在自動化系統中應用模糊邏輯的方法和裝置的製作方法
2023-10-10 15:36:09 1
專利名稱：在自動化系統中應用模糊邏輯的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種在自動化系統中應用模糊邏輯的方法。其中確定了各語言變量的隸屬函數。此外，本發明還涉及一種實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。
在自動化系統中應用模糊邏輯時，通常用所謂的，例如定義為「很微小」、「微小」、「正常」、「增多」、「劇增」和「臨界狀」的語言變量來進行模糊化處理。至今在自動化系統中應用的模糊系統，對各語言變量總是一次預先給定隸屬函數，這些隸屬函數在模糊系統使用之前其形式和數值範圍是被確定的。這表明對工業部門某些應用情況的匹配不是最佳的。
因此本發明的目的是提供一種經改進的，在自動化系統中應用模糊邏輯的方法和附屬裝置。
本發明的目的是這樣實現的，即採用一種在自動化系統中應用模糊邏輯的方法，其中在模糊系統中確定了各語言變量的隸屬函數，模糊系統的各單元，特別是隸屬函數、控制規則、規則加權等被設計成可通過自動化系統自行變更。
在自動化系統運行時，最好至少有一個隸屬函數能被在線調整。
本發明方法一方面可適用於工業設施如造紙廠的一個用於能量分配的系統，另一方面同樣可適用於原料周轉的控制，如水循環的優化控制。
在實施本發明方法的附屬裝置中，進行模糊化處理的軟體模塊包含至少一個附加輸入。可有利地利用此附加輸入，一個隸屬函數的上限可作相應的移動。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，例如優化方法所計算出的值，考慮對模糊控制規則加權或表徵形狀和位置的隸屬函數進行其它參數化。
在本發明裝置中，為調整模糊系統的參數，可有利地使用安排其上的最優化系統，尤其是附加控制系統，對此適用的還有如專家系統、神經網絡以及應用生物學遺傳算法的類似系統。
下面結合附圖所示實施例對本發明作進一步的詳細說明，附圖中
圖1為一個擴展的模糊系統；圖2為調整隸屬函數的實例；圖3a和圖3b為用於在線變更一個隸屬函數參數的兩種可能情況；圖4為所有隸屬函數同時非線性擴展或收縮的實例；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的圖1所示模糊系統。
相同的函數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，它基本上由一個軟體模塊組成，一方面可進行模糊化，另一方面還可進行非模糊化，這樣一個軟體模塊一般具有幾個輸入10和輸出20。
對此系統的補充是，軟體模塊1包括有用於界限的附加輸入30，為此可對模糊化和非模糊化作如此修改，使隸屬函數的上限即可隨此輸入作相應的移動。
上述系統例如可用於工廠的能量分配，總廠的能量輸入和各設備的能量消耗均可通過模糊控制達到最優化。模糊化可用語言變量，例如「很微小」、「微小」、「正常」、「增多」、「劇增」和「臨界」來進行。因為在這樣的系統中，對能量輸入臨界狀態的限制與公用電網中的能量環境緊密相關，因此必須要考慮到用電尖峰時間。模糊邏輯的優點是，對能量輸入臨界狀態的限制可由外部調整。同樣在將能量分配到各設備中時，用於狀態「臨界」，即能量消耗超過許可極限時的邊界值是一個經常改變的數值。
在圖2中，考慮了後一種情況，其中特別是用於能量輸入狀態「臨界」的隸屬函數在其界限(Begrenzung)內可以改變。因而更好地考慮到了實際情況。
在對一座複雜生產設施的水循環進行優化控制時，會出現原則上類似的問題。在這樣的設施中，水的允許消耗量和允許排水量與總環境有關，例如乾燥程度和降水情況等氣象的周邊條件。在這樣的環境中，語言變量「臨界」和「正常」的隸屬函數的邊界值在線，亦即在設備生產運行時受到改變是有利的。
在其它的實施形式中還給出了其它有利的應用在圖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的位置和形式外部規定參數的數量。
通過圖線31表示的梯形隸屬函數在圖3a中通過4個頂點P1，P2，P3和P4來描繪，這四個頂點分別可以水平移動。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的數量是可變的。可以由外部調整一個、幾個或者全部的隸屬函數。此外確定界限的方式方法也是可變的。藉助於自動化系統來規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。有關這方面可根據圖6詳細深入了解。
除此之外，在非模糊化時，可利用過程信號使各隸屬函數相匹配。各隸屬函數的匹配可通過圖3a和圖3b中相應所示參數的變化，或利用單值函數來達到。在圖5中圖形51表示所謂的單值函數。圖5中的單值函數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，並能達到在運行過程中的最佳匹配。例如在一個冷卻系統中，出現了臨界的過程狀態，閥門處在「關閉」狀態的隸屬函數由0％點移動到10％點，由此可實現在此狀態下保證冷卻氣流持續不斷。
