JPH044401A - フアジイ制御ルール自動チユーニング装置 - 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】 （イ）産業上の利用分野 本発明は、ファジィ制御ルールに基づいて制御を行うフ
ァジィ制御装置において最適な制御ができるように、自
動的にファジィ制御ルールの調整・修正を行うファジィ
制御ルール自動チューニング装置に関する。

（ロ）従来の技術 ファジィ制御は、メンバシップ関数とファジィ制御ルー
ルからなるファジィ知識に基づいて、例えば制御（応答
）偏差やその差分情報から制御対象に応じた最適な操作
量を演算により求めて制御を行う。これにより、従来の
ＰＩＤ（比例、積分、微分）制御などでは得られない非
線形で且つ可変ゲインが容易に実現でき、高精度の制御
が可能である。このため、非常に多くの制御系への適用
がされている。

良好なファジィ制御を行うためには、制御対象に適した
ファジィ知識を構築する必要がある。そこで、例えば、
［自己調整ファジィ制御装置の設計Ｊ　　（１９８９年
、第５回ファジィシステムシンポジウム講演論文集、第
８９頁乃至第９４頁）では、前件部変数として制御偏差
、制御偏差の１階差分、制御偏差の２階差分をとり、後
件部変数として操作量の１階差分をとり、３つの前件部
変数を夫々Ｎ（ｎｅｇａｔｉｖｅ　：負）　、Ｚ　（ｚ
ｅｒｏ：零）　、Ｐ　（ｐｏｓｉｔｉｖｅ：正）にファ
ジィ分割した結果から得られるファジィ制御ルールから
構成されるファジィ制御装置において、ファジィ制御装
置の入出力値を規格化するスケーリングファクタを学習
により調整した後、制御動作中に制御応答がサンプリン
グにより得られた時点で、ファジィ制御ルールの結論部
（後件部における操作量）を修正して目標の応答を得る
ようにファジィ制御ルールの自動チューニングを行って
いる。

（ハ）発明が解決しようとする課題 しかしながら、上述の自動チューニングでは、ファジィ
制御ルールの結論部の基本的な修正量を、サンプリング
時における理想応答波形と制御　。

応答波形との差である応答偏差、及びそれ以前の応答偏
差との変化分について、夫々正か負かあるいは零かとい
った情報のみによって決定しており（最終的な修正量は
、基本的な修正量に各ファジィ制御ルールの成立度を掛
けたもの）、応答偏差や応答偏差の変化分の大きさに応
じたきめこまかなファジィ制御ルールの結論部の修正が
できなかった。

このため、理想応答波形と修正前のファジィ制御ルール
に基づく制御応答波形との差が大きい場合には、チュー
ニングの収束効率は必ずしも良くはなかった。

本発明は、斯様な点に鑑みて成されたもので、理想応答
と制御応答との差である応答偏差や応答偏差の変化分の
大きさに応じて、ファジィ制御ルールの精密なチューニ
ングを自動的に行うファジィ制御ルール自動チューニン
グ装置を提供するものである。

（ニ）課題を解決するための手段 本発明は、メンバシップ関数とファジィ制御ルールに基
づいて、制御応答値を予め設定された目標値へと制御す
るファジィ制御装置に対して、前記ファジィ制御ルール
の修正を行うファジィ制御ルール自動チューニング装置
であって、制御応答値を記憶する制御応答値記憶手段と
、得た制御応答値に対する前記ファジィ制御ルールの成
立度を記憶するルール成立度記憶手段と、ファジィ制御
装置の制御において理想的な応答値を記憶する理想応答
値記憶手段と、理想的な応答値と制御応答値の差である
応答偏差及びその応答偏差の変化分の大きさに応じて前
記ファジィ制御ルールの後件部の値を修正するためのチ
ューニング用メンバシップ関数及びチューニング用ファ
ジィルールを記憶するチューニング用ファジィ知識記憶
手段と、該チューニング用ファジィ知識記憶手段に記憶
されたチューニング用メンバシップ関数及びチューニン
グ用ファジィルールに基づいて、前記ルール成立度記憶
手段に記憶された前記ファジィ制御ルールの成立度と、
前記理想応答値記憶手段に記憶された理想的な応答値と
前記制御応答記憶手段に記憶された制御応答値の差であ
る応答偏差及びその応答偏差の変化分の大きさとから前
記ファジィ制御ルールの後件部の値を修正するチューニ
ング用ファジィ推論手段とを備えるものである。

