィ推論器ｌ
の適合度とＰｒＤ補償器２の適合度とが一定の比率とし
て予め設定されているために、その適合度にファジィ推
論器１．ＰＩＤ補償器２の出力が掛けられてそれぞれの
適合値が求められ、それらの適合値が加算され出力され
る。このため、ファジィ推論だけでは、精度の高い制御
が困難な対象のときにＰＩＤ補償器２によってファジィ
推論器出力に対し適当な補償を加えることで、制御装置
の出力の精度を高くすることができる。また、反対にＰ
ＩＤ補償器２だけではほとんど制御ができない対象に対
しては、ファジィ推論による制御量がＰＩＤ補償器２の
制御量に適当に加算されることによって上記と同様に精
度の高い制御が可能になる。なお、必要に応じてＰＩＤ
補償器２からの補償量をスイッチなどによってＯにする
ことも可能であるから、対象のモデルに対してファジィ
推論器が合わない場合にだけＰ■ＤＩｉｌｉ償器２をオ
ンさせることにより、より高精度な制御が可能になる。

第２図はこの発明のさらに好ましい実施例を示している
。

構成において、第１図に示す実施例と相違する点は、フ
ァジィ推論器ｌと加算器３との間にファジィ適合値計算
器４を置き、ＰＩＤ補償器２と加算器３との間に補償器
適合値計算器５を置いた点である。これらの適合値計算
器４，５はそれぞれファジィ推論器１．ＰＩＤ補償器２
の出力の適合値（ファジィ推論器１．ＰＩＤ補償器２の
適合度）を計算する。適合値を計算するための情報はフ
ァジィ推論器ｌから得る。すなわち、各適合値計算器４
，５はファジィ演算内容からそれぞれの適合値を計算す
る。このような構成によると、制御対象のモデルの変動
に対して緻密な補償量の設定を行うことが可能になる。

第３図（Ａ）、（Ｂ）はこの実施例の動作を説明する図
である。

同図（Ａ）の横軸は、人力情報である偏差ｅを示し、縦
軸はファジィ推論器ｌおよびＰＩＤ補償器２の適合度を
示している。また、同図（Ｂ）の横軸は偏差ｅを示し、
縦軸は加算器３の出力を示している。

第３図（Ａ）に示すように偏差ｅ＝±５ｖ以上の範囲で
は、ファジィ推論器ｌの適合度が１となり、ＰＩＤ補償
器２の適合度が０となる。したがって、この範囲ではフ
ァジィ推論器ｌだけの制御状態となる。そして、−５＞
ｅ＞＋５の領域でＰＩＤ補償器２の補償が効き始める。

そして、ｅ＝０でＰＩＤ補償器２の適合度が１００％と
なる。

このような適合度の変化による加算器３の出力の変化を
第３図（Ｂ）で見てみる。図のハツチングで示す領域は
、ＰＩＤ補償器２で寄与する範囲を示している。細線Ｆ
はファジィ推論器Ｉの出力を示し、太ｖＡＯは加算器３
の出力である。図に示すように、範囲Ｓでの感度はファ
ジィ出力Ｆだけでは非常に小さいが、ハツチングＰで示
すＰＩＤ補償器２の補償（寄与）があるために、この領
域Ｓ、すなわちｅ＝ｏの近傍において感度が上昇し、精
度が向上する。ｅ＝ｏではファジィ出力Ｆ、　Ｐ１０補
償量が共に０となるために、ＰＩＤ補償器２の適合度が
１であっても出力Ｏは０となっている。一方、−５＞ｅ
＞＋５の範囲ではどんなにＰ！Ｄ補償器２の補償量が大
きくてもその適合度は０であるために出力Ｏはファジィ
出力Ｆに一致する。

第３図（Ａ）に示すように、偏差ｅの大きさに応してフ
ァジィ推論器１の適合度とＰＩＤ補償器２の適合度を変
えるには、ファジィ推論器１のファジィ演算内容が使用
される。この方法では、後述のように特定のファジィル
ールの前件部のｍ１ｎｉ演算によって得られる当該ファ
ジィルールの（後件部の）適合度を使用することかでき
る。例えば、ファジィルールの前件部の変数をｅとその
変化分ｅ′とした場合、第３図（Ａ）に示すような適合
度の変化を得るには、 Ｉｆ　ｅ＝ｏ、ｅ’　＝Ｏｔｈｅｎ　Ｆ＝ＺＲ−・−−
−−−−−−−■のルールに対してｅおよびｅ′の変数
を当てはめたときの前件部のｍ１ｎｉ演算結果を使用す
る。すなわち、そのｍ１ｎｔ演算結果の１に対する補数
をファジィ適合値計算器４に与え、ｍ１ｎｉ演算結果を
そのまま補償器適合値計算器５に与える。ここで、上記
０式のファジィルールの後件部の適合値の１に対する補
数をファジィ適合値計算器４に与えるようにしているの
は、ｅ＝０の付近でファジィ出力が非常に低感度になる
のをＰＩＤ補償器２で補償するようにしているためであ
る。つまり、ｅ＝０の近辺では、ファジィ推論器ｌの適
合度を低くし、ＰＩＤ補償器２の適合度を高くする必要
があるために、上記０式のファジィルールの（後件部の
）適合度が高い場合には逆にファジィ推論器１の適合度
を低くし、ＰＩＤ補償器２の適合度を高くする必要があ
るからである。

