JPH0619509A - ファジィ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 メンバシップ関数および複数の推論ルールを
用いてファジィ推論演算を実行して推論結果を出力する
ファジィ制御装置において、推論ルールを整理統合して
推論演算処理能率を向上させる。 【構成】 各入力情報に対してメンバシップ関数と全部
の推論ルールまたは一部の推論ルールを使用して、前件
部演算に対するシミュレーション演算を実行し、推論ル
ール有効性判断手段によって、各入力情報と各推論値と
を比較対照しててユーザメモリに記憶された各推論ルー
ルの有効性を判断する。さらに、推論ルール冗長性判断
手段によって、前件部演算に使用した推論ルールの組合
わせとこの組合せに対応するシミュレーション演算結果
記憶部に記憶された推論値の組合せから組合せ推論ルー
ルの冗長性を判断する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は入力情報に対してメンバ
シップ関数および複数の推論ルールを用いてファジィ推
論演算を実行して推論結果を出力するファジィ制御装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、工場の各生産設備を制御するプロ
セス制御においても、ファジィ推論を用いた制御装置が
採用されている。このようなファジィ制御装置内には、
メンバジップ関数と複数の推論ルールとが記憶されてお
り、制御対象としての例えば各設備から入力された温
度，圧力，流量等の各物理量からなる各入力情報に対し
てメンバシップ関数および推論ルールを用いてファジィ
推論演算を実行して例えばバルブ開，バルブ閉等の制御
対象に対する操作量を推論して出力する。

【０００３】ファジィ制御を定義するときに必要な情報
はメンバシップ関数と推論ルールである。このうちメン
バシップ関数は、個々の入出力の特性を示す確率関数で
あり、通常は図５に示すように、折れ線関数の形で定義
される。一方、推論ルールは、１個以上の入力と出力と
の関係を示すもので、一般に、図６，図７に示すよう
に、ＩＦ−ＴＨＥＮの形式で定義される。

【０００４】図５のメンバシップ関数と図６，７の推論
ルールのうちで、実際に使用する時に定義しにくいもの
は推論ルールである。すなわち、推論ルールにおいて
は、判断を実際に行う人間の判断の根拠となる情報を入
力（ＩＦ）と出力（ＴＨＥＮ）の形式で表現したもので
あるので、人間が意識している部分について表現したも
のとなる。

【０００５】このような数式では表現できない熟練した
技術者が所持しているノウハウを人間の知識レベルから
引出して、機械（計算機）が理解できる形に変換・表現
することは非常に繁雑であり、また困難なことである。
そして、実際には、知識エンジニア（ＫＥ）と呼ばれる
専門家が、インタビュー形式で技術者から情報を採取し
て整理して記憶装置へそれそれ推論ルールとして書込
む。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たように、たとえ専門の知識エンジニアが、制御・判断
の根拠となる各推論ルールを、その対象技術分野を専門
とする人間の知識から引出して、整理して機械が理解す
る表現形式に変換することは非常に繁雑である。その結
果次のような問題が生じる。

【０００７】担当技術者から聞取った全ての知識をそれ
ぞれ推論ルールの形に変換していけば、推論ルールの数
が当然増大する。推論ルール数が増大すると、推論演算
処理時間が増大する。その結果、プロセス制御装置とし
ての制御応答性能が低下する懸念がある。

【０００８】また、担当技術者から聞取った各知識の断
片を整理せずにそのままルール化した場合には、前述し
たように、推論ルール数が増大するのみならず、表現の
みが異なり同じような結果になる推論ルールが多数作成
されたり、また、同一意味を持つ複数の推論ルール相互
間で互いに逆の結論となる矛盾した推論ルールが発生す
る懸念がある。

【０００９】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、一旦ユーザメモリに設定された各推論ルー
ルが有効なルールであるか否かを判断する機能を付加す
ることによって、不要な推論ルールを除去することがで
き、高い制御精度を維持したままで、推論演算速度を上
昇でき、制御応答性能を向上できるファジィ制御装置を
提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解消するため
に本発明は、メンバシップ関数および推論ルールを記憶
するユーザメモリと、制御対象からの入力情報に対して
この入力情報が有する確信度をメンバシップ関数を用い
て算出し、この算出された確信度に対して推論ルールを
用いて推論値を演算する前件部演算部と、この前件部演
算部にて演算された推論値から制御対象に対する操作量
を算出する後件部演算部とを備えたファジィ制御装置に
おいて、

