JP7302938B2 - System design device and method - Google Patents
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Description
この発明は、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各種のシステムを設計するシステム設計装置とその方法に関する。 The present invention relates to a system design apparatus and method for designing various systems that process an input signal and output the processed result as an output signal.
特許文献1は、重回帰分析による予測モデルの作成方法を開示している。また、特許文献2は、ニューラルネットワークによる学習を用いた入力データの処理回路を開示している。
しかしながら、特許文献1に開示された重回帰分析による予測モデルの作成方法では、線形なモデルしか表現できないため、非線形システムに適用すると線形近似による誤差が発生してしまうという問題があった。
However, the prediction model creation method based on multiple regression analysis disclosed in
また、特許文献2に開示されたニューラルネットワークによる学習を用いた入力データの処理回路は、そのシステムを構成するニューラルネットワークが完全にブラックボックス化されており、入力データに対する演算処理の過程をチェックすることができず、仮に明らかに間違った結果が出力されても、その原因を探究することが困難であるという問題がある。
In addition, in the input data processing circuit using learning by a neural network disclosed in
本発明は、上述した従来技術の事情に鑑みてなされたもので、入力信号に対して高精度に最適化された結果を出力することができて信頼性が高く、しかも入力信号に対する処理の過程が明確に把握でき、その解析も容易なシステムの設計を実現することを目的とする。 The present invention has been made in view of the circumstances of the prior art described above. The purpose is to realize the design of a system that can clearly grasp and analyze it easily.
上記目的を達成するために、本発明に係る装置は、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の構成を、設計するシステム設計装置であって、
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。
To achieve the above object, an apparatus according to the present invention is a system design apparatus for designing the configuration of a system for processing an input signal and outputting the processing result as an output signal,
The components of the system are divided into processing elements for processing input signals and parameter elements that define the possible ranges of parameters used in processing by the processing elements. a storage means for storing elements;
system individual generation means for generating a component by combining arbitrarily selected processing elements and parameter elements, and for generating a system individual by combining these components;
computing means for processing input signals for each of the plurality of types of system individuals generated by the system individual generating means;
evaluation means for evaluating an output signal output as a processing result of the calculation means;
an element optimization means for optimizing the constituent elements constituting the individual system based on the evaluation of the output signal by the evaluation means.
また、本発明に係る方法は、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、
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。
A method according to the present invention is a system design method for designing a system that processes an input signal and outputs the processed result as an output signal,
The components of the system are divided into processing elements for processing input signals and parameter elements that define the possible ranges of parameters used when the processing elements process, and multiple types of processing elements and parameter elements are divided set in advance,
Each arbitrarily selected processing element and parameter element are combined to create a component, and the component is combined to generate a system individual,
Generate a plurality of types of system individuals, process input signals for each of the plurality of types of system individuals, evaluate an output signal output as a result of the processing, and evaluate the system individual based on the evaluation of the output signal. It is characterized by optimizing the constituent elements that make up the
上述したように、本発明によれば、システムの構成要素を構成する処理要素とパラメータ要素とをそれぞれ最適化するので、特許文献1に開示されたような重回帰分析による予測モデルの作成方法に比べ、入力信号に対して高精度に最適化された結果を出力することができ、信頼性の高いシステムを設計することができる。しかも、あらかじめ予測モデルの構造を決める必要がないため、構造が未知のシステムに対しても適用可能であり、設計の自由度が極めて広い。
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。
As described above, according to the present invention, the processing elements and parameter elements that make up the components of the system are optimized, respectively. It is possible to output a highly accurate optimized result for the input signal, and to design a highly reliable system. Moreover, since it is not necessary to determine the structure of the predictive model in advance, it can be applied to a system whose structure is unknown, and the degree of freedom in design is extremely wide.
Furthermore, since the designed system has clear components and the process of processing the input signal can be grasped, the analysis is easy.
上述した本発明のシステム設計方法において、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。
In the system design method of the present invention described above, for the generated system individual,
By arranging the constituent elements that make up the individual system in a grid pattern and transmitting an input signal to each constituent element according to the function of the processing element included in each constituent element, performs signal processing by elements,
Evaluate the output signal output as the processing result,
A method of optimizing the components constituting the individual system based on the evaluation of the output signal can also be used.