（ホ）作用 チューニング用ファジィ推論手段では、チューニング用
ファジィ知識記憶手段に記憶されたチューニング用メン
バシップ関数及びチューニング用ファジィルールに基づ
いて、理想応答値記憶手段に記憶された理想的な応答値
と制御応答記憶手段に記憶された制御応答値の差である
応答偏差及びその応答偏差の変化分の大きさとからファ
ジィ制御ルールの後件部の修正する基本的な修正量を演
算し、この演算により得られた基本的な修正量とルール
成立度記憶手段に記憶された前記ファジィ制御ルールの
成立度とから、ファジィ制御ルールの後件部の修正を行
う。これにより、応答偏差と応答偏差の大きさに応じた
精密な修正がされる。

（へ）実施例 第１図は、本発明のファジィ制御ルール自動チューニン
グ装置とチューニング対象となるファジィ制御装置の一
実施例の概略構成図である。

（１）はファジィ制御装置で、ファジィ制御ルール及び
メンバシップ関数が記憶されたファジィ制御知識ベース
（２）、該ファジィ制御知識ベース（２）に記憶された
ファジィ制御ルール及びメンバシップ関数に基づいて推
論を行い制御対象（４）の制御を行うファジィ推論部（
３）から成る。

ファジィ制御装置（１）では、ファジィ推論部（３）に
おいて、設定値ｒと現在のサンプル時点ｊにおける制御
応答ｙ、との制御偏差ｅｌ、及びその制御偏差の１階差
分Δｅ、より、ファジィ制御知識ベース（２）に記憶さ
れたファジィ制御ルールに基づいて操作量の１階差分Δ
Ｕ、を算出し、更に、 ｕｊ＝ｕ）、十Δｕｊ により操作量Ｕ、を求める。そして、制御対象（４）に
この操作量Ｕ、を加えることで制御対象（４）の制御を
行う。

（５）は、ファジィ制御装置（１）のファジィ制御知識
ベース（２）に記憶されたファジィ制御ルールのチュー
ニングを自動的に行うファジィ制御ルール自動チューニ
ング装置で、ファジィ制御推論部（３）において最新（
現在）のサンプル時点ｊからＳサンプル前までの制御応
答に対して成立したファジィ制御ルールの成立度を記憶
しておくルール成立度記憶手段としてのルール成立度記
憶テーブル（６）、同様に最新のサンプル時点ｊからＳ
サンプル前までの制御応答値を記憶しておく制御応答値
記憶手段としての応答波形記憶テーブル（７）（第１２
図参照）、制御対象（４）に対するファジィ制御におい
て理想的な応答値ｙ、６が予め記憶された理想応答値記
憶手段としての理想応答波形記憶テーブル（８）（第１
３図参照、第１３図では応答偏差ｅ　、　６についても
示しである）、理想応答波形記憶テーブル（８）に記憶
された理想的な応答値Ｙｉ°から応答波形記憶テーブル
（７）に記憶された実際に得られた制御応答値を引いた
応答偏差ｅ　、　６、およびこの応答偏差ｅ１°とＳサ
ンプル前のｅ、−１°との差Δｅ１°を求める制御性能
評価部（９）を備えている。更にこのファジィ制御ルー
ル自動チューニング装置（５）は、制御性能評価部（９
）で得られた応答偏差ｅ　、　０、およびＳサンプル間
の応答偏差の変化分Δｅ　、　６の大きさ基づいて、フ
ァジィ制御ルールの後件部の値を修正するためのチュー
ニング用ファジィルールとメンバシップ関数が記憶され
たチューニング用ファジィ知識手段としてのチューニン
グ用ファジィ知識ベース（１０）、該チューニング用フ
ァジィ知識ベース（１０）に記憶されたチューニング用
ファジィルールとメンバシップ関数に基づいてファジィ
制御ルールの後件部の修正を行うチューニング用ファジ
ィ推論手段としてのチューニング用ファジィ推論部（１
１）を備える。

まず、ファジィ制御装置（１）の動作について説明する
。尚、本実施例では、簡単のために、ファジィ制御ルー
ルには後件部が実数値であるような簡易推論を用いるも
のとする。

