ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica Arquiteturas Programáveis de uma Máquina de Inferência Fuzzy em Tecnologia CMOS Autor: Leonardo Mesquita Orientador:

ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica

Arquiteturas Programáveis de Arquiteturas Programáveis de uma Máquina de Inferência uma Máquina de Inferência Fuzzy em Tecnologia CMOSFuzzy em Tecnologia CMOS

Autor: Leonardo Mesquita

Orientador: Prof. Osamu SaotomeCo-orientador: Prof. Galdenoro Botura Jr.


Roteiro de ApresentaçãoRoteiro de Apresentação Motivação e objetivos. Lógica difusa. Microprocessador baseado em lógica difusa.

– Blocos constituintes. Arquitetura proposta da máquina de inferência. Circuitos projetados e implementados.

– Membership function circuit: mfc1 e mfc2.– Circuito de máximo e circuito de mínimo.– Unidade de regra.

Resultados dos testes. Conclusões. Trabalhos futuros.


Motivação e ObjetivosMotivação e Objetivos Atuar em projetos de sistemas de controle

que utilizam metodologias de controle baseada na teoria da lógica difusa.

O objetivo principal é desenvolver blocos que poderão ser utilizados como parte constituinte de uma máquina de inferência.

Todos os blocos devem ser desenvolvidos em hardware analógico.


Lógica DifusaLógica Difusa Proposta por Lofti Zadeh em 1965. É uma lógica de múltiplos valores que pode ser

utilizada para resolver problemas de controle onde a modelagem do mesmo é muito difícil de ser obtido pelo método clássico devido às suas não-linearidades, às variações de processo ao longo do tempo ou à própria imperícia humana em se obter um modelo que represente o sistema.


controle embarcado

automação industrial

controle de processo

analise de dados

Aplicações de Sistemas Baseados Aplicações de Sistemas Baseados em Lógica Difusaem Lógica Difusa

19%

44%

30%

7%


BLOCO FUZIFICADOR

BLOCO DEFUZIFICADOR

MÓDULO DE

INFERÊNCIA

BASE DE REGRAS DIFUSAS

MICROPROCESSADOR DIFUSO

PLANTA SOB

CONTROLE

condições

ações

MÁQUINA DE INFERÊNCIA

ENTRADAS

SAÍDAS

Microprocessador Baseado em Microprocessador Baseado em Lógica DifusaLógica Difusa

Converte o valor da variável de entrada para o seu correspondente valor difuso.

O mapa de regras difusas deverá ser preenchido durante a identificação do sistema.

Converte o conjunto difuso, que representa a possível ação de controle a ser tomada, em um valor real que melhor representa tal conjunto.


Arquitetura Proposta da Máquina Arquitetura Proposta da Máquina de Inferênciade Inferência

U nida de deR e g ra

xy


xy


xy


xy

C IR C U ITOD E

M Á X IM O

D efuzificad orM étod o

Centro de Á rea

M á q u in a d e I n fe rê n c ia

circu ito de g e ra çã o de f u n çã o de pe rt in ên cia circu it o de ge ra çã o de f u n ção de pe rt in ên ciaO p e ra d o r

M ín im o

O p e r ad o rM í n i m o

G e r ad o r d e fu n ç ã o d e p e r t i n ê n c i ad a s a í d a

XY

U N ID A D E D E R E G R A


Membership Function Circuit – mfcMembership Function Circuit – mfc11 Gerar funções de pertinência do tipo triangular ou trapezoidal. Ocupar pouca área de silício. Arquitetura completamente modular.

C é l u l ab á s i c a




+

+

+

C ircu ito de

D is t r ibu içã ode

C o rre n te s

I ( 0 )

I ( 1 )

I ( n - 1 )

I ( n )

p o s it iv o

p o s it iv o

n e g a t iv o

n e g a t iv o

p o s it iv o

n e g a t iv o

p o s it iv o

n e g a t iv o

B uffe r

Io u t (0 )

Io u t (1 )

Io u t ( n -1 )

Io u t ( n )

Iin

t


Circuito de Distribuição de CorrentesCircuito de Distribuição de Correntes Viabilizar o deslocamento do sinal de entrada em intervalos de corrente pré-

determinados quanto ao valor inicial e final dos mesmos.

Iin

Ide s l

2 Ide s l

Ide s l(0 )

Ide s l(1 )

Ide s l(2 )


Resultados de SimulaçãoResultados de Simulação

-Ms e Mr ativados.

