DE4229280A1

DE4229280A1 - Fuzzy-rueckkopplungs-regeleinrichtung

Info

Publication number: DE4229280A1
Application number: DE4229280A
Authority: DE
Inventors: Shinmura Kazutaka; Ikoma Masakazu
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd; Fuji Facom Corp
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd; Fuji Facom Corp
Priority date: 1991-09-03
Filing date: 1992-09-02
Publication date: 1993-05-13
Also published as: GB2259375B; US5479567A; GB2259375A; JPH0561504A; GB9218310D0; CA2077368C; CA2077368A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fuzzy-Rück kopplungs-Regeleinrichtung, die in einer Prozeßsteuerung ein Regelausgangssignal ermittelt durch Fuzzy-Schlußfolgerung, so daß ein Prozeßwert mit einem angestrebten Wert zusammenfällt, und eine Betätigungsvorrichtung dazu veranlaßt, ein zu regelndes Objekt zu regeln.

Bislang wurde bei einer Prozeßsteuerung eine PID-Regelung (Proportion, Integration und Differenzieren) allgemein verwendet. Andererseits wurde kürzlich angesichts der Tatsache, daß die PID-Regelung instabil wird, wenn Regelparameter nicht geeignet eingestellt sind, im Stand der Technik eine Fuzzy-Rückkopplungs-Regelung zur Einstellung der Regelparameter vorgeschlagen, wobei anstatt der PI-Regelung die Fuzzy-Regelung verwendet wird, und Regeln zur Verhinderung des Auftretens instabiler Phänomene zugefügt werden (vgl. "Feedback Control Method by Fuzzy Rules", Seiten 541 und 542, ein Manuskript für das 30. Treffen zu Vorträgen über Regelung).

Die PID-Regelung ist bezüglich der nachstehenden Punkte nachteilig: Falls gewünscht wird, eine schnelle Reaktion zum Anstiegszeitpunkt zu verbessern, dann wird das Überschwingen vergrößert; und wenn es gewünscht ist, die Dämpfung in der Stabilisierungsperiode zu verbessern, dann wird der Anstieg verzögert.

Um sowohl die ausreichend schnelle Reaktion als auch die Dämpfung zu realisieren, wenn die Regelcharakteristik getrennt umgeschaltet wird, je nachdem, ob es sich um die Anstiegszeit oder um die Stabilisierungszeit handelt, ist es daher erforderlich, mehrere Regelparameter zu ändern, beispielsweise die Proportionalverstärkung, die Integrationszeit und die Differenzierzeit während der Regelung. Wenn sich die Charakteristik des Vorgangs ändert, verschlechtert sich die Leistung der Regelung wesentlich, wenn die Regelparameter nicht geeignet eingestellt werden.

Andererseits sind bei der konventionellen Fuzzy-Rück kopplungs-Regelung Mitgliedsfunktionen für einen gegebenen Vorgang fixiert, und immer wenn es erforderlich ist, die Regelparameter zu ändern, müssen daher die Mitgliedsfunktionen im Speicher der Regelung geändert werden. In der Praxis müssen darüber hinaus Regelparameter entsprechend dem Inhalt eines bestimmten Prozesses untersucht werden, bevor sie in der Regeleinrichtung eingestellt werden. Dieser Vorgang ist recht aufwendig.

Angesichts der voranstehenden Ausführungen liegt ein Vorteil der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung einer Fuzzy-Rückkopplungs-Regeleinrichtung, bei welcher die Regelparameter ohne eine Änderung der Mitgliedsfunktionen eingestellt werden können, bei welcher die Regelung eine im wesentlichen äquivalente Leistung zur PI-Regelung zeigt, und welche sowohl bezüglich einer schnellen Reaktion als auch der Dämpfung verbessert ist.