このように構成要素を格子状に配置して、複数段の構成要素によりシステム個体を構成することで、より精密なシステムを構成することができる。しかも、格子状に配置した各構成要素に対して、処理要素の機能に応じて入力信号を伝達して行き、逐次信号処理を実行することで、迅速な処理を実現することができる。 By arranging the constituent elements in a grid pattern in this manner and constructing a system individual with a plurality of stages of constituent elements, a more precise system can be constructed. In addition, rapid processing can be realized by transmitting an input signal to each component arranged in a grid according to the function of the processing element and sequentially executing signal processing.
また、上述した本発明のシステム設計方法において、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を構成する構成要素を最適化する初期適正化ステップと、
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。
Further, in the above-described system design method of the present invention, a plurality of types of system individuals are generated, input signals are processed for each of the plurality of types of system individuals, and an output signal output as a result of the processing is evaluated. , an initial optimization step of optimizing the components that make up the system individual based on the evaluation of the output signal;
Newly created components are added to the optimized components, multiple types of system individuals are generated, input signals are processed for each of the multiple types of system individuals, and the processing results are output. and an additional optimization step of evaluating the generated output signal and optimizing newly added components included in the system individual based on the evaluation of the output signal.
このようにシステム個体を階層化して順次最適化していくことで、重要な構成要素から段階的に設計していくことができ、要求される精度に応じて柔軟にシステムを設計することが可能となる。 By optimizing individual systems in a hierarchical manner in this way, it is possible to design step-by-step, starting with important components, and to flexibly design systems according to the required accuracy. Become.
また、上述した本発明のシステム設計方法は、処理要素およびパラメータ要素の組み合わせで構成される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、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、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。
Further, in the above-described system design method of the present invention, a component composed of a combination of a processing element and a parameter element is a gene defined by a genetic algorithm, and a system individual is an individual defined by a genetic algorithm.
A genetic algorithm can be used to evaluate the output signal of an individual system, and optimize the components that make up the individual system based on the evaluation of the output signal.
遺伝的アルゴリズム(GA: Genetic Algorithm)は、システムを最適化するためのシミュレーション手法としてすでに知られている。この遺伝的アルゴリズムの手法を用いて、システム個体の出力信号の評価と、システム個体を構成する処理要素およびパラメータ要素の最適化を、高精度かつ柔軟に実行することが可能となる。 A genetic algorithm (GA) is already known as a simulation technique for optimizing a system. Using this genetic algorithm method, it is possible to evaluate the output signal of the individual system and optimize the processing elements and parameter elements that make up the individual system with high precision and flexibility.
以上説明したように、本発明によれば、システムの構成要素の処理要素とパラメータ要素をそれぞれ最適化するので、入力信号に対して高精度に最適化することができて信頼性が高く、しかも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が明確に把握でき、その解析も容易なシステムの設計を実現することができる。 As described above, according to the present invention, the processing elements and parameter elements of the system components are optimized respectively, so that the input signal can be optimized with high accuracy and reliability, and moreover, It is possible to design a system whose constituent elements are clear, the process of processing an input signal can be clearly grasped, and the analysis thereof is easy.
本発明に係るシステム設計装置とその方法は、基本的には、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各種のシステムを、コンピュータを用いて自動的に設計するものである。
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。
The system design apparatus and method according to the present invention basically use a computer to automatically design various systems that process input signals and output the processed results as output signals.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
〔第1実施形態〕
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。
[First embodiment]
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a system design device according to the first embodiment of the present invention.
The system design apparatus comprises storage means 100 , system initial individual creation means (system individual generation means) 101 , arithmetic means 102 , evaluation means 103 and element optimization means 104 .
記憶手段100には、設計するシステムを構成するための要素(すなわち「構成要素」)10をあらかじめ記憶してある。ここで、構成要素10は、入力信号を処理するための「処理要素11」の選択肢と、この処理要素11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12」とが、記憶手段100に記憶してある。
The storage means 100 preliminarily stores
例えば、任意のシステムがフックの法則に従う場合は、入力信号X(ばねの伸び)に対して、ゲインkを掛ける(kX)ことで、出力F(ばねから受ける力)を得る。この場合のkXが処理要素11に該当し、パラメータkのとりうる範囲がパラメータ要素12に該当する。
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。
For example, if any system obeys Hooke's Law, the input signal X (elongation of the spring) is multiplied by a gain k (kX) to obtain the output F (force received from the spring). kX in this case corresponds to the
However, if it is unknown whether any system obeys Hooke's Law, then the processing elements used by the system are unknown. In the present invention, in order to automatically design a system from a system whose processing elements are unknown, the processing elements 11 (kX, k/X, cosX, etc.) that may be used in the system and the parameter k The possible range of (parameter element 12) is stored in the storage means 100.