上記のように、ファジィ演算内容によってファジィ推論
器１とＰＩＤ補償器２の適合度を常時求めることにより
、第３図（Ｂ）に示すように加算器３の出力○は、ｅ＝
０の付近においてＰＩＤ補償器２の補償の影響を大きく
受けたものとなる。

このような制御によると、ｅ＝ｏの安定点の近傍におい
て、線形の制御部であるＰＩＤ補償器２の補償量が大き
くなるために、ファジィ推論器１だけでは充分な感度を
得ることができない（充分な精度を得ることができない
）このｅ＝０付近において感度が上がり精度が向上する
。

次に、実際に上記のファジィ制御装置をモータの位置制
御装置に適用した場合について説明する第４図はモータ
の位置制御装置の構成を示している。モータ１０には位
置検出装置１）．速度検出装置１２が接続され、偏差演
算器１３がこれらの検出装置の出力θ、■を得て、目標
値生成器１４で生成される目標値θ１．■、との偏差を
演算する。θとθ、の偏差ｅおよびＶとＶ、の偏差ｅ′
はファジィ人力情報としてファジィ制御装置１５に与え
られ、その出力はアンプ１６でゲイン増幅され、モータ
ｌＯに操作量として出力される。

また、ファジィ制御装置１５にはＰＡＤ補償器２のゲイ
ン設定器１７とファジィルールおよびメンバーシップ関
数の設定器１８が接続されている。

上記の構成において、ファジィ制御装置１５のファジィ
推論器１に対してはファジィルールおよびメンバーシッ
プ設定器１８によりファジィルールとメンバーシップ関
数が設定される。メンバーシップ関数は各ルールの前件
部に対応するメンバーシップ関数および後件部に対応す
るメンバーシップ関数である。第５図はマトリノクスで
表したファジィルールを示し、第６図（Ａ）は各ルール
の前件部のメンバーシップ関数、同図（Ｂ）は後件部の
メンバーシップ関数をそれぞれ示しているＰＩＤ補償器
２に対しては補償器ゲイン設定器１７によってＰＩＤの
各制御装置に対するゲインを設定する。

第７図は上記の構成のモータ位置制御装置の信号波形図
である。目標回転角θ４および目標回転速度■、は図の
（Ａ）、（Ｂ）に示すように速度台形カーブを描くもの
とする。目標値θ１．■。

に対し、第７図（Ｃ）、（Ｄ）に示すように現在値θ、
■が変化すると、その偏差は同図（Ｅ）。

（Ｆ）に示すようになる。この偏差角ｅおよび偏差回転
速度ｅ′がファジィ制御装置ｔ１５の入力となる。

今、原時点が第７図（Ｅ）、（Ｆ）のａ点であるとする
と、ファジィ推論器１での演算は第８図に示すようにな
る。そして、後件部のメンバーシップ関数合成波形は第
９図に示すようになる。

ここで、ファジィ推論器１の目的は、ｅ＝０゜ｅ′＝０
にすることであるから、ファジィＨｆｉ論器１の出力の
適合値はルール上５（またはルール上５の後件部）の適
合度から求める。したがって、第８図に示す演算内容で
は、ファジィ推論器１の適合度は０．５である。

一方、ＰＩＤ補償器２の構成が第１０図のようであると
すると、Ｋ、、に、、Ｋｖの各ゲインを（０，２）、　
　（０，４）、（０，１）とした場合（但し偏差Ｊｅｄ
ｔは−２５とする）、ＰＩＤ補償器２内の加算器の出力
、すなわちＰＩＤ補償器２の出力である０ＵＴ２は、 ０．５．＋１．０＋２．５＝４．０となる。

