Duvold, Tore (4.th Frederiksberg C, DK)
| 1. | P> Rege Lverfah ren für einen Regelkreis, der nach der un¬ scharfen Logik arbeitet, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß mehrere Regelstrecken von nur einem einzigen FuzzyRegler (FR) bedient werden, der im Zeit¬ multiplexbetrieb an die Regelstrecken (RS1, RS2, ..., RSn) geschaltet wird. Regelkreis, der nach der unscharfen Logik regelt, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß mehrere Re¬ gelstrecken (RS1, RS2, ..., RS ) von nur einem einzigen FuzzyRegler (FR) bedient werden, der im Zeitmultiplexbe¬ trieb an die Regelstrecken (RS1, RS2, ..., RSn) geschal¬ tet wird. Regelkreis nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Ausgang eines ersten Multiplex¬ ers (MUX1) mit dem ersten Eingang (E1) des FuzzyReglers (FR) verbunden ist, dessen Ausgang mit dem Eingang eines Demultiplexers (DEMUX) verbunden ist, daß jeder Ausgang des Demultiplexers (DEMUX) mit dem Eingang je einer Re¬ gelstrecke (RS1, RS2, ..., RSn) verbunden ist und daß der Ausgang jeder Regelstrecke (RS1, RS2, ..., RSn) mit je einem Eingang des ersten ultiplexers (MUX1) verbun¬ den ist. |
| 2. | Regelkreis nach Anspruch. |
| 3. | oder 3, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t, daß der Ausgang eines ersten Multiplexers (MUX1) mit dem ersten Eingang (E1) des FuzzyReglers (RF) verbunden ist, dessen Ausgang mit dem Eingang eines Demultiplexers (DEMUX) verbunden ist, daß jeder Ausgang des Demultiplexers (DEMUX) mit dem Eingang je eines Di gi ta lAna logWand lers (DA1, DA2, ..., DAn) verbunden ist, daß auf jeden Di gi ta lAna logWand ler (DA1, DA2, ..., DAn) eine Regelstrecke (RS1, RS2, , RSn) folgt, daß auf jede Regelstrecke (RS1, RS2, ..., RSn) ein Ana logDig ta LWandLer (AD11, AD12, AD1n) folgt und daß die Ausgänge der AnalogDigitalWandler CAD11, AD12, .. |
| 4. | , AD1n) mit den Eingängen des ersten Mul¬ tiplexers (MUX1) verbunden sind. |
| 5. | Regelkreis nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t, daß der Ausgang jeder Regelstrecke CRS1, RS2, ..., RSn) mit dem Eingang je eines Differen ∑iergliedes CD1, D2, ..., Dn) verbunden ist, daß der Aus¬ gang jedes Differenziergli edes CD1, D2, ..., Dn) mit je einem Eingang eines Ana LogDigi a lWand Lers (AD21, AD22, ..., AD2n) verbunden ist und daß die Ausgänge der Analog DigitalWandler (AD21, AD22, ..., AD2n) mit den Eingän¬ gen eines zweiten DemuLitpLexers (DEMUX 2) verbunden sind, dessen Ausgang mit dem zweiten Eingang (E2) des FuzzyReglers (FR) verbunden ist. |
| 6. | Regelkreis nach Anspruch 2, 3, 4 oder 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß im FuzzyRegler (FR) in einer Wertetabelle die digitalen Regelwerte für die ein¬ zelnen Regelstrecken (RS1, RS2, ... RSn) gespeichert sind. |
| 7. | Regelkreis nach Anspruch 2, 3, 4, 5 oder 6, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Fuzzy Regler CFR) für den Fokusregelkreis und den SpurregeL kreis eines optischen Wiedergabegerätes oder eines ma gnetoopt sehen Aufzei chnungs und Wiedergabegerätes voi— gesehen ist, um den die Daten eines p Lattenförmigen Auf¬ zeichnungsträgers abtastenden Lichtstrahl auf den Auf¬ ze chnungsträger zu fokussieren und entlang den Datenspu¬ ren des Aufzeichnungsträger zu führen. |
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rege lverfa h ren und ei¬ nen Regelkreis, der nach der unscharfen Logi k regelt.