また、本実施形態で用いる処理要素11は、後述するように格子状に配置される構成要素10の各々が、行方向(X方向)か、または行方向(X方向)と列方向(Y方向)の二方向から信号を入力する構成となっている。
In the
図2および図3は、処理要素の具体例を示す図である。
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。
2 and 3 are diagrams showing specific examples of processing elements.
In the specific examples shown in these figures, the
なお、これらの図に示した処理要素11の中には、「a」や「b」の係数で示されたパラメータを含むものと、含まないものが混在している。例えば、経路要素、乗算器(MP)、符号関数(SGN)、アークサイン(ASIN)、アークコサイン(ACOS)、アークタンジェント(ATAN)の処理要素11は、パラメータを含んでいない。
Among the
図1に戻り、システム初期個体作成手段101は、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を用いてシステム個体を構成する機能を備えた構成部である。
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。
Returning to FIG. 1, system initial individual creation means 101 is a component having a function of configuring a system individual using
The system initial individual creation means 101 creates an initial system individual in the following procedure. First, the
上述したように、処理要素11の中にはパラメータを含まないものがある。そのような処理要素11に対しては、パラメータなしを意味するパラメータ要素12を組み合わせればよい。
As noted above, some
次に、作成した複数種類の構成要素10を任意に組み合わせて初期の「システム個体13」を生成する。後述する要素最適化手段104では、システム個体13を単位として、そこに含まれる構成要素10を最適化するための操作が行われる。
Next, an initial “system individual 13” is generated by arbitrarily combining the plurality of types of the created
図4は、システム個体の信号処理を実行する際の構成例を示す図である。同図に示すように、本実施形態では、システム個体を構成する個々の構成要素10を格子状に配置して、演算手段102による信号処理を実行している。このように、個々の構成要素10を格子状に配置して、複数段の構成要素10によりシステム個体13を構成することで、より精密なシステムを構成することができる。
FIG. 4 is a diagram showing a configuration example when executing signal processing for an individual system. As shown in the figure, in the present embodiment, individual
ここで、第1列目に配置した各構成要素10には、それぞれ入力端子14が接続され、また最終列に配置した各構成要素には、それぞれ出力端子15が接続される。そして、任意の入力端子14から入力信号を入力し、システム個体13で処理した結果を任意の出力端子15から出力信号として出力する。
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。
An
FIGS. 5(a) and 5(b) are diagrams showing design examples of the input terminal portion, and FIGS. 5(c), 5(d) and 5(e) are diagrams showing design examples of the output terminal portion.
As for the
As for the
入力端子部分や出力端子部分の各種構成も、処理要素11として、あらかじめ記憶手段100に記憶しておき、それらを任意に選択してシステム個体13を構成することができる。これにより、出力信号の計算に重要な入力パラメータの種類が未知であった場合でも、最適なシステムの設計が可能になる。また、システム設計に際して、入力端子部分や出力端子部分の構成をユーザが指定し、当該ユーザが指定した構成を利用してシステム個体を構成してもよい。
Various configurations of the input terminal portion and the output terminal portion can also be stored in advance in the storage means 100 as the
演算手段102は、システム初期個体作成手段101により構成したシステム個体13に対して、入力信号を演算処理してその処理結果を出力信号として出力する。
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。
The calculation means 102 performs calculation processing on the input signal for the system individual 13 constructed by the system initial individual creation means 101, and outputs the processing result as an output signal.
In this embodiment, as shown in FIG. 4, for a system individual 13 having a configuration in which
評価手段103は、演算手段102によってシステム個体から出力された出力信号(処理結果)を、あらかじめ設定してある評価基準に基づいて評価する。
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。
The evaluation means 103 evaluates the output signal (process result) output from the individual system by the calculation means 102 based on preset evaluation criteria.
For example, the evaluation level can be set according to the magnitude of the difference between the output signal and the true value, and the evaluation result can be based on which evaluation level the output signal from the system individual 13 corresponds to. In addition, the evaluation means 103 can evaluate not only the relationship between input and output, but also evaluation based on various indexes such as disturbance response and target value follow-up characteristics.
