JP7302938B2 - システム設計装置とその方法 - Google Patents
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Description
システムの構成要素を、入力信号を処理するための処理要素と、当該処理要素が処理する際に用いるパラメータのとりうる範囲を規定したパラメータ要素とに分け、複数種類の処理要素と複数種類のパラメータ要素とを記憶する記憶手段と、
各々任意に選択した処理要素とパラメータ要素とを組み合わせて構成要素を作成するとともに、それらの構成要素を組み合わせてシステム個体を生成するシステム個体生成手段と、
システム個体生成手段により生成された複数種類のシステム個体に対して、各々入力信号を処理する演算手段と、
演算手段の処理結果として出力された出力信号を評価する評価手段と、
評価手段による出力信号の評価に基づいて、システム個体を構成する構成要素を最適化する要素最適化手段と、を含むことを特徴とする。
システムの構成要素を、入力信号を処理するための処理要素と、当該処理要素が処理する際に用いるパラメータのとりうる範囲を規定したパラメータ要素とに分け、複数種類の処理要素とパラメータ要素とをあらかじめ設定しておき、
各々任意に選択した処理要素とパラメータ要素とを組み合わせて構成要素を作成するとともに、それらの構成要素を組み合わせてシステム個体を生成し、
複数種類のシステム個体を生成し、当該複数種類のシステム個体に対して、各々入力信号を処理し、その処理結果として出力された出力信号を評価し、当該出力信号の評価に基づいて当該システム個体を構成する構成要素を最適化することを特徴とする。
さらに、設計されたシステムは、その構成要素が明確であって入力信号に対する処理の過程を把握できるので、その解析も容易である。
当該システム個体を構成する各構成要素を格子状に配置するとともに、当該各構成要素に含まれる処理要素の機能に応じて、当該各構成要素に入力信号を伝達して行くことで、当該各構成要素による信号処理を実行し、
その処理結果として出力された出力信号を評価し、
当該出力信号の評価に基づいて当該システム個体を構成する前記構成要素を最適化する方法とすることもできる。
最適化された構成要素に、新たに作成した構成要素を追加して、複数種類のシステム個体を生成し、当該複数種類のシステム個体に対して、各々入力信号を処理し、その処理結果として出力された出力信号を評価し、当該出力信号の評価に基づいて当該システム個体に含まれる新たに追加した構成要素を最適化する追加適正化ステップと、を含む方法とすることもできる。
遺伝的アルゴリズムを用いて、システム個体の出力信号を評価し、当該出力信号の評価に基づいてシステム個体を構成する構成要素を最適化する方法とすることができる。
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図1は本発明の第1実施形態に係るシステム設計装置の概略構成を示すブロック図である。
システム設計装置は、記憶手段100、システム初期個体作成手段(システム個体生成手段)101、演算手段102、評価手段103、要素最適化手段104の各構成部を備えている。
しかし、任意のシステムがフックの法則に従うか否か不明の場合は、システムに使用される処理要素が不明である。本発明では、処理要素が不明なシステムから自動的にシステムを設計できるようにするために、システムに使用される可能性のある処理要素11(kX、k/X、cosX等々)と、パラメータkのとりうる範囲(パラメータ要素12)とが記憶手段100に記憶されている。
これらの図に示す具体例では、処理要素11を回路要素と演算要素とに区分して各種取り揃えている。回路要素は、信号の伝送経路を構成する経路要素である。図2に示す処理要素11は、複数の方向からの信号を重畳して入力できる構成となっている。一方、図3に示す処理要素11は、一方向からの信号のみを入力する構成となっている。
システム初期個体作成手段101は、次の手順で初期のシステム個体を生成する。まず、記憶手段100に記憶してある処理要素11とパラメータ要素12を任意に選択し、それら選択した処理要素11とパラメータ要素12とを組み合わせることで、一つの構成要素10を作成する。これを繰り返して、複数種類の構成要素10を作成する。
図5(a)(b)は入力端子部分の設計例を示す図であり、同図(c)(d)(e)は出力端子部分の設計例を示す図である。
入力端子14に関しては、同図(a)に示すように、一つの入力端子14から信号を入力する構成にすることもでき、また同図(b)に示すように、すべての入力端子14からそれぞれ信号を入力する構成にすることもできる。