今、ファジィ制御ルールは、前件部変数に制御偏差ｅｌ
と制御偏差の１階差分八〇、をとり、後件部変数に操作
量の１階差分ΔＵ、をとるものとする。

制御偏差ｅ、と制御偏差の１階差分Δｅ１のファジィ分
割は任意であるが、ここでは制御偏差ｅｌと制御偏差の
１階差分△ｅ、を、第２図に示す様に、いずれも７つ（
Ｎ　Ｂ　：　ｎｅｇａｔｉｖｅ　ｂｉｇ、　ＮＭ　：ｎ
ｅｇａｔｉｖｅ　ｍｅｄｉｕｍＳＮ　Ｓ　：　ｎｅｇａ
ｔｉｖｅ　ｓｍａｌｌ、　Ｚ　０：　ｚｅｒｏ、　Ｐ　
Ｓ　　：　ｐｏｓｉｔｉｖｅ　　ｓｍａｌｌ、　Ｐ　Ｍ
　：　ｐｏｓｉｔｉｖｅｍｅｄｉｕｍ、、Ｐ　Ｂ　：　
ｐｏｓｉｔｉｖｅ　ｂｉｇ）に分割し、第３図に示すよ
うな１３個のファジィ制御ルールを設定する。熱論、第
３図の空白部分に更にルールが追加されても構わない。

第３図に示すファジィ制御ルールは次のように表される
。

Ｒ１：ＩＦ　ｅＩｉｓ　ＮＢ、△ｅｉ　　ｉｓ　ＺＯ，
Ｔｔ（ＥＮ△＋ｇ　ｉｓ　ＮＢＲ２：ＩＦ　ｅｉ　ｉｓ
　ＮＭ＋ΔｅＩｉｓ　ＺＯ，ＴＨＥＮΔＪ　ｉｓ　ＮＭ
Ｒ３：ＩＦ　ｅｉ　　ｉｓ　ＮＳ、Δｅｌ　ｉｓ　ＺＯ
，ＴＨＥＮΔｕｌ　ｉｓ　Ｎ５Ｒ４：ｒＦｅｌ　　ｉｓ
　ＺＯ，Δｅ）　　ｉｓ　ＮＢ、ＴＨＥＮ△ｕｉ　ｉｓ
　ＮＢＲｌｌ：ＩＦ　ｅ）　　ｉｓ　ＰＳ、△ｅｉ　ｉ
ｓ　ＺＯ，ＴＨＥＮΔＪ　ｉｓ　ＰＳＲ１２：ＩＦ　ｅ
ｉ　　ｉｓ　ＰＭ、△ｅＩｉｓ　ＺＯ，Ｔｔ（ＥＮΔｕ
Ｉｉｓ　ＰＭＲ１３：ＩＦ　ｅｌ　ｉｓ　ＰＢ、Δｅｉ
　ｉｓ　ＺＯ，ＴＨＥＮΔＪ　ｉｓ　ＰＢ但し、最新（
現在）のサンプル時点をＪとし、ｅ＋＝ｒ−ｙｉ　　＋
　Δｅ　ｉ＝ｅ　ｊ　−ｅ　ｉ−。

ΔｕＩ＝ｕ＋　　ｕｊ−１ ｒ：設定値、ｙ、二制御応答、ｅ、二制御偏差、Δｅ、
二制御偏差の１階差分、△ｕ、：操作量Ｕ、の１階差分
である。

前件部のメンバシップ関数は第２図に示した通りであり
、後件部のメンバシップ関数を第４図に示す。本実施例
では、後件部のメンバシップ関数は、実数値り、（ｉ＝
１〜７）に置き換えたものである。

ファジィ制御装置の入力ｅｉ、Δｅ］が与えられたとき
、出力Δｕ１は次式で得られる。

但し、ｗ、は１番めのルールの、ｅｉ、Δｅｌに対する
ルール成立度である。

斯様にして得られた操作量の１階差分Δｕｌと、一つ前
のサンプル時点Ｊ−１における操作量ｕ、−１とから、
これらを足して操作量Ｕ、を求める。そして、制御対象
（４）にこの操作量ｕ１を加えて、制御対象（４）の制
御を行う。

次に、ファジィ制御ルールのチューニングについて説明
する。ファジィ制御ルールのチューニング　　１１　− グは、現在のサンプル時点ｊで観測された制御応答ｙ１
を、予め設定され理想応答波形記憶テーブル（８）に記
憶されている理想応答ｙＩ。に一致させるように、現在
の制御状態に影響があると考えられる現在のサンプル時
点ｊよりＳサンプル前に用いたファジィ制御ルールの後
件部の実数値の修正量を応答偏差ｅ　、　６、およびＳ
サンプル間の応答偏差の変化分△ｅ　、６の符号及びそ
の値の大きさに応じてファジィ推論することにより求め
、制御ルールの後件部の実数値を増減することにより行
う。