【００１１】制御対象から順次入力される各入力情報を
記憶する入力情報記憶部と、この入力情報記憶部に記憶
された１組以上の入力情報に対して前件部演算部でもっ
てメンバシップ関数と推論ルールの一部または全部を用
いて推論演算させるシミュレーション演算手段と、この
シミュレーション演算手段にて得られた各推論値を記憶
するシミュレーション結果記憶部と、入力情報記憶部に
記憶された各入力情報とシミュレーション結果記憶部に
記憶された各推論値とを用いてユーザメモリに記憶され
た各推論ルールの有効性を判断する推論ルール有効性判
断手段と、シミュレーション演算手段にて使用した推論
ルールの組合わせとこの組合せに対応するシミュレーシ
ョン結果記憶部に記憶された推論値の組合せから組合せ
推論ルールの冗長性を判断する推論ルール冗長性判断手
段とを備えたものである。

【００１２】

【作用】このように構成されたファジィ制御装置であれ
ば、通常の稼働状態においては、制御対象から入力され
た入力情報に対してファジィ演算処理によって操作量を
求めて制御対象へ送出する。このファジィ演算処理は、
周知のように、前件部演算処理と後件部演算処理とで構
成されている。

【００１３】この発明においては、上述した通常の稼働
状態において制御対象から順次入力される入力情報を別
途入力情報記憶部に累積記憶しておく。そして、例えば
前記稼働時間の空き時間やまたはオフライン時に、入力
情報記憶部に記憶された１組以上の入力情報に対して前
件部演算部を起動して前記ユーザメモリに設定さている
メンバシップ関数および推論ルールを用いて推論演算の
シミュレーションを実施させる。このシミュレーション
で得られた各推論値をシミュレーション結果記憶部へ格
納する。この記憶された各推論値と先の入力情報とを比
較対照してこの推論に使用した推論ルールの有効性が判
断される。

【００１４】したがって、ユーザメモリ内にユーザによ
って設定された多数の推論ルールのうち物理的な観点か
ら見ると実際には条件が成立することのない無効な推論
ルールや、推論結果に何等影響を及ぼすことのない推論
ルールが存在すると、その推論ルールは、推論ルール有
効性判断手段にて特定される。

【００１５】また、推論結果に等価な影響を与える推論
ルールの組合せが存在したり、推論結果に対して同じ影
響を与える他の推論ルールが存在する場合は、推論ルー
ル冗長性判断手段によってそれらの推論ルールは特定さ
れる。したがって、操作者はそれぞれ特定され各推論ル
ールを整理統合すればよい。

【００１６】

【実施例】以下本発明の一実施例を図面を用いて説明す
る。

【００１７】図１は実施例のファジィ制御装置の概略構
成を示すブロック図である。このファジィ制御装置は一
種のコンピュータで構成されており、システムバスライ
ン１に対して、各種制御演算を実行するＣＰＵ２、ＯＳ
プログラム等の制御プログラムや各種固定データを記憶
するＲＯＭ３、工場の各製造設備等の各制御対象から温
度，圧力，流量等の各物理量からなる入力情報としての
プロセスデータが入力され、入力された情報をデジタル
値に変換する入力インタフェース４、推論結果を操作量
として各制御対象へ送出する出力インタフェース５、外
部の上位コンピュータとの間で伝送路を介して各種の情
報交換を実施するための伝送インタフェース６等が接続
されている。

【００１８】さらに、システムバスライン１には、シス
テムプログラムやファジィ演算プログラム等を記憶する
システムメモリ７、このファジィ制御装置を実際に使用
するユーザが各種データを設定するユーザメモリ８、お
よびユーザがユーザメモリ８に対する各種データや操作
指令を入力するためのマンマシン装置９を制御するマン
マシンインタフェース１０か接続されている。

【００１９】前記システムメモリ７内には、図２に示す
ように、通常のプログラムを記憶するシステムプログラ
ム領域７ａとファジィ推論に係わる各種プログラムを記
憶するファジィ推論プログラム領域７ｂとが形成されて
いる。そして、システムプログラム領域７ａ内には、各
インタフェース４，５，６，１０を動作させるための各
処理プログラムが記憶されている。さらに、システムプ
ログラム領域７ａ内には、ユーザが設定したユーザ実行
処理プログラムが記憶されている。

【００２０】ファジィ推論プログラム領域７ｂ内には、
通常のファジィ推論演算を実行するためのファジィ推論
実行プログラム１１ａと、一旦ユーザメモリ８に設定さ
れた各推論ルールの有効性を判断するための推論ルール
有効性判断プログラム１１ｂと、前記各推論ルールの冗
長性を判断するための推論ルール冗長性判断プログラム
１１ｃとが記憶されている。