Zur Erzielung der voranstehend angegebenen Vorteile der Erfindung wird, gemäß einer ersten Zielrichtung der vorliegenden Erfindung, eine Fuzzy-Rückkopplungs-Re geleinrichtung zur Verfügung gestellt, in welcher ein Prozeßwert des zu regelnden Objekts rückgekoppelt wird, und eine Abweichung zwischen dem so rückgekoppelten Prozeßwert und einem eingestellten Wert und eine Variation der Abweichung verwendet werden, so daß ein Regelausgangssignal, um den Prozeßwert dazu zu veranlassen, mit dem eingestellten Wert zusammenzufallen, durch Fuzzy-Schlußfolgerung ermittelt und ausgegeben wird, wobei die Fuzzy-Schlußfolgerung unter Verwendung folgender Einzelheiten durchgeführt wird: Fuzzy-Regelungsregeln, bei denen in einer Phasenebene mit der Abweichung und der Variation der Abweichung als Koordinatenachsen eine gerade Bezugslinie zur Verfügung gestellt ist, mit welcher eine Regelausgangsvariation des Geschwindigkeitstyps der PI-Regelung Null ist, wobei die Phasenebene in Rechtecke unterteilt ist, die die gleiche Größe aufweisen, auf solche Weise, daß sich ihre Spitzen auf der geraden Bezugslinie und einer zur geraden Bezugslinie parallelen Linie befinden, und eine Regelausgangsvariation entsprechend der Entfernung zwischen der geraden Bezugslinie und der parallelen Linie so definiert ist, daß sie proportional zu den Absolutwerten der Abweichung und der Variation der Abweichung ist; voranstehende Mitgliedsfunktionen, welche die Abweichung und die Variation der Abweichung als Fuzzy-Variable betreffen, wobei die Zentren gleichschenkliger Dreiecke der voranstehenden Mitgliedsfunktionen Abweichungskomponenten und Abweichungs-Variationskomponenten der Koordinaten der Zentren der Rechtecke sind; und nachfolgende Mitgliedsfunktionen, welche eine Regelausgangsvariation als Fuzzy-Variable betreffen, wobei die Zentren gleichschenkliger Dreiecke der nachfolgenden Mitgliedsfunktionen durch die Entfernung zwischen der geraden Bezugslinie und der geraden parallelen Linie festgelegt sind.

Gemäß einer zweiten Zielrichtung der vorliegenden Erfindung werden bei der voranstehend beschriebenen Fuzzy-Rückkopplungs-Regeleinrichtung die Abweichung, die Variation der Abweichung und die Regelausgangsvariation zumindest in bezug auf jeweilige Variationsreferenzbreiten normiert. Alternativ hierzu wird die Abweichung, die Variation der Abweichung und die Regelausgangsabweichung in bezug auf jeweilige Variationsreferenzbreiten normiert, und einen PI-Regelparameter; oder in bezug auf jeweilige Variationsreferenzbreiten, eine Prozeßverstärkung, und eine Gesamtverzögerungszeit; oder durch jeweilige Variationsbreiten, und eine Schwingungsperiode und Dämpfungsfaktor einer geregelten Reaktions-Signalform.

Gemäß einer dritten Zielrichtung der vorliegenden Erfindung sind in der voranstehend beschriebenen Fuz zy-Rückkopplungs-Regeleinrichtung die nachfolgenden Mitgliedsfunktionen, welche die Regelausgangsvariation betreffen, so gewählt, daß ein Parameterwert für eine Fuzzy-Variable, die einen kleinen Absolutwert aufweist, verringert wird, und ein Parameterwert für eine Fuzzy-Va riable, die einen großen Absolutwert aufweist, vergrößert wird. Die dritte Zielrichtung der Erfindung dient dazu, eine nicht-lineare PI-Regelung zu realisieren.

In diesem Fall ist es vorzuziehen, wenn die Abweichung und die Variation der Abweichung ein unterschiedliches Vorzeichen aufweisen, asymmetrische Fuzzy-Regelungsregeln zu verwenden.

Gemäß der ersten Zielrichtung der Erfindung werden die PI-Regelungsregeln durch die Fuzzy-Regelungsregeln repräsentiert, und es wird eine Fuzzy-Schlußfolgerung unter Verwendung der vorbestimmten Mitgliedsfunktionen durchgeführt. Daher kann die Fuzzy-Regelung realisiert werden, die in der Regelcharakteristik der PI-Regelung äquivalent ist.

Gemäß der zweiten Zielrichtung der Erfindung wird die Fuzzy-Schlußfolgerung so ausgeführt, daß die Abweichung und die Variation der Abweichung normiert sind. Selbst wenn die Bereichsbreite durch Variation der Prozeßparameter geändert wird, kann daher die adaptive Bereichsbreite durch Variation der normierten Parameter geändert werden, ohne Variation der Mitgliedsfunktionen in der Speichervorrichtung. Daher lassen sich die Regelparameter einfach adaptiv machen.

Gemäß der dritten Zielrichtung der Erfindung wird, wenn die Abweichung und die Variation der Abweichung gleiches Vorzeichen aufweisen sowie einen großen Wert, die Regelausgangsvariation größer gewählt als im Falle der PI-Regelung, so daß die Prozeßvariation (also Anstieg der Abweichung und der Variation der Abweichung) unterdrückt werden kann, mit dem Ergebnis, daß die Regelung bezüglich einer schnellen Reaktionscharakteristik verbessert wird.