ここで、ｅＩ。＝　’／　＋　　Ｙ　ｒ’Δｅ　、　０
　＝ｅ　、　Ｏｅ　、−、６ｅＩ６：応答偏差、Δｅｊ
’：Ｓサンプル間の応答偏差の変化分、ｙ、°　：理想
応答、ｙＩ：制御応答である。

例えば、第８図Ａを例に取ると、第８図Ａでは、「現時
点ｊで応答偏差ｅ　、　°はＮＢで、かつＳサンプル前
と比較して応答偏差はさらに減少して（Δｅ　、　６が
Ｎ）、理想応答よりも小さい値の方向へ遠ざかっていく
傾向にあるので、Ｓサンプル前の操作量が少なすぎたと
考えられ、Ｓサンプル前に用いた制御ルールの後件部の
値を大きく増加させなければならない」場合を示してい
る。

これをチューニング用ファジィルールで表現すると、時
刻ｊにおいて、 ＩＦ　ｅ　、ａ　ｉｓ　ＮＢ、Δｅ　ｊｏｉｓ　Ｎ、　
ＴＨＥＮΔｈ＋１ｓＰＢ但し、△１１．：　ｉ番めのフ
ァジィ制御ルールの後件部の値り、の修正量 と表現される。

チューニング用ファジィルールの前件部、後件部の変数
のファジィ分割は、やはり任意であるが、応答偏差ｅ　
、　Ｑのファジィ分割例を第５図に、応答偏差の１階差
分Δｅ　、　６のファジィ分割例を第６図に示す。また
、後件部の△ｈ、のメンバシップ関数は、第７図に示す
ように、チューニングのためのファジィ推論においても
簡略推論を用いるので、実数値ｐ、に置き換えたものと
なる。

即ち、ＰＢはＲ７に対応するので、上述のチューニング
用ファジィルールは、 ＩＦｅ、。ｉｓ　ＮＢ、Δｅ、。ｉｓ　Ｎ、　　ＴＨＥ
Ｎ　Δｈｌｉｓｐ＋となる。

第５図と第６図に示すファジィ分割全てに対応した、理
想応答ｙ＋’に対する制御応答ｙｌの発生の仕方を第８
図Ａ乃至Ｏに示す。第８図に対応するチューニング用フ
ァジィルールを表形式で表すと第９図のようになる。

尚、チューニング用ファジィルールは第９図のように全
ての場合について記述する必要はなく、例えば第１０図
のように、代表的なパターンに対するものだけの記述で
もよい。

チューニング用ファジィ推論部（１１）は、チューニン
グ用ファジィ知識ベース（１０）に記憶されたメンバシ
ップ関数（第５図乃至第６図）や第９図（あるいは第１
０図）のチューニング用ファジィルールに基づいて、制
御性能評価部（９）において計算された応答偏差ｅ　、
６、および応答偏差の変化分（応答偏差の１階差分）Δ
ｅ　、　６が与えられたとき、簡略推論によって制御ル
ールの後件部の修正量Δｈ１として、 △ｈ、＝Σμに°ｐｋ／Σμｋ （但し、チューニング用ファジィルールの総数をｍ個と
し、ｋ番めのチューニング用ファジィルールの、ｅ　、
＋１、Δｅ　、ｏに対するルール成立度をμ、とする） を演算して求める。

そして、ファジィ制御ルールの後件部の値ｈ１は、Ｓサ
ンプル前に操作量を演算するために用いられた全てのフ
ァジィ制御ルールに対して、現在のサンプル時点ｊで次
式により修正される。

ｈｌＮＥＷ＝ｈｌＯＬＤ十Ｗ（Ｉ−１）・Δｈ＋但し、 ｗＬ＋−“”：（ｊ−ｓ）時点の１番めのファジィ制御
ルールの成立度 ｈｌ。１′Ｄ　＝　（ｊ−８）時点で使用されたファジ
ィ制御ルールの後件部の値 り、ＮＥＷ　、　５時点で修正されたファジィ制御ルー
ルの後件部の値 である。

ｗ”−“）は、（ｊ−ｓ）時点における操作量の１階差
分Δｕ　ｆ＋−＋１を算出する際に、ファジィ推論部（
３）において各ファジィ制御ルールに対して求まってお
り、これがルール成立度記憶テーブル（６）に記憶され
ている。ルール成立度記憶テーブル（６）の内容例を第
１１図に示す。

