Ziel dieser Arbeit ist es zunächst die Grundlagen von Fuzzy-Controllern zu erarbeiten und zu beschreiben. Dies soll anhand eines praktischen Beispiels näher betrachtet werden. Abschließend gilt es, die Vor- und Nachteile von Fuzzy-Controller-Systemen gegenüber solchen ohne eine solche Regelung herauszustellen.
Nach dem einleitenden ersten Kapitel folgen in Kapitel 2 die Definition und die Abgrenzung wesentlicher Begriffe, die für das Verständnis dieser Arbeit notwendig sind.
Das dritte Kapitel stellt, basierend auf den zuvor erarbeiteten Grundlagen, das prakti-sche Beispiel dar und leitet zum Abschluss auf das vierte Kapitel über, das die Vor- und Nachteile von Fuzzy-Controllern gegenüber regelbasierten Systemen ohne Fuzzy-Logik näher beleuchtet.
Die Ausarbeitung endet mit dem fünften Kapitel mit einer Zusammenfassung und einer kritischen Reflexion.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1.1. Zielsetzung
1.2. Aufbau der Arbeit
2. Grundlagen und Begriffseingrenzungen
2.1. Der Fuzzy-Controller
2.2. Die Fuzzifizierung
2.3. Inferenzverfahren und Regelbasis
2.4. Die Defuzzifizierung
3. Darstellung der Funktionsweise einer Fuzzy-Regelung anhand eines Beispiels
3.1. Beschreibung des Beispiels und Definition der Variablen
3.2. Verarbeitungsschritt: Fuzzifizierung
3.3. Verarbeitungsschritt: Regelaufstellung und Inferenz
4. Vor- und Nachteile des Fuzzy Controllers
5. Zusammenfassung und kritische Reflexion
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Arbeit besteht darin, die theoretischen Grundlagen von Fuzzy-Controllern zu erläutern und deren Funktionsweise anhand eines praktischen Anwendungsbeispiels zur Raumtemperaturregelung zu demonstrieren sowie die Vor- und Nachteile dieser Technologie kritisch zu bewerten.
- Grundlagen der Fuzzy-Logik und Fuzzy-Controller
- Prozessschritte der Fuzzy-Regelung: Fuzzifizierung, Inferenz und Defuzzifizierung
- Praktische Anwendung am Beispiel einer Klimaanlagensteuerung
- Methoden der Defuzzifizierung (MoM und CoM)
- Diskussion der Einsatzmöglichkeiten sowie technischer Stärken und Schwächen
Auszug aus dem Buch
2.1. Der Fuzzy-Controller
Regler in Form eines Fuzzy-Systems lassen sich dann einsetzen, wenn Abhängigkeiten zwischen Eingangs- und Stellgrößen nicht in Form eines mathematischen Modells vorliegen, sondern über Beobachtungen und Erfahrungen bspw. von Experten beschrieben werden. Diese können die Handlungsweise eines solchen komplexen Systems zwar beschreiben, nicht aber in mathematische Modelle bringen. Ein Fuzzy-Controller macht aus unterschiedlichen Eingangsdaten eine Ausgangsgröße, die dann die Regelstrecke steuert. Für scharfe physikalische Eingangsgrößen wird ein Regelalgorithmus zum Einsatz gebracht, der diese Eingangsgrößen in eine definierte Stellgröße umwandelt.
Von außen betrachtet arbeiten Fuzzy-Controller mit scharfen Eingangsgrößen und geben auch scharfe Ausgangsgrößen aus. Die Unschärfe bezieht sich lediglich auf die Arbeitsweise innerhalb des Controllers. Hierbei wird nicht nur eine binäre Logik, sondern eine vielwertige Logik betrachtet.
Als Beispiel kann hier auf das spätere Anwendungsbeispiel vorgegriffen werden. Die Leistung einer Klimaanlage, die die Raumtemperatur regelt, wird nicht nur mit den Paramater-Werten „volle Kühlstufe“ oder „volle Heizstufe“ angegeben, welches dann genau einem binären System entsprechen würde. Weitere Zwischenstufen sowie die Möglichkeit die Klimaanlage „aus“ zu schalten sind denkbar und auch üblich. Dies wäre der Beginn der Definition von Zwischenschritten. Es existieren beliebig viele Zwischenzustände, welche sich in den gewünschten Werten der Temperaturregelung ausdrücken.
