專利名稱：在自動化系統(tǒng)中應(yīng)用模糊邏輯的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在自動化系統(tǒng)中應(yīng)用模糊邏輯的方法。其中確定了各語言變量的隸屬函數(shù)。此外，本發(fā)明還涉及一種實(shí)施本方法的附屬裝置，該裝置具有至少一個帶輸入端和輸出端的模糊系統(tǒng)。
在自動化系統(tǒng)中應(yīng)用模糊邏輯時，通常用所謂的，例如定義為“很微小”、“微小”、“正?！?、“增多”、“劇增”和“臨界狀”的語言變量來進(jìn)行模糊化處理。至今在自動化系統(tǒng)中應(yīng)用的模糊系統(tǒng)，對各語言變量總是一次預(yù)先給定隸屬函數(shù)，這些隸屬函數(shù)在模糊系統(tǒng)使用之前其形式和數(shù)值范圍是被確定的。這表明對工業(yè)部門某些應(yīng)用情況的匹配不是最佳的。
因此本發(fā)明的目的是提供一種經(jīng)改進(jìn)的，在自動化系統(tǒng)中應(yīng)用模糊邏輯的方法和附屬裝置。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，即采用一種在自動化系統(tǒng)中應(yīng)用模糊邏輯的方法，其中在模糊系統(tǒng)中確定了各語言變量的隸屬函數(shù)，模糊系統(tǒng)的各單元，特別是隸屬函數(shù)、控制規(guī)則、規(guī)則加權(quán)等被設(shè)計(jì)成可通過自動化系統(tǒng)自行變更。
在自動化系統(tǒng)運(yùn)行時，最好至少有一個隸屬函數(shù)能被在線調(diào)整。
本發(fā)明方法一方面可適用于工業(yè)設(shè)施如造紙廠的一個用于能量分配的系統(tǒng)，另一方面同樣可適用于原料周轉(zhuǎn)的控制，如水循環(huán)的優(yōu)化控制。
在實(shí)施本發(fā)明方法的附屬裝置中，進(jìn)行模糊化處理的軟件模塊包含至少一個附加輸入?？捎欣乩么烁郊虞斎?，一個隸屬函數(shù)的上限可作相應(yīng)的移動。同樣利用此附加輸入，還可通過加入的過程量或通過其它方法，例如優(yōu)化方法所計(jì)算出的值，考慮對模糊控制規(guī)則加權(quán)或表征形狀和位置的隸屬函數(shù)進(jìn)行其它參數(shù)化。
在本發(fā)明裝置中，為調(diào)整模糊系統(tǒng)的參數(shù)，可有利地使用安排其上的最優(yōu)化系統(tǒng)，尤其是附加控制系統(tǒng)，對此適用的還有如專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及應(yīng)用生物學(xué)遺傳算法的類似系統(tǒng)。
下面結(jié)合附圖所示實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，附圖中
圖1為一個擴(kuò)展的模糊系統(tǒng)；圖2為調(diào)整隸屬函數(shù)的實(shí)例；圖3a和圖3b為用于在線變更一個隸屬函數(shù)參數(shù)的兩種可能情況；圖4為所有隸屬函數(shù)同時非線性擴(kuò)展或收縮的實(shí)例；圖5為非模糊值在線變更的一種附加可能情況；圖6為帶有附加控制系統(tǒng)的圖1所示模糊系統(tǒng)。
相同的函數(shù)單元在各圖中的符號相同。
在圖1中，1即表示一個已知的模糊系統(tǒng)，它基本上由一個軟件模塊組成，一方面可進(jìn)行模糊化，另一方面還可進(jìn)行非模糊化，這樣一個軟件模塊一般具有幾個輸入10和輸出20。
對此系統(tǒng)的補(bǔ)充是，軟件模塊1包括有用于界限的附加輸入30，為此可對模糊化和非模糊化作如此修改，使隸屬函數(shù)的上限即可隨此輸入作相應(yīng)的移動。
上述系統(tǒng)例如可用于工廠的能量分配，總廠的能量輸入和各設(shè)備的能量消耗均可通過模糊控制達(dá)到最優(yōu)化。模糊化可用語言變量，例如“很微小”、“微小”、“正?！?、“增多”、“劇增”和“臨界”來進(jìn)行。因?yàn)樵谶@樣的系統(tǒng)中，對能量輸入臨界狀態(tài)的限制與公用電網(wǎng)中的能量環(huán)境緊密相關(guān)，因此必須要考慮到用電高峰時間。模糊邏輯的優(yōu)點(diǎn)是，對能量輸入臨界狀態(tài)的限制可由外部調(diào)整。同樣在將能量分配到各設(shè)備中時，用于狀態(tài)“臨界”，即能量消耗超過許可極限時的邊界值是一個經(jīng)常改變的數(shù)值。
在圖2中，考慮了后一種情況，其中特別是用于能量輸入狀態(tài)“臨界”的隸屬函數(shù)在其界限(Begrenzung)內(nèi)可以改變。因而更好地考慮到了實(shí)際情況。