【００２１】また、ユーザメモリ８内には、図３に示す
ように、メンバシップ関数領域８ａ，推論ルール領域８
ｂ，入力情報記憶部８ｃおよびシミュレーション結果記
憶部８ｄが形成されている。

【００２２】メンバシップ関数領域８ａには例えば図５
に示す各メンバシップ関数が記憶されている。また、推
論ルール領域８ｂには、図６，７に示す多数の推論ルー
ルが記憶されている。なお、これらの各メンバシップ関
数および各推論ルールは、このファジィ制御装置が接続
される各制御対象の種類によって異なり、一般に、この
ファジィ制御装置のユーザが前記マンマシン装置９を用
いて設定する。

【００２３】また、入力情報記憶部８ｃは、温度，圧
力，流量等の各制御対象から一定周期で入力インタフェ
ース４を介して入力される入力情報を時系列的に記憶す
る。また、シミュレーション結果記憶装置８ｄ内には、
シミュレーション処理における前件部演算によって得ら
れた推論値が累積記憶される。

【００２４】図示しないが、このユーザメモリ８には、
ある一定周期で各制御対象に対する制御を実施するため
の制御周期Ｔが記憶されている。さらに、ユーザが設定
したユーザプログラムが記憶されている。

【００２５】このように構成されたファジィ制御装置の
動作を説明する。先ず、マンマシン装置９を用いて、ユ
ーザメモリ８のメンバシップ関数領域８ａおよび推論ル
ール領域８ｂに図５および図６，７に示した各メンバシ
ップ関数および各推論ルールを設定する。操作者は、ユ
ーザメモリ８に対するメンバシップ関数および推論ルー
ルの設定処理が終了すると、このファジィ制御装置を起
動をさせる。

【００２６】前記ＣＰＵ２は、前記ユーザメモリ８に記
憶された制御周期Ｔでもって、各制御対象から物理量等
の各入力情報を入力インタフェース４を介して取込んで
該当入力情報に対するファジィ制御処理を実施する。

【００２７】すなわち、入力情報を一旦ユーザメモリ８
の入力情報記憶部８ｃに格納する。なお、この取込み周
期や格納アドレス等はユーザプログラムにて指定され
る。また、必要に応じて、この入力情報以外の各入力情
報を作成する。例えば物理入力情報の差分を算出して新
たなアナログ偏差情報として、また物理入力情報を微分
して新たな変化率情報として、前記入力情報記憶部８ｃ
へ格納する。

【００２８】次に、ＣＰＵ２は、ファジィ推論プログラ
ム領域７ｂのファジィ推論実行プログラム１１ａに従っ
て、前記入力情報記憶部８ａに格納された今回の入力情
報を取出して、ユーザメモリ８に記憶されたメンバシッ
プ関数および推論ルールを使用してファジィ推論を実行
する。

【００２９】具体的には、図８に示すように、一つの入
力値ｔが入力されると、この入力値ｔの各メンバシップ
関数１０ａ，１０ｂに対する確信度（グレード）を算出
する。次に、推論ルールを用いてこの算出された各確信
度における出力側の各メンバジッブ関数１１ａ，１１ｂ
に対する各確信度、すなわち推論値１２ａ．１２ｂを算
出する。以上が前件部演算処理である。

【００３０】この前件部演算処理が終了すると、図８の
右側に示すように、前件部演算処理にて求められた各推
論値１２ａ．１２ｂから、例えば斜線部の面積を算出
し、その重心を求めて、制御対象に対する操作量Ｙを算
出する。以上が後件部演算処理である。そして、後件部
演算処理で算出された操作量Ｙを制御対象が理解できる
形に変換して出力インタフェース５を介して制御対象へ
送出する。

【００３１】このように、制御対象から入力された入力
情報に対してメンバシップ関数および推論ルールを用い
てファジィ推論演算が実行され、その推論結果が制御対
象へ送信される。よって、制御対象は良好に制御され
る。

【００３２】さらに、この実施例においては、例えばマ
ンマシン装置９を介して推論ルールに対する検証指令が
入力すると、図４に示すシミュレーション処理を実行す
る。なお、この推論ルールに対する各判断処理は、制御
対象に対する制御動作を停止している期間に実行した
り、または前述した制御周期Ｔ内の空き時間に実行させ
る。

【００３３】図４において、入力情報記憶部８ｃに記憶
されている１組の入力情報を読出して（Ｐ１）、ユーザ
メモリ８に記憶されたメンバシップ関数および１つの推
論ルールを使用して推論演算を実行する（Ｐ２．Ｐ
３）。この１組の入力情報に関する全部の推論ルールを
用いた推論演算が終了すると（Ｐ４）、該当入力情報に
対する前件部演算に対するシミュレーション演算が終了
したので、得られた各推論値をシミュレーション結果記
憶部８ｄへ格納する。