そして、ファジィ推論器１の適合度は第８図のルール上
５の演算より０．５であるので、ファジィ推論器１のゲ
インァジファイ出力（第９図の確定値）ＯＵＴＩが１．
５であるとすると、ファジィ適合値計算器４では次の計
算が行われる。

１．５Ｘ　（１−０，５）＝０．７５・・・■上記■式
で（１−０，５）はファジィｉｆＩ論器ｌの適合度０．
５の１に対する補数である。

また、補償器適合値計算器５では、次の式が計算される
。

４、ＯＸｏ、５＝２．０・・　・■ 加算器３では上記■式および■式の結果を加算しく０．
７５＋２．０＝２．７５）、その値２゜７５がＰＩＤ補
償器２によって補償されたファジィ出力ＯＵＴとしてア
ンプ１６に出力される。

以上の動作によって、ｅ＝ｏの目標点の近辺でファジィ
推論出力が非常に低感度になるのをＰＩＤ補償器２によ
って補償することができる。これに対して、例えば、ｅ
＝２．５．ｅ’　＝７．５の場合にはルールＬＬおよび
Ｌ４でファジィ演算され、それらの後件部の合成波形は
、第１）図に示すようになる。したがって、この場合に
はルールＬ５の適合度（ファジィ推論器ｌの適合度）が
Ｏとなる。つまづ、ファジィ適合値計算器４ではファジ
ィ推論器１の出力０ＵＴＩに（１−０）を乗じる計算が
行われる。また、ＰＩＤ補償器２の出力は、 ０．２Ｘ２．５＋０．４ Ｘ７．　５＋２．　５＝６．　０ となるが、この補償器２の適合度はＯであるからこのＰ
ＩＤ補償器の影響は全く無い。したがって、このときの
加算器３の出力ＯＵＴは第１）図のデファジファイ出力
（ｒＪＴ１定植）−４，０となる以上の動作のように、
ファジィ推論器と線形制御部であるＰＩＤ補償器２とを
組み合わせることによって、また、ファジィ適合値計算
器４と補償器適合値計算器５を用いることによって、フ
ァジィ推論器１の人力変数の大きさに応じてＰＡＤ補償
器の補償度合を適当な大きさにすることができる。すわ
なち、上記の実施例では、第３図（Ｂ）に示すようにｅ
＝０の安定点付近において低感度（精度が小さい）のフ
ァジィ出力をＰＩＤ補償器２の補償により高感度（精度
が高い）にすることができる。さらに、安定点から離れ
た位置の非線形なモデルに対しては、非線形モデルに対
して高精度で対応することのできるファジィ推論器の制
御度合を強くすることができる。

なお、上記の実施例では、ファジィ出力を補償するのに
線形の制御部であるＰＩＤ補償器を使用したが、制御対
象によってはこのＰＩＤ補償器に代えて非線形の制御部
や他のファジィ推論器を使用することもできる。

（ｇ１発明の効果 以上のようにこの発明によれば、１つのファジィ推論器
だけでは困難であった正確な制御が実現可能になり、ま
た、従来の線形制御部だけでは不可能であったモデル化
できない制御対象領域まで制御できるようになる。すな
わち、非常に適用範囲の広い制御系を構成できる利点が
ある。また、適合値計算器を使用することより、さらに
正確な制御が可能になり、また、適用範囲もより広範囲
となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１の実施例のファジィ制御装置の
ブロック図、第２図はこの発明の第２の実施例のファジ
ィ制御装置のブロック図、第３図（Ａ）、（Ｂ）は第２
図の実施例の動作を説明するための図、第４図は上記実
施例のファジィ制御装置を適用したモータ位置制御装置
の構成図、第５図はファジィルールを示す図、第６図（
Ａ）（Ｂ）はファジィルールの前件部メンバーシップ関
数、後件部メンバーシップ関数を示す図、第７図（Ａ）
〜（Ｆ）は上記モータ位置制御装置の信号波形図、第８
図はファジィ演算内容の一例を示す図、第９図はファジ
ィ演算時の後件部の合成波形を示す図、第１Ｏ図はＰＩ
Ｄ補償器の構成図、第１）図はファジィ演算時の後件部
の合成波形を示す図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ファジィ推論器と、 線形または非線形の制御部からなる補償器と、前記ファ
   ジィ推論器の出力と前記補償器の出力を所定の比率で加
   算する加算器とを備えてなるファジィ制御装置。
2. （２）ファジィ推論器と、 線形または非線形の制御部からなる補償器と、前記ファ
   ジィ推論器の出力の適合値、および前記補償器の出力の
   適合値をファジィ演算内容から求める適合値計算器と、 上記２つの適合値を加算する加算器と、を備えてなるフ
   ァジィ制御装置。