Wenn die Abweichung und die Variation der Abweichung gleiches Vorzeichen und einen kleinen Wert aufweisen, kann darüber hinaus die Dämpfungscharakteristik des Prozeßwertes dadurch verbessert werden, daß die Regelausgangsvariation kleiner als bei der PI-Regelung gemacht wird.

In dem Fall, in welchem die Abweichung und die Variation der Abweichung ein unterschiedliches Vorzeichen aufweisen, wird die Regelausgangsvariation so verringert, daß der Integrationsterm für die PI-Regelung geschwächt wird, und dies führt dazu, daß das Überschwingen unterdrückt wird, und die nicht-lineare PI-Regelung mit hoher Stabilität erreicht wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild mit einer Darstellung der Anordnung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein erläuterndes Diagramm, welches Fuzzy-Re gelungs-Mitgliedsfunktionen mit voranstehendem Teil zur Realisierung einer PI-Regelung zeigt;

Fig. 3 ebenfalls ein erläuterndes Diagramm, welches Fuzzy-Regelungs-Mitgliedsfunktionen mit voranstehendem Teil zur Realisierung der PI-Regelung zeigt;

Fig. 4 ein erläuterndes Diagramm, welches Fuzzy-Re gelungs-Mitgliedsfunktionen mit nachfolgendem Teil zur Realisierung der PI-Regelung zeigt;

Fig. 5 ein erläuterndes Diagramm, welches Fuzzy-Re gelungs-Mitgliedsfunktionen mit voranstehendem Teil zur Realisierung einer nicht-linearen PI-Regelung zeigt;

Fig. 6 ebenfalls ein erläuterndes Diagramm, welches Fuzzy-Regelungs-Mitgliedsfunktionen mit voranstehendem Teil zur Realisierung der nicht linearen PI-Regelung zeigt;

Fig. 7 ein erläuterndes Diagramm, welches Fuzzy-Re gelungs-Mitgliedsfunktionen mit nachstehendem Teil zur Realisierung der nicht-linearen PI-Regelung zeigt;

Fig. 8 ein Signalformdiagramm, welches die Signalform einer Regelantwort einer nicht-linearen PI-Regeleinrichtung mit Fuzzy-Regelung zeigt;

Fig. 9 ein Signalformdiagramm, welches eine Regelreaktions-Signalform der nicht-linearen PI-Regeleinrichtung mit Fuzzy-Regelung zeigt;

Fig. 10 ein Signalformdiagramm, welches eine Regelreaktions-Signalform der nicht-linaren PI-Regelung mit Fuzzy-Regelung zeigt;

Fig. 11 ein Signalformdiagramm, welches eine Regelreaktions-Signalform der nicht-linaren PI-Regeleinrichtung mit Fuzzy-Regelung zeigt;

Fig. 12 ein Signalformdiagramm, welches eine Regelreaktions-Signalform einer konventionellen PI-Regeleinrichtung zeigt;

Fig. 13 ein Signalformdiagramm, welches eine Regelreaktions-Signalform der konventionellen PI-Regeleinrichtung zeigt;

Fig. 14 ein Signalformdiagramm, welches eine Regelreaktions-Signalform der konventionellen PI-Regeleinrichtung zeigt; und

Fig. 15 ein Signalformdiagramm, welches eine Regelreaktions-Signalform der konventionellen PI-Regeleinrichtung zeigt.

Bei einer PI-Regelung wird in bezug auf eine Abweichung e_i zwischen einem Prozeßwert und einem eingestellten Wert, und eine Variation Δe_i der Abweichung, eine Steuerausgangsvariation Δu_i des Geschwindigkeitstyps entsprechend der folgenden Gleichung (1) festgelegt:

Δu_i = K_c(Δe_i+(τ/T_i)e_i) (1)

wobei K_c die Proportionalverstärkung ist, die ein PI-Parameter ist, T_i die Integrationszeit ist, die ebenfalls ein PI-Parameter ist, und τ die Probenzeit.

Zusätzlich ist e_i = r_i-x_i, und Δe_i = e_i-e_i-1, wobei r der eingestellte Wert ist, x der Prozeßwert, und der Index i die i-te Regelprobe bezeichnet.