要素最適化手段104は、評価手段103による出力信号の評価に基づいて、システム個体13を構成する構成要素10(すなわち、処理要素11とパラメータ要素12の各々)を最適化する。本実施形態では、この最適化の手法として遺伝的アルゴリズムの手法を用いている。
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。
The element optimization means 104 optimizes the components 10 (that is, each of the
Here, the component 10 (
遺伝的アルゴリズム(GA:Genetic Algorithm)は、生物の進化の過程をまねた進化処理を実行して最適解を得ようとする探索手法である。具体的には、図6(a)に示すように、情報が書き込まれた構成要素(遺伝子20)を組み合わせて複数種類の個体(染色体)21を生成する。その後に、各々の個体21に対して適応度の評価を行う。そして、適応度が高いものを次世代へ残すという観点から、各個体21に対して遺伝子操作による最適化を実行し、さらに適応度の高い次世代の個体21を生成していく。この一連の操作を繰り返しながら個体21を進化させ、あらかじめ設定した要求精度の個体21が得られた段階で進化処理を終了する。
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。
Genetic Algorithm (GA) is a search method that attempts to obtain an optimal solution by performing evolutionary processing that mimics the evolutionary process of living organisms. Specifically, as shown in FIG. 6(a), multiple types of individuals (chromosomes) 21 are generated by combining constituent elements (genes 20) in which information is written. After that, each individual 21 is evaluated for fitness. Then, from the viewpoint of leaving those with high fitness to the next generation, each individual 21 is optimized by genetic manipulation, and the next-
Aspects of optimization by genetic engineering for the individual 21 include, for example, selection, crossover, and mutation. FIG. 6(b) shows an example of crossover, in which parts of two individuals are rearranged with each other. FIG. 6(c) shows an example of mutation, in which some
このような遺伝的アルゴリズムの手法を利用して、上述した評価手段103によるシステム個体13の評価を実行するとともに、当該評価に基づいてシステム個体13を構成する処理要素11およびパラメータ要素12を最適化し、所望の要求精度を備えたシステムの構成を完成させる。
Using such a genetic algorithm technique, the system individual 13 is evaluated by the evaluation means 103 described above, and the
図1に示す各構成部を備えた本実施形態に係るシステム設計装置は、具体的にはコンピュータを用いて構成することができる。図7はコンピュータの一般的な構成を示すブロック図である。同図に示すように、コンピュータは、中央処理部(CPU:Central Processing Unit)200、RAM(Random Access Memory)201、記憶部202、入力部203、表示部204などの各構成部を備えている。
The system design apparatus according to the present embodiment, which includes each component shown in FIG. 1, can be specifically configured using a computer. FIG. 7 is a block diagram showing the general configuration of a computer. As shown in the figure, the computer includes components such as a central processing unit (CPU) 200, a RAM (random access memory) 201, a
記憶部202は、HDD(Hard Disk Drive)やSSD(Solid State Drive)などの外部記憶装置や、回路基板に直接接続されたROM(Read Only Memory)を含んでいる。本実施形態に係るシステム設計装置の記憶手段100は、この記憶部202によって構成され、処理要素11、パラメータ要素12、入力端子部分や出力端子部分の各種構成などは、この記憶部202に記憶される。また、上述した手順でシステムの設計を実行するためのプログラムも、この記憶部202にあらかじめ記憶してある。
The
中央処理部200は、記憶部202から読み出したプログラムや各種のデータをRAM201に一時保存して、当該プログラムに従って一連の処理を実行する。このプログラムと中央処理部200により、本実施形態に係るシステム設計装置のシステム初期個体作成手段101、演算手段102、評価手段103、要素最適化手段104が構成される。
The
入力部203は、ユーザによる操作をもってデータの入力や指令、手動操作などを実行する構成部であり、キーボードやマウスなどで構成される。表示部204は、液晶ディスプレイなどで構成され、処理過程における各種の操作画面や、各種の処理結果などがこの表示部204に表示される。
The
〔第2実施形態〕
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。
[Second embodiment]
FIG. 8 is a diagram showing a system design device according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 9 is a diagram for explaining a system design method according to the embodiment.