【００３４】そして、後件部演算部を起動して、この各
推論値に対する後件部演算の推論を実施する（Ｐ７）。
そして、得られた操作量に対する出力処理を実施する
（Ｐ７）。なお、入力情報記記憶部８ｃに多くの入力情
報が記憶されていた場合には、各入力情報に対する図４
に示すシミュレーション演算を実施する。

【００３５】したがって、複数回のシミュレーション演
算が実施されると、シミュレーション結果演算部８ｄに
は、入力情報記憶部８ｃに記憶されている各入力情報の
組み合わせに対する各推論値が記憶される。次に、ＣＰ
Ｕ２は推論ルール有効性判断プログラム１１ｂおよび推
論ルール冗長性判断プログラム１１ｃを実行する。

【００３６】具体時には、各入力情報と推論値とこの推
論に使用した推論ルールとの各組合わせを比較対照す
る。そして、組合わせによっては、推論ルールの条件が
全く成立しないために、推論値が０のままである場合
や、全く推論不可能である場合が存在する場合を検出す
る。このように、推論ルールの条件が全く成立しない推
論ルールは有効性のない推論ルールであると判断する。
そして、この有効性が無いと判断した推論ルールを例え
ばマンマシン装置９の表示画面に表示する。

【００３７】この有効性の無い推論ルールの一例を図６
を用いて説明する。図６は、入力Ａと入力Ｂとのメンバ
シップ関数の確信度（グレード）で示した操作量Ｙを推
論する推論ルールを示した図である。この場合、入力Ａ
を温度入力、圧力Ｃを圧力入力とする。温度入力と圧力
入力とのと間に物理的に一定の関係が存在するので、こ
の２つの入力Ａ．入力Ｃが取り得る値の範囲には一定の
制限が存在する。例えば、温度が非常に高くて（Ａ＝Ｐ
Ｂ）、かつ圧力が非常に低い（Ｃ＝ＮＢ）と言う組合わ
せは、実際の物理条件として存在しないので、図６に示
す(1) の推論ルールは有効性が無い推論ルールとなる。 (1) ＩＦ Ａ＝ＰＢ ＡＮＤ Ｃ＝ＮＢ ＴＨＥＮ Ｙ＝ＺＲ なお、制御対象の種類によっては、(1) の推論ルールが
正当性を有する場合も存在するが、このような特殊の場
合は、例外として扱い、今回は無視する。

【００３８】このように推論ルールの有効性判断を行う
と、ある特定の推論ルールに着目した場合に、その推論
ルールにおいて推論結果が得られないか、または、他の
推論ルールの組合わせに比較して、出力値が小さいか
ら、こ推論ルールが有効でないと判断できる。

【００３９】以上の各推論ルールに対する有効性判断処
理が終了すると、前記ＣＰＵ２は推論ルール冗長性判断
プログラム１１ｃを起動する。すなわち、前述したよう
に、全ての推論ルールの組合せに対する推論演算が終了
した後、各推論ルールと推論結果とを比較対照すると、
同一の推論結果が得られる複数の推論ルールが存在す
る。この場合、各推論ルールの相違部分が推論ルールの
表現上異なっていても、実際の物理現象は同一内容を示
している可能性がある。また、各推論ルールの相違部分
は、一方が他方を含む条件である場合もある。

【００４０】このような場合には当然処推論演算時間が
長くなる。よって、上述したように実質的に同一条件で
同一結果が得られる推論ルールを冗長性を有する推論ル
ールと判断して、マンマシン装置９の表示画面に表示す
る。

【００４１】この冗長性を有した推論ルールの一例を図
７を用いて説明する。図７は、入力Ａと入力Ｃと入力Ｄ
とのメンバシップ関数の確信度（グレード）で示した操
作量Ｙを推論する推論ルールを示した図である。

【００４２】温度入力Ａと圧力入力Ｃとのと間に物理的
に一定の関係が存在するので、この２つの入力Ａ．入力
Ｃが取り得る値の範囲には一定の制限が存在する。例え
ば、容積一定の条件においては、温度が上昇すればば圧
力も上昇する。従って、温度が高い条件（Ａ＝ＰＢ）
と、圧力が高い（Ｃ＝ＰＢ）とは、言葉の表現形式が異
なり、独立した互いに異なる推論ルールと記載されてい
るか、実質的に同一推論ルールであると見なせる。な
お、入力Ｄは温度，圧力以外の他の物理量である。