- O sinal de entrada é deslocado em intervalos de 20(A).

-Ms e Mr desabilitados.

- O sinal de entrada é deslocado em intervalos de 10(A).


Circuito de Célula BásicaCircuito de Célula Básica Possui a função de gerar segmentos de reta com inclinações contrárias.

EC1 EC2

)0(deslpos II

. ,0

. ,

posref

posrefposrefposrefneg II

IIIIIII

Iin Ide s l

Ire f


Resultado de SimulaçãoResultado de Simulação

Quando |IQuando |Idel(n)del(n) –I –Idel(n+1)del(n+1)| = I| = Irefref

Função de pertinência gerada possui a forma triangular.

Quando |IQuando |Idel(n)del(n) –I –Idel(n+1)del(n+1)| > I| > Iref ref

Função de pertinência gerada possui a forma trapezoidal. O valor da base menor do trapézio é dado por:

base menor = |I|Idel(n)del(n) –I –Idel(n+1)del(n+1)| - I| - Iref ref


Circuito SomadorCircuito Somador Proposto para unir segmentos de reta com inclinações contrárias

produzidos por células básicas adjacentes.

O sinal de saída produzido por este circuito representa a função de pertinência produzida pelo mfc1 e a equação que define a mesma é:

ctendeslrefndeslmfc IIIII )1()(1


Circuito Esquemático e Resultado de SimulaçãoCircuito Esquemático e Resultado de Simulação


Membership Function Circuit – mfcMembership Function Circuit – mfc22

O usuário programa a forma da função de pertinência: tipo triangular, trapezoidal, “Z” ou “S”.

O usuário programa a inclinação da função gerada.

O usuário programa o deslocamento da função dentro do seu intervalo de existência.

O usuário programa a altura da função de pertinência gerada.


Blocos Consituintes do Fuzificador mfcBlocos Consituintes do Fuzificador mfc22

Célula central

Circui to escalonador programável(1)

Circui to escalonador programável(2)

Circui to aritmético Circui to módulo Circui to cei fadorImfc2

I ref Vcon(0) Vcon(1) Icorte

I in

Ie


Possui a função de gerar dois segmentos de reta com inclinações contrárias.

IIpospos = I = Iinin IInegneg = I = Iee - I - Ipospos

Célula centralCélula central

Resultados de simulação obtidos para um sinal de entrada variando linearmente entre [0, 10](A) e para uma corrente Ie = 10(A) .


Circuito Escalonador ProgramávelCircuito Escalonador Programável Alterar as inclinações dos segmentos de reta produzidos pelo circuito célula central.

programação Va(V) Vb(V) Isaída

1 0 0 Iin

2 5 0 2Iin

3 0 5 Iin

4 5 5 3Iin

• Dependendo da programação o circuito escalonador altera a inclinação do sinal de saída.


Circuitos Aritmético e MóduloCircuitos Aritmético e Módulo O circuito aritmético possui a função de unir os segmentos de reta

oriundos dos circuitos escalonadores. O circuito módulo é utilizado para realizar a função módulo no sinal de

corrente oriundo do circuito aritmético e também é utilizado para programar a forma da função.

inearit ImmImI 212

m1 = razão de espelhamento programada no circuito escalonador 1.

m2 = razão de espelhamento programada no circuito escalonador 2.


Circuito CeifadorCircuito Ceifador Possui a função de limitar o valor máximo que a função de pertinência pode alcançar.

A equação de saída deste circuito que representa a A equação de saída deste circuito que representa a função de pertinência gerada pelo circuito mfcfunção de pertinência gerada pelo circuito mfc22 . .

inerefKKmfc IImIIIII 2,min,min mod2


Resultados de Simulação do mfcResultados de Simulação do mfc22

Programação da forma da função de pertinência.Programação da forma da função de pertinência.


Resultados de Simulação do mfcResultados de Simulação do mfc22

Alteração da inclinação da função Alteração da inclinação da função de pertinência.de pertinência.

Deslocamento da função de Deslocamento da função de pertinência dentro do seu universo pertinência dentro do seu universo de discurso.de discurso.


Circuito de MínimoCircuito de Mínimo Possui a função de calcular o grau de ativação da regra e realizar a implicação difusa.

IOUT = min(IX, IY) = IX(IXIY)

• Operação do circuito de mínimo sendo realizada entre um sinal triangular e um sinal

variando linearmente entre [0, 10] (A).


