专利名称：基于统一模型的分层模糊系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于工业实时性要求的多输入变量的模糊推理模型，尤其是涉及 基于统一模型的分层模糊系统。
技术背景在实际的工业生产中，由于工业生产过程的复杂性和不确定性，人们已经大 量地利用智能理论来解决生产中的问题。模糊理论是解决随机性和不确定性问题 的有效方法，常规的模糊模型是平面型的，即系统通常具有两个或三个输入量， 这些输入量是同时进入模型进行模糊推理的，理论上常规模糊模型虽然也可以具 有三个以上的输入量，但由于其模糊规则数与模糊子集量化个数成指数关系，因 此输入量越多其规则数也就越多。假设每个输入变量的模糊子集均为iV个，输入 变量共有M个，则规则总数为S-AT 如果模糊子集取通常的5个，假如有4个 输入变量，则模糊规则数有625条，如果有5个输入变量，模糊规则数就将达到 3125条。因此，受规则数目的限制，在工业生产实际运用中一般仅限于两到三个 输入量的情况，对于三个以上的多维输入则难以应用。分层模糊系统通过将高维模糊系统转化为由低维模糊单元分层连接构成的 分层系统，使模糊系统的规则数只随输入变量数线性增长，是有效解决多维输入 模糊系统规则数"爆炸"的维数灾问题的有效途径。利用分层模糊系统能够使模 糊理论在多输入变量的实际场合中得到有效的应用。但是目前对分层模糊系统的 研究还停留在理论层面，如分层模糊系统的通用等效性以及逼近性能等。但是如 何将分层模糊系统在满足工业实用性要求的前提下应用于实际，尤其是应用于较 多物理输入变量的工业生产场合，目前还没有见诸相关这方面报道。 发明内容本发明目的在于提供一种适于多输入物理变量且具备工业实用性的基于统 一模型的分层模糊系统。为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案本发明所述的基于统一模型的分层模糊系统主要由分层模糊系统和统一模型
两部分组成，分层模糊系统旨在解决"维数灾"问题，大幅减少推理规则数，为 模糊理论在超大维输入系统中的应用提供了有效的方法；统一模型则提供了将分 层模糊系统有效应用于实际工业生产中的技术方法，由于实际工业生产中物理变 量的特性各不相同，在分层模糊系统中的位置以及推理过程也具有不确定性，要 将分层模糊系统应用于实际工业生产，必须解决由此带来的设计复杂性和运算实 时性的问题，为此提出了统一模型的技术方法。基于统一模型的分层模糊系统首先建立增一型结构的分层模糊系统，即每个 基本模糊单元均只有来自工业生产现场采集的两个物理输入量；统一模型是将分 层模糊系统有效应用于实际的基础，统一模型主要由统一论域区间、统一模糊规 则、缺位替补、映射调整等构成；通过定义统一的映射区间，分析实际物理输入 量的变化范围，将输入量统一映射到所定义的区间上，该区间即作为模糊系统的 基本论域；每个基本模糊单元采用相同的模糊推理方式，即相同的论域、模糊化 方法以及模糊推理规则，模糊推理采用计算简便的Mamdani合成算法，在此基础 上，对不确定的物理输入量采用缺位替补的处理方式，即如果某一层缺少该输入 量，可将其后的物理输入量依次前移，替补缺少的物理输入量，系统的输出采用 各层模糊基本单元的输出加权和，对系统结果的反馈调整则通过区间映射调整的 方式实现。所述增一型结构的分层模糊系统由多层基本模糊单元串接而成，各层的基本 模糊单元均有两个输入变量，除第一层的基本模糊单元两个输入均为实际物理输 入量外，其它各层均将前一层基本模糊单元的输出作为本单元的一个输入变量， 另一个输入量则为实际的物理变量。所述统一论域是指对实际物理变量进行现场采样测试和统计分析，得到其 实际的变化范围，同时结合实际工程应用确定一个合适的映射区间，把实际物理 变量通过映射关系映射到该区间上，对于整个模糊系统，该区间是相同的，作为 统一的映射区间和模糊论域，各个物理输入变量则根据自身数值变化的大小确定 不同的映射关系映射到该区间上，然后在此基础上进行模糊化和模糊推理。所述统一模糊规则是指根据生产实际的要求确定模糊语言变量，而对各个 基本模糊单元的输入变量则定义相同的模糊语言变量，在统一论域区间上定义相