In bezug auf eine Phasenebene, in welcher die Abweichung e auf der x-Achse aufgetragen ist, und die Variation Δe der Abweichung auf der y-Achse aufgetragen ist, wird das PI-Regelsystem durch die folgenden Regelgesetze (1), (2) und (3) repräsentiert.

1) Gemäß der voranstehend beschriebenen Gleichung (1) ist Δu_i = 0, an dem Punkt, an welchem gilt Δe_i + (τ/T_i) e_i = 0, und eine Anordnung dieser Punkte ist eine gerade Linie mit einer Steigung von (-τ/T_i), und Schnittpunkten von 0.
2) In dem Fall, in welchem zusammen mit der voranstehend beschriebenen Gleichung (1) die nachstehende Gleichung (2) gilt: G(e, Δe) = Δe+(τT_i)e (2)ist definiert
Δu_i < 0 in einem Bereich, in welchem G(e, Δe_i) < 0, und
Δu_i < 0 in einem Bereich, in welchem G(e, Δe_i) < 0.
3) Die Größe von Δu_i ist proportional zur Entfernung zwischen einem Punkt (e_i, Δe_i) und einer geraden Linie L: Δe + (τ/T_i) = 0 (nachstehend als "eine gerade Referenzlinie L" zur Erleichterung der Beschreibung bezeichnet, soweit anwendbar).

Im Zusammenhang mit der voranstehend beschriebenen Gleichung (1) ist der Bereich eines Punktes (e_i, Δe_i), an welchem Δu_i konstant ist, eine gerade Linie, die parallel zur geraden Bezugslinie L verläuft und eine Steigung von (-τ/T_i) aufweist.

Wenn im Falle von Δu_i = 0 der Wert von Δe_i, der die Beziehung Δu_i = 0 erfüllt, in bezug auf eine Referenzvariationsbreite A (wenn e_i = A), entsprechend dem Prozeß, durch -B repräsentiert wird, dann gilt die nachstehende Gleichung (3):

B = (τ/T_i)A (3)

Eine gerade Linie, die durch zwei Punkte (A, 0) und (0, B) in einer (e, Δe)-Phasenebene geht, weist eine Steigung von (-τ/T_i) auf, und verläuft parallel zur geraden Referenzlinie L, welche die Anordnung von Punkten (e_i, Δe_i) repräsentiert, welche die Bedingung Δu_i = 0 erfüllen. Eine Regelausgangsvariation Δu_i, die aus Punkten (e_i, Δe_i) auf der geraden Linie ermittelt wird, kann durch die nachstehende Gleichung (4) repräsentiert werden, die auf den voranstehend angegebenen Gleichungen (1) und (3) beruht:

Δu_i = K_c{Δe_i+(τ/T_i)e_i} = K_c(τ/T_i)A (4)

Wird K_c (τ/T_i) A = C in Gleichung (4) eingesetzt, dann ist der Referenzwert von Δu_i = C, in bezug auf die Referenzvariationsbreite A und B von e_i und Δe_i.

Daher können e, Δe und Δu unter Verwendung der Referenzvariationsbreiten A, B und C wie nachstehend angegeben normiert werden:

e → e/A
Δe → Δe/B
Δu → Δu/C.

Wie aus Gleichung (3) hervorgeht, ist B proportional dem Kehrwert der Integrationszeit, welche ein PI-Regel parameter ist. Weiterhin ergibt sich aus den Gleichungen (3) und (4), daß C = K_c B ist. Daher ist C proportional der Proportionalverstärkung, die ebenfalls ein PI-Regelparameter ist.

Die Normierung von e, Δe und Δu kann dadurch durchgeführt werden, daß die Referenzvariationsbreiten, die Prozeßverstärkung, und die Gesamtverzögerungszeit verwendet werden, oder kann dadurch durchgeführt werden, daß die Referenzvariationsbreiten, und die Oszillationsfrequenz und der Dämpfungsfaktor einer Reaktionssignalform verwendet werden, die geregelt wird.

Wenn die voranstehend beschriebenen Regelgesetze (1), (2) und (3) für die PI-Regelung unter Verwendung von Fuzzy-Re gelungsregeln repräsentiert werden, und die Mitgliedsfunktionen unter Verwendung der Gleichungen (3) und (4) festgelegt werden, welche die Beziehungen zwischen (K_c, T_i und τ) und (A, B und C) angeben, so kann die Fuzzy-Regelung realisiert werden, welche in ihrer Regelcharakteristik der PI-Regelung äquivalent ist.