除了隸屬函數的數值以外，專用模糊控制的加權或隸屬函數的其它參數寫法，在生產過程中可通過加入的數值來在線調節。在這種情況下可通過圖1中模糊系統1的附加輸入端30輸入相應的數值。「正常」過程狀態的控制規則的加權與在「臨界」過程狀態中不同，輸入端30不僅可以輸入過程數值，由過程數值導出的值，由專門計算或最優化法以及由安排其上的模糊系統導出的值。
尤其在「正常」過程狀態以及「臨界」過程狀態求值時，應用安排其上的最優化系統特別有利。這一點可通過圖6來顯示在具有輸入10和輸出20的模糊系統之上，安排一個附加控制系統2，具有監控系統的作用。由輸入30輸入的隸屬函數的參數，通過安排其上的控制系統可有利地進行調整。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2。
控制系統2能監控模糊系統1的輸入和/或輸出，這時模糊系統的參數就可得到調整。輸入有關受控過程和設備狀況的其它信息，有利於在控制系統2中修訂調整參數的策略。
另外，圖6中的最優化系統可成為一種專家系統的形式，還可任意成為一種其它的模糊系統形式、神經網絡形式或利用生物學遺傳算法的最優化系統形式。
權利要求
1.一種在自動化系統中應用模糊邏輯的方法，其中在模糊系統中確定了各語言變量的隸屬函數，其特徵在於模糊系統的各單元，特別是隸屬函數、控制規則、規則加權等被設計成可通過自動化系統自行變更。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於在自動化系統運行時，至少一個隸屬函數可被在線調整。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於該方法適用於工業設備特別是造紙廠的能量分配系統。
4.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於考慮到公用電網中能量環境狀況，能量輸入臨界值的語言變量界限可由外部調整。
5.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於用於工業設備原材料周轉的控制，尤其適用於造紙廠水循環的最優化控制。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於考慮到氣象參數(乾燥程度、降水量)的總體環境狀況，排水量臨界值的語言變量界限可由外部調整。
7.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於根據一個參數的數值可同時從外部調整多個隸屬函數。
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於所述參數乘以一個係數，此係數也可非線性地影響各隸屬函數。
9.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於為調整界限，引入一個外部調整信號，尤其是一測量值。
10.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於在非模糊化時改變隸屬函數，從而實現與自動化過程的最佳匹配。
11.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於通過加入的過程量在線進行對控制規則的加權或隸屬函數的其它參數寫法。
12.一種實施如權利要求1至11中任一項所述方法的裝置，具有至少一個帶輸入與輸出的模糊系統，其特徵在於進行模糊化的軟體模塊(1)至少包含一個附加輸入(30)。
13.根據權利要求10所述的裝置，其特徵在於利用此附加輸入(30)，可與此相應地改變隸屬函數的參數。
14.根據權利要求10所述的裝置，其特徵在於利用附加輸入(30)，模糊控制規則的加權或隸屬函數的其它參數寫法可通過接入過程量來改變。
15.根據權利要求12所述的裝置，其特徵在於為調整模糊系統(1)的參數，可使用安排其上的最優化系統(2)。
16.根據權利要求15所述的裝置，其特徵在於附加控制系統(2)可作為最優化系統，也可作為專家系統和/或模糊系統和/或神經網絡和/或採用生物遺傳算法的最優化系統。
17.根據權利要求16所述的裝置，其特徵在於為了尋求判斷，控制系統(2)可獲得模糊系統(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
一種在自動化系統中應用模糊邏輯的方法和裝置，模糊系統一般是對各語言變量一次預先規定一隸屬函數，其中隸屬函數的形式和數值範圍是固定的。依照本發明，模糊系統的各單元尤其是隸屬函數、控制規則、控制規則加權等均可通過自動化系統自行變更。其優點是在自動化系統運行中，至少可在線改變一個隸屬函數。附屬的裝置至少是一個具有輸入和輸出的模糊系統，進行模糊化控制的軟體模塊(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於工廠能量最優化控制或水循環控制。
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 優先權日1994年7月20日
發明者赫伯特·富朗莫託, 託馬斯·沃爾夫 申請人:西門子公司