In "der e lekt roni ker", Nr. 3, 1990 ist auf Seite 39 - 43 ein Aufsatz von Günter Trautzl mit dem Titel "Unscharfe Log k: Fuzzy Logic" ersch enen.
Für den Begriff "unscharfe Logik" sind neben der Bezeichnung Fuzzy Logic noch die Namen Ru le-Base-Syste , a bivalente Lo¬ gik und mehrwertige Log k gebräuchlich.
Die unscharfe Logik wurde bereits 1965 entwickelt, um auch nicht genaue und unvollständige Datensätze verarbeiten zu kön¬ nen. Zu diesem Zweck wird mit Hi lfe einer Zugehörigkeitsfunk¬ tion, die häufig als Membe rsh p-Funct i on bezeichnet w rd, aus einer Wertetabelle z.B. das Regelsignal für einen Regelkreis gewonnen .
In der genannten Literaturstelle i st dieses Rege Ive rfa h ren am Beispiel eines Wagens erläutert, auf dem ein Stab mit einer Masse in Bewegungs ri chtung des Wagens kippbar befestigt ist. Der Wagen wird vom Regelkreis so in waagerechter Richtung be¬ wegt, daß der Stab mit der Masse nicht umfällt, sondern ausba¬ lanciert wird. Mit anderen Worten ausgedrückt heißt dies, daß der Wagen die Balancierkunst eines Akrobaten nachahmt, der versucht, e nen Stab in der hohlen Hand zu balancieren.
Die Lage des Stabes wi rd durch seine Winkelgeschwindigkeit und den Auslenkwinkel beschrieben, welche die Eingangsvaria¬ blen des Reglers darstellen. Die Ausgangsvariable ist die Ge ¬ schwindigkeit des Wagens.
In der genannten Literaturstelle ist auf Seite 41 dieser Re¬ gelkreis mit folgenden Worten beschrieben:
"Der Ansatz mittels Fuzzy Logic ist folgender: Das System hat die zwei E ngangsvari ablen Winkel θ und Winkelgeschwind gkeit . und eine Ausgangsvariable Geschw nd gkeit v. Zunächst faßt man alle Eingangs- und Ausgangsvariablen wertemäßig in Grup¬ pen zusammen und gibt auch hierfür die Zugehöπ"gkeitsfunktion an. Zum Beispiel teilt man den Winkel in die Werte groß-posi¬ tiv, mittel-pos tiv, klein-pos t v, null, klein-negativ, mit- tel-negativ, groß-negativ. Dabei sollen mit groß alle Winkel von 20 bis 90 Grad (t eoretische Grenze) gemeint sein, mit ittel alle Winkel zwischen 5 und 25 Grad, mit klein alle Win¬ kel zwischen 0 und 10 Grad, als null lasse man alle Werte zwi¬ schen -0,5 Grad und +0,5 Grad zu. Die Membership-Funktion für groß liege be spielsweise so, daß alle Werte über 45 Grad den Zugehörigkeitsfaktor 1 haben, die Zugehörigkeit dann aber ab¬ fällt, um bei 20 Grad bei 0,005 zu liegen. Auf ähnliche Art wird der Wertebereich von Oύ und von v definiert. Auf diese Weise erhält man eine Zuordnung der Systemvariablen zur Mem¬ bership-Funktion.
Der zweite Teil des Lösungsansatzes besteht darin, daß jetzt ein System von Regeln in folgender Form aufgestellt wird:
1. Regel: Wenn Θ null ist und c null ist, dann ist v gleich nu11.
2. Regel: Wenn θ null ist und α> pos tiv-klein ist, dann ist v gleich posit v-klein.
3. Regel: Wenn & positiv-klein ist und null ist, dann ist v gleich pos tiv-klein.
4. Regel: Wenn θ null ist und Co negativ-klein ist, dann ist v gleich negati -klein
und so weiter. Durch solch ein Feld von groben, ungefähren Re¬ geln (meist Erfahrungswerte) kann das gesamte System beschrie¬ ben werden."
Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Regelverfahren und ei¬ nen Regelkreis, der nach der unscharfen Logi k regelt, so zu gestalten, daß die wichtigsten Forderungen an einen Regel¬ kre s - Genauigke t, Stabi l tät und Schnell gkeit - m t mög¬ li chst geringem Aufwand erfüllt werden.
