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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.
ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica
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.
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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.
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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.
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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%
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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.
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Arquitetura Proposta da Máquina Arquitetura Proposta da Máquina de Inferênciade Inferência
U nida de deR e g ra
xy
U nida de deR e g ra
xy
U nida de deR e g ra
xy
U nida de deR e g ra
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
ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica
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 é l u l ab á s i c a
C é l u l ab á s i c a
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
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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 )
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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).
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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
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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
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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
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Circuito Esquemático e Resultado de SimulaçãoCircuito Esquemático e Resultado de Simulação
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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.
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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
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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) .
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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.
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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.
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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
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Resultados de Simulação do mfcResultados de Simulação do mfc22
Programação da forma da função de pertinência.Programação da forma da função de pertinência.
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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.
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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).
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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.
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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
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Circuito mfcCircuito mfc22
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Circuitos de Máximo e de MínimoCircuitos de Máximo e de Mínimo
Circuito de máximoCircuito de máximo
Circuito de mínimoCircuito de mínimo
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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
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Bloco de célula básicaBloco de célula básica
Parâmetros utilizados para realizar a caracterização do deste circuito.
Resultados de Teste dos Circuitos DesenvolvidosResultados de Teste dos Circuitos Desenvolvidos Circuito Fuzificador mfcCircuito Fuzificador mfc11
Iin [0,10] (A)
Iref 10 (A)
Rcarga 100(K)
Área de silício 0,08 X 0,02 (mm2)
Número de transistores
10
Tecnologia CMOS 0,8m AMS
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Bloco somadorBloco somador
Resultados de Teste dos Circuitos DesenvolvidosResultados de Teste dos Circuitos Desenvolvidos Circuito Fuzificador mfcCircuito Fuzificador mfc11
Parâmetros utilizados para realizar a caracterização do deste circuito.
Iin [0,10] (A)
Icorte 10 (A)
Rcarga 100(K)
Área de silício 0,16 X 0,07 (mm2)
Número de transistores
15
Tecnologia CMOS 0,8m AMS
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Circuito Fuzificador mfcCircuito Fuzificador mfc22 Funções de PertinênciasFunções de Pertinências
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Circuito Fuzificador mfcCircuito Fuzificador mfc22 Alteração de Inclinação e DeslocamentoAlteração de Inclinação e Deslocamento
circuito escalonador programável
razão 1:3
circuito escalonador programável
razão 1:2
circuito escalonador programável
razão 1:1
escalonador (1) razão 1:1escalonador (2) razão 1:1
escalonador (1) razão 1:1escalonador (2) razão 1:2
escalonador (1) razão 1:1escalonador (2) razão 1:3
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Circuito de MínimoCircuito de Mínimo
Equação Iout = min(Ix, Iy) = Ix(Ix Iy)
Corrente de entrada(máxima) 10 (A)
Números de entradas 02
Área de silício 0,135 X 0,07 (mm2)
Número de transistores 20
Tecnologia CMOS 0,8m AMS
Principais características e parâmetros utilizados para realizar a caracterização do circuito de mínimo.
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Circuito de MáximoCircuito de Máximo
Equação Iout = max(Ix, Iy) = Iy + (Ix Iy)
Corrente de entrada(máxima) 10 (A)
Números de entradas 02
Área de silício 0,077 X 0,085 (mm2)
Número de transistores 14
Tecnologia CMOS 0,8m AMS
Principais características e parâmetros utilizados para realizar a caracterização do circuito de máximo.
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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 :
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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
Número de transistores
268
Tecnologia CMOS 0,8m AMS
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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.
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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.