本実施形態では、システム個体13の構成要素10を階層化し、段階的に最適化していく構成としてある。そのために、本実施形態に係るシステム設計装置は、図8に示すように、構成要素追加手段105を備えている。構成要素追加手段105は、最適化されたシステム個体13に、さらに新たな構成要素10を作成して追加する機能を備えている。この構成要素追加手段105は、図7に示したコンピュータの中央処理部200によって構成される。
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。
In this embodiment, the
In FIG. 8, the same reference numerals are given to the same or corresponding means as those in FIG.
本実施形態のシステム設計方法では、例えば、図9(a)のように構成要素10を格子状に配列したシステム個体13を最終的に設計する場合、システム初期個体作成手段101は、まず格子の一行目に相当する第1の階層13aの構成要素10aだけでシステム個体13を構成する(同図(b)を参照)。
In the system design method of this embodiment, for example, when finally designing a system individual 13 in which the
そして、演算手段102が、このシステム個体13に対して、入力信号を演算処理してその処理結果を出力信号として出力する。 Then, the arithmetic means 102 arithmetically processes the input signal to the system individual 13 and outputs the processing result as an output signal.
評価手段103は、演算手段102によってシステム個体13から出力された信号(処理結果)を、あらかじめ設定してある評価基準に基づいて評価する。 The evaluation means 103 evaluates the signal (process result) output from the system individual 13 by the calculation means 102 based on preset evaluation criteria.
要素最適化手段104は、評価手段103による出力信号の評価に基づいて、第1の階層13aの構成要素10aを最適化する(初期適正化ステップ)。
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。
The element optimization means 104 optimizes the
The system individual 13 composed of the
次いで、図9(c)に示すように、最適化された構成要素10aからなる第1の階層13aに、構成要素追加手段105により、新たに作成した構成要素10bの組み合わせからなる第2の階層13b(格子の二行目に相当)を追加し、これら第1の階層13aの構成要素10aと第2の階層13bの構成要素10bとを含むシステム個体13を生成する。
Next, as shown in FIG. 9(c), a second hierarchy composed of a combination of the newly created
そして、演算手段102が、このシステム個体13に対して、入力信号を演算処理してその処理結果を出力信号として出力する。 Then, the arithmetic means 102 arithmetically processes the input signal to the system individual 13 and outputs the processing result as an output signal.
評価手段103は、演算手段102によってシステム個体13から出力された信号(処理結果)を、あらかじめ設定してある評価基準に基づいて評価する。 The evaluation means 103 evaluates the signal (process result) output from the system individual 13 by the calculation means 102 based on preset evaluation criteria.
要素最適化手段104は、評価手段103による出力信号の評価に基づいて、第2の階層13bの構成要素10bを最適化する(追加適正化ステップ)。ここでの最適化の対象は、新たに追加した第2の階層13bを構成する構成要素10bのみとし、先に最適化が終了している第1の階層13aを構成する構成要素10aはそのままの構成を保持する。このような手順で、第1の階層13aの構成要素10aと第2の階層13bの構成要素10bとを含むシステム個体13を設計する。
The element optimization means 104 optimizes the
このようにして、構成要素追加手段105が、新たに作成した構成要素10の組み合わせからなる下位の階層を順次追加していき(図9(d)を参照)、追加した構成要素10を最適化して(追加適正化ステップ)、最終的に図9(a)に示すような格子状に構成要素10が配置された構成のシステム個体13を設計する。
In this way, the component adding means 105 sequentially adds lower layers composed of combinations of the newly created components 10 (see FIG. 9(d)), and optimizes the added
このようにシステム個体13を階層化して順次最適化していくことで、重要な構成要素10から段階的に設計していくことができる。そして、要求精度を満たすシステムができた時点で設計を終了することで、柔軟なシステム設計が可能となる。
By layering the
本実施形態に係るシステム設計装置とその方法によれば、新たに追加する構成要素10の組み合わせをもって下位の階層を作成する際に、装置とユーザとが対話しながら当該構成要素10の組み合わせを決定する操作を組み込むこともできる。また、処理要素準備や評価手段103による評価方法など、システム設計の過程の一部において、ユーザの知識や意思を反映させることも可能である。
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。
According to the system design device and method according to the present embodiment, when creating a lower hierarchy with a combination of newly added
Specifically, commands and data based on the user's knowledge and intention can be input from the
〔第2実施形態の具体例〕
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。
[Specific example of the second embodiment]
Next, a specific example for designing a system for a friction compensator of a powder filling machine using the system design method according to the second embodiment described above will be described with reference to FIGS. 10 to 15. FIG.