Bei einem Verfahren gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 wi rd diese Aufgabe dadurch gelöst, daß mehrere Regelstrecken von nur einem einzigen Fuzzy-Regler bedient werden, der Zeit¬ multiplexbetrieb an die Regelstrecken geschaltet wi rd.
Bei einem Regelkreis gemäß Anspruch 2 wird diese Aufgabe eben¬ falls dadurch gelöst, daß mehrere Regelstrecken von nur einem einzigen Fuzzy-Regler bedient werden, der im Zeitmultiplexbe¬ trieb an die Regelstrecken geschaltet wi rd.
Es ze gen
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fiugr 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fiugr 3 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Figur 4 ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung für einen Spur- und einen Fokusregelkreis.
Es wird nun das in Figur 1 abgebi ldete erste Ausführungsbei¬ spiel der Erfindung zuerst beschrieben und anschließend in seiner Funktion erläutert.
Der Ausgang eines Multiplexers MUX1 ist mit dem Eingang E1 ei¬ nes Fuzzy-RegLers FR verbunden, dessen Ausgang mit dem Ein¬ gang eines DemuLtip lexers DEMUX verbunden ist. Jeder Ausgang des DemultipLexers DEMUX ist mit dem Eingang je einer Regel¬ strecke RS1 bis RSn verbunden. Der Ausgang jeder Regelstrecke RS1 bis RSn ist mit je einem Eingang des Multiplexers MUX1 verbunden.
Während des Regelbetriebs werden die Stellsignale für die ein¬ zelnen Regels recken RS1 bis RSn am Ausgang des Fuzzy-Reglers FR mittels des Demu ltip Lexers DEMUX auf die zugehörigen Regel¬ strecken verteilt. Mittels des Multiplexers MUX1 wird die Re¬ geldifferenz am Ausgang jeder Regelstrecke RS1 bis RSn an den Eingang E1 des Multiplexers MUX1 weitergeleitet.
Es w rd nun das in Figur 2 abgeb ldete zweite Ausführungsbei- spiel der Erfindung zuerst beschrieben und anschließend in seiner Funktion erläutert.
Der Ausgang eines Multiplexers MUX1 st mit dem Eingang E1 ei¬ nes Fuzzy-Reglers FR verbunden, dessen Ausgang mit dem Ein¬ gang eines DemuLtip lexers DEMUX verbunden ist. Jeder Ausgang des DemuLtiplexers DEMUX ist mit dem Eingang je eines Digital- Ana log-Wandlers DA1 bis DAn verbunden. Der Ausgang eines je¬ den DigitaL-Ana Log-Wandlers DA1 bis DAn ist mit dem Eingang je einer Regelstrecke RS1 bis RSn verbunden. Der Ausgang je¬ der Regelstrecke RS1 bis RSn ist mit dem Eingang je eines Ana- Log-Digita l-Wandlers AD11 bis AD n verbunden. Die Ausgänge der Analog-DigitaL-Wandler AD11 bis ADln sind mit den Eingän¬ gen des MultipLexers MUX1 verbunden. Die Ausgänge eines Takt¬ generators TG sind mit den Takteingängen des DemultipLexers DEMUX, des Multiplexers MUX1, der Digita L-Ana Log-Wand Ler DA1 bis DA1n und der AnaLog-Dig tal-WandLer AD11 bis AD1n verbun¬ den.
Während des RegeLbetri ebs werden die Ana Log-Digita L-WandLer AD11 bis AD n, die Digita L-AnaLog-WandLer DA1 bis DAn sowie
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der Demu lt i p lex e r DEMUX und der Multiplexer MUX1 vom Takt des Taktgenerators TG synchronis ert, damit die Stellsignale für die einzelnen Regelstrecken RS1 bis RSn am Ausgang des Fuzzy- Reglers FR an die zugehörige Regelstrecke we tergeleitet wer¬ den .
Der wesentliche Vortei l der Erfindung liegt nun darin, daß mehrere Regelkreise von nur einem einzigen Fuzzy-Regler be¬ dient werden, der im Zeitmultiplexbetrieb an die einzelnen Re¬ gelstrecken geschaltet wird. Nach der konventioneller, Regel¬ technik wäre für jeden Regelkreis ein Regler erforderlich, der außerdem in jedem Regelkreis optimiert werden müßte.