Circuito de MáximoCircuito de Máximo Realiza a operação de agregação em uma máquina de inferência.

IOUT = max(IX, IY) = IY + (IXIY)

• O resultado de simulação foi obtido utilizando-se como sinais de entrada dois sinais trapezoidais que variam entre [0,

10](A) parcialmente sobrepostos.


Fotografia dos Circuitos Integrados DesenvolvidosFotografia dos Circuitos Integrados Desenvolvidos Tecnologia de integração: CMOS 0,8m da AMS. Todos os chips foram desenvolvidos com o apoio do programa PMU/FAPESP.

– FAPESP75, FAPESP76, FAPESP78.

Célula BásicaCélula Básica

Circuito SomadorCircuito Somador

Circuito de distribuição de CorrentesCircuito de distribuição de Correntes


Circuito mfcCircuito mfc22


Circuitos de Máximo e de MínimoCircuitos de Máximo e de Mínimo

Circuito de máximoCircuito de máximo

Circuito de mínimoCircuito de mínimo


Resultados de Teste dos Circuitos DesenvolvidosResultados de Teste dos Circuitos Desenvolvidos Circuito Fuzificador mfcCircuito Fuzificador mfc11

Bloco de distribuição de correntesBloco de distribuição de correntes

Parâmetros utilizados para realizar a caracterização do deste circuito.

Iin [0,30] (A)

Idesl 10 (A)

Rcarga 100(K)

Números de saídas 03

Área de silício 0,17 X 0,07 (mm2)

Número de transistores

21

Tecnologia CMOS 0,8m AMS


Bloco de célula básicaBloco de célula básica



Iin [0,10] (A)

Iref 10 (A)

Rcarga 100(K)



10



Bloco somadorBloco somador



Iin [0,10] (A)

Icorte 10 (A)

Rcarga 100(K)



15



Circuito Fuzificador mfcCircuito Fuzificador mfc22 Funções de PertinênciasFunções de Pertinências


Circuito Fuzificador mfcCircuito Fuzificador mfc22 Alteração de Inclinação e DeslocamentoAlteração de Inclinação e Deslocamento

circuito escalonador programável

razão 1:3


razão 1:2


razão 1:1

escalonador (1) razão 1:1escalonador (2) razão 1:1




Circuito de MínimoCircuito de Mínimo

Equação Iout = min(Ix, Iy) = Ix(Ix Iy)

Corrente de entrada(máxima) 10 (A)

Números de entradas 02


Número de transistores 20


Principais características e parâmetros utilizados para realizar a caracterização do circuito de mínimo.


Circuito de MáximoCircuito de Máximo

Equação Iout = max(Ix, Iy) = Iy + (Ix Iy)

Corrente de entrada(máxima) 10 (A)

Números de entradas 02


Número de transistores 14


Principais características e parâmetros utilizados para realizar a caracterização do circuito de máximo.


Unidade de RegraUnidade de Regra

ZN P

105 15 20

( X )

10

X = 6 (A )

8

ZN P

105 15 20

( X )

10

Y = 1 7 (A )

1 0

M IN

Z

105 15

SA ID A

10

M A X

R E G R A 1 :

R E G R A N :


Unidade de RegraUnidade de RegraM F C 2

M I N

M I N

M A X

x

y

z

M F C 2

M F C 1

U N I D A D E D E R E G R A

Número de entradas 02

Número de saídas 01


268



ConclusõesConclusões Máquina de inferência com alto grau de programabilidade. Circuito fuzificador mfc1.

– Modularidade.– Programa funções do tipo triangular e trapezoidal.

Circuito fuzificador mfc2.– Modularidade.– Programa funções do tipo triangular, trapezoidal, “Z” ou “S”.– Programa o deslocamento da função dentro do seu universo

de discurso.– Programa a inclinação da função gerada.

Todos os circuitos operam em modo corrente. Todos os circuitos foram fabricados em tecnologia CMOS

0,8m da AMS.


Trabalhos FuturosTrabalhos Futuros Implementar um circuito que realize a operação de

defuzificação. Integrar em uma única pastilha de silício um

microprocessador baseado em lógica difusa. Desenvolvimento de um programa para realizar projetos de

microprocessadores difusos baseados nas céulas analógicas desenvolvidas neste trabalho.

Estudo de modificações na arquitetura proposta buscando diminuir o número de unidades de regra necessárias para implementar um microprocessador difuso.

Estudar a possibilidade da utilização dos blocos desenvolvidos em aplicações de controle adaptativo.

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