Da die Regeln von Experten stammen und in Form linguistischer Regelstrategien dargestellt werden, werden Fuzzy-Systeme als ein wissensbasiertes System verstanden. Die nachfolgende Abbildung 1 stellt den Fuzzy-Regelkreis bildlich dar.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Dieses Kapitel motiviert die Notwendigkeit von Fuzzy-Logik als Antwort auf die Grenzen binärer Logik und definiert das Ziel sowie den Aufbau der Arbeit.
2. Grundlagen und Begriffseingrenzungen: Hier werden die theoretischen Basisbegriffe eines Fuzzy-Controllers sowie die Prozessschritte Fuzzifizierung, Inferenzverfahren und Defuzzifizierung eingeführt.
3. Darstellung der Funktionsweise einer Fuzzy-Regelung anhand eines Beispiels: Das Kapitel veranschaulicht die theoretischen Konzepte an einem praktischen Fall einer Raumtemperaturregelung inklusive der mathematischen Umsetzung der Regelmatrix.
4. Vor- und Nachteile des Fuzzy Controllers: Es erfolgt eine Gegenüberstellung von Fuzzy-Systemen zu konventionellen regelbasierten Systemen unter Berücksichtigung von Praxiseignung und Modellierungsaufwand.
5. Zusammenfassung und kritische Reflexion: Dieses Kapitel fasst die Ergebnisse zusammen und bewertet die Eignung der Technologie sowie mögliche Erweiterungen wie Neuro-Fuzzy-Systeme.
Schlüsselwörter
Fuzzy-Logik, Fuzzy-Controller, Fuzzifizierung, Defuzzifizierung, Regelbasis, Inferenzverfahren, Wissensbasierte Systeme, Raumtemperaturregelung, Linguistische Variable, Zugehörigkeitsfunktion, MoM-Methode, CoM-Methode, Regelungstechnik, Prozesssteuerung, Unscharfe Mengen.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit den Grundlagen von Fuzzy-Controllern und deren praktischer Anwendung in der Regelungstechnik.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen sind die mathematische Modellierung unscharfer Informationen, die Logik hinter Fuzzy-Regelsystemen und die Implementierung von Entscheidungsstrategien in technischen Systemen.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist es, die Funktionsweise von Fuzzy-Controllern zu erklären und deren Vor- sowie Nachteile im Vergleich zu klassischen, exakten Regelsystemen darzulegen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit nutzt die theoretische Beschreibung der Fuzzy-Logik sowie eine exemplarische Fallstudie (Simulation) zur mathematischen Herleitung einer Regelung.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Im Hauptteil werden die einzelnen Phasen der Fuzzy-Regelung – Fuzzifizierung, Inferenz und Defuzzifizierung – theoretisch erläutert und anhand eines Klimaanlagen-Beispiels konkret nachgerechnet.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Schlüsselbegriffe sind Fuzzy-Logik, Regelbasis, Defuzzifizierung (MoM/CoM) und linguistische Variablen.
Wie erfolgt die Bestimmung der scharfen Ausgangsgröße im Beispiel?
Die Arbeit wendet hierfür zwei spezifische Methoden an: die Mean-of-Maximum (MoM) Methode und die Center-of-Maximum (CoM) Methode.
Warum wird im Anhang eine grafische Auswertung der Regeln vorgenommen?
Die Grafiken im Anhang dienen dazu, die Implikationsschritte der verschiedenen Regeln visuell nachvollziehbar zu machen und die Berechnung der Ausgangsgröße durch Einzeichnen der Zugehörigkeitsfunktionen zu verdeutlichen.
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- Dipl. Kfm. Holger Schmid (Author), 2017, Fuzzy Controller. Grundlagen, Funktionsweise, Vor- und Nachteile, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/377862