Gemäß der Erf ndung erhält der Fuzzy-Regler FR im Zeitmulti¬ plexbetrieb von jeder Regelstrecke RS1 bis RSn die Regeld ffe¬ renz vom Multiplexer MUX1 geliefert. Im Fuzzy-Regler FR wird der zu jeder Regeldifferenz erforderliche digitale Regelwert aus der Wertetabelle gemäß der Zugehörigkeitsfunktion erzeugt und über den Ausgang des Fuzzy-Reg lers FR an den Eingang des DemuLtiplexers DEMUX gegeben, der die digitalen Regelwerte an die einzelnen Di g ta L-Ana log-Wand l e r DA1 bis DAn abgibt. Von den Di gi ta l-Ana log-Wand lern DA1 bis DAn gelangen nun analoge Stells gnale auf die einzelnen Regelstrecken RS1 bis RSn.
In der Figur 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel gezeigt, das gegenüber dem zweiten Ausführungsbeispiel aus Figur 2 durch einen zweiten Multiplexer MUX2, weitere Analog-Digital- Wandler AD21 bis AD2n und fferenzierglieder 1 bis Dn er¬ gänzt i st .
Der Ausgang jeder Regelstrecke RS1 bis RSn ist mit dem Ein ¬ gang je ei es Differenziergliedes D1 bis Dn verbunden. Der Ausgang jedes Differenziergliedes D1 bis Dn ist mit dem Ein¬ gang je eines Ana log-Digi ta l-Wand le rs AD21 bis AD2n verbun¬ den. Die Ausgänge der Ana log- i gi ta l-Wand l e r AD21 bis AD2n sind mit den Eingängen des Multiplexers MUX2 verbunden, des¬ sen Ausgang mit dem zweiten Eingang E2 des Fuzzy-Reglers FR
verbunden ist. Der Taktgenerator TG ist mit den Takteingängen der Ana Log-Digita l-WandLer AD21 bis AD2n verbunden.
Im Fuzzy-RegLer FR wird mittels der Zugehörigkeitsfunk ion aus der Regeldifferenz, die am Ausgang des Multiplexers MUX1 abnehmbar ist, und der differenzierten Regeldifferenz, die am Ausgang des Multiplexers MUX2 abnehmbar ist, das Stellsignal aus der WertetabelLe ermittelt.
Wenn die einzelnen Regelstrecken RS1 bis RSn nicht zu untei— schiedlich sind, können die D gita L-Ana log-Wand ler DA1 bis DAn zwischen den Ausgängen des Demu Ltip lexers DEMUX und den Regelstrecken RS1 bis RSn durch einen D g ta l-Ana Log-Wandler zwischen dem Ausgang des Fuzzy-RegLers FR und dem Eingang des DemuLtipLexers DEMUX ersetzt werden. Ebenso Lassen sich die AnaLog-Digita L-Wandler AD11 bis ADln sowie AD21 bis AD2n durch je einen Ana Log-Digita l-WandLer zwischen dem Ausgang des MultipLexerx MUX1 und dem Fuzzy-Regler FR sowie zwischen dem Multiplexer MUX2 und dem Fuzzy-RegLer FR ersetzen.
In der Figur 4 ist ein viertes AusführungsbeispieL darge¬ stellt. Es handelt sich um den Fokus- und den Spurregelkreis eines optischen Wiedergabegerätes oder eines magneto-opti- sehen Aufnahme- und W edergabegerätes.
In einem optischen Wiedergabegerät, z.B. in einem CD-Spieler, wird ein Lichtstrahl von einem Fokusregelkreis auf den Auf¬ zeichnungsträger, die sogenannte Kompaktplatte, fokuεsiert und von einem Spurregelkreis entlang den spiralförmigen Daten¬ spuren der Kompaktplatte geführt.
Es wird nun der Aufbau des in Figur 3 gezeigten Fokus- und SpurregeLkrei ses beschrieben.