在對一座復(fù)雜生產(chǎn)設(shè)施的水循環(huán)進(jìn)行優(yōu)化控制時，會出現(xiàn)原則上類似的問題。在這樣的設(shè)施中，水的允許消耗量和允許排水量與總環(huán)境有關(guān)，例如干燥程度和降水情況等氣象的周邊條件。在這樣的環(huán)境中，語言變量“臨界”和“正?！钡碾`屬函數(shù)的邊界值在線，亦即在設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行時受到改變是有利的。
在其它的實(shí)施形式中還給出了其它有利的應(yīng)用在圖3a和圖3b中分別表示的都是圖形31，由此圖形可具體得到隸屬函數(shù)的位置和形式外部規(guī)定參數(shù)的數(shù)量。
通過圖線31表示的梯形隸屬函數(shù)在圖3a中通過4個頂點(diǎn)P1，P2，P3和P4來描繪，這四個頂點(diǎn)分別可以水平移動。另外，按圖3b所示的中心C、左肩LS的寬度、右肩RS的寬度和寬度W本身都是可變的。
由圖4可見，所選擇的外部可控隸屬函數(shù)的數(shù)量是可變的。可以由外部調(diào)整一個、幾個或者全部的隸屬函數(shù)。此外確定界限的方式方法也是可變的。借助于自動化系統(tǒng)來規(guī)定界限或也尤其通過自動接入一個外部信號，尤其是一個測量值來確定界限。有關(guān)這方面可根據(jù)圖6詳細(xì)深入了解。
除此之外，在非模糊化時，可利用過程信號使各隸屬函數(shù)相匹配。各隸屬函數(shù)的匹配可通過圖3a和圖3b中相應(yīng)所示參數(shù)的變化，或利用單值函數(shù)來達(dá)到。在圖5中圖形51表示所謂的單值函數(shù)。圖5中的單值函數(shù)51其位置是可變的。這對非模糊化的在線變更是有意義的。依靠過程信號能夠改變隸屬函數(shù)，并能達(dá)到在運(yùn)行過程中的最佳匹配。例如在一個冷卻系統(tǒng)中，出現(xiàn)了臨界的過程狀態(tài)，閥門處在“關(guān)閉”狀態(tài)的隸屬函數(shù)由0％點(diǎn)移動到10％點(diǎn)，由此可實(shí)現(xiàn)在此狀態(tài)下保證冷卻氣流持續(xù)不斷。
除了隸屬函數(shù)的數(shù)值以外，專用模糊控制的加權(quán)或隸屬函數(shù)的其它參數(shù)寫法，在生產(chǎn)過程中可通過加入的數(shù)值來在線調(diào)節(jié)。在這種情況下可通過圖1中模糊系統(tǒng)1的附加輸入端30輸入相應(yīng)的數(shù)值?！罢！边^程狀態(tài)的控制規(guī)則的加權(quán)與在“臨界”過程狀態(tài)中不同，輸入端30不僅可以輸入過程數(shù)值，由過程數(shù)值導(dǎo)出的值，由專門計(jì)算或最優(yōu)化法以及由安排其上的模糊系統(tǒng)導(dǎo)出的值。
尤其在“正?！边^程狀態(tài)以及“臨界”過程狀態(tài)求值時，應(yīng)用安排其上的最優(yōu)化系統(tǒng)特別有利。這一點(diǎn)可通過圖6來顯示在具有輸入10和輸出20的模糊系統(tǒng)之上，安排一個附加控制系統(tǒng)2，具有監(jiān)控系統(tǒng)的作用。由輸入30輸入的隸屬函數(shù)的參數(shù)，通過安排其上的控制系統(tǒng)可有利地進(jìn)行調(diào)整。在圖1的信息通道之上還有信息通道40和50，其中輸出的信息也可通過附加通道60反饋給控制系統(tǒng)2。
控制系統(tǒng)2能監(jiān)控模糊系統(tǒng)1的輸入和/或輸出，這時模糊系統(tǒng)的參數(shù)就可得到調(diào)整。輸入有關(guān)受控過程和設(shè)備狀況的其它信息，有利于在控制系統(tǒng)2中修訂調(diào)整參數(shù)的策略。
另外，圖6中的最優(yōu)化系統(tǒng)可成為一種專家系統(tǒng)的形式，還可任意成為一種其它的模糊系統(tǒng)形式、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)形式或利用生物學(xué)遺傳算法的最優(yōu)化系統(tǒng)形式。
權(quán)利要求
1.一種在自動化系統(tǒng)中應(yīng)用模糊邏輯的方法，其中在模糊系統(tǒng)中確定了各語言變量的隸屬函數(shù)，其特征在于模糊系統(tǒng)的各單元，特別是隸屬函數(shù)、控制規(guī)則、規(guī)則加權(quán)等被設(shè)計(jì)成可通過自動化系統(tǒng)自行變更。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在自動化系統(tǒng)運(yùn)行時，至少一個隸屬函數(shù)可被在線調(diào)整。