また、出力端子15に関しても、同図(c)に示すように、一つの出力端子15から信号を出力する構成のほか、同図(d)に示すように、すべての出力端子15からの信号を重畳して出力したり、同図(e)に示すように、すべての出力端子15からそれぞれ信号を出力する構成にすることもできる。なお、図5に示したこれらの設計例は単なる例示であり、これら以外の構成にしてもよいことは勿論である。
本実施形態では、図4に示したように、格子状に構成要素10を配置した構成のシステム個体13に対して、各構成要素10に含まれる処理要素11の機能に応じて、各構成要素10に入力信号を伝達して行くことで、各構成要素10による演算処理を逐次実行していくので、迅速な処理を実現することができる。
例えば、出力信号の真値との差の大きさに応じて評価レベルを設定し、システム個体13からの出力信号がどの評価レベルに該当するかをもって評価の結果とすることができる。また、評価手段103は、入出力の関係性の評価のみならず、外乱応答や目標値追従特性などのさまざまな指標を基に評価することもできる。
ここで、構成要素10(処理要素11およびパラメータ要素12)が遺伝的アルゴリズムで定義される遺伝子20に、システム個体13が遺伝的アルゴリズムで定義される個体21にそれぞれ相当する。
個体21に対する遺伝子操作による最適化の態様としては、例えば、選択、交叉、突然変異などがある。図6(b)は交叉の一例を示しており、2つの個体の一部を互いに組み替えている。また、図6(c)は突然変異の一例を示しており、個体を構成する一部の遺伝子20を別の遺伝子20に変更している。
図8は本発明の第2実施形態に係るシステム設計装置を示す図、図9は同実施形態に係るシステム設計方法を説明するための図である。
なお、図8において先に示した図1と同一又は相当する手段には同じ符号を付し、同手段の詳細な説明は省略する。
このような手順で第1の階層13aの構成要素10aで構成されたシステム個体13を設計する。
具体的には、図7に示す入力部203からユーザの知識や意思に基づく指令やデータなどを入力し、その入力をシステム設計に反映させることができる。
次に、上述した第2実施形態に係るシステム設計方法を用いて、粉体充填機の摩擦補償器に関するシステムを設計するための具体例について、図10~図15を参照して説明する。
図10に示すように、粉体充填機は、ホッパ301と称する漏斗状の貯留部に粉体を貯留しておき、モータ302の回転駆動力をもってオーガスクリュー303を回転することにより、ホッパ301の粉体がファネルチューブ304の中空部内を下方に運ばれて行き、ファネルチューブ304の下端開口部から排出され、その下方に配置した包装袋に充填される構成となっている。また、ホッパ301内には、アジテータ305と称する撹拌部材が設けてあり、モータ302の回転駆動力をもってこのアジテータ305が回転してホッパ301内の粉体を撹拌することにより、粉体が円滑にファネルチューブ304へと導かれるようにしている。
まず、図11に示すように、構成要素10を組み合わせて複数種類のシステム初期個体13-1~13-Nを生成する(ステップ1)。これらのシステム初期個体13-1~13-Nは、例えば、図2に示した処理要素からモータの回転速度(角度速度)に影響を与える基本的な静止摩擦トルクと粘性摩擦トルクを除去するための処理要素11に着目して適宜構成要素10を作成し、それらの構成要素10を組み合わせて生成すればよい。
このステップ1の処理は、図8に示すシステム初期個体作成手段101によって実行される。
そして、各々のシステム初期個体13-1~13-Nに対して、入力信号を演算処理し、処理結果として出力された出力信号を評価する(ステップ3)。続いて、各システム初期個体13-1~13-Nに対する評価を基に、遺伝的アルゴリズムによりシステム個体の構成要素を最適化する(ステップ4)。
上述したステップ2~4の処理は、図8の演算手段102、評価手段103および要素最適化手段104によって実行される。
このステップ5の処理は、図8に示す構成要素追加手段105によって処理される。
すなわち、最適化されたシステム個体を構成する格子状に配置された構成要素群の最下行に、構成要素追加手段105が別の新たな構成要素群を追加し(ステップ5)、当該システム個体に対して、演算手段102が入力信号を演算処理し、評価手段103が処理結果として出力された出力信号を評価し(ステップ6)、さらに要素最適化手段104が当該システム個体に対する評価を基に、遺伝的アルゴリズムによりシステム個体の構成要素を最適化する(ステップ7)。
例えば、要素最適化手段104による最適化の手法としては、遺伝的アルゴリズム以外の手法を用いることも可能である。