Der Ausgang eines Fuzzy-Reg lers FR ist mit dem Eingang eines DemuLi pLexers DEMUX verbunden, dessen erster Ausgang mit dem Eingang eines Digita L-Ana log-WandLers DA1 verbunden ist und
dessen zweiter Ausgang mit dem Eingang eines Digital-Analog- andlers DA2 verbunden ist. Der Ausgang des Dig ta l-Ana log- Wandlers DAI ist über einen Verstärker V1 mit den Eingang der Regelstrecke RS1 verbunden, deren Ausgang mit dem Eingang ei¬ nes Verstärkers V2 verbunden ist. Der Ausgang des Digital-Ana- log-Wandlers DA2 ist mit dem Eingang eines Verstärkers V3 ver¬ bunden, dessen Ausgang mit dem Eingang der Regelstrecke RS2 verbunden ist. Der Ausgang der Regelstrecke RS2 ist mit dem Eingang eines Verstärkers V4 verbunden, dessen Ausgang mit dem Eingang eines Analog-Digital-Wandlers AD12 verbunden ist. Der Ausgang des Verstärkers V2 ist mit dem Eingang eines Ana¬ log-Digital-Wandlers AD11 verbunden. Die Ausgänge der beiden Analog- igital-Wandler AD11 und AD12 sind mit den Eingängen eines ultiplexers MUX1 verbunden, dessen Ausgang mit dem er¬ sten Eingang E1 des Fuzzy-Reglers FR verbunden st. Der Aus¬ gang der Regelstrecke RS1 ist außerdem mit dem Eingang eines ersten D fferenziergliedes D1 verbunden, dessen Ausgang mit dem Eingang eines Verstärkers V5 verbunden ist. Der Ausgang der Regelstrecke RS2 ist mit dem Eingang eines Differen∑ier- gLiedes D2 verbunden, dessen Ausgang mit dem Eingang eines Verstärkers V6 verbunden ist. Der Ausgang des Verstärkers V5 ist mit dem Eingang eines Analog-D gital-Wandlers AD21 verbun¬ den, dessen Ausgang mit dem ersten Eingang e nes Multiplexers MUX2 verbunden ist. Der Ausgang des Verstärkers V6 ist mit dem Eingang eines Analog-Digital-Wandlers AD22 verbunden, des¬ sen Ausgang mit dem zweiten Eingang des Multiplexers MUX2 ver¬ bunden ist. Der Ausgang des Multiplexers MUX2 ist mit dem zweiten Eingang E2 des Fuzzy-Reglers verbunden. Ein Taktgene¬ rator TG liefert den Takt für αen Demu lt i p lexe r DEMUX, die Multiplexer MUX1 und MUX2, die Di gi ta l-Ana log-Wand l e r DA11, DA12, die Analog-Digital-Wandler AD11, AD12, AD21 und AD22.
Die Regelstrecke RS1 ist die Fokus rege Ist rec e, während die Regelstrecke RS2 die Spurrege lst rec ke darstellt. Die Verstär¬ ker V1 bis V6 dienen der Pegelanpassung. Zu jedem Fokusfehler¬ signal FE, das die Fokusregelstrecke RS1 abgibt, sucht der Fuzzy-Regler mit Hi lfe des differenzierten Fokusfehlersignal-
es den zugehörigen Stellwert aus der Wertetabelle. Ebenso sucht der Fuzzy-Regler FR zu jedem Spurfehlersignal TE am Aus¬ gang der Spurregelstrecke RS2 mit Hilfe des differenz erten Spurfeh lersigna Les den zugehörigen Stellwert aus der Werteta¬ belle. Es erhalten daher im Ze tmultipLexbetrieb abwechselnd die FokusregeLstrecke und die SpurregeIstrecke ein Stellsi- gna L.
Die Erfindung ist aber keineswegs auf die Servokreise - den Fokus- und den Spurregelkreis - eines CD-Spielers beschränkt, sondern erstreckt sich auf das gesamte Gebiet der Regelungs¬ technik. Die Erfindung Läßt sich z.B. in vorteilhafter Weise in dem bekannten Anitb lock ersystem für Fahrzeuge, allgemein in der chemischen Verfahrenstechni , z.B. in Abgasentgi ftungs- anlagen einsetzen.
* Zusammenfassend seien nochmals die wesentlichen Vorteile der Erfindung aufgezählt: Einsparen von Reglern, einfache, da ein¬ malige Optimierung, universelle Einsetzbarkeit in der Rege¬ lungstechn k, keine Justierung der Regelverstärkung, weitge¬ hende Unabhängigkeit von Alterung der Bauteile und keine Drift der RegLerparameter infolge von TemperaturSchwankungen.