同的隶属函数，在此基础上各个基本模糊单元的推理采用相同的模糊规则，输入 变量大小、极性等特性的不同则通过映射到论域上的映射关系体现。所述缺位替补是指在工业生产过程当中， 一些物理变量根据实际在某些情 况下并不需要进行模糊推理，这样当某一层缺少该输入量，可将其后的物理输入 量依次前移，替补缺少的物理输入量，而前述的统一论域区间、统一模糊规则是 实现缺位替补的基础和前提。所述映射调整是指当根据系统要求以及生产实际的反馈需要对推理结果进 行在线调整时，通过对物理输入变量到统一论域区间的映射关系进行反向调整， 这一调整过程可在线进行，直至满足系统要求。本发明优点在于采用增一型结构的分层模糊系统，使用了统一模型的技术方 法，通过应用统一论域、统一模糊规则、区间映射、缺位替补的方式进行模糊推 理，将高维模糊系统转化为由低维模糊单元分层连接构成的分层系统，使模糊系 统的规则数只随输入物理变量数线性增长，有效解决了多维输入模糊系统规则数 "爆炸"的维数灾问题以及分层模糊系统在实际中的应用问题，因此能够有效地 应用于工业生产控制，具有很强的实用性。
图1是本发明所述增一型结构的分层模糊系统图。图2是本发明所述基于统一模型的分层模糊系统模糊推理过程示意图。
具体实施方式
本发明所述基于统一模型的分层模糊系统是按照下述步骤进行 第一步、建立分层模糊系统的结构模型如果系统有n个物理输入变量为Xl、 X2、 ......Xn，采用如图l所示的分层模糊系统，各层的基本模糊单元均有两个输入变量，其中Xl、 X2作为第一层基本模糊单元的输入，其输出yi以及第三个物理输入变量X3作为第二层基本模糊单元的 输入，其余各层以此类推，因此，n维物理输入变量的系统可以以这样的结构构 成n-l层，每一层均只有两个输入变量。在这种结构下，其规则数目是最少的，假设每个输入变量的模糊子集均为W 个，输入变量共有M个，则规则总数为^JV"(M-1)。而如果采用常规平面型
的模糊模型，则规则总数将为S＝NM。这样通过采用如图所示的分层模糊模型， 可以将规则数由原来随变量个数指数增长变为随变量个数线性增长，大大减少了规则数。第二步、确定统一模型的推理方式分层模糊系统采用统一模型的模糊推理，统一模型主要由统一论域区间、统 一模糊规则、缺位替补、映射调整等构成，也就是各个基本模糊单元的模糊推理 过程采用相同的方式，各个输入变量采用相同的模糊化方式，在相同的论域区间 上进行模糊化和解模糊，采用相同的模糊分析方法。因此，本发明所述的统一模 型具有很好的开放性、扩展性以及操作简便性，使得在实际工业生产中应用的模 糊推理模型具有很好的通用性，也便于根据实际生产需要迸行物理输入变量的调 整以及根据实际生产工艺的要求对模糊规则进行调整，减小了系统的复杂性，有 利于系统的实时运算，能够将分层模糊系统有效地应用于实际工程系统中。第三步、建立输入变量的论域映射在统一模型中，对每个输入变量如何采用合适的模糊论域进行模糊化是系统 能否应用于实际工程的一个重要问题。在实际系统中，系统输入变量的种类不同， 数值大小、正负极性不同，工程单位也各不相同，如果对每个输入变量采用不同 的模糊推理方式，则系统设计的复杂程度将极大地提高，也难以再实际中进行应 用。因此为便于使用分层模糊系统的统一模型进行模糊推理，通过对实际物理变 量进行检测、采集后统计分析，确定系统的输入变量，结合实际工程应用确定一 个合适的区间，将所有的物理输入变量都通过不同的映射关系映射到该区间上， 对于整个模糊系统，该区间是相同的，作为统一的论域区间，各个输入变量则根 据自身数值大小的不同确定不同的映射关系映射到该区间上，进行模糊化以后由 统一模型的模糊单元进行模糊推理。设某一个输入变量v的变化范围是v,i,通过线性映射将实际变化范围]v^]映射至U—个统一的论域区间W，cy上,其映射关 系为^ = ^+~， &、 ^分别为映射系数，可以确定为<formula>formula see original document page 7</formula> 第四步、建立统一模糊推理规则 V2 —V'基本模糊单元中两个输入变量以及输出变量的模糊化均在统一的论域区间上进行，输入变量通过不同的映射关系映射到该区间上，并用统一的隶属函数得到