Die nachstehende Tabelle 1 gibt die Fuzzy-Regelungsregeln entsprechend den Regelgesetzen (1), (2) und (3) an. Die Fig. 2 und 3 (voranstehender Teil) und Fig. 4 (nachstehender Teil) zeigen die Mitgliedsfunktionen. Wenn eine Fuzzy-Schlußfolgerung unter Verwendung dieser Regelungsregeln und Mitgliedsfunktionen durchgeführt wird, läßt sich eine Fuzzy-Regelung erzielen, die in ihrer Leistung der PI-Regelung äquivalent ist.

Tabelle 1

In Tabelle 1 ist "ist SA" eine Abkürzung für "klein", "SM" für "mittel-klein", "MM" für "mittel-mittel", "ML" für "mittel-groß", "LA" für "groß", "ZE" für "Null", "PS" für "positiv klein", "PM" für "positiv mittel", "PB" für "positiv groß", "NS" für "negativ klein", "NM" für "negativ mittel", und "NB" für "negativ groß".

Bei der voranstehend angegebenen Fuzzy-Regelung wird Δu wie nachstehend angegeben bearbeitet: Wenn e = e_i und Δ = Δe_i, und in einer Phasenebene (e, Δe) die Entfernung zwischen der geraden Referenzlinie L mit Δu = 0 und einem Punkt (e_i Δe_i), an welchem e_i und Δe_i dasselbe Vorzeichen aufweisen, klein ist, so wird Δu kleiner gemacht als dann, wenn es aus der voranstehend beschriebenen Gleichung (1) bei der PI-Regelung festgelegt wurde; und wenn die Entfernung größer ist, wird es größer gemacht.

In dem Falle, in welchem e_i und Δe_i ein unterschiedliches Vorzeichen aufweisen, sollte Δu verringert werden, um den Integrationsterm (den Term von e) in Gleichung (1) abzuschwächen. In diesem Fall lassen sich Regeleigenschaften realisieren, die denen einer nicht- linearen PI-Regelung entsprechen, und dies erfolgt durch eine Verbesserung der Regelcharakteristik des PI-Regelsystems.

Die nachstehende Tabelle 2 gibt Fuzzy-Regelungsregeln zur Realisierung der nicht-linaren PI-Regelung an. In Tabelle 2 sind die Regelungsregeln asymmetrisch in bezug auf die gerade Referenzlinie von Δu = 0. Die Fig. 5 und 6 (voranstehender Teil) und Fig. 7 (nachfolgender Teil) zeigen die Mitgliedsfunktionen. Wenn unter Verwendung dieser Regelungsregeln und Mitgliedsfunktionen eine Fuz zy-Schlußfolgerung gezogen wird, so kann die Fuzzy-Regelung erzielt werden, welche der nicht-linearen PI-Regelung entspricht.

Tabelle 2

In Bezug auf eine Reaktionssignalform eines zu regelnden Objekts gibt es Gesetze; so ist die Schwingungsperiode proportional zur Gesamtverzögerungszeit des Prozesses, und der Dämpfungsfaktor ist proportional zum Produkt der Prozeßverstärkung und der Regelungsverstärkung. Wird B umgekehrt proportional zur Schwingungsperiode gewählt, und C umgekehrt proportional zum Dämpfungsfaktor, läßt sich daher eine Funktion realisieren, bei der keine Parameter eingestellt werden müssen.

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild, welches die Anordnung eines Beispiels einer Fuzzy-Rückkopplungs-Regeleinrichtung gemäß der Erfindung zeigt. In Fig. 1 bezeichnet die Bezugsziffer 10 die Fuzzy-Rückkopplungs-Regeleinrichtung gemäß der Erfindung; 20 eine Betätigungsvorrichtung zur Betätigung einer Betätigungsklemme mit der Hilfe eines Steuerausgangssignals u, welches von der Regeleinrichtung 10 bereit gestellt wird; und 30 ein zu regelndes Objekt.

Ein Prozeßwert x des zu regelnden Objektes 30 wird an eine arithmetische Speichervorrichtung 11 in der Regeleinrichtung 10 angelegt. Die Vorrichtung 11 berechnet die Abweichung e zwischen dem Prozeßwert x und einem eingestellten Wert r, und vergleicht sie mit der vorherigen, in ihr gespeicherten Abweichung, um hierdurch eine Variation Δe der Abweichung zu erhalten.

