专利名称：在自动化系统中应用模糊逻辑的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在自动化系统中应用模糊逻辑的方法。其中确定了各语言变量的隶属函数。此外，本发明还涉及一种实施本方法的附属装置，该装置具有至少一个带输入端和输出端的模糊系统。
在自动化系统中应用模糊逻辑时，通常用所谓的，例如定义为“很微小”、“微小”、“正常”、“增多”、“剧增”和“临界状”的语言变量来进行模糊化处理。至今在自动化系统中应用的模糊系统，对各语言变量总是一次预先给定隶属函数，这些隶属函数在模糊系统使用之前其形式和数值范围是被确定的。这表明对工业部门某些应用情况的匹配不是最佳的。
因此本发明的目的是提供一种经改进的，在自动化系统中应用模糊逻辑的方法和附属装置。
本发明的目的是这样实现的，即采用一种在自动化系统中应用模糊逻辑的方法，其中在模糊系统中确定了各语言变量的隶属函数，模糊系统的各单元，特别是隶属函数、控制规则、规则加权等被设计成可通过自动化系统自行变更。
在自动化系统运行时，最好至少有一个隶属函数能被在线调整。
本发明方法一方面可适用于工业设施如造纸厂的一个用于能量分配的系统，另一方面同样可适用于原料周转的控制，如水循环的优化控制。
在实施本发明方法的附属装置中，进行模糊化处理的软件模块包含至少一个附加输入。可有利地利用此附加输入，一个隶属函数的上限可作相应的移动。同样利用此附加输入，还可通过加入的过程量或通过其它方法，例如优化方法所计算出的值，考虑对模糊控制规则加权或表征形状和位置的隶属函数进行其它参数化。
在本发明装置中，为调整模糊系统的参数，可有利地使用安排其上的最优化系统，尤其是附加控制系统，对此适用的还有如专家系统、神经网络以及应用生物学遗传算法的类似系统。
下面结合附图所示实施例对本发明作进一步的详细说明，附图中
图1为一个扩展的模糊系统；图2为调整隶属函数的实例；图3a和图3b为用于在线变更一个隶属函数参数的两种可能情况；图4为所有隶属函数同时非线性扩展或收缩的实例；图5为非模糊值在线变更的一种附加可能情况；图6为带有附加控制系统的图1所示模糊系统。
相同的函数单元在各图中的符号相同。
在图1中，1即表示一个已知的模糊系统，它基本上由一个软件模块组成，一方面可进行模糊化，另一方面还可进行非模糊化，这样一个软件模块一般具有几个输入10和输出20。
对此系统的补充是，软件模块1包括有用于界限的附加输入30，为此可对模糊化和非模糊化作如此修改，使隶属函数的上限即可随此输入作相应的移动。
上述系统例如可用于工厂的能量分配，总厂的能量输入和各设备的能量消耗均可通过模糊控制达到最优化。模糊化可用语言变量，例如“很微小”、“微小”、“正常”、“增多”、“剧增”和“临界”来进行。因为在这样的系统中，对能量输入临界状态的限制与公用电网中的能量环境紧密相关，因此必须要考虑到用电高峰时间。模糊逻辑的优点是，对能量输入临界状态的限制可由外部调整。同样在将能量分配到各设备中时，用于状态“临界”，即能量消耗超过许可极限时的边界值是一个经常改变的数值。
在图2中，考虑了后一种情况，其中特别是用于能量输入状态“临界”的隶属函数在其界限(Begrenzung)内可以改变。因而更好地考虑到了实际情况。
在对一座复杂生产设施的水循环进行优化控制时，会出现原则上类似的问题。在这样的设施中，水的允许消耗量和允许排水量与总环境有关，例如干燥程度和降水情况等气象的周边条件。在这样的环境中，语言变量“临界”和“正常”的隶属函数的边界值在线，亦即在设备生产运行时受到改变是有利的。
在其它的实施形式中还给出了其它有利的应用在图3a和图3b中分别表示的都是图形31，由此图形可具体得到隶属函数的位置和形式外部规定参数的数量。
通过图线31表示的梯形隶属函数在图3a中通过4个顶点P1，P2，P3和P4来描绘，这四个顶点分别可以水平移动。另外，按图3b所示的中心C、左肩LS的宽度、右肩RS的宽度和宽度W本身都是可变的。
由图4可见，所选择的外部可控隶属函数的数量是可变的。可以由外部调整一个、几个或者全部的隶属函数。此外确定界限的方式方法也是可变的。借助于自动化系统来规定界限或也尤其通过自动接入一个外部信号，尤其是一个测量值来确定界限。有关这方面可根据图6详细深入了解。
除此之外，在非模糊化时，可利用过程信号使各隶属函数相匹配。各隶属函数的匹配可通过图3a和图3b中相应所示参数的变化，或利用单值函数来达到。在图5中图形51表示所谓的单值函数。图5中的单值函数51其位置是可变的。这对非模糊化的在线变更是有意义的。依靠过程信号能够改变隶属函数，并能达到在运行过程中的最佳匹配。例如在一个冷却系统中，出现了临界的过程状态，阀门处在“关闭”状态的隶属函数由0％点移动到10％点，由此可实现在此状态下保证冷却气流持续不断。
除了隶属函数的数值以外，专用模糊控制的加权或隶属函数的其它参数写法，在生产过程中可通过加入的数值来在线调节。在这种情况下可通过图1中模糊系统1的附加输入端30输入相应的数值。“正常”过程状态的控制规则的加权与在“临界”过程状态中不同，输入端30不仅可以输入过程数值，由过程数值导出的值，由专门计算或最优化法以及由安排其上的模糊系统导出的值。