As shown in FIG. 10 , the powder filling machine stores powder in a funnel-shaped storage portion called a
さて、このような構成をした粉体充填機では、モータ302の駆動により適正量の粉体がファネルチューブ304の下端開口部から排出される。そのような定量充填を実現するためには、充填対象となる粉体からオーガスクリューやアジテータが受ける粉体トルクを正確に検出する必要がある。しかし、粉体充填機には、例えば、モータの動力伝達系統に種々の要因から摩擦トルクが作用している。そのため、オーガスクリューやアジテータが受ける粉体トルク以外の摩擦トルクを除去して、モータを駆動制御にフィードバックする目的で、摩擦補償器が設けられている
Now, in the powder filling machine having such a configuration, an appropriate amount of powder is discharged from the lower end opening of the
この摩擦補償器を上述した第2実施形態に係るシステム設計方法を用いて設計するには、例えば、図11~図15に示したステップ1~8の処理工程を順次実行していけばよい。
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。
In order to design this friction compensator using the system design method according to the second embodiment described above, for example, steps 1 to 8 shown in FIGS. 11 to 15 may be sequentially executed.
First, as shown in FIG. 11, a plurality of types of system initial individuals 13-1 to 13-N are generated by combining the constituent elements 10 (step 1). These system initial individuals 13-1 to 13-N, for example, to remove basic static friction torque and viscous friction torque that affect the rotation speed (angular speed) of the motor from the processing elements shown in FIG. The
The process of
次に、図12に示すように、複数種類のシステム初期個体13-1~13-Nについて、それぞれ各構成要素10を格子状に配置する(ステップ2)。例えば、システム初期個体13-1の構成要素を二つの構成要素群10A,10Bに分け、一方の構成要素群10Aを1行目に配置し、他方の構成要素群10Bを2行目に配置する。
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。
Next, as shown in FIG. 12, each
Then, the input signal is arithmetically processed for each of the system initial individuals 13-1 to 13-N, and the output signal output as the processing result is evaluated (step 3). Subsequently, based on the evaluation of each system initial individual 13-1 to 13-N, the components of the system individual are optimized by a genetic algorithm (step 4).
The processes of
その後、図13に示すように、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(3行目)に新たな構成要素群を追加する(ステップ5)。ここで、追加する構成要素群は、例えば、図2に示した処理要素からモータの回転角度に依存する摩擦トルクを除去するための処理要素に着目して適宜構成要素を作成し、それらの構成要素を組み合わせればよい。
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。
After that, as shown in FIG. 13, a new component group is added to the bottom row (third row) of the component groups arranged in a grid forming the optimized system individual (step 5). Here, the group of components to be added is, for example, focusing on the processing elements for removing the friction torque depending on the rotation angle of the motor from the processing elements shown in FIG. You can combine the elements.
The process of
そして、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)。 Then, the computing means 102 performs arithmetic processing on the input signal for the system individual, the evaluation means 103 evaluates the output signal output as the processing result (step 6), and the element optimization means 104 performs the system individual Based on the evaluation of , a genetic algorithm is used to optimize the components of the individual system (step 7).
上述したステップ5~7は、図14に示すように、満足のいく精度が得られるシステムが抽出されるまで繰り返される。
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)。
The steps 5-7 described above are repeated until a system with satisfactory accuracy is extracted, as shown in FIG.
In other words, the component adding means 105 adds another new component group to the bottom row of the group of components arranged in a lattice that constitutes the optimized individual system (step 5), and On the other hand, the
例えば、構成要素追加手段105は、最適化されたシステム個体を構成する構成要素群の4行目には、モータの回転角度に依存する別の摩擦トルクを除去するための処理要素に着目して適宜構成要素を作成し、それらの構成要素を組み合わせればよい。さらに、次に最適化されたシステム個体を構成する構成要素群の5行目には、モータの角加速度に依存する摩擦トルクを除去するための処理要素に着目して適宜構成要素を作成し、それらの構成要素を組み合わせればよい。 For example, the component adding means 105 focuses on the processing element for removing another frictional torque that depends on the rotation angle of the motor in the fourth line of the component group that constitutes the optimized individual system. It suffices to create constituent elements as appropriate and combine those constituent elements. Furthermore, on the fifth line of the group of components that make up the optimized individual system, create appropriate components by focusing on the processing elements for removing the friction torque that depends on the angular acceleration of the motor, All you have to do is combine those components.