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于該方法適用于工業(yè)設(shè)備特別是造紙廠的能量分配系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于考慮到公用電網(wǎng)中能量環(huán)境狀況，能量輸入臨界值的語言變量界限可由外部調(diào)整。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于用于工業(yè)設(shè)備原材料周轉(zhuǎn)的控制，尤其適用于造紙廠水循環(huán)的最優(yōu)化控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于考慮到氣象參數(shù)(干燥程度、降水量)的總體環(huán)境狀況，排水量臨界值的語言變量界限可由外部調(diào)整。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于根據(jù)一個參數(shù)的數(shù)值可同時從外部調(diào)整多個隸屬函數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述參數(shù)乘以一個系數(shù)，此系數(shù)也可非線性地影響各隸屬函數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于為調(diào)整界限，引入一個外部調(diào)整信號，尤其是一測量值。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在非模糊化時改變隸屬函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)與自動化過程的最佳匹配。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于通過加入的過程量在線進(jìn)行對控制規(guī)則的加權(quán)或隸屬函數(shù)的其它參數(shù)寫法。
12.一種實(shí)施如權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述方法的裝置，具有至少一個帶輸入與輸出的模糊系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)行模糊化的軟件模塊(1)至少包含一個附加輸入(30)。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于利用此附加輸入(30)，可與此相應(yīng)地改變隸屬函數(shù)的參數(shù)。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于利用附加輸入(30)，模糊控制規(guī)則的加權(quán)或隸屬函數(shù)的其它參數(shù)寫法可通過接入過程量來改變。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于為調(diào)整模糊系統(tǒng)(1)的參數(shù)，可使用安排其上的最優(yōu)化系統(tǒng)(2)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于附加控制系統(tǒng)(2)可作為最優(yōu)化系統(tǒng)，也可作為專家系統(tǒng)和/或模糊系統(tǒng)和/或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和/或采用生物遺傳算法的最優(yōu)化系統(tǒng)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于為了尋求判斷，控制系統(tǒng)(2)可獲得模糊系統(tǒng)(1)的輸入值和/或輸出值，和/或其它附加的過程信息。
全文摘要
一種在自動化系統(tǒng)中應(yīng)用模糊邏輯的方法和裝置，模糊系統(tǒng)一般是對各語言變量一次預(yù)先規(guī)定一隸屬函數(shù)，其中隸屬函數(shù)的形式和數(shù)值范圍是固定的。依照本發(fā)明，模糊系統(tǒng)的各單元尤其是隸屬函數(shù)、控制規(guī)則、控制規(guī)則加權(quán)等均可通過自動化系統(tǒng)自行變更。其優(yōu)點(diǎn)是在自動化系統(tǒng)運(yùn)行中，至少可在線改變一個隸屬函數(shù)。附屬的裝置至少是一個具有輸入和輸出的模糊系統(tǒng)，進(jìn)行模糊化控制的軟件模塊(1、2)包含至少一個附加輸入(30、40至50)。本方法和附屬裝置適用于工廠能量最優(yōu)化控制或水循環(huán)控制。
文檔編號G05B13/02GK1152964SQ95194109
公開日1997年6月25日 申請日期1995年7月7日 優(yōu)先權(quán)日1994年7月20日
發(fā)明者赫伯特·富朗莫托, 托馬斯·沃爾夫 申請人:西門子公司