Die von der arithmetischen Speichervorrichtung 11 erhaltene Abweichung e wird einer ersten Normierungsvorrichtung 13 zugeführt, in welcher sie normiert wird; und die Variation Δe der Abweichung wird einer zweiten Normierungsvorrichtung 13 zugeführt, in welcher sie normiert wird. Die Abweichung e und die Variation Δe, die auf diese Weise normiert wurden, werden einer Fuzzy-Schlußfolgerungs-Betriebsvorrichtung 15 zugeführt.

Die Fuzzy-Schlußfolgerungs-Betriebsvorrichtung 15 führt eine Fuzzy-Schlußfolgerung aus, unter Verwendung der nachstehend angegebenen Fuzzy-Regelungsregeln und der Mitgliedsfunktionen 16 zur Realisierung einer PI-Regelung, und unter Verwendung der Abweichung e und der Abweichungsvariation Δe, die normiert wurden, um eine Regelausgangsvariation Δu zur Verfügung zu stellen. Die Regelausgangsvariation Δu wird einer Normierungsvorrichtung 18 zugeführt, in welcher sie normiert wird. Das Ausgangssignal der Normierungsvorrichtung 18 wird einer Additionsvorrichtung 19 zugeführt.

In der Additionsvorrichtung 19 wird die Regelausgangsvariation Δu dem vorhergehenden Regelausgang hinzu addiert, der in ihr gespeichert ist, um ein Regelausgangssignal u zur Verfügung zu stellen, welches an die Betriebsvorrichtung 20 angelegt wird.

Die Betriebsvorrichtung 20 betreibt die Betriebsklemme entsprechend dem Regelausgangssignal u, um hierdurch das Objekt 30 zu regeln.

Die Regelung 10 weist weiterhin eine Parameter-Adap tiervorrichtung 17 auf. Die Parameter-Adaptier vorrichtung 17 justiert Regelparameter automatisch wie folgt: zu Beginn der Regelung durch die Regeleinrichtung 10 empfängt die Parameter-Adap tiervorrichtung 17 den Prozeßwert x und berechnet einen Prozeßbetriebspegel, um einen Normierungsparameter A zu ermitteln. Der Parameter A wird der Normierungsvorrichtung 13 zugeführt, um die Abweichung e zu normieren. Daraufhin justiert die Parameter-Adap tiervorrichtung 17 die Normierungsparameter B und C aufeinander folgend, während sie charakteristische Daten ermittelt, beispielsweise die Schwingungsperiode und die Schwingungsbreite der Reaktions-Signalform des geregelten Prozesses. Diese Parameter B und C werden den Normierungsvorrichtungen 14 und 18 zugeführt, um die Abweichungsvariation Δe bzw. die Regelausgangsvariation Δu zu normieren.

Ein Vorgang zur Justierung der Parameter B und C verläuft wie folgt: (1) In dem Falle, in welchem keine Schwingung mit der Reaktions-Signalform auftritt, wenn die ursprüngliche Einstellung erfolgt, wird der Parameter C vergrößert, bis eine Schwingung auftritt (in dem Fall, wenn die Reaktions-Signalform schwingt, beginnt der Ablauf mit dem folgenden Schritt (2)). (2) Wenn eine Schwingung festgestellt wird, dann wird die Schwingungsperiode erhalten, und der Parameter B wird adaptierend ausgebildet. (3) Der Parameter C wird adaptierend ausgebildet, entsprechend der Oszillationsbreite und dem Dämpfungsfaktor.

Es wird darauf hingewiesen, daß dann, wenn der Parameter A ermittelt wird, der voranstehend beschriebene Regelvorgang nicht ausgeführt wird; wenn die Parameter B und C ermittelt werden, dann wird allerdings der Regelvorgang ausgeführt.

Die Fig. 8 bis 11 zeigen Regelreaktions-Signalformen, welche die Ergebnisse von Simulationen zeigen, die mit der nicht-linearen PI-Regeleinrichtung mit Fuzzy-Regelung gemäß der Erfindung durchgeführt wurden. Fig. 12 bis 15 zeigen Regelreaktions-Signalformen, welche die Ergebnisse von Simulationen angeben, die mit der konventionellen PI-Regeleinrichtung durchgeführt wurden.

Die in Fig. 8 gezeigte Regelreaktions-Signalform wird von der nicht-linearen PI-Regeleinrichtung mit Fuzzy-Regelung zur Verfügung gestellt, wenn die beste Justierung erfolgte, und die in Fig. 12 gezeigte Regelreaktions-Signal form wird von der PI-Regeleinrichtung zur Verfügung gestellt, wenn die beste Justierung erfolgte. Es ist ersichtlich, daß ihre Regelleistungen einander im wesentlichen gleich sind.