尤其在“正常”过程状态以及“临界”过程状态求值时，应用安排其上的最优化系统特别有利。这一点可通过图6来显示在具有输入10和输出20的模糊系统之上，安排一个附加控制系统2，具有监控系统的作用。由输入30输入的隶属函数的参数，通过安排其上的控制系统可有利地进行调整。在图1的信息通道之上还有信息通道40和50，其中输出的信息也可通过附加通道60反馈给控制系统2。
控制系统2能监控模糊系统1的输入和/或输出，这时模糊系统的参数就可得到调整。输入有关受控过程和设备状况的其它信息，有利于在控制系统2中修订调整参数的策略。
另外，图6中的最优化系统可成为一种专家系统的形式，还可任意成为一种其它的模糊系统形式、神经网络形式或利用生物学遗传算法的最优化系统形式。
权利要求
1.一种在自动化系统中应用模糊逻辑的方法，其中在模糊系统中确定了各语言变量的隶属函数，其特征在于模糊系统的各单元，特别是隶属函数、控制规则、规则加权等被设计成可通过自动化系统自行变更。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在自动化系统运行时，至少一个隶属函数可被在线调整。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于该方法适用于工业设备特别是造纸厂的能量分配系统。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于考虑到公用电网中能量环境状况，能量输入临界值的语言变量界限可由外部调整。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于用于工业设备原材料周转的控制，尤其适用于造纸厂水循环的最优化控制。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于考虑到气象参数(干燥程度、降水量)的总体环境状况，排水量临界值的语言变量界限可由外部调整。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于根据一个参数的数值可同时从外部调整多个隶属函数。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述参数乘以一个系数，此系数也可非线性地影响各隶属函数。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于为调整界限，引入一个外部调整信号，尤其是一测量值。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在非模糊化时改变隶属函数，从而实现与自动化过程的最佳匹配。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于通过加入的过程量在线进行对控制规则的加权或隶属函数的其它参数写法。
12.一种实施如权利要求1至11中任一项所述方法的装置，具有至少一个带输入与输出的模糊系统，其特征在于进行模糊化的软件模块(1)至少包含一个附加输入(30)。
13.根据权利要求10所述的装置，其特征在于利用此附加输入(30)，可与此相应地改变隶属函数的参数。
14.根据权利要求10所述的装置，其特征在于利用附加输入(30)，模糊控制规则的加权或隶属函数的其它参数写法可通过接入过程量来改变。
15.根据权利要求12所述的装置，其特征在于为调整模糊系统(1)的参数，可使用安排其上的最优化系统(2)。
16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于附加控制系统(2)可作为最优化系统，也可作为专家系统和/或模糊系统和/或神经网络和/或采用生物遗传算法的最优化系统。
17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于为了寻求判断，控制系统(2)可获得模糊系统(1)的输入值和/或输出值，和/或其它附加的过程信息。
全文摘要
一种在自动化系统中应用模糊逻辑的方法和装置，模糊系统一般是对各语言变量一次预先规定一隶属函数，其中隶属函数的形式和数值范围是固定的。依照本发明，模糊系统的各单元尤其是隶属函数、控制规则、控制规则加权等均可通过自动化系统自行变更。其优点是在自动化系统运行中，至少可在线改变一个隶属函数。附属的装置至少是一个具有输入和输出的模糊系统，进行模糊化控制的软件模块(1、2)包含至少一个附加输入(30、40至50)。本方法和附属装置适用于工厂能量最优化控制或水循环控制。
文档编号G05B13/02GK1152964SQ95194109
公开日1997年6月25日 申请日期1995年7月7日 优先权日1994年7月20日
发明者赫伯特·富朗莫托, 托马斯·沃尔夫 申请人:西门子公司