输入变量的模糊量，具体算法如下1、 定义语言变量根据生产要求以及对物理输入变量的分析定义能够反映生 产规律和要求指标的模糊语言变量， 一般为四到七个，其隶属度函数为在统一论 域区间上的连续型或离散型隶属函数。2、 确定模糊规则根据工业生产的控制要求以及所定义的语言变量，确定分层模糊系统的模糊规则，该模糊规则的形式为if Xi是A并且X2是B那么y是C。其中Xl、 x2分别代表基本模糊单元的两个输入量，y代表基本模糊单元的输出量，这些量 均是实际物理量在论域区间上映射值，A、 B、 C分别代表输入量以及输出量的语 言变量，根据所定义的语言变量数，可以确定模糊规则数目，如果对输入变量A、 X2和输出变量y定义n个语言变量，贝隨本单元的模糊规则数目为"2 。分层模糊 模型的各层在推理时也按照这些规则进行。对每一条模糊规则均进行模糊合成运 算。设A和B分别是输入模糊集合，C为输出模糊集合，则规则"ifAandBthen C"所决定的三元模糊关系R为R = (AxB)xC设论域中各个离散元素对应于模糊集合A的隶属度为A(i)，对应于模糊集合 B的隶属度为A(j)，对应于模糊集合C的隶属度为/Zc(m)，则具体运算过程为-<formula>formula see original document page 8</formula>A =A(z')A//sC/)A//c(m) 符号A代表取小运算，即/^(i)AA(/^min(^(0,^C/))， i、 j、 m为论域区间上的 离散值。对每一条规则均进行这样的合成运算，则可以得到"2条规则的模糊关系。将这"2条规则的模糊关系^，k-l，2,......，n2，进行合并，则得到上述模糊规则所对应的模糊关系矩阵R。<formula>formula see original document page 8</formula>3、 模糊规则所激活的模糊子集的统一对于基本模糊单元的每一个输入变量，其映射值一般最多可激活两个模糊子 集，即语言变量，为了计算的实时性和简便性考虑，将激活的两个模糊子集统一
为一个综合的模糊子集，即该修正模糊子集中反映了所激活的两个模糊子集的作 用。具体方法为-设某一输入变量在离散论域区间上的映射值为x ，该映射值一般最多对应于两个模糊子集(即语言变量)，设这两个模糊子集分别为z和5，其在论域区间上的离散隶属度分布分别为[fl,]和[6,.]， G为论域区间上的离散值)，映射值x隶属于 这两个模糊子集的隶属度分别为^00和，则综合以后有 C-[。]-",々^) + 6,"^)，如果[c,]中出现大于l的元素，则通过归一化将c,转 变为0 1之间的数值，这样就将C作为输入变量的模糊化结果进行模糊推理。4、 确定模糊合成算法 各个基本模糊单元的模糊推理采用通常的mamdani算法，设两个输入变量在论域区间上进行综合模糊化后的隶属度分布为Z和S'，则推理结果为 C、(ixS')oi ，其中R为所求得的模糊关系矩阵。符号o代表合成运算。5、 解模糊算法基本模糊单元的推理结果是一个在论域区间上离散分布的隶属分布，即由两 个输入变量经模糊推理后得到该结果的隶属度在论域区间上的分布值，解模糊运 算一般采用加权法解模糊。加g法解模糊算法为-y = "1^1-i为论域区间[m， ri2]上的离散值，/^为对应离散点的隶属度。第五步、对输入变量的缺位替补及对输出的加权处理在实际的过程中，分层模糊模型的分层数和变量位置并不是固定不变的，它随着技术人员的设定和生产工艺要求的变化而改变。其过程主要有(1)、在实际系统中，需要进行模糊推理运算的输入变量可能会随着生产过 程的变化而有所不同，某些情况下个别物理变量不需要进行模糊推理运算，因此， 分层模糊系统中必须考虑到输入变量的数量具有不确定性的问题。为此在分层模糊系统中采用缺位替补的方式进行处理。具体处理过程为假设对于某种生产情 况己经定义了物理输入变量，分别为&、 X2、 X3、 X4，这样按上述分层模糊系统的结构可以构成一个三层的模糊推理模型，各层的输入变量分别为Xi和X2、 X3、 X4，
但是在实际工程中可能出现只有输入变量&、 x2、 x4需要进行模糊运算的情况， 此时采用缺位替补的方式将原先处于第三层的变量x4替补到第二层原先x3的位 置，由此分层模糊系统变为两层的结构，各层输入变量分别为)d和x2、 x4。采用这种方式的基础和前提是前述的统一论域区间、统一模糊规则，利用统一模型和 缺位替补就灵活地解决了实际工程中输入变量不确定的问题。(2)、在实际应用过程中，根据输入变量采用模糊隶属函数的不同、模糊子 集定义的不同，各个输入变量在分层模糊模型中的位置也是可以变化的，这体现 了不同输入变量对模糊推理结果影响程度的不同，通过对基本模糊单元输出变量 对输入变量的影响程度的分析，可以确定各个输入变量在分层模糊模型中的结构 位置，从而将不同变量对推理结果影响程度的大小在分层模糊模型的位置上得到 体现。同时为进一步体现不同变量对输出结果影响程度的不同，对每一层的输出 结果都进行加权处理，分层模糊系统的最终输出为各层输出结果的加权和，艮P: —1 "-ly=|>,h，其中/t为分层数，"为加权系数，2>t=i，凡为各层输出解模糊后的结果。加权系数的确定则通过模糊层次分析方—法得到，这样就可以避免人为 确定权重系数的主观性和不一致性。第六步、利用映射调整对系统输出结果进行修正当根据系统要求以及生产实际的反馈需要对推理结果进行在线调整时，通过 对相关物理输入变量到统一论域区间的映射关系进行反向调整，根据生产指标所 要求的映射值，反向计算出符合要求的新的映射系数。这一调整过程可在线进行， 直至满足系统要求。