Fig. 9 zeigt eine Regelreaktions-Signalform der nicht- linearen PI-Regeleinrichtung mit Fuzzy-Regelung, die zur Verfügung gestellt wird, wenn die Prozeßverstärkung variiert wird (um das 1,8fache). Fig. 10 zeigt ebenfalls eine Regelreaktions-Signalform der nicht-linaren PI-Regeleinrichtung mit Fuzzy-Regelung, die zur Verfügung gestellt wird, wenn die Gesamtzeitkonstante des Prozesses (Verlustzeit und Zeitkonstante) variiert wird (um das 2,0fache). Weiterhin zeigt Fig. 11 eine Regelreaktions-Signal form der nicht-linearen PI-Regeleinrichtung mit Fuzzy-Regelung, die zur Verfügung gestellt wird, wenn der Wert von ((Verlustzeit)/(Zeitkonstante)) variiert wird (um das 8,0fache). Die Fig. 13, 14 und 15 zeigen Regelreaktions-Signalformen der PI-Regeleinrichtung unter denselben Bedingungen wie voranstehend beschrieben.

Wie aus diesen Figuren deutlich wird, werden mit der nicht-linearen PI-Regeleinrichtung mit Fuzzy-Regelung in Folge ihrer nicht-linaren Verstärkungscharakteristik die schnelle Reaktion und die Dämpfung verbessert, und die Stabilisierungsperiode wird verkürzt. Zusätzlich kann durch Änderung des Regelsystems, beispielsweise durch ein Verfahren, bei welchem die Integration geschwächt wird, wenn die Abweichung und die Variation der Abweichung ein voneinander unterschiedliches Vorzeichen aufweisen, das Überschwingen unterdrückt werden, und die Regelung weist eine verbesserte Stabilität auf, wenn die Zeitkonstante und die Verlustzeit variiert werden.

Wie voranstehend erläutert, werden gemäß der vorliegenden Erfindung die Beziehungen zwischen den Referenzregelparametern für die PI-Regelung und die Regelparameter für die Fuzzy-Regelung geklärt. Durch Festlegung der Mitgliedsfunktionen entsprechend der voranstehend angegebenen Beziehungen kann daher eine Fuzzy-Regelung erzielt werden, die in ihrer Regelcharakteristik der PI-Regelung äquivalent ist.

Weiterhin werden bei der vorliegenden Erfindung die Abweichung und die Variation der Abweichung, die normiert sind, zur Durchführung der Fuzzy-Schlußfolgerung verwendet. Wenn die Regelparameter geändert werden, sollten daher nur die normierten Parameter geändert werden; dies bedeutet, daß es nicht erforderlich ist, die im Speicher gespeicherten Mitgliedsfunktionen zu ändern. Daher kann ein mühsamer Vorgang eliminiert werden, der sonst erforderlich ist, wenn die Regelparameter geändert werden.

Weiterhin wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine nicht-lineare PI-Regelung realisiert, und daher wird die Regelung bezüglich der Reaktionscharakteristik verbessert. Zusätzlich wird die Dämpfungscharakteristik verbessert, und zwar mit den Ergebnissen, daß die Stabilisierungsperiode verkürzt und das Überschwingen unterdrückt wird.

Claims

1. Fuzzy-Rückkopplungs-Regeleinrichtung, in welcher ein Prozeßwert eines zu regelnden Objekts zurückgekoppelt wird, und eine Abweichung zwischen dem auf diese Weise rückgekoppelten Prozeßwert und einem eingestellten Wert sowie eine Abweichungsvariation der Abweichung verwendet werden, so daß ein Steuerausgangssignal, so daß der Prozeßwert mit dem eingestellten Wert zusammenfällt, durch Fuzzy-Schluß folgerung ermittelt und ausgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Fuzzy-Schlußfolgerung unter Verwendung folgender Einzelheiten ausgeführt wird:
Fuzzy-Regelungsregeln, bei welchen in einer Phasenebene mit der Abweichung und der Variation der Abweichung als Koordinatenachsen eine gerade Referenzlinie zur Verfügung gestellt wird, bei welcher eine Regelausgangsvariation des Geschwindigkeitstyps der PI-Regelung Null ist,
die Phasenebene in Rechtecke unterteilt ist, die gleiche Größe aufweisen, auf solche Weise, daß Spitzen der Rechtecke auf der geraden Referenzlinie liegen und auf einer parallelen Linie in bezug auf die gerade Referenzlinie, und
eine Regelausgangsvariation entsprechend einer Entfernung zwischen der geraden Referenzlinie und der parallelen Linie so definiert ist, daß sie proportional zu Absolutwerten der Abweichung und der Variation der Abweichung ist;
voranstehende Mitgliedsfunktionen, welche die Abweichung und die Variation der Abweichung als Fuzzy-Variable betreffen, wobei Zentren gleichschenkliger Dreiecke der voranstehenden Mitgliedsfunktionen Abweichungskomponenten und Abweichungs-Variationskomponenten von Koordinaten von Zentren der Rechtecke sind; und
nachstehende Mitgliedsfunktionen, welche eine Regelausgangsvariation als Fuzzy-Variable betreffen, wobei Zentren gleichschenkliger Dreiecke der nachstehenden Mitgliedsfunktionen durch eine Entfernung zwischen der geraden Referenzlinie und der parallelen geraden Linie festgelegt sind.