【００４３】よって、図７に示す(1)(2)(3)(4)の４つの
推論ルールにおいては、(1) と(2)の推論ルールが同一
推論ルールであり、さらに、(3) と(4) の推論ルールが
同一推論ルールである。従って、４つの推論ルールを２
つの推論ルールに置換えることが可能である。

【００４４】このように、推論ルールの冗長性判断を行
うと、各推論ルールと推論結果とを比較対照することに
よって、推論ルールそのものは別でありながら、同一の
推論結果が得られる推論ルールの組合せを検出して、こ
の推論ルールに対して冗長性があると判断できる。この
ように、推論ルール有効性判断処理および推論ルール冗
長性判断処理によって、例えば以下に示す各項目に該当
する推論ルールが特定される。 (a) 実際には条件が成立することのない無効なルールの
存在、(b) 推論の結果に影響を及ぼすことのない推論ル
ールの存在、(c) 他の大きな推論ルールに含まれるも
の、(d) 推論結果に等価な影響を与える複数の推論ルー
ル、(d) 推論結果に対して同じ影響を与える推論ルール
が他にある、

【００４５】以上のように推論ルール有効性判断処理お
よび推論ルール冗長性判断処理によって抽出された各推
論ルールはマンマシン装置９の表示画面に表示される。
操作員は、有効性がないと指摘された推論ルールをユー
ザメモリ８の推論ルール領域８ｂから削除する。また、
冗長性があると指摘された複数の推論ルールのうちの必
要な推論ルールを残して、他の推論ルールに対する消去
操作を実施する。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように本発明のファジィ制
御装置によれば、入力情報記憶部に記憶された入力情報
を用いて前件部演算のシミュレーションを実施し、その
シミュレーション演算結果の推論値と入力情報とを比較
対照して、ユーザメモリに設定された各推論ルールに対
して該当推論ルールが有効なルールであるか又は冗長性
のある推論ルールであるかを判断している。したがっ
て、有効でない推論ルールや冗長性のある推論ルールを
整理統合することによって、ユーザメモリに記憶された
推論ルールの数を必要最小限に限定することができ、制
御精度を低下することなく制御応答性能を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に係わるファジィ制御装置
の概略構成を示すブロック図、

【図２】 同実施例装置のシステムメモリの記憶内容を
示す図、

【図３】 同実施例装置のユーザメモリの記憶内容を示
す図、

【図４】 同実施例装置の動作を示す流れ図、

【図５】 一般的なメンバシップ関数を示す図、

【図６】 有効性がない推論ルールを示す図、

【図７】 冗長性がある推論ルールを示す図、

【図８】 一般的な前件部演算と後件部演算との関係を
示す説明図。

【符号の説明】

２…ＣＰＵ、７…システムメモリ、７ａ…システムプロ
グラム領域、７ｂ…ファジィ推論プログラム領域、８…
ユーザメモリ、８ａ…メンバシップ関数領域、８ｂ…推
論ルール領域、８ｃ…入力情報記憶部、８ｄ…シミュレ
ーション結果記憶部、９…マンマシン装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 メンバシップ関数および推論ルールを記
   憶するユーザメモリと、制御対象からの入力情報に対し
   てこの入力情報が有する確信度を前記メンバシップ関数
   を用いて算出し、この算出された確信度に対して前記推
   論ルールを用いて推論値を演算する前件部演算部と、こ
   の前件部演算部にて演算された推論値から前記制御対象
   に対する操作量を算出する後件部演算部とを備えたファ
   ジィ制御装置において、 前記制御対象から順次入力される各入力情報を記憶する
   入力情報記憶部と、この入力情報記憶部に記憶された１
   組以上の入力情報に対して前記前件部演算部でもって前
   記メンバシップ関数と推論ルールの一部または全部を用
   いて推論演算させるシミュレーション演算手段と、この
   シミュレーション演算手段にて得られた各推論値を記憶
   するシミュレーション結果記憶部と、前記入力情報記憶
   部に記憶された各入力情報と前記シミュレーション結果
   記憶部に記憶された各推論値とを用いて前記ユーザメモ
   リに記憶された各推論ルールの有効性を判断する推論ル
   ール有効性判断手段と、前記シミュレーション演算手段
   にて使用した推論ルールの組合わせとこの組合せに対応
   する前記シミュレーション結果記憶部に記憶された推論
   値の組合せから前記組合せ推論ルールの冗長性を判断す
   る推論ルール冗長性判断手段とを備えたファジィ制御装
   置。