斯様にして得られたり、ＮＥＷに、ファジィ制御知識ベ
ース（２）の、（ｊ−ｓ）時点で使用されたファジィ制
御ルールの後件部の値が修正される。

このようなファジィ制御ルールのチューニングは、例え
ば、 で示される終了判定基準が満足するまで、制御対象（４
）の制御中、前回のチューニング後のファジィ制御ルー
ルを初期ルールとして判定基準が満足されるまで、実時
間のチューニングが繰り返し行われる。尚、δは終了判
定基準の値である。

（ト）発明の効果 本発明は、以上の説明から明らかなように、ファジィ制
御ルールの後件部の修正量の推論にファジィ推論を適用
することにより、応答偏差ｅ、°及び応答偏差の変化分
△ｅ、°（応答偏差の１階差分）の大きさに応じて、よ
り精密なファジィ制御ルールのチューニングがされる。

そして、理想応答と初期制御ルールによる応答との差（
初期応答偏差）がある程度大きい場合のチューニングが
可能になり、チューニングのロバスト性および収束効率
の改善が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のファジィ制御ルール自動チューニング
装置とチューニング対象となるファジィ制御装置の一実
施例の概略構成図、第２図は本発明一実施例に係るファ
ジィ制御ルールの前件部のメンバシップ関数を示す図、
第３図は本発明一実施例に係るファジィ制御ルールを示
す図、第４図は本発明一実施例に係るファジィ制御ルー
ルの後件部のメンバシップ関数（実数値）を示す図、第
５図及び第６図は本発明一実施例に係るチューニング用
ファジィルールの前件部のメンバシップ関数を示す図、
第７図は本発明一実施例に係るチューニング用ファジィ
ルールの後件部のメンバシップ関数（実数値）を示す図
、第８図は理想応答に対する制御応答の状態を示す図、
第９図及び第１０図は本発明一実施例に係るチューニン
グ用ファジィルールを示す図、第１１図は本発明一実施
例に係るルール成立度記憶テーブルの一例を示す図、第
１２図は本発明一実施例に係る応答波形記憶テーブルの
一例を示す図、第１３図は本発明一実施例に係る理想応
答波形記憶テーブルの一例を示す図である。 （１）・・・ファジィ制御装置、（２）・・・ファジィ
制御知識ベース、（３）・・ファジィ推論部、（４）・
・・制御対象、（５）・・・ファジィ制御ルール自動チ
ューニング装置、（６）・・・ルール成立度記憶テーブ
ル（ルール成立度記憶手段）、（７）・・・応答波形記
憶テーブル（制御応答値記憶手段）、（８）・・理想応
答波形記憶テーブル（理想応答値記憶手段）、（９）・
・制御性能評価部、（１０）・・・チューニング用ファ
ジィ知識ベース（チューニング用ファジィ知識記憶手段
）、（１１）・・・チューニング用ファジィ推論部（チ
ューニング用ファジィ推論手段）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）メンバシップ関数とファジィ制御ルールに基づい
   て、制御応答値を予め設定された目標値へと制御するフ
   ァジィ制御装置に対して、前記ファジィ制御ルールの修
   正を行うファジィ制御ルール自動チューニング装置にお
   いて、 制御応答値を記憶する制御応答値記憶手段と、得た制御
   応答値に対する前記ファジィ制御ルールの成立度を記憶
   するルール成立度記憶手段と、ファジィ制御装置の制御
   において理想的な応答値を記憶する理想応答値記憶手段
   と、理想的な応答値と制御応答値の差である応答偏差及
   びその応答偏差の変化分の大きさに応じて前記ファジィ
   制御ルールの後件部の値を修正するためのチューニング
   用メンバシップ関数及びチューニング用ファジィルール
   を記憶するチューニング用ファジィ知識記憶手段と、該
   チューニング用ファジィ知識記憶手段に記憶されたチュ
   ーニング用メンバシップ関数及びチューニング用ファジ
   ィルールに基づいて、前記ルール成立度記憶手段に記憶
   された前記ファジィ制御ルールの成立度と、前記理想応
   答値記憶手段に記憶された理想的な応答値と前記制御応
   答記憶手段に記憶された制御応答値の差である応答偏差
   及びその応答偏差の変化分の大きさとから前記ファジィ
   制御ルールの後件部の値を修正するチューニング用ファ
   ジィ推論手段とを備えることを特徴とするファジィ制御
   ルール自動チューニング装置。