2. Fuzzy-Rückkopplungs-Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichung, die Variation der Abweichung und die Regelausgangsabweichung zumindest in bezug auf Referenzvariationsbreiten normiert sind.

3. Fuzzy-Rückkopplungs-Regeleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichung, die Variation der Abweichung und die Regelausgangsabweichung in bezug auf die jeweiligen Referenzvariationsbreiten und ein PI-Regelparameter normiert sind.

4. Fuzzy-Rückkopplungs-Regeleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichung, die Variation der Abweichung und die Regelausgangsabweichung durch die jeweiligen Referenzvariationsbreiten, eine Prozeßverstärkung, und eine Gesamtverzögerungszeit normiert sind.

5. Fuzzy-Rückkopplungs-Regeleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichung, die Variation der Abweichung und die Regelausgangsabweichung durch die jeweiligen Variationsbreiten, und eine Schwingungsperiode und den Dämpfungsfaktor einer Reaktions-Signalform, die geregelt wird, normiert sind.

6. Fuzzy-Rückkopplungs-Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die nachfolgenden Mitgliedsfunktionen so gewählt sind, daß ein Parameterwert für eine Fuzzy-Variable, die einen kleinen Absolutwert aufweist, verringert wird, und ein Parameterwert für eine Fuzzy-Variable, die einen großen Absolutwert aufweist, erhöht wird.

7. Fuzzy-Rückkopplungs-Regeleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß asymmetrische Fuzzy-Re gelungsregeln eingesetzt werden, wenn die Abweichung und die Variation der Abweichung ein unterschiedliches Vorzeichen aufweisen.

8. Fuzzy-Rückkopplungs-Regeleinrichtung, welche ein Regelausgangssignal durch Fuzzy-Schlußfolgerung ermittelt, so daß ein Prozeßwert mit einem angestrebten Wert zusammenfällt, und eine Betriebsvorrichtung dazu veranlaßt, ein zu regelndes Objekt zu regeln, mit:
einer Arithmetik-Speichervorrichtung, um eine Abweichung zwischen einem Prozeßwert und einem eingestellten Wert sowie eine Variation der Abweichung zu erhalten;
einer ersten Normierungsvorrichtung zum Normieren der Abweichung;
einer zweiten Normierungsvorrichtung zum Normieren der Variation der Abweichung;
einer Fuzzy-Schlußfolgerungs-Betriebsvorrichtung, um eine Fuzzy-Schlußfolgerung unter Verwendung von Fuzzy-Regelungsregeln, Mitgliedsfunktionen, der normierten Abweichung und der normierten Variation der Abweichung durchzuführen, um eine Regelausgangsvariation zu erhalten;
einer dritten Normierungsvorrichtung zum Normieren der Regelausgangsvariation;
einer Addiervorrichtung zur Ermittlung eines vorliegenden Regelausgangssignals durch Addieren der normierten Regelausgangsvariation zu einem vorhergehenden Regelausgangssignal, welches in der Addiervorrichtung gespeichert ist, und zum Anlegen des vorliegenden Regelausgangssignals an die Betriebsvorrichtung; und
einer Parameter-Adaptiervorrichtung zum Ermitteln und Anlegen eines ersten Normierungsparameters für die erste Normierungsvorrichtung, eines zweiten Normierungsparameters für die zweite Normierungsvorrichtung, bzw. eines dritten Normierungsparameters für die dritte Normierungsvorrichtung, wobei der zweite und dritte Normierungsparameter auf der Grundlage einer Reaktions-Signalform des Prozeßwertes justiert wird.