また、追加適正化ステップにおいては、格子状に配置される「行」に新たな構成要素を追加するのみならず、「列」に新たな構成要素を追加して最適化することもできる。
さらに、システム個体を構成する各構成要素を行と列の2次元に配置するのみならず、多次元に配置して最適化することもできる。
20:遺伝子、21:個体、
100:記憶手段、101:システム初期個体作成手段、102:演算手段、103:評価手段、104:要素最適化手段、105:構成要素追加手段、
200:中央処理部、201:RAM、202:記憶部、203:入力部、204:表示部、
301:ホッパ、302:モータ、303:オーガスクリュー、304:ファネルチューブ、305:アジテータ
Claims (5)
- 入力信号を処理しその処理結果を出力信号として出力するシステムを設計するシステム設計装置であって、
前記システムの構成要素を、前記入力信号を処理するための処理要素と、当該処理要素が処理する際に用いるパラメータのとりうる範囲を規定したパラメータ要素とに分け、複数種類の前記処理要素と複数種類の前記パラメータ要素とを記憶する記憶手段と、
各々任意に選択した前記処理要素と前記パラメータ要素とを組み合わせて前記構成要素を作成するとともに、それらの構成要素を組み合わせてシステム個体を生成するシステム個体生成手段と、
前記システム個体生成手段により生成された複数種類のシステム個体に対して、各々入力信号を処理する演算手段と、
前記演算手段の処理結果として出力された出力信号を評価する評価手段と、
前記評価手段による出力信号の評価に基づいて、前記システム個体を構成する前記構成要素を最適化する要素最適化手段と、
を含むことを特徴とするシステム設計装置。 - 入力信号を処理しその処理結果を出力信号として出力するシステムを、設計するシステム設計方法であって、
前記システムの構成要素を、前記入力信号を処理するための処理要素と、当該処理要素が処理する際に用いるパラメータのとりうる範囲を規定したパラメータ要素とに分け、複数種類の前記処理要素と前記パラメータ要素とをあらかじめ設定しておき、
各々任意に選択した前記処理要素と前記パラメータ要素とを組み合わせて前記構成要素を作成するとともに、それらの構成要素を組み合わせてシステム個体を生成し、
複数種類の前記システム個体を生成し、当該複数種類のシステム個体に対して、各々入力信号を処理し、その処理結果として出力された出力信号を評価し、当該出力信号の評価に基づいて当該システム個体を構成する前記構成要素を最適化することを特徴とするシステム設計方法。 - 前記生成されたシステム個体に対して、
当該システム個体を構成する前記各構成要素を格子状に配置するとともに、当該各構成要素に含まれる前記処理要素の機能に応じて、当該各構成要素に前記入力信号を伝達して行くことで、当該各構成要素による信号処理を実行し、
その処理結果として出力された前記出力信号を評価し、
当該出力信号の評価に基づいて当該システム個体を構成する前記構成要素を最適化することを特徴とする請求項2に記載のシステム設計方法。 - 複数種類の前記システム個体を生成し、当該複数種類のシステム個体に対して、各々入力信号を処理し、その処理結果として出力された出力信号を評価し、当該出力信号の評価に基づいて当該システム個体を構成する前記構成要素を最適化する初期適正化ステップと、
前記最適化された構成要素に、新たに作成した前記構成要素を追加して、複数種類の前記システム個体を生成し、当該複数種類のシステム個体に対して、各々入力信号を処理し、その処理結果として出力された出力信号を評価し、当該出力信号の評価に基づいて当該システム個体に含まれる前記新たに追加した構成要素を最適化する追加適正化ステップと、を含むことを特徴とする請求項2に記載のシステム設計方法。 - 前記処理要素および前記パラメータ要素の組み合わせで構成される前記構成要素を遺伝的アルゴリズムで定義される遺伝子とし、前記システム個体を遺伝的アルゴリズムで定義される個体として、
遺伝的アルゴリズムを用いて、前記システム個体の出力信号を評価し、当該出力信号の評価に基づいて当該システム個体を構成する前記構成要素を最適化することを特徴とする請求項2乃至4のいずれか一項に記載のシステム設計方法。
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安藤 晋 外2名,「可変長遺伝子を用いたアナログ回路の進化」,電子情報通信学会技術研究報告,社団法人電子情報通信学会,1999年05月27日,第99巻, 第95号,pp.25-32 |
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