このようにして新たな構成要素群を追加して階層化されたシステム個体の最適化が終了した後、そのように最適化されたシステム個体のコードを解析することで、図15に示すように各構成要素の機能が理解できるシステム回路を得ることができる。 After the optimization of the hierarchized system individual by adding a new component group in this way is completed, the code of the system individual thus optimized is analyzed to obtain the following as shown in FIG. A system circuit can be obtained in which the function of each component can be understood.
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、必要に応じて種々の変形実施や応用実施が可能であることは勿論である。
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。
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and it goes without saying that various modifications and applications are possible as required.
For example, as the optimization method by the element optimization means 104, it is possible to use methods other than the genetic algorithm.
In addition, in the additional optimization step, it is possible to optimize by adding new components not only to the "rows" arranged in a grid pattern but also to the "columns".
In addition, it is possible to optimize by arranging not only two-dimensionally rows and columns, but also multi-dimensionally.
10:構成要素、11:処理要素、12:パラメータ要素、13:システム個体、14:入力端子、15:出力端子、
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
10: component, 11: processing element, 12: parameter element, 13: system individual, 14: input terminal, 15: output terminal,
20: gene, 21: individual,
100: storage means, 101: system initial individual creation means, 102: calculation means, 103: evaluation means, 104: element optimization means, 105: component addition means,
200: central processing unit, 201: RAM, 202: storage unit, 203: input unit, 204: display unit,
301: hopper, 302: motor, 303: auger screw, 304: funnel tube, 305: agitator
Claims (5)
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。 A system design device for designing a system that processes an input signal and outputs the processed result as an output signal,
The components of the system are divided into processing elements for processing the input signal and parameter elements that define possible ranges of parameters used when the processing elements process. storage means for storing said parameter elements of types;
system individual generating means for generating the component by combining the arbitrarily selected processing elements and the parameter elements, and for generating a system individual by combining these components;
computing means for processing input signals for each of the plurality of types of system individuals generated by the system individual generating means;
evaluation means for evaluating an output signal output as a processing result of the calculation means;
an element optimization means for optimizing the constituent elements constituting the system individual based on the evaluation of the output signal by the evaluation means;
A system design device comprising:
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。 A system design method for designing a system that processes an input signal and outputs the processed result as an output signal,
The components of the system are divided into processing elements for processing the input signal and parameter elements that define possible ranges of parameters used in processing by the processing elements, and a plurality of types of the processing elements and the Set parameter elements in advance,
combining the arbitrarily selected processing elements and parameter elements to create the constituent elements, and combining these constituent elements to generate a system individual;
generating a plurality of types of system individuals, processing input signals for each of the plurality of types of system individuals, evaluating an output signal output as a result of the processing, and evaluating the output signal based on the evaluation of the output signal; A system design method characterized by optimizing the constituent elements that constitute an individual.
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。 For the generated system individual,
By arranging the constituent elements that make up the individual system in a grid pattern and transmitting the input signal to each constituent element according to the function of the processing element included in each constituent element, perform signal processing by each of the components;
Evaluating the output signal output as a result of the processing,
3. The system design method according to claim 2, wherein said components constituting said system individual are optimized based on the evaluation of said output signal.
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。 generating a plurality of types of system individuals, processing input signals for each of the plurality of types of system individuals, evaluating an output signal output as a result of the processing, and evaluating the output signal based on the evaluation of the output signal; an initial optimization step of optimizing the components that make up an individual;
adding the newly created component to the optimized component to generate a plurality of types of system individuals, processing an input signal for each of the plurality of types of system individuals, and processing the processing and an additional optimization step of evaluating a resulting output signal and optimizing the newly added component included in the system individual based on the evaluation of the output signal. 3. The system design method according to item 2.
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。
Assuming that the constituent element composed of the combination of the processing element and the parameter element is a gene defined by a genetic algorithm, and the system individual is an individual defined by the genetic algorithm,
5. The system according to any one of claims 2 to 4 , wherein a genetic algorithm is used to evaluate the output signal of the system individual and optimize the components constituting the system individual based on the evaluation of the output signal. or the system design method according to item 1.
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