权利要求
1、一种基于统一模型的分层模糊系统，其特征在于首先建立增一型结构的分层模糊系统，即每个基本模糊单元均只有来自工业生产现场采集的两个物理输入量；采用统一模型的技术方法，通过定义统一的论域区间，分析实际物理输入量的变化范围，将输入量统一映射到所定义的区间上，该区间即作为模糊系统的基本论域；每个基本模糊单元采用相同的模糊推理方式，即相同的论域、模糊化方法以及统一的模糊推理规则，模糊推理采用计算简便的Mamdani合成算法，在此基础上，对不确定的物理输入量采用缺位替补的处理方式，即如果某一层缺少该输入量，可将其后的物理输入量依次前移，替补缺少的物理输入量，系统的输出采用各层模糊基本单元的输出加权和，对系统结果的反馈调整则通过区间映射调整的方式实现。
2、 根据权利要求1所述的基于统一模型的分层模糊系统，其特征在于所述 增一型结构的分层模糊系统由多层基本模糊单元串接而成，各层的基本模糊单元 均有两个输入变量，除第一层的基本模糊单元两个输入均为实际物理输入量外， 其它各层均将前一层基本模糊单元的输出作为本单元的一个输入变量，另一个输 入量则为实际的物理变量。
3、 根据权利要求1所述的基于统一模型的分层模糊系统，其特征在于所述 统一模型主要由统一论域区间、统一模糊规则、缺位替补、映射调整等构成，所 述统一论域区间是指对实际物理变量进行现场采样测试和统计分析，得到其实 际的变化范围，同时结合实际工程应用确定一个合适的论域区间，把实际物理变 量通过映射关系映射到该区间上，对于整个模糊系统，该区间是相同的，作为统 一的映射区间和模糊论域，各个物理输入变量则根据自身数值变化的大小确定不 同的映射关系映射到该区间上，然后在此基础上进行模糊化和模糊推理。
4、 根据权利要求1所述的基于统一模型的分层模糊系统，其特征在于所述 统一模糊规则是指根据生产实际的要求确定模糊语言变量，而对各个基本模糊 单元的输入变量则定义相同的模糊语言变量，在统一论域区间上定义相同的隶属 函数，在此基础上各个基本模糊单元的推理采用相同的模糊规则，输入变量大小、 极性等特性的不同则通过映射到论域上的映射关系体现。
5、 根据权利要求1所述的基于统一模型的分层模糊系统，其特征在于所 述缺位替补是指在工业生产过程当中， 一些物理变量根据实际在某些情况下并 不需要进行模糊推理，这样当某一层缺少该输入量，可将其后的物理输入量依次 前移，替补缺少的物理输入量，而前述的统一论域区间、统一模糊规则是实现缺 位替补的基础和前提。
6、 根据权利要求1所述的基于统一模型的分层模糊系统，其特征在于所述 映射调整是指当根据系统要求以及生产实际的反馈需要对推理结果进行在线调 整时，通过对相应物理输入变量到统一论域区间的映射关系进行反向调整，这一 调整过程可在线进行，直至满足系统要求。
全文摘要
本发明公开了一种基于统一模型的分层模糊系统，首先建立增一型结构的分层模糊系统，即每个基本模糊单元均只有来自工业生产现场采集的两个物理输入量；通过定义统一的论域区间，分析实际物理输入量的变化范围，将输入量统一映射到所定义的区间上，该区间即作为模糊系统的基本论域；每个基本模糊单元采用相同的模糊推理方式，即相同的论域、模糊化方法以及统一的模糊推理规则，模糊推理采用计算简便的Mamdani合成算法，在此基础上，对不确定的物理输入量采用缺位替补的处理方式，系统的输出采用各层模糊基本单元的输出加权和，对系统结果的反馈调整则通过区间映射调整的方式实现。本发明解决了实际面临的设计复杂性和运算实时性的问题，保证了分层模糊系统的实用性。
文档编号G05B13/02GK101118419SQ20071005517
公开日2008年2月6日 申请日期2007年9月18日 优先权日2007年9月18日
发明者刚 刘, 刘艳红, 朱晓东, 杰 王, 王东署, 陈树伟 申请人:郑州大学